半導体発光素子
【課題】発光効率を向上できる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、［０００１］方向の側に向かって順に積層されたｎ形半導体層１０、第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１ａ、Ａｌ含有層４０及び中間層５０を備えた窒化物半導体の半導体発光素子が提供される。Ａｌ含有層は、第１井戸層に接し、第１障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、ｎ形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成を有する。中間層は、Ａｌ含有層に接し、第１井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層のｎ形半導体層の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、中間層のｐ形半導体層の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【解決手段】実施形態によれば、［０００１］方向の側に向かって順に積層されたｎ形半導体層１０、第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１ａ、Ａｌ含有層４０及び中間層５０を備えた窒化物半導体の半導体発光素子が提供される。Ａｌ含有層は、第１井戸層に接し、第１障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、ｎ形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成を有する。中間層は、Ａｌ含有層に接し、第１井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層のｎ形半導体層の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、中間層のｐ形半導体層の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＤ(Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode)などの半導体発光素子において発光効率の向上が求められている。
【０００３】
例えば、発光効率の向上のために、活性層における電子のオーバーフローを抑制する種々の構成が提案されている。しかしながら、発光効率向上のためには改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、発光効率を向上できる半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、第１井戸層と、第１障壁層と、Ａｌ含有層と、中間層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｎ形半導体層は、窒化物半導体を含む。前記ｐ形半導体層は、前記ｎ形半導体層の［０００１］方向の側に設けられ、窒化物半導体を含む。前記第１井戸層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さく前記ｐ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む。前記第１障壁層は、前記第１井戸層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む。前記Ａｌ含有層は、前記第１井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、前記ｎ形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、前記Ａｌ含有層の組成は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）である。前記中間層は、前記Ａｌ含有層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記Ａｌ含有層に接し、前記第１井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む。前記中間層の前記ｎ形半導体層の側の第１部分におけるバンドギャップエネルギーは、前記中間層の前記ｐ形半導体層の側の第２部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーを示す模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第３参考例の半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１０】図１０は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第４参考例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第５参考例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図１３】第４及び第５参考例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１４】半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【図１６】図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
図１は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、第１井戸層３１ａと、第１障壁層３２ａと、Ａｌ含有層４０と、中間層５０と、を備える。
【００１０】
ｎ形半導体層１０は、窒化物半導体を含む。
ｐ形半導体層２０は、ｎ形半導体層１０の［０００１］方向の側に設けられる。ｐ形半導体層２０は、窒化物半導体を含む。
【００１１】
第１井戸層３１ａは、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられる。第１井戸層３１ａは、ｎ形半導体層１０のバンドギャップエネルギーよりも小さくｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第１井戸層３１ａは、窒化物半導体を含む。
【００１２】
第１障壁層３２ａは、第１井戸層３１ａとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第１井戸層３１ａに接する。第１障壁層３２ａは、第１井戸層３１ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。第１井戸層３１ａは、窒化物半導体を含む。
【００１３】
Ａｌ含有層４０は、第１井戸層３１ａとｐ形半導体層２０との間に設けられ、第１井戸層３１ａに接する。Ａｌ含有層４０は、第１障壁層３２ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。Ａｌ含有層４０は、ｎ形半導体層１０の格子定数よりも小さい格子定数を有する。Ａｌ含有層４０の組成は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）である。
Ａｌ含有層４０には、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘＮ（０．００１≦ｘ１＜０．３）が用いられる。
【００１４】
中間層５０は、Ａｌ含有層４０とｐ形半導体層２０との間に設けられ、Ａｌ含有層４０に接する。中間層５０は、第１井戸層３１ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層５０は、窒化物半導体を含む。
【００１５】
中間層５０のｎ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００１６】
中間層５０のバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー以下である。すなわち、中間層５０のｐ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー以下である。
【００１７】
中間層５０には、例えばアンドープのＩｎＧａＮが用いられる。中間層５０のなかで、Ａｌ含有層４０の側の部分のＩｎ組成比を、ｐ形半導体層２０の側の部分よりも高く設定することで、中間層５０のｎ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーが、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さく設定される。
例えば、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、ｎ形半導体層１０の側からｐ形半導体層２０の側に進むに従って増大する。
【００１８】
本実施形態においては、半導体発光素子１１０は、第２井戸層３１ｂと、第２障壁層３２ｂと、第３井戸層３１ｃと、第３障壁層３２ｃと、をさらに備えている。
【００１９】
第２井戸層３１ｂは、第１障壁層３２ａとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第１障壁層３２ａに接する。第２井戸層３１ｂは、第１障壁層３２ａのバンドギャップエネルギーよりも小さく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、中間層５０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２井戸層３１ｂは、窒化物半導体を含む。
【００２０】
第２障壁層３２ｂは、第２井戸層３１ｂとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第２井戸層３１ｂに接する。第２障壁層３２ｂは、第２井戸層３１ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２障壁層３２ｂは、窒化物半導体を含む。
【００２１】
第３井戸層３１ｃは、第２障壁層３２ｂとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第２障壁層３２ｂに接する。第３井戸層３１ｃは、第２障壁層３２ｂのバンドギャップエネルギーよりも小さく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、中間層５０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第３井戸層３１ｂは、窒化物半導体を含む。
【００２２】
第３障壁層３２ｃは、第３井戸層３１ｃとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第３井戸層３１ｃに接する。第３障壁層３２ｃは、第３井戸層３１ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第３障壁層３２ｃは、窒化物半導体を含む。
【００２３】
本具体例では、３つの井戸層３１が設けられた多重量子井戸構造が採用されている。ただし、実施形態はこれに限らず、多重量子井戸構造における井戸層３１の数は任意である。実施形態において、井戸層３１が１つの単一量子井戸構造が採用されても良い。
【００２４】
複数の井戸層３１が設けられる場合、井戸層３１の数を井戸層数Ｎ（Ｎは２以上の整数）とする。１番目の井戸層３１は、複数の井戸層３１のうちで最もｐ形半導体層２０に近い側に配置されるものとする。Ｎ番目の井戸層３１は、複数の井戸層３１のうちで最もｎ形半導体層１０に近い側に配置されるものとする。第１井戸層３１ａ〜第Ｎ井戸層を総称して、井戸層３１という。複数の井戸層３１のうちのそれぞれが、第１井戸層３１ａ、第２井戸層３１ｂ及び第３井戸層３１ｃなどに対応する。
【００２５】
複数の井戸層３１のそれぞれのｎ形半導体層１０の側に、障壁層３２が設けられる。すなわち、第Ｎ井戸層のｎ形半導体層１０の側に、第Ｎ障壁層が設けられる。第１障壁層３２ａ〜第Ｎ障壁層を総称して、障壁層３２という。複数の障壁層３２のそれぞれが、第１障壁層３２ａ、第２障壁層３２ｂ及び第３障壁層３２ｃなどに対応する。
【００２６】
第Ｎ井戸層は、第（Ｎ−１）障壁層とｎ形半導体層１０との間に設けられ、第（Ｎ−１）障壁層に接する。第Ｎ井戸層は、第（Ｎ−１）障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、中間層５０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第Ｎ井戸層は、窒化物半導体を含む。
【００２７】
第Ｎ障壁層は、第Ｎ井戸層とｎ形半導体層１０との間に設けられ、第Ｎ井戸層に接する。第Ｎ障壁層は、第Ｎ井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第Ｎ障壁層は、窒化物半導体を含む。
【００２８】
なお、Ａｌ含有層４０は、第Ｎ障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層５０は、第Ｎ井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。
【００２９】
井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）には、例えば、ＩｎｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）が用いられる。井戸層３１におけるＩｎ組成比（井戸層Ｉｎ組成比ｗ）は、例えば０．０１以上０．５以下とされる。井戸層Ｉｎ組成比ｗは、例えば０．０７とされる。井戸層３１には、例えば、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎが用いられる。
【００３０】
障壁層３２（第１障壁層３２ａなど）には、例えば、Ａｌｂ２Ｉｎｂ１Ｇａ１−ｂ１−ｂ２Ｎ（０≦ｂ１＜１、０≦ｂ２＜１、０≦ｂ１＋ｂ２≦１）が用いられる。障壁層３２におけるＩｎ組成比（障壁層Ｉｎ組成比ｂ１）は、例えば０．００５以上で、井戸層ＩＮ組成比ｗ以下とされる。障壁層Ｉｎ組成比ｂ１は、例えば０．０１とされる。障壁層Ａｌ組成比ｂ２は、例えば０とされる。障壁層３２には、例えば、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎが用いられる。
【００３１】
これにより、障壁層３２のバンドギャップエネルギーは、井戸層３１のバンドギャップエネルギーよりも大きくなる。
但し、実施形態はこれに限らず、井戸層３１及び障壁層３２の組成は、井戸層３１のバンドギャップエネルギーが障壁層３２バンドギャップエネルギーよりも小さいという関係が満たされていれば、任意である。
【００３２】
井戸層３１の厚さは、例えば１ナノメートル（ｎｍ）以上、１０ｎｍ以下とされる。井戸層３１の厚さが１ｎｍ未満の場合には、井戸層３１におけるキャリアの閉じ込め効果が小さくなり高い発光効率が得られない。井戸層３１の厚さが１０ｎｍを超えると結晶の劣化が著しくなる。井戸層３１の厚さは、例えば３ｎｍとされる。
【００３３】
障壁層３２の厚さは、例えば３ｎｍ以上とされる。障壁層３２の厚さが３ｎｍ未満の場合には、井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果が小さくなり高い発光効率が得られない。障壁層３２の厚さは、例えば１０ｎｍとされる。
【００３４】
井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）から放出される光の波長は、３３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下とされる。このような光を放出するように、井戸層３１に用いられる材料の条件が適切に設定される。
【００３５】
ここで、図１に表したように、ｎ形半導体層１０からｐ形半導体層２０に向かう方向を＋Ｚ軸方向とする。ｐ形半導体層２０は、ｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の側に配置される。
【００３６】
ｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の側の面は、例えば、（０００１）面であり、その（０００１）面の側に、第１障壁層３２ａが設けられ、第１障壁層３２ａの＋Ｚ軸方向の側に第１井戸層３１ａが設けられ、第１井戸層３１ａの＋Ｚ軸方向の側にＡｌ含有層４０が設けられ、Ａｌ含有層４０の＋Ｚ軸方向の側に中間層５０が設けられ、中間層５０の＋Ｚ軸方向の側にｐ形半導体層２０が設けられる。
【００３７】
ただし、ｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の側の面は、厳密な（０００１）面でなくても良く、厳密な（０００１）面から一定のオフセット角で傾斜した面でも良い。このオフセット角度は、例えば０度以上３度以下とされる。ｐ形半導体層２０がｎ形半導体層１０の［０００１］方向の側に設けられる状態は、このようにｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の面が、（０００１）面から傾斜している場合を含む。
【００３８】
図１に例示したように、ｎ形半導体層１０の結晶が、例えばｃ面サファイア基板である基板５の主面上に設けられたバッファ層６の上に成長される。そして、ｎ形半導体層１０の上に、第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１ａ２、Ａｌ含有層４０、中間層５０及びｐ形半導体層２０の結晶が順次成長される。半導体発光素子１１０においては、基板５及びバッファ層６が設けられているが、上記の結晶の成長の後に、基板５及びバッファ層６は除去されても良い。
【００３９】
本具体例では、ｎ形半導体層１０は、基板５の側に設けられたｎ側コンタクト層１１と、第１障壁層３２ａの側に設けられたｎ側クラッド層１２と、を有する。ｎ側コンタクト層１１の一部が露出しており、ｎ側コンタクト層１１に電気的に接触してｎ側電極７０が設けられている。
【００４０】
ｐ形半導体層２０は、中間層５０の側に設けられたｐ側クラッド層２１と、ｐ側クラッド層２１の中間層５０とは反対の側に設けられたｐ側コンタクト層２２と、を有する。ｐ側コンタクト層２２に電気的に接触してｐ側電極８０が設けられている。
【００４１】
このように半導体発光素子１１０は、積層構造体１０ｓを含む。積層構造体１０ｓは、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられた発光部（第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１ａ、Ａｌ含有層４０及び中間層５０）と、を含む。積層構造体１０ｓは、ｐ形半導体層２０の側の第１主面１０ａと、ｎ形半導体層１０の側の第２主面１０ｂと、を有している。
【００４２】
本具体例においては、ｐ形半導体層２０及び発光部が選択的に除去されて、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａにｎ形半導体層１０の一部１０ｐ（ｎ側コンタクト層１１の一部）が露出している。この露出したｎ形半導体層１０の一部１０ｐの上に、ｎ側電極７０が設けられている。
ただし、実施形態はこれに限らず、例えば、ｎ形半導体層１０の第２主面１０ｂの側にｎ側電極７０が設けられても良い。
【００４３】
ｎ側コンタクト層１１には、例えば、Ｓｉが高い濃度でドープされたＧａＮなどが用いられる。ｎ側クラッド層１２におけるＳｉ濃度は、ｎ側コンタクト層１１よりも低い。ｎ側クラッド層１２には、ＳｉがドープされたＧａＮ、または、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮなどが用いられる。
【００４４】
ｐ側コンタクト層２２には、例えば、Ｍｇが高い濃度でドープされたＧａＮなどが用いられる。ｐ側クラッド層２１におけるＭｇ濃度は、ｐ側コンタクト層２２よりも低い。ｐ側クラッド層２１には、ＭｇがドープされたＧａＮ、または、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮなどが用いられる。
【００４５】
ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層２１は、井戸層３１から放出される光に対して導波機能を有するように設計できる。すなわち、半導体発光素子１１０は、レーザダイオード（ＬＤ）とすることができる。また、半導体発光素子１１０はＬＥＤでも良い。
以下では、半導体発光素子１１０がＬＤである場合として説明する。
【００４６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図２（ａ）は、半導体発光素子１１０の構成を例示する模式的断面図であり、図２（ｂ）は、半導体発光素子１１０におけるＩｎ組成比を例示するグラフ図である。図２（ｂ）の横軸は＋Ｚ軸方向における位置であり、縦軸はＩｎ組成比ＣＩｎである。
【００４７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、障壁層３２（第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃ）においてはＩｎ組成比（障壁層Ｉｎ組成比ｂ１）は、０．０１である。井戸層３１（第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ）においてはＩｎ組成比（井戸層Ｉｎ組成比ｗ）は、０．０７である。
本具体例では、Ａｌ含有層４０には、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎが用いられている。すなわち、Ａｌ含有層４０におけるＩｎ組成比は、実質的に０である。
【００４８】
中間層５０には、ＩｎＧａＮが用いられており、中間層５０のｎ形半導体層１０の側の部分（第１部分５５）におけるＩｎ組成比は０．０３であり、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の部分（第２部分５６）におけるＩｎ組成比は、０．０１である。
このように、中間層５０の第１部分５５におけるＩｎ組成比は、０よりも大きく、井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）におけるＩｎ組成比よりも小さい。
【００４９】
そして、本具体例では、中間層５０におけるＩｎ組成比は、ｎ形半導体層１０の側の部分（第１部分５５）からｐ形半導体層２０の側の部分（第２部分５６）に向かうに従って連続的に減少している。このように、中間層５０におけるＩｎ組成比が傾斜している。
【００５０】
なお、後述するように、中間層５０におけるＩｎ組成比の変化の状態は任意である。中間層５０におけるＩｎ組成比は、Ａｌ含有層４０からｐ形半導体層２０に向かう方向に沿って（＋Ｚ軸方向に進むに従って）、直線的にまたは曲線的に連続して減少しても良く、また、段階的に減少しても良い。
【００５１】
このように、中間層５０において、ｎ形半導体層１０の側の第１部分５５のＩｎ組成比をｐ形半導体層２０の側の第２部分５６のＩｎ組成比よりも高く設定することで、第１部分５６におけるバンドギャップエネルギーを、第２部分５６におけるバンドギャップエネルギーよりも小さく設定される。
【００５２】
図２（ａ）に表したように、本具体例では、中間層５０とｐ形半導体層２０との間にｐ側障壁層３２ｐが設けられている。ｐ側障壁層３２ｐには、ＩｎＧａＮが用いられており、ｐ側障壁層３２ｐにおけるＩｎ組成比は０．０１に設定されている。すなわち、ｐ側障壁層３２ｐには、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃに用いられる材料と同じ材料が用いられている。
【００５３】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーを例示する模式図である。
すなわち、図３（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０に対応し、図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに対応する。これらの図の横軸は、＋Ｚ軸方向における位置を表し、縦軸は、バンドギャップエネルギーＥｂを表す。これらの図には、伝導帯Ｂｃのエネルギーと、価電子帯Ｂｖのエネルギーと、が模式的に表されている。
【００５４】
図３（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、第１井戸層３１ａ〜第３井戸層３１ｃのバンドギャップエネルギーは、第１障壁層３２ａ〜第３障壁層３２ｃのバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００５５】
井戸層３１のうちで最もｐ形半導体層２０に近い第１井戸層３１ａに接するＡｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーは第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃのバンドギャップエネルギーよりも大きく設定されている。
【００５６】
中間層５０のｎ形半導体層１０の側の第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーは、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の第２部分５６におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００５７】
ｐ側障壁層３２ｐのバンドギャップエネルギーは、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃのバンドギャップエネルギーと同じである。
【００５８】
本具体例においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に沿って直線的に連続的に増大している。
【００５９】
ただし、既に説明したように、中間層５０におけるＩｎ組成比の変化の状態は任意であり、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に沿って曲線的に連続的に増大しても良い。中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に沿って段階的に増大しても良い。
【００６０】
中間層５０の第１部分５５（ｎ形半導体層１０の側の部分）におけるバンドギャップエネルギーは、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃのバンドギャップエネルギーよりも小さい。さらに、第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー（図３（ａ）では省略している）よりも小さい。
【００６１】
中間層５０の第２部分５６（ｐ形半導体層２０の側）におけるバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー（図３（ａ）では省略している）以下である。
【００６２】
図３（ｂ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、Ａｌ含有層４０及び中間層５０が設けられていない。すなわち、第１井戸層３１ａに接してｐ側障壁層３２ｐが設けられている。
【００６３】
図３（ｃ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して中間障壁層３２ｑが設けられ、中間障壁層３２ｑのｐ形半導体層２０の側の面に接して逆傾斜層５９ｒが設けられている。逆傾斜層５９ｒのｎ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、逆傾斜層５９ｒのｐ形半導体層２０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。すなわち、逆傾斜層５９ｒのバンドギャップエネルギーの傾斜の向きは、半導体発光素子１１０の中間層５０におけるバンドギャップエネルギーの傾斜の向きと逆である。そして、逆傾斜層５９ｒのｐ形半導体層２０の側に、ｐ側障壁層３２ｐが設けられている。
【００６４】
図３（ｄ）に表したように、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して中間障壁層３２ｑが設けられている。中間障壁層３２ｑのｐ形半導体層２０の側の面に接して、Ａｌ含有層４０が設けられている。Ａｌ含有層４０のｐ形半導体層２０の側の面に接して、中間層５０が設けられている。さらに、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の面に接して、ｐ側障壁層３２ｐが設けられている。すなわち、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃの構成は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、Ａｌ含有層４０と第１井戸層３１ａとの間に、中間障壁層３２ｑが設けられている構成に相当する。
【００６５】
このような構成を有する半導体発光素子１１０及び１１９ａ〜１１９ｃの特性をシミュレーションした結果について説明する。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図４（ａ）は、半導体発光素子１１０の構成を例示する模式的断面図である。図４（ｂ）は、バンドギャップエネルギーのシミュレーション結果を例示する模式図である。図４（ｃ）は、電子の波動関数ＷＦ１及びホールの波動関数ＷＦ２のシミュレーション結果を例示する模式図である。ホールの波動関数ＷＦ２においては、ライトホールの波動関数とヘビーホールの波動関数とがシミュレーションされたが、両者の特性はほぼ一致したため、シミュレーション結果は１つの線で表示されている。図４（ｂ）及び図４（ｃ）における横軸は、＋Ｚ軸方向に沿った位置Ｚｄを示している。
【００６６】
図４（ａ）に表したように、本シミュレーションでは、第３障壁層３２ｃの厚さは４０ｎｍとされ、第１障壁層３２ａ及び第２障壁層３２ｂの厚さは１０ｎｍとされた。第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃの厚さは、３ｎｍとされた。Ａｌ含有層４０の厚さは３ｎｍとされた。中間層５０の厚さは２０ｎｍとされた。ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１７ｎｍとされた。
【００６７】
第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃは、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎとされた。第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃ及びｐ側障壁層３２ｐはＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとされた。Ａｌ含有層４０は、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとされた。中間層５０は、ＩｎＧａＮとされ、ｎ形半導体層１０の側の部分（第１部分５５）がＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎとされ、ｐ形半導体層２０の側の部分（第２部分５６）がＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとされた。中間層５０におけるＩｎ組成比は、直線的に変化するものとした。
【００６８】
図４（ｂ）に表したように、シミュレーション結果においては、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面の近傍に、電子及びホールに対する高い障壁が形成されている。
【００６９】
図４（ｃ）に表したように、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１においては、裾部分２０１が小さい。電子は、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面において効率良く閉じ込められている。すなわち、半導体発光素子１１０においては、第１井戸層３１ａにおける電子がより局在的である。
【００７０】
ホールの波動関数ＷＦ２には、４つのピークが現れている。すなわち、第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃにそれぞれ対応する３つのピークと、Ａｌ含有層４０と中間層５０との界面の近傍部分に対応する４つ目のピークと、が現れている。この４つ目のピークの出現は、ホールがＡｌ含有層４０と中間層５０との界面近傍に効率良く注入されていることに対応する。すなわち、半導体発光素子１１０においては、ＭＱＷ（第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃを含む多重量子井戸構造：Multiple Quantum Wells)へのホールの注入効率が高い。
【００７１】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図５（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ａにおいては、Ａｌ含有層４０及び中間層５０が設けられず、ｐ側障壁層３２ｐの厚さが４０ｎｍとされた。ｐ側障壁層３２ｐの材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ、並びに、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃの厚さ及び材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。
【００７２】
図５（ｂ）に表したように、シミュレーション結果においては、第１井戸層３１ａに対する障壁はｐ側障壁層３２ｐ側でエネルギーがより低い。
【００７３】
図５（ｃ）に表したように、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１においては、裾部分２０９ａが大きい。すなわち、半導体発光素子１１９ａにおいては、第１井戸層３１ａの電子は第１井戸層３１ａ内に十分に閉じ込められていない。
【００７４】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図６（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｂにおいては、中間障壁層３２ｑの厚さは３ｎｍとされ、逆傾斜層５９ｒの厚さは２０ｎｍとされ、ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１７ｎｍとされた。なお、逆傾斜層５９ｒと中間障壁層３２ｑとを１つの層と見なすこともできる。その場合には、その１つの層の第１井戸層３１ａの側の厚さが３ｎｍの部分においてバンドギャップエネルギーが一定で、その残りの厚さが２０ｎｍの部分でバンドギャップエネルギーが＋Ｚ軸方向に沿って減少すると見なされる。
【００７５】
逆傾斜層５９ｒはＩｎＧａＮとされ、逆傾斜層５９ｒのｎ形半導体層１０の側の部分におけるＩｎ組成比は、逆傾斜層５９ｒのｐ形半導体層２０の側の部分におけるＩｎ組成比よりも低く設定された。中間障壁層３２ｑ及びｐ側障壁層３２ｐの組成は、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃと同様とされた。
なお、第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ、並びに、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃの厚さ及び材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。
【００７６】
このように、半導体発光素子１１９ｂの構成は、半導体発光素子１１０におけるＡｌ含有層４０の代わりに、他の障壁層３２と同じ組成の中間障壁層３２ｑが配置され、中間層５０の代わりに、Ｉｎ組成比の傾きが逆の逆傾斜層５９ｒが配置された構成に相当する。
【００７７】
図６（ｂ）に表したように、第１井戸層３１ａと中間障壁層３２ｑとの間の界面における障壁は小さい。このように、半導体発光素子１１９ｂにおいては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側に、中間障壁層３２ｑ、逆傾斜層５９ｒ及びｐ側障壁層３２ｐが設けられているが、電子に対する閉じ込め効果は半導体発光素子１１９ａと同等または小さいと考えられる。
【００７８】
図６（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１９ｂにおいても、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１の裾部分２０９ｂが大きい。すなわち、第１井戸層３１ａの電子は第１井戸層３１ａ内に十分に閉じ込められていない。
【００７９】
ホールの波動関数ＷＦ２には、４つのピークが現れている。ｐ形半導体層２０の側のホールの波動関数ＷＦ２は、逆傾斜層５９ｒの厚さ方向のほぼ中央部分に位置しており、第１井戸層３１ａから遠い位置にホールが存在している。このため、半導体発光素子１１９ｂにおいては、ＭＱＷへのホールの注入効率は低いと考えられる。
【００８０】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第３参考例の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図７（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｃにおいては、中間障壁層３２ｑの厚さが１５ｎｍとされ、ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１２ｎｍとされた。ｐ側障壁層３２ｐの材料は、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃと同じとされた。中間障壁層３２ｑの材料は、Ｉｎ０．０１１Ｇａ０．９８９Ｎとされた。
第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃ、Ａｌ含有層４０及び中間層５０の厚さ及び材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。
【００８１】
図７（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１９ｃにおいては、Ａｌ含有層４０に基づく障壁は第１井戸層３１ａから遠い位置に存在している。これは、Ａｌ含有層４０と第１井戸層３１ａとの間に中間障壁層３２ｑが設けられているためである。半導体発光素子１１９ｃにおいては、電子に対する閉じ込め効果が半導体発光素子１１９ａと同等または小さいと考えられる。
【００８２】
図７（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１９ｃにおいても、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１の裾部分２０９ｂが大きい。すなわち、第１井戸層３１ａの電子は第１井戸層３１ａ内に十分に閉じ込められていない。
【００８３】
ホールの波動関数ＷＦ２には、４つのピークが現れている。ｐ形半導体層２０の側のホールの波動関数ＷＦ２は、Ａｌ含有層４０と中間層５０との界面の近傍に位置しており、第１井戸層３１ａからは遠い位置にホールが存在している。このため、半導体発光素子１１９ｃにおいては、ＭＱＷへのホールの注入効率は低いと考えられる。
【００８４】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子１１０、及び、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃの特性を表すグラフ図である。これらの図の横軸は、電流密度Ｊｃである。図８（ａ）の縦軸は内部量子効率ＩＱＥである。図８（ａ）においては、電流密度が小さい領域の特性は省略されている。図８（ｂ）の縦軸は利得Ｇｎである。
【００８５】
図８（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに比べて高い内部量子効率ＩＱＥが得られる。
【００８６】
図８（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに比べて高い利得Ｇｎが得られる。
【００８７】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子１１０、及び、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃのキャリア濃度（ホールの濃度及び電子の濃度）の特性を表すグラフ図である。これらの図の横軸は、電流密度Ｊｃである。図９（ａ）の縦軸はホールの濃度Ｃｈである。図９（ｂ）の縦軸は電子の濃度Ｃｅである。
【００８８】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に表したように、第１、第２及び第３参考例の半導体発光素子１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃにおいては、電子の濃度Ｃｅに比べてホールの濃度Ｃｈがかなり高い。
【００８９】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、ホールの濃度Ｃｈは、ほぼ電子の濃度Ｃｅと一致する。このように、半導体発光素子１１０においては、キャリア濃度のバランスが良い。
【００９０】
以上のように、半導体発光素子１１０においては、第１、第２及び第３参考例の半導体発光素子１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃよりも、ホールの濃度Ｃｈと電子の濃度Ｃｅのバランスを向上でき、このことが、発光効率が高いことの要因の１つであると考えられる。
【００９１】
図１０は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、半導体発光素子１１０、及び、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃの動作電圧を示すグラフ図であり、横軸は電流密度Ｊｃであり、縦軸は動作電圧Ｖｆである。
図１０に表したように、半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいて、動作電圧Ｖｆはほぼ一定である。
【００９２】
このように、半導体発光素子１１０は、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃと同等の動作電圧Ｖｆを有しつつ、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃよりも高い内部量子効率ＩＱＥ及び利得Ｇｎを実現できる。
【００９３】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層５０のバンドギャップエネルギーの傾斜（増減）の向きを適切に設定することで高い発光効率を実現している。
以下、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きが発光効率に与える影響がより明確になる場合として、Ａｌ含有層４０を設けない構成において、バンドギャップエネルギーの傾斜を変えた場合の特性についてシミュレーションした結果について説明する。
【００９４】
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第４参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１１（ａ）は、第４参考例の半導体発光素子１１９ｄの構成を例示する模式的断面図であり、図１１（ｂ）は、バンドギャップエネルギーを例示する模式図であり、図１１（ｃ）は、Ｉｎ組成比を示す模式図である。
図１１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｄにおいては、Ａｌ含有層４０が設けられず、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して中間層５０が設けられている。図１１（ｃ）に表したように、中間層５０におけるＩｎ組成比は、＋Ｚ軸方向に向かって減少し、図１１（ｂ）に表したように、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に向かって増大する。
【００９５】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第５参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１２（ａ）に表したように、第５比較例の半導体発光素子１１９ｅにおいては、Ａｌ含有層４０が設けられず、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して逆傾斜層５９ｒが設けられている。図１２（ｃ）に表したように、逆傾斜層５９ｒにおけるＩｎ組成比は、＋Ｚ軸方向に向かって増大し、図１２（ｂ）に表したように、逆傾斜層５９ｒにおけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に向かって減少する。
【００９６】
図１３は、第４及び第５参考例の半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図の横軸は電流密度Ｊｃであり、縦軸は、第１井戸層３１ａにおける内部量子効率ＩＱＥ１である。なお、既に説明した図８（ａ）における内部量子効率ＩＱＥは、第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃを含めた総合的な内部量子効率に対応しているのに対し、図１３における内部量子効率ＩＱＥ１は、第１井戸層３１ａのみの内部量子効率である。
【００９７】
図１３に表したように、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きが互いに逆転する半導体発光素子１１９ｄ及び１１９ｅにおいては、内部量子効率ＩＱＥが互いに異なる。
【００９８】
このように、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きは、発光効率に影響を与える。このため、高い発光効率を得るためには、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きを適切に設定する必要がある。
【００９９】
図４に関して説明したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接してＡｌ含有層４０を設け、Ａｌ含有層４０のｐ形半導体層２０の側の面に接して＋Ｚ軸方向に沿ってバンドギャップエネルギーが増大する中間層５０を設けることで、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面の近傍に、電子に対してより高い障壁が形成される。そして、ｐ形半導体層２０の電子の波動関数ＷＦ１の裾部分２０１が縮小され、第１井戸層３１ａからの電子のオーバーフローが効率良く抑制される。そして、Ａｌ含有層４０と中間層５０との界面の近傍部分、すなわち、第１井戸層３１ａの近接部分に、ホールの波動関数ＷＦ２が形成され、ホールが第１井戸層３１ａの近傍部分に効率良く閉じ込められる。これにより、ＭＱＷへのホールの注入効率を向上できる。
【０１００】
この構成によると、第１井戸層３１ａにおける電子のオーバーフローを抑制し、ＭＱＷへのホールの注入効率を向上できるため、半導体発光素子１１０において複数の井戸層３１が設けられる場合に、複数の井戸層３１における発光効率を向上できる。
【０１０１】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、Ａｌ含有層４０及び中間層５０におけるバンドギャップエネルギーと、Ａｌ含有層４０の格子定数と、を適切に設定することで、ピエゾ電界の影響を有効に働かせ、電子のオーバーフローの抑制とホールの注入効率の向上と、を実現している。
【０１０２】
例えば、ｎ形半導体層１０にＧａＮが用いられる場合、井戸層３１及び障壁層３２に例えばＩｎＧａＮが用いられると、ＩｎＧａＮの格子定数がＧａＮよりも大きいため、井戸層３１及び障壁層３２には、圧縮応力が発生する。
【０１０３】
そして、Ａｌ含有層４０としてＡｌＧａＮを用いると、ＡｌＧａＮの格子定数は、ＧａＮよりも小さいため、Ａｌ含有層４０には、引張応力が発生する。
【０１０４】
一般に、井戸層３１の格子定数はｎ形半導体層１０の格子定数よりも大きく設定されるので、Ａｌ含有層４０の格子定数がｎ形半導体層１０の格子定数よりも小さく設定されると、結果として、Ａｌ含有層４０の格子定数は井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）の格子定数よりも小さく設定される。
【０１０５】
これにより、互いに隣接する第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０とで、互いに異なる方向の応力が発生する。すなわち、第１井戸層３１ａにおいて圧縮応力が発生し、Ａｌ含有層４０において引張応力が発生する。
【０１０６】
このため、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面において、ピエゾ効果によって発生する電界の向きが互いに逆方向になる。この電界は、電子を第１井戸層３１ａに閉じ込める方向に作用し、結果として電子の第１井戸層３１ａからのオーバーフローが効果的に抑制される。そして、ホールを第１井戸層３１ａの近傍に存在させ、ＭＱＷへのホールの注入効率を向上できる。
【０１０７】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、ｎ形半導体層１０の［０００１］の方向（＋Ｚ軸方向）に沿って、ｎ形半導体層１０、第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１、Ａｌ含有層４０、中間層５０及びｐ形半導体層２０をこの順番で配置し、Ａｌ含有層４０における格子定数をｎ形半導体層１０よりも小さく設定し、すなわち、第１井戸層３１ａよりも小さく設定することで、上記の効果が得られる。
【０１０８】
そして、中間層５０のバンドギャップエネルギーを＋Ｚ軸方向に沿って増大させることで、電子及びホールに対して適切なエネルギー障壁を形成することができ、電子のオーバーフローを抑制しつつ、ホールの注入効率を向上できる。
【０１０９】
III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子においては、活性層にホールを注入するために高いバイアスが印加される。これによって電子が活性層からオーバーフローを起こし、ｐ形半導体層２０の無効電流が増大し、発光効率を低下させることがある。本実施形態によれば、電子のオーバーフローが抑制でき、ホールの注入効率を向上でき、発光効率が向上できる。
【０１１０】
なお、電子のオーバーフローを防止するための障壁層を、活性層のｐ形半導体層の側またはｐ形半導体層内に設ける種々の構成が提案されているが、本実施形態の構成は知られていない。
【０１１１】
例えば、活性層のｎ形半導体層の側にｎ側中間層を配置し、活性層のｐ形半導体層の側にｐ側中間層を配置し、そのｎ側中間層及びｐ側中間層のＡｌ組成及びＩｎ組成を厚み方向に沿って変化させる構成も知られているが、半導体層の結晶方位の方向と、Ａｌ組成及びＩｎ組成の傾斜の向きと、の関係についての適切な条件については知られていない。
【０１１２】
例えば、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの逆傾斜層５９ｒにおけるＩｎ組成比の傾斜の向きは、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の中間層５０におけるＩｎ組成比の傾斜の向きとは、逆である。そして、図８（ａ）及び図８（ｂ）に例示したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの特性は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の特性よりも低い。
【０１１３】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーの傾斜（すなわちＩｎ組成比の傾斜）をｎ形半導体層１０の［０００１］方向と関連付けて適切に定めることにより、高い発光効率を得ている。
【０１１４】
図１３に関して既に説明したように、組成が傾斜している組成傾斜層におけるＩｎ組成比の傾斜の向きと、例えば第１井戸層３１ａへのキャリア注入効率と、には関係がある。このため、Ｉｎ組成比の傾斜の向きが不適切であると、発光効率を十分に向上できない。
【０１１５】
従って、半導体発光素子１１０においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーの傾斜の向き（すなわち、中間層５０におけるＩｎ組成比の傾斜の向き）は、ｎ形半導体層１０の結晶方位の方向と関連付けて定められる。
【０１１６】
図１４は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、実施形態に係る半導体発光素子において、中間層５０の厚さを変えたときの特性をシミュレーションした結果を示している。このとき、図４に例示したように、中間層５０及びｐ側障壁層３２ｐの合計の厚さは３７ｎｍで一定とした。すなわち、Ａｌ含有層４０、中間層５０及びｐ側障壁層３２ｐの合計の厚さは４０ｎｍで一定である。
【０１１７】
中間層５０の厚さが５ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは３２ｎｍ）の条件を半導体発光素子１１１ａとする。中間層５０の厚さが１０ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは２７ｎｍ）の条件を半導体発光素子１１１ｂとする。中間層５０の厚さが３７ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは０ｎｍ）の条件を半導体発光素子１１１ｃとする。なお、中間層５０の厚さが２０ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１７ｎｍ）の条件が半導体発光素子１１０に相当する。
【０１１８】
半導体発光素子１１０、１１１ａ〜１１１ｃにおいて、それぞれの中間層５０における両端のＩｎ組成比は０．０３と０．０１とで、Ｉｎ組成比が＋Ｚ軸方向に沿って直線的に変化するものとした。すなわち、中間層５０の厚みに応じて、Ｉｎ組成比の変化の傾きが変化する。
【０１１９】
図１４には、第６参考例の半導体発光素子１１９ｆの特性も合わせて示されている。半導体発光素子１１９ｆにおいては、第１井戸層３１ａに接してＡｌ含有層４０が設けられているが、中間層５０が設けられていない（中間層５０の厚さが０ｎｍに相当）。そして、Ａｌ含有層４０に接して、厚さが３７ｎｍのｐ側障壁層３２ｐが設けられている。
【０１２０】
図１４の横軸は動作電圧Ｖｆであり、縦軸は、ｐ側電極８０における電子電流密度Ｊｅｐである。電子電流密度Ｊｅｐは、電子のオーバーフローの程度に相当し、電子電流密度Ｊｅｐが小さいと電子のオーバーフローが小さい。
【０１２１】
図１４に表したように、中間層５０を設けない半導体発光素子１１９ｆにおいては、電子電流密度Ｊｅｐが著しく大きく、電子のオーバーフローが大きい。
【０１２２】
一方、半導体発光素子１１０、１１１ａ〜１１１ｃにおいては、電子電流密度Ｊｅｐが小さく、電子のオーバーフローが抑制される。
【０１２３】
中間層５０の厚さは、５ｎｍ以上であることが望ましい。これにより、電子のオーバーフローが抑制できる。中間層５０の厚さは、１０ｎｎｍ以上であることがさらに望ましい。これにより、電子のオーバーフローがさらに抑制でき、電子のオーバーフローが実質的に発生しない状態が実現できる。
【０１２４】
中間層５０の厚さは、１００ｎｍ以下であることが望ましい。中間層５０の厚さが１００ｎｍを超えると、例えば駆動電圧Ｖｆが上昇し、所望の仕様が得られない。
【０１２５】
中間層５０にはＡｌが実質的に含まれないことが望ましい。特に、中間層５０の第１井戸層３１ａの側の第１部分５５がＡｌを含まないことで、第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーを十分小さくでき、中間層５０とＡｌ傾斜層４０との間の界面におけるバンドギャップエネルギーの差異が明確になる。また、第１部分５５がＡｌを含まないことで、第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーを十分小さくでき、中間層５０内におけるバンドギャップエネルギーの傾斜を明確に形成し易くなる。
【０１２６】
上記のように、Ａｌ含有層４０には、例えば、ＡｌＧａＩｎＮが用いられる。
Ａｌ含有層４０におけるＡｌ組成比（Ａｌ含有層Ａｌ組成比ｘ１）は、０．００１以上０．３以下とされる。Ａｌ含有層Ａｌ組成比ｘ１が、０．００１未満の場合には、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーが障壁層３２のバンドギャップエネルギーよりも十分に大きくならず、上記の効率向上の効果が得られ難い。Ａｌ含有層Ａｌ組成比ｘ１が０．３よりも大きくなると、ホールへの障壁も増しＭＱＷへのホールの注入効率の阻害要因になり得る。また、結晶性が劣化する場合があり、結果として効率が低下する。Ａｌ含有層４０にはＩｎが含まれる必要はなく、Ｉｎ組成比は０でも良い。
【０１２７】
Ａｌ含有層４０の厚さは、１ｎｍ以上５０ｍ以下とされる。Ａｌ含有層４０の厚さが１ｎｍ未満の場合は、上記の効率向上の効果が得られ難い。Ａｌ含有層４０の厚さが５０ｎｍを超えると、高抵抗化し動作電圧が高くなる。また、結晶性が劣化する場合があり、結果として効率が低下する。
【０１２８】
上記においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー、すなわち、Ｉｎ組成比は、直線的に変化するものとしたが、実施形態はこれに限らない。中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は、例えば、曲線的に変化しても良い。
【０１２９】
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２ａにおけるバンドギャップエネルギーとＩｎ組成比をそれぞれ例示している。図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２ｂにおけるバンドギャップエネルギーとＩｎ組成比をそれぞれ例示している。
【０１３０】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１２ａにおいては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は４段階で、段階的に変化している。
図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）に表したように、半導体発光素子１１２ｂにおいては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は３段階で、段階的に変化している。
【０１３１】
このように、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は、段階的に変化しても良い。なお、各段どうしにおけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比の差は均等でなくても良く、バンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比の変化の仕方は任意である。
【０１３２】
このように、中間層５０は、複数のサブ層どうしでバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は互いに異なる複数のサブ層を含むことができる。複数のサブ層の数は任意である。
【０１３３】
Ａｌ含有層４０は、積層構造を有していても良い。
図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１６（ａ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１３ａの構成を例示する模式的断面図であり、図１６（ｂ）は、半導体発光素子１１３ａのバンドギャップエネルギーを例示している。図１６（ｃ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１３ｂの構成を例示する模式的断面図であり、図１６（ｄ）は、半導体発光素子１１３ｂのバンドギャップエネルギーを例示している。
【０１３４】
図１６（ａ）〜図１６（ｄ）に表したように、半導体発光素子１１３ａ及び半導体発光素子１１３ｂにおいては、Ａｌ含有層４０は、第１層４１と、第２層４２と、を有している。第１層４１は、第１井戸層３１ａに接している。第２層４２は、第１層４１と中間層５０との間において第１層４１に接する。第２層４２は、第１層４１のバンドギャップエネルギーとは異なるバンドギャップエネルギーを有する。
【０１３５】
すなわち、半導体発光素子１１３ａにおいては、第２層４２のバンドギャップエネルギーは、第１層４１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。半導体発光素子１１３ｂにおいては、第２層４２のバンドギャップエネルギーは、第１層４１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【０１３６】
このように、Ａｌ含有層４０が、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の層の積層構造を有していても、上記と同様の効果が発揮され、すなわち、電子のオーバーフローを抑制し、ホールの注入効率が向上できる。
【０１３７】
なお、例えば、第１層４１におけるＡｌ組成比と、第２層４２におけるＡｌ組成比と、が異なることによって、第１層４１におけるバンドギャップエネルギーが第２層４２におけるバンドギャップエネルギーとは異なる。
【０１３８】
第１層４１と第２層４２とでＡｌ組成比を変えることで、第１層４１と第２層４２とで格子定数が変わる。格子定数が大きい結晶（井戸層、及び、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の第２部分５６）と、格子定数が小さい結晶（Ａｌ含有層４０）と、を接して成長する場合に、その界面において欠陥や転位が発生し易くなる。このとき、Ａｌ含有４０に第１層４１及び第２層４２を設けることで、格子定数が大きい結晶と格子定数が小さい結晶との中間の格子定数を有する層を設けることができ、欠陥や転位の発生を抑制すことができ、発光効率をより向上できる。
【０１３９】
図４に例示したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、電子のオーバーフローが抑制されホールの注入効率が向上される効果は、複数の井戸層３１のうちでｐ形半導体層２０に一番近い第１井戸層３１ａの状態（障壁、電子の波動関数ＷＦ１及びホールの波動関数ＷＦ２の状態）が、Ａｌ含有層４０及び中間層５０を設けることで適切に制御されることに基づいている。換言すれば、Ａｌ含有層４０及び中間層５０によって、複数の井戸層３１のうちでｐ形半導体層２０に一番近い第１井戸層３１ａの状態は大きく影響を受けるが、他の井戸層３１（例えば第２井戸層３１ｂ及び第３井戸層３１ｃなど）は大きな影響を受けていない。従って、Ａｌ含有層４０及び中間層５０を設けることで得られる電子のオーバーフローの抑制及びホールの注入効率の向上の効果は、井戸層３１が１つの構成（単一量子井戸構造）においても発揮される。
【０１４０】
以上のように、実施形態によれば、発光効率を向上できる半導体発光素子が提供できる。
【０１４１】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１４２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれるｎ形半導体層、ｐ形半導体層、井戸層、障壁層、Ａｌ含有層、中間層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１４３】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１４４】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１４６】
５…基板、 ６…バッファ層、 １０…ｎ形半導体層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｐ…一部、 １０ｓ…積層構造体、 １１…ｎ側コンタクト層、 １２…ｎ側クラッド層、 ２０…ｐ形半導体層、 ２１…ｐ側クラッド層、 ２２…ｐ側コンタクト層、 ３１…井戸層、 ３１ａ…第１井戸層、 ３１ｂ…第２井戸層、 ３１ｃ…第３井戸層、 ３２…障壁層、 ３２ａ…第１障壁層、 ３２ｂ…第２障壁層、 ３２ｃ…第３障壁層、 ３２ｐ…ｐ側障壁層、 ３３ａ…第１井戸層、 ３３ｂ…第２井戸層、 ３３ｃ…第３井戸層、 ３４ａ…第１障壁層、 ３４ｂ…第２障壁層、 ３４ｃ…第３障壁層、 ３４ｐ…ｐ側障壁層、 ３４ｑ…中間障壁層、 ４０…Ａｌ含有層、 ４１…第１層、 ４２…第２層、 ５０…中間層、 ５５…第１部分、 ５６…第２部分、 ５９ｒ…逆傾斜層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０、１１１ａ〜１１１ｃ、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂ、１１９ａ〜１１９ｆ…半導体発光素子、 ２０１、２０９ａ、２０９ｂ…裾部分、 Ｂｃ…伝導帯、 Ｂｖ…価電子帯、 ＣＩｎ…Ｉｎ組成比、 Ｃｅ…電子の濃度、 Ｃｈ…ホールの濃度、 Ｅｂ…バンドギャップエネルギー、 Ｇｎ…利得、 ＩＱＥ、ＩＱＥ１…内部量子効率、 Ｊｃ…電流密度、 Ｊｅｐ…電子電流密度、 Ｖｆ…動作電圧、 ＷＦ１…電子の波動関数、 ＥＦ２…ホールの波動関数、 Ｚｄ…位置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＤ(Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode)などの半導体発光素子において発光効率の向上が求められている。
【０００３】
例えば、発光効率の向上のために、活性層における電子のオーバーフローを抑制する種々の構成が提案されている。しかしながら、発光効率向上のためには改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、発光効率を向上できる半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、第１井戸層と、第１障壁層と、Ａｌ含有層と、中間層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｎ形半導体層は、窒化物半導体を含む。前記ｐ形半導体層は、前記ｎ形半導体層の［０００１］方向の側に設けられ、窒化物半導体を含む。前記第１井戸層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さく前記ｐ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む。前記第１障壁層は、前記第１井戸層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む。前記Ａｌ含有層は、前記第１井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、前記ｎ形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、前記Ａｌ含有層の組成は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）である。前記中間層は、前記Ａｌ含有層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記Ａｌ含有層に接し、前記第１井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む。前記中間層の前記ｎ形半導体層の側の第１部分におけるバンドギャップエネルギーは、前記中間層の前記ｐ形半導体層の側の第２部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーを示す模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第３参考例の半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１０】図１０は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第４参考例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第５参考例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図１３】第４及び第５参考例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１４】半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【図１６】図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
図１は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、第１井戸層３１ａと、第１障壁層３２ａと、Ａｌ含有層４０と、中間層５０と、を備える。
【００１０】
ｎ形半導体層１０は、窒化物半導体を含む。
ｐ形半導体層２０は、ｎ形半導体層１０の［０００１］方向の側に設けられる。ｐ形半導体層２０は、窒化物半導体を含む。
【００１１】
第１井戸層３１ａは、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられる。第１井戸層３１ａは、ｎ形半導体層１０のバンドギャップエネルギーよりも小さくｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第１井戸層３１ａは、窒化物半導体を含む。
【００１２】
第１障壁層３２ａは、第１井戸層３１ａとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第１井戸層３１ａに接する。第１障壁層３２ａは、第１井戸層３１ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。第１井戸層３１ａは、窒化物半導体を含む。
【００１３】
Ａｌ含有層４０は、第１井戸層３１ａとｐ形半導体層２０との間に設けられ、第１井戸層３１ａに接する。Ａｌ含有層４０は、第１障壁層３２ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。Ａｌ含有層４０は、ｎ形半導体層１０の格子定数よりも小さい格子定数を有する。Ａｌ含有層４０の組成は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）である。
Ａｌ含有層４０には、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘＮ（０．００１≦ｘ１＜０．３）が用いられる。
【００１４】
中間層５０は、Ａｌ含有層４０とｐ形半導体層２０との間に設けられ、Ａｌ含有層４０に接する。中間層５０は、第１井戸層３１ａのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層５０は、窒化物半導体を含む。
【００１５】
中間層５０のｎ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００１６】
中間層５０のバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー以下である。すなわち、中間層５０のｐ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー以下である。
【００１７】
中間層５０には、例えばアンドープのＩｎＧａＮが用いられる。中間層５０のなかで、Ａｌ含有層４０の側の部分のＩｎ組成比を、ｐ形半導体層２０の側の部分よりも高く設定することで、中間層５０のｎ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーが、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さく設定される。
例えば、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、ｎ形半導体層１０の側からｐ形半導体層２０の側に進むに従って増大する。
【００１８】
本実施形態においては、半導体発光素子１１０は、第２井戸層３１ｂと、第２障壁層３２ｂと、第３井戸層３１ｃと、第３障壁層３２ｃと、をさらに備えている。
【００１９】
第２井戸層３１ｂは、第１障壁層３２ａとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第１障壁層３２ａに接する。第２井戸層３１ｂは、第１障壁層３２ａのバンドギャップエネルギーよりも小さく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、中間層５０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２井戸層３１ｂは、窒化物半導体を含む。
【００２０】
第２障壁層３２ｂは、第２井戸層３１ｂとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第２井戸層３１ｂに接する。第２障壁層３２ｂは、第２井戸層３１ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２障壁層３２ｂは、窒化物半導体を含む。
【００２１】
第３井戸層３１ｃは、第２障壁層３２ｂとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第２障壁層３２ｂに接する。第３井戸層３１ｃは、第２障壁層３２ｂのバンドギャップエネルギーよりも小さく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、中間層５０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第３井戸層３１ｂは、窒化物半導体を含む。
【００２２】
第３障壁層３２ｃは、第３井戸層３１ｃとｎ形半導体層１０との間に設けられ、第３井戸層３１ｃに接する。第３障壁層３２ｃは、第３井戸層３１ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第３障壁層３２ｃは、窒化物半導体を含む。
【００２３】
本具体例では、３つの井戸層３１が設けられた多重量子井戸構造が採用されている。ただし、実施形態はこれに限らず、多重量子井戸構造における井戸層３１の数は任意である。実施形態において、井戸層３１が１つの単一量子井戸構造が採用されても良い。
【００２４】
複数の井戸層３１が設けられる場合、井戸層３１の数を井戸層数Ｎ（Ｎは２以上の整数）とする。１番目の井戸層３１は、複数の井戸層３１のうちで最もｐ形半導体層２０に近い側に配置されるものとする。Ｎ番目の井戸層３１は、複数の井戸層３１のうちで最もｎ形半導体層１０に近い側に配置されるものとする。第１井戸層３１ａ〜第Ｎ井戸層を総称して、井戸層３１という。複数の井戸層３１のうちのそれぞれが、第１井戸層３１ａ、第２井戸層３１ｂ及び第３井戸層３１ｃなどに対応する。
【００２５】
複数の井戸層３１のそれぞれのｎ形半導体層１０の側に、障壁層３２が設けられる。すなわち、第Ｎ井戸層のｎ形半導体層１０の側に、第Ｎ障壁層が設けられる。第１障壁層３２ａ〜第Ｎ障壁層を総称して、障壁層３２という。複数の障壁層３２のそれぞれが、第１障壁層３２ａ、第２障壁層３２ｂ及び第３障壁層３２ｃなどに対応する。
【００２６】
第Ｎ井戸層は、第（Ｎ−１）障壁層とｎ形半導体層１０との間に設けられ、第（Ｎ−１）障壁層に接する。第Ｎ井戸層は、第（Ｎ−１）障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、中間層５０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第Ｎ井戸層は、窒化物半導体を含む。
【００２７】
第Ｎ障壁層は、第Ｎ井戸層とｎ形半導体層１０との間に設けられ、第Ｎ井戸層に接する。第Ｎ障壁層は、第Ｎ井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第Ｎ障壁層は、窒化物半導体を含む。
【００２８】
なお、Ａｌ含有層４０は、第Ｎ障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。中間層５０は、第Ｎ井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。
【００２９】
井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）には、例えば、ＩｎｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）が用いられる。井戸層３１におけるＩｎ組成比（井戸層Ｉｎ組成比ｗ）は、例えば０．０１以上０．５以下とされる。井戸層Ｉｎ組成比ｗは、例えば０．０７とされる。井戸層３１には、例えば、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎが用いられる。
【００３０】
障壁層３２（第１障壁層３２ａなど）には、例えば、Ａｌｂ２Ｉｎｂ１Ｇａ１−ｂ１−ｂ２Ｎ（０≦ｂ１＜１、０≦ｂ２＜１、０≦ｂ１＋ｂ２≦１）が用いられる。障壁層３２におけるＩｎ組成比（障壁層Ｉｎ組成比ｂ１）は、例えば０．００５以上で、井戸層ＩＮ組成比ｗ以下とされる。障壁層Ｉｎ組成比ｂ１は、例えば０．０１とされる。障壁層Ａｌ組成比ｂ２は、例えば０とされる。障壁層３２には、例えば、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎが用いられる。
【００３１】
これにより、障壁層３２のバンドギャップエネルギーは、井戸層３１のバンドギャップエネルギーよりも大きくなる。
但し、実施形態はこれに限らず、井戸層３１及び障壁層３２の組成は、井戸層３１のバンドギャップエネルギーが障壁層３２バンドギャップエネルギーよりも小さいという関係が満たされていれば、任意である。
【００３２】
井戸層３１の厚さは、例えば１ナノメートル（ｎｍ）以上、１０ｎｍ以下とされる。井戸層３１の厚さが１ｎｍ未満の場合には、井戸層３１におけるキャリアの閉じ込め効果が小さくなり高い発光効率が得られない。井戸層３１の厚さが１０ｎｍを超えると結晶の劣化が著しくなる。井戸層３１の厚さは、例えば３ｎｍとされる。
【００３３】
障壁層３２の厚さは、例えば３ｎｍ以上とされる。障壁層３２の厚さが３ｎｍ未満の場合には、井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果が小さくなり高い発光効率が得られない。障壁層３２の厚さは、例えば１０ｎｍとされる。
【００３４】
井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）から放出される光の波長は、３３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下とされる。このような光を放出するように、井戸層３１に用いられる材料の条件が適切に設定される。
【００３５】
ここで、図１に表したように、ｎ形半導体層１０からｐ形半導体層２０に向かう方向を＋Ｚ軸方向とする。ｐ形半導体層２０は、ｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の側に配置される。
【００３６】
ｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の側の面は、例えば、（０００１）面であり、その（０００１）面の側に、第１障壁層３２ａが設けられ、第１障壁層３２ａの＋Ｚ軸方向の側に第１井戸層３１ａが設けられ、第１井戸層３１ａの＋Ｚ軸方向の側にＡｌ含有層４０が設けられ、Ａｌ含有層４０の＋Ｚ軸方向の側に中間層５０が設けられ、中間層５０の＋Ｚ軸方向の側にｐ形半導体層２０が設けられる。
【００３７】
ただし、ｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の側の面は、厳密な（０００１）面でなくても良く、厳密な（０００１）面から一定のオフセット角で傾斜した面でも良い。このオフセット角度は、例えば０度以上３度以下とされる。ｐ形半導体層２０がｎ形半導体層１０の［０００１］方向の側に設けられる状態は、このようにｎ形半導体層１０の＋Ｚ軸方向の面が、（０００１）面から傾斜している場合を含む。
【００３８】
図１に例示したように、ｎ形半導体層１０の結晶が、例えばｃ面サファイア基板である基板５の主面上に設けられたバッファ層６の上に成長される。そして、ｎ形半導体層１０の上に、第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１ａ２、Ａｌ含有層４０、中間層５０及びｐ形半導体層２０の結晶が順次成長される。半導体発光素子１１０においては、基板５及びバッファ層６が設けられているが、上記の結晶の成長の後に、基板５及びバッファ層６は除去されても良い。
【００３９】
本具体例では、ｎ形半導体層１０は、基板５の側に設けられたｎ側コンタクト層１１と、第１障壁層３２ａの側に設けられたｎ側クラッド層１２と、を有する。ｎ側コンタクト層１１の一部が露出しており、ｎ側コンタクト層１１に電気的に接触してｎ側電極７０が設けられている。
【００４０】
ｐ形半導体層２０は、中間層５０の側に設けられたｐ側クラッド層２１と、ｐ側クラッド層２１の中間層５０とは反対の側に設けられたｐ側コンタクト層２２と、を有する。ｐ側コンタクト層２２に電気的に接触してｐ側電極８０が設けられている。
【００４１】
このように半導体発光素子１１０は、積層構造体１０ｓを含む。積層構造体１０ｓは、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられた発光部（第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１ａ、Ａｌ含有層４０及び中間層５０）と、を含む。積層構造体１０ｓは、ｐ形半導体層２０の側の第１主面１０ａと、ｎ形半導体層１０の側の第２主面１０ｂと、を有している。
【００４２】
本具体例においては、ｐ形半導体層２０及び発光部が選択的に除去されて、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａにｎ形半導体層１０の一部１０ｐ（ｎ側コンタクト層１１の一部）が露出している。この露出したｎ形半導体層１０の一部１０ｐの上に、ｎ側電極７０が設けられている。
ただし、実施形態はこれに限らず、例えば、ｎ形半導体層１０の第２主面１０ｂの側にｎ側電極７０が設けられても良い。
【００４３】
ｎ側コンタクト層１１には、例えば、Ｓｉが高い濃度でドープされたＧａＮなどが用いられる。ｎ側クラッド層１２におけるＳｉ濃度は、ｎ側コンタクト層１１よりも低い。ｎ側クラッド層１２には、ＳｉがドープされたＧａＮ、または、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮなどが用いられる。
【００４４】
ｐ側コンタクト層２２には、例えば、Ｍｇが高い濃度でドープされたＧａＮなどが用いられる。ｐ側クラッド層２１におけるＭｇ濃度は、ｐ側コンタクト層２２よりも低い。ｐ側クラッド層２１には、ＭｇがドープされたＧａＮ、または、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮなどが用いられる。
【００４５】
ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層２１は、井戸層３１から放出される光に対して導波機能を有するように設計できる。すなわち、半導体発光素子１１０は、レーザダイオード（ＬＤ）とすることができる。また、半導体発光素子１１０はＬＥＤでも良い。
以下では、半導体発光素子１１０がＬＤである場合として説明する。
【００４６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図２（ａ）は、半導体発光素子１１０の構成を例示する模式的断面図であり、図２（ｂ）は、半導体発光素子１１０におけるＩｎ組成比を例示するグラフ図である。図２（ｂ）の横軸は＋Ｚ軸方向における位置であり、縦軸はＩｎ組成比ＣＩｎである。
【００４７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、障壁層３２（第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃ）においてはＩｎ組成比（障壁層Ｉｎ組成比ｂ１）は、０．０１である。井戸層３１（第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ）においてはＩｎ組成比（井戸層Ｉｎ組成比ｗ）は、０．０７である。
本具体例では、Ａｌ含有層４０には、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎが用いられている。すなわち、Ａｌ含有層４０におけるＩｎ組成比は、実質的に０である。
【００４８】
中間層５０には、ＩｎＧａＮが用いられており、中間層５０のｎ形半導体層１０の側の部分（第１部分５５）におけるＩｎ組成比は０．０３であり、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の部分（第２部分５６）におけるＩｎ組成比は、０．０１である。
このように、中間層５０の第１部分５５におけるＩｎ組成比は、０よりも大きく、井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）におけるＩｎ組成比よりも小さい。
【００４９】
そして、本具体例では、中間層５０におけるＩｎ組成比は、ｎ形半導体層１０の側の部分（第１部分５５）からｐ形半導体層２０の側の部分（第２部分５６）に向かうに従って連続的に減少している。このように、中間層５０におけるＩｎ組成比が傾斜している。
【００５０】
なお、後述するように、中間層５０におけるＩｎ組成比の変化の状態は任意である。中間層５０におけるＩｎ組成比は、Ａｌ含有層４０からｐ形半導体層２０に向かう方向に沿って（＋Ｚ軸方向に進むに従って）、直線的にまたは曲線的に連続して減少しても良く、また、段階的に減少しても良い。
【００５１】
このように、中間層５０において、ｎ形半導体層１０の側の第１部分５５のＩｎ組成比をｐ形半導体層２０の側の第２部分５６のＩｎ組成比よりも高く設定することで、第１部分５６におけるバンドギャップエネルギーを、第２部分５６におけるバンドギャップエネルギーよりも小さく設定される。
【００５２】
図２（ａ）に表したように、本具体例では、中間層５０とｐ形半導体層２０との間にｐ側障壁層３２ｐが設けられている。ｐ側障壁層３２ｐには、ＩｎＧａＮが用いられており、ｐ側障壁層３２ｐにおけるＩｎ組成比は０．０１に設定されている。すなわち、ｐ側障壁層３２ｐには、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃに用いられる材料と同じ材料が用いられている。
【００５３】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーを例示する模式図である。
すなわち、図３（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０に対応し、図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに対応する。これらの図の横軸は、＋Ｚ軸方向における位置を表し、縦軸は、バンドギャップエネルギーＥｂを表す。これらの図には、伝導帯Ｂｃのエネルギーと、価電子帯Ｂｖのエネルギーと、が模式的に表されている。
【００５４】
図３（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、第１井戸層３１ａ〜第３井戸層３１ｃのバンドギャップエネルギーは、第１障壁層３２ａ〜第３障壁層３２ｃのバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００５５】
井戸層３１のうちで最もｐ形半導体層２０に近い第１井戸層３１ａに接するＡｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーは第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃのバンドギャップエネルギーよりも大きく設定されている。
【００５６】
中間層５０のｎ形半導体層１０の側の第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーは、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の第２部分５６におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００５７】
ｐ側障壁層３２ｐのバンドギャップエネルギーは、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃのバンドギャップエネルギーと同じである。
【００５８】
本具体例においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に沿って直線的に連続的に増大している。
【００５９】
ただし、既に説明したように、中間層５０におけるＩｎ組成比の変化の状態は任意であり、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に沿って曲線的に連続的に増大しても良い。中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に沿って段階的に増大しても良い。
【００６０】
中間層５０の第１部分５５（ｎ形半導体層１０の側の部分）におけるバンドギャップエネルギーは、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃのバンドギャップエネルギーよりも小さい。さらに、第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー（図３（ａ）では省略している）よりも小さい。
【００６１】
中間層５０の第２部分５６（ｐ形半導体層２０の側）におけるバンドギャップエネルギーは、ｐ形半導体層２０のバンドギャップエネルギー（図３（ａ）では省略している）以下である。
【００６２】
図３（ｂ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、Ａｌ含有層４０及び中間層５０が設けられていない。すなわち、第１井戸層３１ａに接してｐ側障壁層３２ｐが設けられている。
【００６３】
図３（ｃ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して中間障壁層３２ｑが設けられ、中間障壁層３２ｑのｐ形半導体層２０の側の面に接して逆傾斜層５９ｒが設けられている。逆傾斜層５９ｒのｎ形半導体層１０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーは、逆傾斜層５９ｒのｐ形半導体層２０の側の部分におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。すなわち、逆傾斜層５９ｒのバンドギャップエネルギーの傾斜の向きは、半導体発光素子１１０の中間層５０におけるバンドギャップエネルギーの傾斜の向きと逆である。そして、逆傾斜層５９ｒのｐ形半導体層２０の側に、ｐ側障壁層３２ｐが設けられている。
【００６４】
図３（ｄ）に表したように、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して中間障壁層３２ｑが設けられている。中間障壁層３２ｑのｐ形半導体層２０の側の面に接して、Ａｌ含有層４０が設けられている。Ａｌ含有層４０のｐ形半導体層２０の側の面に接して、中間層５０が設けられている。さらに、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の面に接して、ｐ側障壁層３２ｐが設けられている。すなわち、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃの構成は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、Ａｌ含有層４０と第１井戸層３１ａとの間に、中間障壁層３２ｑが設けられている構成に相当する。
【００６５】
このような構成を有する半導体発光素子１１０及び１１９ａ〜１１９ｃの特性をシミュレーションした結果について説明する。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図４（ａ）は、半導体発光素子１１０の構成を例示する模式的断面図である。図４（ｂ）は、バンドギャップエネルギーのシミュレーション結果を例示する模式図である。図４（ｃ）は、電子の波動関数ＷＦ１及びホールの波動関数ＷＦ２のシミュレーション結果を例示する模式図である。ホールの波動関数ＷＦ２においては、ライトホールの波動関数とヘビーホールの波動関数とがシミュレーションされたが、両者の特性はほぼ一致したため、シミュレーション結果は１つの線で表示されている。図４（ｂ）及び図４（ｃ）における横軸は、＋Ｚ軸方向に沿った位置Ｚｄを示している。
【００６６】
図４（ａ）に表したように、本シミュレーションでは、第３障壁層３２ｃの厚さは４０ｎｍとされ、第１障壁層３２ａ及び第２障壁層３２ｂの厚さは１０ｎｍとされた。第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃの厚さは、３ｎｍとされた。Ａｌ含有層４０の厚さは３ｎｍとされた。中間層５０の厚さは２０ｎｍとされた。ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１７ｎｍとされた。
【００６７】
第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃは、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎとされた。第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃ及びｐ側障壁層３２ｐはＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとされた。Ａｌ含有層４０は、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとされた。中間層５０は、ＩｎＧａＮとされ、ｎ形半導体層１０の側の部分（第１部分５５）がＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎとされ、ｐ形半導体層２０の側の部分（第２部分５６）がＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとされた。中間層５０におけるＩｎ組成比は、直線的に変化するものとした。
【００６８】
図４（ｂ）に表したように、シミュレーション結果においては、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面の近傍に、電子及びホールに対する高い障壁が形成されている。
【００６９】
図４（ｃ）に表したように、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１においては、裾部分２０１が小さい。電子は、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面において効率良く閉じ込められている。すなわち、半導体発光素子１１０においては、第１井戸層３１ａにおける電子がより局在的である。
【００７０】
ホールの波動関数ＷＦ２には、４つのピークが現れている。すなわち、第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃにそれぞれ対応する３つのピークと、Ａｌ含有層４０と中間層５０との界面の近傍部分に対応する４つ目のピークと、が現れている。この４つ目のピークの出現は、ホールがＡｌ含有層４０と中間層５０との界面近傍に効率良く注入されていることに対応する。すなわち、半導体発光素子１１０においては、ＭＱＷ（第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃを含む多重量子井戸構造：Multiple Quantum Wells)へのホールの注入効率が高い。
【００７１】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図５（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ａにおいては、Ａｌ含有層４０及び中間層５０が設けられず、ｐ側障壁層３２ｐの厚さが４０ｎｍとされた。ｐ側障壁層３２ｐの材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ、並びに、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃの厚さ及び材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。
【００７２】
図５（ｂ）に表したように、シミュレーション結果においては、第１井戸層３１ａに対する障壁はｐ側障壁層３２ｐ側でエネルギーがより低い。
【００７３】
図５（ｃ）に表したように、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１においては、裾部分２０９ａが大きい。すなわち、半導体発光素子１１９ａにおいては、第１井戸層３１ａの電子は第１井戸層３１ａ内に十分に閉じ込められていない。
【００７４】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図６（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｂにおいては、中間障壁層３２ｑの厚さは３ｎｍとされ、逆傾斜層５９ｒの厚さは２０ｎｍとされ、ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１７ｎｍとされた。なお、逆傾斜層５９ｒと中間障壁層３２ｑとを１つの層と見なすこともできる。その場合には、その１つの層の第１井戸層３１ａの側の厚さが３ｎｍの部分においてバンドギャップエネルギーが一定で、その残りの厚さが２０ｎｍの部分でバンドギャップエネルギーが＋Ｚ軸方向に沿って減少すると見なされる。
【００７５】
逆傾斜層５９ｒはＩｎＧａＮとされ、逆傾斜層５９ｒのｎ形半導体層１０の側の部分におけるＩｎ組成比は、逆傾斜層５９ｒのｐ形半導体層２０の側の部分におけるＩｎ組成比よりも低く設定された。中間障壁層３２ｑ及びｐ側障壁層３２ｐの組成は、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃと同様とされた。
なお、第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ、並びに、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃの厚さ及び材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。
【００７６】
このように、半導体発光素子１１９ｂの構成は、半導体発光素子１１０におけるＡｌ含有層４０の代わりに、他の障壁層３２と同じ組成の中間障壁層３２ｑが配置され、中間層５０の代わりに、Ｉｎ組成比の傾きが逆の逆傾斜層５９ｒが配置された構成に相当する。
【００７７】
図６（ｂ）に表したように、第１井戸層３１ａと中間障壁層３２ｑとの間の界面における障壁は小さい。このように、半導体発光素子１１９ｂにおいては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側に、中間障壁層３２ｑ、逆傾斜層５９ｒ及びｐ側障壁層３２ｐが設けられているが、電子に対する閉じ込め効果は半導体発光素子１１９ａと同等または小さいと考えられる。
【００７８】
図６（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１９ｂにおいても、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１の裾部分２０９ｂが大きい。すなわち、第１井戸層３１ａの電子は第１井戸層３１ａ内に十分に閉じ込められていない。
【００７９】
ホールの波動関数ＷＦ２には、４つのピークが現れている。ｐ形半導体層２０の側のホールの波動関数ＷＦ２は、逆傾斜層５９ｒの厚さ方向のほぼ中央部分に位置しており、第１井戸層３１ａから遠い位置にホールが存在している。このため、半導体発光素子１１９ｂにおいては、ＭＱＷへのホールの注入効率は低いと考えられる。
【００８０】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第３参考例の半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
図７（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｃにおいては、中間障壁層３２ｑの厚さが１５ｎｍとされ、ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１２ｎｍとされた。ｐ側障壁層３２ｐの材料は、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃと同じとされた。中間障壁層３２ｑの材料は、Ｉｎ０．０１１Ｇａ０．９８９Ｎとされた。
第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃ、第１〜第３障壁層３２ａ〜３２ｃ、Ａｌ含有層４０及び中間層５０の厚さ及び材料は半導体発光素子１１０と同じに設定された。
【００８１】
図７（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１９ｃにおいては、Ａｌ含有層４０に基づく障壁は第１井戸層３１ａから遠い位置に存在している。これは、Ａｌ含有層４０と第１井戸層３１ａとの間に中間障壁層３２ｑが設けられているためである。半導体発光素子１１９ｃにおいては、電子に対する閉じ込め効果が半導体発光素子１１９ａと同等または小さいと考えられる。
【００８２】
図７（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１９ｃにおいても、ｐ形半導体層２０の側の電子の波動関数ＷＦ１の裾部分２０９ｂが大きい。すなわち、第１井戸層３１ａの電子は第１井戸層３１ａ内に十分に閉じ込められていない。
【００８３】
ホールの波動関数ＷＦ２には、４つのピークが現れている。ｐ形半導体層２０の側のホールの波動関数ＷＦ２は、Ａｌ含有層４０と中間層５０との界面の近傍に位置しており、第１井戸層３１ａからは遠い位置にホールが存在している。このため、半導体発光素子１１９ｃにおいては、ＭＱＷへのホールの注入効率は低いと考えられる。
【００８４】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子１１０、及び、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃの特性を表すグラフ図である。これらの図の横軸は、電流密度Ｊｃである。図８（ａ）の縦軸は内部量子効率ＩＱＥである。図８（ａ）においては、電流密度が小さい領域の特性は省略されている。図８（ｂ）の縦軸は利得Ｇｎである。
【００８５】
図８（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに比べて高い内部量子効率ＩＱＥが得られる。
【００８６】
図８（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに比べて高い利得Ｇｎが得られる。
【００８７】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子１１０、及び、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃのキャリア濃度（ホールの濃度及び電子の濃度）の特性を表すグラフ図である。これらの図の横軸は、電流密度Ｊｃである。図９（ａ）の縦軸はホールの濃度Ｃｈである。図９（ｂ）の縦軸は電子の濃度Ｃｅである。
【００８８】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に表したように、第１、第２及び第３参考例の半導体発光素子１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃにおいては、電子の濃度Ｃｅに比べてホールの濃度Ｃｈがかなり高い。
【００８９】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、ホールの濃度Ｃｈは、ほぼ電子の濃度Ｃｅと一致する。このように、半導体発光素子１１０においては、キャリア濃度のバランスが良い。
【００９０】
以上のように、半導体発光素子１１０においては、第１、第２及び第３参考例の半導体発光素子１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃよりも、ホールの濃度Ｃｈと電子の濃度Ｃｅのバランスを向上でき、このことが、発光効率が高いことの要因の１つであると考えられる。
【００９１】
図１０は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、半導体発光素子１１０、及び、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃの動作電圧を示すグラフ図であり、横軸は電流密度Ｊｃであり、縦軸は動作電圧Ｖｆである。
図１０に表したように、半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいて、動作電圧Ｖｆはほぼ一定である。
【００９２】
このように、半導体発光素子１１０は、第１〜第３参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃと同等の動作電圧Ｖｆを有しつつ、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃよりも高い内部量子効率ＩＱＥ及び利得Ｇｎを実現できる。
【００９３】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層５０のバンドギャップエネルギーの傾斜（増減）の向きを適切に設定することで高い発光効率を実現している。
以下、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きが発光効率に与える影響がより明確になる場合として、Ａｌ含有層４０を設けない構成において、バンドギャップエネルギーの傾斜を変えた場合の特性についてシミュレーションした結果について説明する。
【００９４】
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第４参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１１（ａ）は、第４参考例の半導体発光素子１１９ｄの構成を例示する模式的断面図であり、図１１（ｂ）は、バンドギャップエネルギーを例示する模式図であり、図１１（ｃ）は、Ｉｎ組成比を示す模式図である。
図１１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｄにおいては、Ａｌ含有層４０が設けられず、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して中間層５０が設けられている。図１１（ｃ）に表したように、中間層５０におけるＩｎ組成比は、＋Ｚ軸方向に向かって減少し、図１１（ｂ）に表したように、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に向かって増大する。
【００９５】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第５参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１２（ａ）に表したように、第５比較例の半導体発光素子１１９ｅにおいては、Ａｌ含有層４０が設けられず、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接して逆傾斜層５９ｒが設けられている。図１２（ｃ）に表したように、逆傾斜層５９ｒにおけるＩｎ組成比は、＋Ｚ軸方向に向かって増大し、図１２（ｂ）に表したように、逆傾斜層５９ｒにおけるバンドギャップエネルギーは、＋Ｚ軸方向に向かって減少する。
【００９６】
図１３は、第４及び第５参考例の半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図の横軸は電流密度Ｊｃであり、縦軸は、第１井戸層３１ａにおける内部量子効率ＩＱＥ１である。なお、既に説明した図８（ａ）における内部量子効率ＩＱＥは、第１〜第３井戸層３１ａ〜３１ｃを含めた総合的な内部量子効率に対応しているのに対し、図１３における内部量子効率ＩＱＥ１は、第１井戸層３１ａのみの内部量子効率である。
【００９７】
図１３に表したように、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きが互いに逆転する半導体発光素子１１９ｄ及び１１９ｅにおいては、内部量子効率ＩＱＥが互いに異なる。
【００９８】
このように、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きは、発光効率に影響を与える。このため、高い発光効率を得るためには、バンドギャップエネルギーの傾斜の向きを適切に設定する必要がある。
【００９９】
図４に関して説明したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１井戸層３１ａのｐ形半導体層２０の側の面に接してＡｌ含有層４０を設け、Ａｌ含有層４０のｐ形半導体層２０の側の面に接して＋Ｚ軸方向に沿ってバンドギャップエネルギーが増大する中間層５０を設けることで、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面の近傍に、電子に対してより高い障壁が形成される。そして、ｐ形半導体層２０の電子の波動関数ＷＦ１の裾部分２０１が縮小され、第１井戸層３１ａからの電子のオーバーフローが効率良く抑制される。そして、Ａｌ含有層４０と中間層５０との界面の近傍部分、すなわち、第１井戸層３１ａの近接部分に、ホールの波動関数ＷＦ２が形成され、ホールが第１井戸層３１ａの近傍部分に効率良く閉じ込められる。これにより、ＭＱＷへのホールの注入効率を向上できる。
【０１００】
この構成によると、第１井戸層３１ａにおける電子のオーバーフローを抑制し、ＭＱＷへのホールの注入効率を向上できるため、半導体発光素子１１０において複数の井戸層３１が設けられる場合に、複数の井戸層３１における発光効率を向上できる。
【０１０１】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、Ａｌ含有層４０及び中間層５０におけるバンドギャップエネルギーと、Ａｌ含有層４０の格子定数と、を適切に設定することで、ピエゾ電界の影響を有効に働かせ、電子のオーバーフローの抑制とホールの注入効率の向上と、を実現している。
【０１０２】
例えば、ｎ形半導体層１０にＧａＮが用いられる場合、井戸層３１及び障壁層３２に例えばＩｎＧａＮが用いられると、ＩｎＧａＮの格子定数がＧａＮよりも大きいため、井戸層３１及び障壁層３２には、圧縮応力が発生する。
【０１０３】
そして、Ａｌ含有層４０としてＡｌＧａＮを用いると、ＡｌＧａＮの格子定数は、ＧａＮよりも小さいため、Ａｌ含有層４０には、引張応力が発生する。
【０１０４】
一般に、井戸層３１の格子定数はｎ形半導体層１０の格子定数よりも大きく設定されるので、Ａｌ含有層４０の格子定数がｎ形半導体層１０の格子定数よりも小さく設定されると、結果として、Ａｌ含有層４０の格子定数は井戸層３１（第１井戸層３１ａなど）の格子定数よりも小さく設定される。
【０１０５】
これにより、互いに隣接する第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０とで、互いに異なる方向の応力が発生する。すなわち、第１井戸層３１ａにおいて圧縮応力が発生し、Ａｌ含有層４０において引張応力が発生する。
【０１０６】
このため、第１井戸層３１ａとＡｌ含有層４０との間の界面において、ピエゾ効果によって発生する電界の向きが互いに逆方向になる。この電界は、電子を第１井戸層３１ａに閉じ込める方向に作用し、結果として電子の第１井戸層３１ａからのオーバーフローが効果的に抑制される。そして、ホールを第１井戸層３１ａの近傍に存在させ、ＭＱＷへのホールの注入効率を向上できる。
【０１０７】
本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、ｎ形半導体層１０の［０００１］の方向（＋Ｚ軸方向）に沿って、ｎ形半導体層１０、第１障壁層３２ａ、第１井戸層３１、Ａｌ含有層４０、中間層５０及びｐ形半導体層２０をこの順番で配置し、Ａｌ含有層４０における格子定数をｎ形半導体層１０よりも小さく設定し、すなわち、第１井戸層３１ａよりも小さく設定することで、上記の効果が得られる。
【０１０８】
そして、中間層５０のバンドギャップエネルギーを＋Ｚ軸方向に沿って増大させることで、電子及びホールに対して適切なエネルギー障壁を形成することができ、電子のオーバーフローを抑制しつつ、ホールの注入効率を向上できる。
【０１０９】
III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子においては、活性層にホールを注入するために高いバイアスが印加される。これによって電子が活性層からオーバーフローを起こし、ｐ形半導体層２０の無効電流が増大し、発光効率を低下させることがある。本実施形態によれば、電子のオーバーフローが抑制でき、ホールの注入効率を向上でき、発光効率が向上できる。
【０１１０】
なお、電子のオーバーフローを防止するための障壁層を、活性層のｐ形半導体層の側またはｐ形半導体層内に設ける種々の構成が提案されているが、本実施形態の構成は知られていない。
【０１１１】
例えば、活性層のｎ形半導体層の側にｎ側中間層を配置し、活性層のｐ形半導体層の側にｐ側中間層を配置し、そのｎ側中間層及びｐ側中間層のＡｌ組成及びＩｎ組成を厚み方向に沿って変化させる構成も知られているが、半導体層の結晶方位の方向と、Ａｌ組成及びＩｎ組成の傾斜の向きと、の関係についての適切な条件については知られていない。
【０１１２】
例えば、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの逆傾斜層５９ｒにおけるＩｎ組成比の傾斜の向きは、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の中間層５０におけるＩｎ組成比の傾斜の向きとは、逆である。そして、図８（ａ）及び図８（ｂ）に例示したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの特性は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の特性よりも低い。
【０１１３】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーの傾斜（すなわちＩｎ組成比の傾斜）をｎ形半導体層１０の［０００１］方向と関連付けて適切に定めることにより、高い発光効率を得ている。
【０１１４】
図１３に関して既に説明したように、組成が傾斜している組成傾斜層におけるＩｎ組成比の傾斜の向きと、例えば第１井戸層３１ａへのキャリア注入効率と、には関係がある。このため、Ｉｎ組成比の傾斜の向きが不適切であると、発光効率を十分に向上できない。
【０１１５】
従って、半導体発光素子１１０においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギーの傾斜の向き（すなわち、中間層５０におけるＩｎ組成比の傾斜の向き）は、ｎ形半導体層１０の結晶方位の方向と関連付けて定められる。
【０１１６】
図１４は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、実施形態に係る半導体発光素子において、中間層５０の厚さを変えたときの特性をシミュレーションした結果を示している。このとき、図４に例示したように、中間層５０及びｐ側障壁層３２ｐの合計の厚さは３７ｎｍで一定とした。すなわち、Ａｌ含有層４０、中間層５０及びｐ側障壁層３２ｐの合計の厚さは４０ｎｍで一定である。
【０１１７】
中間層５０の厚さが５ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは３２ｎｍ）の条件を半導体発光素子１１１ａとする。中間層５０の厚さが１０ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは２７ｎｍ）の条件を半導体発光素子１１１ｂとする。中間層５０の厚さが３７ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは０ｎｍ）の条件を半導体発光素子１１１ｃとする。なお、中間層５０の厚さが２０ｎｍ（ｐ側障壁層３２ｐの厚さは１７ｎｍ）の条件が半導体発光素子１１０に相当する。
【０１１８】
半導体発光素子１１０、１１１ａ〜１１１ｃにおいて、それぞれの中間層５０における両端のＩｎ組成比は０．０３と０．０１とで、Ｉｎ組成比が＋Ｚ軸方向に沿って直線的に変化するものとした。すなわち、中間層５０の厚みに応じて、Ｉｎ組成比の変化の傾きが変化する。
【０１１９】
図１４には、第６参考例の半導体発光素子１１９ｆの特性も合わせて示されている。半導体発光素子１１９ｆにおいては、第１井戸層３１ａに接してＡｌ含有層４０が設けられているが、中間層５０が設けられていない（中間層５０の厚さが０ｎｍに相当）。そして、Ａｌ含有層４０に接して、厚さが３７ｎｍのｐ側障壁層３２ｐが設けられている。
【０１２０】
図１４の横軸は動作電圧Ｖｆであり、縦軸は、ｐ側電極８０における電子電流密度Ｊｅｐである。電子電流密度Ｊｅｐは、電子のオーバーフローの程度に相当し、電子電流密度Ｊｅｐが小さいと電子のオーバーフローが小さい。
【０１２１】
図１４に表したように、中間層５０を設けない半導体発光素子１１９ｆにおいては、電子電流密度Ｊｅｐが著しく大きく、電子のオーバーフローが大きい。
【０１２２】
一方、半導体発光素子１１０、１１１ａ〜１１１ｃにおいては、電子電流密度Ｊｅｐが小さく、電子のオーバーフローが抑制される。
【０１２３】
中間層５０の厚さは、５ｎｍ以上であることが望ましい。これにより、電子のオーバーフローが抑制できる。中間層５０の厚さは、１０ｎｎｍ以上であることがさらに望ましい。これにより、電子のオーバーフローがさらに抑制でき、電子のオーバーフローが実質的に発生しない状態が実現できる。
【０１２４】
中間層５０の厚さは、１００ｎｍ以下であることが望ましい。中間層５０の厚さが１００ｎｍを超えると、例えば駆動電圧Ｖｆが上昇し、所望の仕様が得られない。
【０１２５】
中間層５０にはＡｌが実質的に含まれないことが望ましい。特に、中間層５０の第１井戸層３１ａの側の第１部分５５がＡｌを含まないことで、第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーを十分小さくでき、中間層５０とＡｌ傾斜層４０との間の界面におけるバンドギャップエネルギーの差異が明確になる。また、第１部分５５がＡｌを含まないことで、第１部分５５におけるバンドギャップエネルギーを十分小さくでき、中間層５０内におけるバンドギャップエネルギーの傾斜を明確に形成し易くなる。
【０１２６】
上記のように、Ａｌ含有層４０には、例えば、ＡｌＧａＩｎＮが用いられる。
Ａｌ含有層４０におけるＡｌ組成比（Ａｌ含有層Ａｌ組成比ｘ１）は、０．００１以上０．３以下とされる。Ａｌ含有層Ａｌ組成比ｘ１が、０．００１未満の場合には、Ａｌ含有層４０のバンドギャップエネルギーが障壁層３２のバンドギャップエネルギーよりも十分に大きくならず、上記の効率向上の効果が得られ難い。Ａｌ含有層Ａｌ組成比ｘ１が０．３よりも大きくなると、ホールへの障壁も増しＭＱＷへのホールの注入効率の阻害要因になり得る。また、結晶性が劣化する場合があり、結果として効率が低下する。Ａｌ含有層４０にはＩｎが含まれる必要はなく、Ｉｎ組成比は０でも良い。
【０１２７】
Ａｌ含有層４０の厚さは、１ｎｍ以上５０ｍ以下とされる。Ａｌ含有層４０の厚さが１ｎｍ未満の場合は、上記の効率向上の効果が得られ難い。Ａｌ含有層４０の厚さが５０ｎｍを超えると、高抵抗化し動作電圧が高くなる。また、結晶性が劣化する場合があり、結果として効率が低下する。
【０１２８】
上記においては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー、すなわち、Ｉｎ組成比は、直線的に変化するものとしたが、実施形態はこれに限らない。中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は、例えば、曲線的に変化しても良い。
【０１２９】
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２ａにおけるバンドギャップエネルギーとＩｎ組成比をそれぞれ例示している。図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２ｂにおけるバンドギャップエネルギーとＩｎ組成比をそれぞれ例示している。
【０１３０】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１２ａにおいては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は４段階で、段階的に変化している。
図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）に表したように、半導体発光素子１１２ｂにおいては、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は３段階で、段階的に変化している。
【０１３１】
このように、中間層５０におけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は、段階的に変化しても良い。なお、各段どうしにおけるバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比の差は均等でなくても良く、バンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比の変化の仕方は任意である。
【０１３２】
このように、中間層５０は、複数のサブ層どうしでバンドギャップエネルギー及びＩｎ組成比は互いに異なる複数のサブ層を含むことができる。複数のサブ層の数は任意である。
【０１３３】
Ａｌ含有層４０は、積層構造を有していても良い。
図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１６（ａ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１３ａの構成を例示する模式的断面図であり、図１６（ｂ）は、半導体発光素子１１３ａのバンドギャップエネルギーを例示している。図１６（ｃ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１３ｂの構成を例示する模式的断面図であり、図１６（ｄ）は、半導体発光素子１１３ｂのバンドギャップエネルギーを例示している。
【０１３４】
図１６（ａ）〜図１６（ｄ）に表したように、半導体発光素子１１３ａ及び半導体発光素子１１３ｂにおいては、Ａｌ含有層４０は、第１層４１と、第２層４２と、を有している。第１層４１は、第１井戸層３１ａに接している。第２層４２は、第１層４１と中間層５０との間において第１層４１に接する。第２層４２は、第１層４１のバンドギャップエネルギーとは異なるバンドギャップエネルギーを有する。
【０１３５】
すなわち、半導体発光素子１１３ａにおいては、第２層４２のバンドギャップエネルギーは、第１層４１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。半導体発光素子１１３ｂにおいては、第２層４２のバンドギャップエネルギーは、第１層４１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【０１３６】
このように、Ａｌ含有層４０が、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の層の積層構造を有していても、上記と同様の効果が発揮され、すなわち、電子のオーバーフローを抑制し、ホールの注入効率が向上できる。
【０１３７】
なお、例えば、第１層４１におけるＡｌ組成比と、第２層４２におけるＡｌ組成比と、が異なることによって、第１層４１におけるバンドギャップエネルギーが第２層４２におけるバンドギャップエネルギーとは異なる。
【０１３８】
第１層４１と第２層４２とでＡｌ組成比を変えることで、第１層４１と第２層４２とで格子定数が変わる。格子定数が大きい結晶（井戸層、及び、中間層５０のｐ形半導体層２０の側の第２部分５６）と、格子定数が小さい結晶（Ａｌ含有層４０）と、を接して成長する場合に、その界面において欠陥や転位が発生し易くなる。このとき、Ａｌ含有４０に第１層４１及び第２層４２を設けることで、格子定数が大きい結晶と格子定数が小さい結晶との中間の格子定数を有する層を設けることができ、欠陥や転位の発生を抑制すことができ、発光効率をより向上できる。
【０１３９】
図４に例示したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、電子のオーバーフローが抑制されホールの注入効率が向上される効果は、複数の井戸層３１のうちでｐ形半導体層２０に一番近い第１井戸層３１ａの状態（障壁、電子の波動関数ＷＦ１及びホールの波動関数ＷＦ２の状態）が、Ａｌ含有層４０及び中間層５０を設けることで適切に制御されることに基づいている。換言すれば、Ａｌ含有層４０及び中間層５０によって、複数の井戸層３１のうちでｐ形半導体層２０に一番近い第１井戸層３１ａの状態は大きく影響を受けるが、他の井戸層３１（例えば第２井戸層３１ｂ及び第３井戸層３１ｃなど）は大きな影響を受けていない。従って、Ａｌ含有層４０及び中間層５０を設けることで得られる電子のオーバーフローの抑制及びホールの注入効率の向上の効果は、井戸層３１が１つの構成（単一量子井戸構造）においても発揮される。
【０１４０】
以上のように、実施形態によれば、発光効率を向上できる半導体発光素子が提供できる。
【０１４１】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１４２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれるｎ形半導体層、ｐ形半導体層、井戸層、障壁層、Ａｌ含有層、中間層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１４３】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１４４】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１４６】
５…基板、 ６…バッファ層、 １０…ｎ形半導体層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｐ…一部、 １０ｓ…積層構造体、 １１…ｎ側コンタクト層、 １２…ｎ側クラッド層、 ２０…ｐ形半導体層、 ２１…ｐ側クラッド層、 ２２…ｐ側コンタクト層、 ３１…井戸層、 ３１ａ…第１井戸層、 ３１ｂ…第２井戸層、 ３１ｃ…第３井戸層、 ３２…障壁層、 ３２ａ…第１障壁層、 ３２ｂ…第２障壁層、 ３２ｃ…第３障壁層、 ３２ｐ…ｐ側障壁層、 ３３ａ…第１井戸層、 ３３ｂ…第２井戸層、 ３３ｃ…第３井戸層、 ３４ａ…第１障壁層、 ３４ｂ…第２障壁層、 ３４ｃ…第３障壁層、 ３４ｐ…ｐ側障壁層、 ３４ｑ…中間障壁層、 ４０…Ａｌ含有層、 ４１…第１層、 ４２…第２層、 ５０…中間層、 ５５…第１部分、 ５６…第２部分、 ５９ｒ…逆傾斜層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０、１１１ａ〜１１１ｃ、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂ、１１９ａ〜１１９ｆ…半導体発光素子、 ２０１、２０９ａ、２０９ｂ…裾部分、 Ｂｃ…伝導帯、 Ｂｖ…価電子帯、 ＣＩｎ…Ｉｎ組成比、 Ｃｅ…電子の濃度、 Ｃｈ…ホールの濃度、 Ｅｂ…バンドギャップエネルギー、 Ｇｎ…利得、 ＩＱＥ、ＩＱＥ１…内部量子効率、 Ｊｃ…電流密度、 Ｊｅｐ…電子電流密度、 Ｖｆ…動作電圧、 ＷＦ１…電子の波動関数、 ＥＦ２…ホールの波動関数、 Ｚｄ…位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層の［０００１］方向の側に設けられ、窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さく前記ｐ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第１井戸層と、
前記第１井戸層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第１障壁層と、
前記第１井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、前記ｎ形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、組成がＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）のＡｌ含有層と、
前記Ａｌ含有層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記Ａｌ含有層に接し、前記第１井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む中間層と、
を備え、
前記中間層の前記ｎ形半導体層の側の第１部分におけるバンドギャップエネルギーは、前記中間層の前記ｐ形半導体層の側の第２部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記中間層のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ形半導体層のバンドギャップエネルギー以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記中間層の前記バンドギャップエネルギーは、前記Ａｌ含有層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に沿って連続的または段階的に増大することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記中間層におけるＩｎ組成比は、前記Ａｌ含有層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に沿って連続的または段階的に減少することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記中間層の厚さは、５ナノメートル以上１００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記Ａｌ含有層におけるＡｌ組成比は、０．００１以上０．０３以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記Ａｌ含有層の厚さは、１ナノメートル以上５０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記Ａｌ含有層は、
前記第１井戸層に接する第１層と、
前記第１層と前記中間層との間において前記第１層に接し、前記第１層のバンドギャップエネルギーとは異なるバンドギャップエネルギーを有する第２層と、
を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記井戸層から放出される光の波長は、３３０ナノメートル以上５８０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１障壁層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第１障壁層に接し、前記第１障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さく、前記Ａｌ含有層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さく、前記中間層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第２井戸層と、
前記第２井戸層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第２井戸層に接し、前記第２井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きく、前記Ａｌ含有層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第２障壁層と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層の［０００１］方向の側に設けられ、窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記ｎ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さく前記ｐ形半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第１井戸層と、
前記第１井戸層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第１障壁層と、
前記第１井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記第１井戸層に接し、前記第１障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、前記ｎ形半導体層の格子定数よりも小さい格子定数を有し、組成がＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）のＡｌ含有層と、
前記Ａｌ含有層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、前記Ａｌ含有層に接し、前記第１井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む中間層と、
を備え、
前記中間層の前記ｎ形半導体層の側の第１部分におけるバンドギャップエネルギーは、前記中間層の前記ｐ形半導体層の側の第２部分におけるバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記中間層のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ形半導体層のバンドギャップエネルギー以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記中間層の前記バンドギャップエネルギーは、前記Ａｌ含有層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に沿って連続的または段階的に増大することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記中間層におけるＩｎ組成比は、前記Ａｌ含有層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に沿って連続的または段階的に減少することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記中間層の厚さは、５ナノメートル以上１００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記Ａｌ含有層におけるＡｌ組成比は、０．００１以上０．０３以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記Ａｌ含有層の厚さは、１ナノメートル以上５０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記Ａｌ含有層は、
前記第１井戸層に接する第１層と、
前記第１層と前記中間層との間において前記第１層に接し、前記第１層のバンドギャップエネルギーとは異なるバンドギャップエネルギーを有する第２層と、
を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記井戸層から放出される光の波長は、３３０ナノメートル以上５８０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１障壁層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第１障壁層に接し、前記第１障壁層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さく、前記Ａｌ含有層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さく、前記中間層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第２井戸層と、
前記第２井戸層と前記ｎ形半導体層との間に設けられ、前記第２井戸層に接し、前記第２井戸層の前記バンドギャップエネルギーよりも大きく、前記Ａｌ含有層の前記バンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体を含む第２障壁層と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１９０６８（Ｐ２０１２−１９０６８Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５５５９１（Ｐ２０１０−１５５５９１）
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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