半導体発光素子
【課題】高効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形の第１半導体層と、ｐ形の第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光部と、第１半導体層と発光部との間に設けられた多層構造体と、を備えた半導体発光素子が提供される。発光部は、交互に積層された、複数の障壁層と、複数の井戸層と、を含む。多層構造体は、交互に積層された、高バンドギャップエネルギー層と、複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む。高バンドギャップエネルギー層と、それに接する低バンドギャップエネルギー層と、のペアの平均Ｉｎ組成比は、第１半導体層の側よりも第２半導体層の側の方が高い。障壁層と、それに接する井戸層と、のペアの平均Ｉｎ組成比は、第１半導体層の側よりも第２半導体層の側の方が高い。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形の第１半導体層と、ｐ形の第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた発光部と、第１半導体層と発光部との間に設けられた多層構造体と、を備えた半導体発光素子が提供される。発光部は、交互に積層された、複数の障壁層と、複数の井戸層と、を含む。多層構造体は、交互に積層された、高バンドギャップエネルギー層と、複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む。高バンドギャップエネルギー層と、それに接する低バンドギャップエネルギー層と、のペアの平均Ｉｎ組成比は、第１半導体層の側よりも第２半導体層の側の方が高い。障壁層と、それに接する井戸層と、のペアの平均Ｉｎ組成比は、第１半導体層の側よりも第２半導体層の側の方が高い。
【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】
窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物III−Ｖ族化合物半導体を応用して、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や青紫色〜青色・緑色レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が開発されている。
【０００３】
ＬＥＤの高効率化を図るためには、ＧａＮ系半導体の結晶性を高め、結晶の内部量子効率を高めることが重要である。紫外〜青色・緑色ＬＥＤの活性層に用いられるＩｎＧａＮと、下地層に用いられるＧａＮとでは、格子定数差が大きいため歪みが加わり、圧電分極（ピエゾ分極）により、効率が低下し易い。
【０００４】
例えば、活性層における第１ＧａＮ系化合物半導体層側の井戸層密度と、第２ＧａＮ系化合物半導体層側の井戸層密度とを調整することで、発光ピーク波長シフトの低減と輝度制御範囲の拡大とを試みる技術が知られている。
内部量子効率の向上のためには、改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１１００９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、第１半導体層と、第２半導体層と、発光部と、多層構造体と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１半導体層は、窒化物半導体を含みｎ形である。前記第２半導体層は、窒化物半導体を含みｐ形である。前記発光部は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の井戸層と、を含む。前記多層構造体は、前記第１半導体層と前記発光部との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の高バンドギャップエネルギー層と、前記複数の高バンドギャップエネルギー層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む。
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有す。
前記他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有す。
ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高い。
【０００８】
前記複数の障壁層のうちのいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙａと、層厚ｓａ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｂと、層厚ｓｂ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの障壁層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｃと、層厚ｓｃ（ナノメートル）と、を有す。 前記他のいずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｄと、層厚ｓｄ（ナノメートル）と、を有す。
ＥＡ２＝（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）は、ＥＡ１＝（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）よりも高い。前記ＥＡ１は、前記ＳＡ２以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示す模式図である。
【図２】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３】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図５】半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
【図６】実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｈ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｈ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。
【図９】半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（実施の形態）
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図である。
図２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３は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。 図４は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
【００１２】
まず、図２〜図３を用いて、実施形態に係る半導体発光素子１１０の構成の概要について説明する。
図２に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、多層構造体４０と、を備える。
【００１３】
第１半導体層１０は、窒化物半導体を含む。第１半導体層１０は、ｎ形である。
第２半導体層２０は、窒化物半導体を含む。第２半導体層２０は、ｐ形である。
【００１４】
ここで、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向（積層方向）とする。
【００１５】
発光部３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。
多層構造体４０は、第１半導体層１０と発光部３０との間に設けられる。
【００１６】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ形ＧａＮ層が用いられる。第１半導体層１０の厚さは、例えば４μｍ（マイクロメートル）程度である。第１半導体層１０には、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎの少なくともいずれかのｎ形不純物がドーピングされる。本具体例では、ｎ形不純物としてＳｉが用いられる。第１半導体層１０におけるＳｉのドーピング量は、例えば約２×１０１８ｃｍ−３とされる。
【００１７】
第２半導体層２０は、例えば、第１ｐ形層２１と、第１ｐ形層２１と発光部３０との間に設けられた第２ｐ形層２２と、第２ｐ形層２２と発光部３０との間に設けられた第３ｐ形層２３と、第３ｐ形層２３と発光部３０との間に設けられた第４ｐ形層２４と、を含む。
【００１８】
第４ｐ形層２４には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第３ｐ形層２３には、例えば、ｐ形ＧａＡｌＮ層が用いられる。第３ｐ形層２３は、例えば電子オーバーフロー抑制層として機能する。第２ｐ形層２２には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１は、例えばコンタクト層として機能する。第２半導体層２０には、Ｍｇ及びＺｎの少なくともいずれかのｐ形不純物がドーピングされる。本具体例では、ｐ形不純物としてＭｇが用いられる。
【００１９】
第４ｐ形層２４（ｐ形ＧａＮ層）の厚さは、例えば３０ナノメートル（ｎｍ）とされる。第４ｐ形層２４におけるＭｇのドーピング量は、例えば約４×１０１８ｃｍ−３程度とされる。なお、第４ｐ形層２４として、例えば約３０ｎｍの厚さの程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を用いても良い。
【００２０】
第３ｐ形層２３には、例えば、Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎ層が用いられる。第３ｐ形層２３の厚さは、例えば、約１０ｎｍとされる。第３ｐ形層２３におけるＭｇのドーピング量は、例えば、約４×１０１８ｃｍ−３とされる。
【００２１】
第２ｐ形層２２の厚さは、例えば約５０ｎｍとされる。第２ｐ形層２２におけるＭｇのドーピング量は、例えば約１×１０１９ｃｍ−３とされる。
【００２２】
第１ｐ形層２１の厚さは、例えば約６０ｎｍとされる。第１ｐ形層２１におけるＭｇのドーピング量は、例えば約１×１０２０ｃｍ−３とされる。
【００２３】
このように、半導体発光素子１１０に含まれる積層構造体１０ｓは、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、多層構造体４０と、を含む。
【００２４】
半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０の多層構造体４０とは反対の側に設けられた基板５と、基板５と第１半導体層１０との間に設けられたバッファ層６と、をさらに備えることができる。すなわち、基板５の上に形成されたバッファ層６の上に積層構造体１０ｓが形成される。基板５には、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡｓなどの各種の材料を用いることができる。以下では、基板５にはサファイアが用いられるものとする。
【００２５】
積層構造体１０ｓの第２半導体層２０の側の第１主面において、第１半導体層１０の一部と、発光部３０と、多層構造体４０と、第２半導体層２０と、の一部が除去され、第１主面の側において第１半導体層１０が露出している。露出した第１半導体層１０に接して第１電極７１が設けられ、第２半導体層２０に接して第２電極８１が設けられる。さらに、第２電極８１に接して第２電極側パッド部８２を設けることができる。
【００２６】
第２電極８１には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が用いられる。第２電極８１の厚さは、例えば約０．２μｍとされる。第２電極側パッド部８２には、例えばＡｕが用いられる。第２電極側パッド部８２の厚さは、例えば約１．０μｍとされる。
【００２７】
第１電極７１には、例えば、Ａｕ層と、Ａｕ層と第１半導体層１０との間に設けられたＰｔ層と、Ｐｔ層と第１半導体層１０との間に設けられたＴｉ層と、を含む複合膜（Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜）が用いられる。Ｔｉ膜の厚さは例えば約０．０５μｍとされ、Ｐｔ膜の厚さは例えば約０．０５μｍとされ、Ａｕ膜の厚さは例えば約１．０μｍとされる。
【００２８】
なお、基板５上に上記の積層構造体１０ｓを形成した後に、基板５及びバッファ層６は除去されても良い。すなわち、半導体発光素子１１０においては、基板５及びバッファ層６は必要に応じて設けられ、省略可能である。
【００２９】
図３に表したように、発光部３０は、交互に積層された複数の障壁層３１と複数の井戸層３２とを含む。複数の障壁層３１は、窒化物半導体を含む。複数の井戸層３２は、窒化物半導体を含む。複数の井戸層３２のそれぞれは、複数の障壁層３１のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する。
【００３０】
複数の障壁層３１と複数の井戸層３２とは、Ｚ軸方向に沿って交互に積層されている。発光部３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構造を有する。
【００３１】
障壁層３１は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。井戸層３２は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。井戸層３２は、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体を含む。
【００３２】
ここで、障壁層３１の数を（Ｍ＋１）（Ｍは２以上の整数）とする。井戸層３２の数をＭとする。
【００３３】
複数の障壁層３１のうちで第１半導体層１０に最も近い障壁層３１を第１障壁層ＢＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２障壁層ＢＬ２〜第（Ｍ＋１）障壁層ＢＬＭ＋１がこの順で並ぶものとする。
すなわち、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上Ｍ以下の整数）の障壁層３１は、ｉ番目の障壁層３１よりも第２半導体層２０の側に配置される。
【００３４】
複数の井戸層３２のうちで第１半導体層１０に最も近い井戸層３２を第１井戸層ＷＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２井戸層ＷＬ２〜第Ｍ井戸層ＷＬＭがこの順で並ぶとする。
ｉ番目の井戸層３２は、ｉ番目の障壁層３１と（ｉ＋１）番目の障壁層３１との間に配置される。
【００３５】
本具体例では、Ｍは８とされる。
第１障壁層ＢＬ１〜第４障壁層ＢＬ４には、５．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１井戸層ＷＬ１〜第４井戸層ＷＬ４には、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ層が用いられる。
【００３６】
第５障壁層ＢＬ５〜第９障壁層ＢＬ９には、５．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第５井戸層ＷＬ５〜第８井戸層ＷＬ８には、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層が用いられる。
【００３７】
このように、半導体発光素子１１０においては、発光部３０において、井戸層３２におけるＩｎ組成比がＺ軸方向に沿って変更されている。なお、井戸層３２の一部であるＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）における発光波長のピーク波長は、フォトルミネッセンス評価で４５０ｎｍである。なお、井戸層３２の一部であるＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）における発光波長のピーク波長は、フォトルミネッセンス評価で４２５ｎｍである。
【００３８】
図４に表したように、多層構造体４０は、交互に積層された複数の高バンドギャップエネルギー層４１と複数の低バンドギャップエネルギー層４２とを含む。複数の高バンドギャップエネルギー層４１は、窒化物半導体を含む。複数の低バンドギャップエネルギー層４２は、窒化物半導体を含む。複数の低バンドギャップエネルギー層４２のそれぞれは、複数の高バンドギャップエネルギー層４１のそれぞれバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する。複数の低バンドギャップエネルギー層４２のそれぞれは、複数の井戸層３２のそれぞれバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する。
多層構造体４０は、例えば超格子層である。
【００３９】
高バンドギャップエネルギー層４１は、例えば、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。低バンドギャップエネルギー層４２は、例えばＩｎとＧａを含む窒化物半導体を含む。
【００４０】
複数の高バンドギャップエネルギー層４１の数を（Ｎ＋１）（Ｎは２以上の整数）とする。複数の低バンドギャップエネルギー層４２の数をＮとする。
【００４１】
複数の高バンドギャップエネルギー層４１のうちで第１半導体層１０に最も近い高バンドギャップエネルギー層４１を第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２高バンドギャップエネルギー層ＨＬ２〜第（Ｎ＋１）高バンドギャップエネルギー層ＨＬＮ＋１がこの順で並ぶとする。
すなわち、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上Ｎ以下の整数）の高バンドギャップエネルギー層４１は、ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１よりも第２半導体層２０の側に配置される。
【００４２】
複数の低バンドギャップエネルギー層４２のうちで第１半導体層１０に最も近い低バンドギャップエネルギー層４２を第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２〜第Ｎ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮがこの順で並ぶものとする。
ｉ番目の低バンドギャップエネルギー層４２は、ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１と（ｉ＋１）番目の高バンドギャップエネルギー層４１との間に配置される。
【００４３】
本具体例では、Ｎは３０とされる。
第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１〜第１５高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１５には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１〜第１５低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１５には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層が用いられる。
【００４４】
第１６高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１６〜第３１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ３１には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１６低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１６〜第３０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ３０には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層が用いられる。
【００４５】
このように、半導体発光素子１１０においては、多層構造体４０において、低バンドギャップエネルギー層４２におけるＩｎ組成比がＺ軸方向に沿って変更されている。
【００４６】
ここで、多層構造体４０において、高バンドギャップエネルギー層４１と、それに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２と、のペアに関する平均Ｉｎ組成比を定義する。 すなわち、複数の高バンドギャップエネルギー層４１のうちのいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｕと、層厚ｔｕ（ナノメートル）と、を有する。Ｉｎ組成比ｘｕを有する上記の高バンドギャップエネルギー層４１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｖと、層厚ｔｖ（ナノメートル）と、を有するとする。
【００４７】
このとき、多層構造体４０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＳＰを（ｘｕ・ｔｕ＋ｘｖ・ｔｖ）／（ｔｕ＋ｔｖ）とする。
【００４８】
本具体例においては、多層構造体４０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＳＰが、Ｚ軸方向に沿って変化している。すなわち、Ｎが１〜１５におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＳＰ（Ｎ＝１〜１５）は、０．０１２５である。Ｎが１６〜３１におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＳＰ（Ｎ＝１６〜３０）は、０．０２２５である。
【００４９】
同様に、発光部３０において、障壁層３１と、それに隣接する井戸層３２と、のペアに関する平均Ｉｎ組成比を定義する。
すなわち、複数の障壁層３１のうちのいずれかの障壁層３１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｕと、層厚ｓｕ（ナノメートル）と、を有する。Ｉｎ組成比ｙｕを有する上記の障壁層３１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する井戸層３２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｖと、層厚ｓｖ（ナノメートル）と、を有する。
【００５０】
このとき、発光部３０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＥＰを（ｙｕ・ｓｕ＋ｙｖ・ｓｖ）／（ｓｕ＋ｓｖ）とする。
【００５１】
本具体例においては、発光部３０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＥＰが、Ｚ軸方向に沿って変化している。すなわち、Ｍが１〜４におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＥＰ（Ｍ＝１〜４）は、０．０４である。Ｍが５〜８におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＥＰ（Ｍ＝５〜８）は、０．０５である。
【００５２】
図１は、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰ及び発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰを示している。横軸は、Ｚ軸方向に沿った位置であり、縦軸は、平均Ｉｎ組成比ＳＰ及び平均Ｉｎ組成比ＥＰである。
【００５３】
図１に表したように、半導体発光素子１１０においては、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰの方が高く設定されている。そして、発光部３０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも、第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰの方が高く設定されている。そして、発光部３０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰは、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高く設定されている。
【００５４】
これにより、基板５から発光部３０に伝播する転位や欠陥を抑制しつつ、結晶歪みを調整することが可能となる。これにより、内部量子効率が向上する。これにより高効率の半導体発光素子が提供できる。さらに、結晶歪みが局所的に高くなることが抑制されるため、信頼性が向上できる。
【００５５】
以下、半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。積層構造体１０ｓの結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。この他、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）を用いても良い。
【００５６】
サファイアの基板５の上に、バッファ層６を形成した後、第１半導体層１０の結晶を成長させる。
【００５７】
第１半導体層１０の上に上記の多層構造体４０の結晶を、例えば７００℃以上８００℃以下の温度で成長させる。
【００５８】
多層構造体４０の上に、上記の発光部３０の結晶を、例えば７００℃以上８００℃以下の温度で成長させる。
【００５９】
発光部３０の上に、第４ｐ形層２４（ＧａＮ層）の結晶を例えば１０００℃以上１１００℃以下の温度で成長させる。なお、第４ｐ形層２４としてＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いる場合には、成長温度は例えば７００℃以上８００℃以下とされる。
【００６０】
第４ｐ形層２４の上に、第３ｐ形層２３のＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎの結晶を、例えば１０００℃以上１１００℃以下の温度で成長させる。第３ｐ形層２３の上に、第２ｐ形層２２のＧａＮの結晶を例えば１０００℃以上１１００℃以下の温度で成長させる。第２ｐ形層２２の上に、第１ｐ形層２１のＧａＮの結晶を成長させる。
【００６１】
このようにして積層構造体１０ｓが形成される。
積層構造体１０ｓの第１ｐ形層２１の上に、ＩＴＯ膜を形成し、ＩＴＯ膜を所定の形状に加工して第２電極８１を形成する。さらに、Ａｕ膜を形成し、Ａｕ膜を所定の形状に加工して第２電極側パッド部８２を形成する。
【００６２】
積層構造体１０ｓの一部をエッチングし、第１半導体層１０の一部を露出させ、露出した第１半導体層１０の一部の上に、第１電極７１を形成する。
これにより、図１〜図４に例示した半導体発光素子が形成される。
【００６３】
図５は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図においては、実施形態に係る半導体発光素子１１０の特性の他に、第１参考例の半導体発光素子１１９ａ及び第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの特性も例示されている。
【００６４】
第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、発光部３０に含まれる全ての障壁層３１及び井戸層３２の構成が一定とされる。すなわち、第１障壁層ＢＬ１〜第９障壁層ＢＬ９には、５．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８は、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８８Ｎ層が用いられる。すなわち、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、０．５で一定である。
【００６５】
そして、半導体発光素子１１９ａにおいては、多層構造体４０に含まれる全ての高バンドギャップエネルギー層４１及び低バンドギャップエネルギー層４２の構成が一定とされる。すなわち、第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１〜第３１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ３１には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１〜第３０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ３０には、１ｎｍの厚さのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層が用いられる。すなわち、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、０．２２５で一定である。
【００６６】
第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの発光部３０の構成は、半導体発光素子１１０における発光部３０の構成と同様とされる。すなわち、半導体発光素子１１９ｂの発光部３０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０の側の部分では０．０４であり、第２半導体層２０の側の部分では０．０５である。
【００６７】
そして、半導体発光素子１１９ｂの多層構造体４０の構成は、第１参考例の半導体発光素子１１９ａと同様である。すなわち、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、０．０２２５で一定である。
【００６８】
図５の横軸は、半導体発光素子に流れる電流Ｉｆ（ミリアンペア：ｍＡ）であり、縦軸は発光効率Ｅｆｆである。
図５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、発光効率Ｅｆｆは低い。半導体発光素子１１９ａにおける発光効率Ｅｆｆの最大値は、０．６１である。
【００６９】
図５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、発光効率Ｅｆｆは半導体発光素子１１９ａよりも高い。半導体発光素子１１９ｂにおける発光効率Ｅｆｆの最大値は０．７２であり、半導体発光素子１１９ａに比べて高い。
【００７０】
図５に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、発光効率Ｅｆｆは半導体発光素子１１９ｂよりもさらに高い。半導体発光素子１１０における発光効率Ｅｆｆの最大値は０．７８である。このように、実施形態においては、第２参考例に比べてさらに高い発光効率Ｅｆｆが得られる。
【００７１】
第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいて、第１参考例の半導体発光素子１１９ａに比べて発光効率Ｅｆｆが向上したのは、発光部３０において平均Ｉｎ組成比を変化させることで、発光部３０の結晶の欠陥や転位が抑制されたためと考えられる。
【００７２】
そして、実施形態に係る半導体発光素子１１０において、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂよりもさらに発光効率Ｅｆｆがさらに向上したのは、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰを変化させることで、基板５から発光部３０に伝播する転位や欠陥が抑制され、結晶歪みが適切に調整されたためだと考えられる。これにより内部量子効率が向上できる。実施形態によれば高効率の半導体発光素子が得られる。さらに、発光部３０における歪みが抑制されることから、信頼性が向上する。
【００７３】
なお、半導体発光素子の超格子層において、交互層の厚さを変更することが知られているが、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰをＺ軸方向に沿って変化させる（例えば、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側に高い）ことは知られていない。また、半導体発光素子の活性層において井戸層密度を変更することが知られているが、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰをＺ軸方向に沿って変化させること、及び、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰをＺ軸方向に沿って変化させることは知られていない。
【００７４】
実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰを第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高くすることで、基板５から発光部３０に伝播する転位や欠陥が抑制され、結晶歪みが適切に調整される。これにより、効率が向上し、さらに、信頼性も向上される。
【００７５】
なお、高バンドギャップエネルギー層４１、低バンドギャップエネルギー層４２、障壁層３１及び井戸層３２のそれぞれの厚さは、例えば透過電子顕微鏡観察などの方法により測定できる。また、これらの層における組成は、例えばＳＩＭＳ（secondary-ion mass spectrometry）手法などを応用した分析によって測定できる。これらの測定結果に基づいて、平均Ｉｎ組成比を求めることができる。
【００７６】
図６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６に表したように、半導体発光素子１１０ａの発光部３０の構成は、半導体発光素子１１０と同様である。すなわち、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０の側の部分では０．０４であり、第２半導体層２０の側の部分では、０．０５である。
【００７７】
そして、半導体発光素子１１０ａにおいては、多層構造体４０の構成が、Ｎ＝１〜２０と、Ｎ＝２１〜３０とで、変更された。すなわち、第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１〜第２０高バンドギャップエネルギー層ＨＬ２０には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられ、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１〜第２０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２０には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層が用いられる。そして、第２１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ２１〜第３１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ３１には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられ、第２１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２１〜第３０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ３０には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層が用いられる。
【００７８】
このような構成の半導体発光素子１１０ａにおいては、発光効率Ｅｆｆの最大値は、０．７８であり、半導体発光素子１１０と同等の高い性能が得られる。すなわち、半導体発光素子１１０ａにおいても、第１参考例及び第２参考例よりも高い発光効率Ｅｆｆが得られる。このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比の特性は種々の変形が可能である。
【００７９】
多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰは、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高く設定される。
【００８０】
すなわち、複数の高バンドギャップエネルギー層４１のうちのいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【００８１】
そして、上記のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１よりも第２半導体層２０の側に位置する他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記の他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【００８２】
このとき、多層構造体４０において、第２半導体層２０の側に位置する任意のペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ２は、（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）で表される。一方、第１半導体層１０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ１は、（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）で表される。実施形態においては、ＳＡ２は、ＳＡ１よりも高く設定される。
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が高くなる。
【００８３】
図７（ａ）〜図７（ｈ）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。
すなわち、これらの図は、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰの特性を例示している。
【００８４】
図７（ａ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ａにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向（Ｚ軸の正の方向）に進むに従って、連続的に増大している。本具体例では、平均Ｉｎ組成比ＳＰの上昇の傾きは一定であるが、傾きは変化しても良い。
【００８５】
図７（ｂ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｂにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、２つの値を有している。第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも、第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰの方が高い。このように、平均Ｉｎ組成比ＳＰは１つステップで変化している。なお、図１及び図６に関して説明したように、平均Ｉｎ組成比ＳＰが変化するＺ軸方向に沿った位置は任意である。
【００８６】
図７（ｃ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｃにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは２つステップで変化している。
【００８７】
図７（ｄ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｄにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは３つステップで変化している。
【００８８】
図７（ｅ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｅの多層構造体４０においては、平均Ｉｎ組成比ＳＰが低い一定値の領域と、高い一定値の領域と、それらの間において平均Ｉｎ組成比ＳＰが連続的に変化する領域と、が設けられている。
【００８９】
このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、連続的に変化しても良く、また、１つ以上のステップで段階的に変化しても良い。
【００９０】
このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって漸増する。すなわち、平均Ｉｎ組成比ＳＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって、連続的または不連続的（段階的）に上昇することができる。なお、平均Ｉｎ組成比ＳＰの変化におけるステップの数は、任意である。
【００９１】
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が向上できる。
【００９２】
ただし、実施形態はこれに限らない。例えば、平均Ｉｎ組成比ＳＰが、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって連続的または不連続的（段階的）に上昇するうちに、一部の狭い領域で、平均Ｉｎ組成比ＳＰが減少することがあっても良い。
【００９３】
図７（ｆ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｆにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＳＰが小さい値の領域ｒ１があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＳＰが領域ｒ１よりも高い領域ｒ２があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＳＰが領域ｒ２よりも低く領域ｒ１よりも高い領域ｒ３があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＳＰが領域ｒ２よりも高い領域ｒ４がある。領域ｒ２の幅（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、領域ｒ１や領域ｒ３に比べて小さい。この場合も、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。すなわち、多層構造体４０において、平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高ければ良い。
【００９４】
図７（ｇ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｇにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＳＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍部分で平均Ｉｎ組成比ＳＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
【００９５】
図７（ｈ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｈにおいては、第１半導体層１０の近傍部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰは比較的高く、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＳＰが低い広い領域が存在し、さらに第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＳＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍で平均Ｉｎ組成比ＳＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
半導体発光素子１１１ｇ及び１１１ｈにおいても、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。
【００９６】
実施形態に係る半導体発光素子においては、例えば、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰが、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高い。
【００９７】
ここで、上記においては、第１半導体層１０に最も近い低バンドギャップエネルギー層４２（第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１）と第１半導体層１０との間に高バンドギャップエネルギー層４１が配置される例を説明したが、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１と第１半導体層１０との間には、高バンドギャップエネルギー層４１が設けられなくても良い。また、第２半導体層２０に最も近い第Ｎ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮと第２半導体層２０との間に高バンドギャップエネルギー層４１が配置される例を説明したが、第Ｎ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮと第２半導体層２０との間には、高バンドギャップエネルギー層４１が設けられなくても良い。
【００９８】
この場合においても、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の低バンドギャップエネルギー層４２（第（ｉ＋１）低バンドギャップエネルギー層ＬＬｉ＋１）は、ｉ番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第ｉ低バンドギャップエネルギー層ＬＬｉ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。そして、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の高バンドギャップエネルギー層４１（第（ｉ＋１）高バンドギャップエネルギー層ＨＬｉ＋１）は、ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１（第ｉ高バンドギャップエネルギー層ＨＬｉ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。例えば、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１と第１半導体層１０との間に、高バンドギャップエネルギー層４１が設けられない場合には、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１と第２低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２との間に第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１が設けられる。
【００９９】
ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１（第ｉ高バンドギャップエネルギー層ＨＬｉ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有するものとする。
そして、ｉ番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第ｉ低バンドギャップエネルギー層ＬＬｉ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１００】
低バンドギャップエネルギー層４２の数は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）である。Ｎの２分の１以下の最大の整数をＮＬＨとする。
【０１０１】
ＮＬＨ番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第ＮＬＨ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮＬＨ）よりも第１半導体層１０の側に位置する高バンドギャップエネルギー層４１の数をＮＨＨとする。ＮＨＨは、例えばＮＬＨと同じ、または、（ＮＬＨ−１）である。
【０１０２】
（ＮＬＨ−１）番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第（ＮＬＨ−１）低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮＬＨ−１）よりも第２半導体層２０の側に位置する高バンドギャップエネルギー層４１の数をＮＨＲとする。（ＮＨＨ＋ＮＨＲ）は、（Ｎ−１）またはＮまたは（Ｎ＋１）である。
【０１０３】
このとき、平均Ｉｎ組成比ＳＨ１を、
【数１】
とする。平均Ｉｎ組成比ＳＨ１は、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰに相当する。
【０１０４】
そして、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２を、
【数２】
とする。平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰに相当する。
【０１０５】
このとき、実施形態においては、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高く設定される。
このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高く設定されることで、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が向上できる。
【０１０６】
さらに、実施形態に係る半導体発光素子は、上記のように多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰがＺ軸方向に沿って変化することに加え、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰがＺ軸方向に沿って変化する。
【０１０７】
すなわち、発光部３０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰは、発光部３０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも高く設定される。
【０１０８】
すなわち、複数の障壁層３１のうちのいずれかの障壁層３１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙａと、層厚ｓａ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記のいずれかの障壁層３１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する井戸層３２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｂと、層厚ｓｂ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１０９】
上記のいずれかの障壁層３１よりも第２半導体層２０の側に位置する他のいずれかの障壁層３１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｃと、層厚ｓｃ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記の他のいずれかの障壁層３１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する井戸層３２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｄと、層厚ｓｄ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１１０】
このとき、発光部３０において、第２半導体層２０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ２は（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）で表される。一方、第１半導体層１０の側に位置するペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ１は（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）で表される。実施形態においては、ＥＡ２は、ＥＡ１よりも高く設定される。
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が高くなる。
【０１１１】
図８（ａ）〜図８（ｈ）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。
すなわち、これらの図は、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰの特性を例示している。
【０１１２】
図８（ａ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ａにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向（Ｚ軸の正の方向）に進むに従って、連続的に増大している。本具体例では、平均Ｉｎ組成比ＥＰの上昇の傾きは一定であるが、傾きは変化しても良い。
【０１１３】
図８（ｂ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｂにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、２つの値を有している。第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも、第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰの方が高い。このように、平均Ｉｎ組成比ＥＰは１つステップで変化している。なお、平均Ｉｎ組成比ＥＰが変化するＺ軸方向に沿った位置は任意である。
【０１１４】
図８（ｃ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｃにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは２つステップで変化している。
【０１１５】
図８（ｄ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｄにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは３つステップで変化している。
【０１１６】
図８（ｅ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｅにおいては、平均Ｉｎ組成比ＥＰが低い一定値の領域と、高い一定値の領域と、それらの間において平均Ｉｎ組成比ＥＰが連続的に変化する領域と、が設けられている。
【０１１７】
このように、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、連続的に変化しても良く、また、１つ以上のステップで段階的に変化しても良い。
【０１１８】
このように、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって漸増する。すなわち、平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって、連続的または不連続的（段階的）に上昇することができる。なお、平均Ｉｎ組成比ＥＰの変化におけるステップの数は、任意である。
【０１１９】
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生がさらに抑制され、発光効率がさらに向上できる。
【０１２０】
ただし、実施形態はこれに限らない。例えば、平均Ｉｎ組成比ＥＰが、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって連続的または不連続的（段階的）に上昇するうちに、一部の狭い領域で、平均Ｉｎ組成比ＥＰが減少することがあっても良い。
【０１２１】
図８（ｆ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｆにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＥＰが小さい値の領域ｒ５があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＥＰが領域ｒ５よりも高い領域ｒ６があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＥＰが領域ｒ６よりも低く領域ｒ５よりも高い領域ｒ７があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＥＰが領域ｒ６よりも高い領域ｒ８がある。領域ｒ６の幅（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、領域ｒ５や領域ｒ７に比べて小さい。この場合も、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。すなわち、発光部３０において、平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高ければ良い。
【０１２２】
図８（ｇ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｇにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＥＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍部分で平均Ｉｎ組成比ＥＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
【０１２３】
図８（ｈ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｈにおいては、多層構造体４０の近傍部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰは比較的高く、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＥＰが低い広い領域が存在し、さらに第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＥＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍で平均Ｉｎ組成比ＥＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
半導体発光素子１１２ｇ及び１１２ｈにおいても、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。
【０１２４】
発光部３０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰが、発光部３０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも高ければ良い。
【０１２５】
ここで、上記においては、第１半導体層１０に最も近い井戸層３２（第１井戸層ＷＬ１）と第１半導体層１０との間に障壁層３１が配置される例を説明したが、第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間には、障壁層３１が設けられなくても良い。また、第２半導体層２０に最も近い第Ｍ井戸層ＷＬＭと第２半導体層２０との間に障壁層３１が配置される例を説明したが、第Ｍ井戸ＷＬＭと第２半導体層２０との間には、障壁層３１が設けられなくても良い。
【０１２６】
この場合においても、（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の井戸層３２（第（ｊ＋１）井戸層ＷＬｊ＋１）は、ｊ番目の井戸層３２（第ｊ井戸層ＷＬｊ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。そして、（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の障壁層３１（第（ｊ＋１）障壁層ＢＬｊ＋１）は、ｊ番目の障壁層３１（第ｊ障壁層ＢＬｊ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。例えば、第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間に、障壁層３１が設けられない場合には、第１井戸層ＷＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間に第１障壁層ＢＬ１が設けられる。
【０１２７】
ｊ番目の障壁層３１（第ｊ障壁層ＢＬｊ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｈｊと、層厚ｓｈｊ（ナノメートル）と、を有するものとする。
そして、ｊ番目の井戸層３２（第ｊ井戸層ＷＬｊ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｌｊと、層厚ｓｌｊ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１２８】
井戸層３２の数は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）である。Ｍの２分の１以下の最大の整数をＭＬＨとする。
【０１２９】
ＭＬＨ番目の井戸層３２（第ＭＬＨ井戸層ＷＬＭＬＨ）よりも第１半導体層１０の側に位置する障壁層３１の数をＭＨＨとする。ＭＨＨは、例えばＭＬＨと同じ、または、（ＭＬＨ−１）である。
【０１３０】
（ＭＬＨ−１）番目の井戸層３２（第（ＭＬＨ−１）井戸層ＷＬＭＬＨ−１）よりも第２半導体層２０の側に位置する障壁層３１の数をＭＨＲとする。（ＭＨＨ＋ＭＨＲ）は、（Ｍ−１）またはＭまたは（Ｍ＋１）である。
【０１３１】
平均Ｉｎ組成比ＥＨ１を、
【数３】
とする。平均Ｉｎ組成比ＥＨ１は、発光部３０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰに相当する。
【０１３２】
平均Ｉｎ組成比ＥＨ２を、
【数４】
とする。平均Ｉｎ組成比ＥＨ２は、発光部３０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰに相当する。
【０１３３】
このとき、実施形態においては、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高く設定される。
【０１３４】
このように、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高く設定されることで、発光部３０における転位や欠陥の発生がさらに抑制され、発光効率がさらに向上できる。
【０１３５】
上記においては、多層構造体４０内における平均Ｉｎ組成比ＳＰ、及び、発光部３０内における平均Ｉｎ組成比ＥＰに関して説明した。以下では平均Ｉｎ組成比ＳＰと、平均Ｉｎ組成比ＥＰと、の関係について説明する。
【０１３６】
実施形態においては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰ以上に設定されることが望ましい。
【０１３７】
既に説明したように、多層構造体４０において、第２半導体層２０の側に位置する任意のペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、第１半導体層１０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高く設定される。すなわち、１＜（ＳＡ２／ＳＡ１）とされる。そして、発光部３０において、第２半導体層２０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ２＝（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）は、第１半導体層１０の側に位置するペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ１＝（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）よりも高く設定される。
【０１３８】
このとき、上記のＥＡ１は、上記のＳＡ２以上に設定されることが望ましい。すなわち、平均Ｉｎ組成は、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって上昇することが望ましい。すなわち、ＳＡ１＜ＳＡ２≦ＥＡ１＜ＥＡ２が満たされることが望ましい。すなわち、（ＳＡ２／ＳＡ１）≦（ＥＡ１／ＳＡ１）が満たされる。そして、（ＳＡ２／ＳＡ１）＜（ＥＡ２／ＳＡ１）が満たされる。
【０１３９】
そして、既に説明したように、多層構造体４０に関して、１＜（ＳＨ２／ＳＨ１）とされる。同様に、発光部３０における第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比に相当する平均Ｉｎ組成比ＥＨ１は、多層構造体４０における第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比に相当する平均Ｉｎ組成比ＳＨ２以上に設定されることが望ましい。すなわち、ＳＨ１＜ＳＨ２≦ＥＨ１＜ＥＨ２が満たされることが望ましい。すなわち、（ＳＨ２／ＳＨ１）≦（ＥＨ１／ＳＨ１）が満たされる。そして、（ＳＨ２／ＳＨ１）＜（ＥＨ２／ＳＨ１）が満たされる。
【０１４０】
このように、平均Ｉｎ組成比を第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向に沿って徐々に高めることで、発光部３０における転位や欠陥の発生がさらに抑制され、発光効率をさらに向上できる。
【０１４１】
ここで、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰの変化を過度に大きくすると、多層構造体４０の結晶において歪みが大きくなり過ぎて、転位や欠陥が発生し易くなる。従って、平均Ｉｎ組成比ＳＰの変化の程度は、一定以下に設定されることが望ましい。
【０１４２】
一方、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰの変化を過度に大きくすると、発光部３０の結晶において歪みが大きくなり過ぎて、転位や欠陥が発生し易くなる。従って、平均Ｉｎ組成比ＥＰの変化の程度は、一定以下に設定されることが望ましい。すなわち、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰに対する、発光部３０の第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＥＰの比率は一定以下に設定されることが望ましい。
【０１４３】
図９は、半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図は、多層構造体４０及び発光部３０の構成を種々変化させたときの半導体発光素子の発光効率Ｅｆｆを例示している。
【０１４４】
図９の横軸は、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰに対する、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰの比率ＳＲである。比率ＳＲは、例えば（ＳＡ２／ＳＡ１）である。比率ＳＲは、例えば（ＳＨ２／ＳＨ１）としても良い。また、比率ＳＲは、多層構造体４０において最も第２半導体層２０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰと、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰと、の比としても良い。
【０１４５】
図９の縦軸は、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰに対する、発光部３０の第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＥＰの比率ＥＲである。比率ＥＲは、例えば（ＥＡ２／ＳＡ１）である。比率ＥＲは、例えば（ＥＨ２／ＳＨ１）としても良い。また、比率ＥＲは、発光部３０において最も第２半導体層２０に近い障壁層３１とそれに隣接する井戸層３２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＥＰと、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰと、の比としても良い。
【０１４６】
図９において丸印は、発光効率Ｅｆｆが０．６５以上であることを示し、三角印は、発光効率Ｅｆｆが０．６５よりも低いことを示している。
【０１４７】
上記で説明した実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、比率ＳＲは１．８であり、比率ＥＲは４である。第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、比率ＳＲは１であり、比率ＥＲは２である。第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、比率ＳＲは１であり、比率ＥＲは４である。
【０１４８】
図９に表したように、比率ＥＲが比率ＳＲ以下のときは発光効率Ｅｆｆが０．６５よりも低い。すなわち、発光部３０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰ（例えばＥＡ２及びＥＨ２の少なくともいずれか）が、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰ（例えば、ＳＡ１及びＳＨ１の少なくともいずれか）以下のときは、発光効率Ｅｆｆが低い。この条件の場合には、発光部３０の結晶に適切な歪みが加わらないため、効率が低下すると考えられる。
【０１４９】
実施形態に係る半導体発光素子においては、多層構造体４０及び発光部３０における平均Ｉｎ組成比は、図９においてハッチングで示された領域ＲＡの条件に設定される。
【０１５０】
すなわち、ＳＲ＜ＥＲとされる。例えば、ＳＡ１＜ＥＡ２とされる。例えば、ＳＨ１＜ＥＨ２とされる。これにより、発光部３０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰが、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも大きくなり、発光部３０の結晶に適切な歪みが加わり、効率が向上する。
【０１５１】
そして、１＜ＳＲとされる。例えば、ＳＡ１＜ＳＡ２とされる。例えば、ＳＨ１＜ＳＨ２とされる。これにより、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比を、第１半導体層１０側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分で高めることで、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。
【０１５２】
そして、ＳＲ≦３とされる。例えば、（ＳＡ２／ＳＡ１）≦３とされる。例えば、（ＳＨ２／ＳＨ１）≦３とされる。これにより、多層構造体４０において圧縮歪みが過度に大きくなることが抑制され効率が向上する。
【０１５３】
さらに、ＥＲ≦５とされる。例えば、（ＥＡ２／ＳＡ１）≦５とされる。例えば（ＥＨ２／ＳＨ１）≦５とされる。これにより、発光部３０において圧縮歪みが過度に大きくなることが抑制され効率が向上する。
【０１５４】
このように、上記のＳＡ２は、上記のＳＡ１の３倍以下に設定されることが望ましい。上記のＳＨ２は、上記のＳＨ１の３倍以下に設定されることが望ましい。例えば、多層構造体４０において最も第２半導体層２０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰは、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰの３倍以下であることが望ましい。
【０１５５】
そして、上記ＥＡ２は、上記のＳＡ１の５倍以下に設定されることが望ましい。上記のＥＨ２は、上記のＳＨ１の５倍以下に設定されることが望ましい。例えば、発光部３０において最も第２半導体層２０に近い障壁層３１とそれに隣接する井戸層３２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＥＰは、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰの５倍以下であることが望ましい。
【０１５６】
上記のように、１＜ＳＲ、及び、ＳＲ＜ＥＲに設定することで、すなわち、多層構造体４０及び発光部３０における平均Ｉｎ組成比を、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けた方向に進むに従って上昇させることで、発光部３０の結晶における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が向上できる。
【０１５７】
そして、１＜ＳＲ≦３、及び、ＳＲ＜ＥＲ≦５に設定することで、多層構造体４０及び発光部３０に過度な歪みが加わることを抑制しつつ、発光部３０の井戸層３２に適切な歪みを加えることで、さらに発光効率を高めることができる。
【０１５８】
実施形態において、第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＡ２を、第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＡ１よりも高くする際に、例えば、高バンドギャップエネルギー層４１の厚さと、低バンドギャップエネルギー層４２の厚さと、を一定にし、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比、及び、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比の少なくともいずれかを変化させる構成がある。
【０１５９】
また、ＳＡ２をＳＡ１よりも高くする際に、例えば、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比と、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比と、を一定にし、高バンドギャップエネルギー層４１の厚さ、及び、低バンドギャップエネルギー層４２の厚さの少なくともいずれかを変化させる構成がある。
【０１６０】
例えば、多層構造体４０のうちの第１半導体層１０の側において、高バンドギャップエネルギー層４１として、厚さが３．０ｎｍのＧａＮ層を用い、低バンドギャップエネルギー層４２として、厚さが１．０ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を用いることができる。そして、多層構造体４０のうちの第２半導体層２０の側において、高バンドギャップエネルギー層４１として、厚さが３．０ｎｍのＧａＮ層を用い、低バンドギャップエネルギー層４２として、厚さが１．２ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を用いることができる。
【０１６１】
この場合には、多層構造体４０において、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比が一定であり、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比が一定であり、高バンドギャップエネルギー層４１の厚さが一定であり、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比が異なる。すなわち、層厚ｔｄは、層厚ｔｂとは異なる。
【０１６２】
この条件においては、電子の注入におけるポテンシャル障壁を低くすることができる。これにより、動作電圧を低減できる。
【０１６３】
もし、Ｉｎ組成比が高いＩｎＧａＮを用いると界面揺らぎを生じ易く、動作電圧を上昇させる可能性があるが、上記の構成においては、Ｉｎ組成比が過度に高くないので、動作電圧の上昇が抑制できる。
【０１６４】
このように厚さを変化させる構成においては、効率の向上に加え、さらに、動作電圧を低減できる利点がある。
【０１６５】
さらに、ＳＡ２をＳＡ１よりも高くする際に、例えば、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比及び厚さ、並びに、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比と厚さを変える構成がある。この構成においても、厚さを変えることから、例えば、動作電圧を低減できる。
【０１６６】
従って、多層構造体４０は、層厚ｔａとは異なる層厚ｔｃ、及び、層厚ｔｂとは異なる層厚ｔｄの少なくともいずれかを有することが望ましい。
【０１６７】
一方、ＥＡ２をＥＡ１よりも高くする際に、例えば、障壁層３１の厚さと井戸層３２の厚さとを一定にし、障壁層３１におけるＩｎ組成比、及び、井戸層３２におけるＩｎ組成比の少なくともいずれかを変化させる構成方法がある。ＥＡ２をＥＡ１よりも高くすることで、効率が向上できる。
【０１６８】
また、ＥＡ２をＥＡ１よりも高くする際に、例えば、障壁層３１のＩｎ組成比と、井戸層３２のＩｎ組成比と、を一定にし、障壁層３１の厚さ、及び、井戸層３２の厚さの少なくともいずれかを変化させる構成がある。このように厚さを変化させる構成においては、効率の向上に加え、さらに、動作電圧をさらに低減できる。
【０１６９】
さらに、ＥＡ２をＥＡ１よりも高くする際に、例えば、障壁層３１のＩｎ組成比及び厚さ、並びに、井戸層３２のＩｎ組成比と厚さを変える構成がある。この場合も、効率の向上に加え、さらに、動作電圧をさらに低減できる。
【０１７０】
実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供できる。
【０１７１】
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、導電形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。
【０１７２】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１７３】
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基板、バッファ層、半導体層、発光層、障壁層、井戸層、多層構造体、高バンドギャップエネルギー層、低バンドギャップエネルギー層、積層構造体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。例えば、上記実施形態の中で説明した組成や膜厚なども一例であり、種々の選択が可能である。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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】
【０１７８】
５…基板、 ６…バッファ層、 １０…第１半導体層、 １０ｓ…積層構造体、 ２０…第２半導体層、 ２１〜２４…第１〜第４ｐ形層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…多層構造体、 ４１…高バンドギャップエネルギー層、 ４２…低バンドギャップエネルギー層、 ７１…第１電極、 ８１…第２電極、 ８２…第２電極側パッド部、 １１０、１１０ａ、１１１ａ〜１１１ｈ、１１２ａ〜１１２ｈ、１１９ａ、１１９ｂ…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬＭ＋１…第１障壁層〜第（Ｍ＋１）障壁層、 ＢＬｊ…第ｊ障壁層、 ＥＰ…平均Ｉｎ組成比、 ＥＲ…比率、 Ｅｆｆ…発光効率、 ＨＬ１〜ＨＬＮ＋１……第１〜第（Ｎ＋１）高バンドギャップエネルギー層、 ＨＬｉ…第ｉ高バンドギャップエネルギー層、 Ｉｆ…電流、 ＬＬ１〜ＬＬＮ…第１〜第Ｎ低バンドギャップエネルギー層、 ＬＬｉ…第ｉ低バンドギャップエネルギー層、 ＲＡ…領域、 ＳＰ…平均Ｉｎ組成比、 ＳＲ…比率、 ＷＬ１〜ＷＬＭ…第１〜第Ｍ井戸層、 ＷＬｊ…第ｊ井戸層、 ｒ１〜ｒ８…領域、 ｓｈ１、ｓｈ２、ｓｈｊ、ｓｈＭ、ｓｈＭ＋１…層厚、 ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌｊ、ｓｌＭ…層厚、 ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈｊ、ｔｈＮ、ｔｈＮ＋１…層厚、 ｔｌ１、ｔｌ２、ｔｌｊ、ｔｌＮ…層厚
【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】
窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物III−Ｖ族化合物半導体を応用して、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や青紫色〜青色・緑色レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が開発されている。
【０００３】
ＬＥＤの高効率化を図るためには、ＧａＮ系半導体の結晶性を高め、結晶の内部量子効率を高めることが重要である。紫外〜青色・緑色ＬＥＤの活性層に用いられるＩｎＧａＮと、下地層に用いられるＧａＮとでは、格子定数差が大きいため歪みが加わり、圧電分極（ピエゾ分極）により、効率が低下し易い。
【０００４】
例えば、活性層における第１ＧａＮ系化合物半導体層側の井戸層密度と、第２ＧａＮ系化合物半導体層側の井戸層密度とを調整することで、発光ピーク波長シフトの低減と輝度制御範囲の拡大とを試みる技術が知られている。
内部量子効率の向上のためには、改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１１００９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、第１半導体層と、第２半導体層と、発光部と、多層構造体と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１半導体層は、窒化物半導体を含みｎ形である。前記第２半導体層は、窒化物半導体を含みｐ形である。前記発光部は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の井戸層と、を含む。前記多層構造体は、前記第１半導体層と前記発光部との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の高バンドギャップエネルギー層と、前記複数の高バンドギャップエネルギー層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む。
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有す。
前記他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有す。
ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高い。
【０００８】
前記複数の障壁層のうちのいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙａと、層厚ｓａ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｂと、層厚ｓｂ（ナノメートル）と、を有す。
前記いずれかの障壁層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｃと、層厚ｓｃ（ナノメートル）と、を有す。 前記他のいずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｄと、層厚ｓｄ（ナノメートル）と、を有す。
ＥＡ２＝（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）は、ＥＡ１＝（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）よりも高い。前記ＥＡ１は、前記ＳＡ２以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示す模式図である。
【図２】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３】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図５】半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
【図６】実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｈ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｈ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。
【図９】半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（実施の形態）
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図である。
図２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３は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。 図４は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
【００１２】
まず、図２〜図３を用いて、実施形態に係る半導体発光素子１１０の構成の概要について説明する。
図２に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、多層構造体４０と、を備える。
【００１３】
第１半導体層１０は、窒化物半導体を含む。第１半導体層１０は、ｎ形である。
第２半導体層２０は、窒化物半導体を含む。第２半導体層２０は、ｐ形である。
【００１４】
ここで、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向（積層方向）とする。
【００１５】
発光部３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。
多層構造体４０は、第１半導体層１０と発光部３０との間に設けられる。
【００１６】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ形ＧａＮ層が用いられる。第１半導体層１０の厚さは、例えば４μｍ（マイクロメートル）程度である。第１半導体層１０には、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎの少なくともいずれかのｎ形不純物がドーピングされる。本具体例では、ｎ形不純物としてＳｉが用いられる。第１半導体層１０におけるＳｉのドーピング量は、例えば約２×１０１８ｃｍ−３とされる。
【００１７】
第２半導体層２０は、例えば、第１ｐ形層２１と、第１ｐ形層２１と発光部３０との間に設けられた第２ｐ形層２２と、第２ｐ形層２２と発光部３０との間に設けられた第３ｐ形層２３と、第３ｐ形層２３と発光部３０との間に設けられた第４ｐ形層２４と、を含む。
【００１８】
第４ｐ形層２４には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第３ｐ形層２３には、例えば、ｐ形ＧａＡｌＮ層が用いられる。第３ｐ形層２３は、例えば電子オーバーフロー抑制層として機能する。第２ｐ形層２２には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１は、例えばコンタクト層として機能する。第２半導体層２０には、Ｍｇ及びＺｎの少なくともいずれかのｐ形不純物がドーピングされる。本具体例では、ｐ形不純物としてＭｇが用いられる。
【００１９】
第４ｐ形層２４（ｐ形ＧａＮ層）の厚さは、例えば３０ナノメートル（ｎｍ）とされる。第４ｐ形層２４におけるＭｇのドーピング量は、例えば約４×１０１８ｃｍ−３程度とされる。なお、第４ｐ形層２４として、例えば約３０ｎｍの厚さの程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を用いても良い。
【００２０】
第３ｐ形層２３には、例えば、Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎ層が用いられる。第３ｐ形層２３の厚さは、例えば、約１０ｎｍとされる。第３ｐ形層２３におけるＭｇのドーピング量は、例えば、約４×１０１８ｃｍ−３とされる。
【００２１】
第２ｐ形層２２の厚さは、例えば約５０ｎｍとされる。第２ｐ形層２２におけるＭｇのドーピング量は、例えば約１×１０１９ｃｍ−３とされる。
【００２２】
第１ｐ形層２１の厚さは、例えば約６０ｎｍとされる。第１ｐ形層２１におけるＭｇのドーピング量は、例えば約１×１０２０ｃｍ−３とされる。
【００２３】
このように、半導体発光素子１１０に含まれる積層構造体１０ｓは、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、多層構造体４０と、を含む。
【００２４】
半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０の多層構造体４０とは反対の側に設けられた基板５と、基板５と第１半導体層１０との間に設けられたバッファ層６と、をさらに備えることができる。すなわち、基板５の上に形成されたバッファ層６の上に積層構造体１０ｓが形成される。基板５には、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡｓなどの各種の材料を用いることができる。以下では、基板５にはサファイアが用いられるものとする。
【００２５】
積層構造体１０ｓの第２半導体層２０の側の第１主面において、第１半導体層１０の一部と、発光部３０と、多層構造体４０と、第２半導体層２０と、の一部が除去され、第１主面の側において第１半導体層１０が露出している。露出した第１半導体層１０に接して第１電極７１が設けられ、第２半導体層２０に接して第２電極８１が設けられる。さらに、第２電極８１に接して第２電極側パッド部８２を設けることができる。
【００２６】
第２電極８１には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が用いられる。第２電極８１の厚さは、例えば約０．２μｍとされる。第２電極側パッド部８２には、例えばＡｕが用いられる。第２電極側パッド部８２の厚さは、例えば約１．０μｍとされる。
【００２７】
第１電極７１には、例えば、Ａｕ層と、Ａｕ層と第１半導体層１０との間に設けられたＰｔ層と、Ｐｔ層と第１半導体層１０との間に設けられたＴｉ層と、を含む複合膜（Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜）が用いられる。Ｔｉ膜の厚さは例えば約０．０５μｍとされ、Ｐｔ膜の厚さは例えば約０．０５μｍとされ、Ａｕ膜の厚さは例えば約１．０μｍとされる。
【００２８】
なお、基板５上に上記の積層構造体１０ｓを形成した後に、基板５及びバッファ層６は除去されても良い。すなわち、半導体発光素子１１０においては、基板５及びバッファ層６は必要に応じて設けられ、省略可能である。
【００２９】
図３に表したように、発光部３０は、交互に積層された複数の障壁層３１と複数の井戸層３２とを含む。複数の障壁層３１は、窒化物半導体を含む。複数の井戸層３２は、窒化物半導体を含む。複数の井戸層３２のそれぞれは、複数の障壁層３１のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する。
【００３０】
複数の障壁層３１と複数の井戸層３２とは、Ｚ軸方向に沿って交互に積層されている。発光部３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構造を有する。
【００３１】
障壁層３１は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。井戸層３２は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。井戸層３２は、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体を含む。
【００３２】
ここで、障壁層３１の数を（Ｍ＋１）（Ｍは２以上の整数）とする。井戸層３２の数をＭとする。
【００３３】
複数の障壁層３１のうちで第１半導体層１０に最も近い障壁層３１を第１障壁層ＢＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２障壁層ＢＬ２〜第（Ｍ＋１）障壁層ＢＬＭ＋１がこの順で並ぶものとする。
すなわち、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上Ｍ以下の整数）の障壁層３１は、ｉ番目の障壁層３１よりも第２半導体層２０の側に配置される。
【００３４】
複数の井戸層３２のうちで第１半導体層１０に最も近い井戸層３２を第１井戸層ＷＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２井戸層ＷＬ２〜第Ｍ井戸層ＷＬＭがこの順で並ぶとする。
ｉ番目の井戸層３２は、ｉ番目の障壁層３１と（ｉ＋１）番目の障壁層３１との間に配置される。
【００３５】
本具体例では、Ｍは８とされる。
第１障壁層ＢＬ１〜第４障壁層ＢＬ４には、５．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１井戸層ＷＬ１〜第４井戸層ＷＬ４には、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ層が用いられる。
【００３６】
第５障壁層ＢＬ５〜第９障壁層ＢＬ９には、５．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第５井戸層ＷＬ５〜第８井戸層ＷＬ８には、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層が用いられる。
【００３７】
このように、半導体発光素子１１０においては、発光部３０において、井戸層３２におけるＩｎ組成比がＺ軸方向に沿って変更されている。なお、井戸層３２の一部であるＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）における発光波長のピーク波長は、フォトルミネッセンス評価で４５０ｎｍである。なお、井戸層３２の一部であるＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）における発光波長のピーク波長は、フォトルミネッセンス評価で４２５ｎｍである。
【００３８】
図４に表したように、多層構造体４０は、交互に積層された複数の高バンドギャップエネルギー層４１と複数の低バンドギャップエネルギー層４２とを含む。複数の高バンドギャップエネルギー層４１は、窒化物半導体を含む。複数の低バンドギャップエネルギー層４２は、窒化物半導体を含む。複数の低バンドギャップエネルギー層４２のそれぞれは、複数の高バンドギャップエネルギー層４１のそれぞれバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する。複数の低バンドギャップエネルギー層４２のそれぞれは、複数の井戸層３２のそれぞれバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する。
多層構造体４０は、例えば超格子層である。
【００３９】
高バンドギャップエネルギー層４１は、例えば、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。低バンドギャップエネルギー層４２は、例えばＩｎとＧａを含む窒化物半導体を含む。
【００４０】
複数の高バンドギャップエネルギー層４１の数を（Ｎ＋１）（Ｎは２以上の整数）とする。複数の低バンドギャップエネルギー層４２の数をＮとする。
【００４１】
複数の高バンドギャップエネルギー層４１のうちで第１半導体層１０に最も近い高バンドギャップエネルギー層４１を第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２高バンドギャップエネルギー層ＨＬ２〜第（Ｎ＋１）高バンドギャップエネルギー層ＨＬＮ＋１がこの順で並ぶとする。
すなわち、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上Ｎ以下の整数）の高バンドギャップエネルギー層４１は、ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１よりも第２半導体層２０の側に配置される。
【００４２】
複数の低バンドギャップエネルギー層４２のうちで第１半導体層１０に最も近い低バンドギャップエネルギー層４２を第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１とする。そして、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸の正の方向に沿って第２低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２〜第Ｎ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮがこの順で並ぶものとする。
ｉ番目の低バンドギャップエネルギー層４２は、ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１と（ｉ＋１）番目の高バンドギャップエネルギー層４１との間に配置される。
【００４３】
本具体例では、Ｎは３０とされる。
第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１〜第１５高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１５には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１〜第１５低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１５には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層が用いられる。
【００４４】
第１６高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１６〜第３１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ３１には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１６低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１６〜第３０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ３０には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層が用いられる。
【００４５】
このように、半導体発光素子１１０においては、多層構造体４０において、低バンドギャップエネルギー層４２におけるＩｎ組成比がＺ軸方向に沿って変更されている。
【００４６】
ここで、多層構造体４０において、高バンドギャップエネルギー層４１と、それに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２と、のペアに関する平均Ｉｎ組成比を定義する。 すなわち、複数の高バンドギャップエネルギー層４１のうちのいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｕと、層厚ｔｕ（ナノメートル）と、を有する。Ｉｎ組成比ｘｕを有する上記の高バンドギャップエネルギー層４１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｖと、層厚ｔｖ（ナノメートル）と、を有するとする。
【００４７】
このとき、多層構造体４０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＳＰを（ｘｕ・ｔｕ＋ｘｖ・ｔｖ）／（ｔｕ＋ｔｖ）とする。
【００４８】
本具体例においては、多層構造体４０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＳＰが、Ｚ軸方向に沿って変化している。すなわち、Ｎが１〜１５におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＳＰ（Ｎ＝１〜１５）は、０．０１２５である。Ｎが１６〜３１におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＳＰ（Ｎ＝１６〜３０）は、０．０２２５である。
【００４９】
同様に、発光部３０において、障壁層３１と、それに隣接する井戸層３２と、のペアに関する平均Ｉｎ組成比を定義する。
すなわち、複数の障壁層３１のうちのいずれかの障壁層３１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｕと、層厚ｓｕ（ナノメートル）と、を有する。Ｉｎ組成比ｙｕを有する上記の障壁層３１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する井戸層３２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｖと、層厚ｓｖ（ナノメートル）と、を有する。
【００５０】
このとき、発光部３０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＥＰを（ｙｕ・ｓｕ＋ｙｖ・ｓｖ）／（ｓｕ＋ｓｖ）とする。
【００５１】
本具体例においては、発光部３０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＥＰが、Ｚ軸方向に沿って変化している。すなわち、Ｍが１〜４におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＥＰ（Ｍ＝１〜４）は、０．０４である。Ｍが５〜８におけるペアにおいては、平均Ｉｎ組成比ＥＰ（Ｍ＝５〜８）は、０．０５である。
【００５２】
図１は、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰ及び発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰを示している。横軸は、Ｚ軸方向に沿った位置であり、縦軸は、平均Ｉｎ組成比ＳＰ及び平均Ｉｎ組成比ＥＰである。
【００５３】
図１に表したように、半導体発光素子１１０においては、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰの方が高く設定されている。そして、発光部３０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも、第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰの方が高く設定されている。そして、発光部３０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰは、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高く設定されている。
【００５４】
これにより、基板５から発光部３０に伝播する転位や欠陥を抑制しつつ、結晶歪みを調整することが可能となる。これにより、内部量子効率が向上する。これにより高効率の半導体発光素子が提供できる。さらに、結晶歪みが局所的に高くなることが抑制されるため、信頼性が向上できる。
【００５５】
以下、半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。積層構造体１０ｓの結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。この他、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）を用いても良い。
【００５６】
サファイアの基板５の上に、バッファ層６を形成した後、第１半導体層１０の結晶を成長させる。
【００５７】
第１半導体層１０の上に上記の多層構造体４０の結晶を、例えば７００℃以上８００℃以下の温度で成長させる。
【００５８】
多層構造体４０の上に、上記の発光部３０の結晶を、例えば７００℃以上８００℃以下の温度で成長させる。
【００５９】
発光部３０の上に、第４ｐ形層２４（ＧａＮ層）の結晶を例えば１０００℃以上１１００℃以下の温度で成長させる。なお、第４ｐ形層２４としてＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いる場合には、成長温度は例えば７００℃以上８００℃以下とされる。
【００６０】
第４ｐ形層２４の上に、第３ｐ形層２３のＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎの結晶を、例えば１０００℃以上１１００℃以下の温度で成長させる。第３ｐ形層２３の上に、第２ｐ形層２２のＧａＮの結晶を例えば１０００℃以上１１００℃以下の温度で成長させる。第２ｐ形層２２の上に、第１ｐ形層２１のＧａＮの結晶を成長させる。
【００６１】
このようにして積層構造体１０ｓが形成される。
積層構造体１０ｓの第１ｐ形層２１の上に、ＩＴＯ膜を形成し、ＩＴＯ膜を所定の形状に加工して第２電極８１を形成する。さらに、Ａｕ膜を形成し、Ａｕ膜を所定の形状に加工して第２電極側パッド部８２を形成する。
【００６２】
積層構造体１０ｓの一部をエッチングし、第１半導体層１０の一部を露出させ、露出した第１半導体層１０の一部の上に、第１電極７１を形成する。
これにより、図１〜図４に例示した半導体発光素子が形成される。
【００６３】
図５は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図においては、実施形態に係る半導体発光素子１１０の特性の他に、第１参考例の半導体発光素子１１９ａ及び第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの特性も例示されている。
【００６４】
第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、発光部３０に含まれる全ての障壁層３１及び井戸層３２の構成が一定とされる。すなわち、第１障壁層ＢＬ１〜第９障壁層ＢＬ９には、５．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８は、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８８Ｎ層が用いられる。すなわち、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、０．５で一定である。
【００６５】
そして、半導体発光素子１１９ａにおいては、多層構造体４０に含まれる全ての高バンドギャップエネルギー層４１及び低バンドギャップエネルギー層４２の構成が一定とされる。すなわち、第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１〜第３１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ３１には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１〜第３０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ３０には、１ｎｍの厚さのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層が用いられる。すなわち、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、０．２２５で一定である。
【００６６】
第２参考例の半導体発光素子１１９ｂの発光部３０の構成は、半導体発光素子１１０における発光部３０の構成と同様とされる。すなわち、半導体発光素子１１９ｂの発光部３０におけるペアの平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０の側の部分では０．０４であり、第２半導体層２０の側の部分では０．０５である。
【００６７】
そして、半導体発光素子１１９ｂの多層構造体４０の構成は、第１参考例の半導体発光素子１１９ａと同様である。すなわち、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、０．０２２５で一定である。
【００６８】
図５の横軸は、半導体発光素子に流れる電流Ｉｆ（ミリアンペア：ｍＡ）であり、縦軸は発光効率Ｅｆｆである。
図５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、発光効率Ｅｆｆは低い。半導体発光素子１１９ａにおける発光効率Ｅｆｆの最大値は、０．６１である。
【００６９】
図５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、発光効率Ｅｆｆは半導体発光素子１１９ａよりも高い。半導体発光素子１１９ｂにおける発光効率Ｅｆｆの最大値は０．７２であり、半導体発光素子１１９ａに比べて高い。
【００７０】
図５に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、発光効率Ｅｆｆは半導体発光素子１１９ｂよりもさらに高い。半導体発光素子１１０における発光効率Ｅｆｆの最大値は０．７８である。このように、実施形態においては、第２参考例に比べてさらに高い発光効率Ｅｆｆが得られる。
【００７１】
第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいて、第１参考例の半導体発光素子１１９ａに比べて発光効率Ｅｆｆが向上したのは、発光部３０において平均Ｉｎ組成比を変化させることで、発光部３０の結晶の欠陥や転位が抑制されたためと考えられる。
【００７２】
そして、実施形態に係る半導体発光素子１１０において、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂよりもさらに発光効率Ｅｆｆがさらに向上したのは、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰを変化させることで、基板５から発光部３０に伝播する転位や欠陥が抑制され、結晶歪みが適切に調整されたためだと考えられる。これにより内部量子効率が向上できる。実施形態によれば高効率の半導体発光素子が得られる。さらに、発光部３０における歪みが抑制されることから、信頼性が向上する。
【００７３】
なお、半導体発光素子の超格子層において、交互層の厚さを変更することが知られているが、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰをＺ軸方向に沿って変化させる（例えば、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側に高い）ことは知られていない。また、半導体発光素子の活性層において井戸層密度を変更することが知られているが、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰをＺ軸方向に沿って変化させること、及び、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰをＺ軸方向に沿って変化させることは知られていない。
【００７４】
実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰを第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高くすることで、基板５から発光部３０に伝播する転位や欠陥が抑制され、結晶歪みが適切に調整される。これにより、効率が向上し、さらに、信頼性も向上される。
【００７５】
なお、高バンドギャップエネルギー層４１、低バンドギャップエネルギー層４２、障壁層３１及び井戸層３２のそれぞれの厚さは、例えば透過電子顕微鏡観察などの方法により測定できる。また、これらの層における組成は、例えばＳＩＭＳ（secondary-ion mass spectrometry）手法などを応用した分析によって測定できる。これらの測定結果に基づいて、平均Ｉｎ組成比を求めることができる。
【００７６】
図６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６に表したように、半導体発光素子１１０ａの発光部３０の構成は、半導体発光素子１１０と同様である。すなわち、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０の側の部分では０．０４であり、第２半導体層２０の側の部分では、０．０５である。
【００７７】
そして、半導体発光素子１１０ａにおいては、多層構造体４０の構成が、Ｎ＝１〜２０と、Ｎ＝２１〜３０とで、変更された。すなわち、第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１〜第２０高バンドギャップエネルギー層ＨＬ２０には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられ、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１〜第２０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２０には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層が用いられる。そして、第２１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ２１〜第３１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ３１には、３．０ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられ、第２１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２１〜第３０低バンドギャップエネルギー層ＬＬ３０には、１．０ｎｍの厚さのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層が用いられる。
【００７８】
このような構成の半導体発光素子１１０ａにおいては、発光効率Ｅｆｆの最大値は、０．７８であり、半導体発光素子１１０と同等の高い性能が得られる。すなわち、半導体発光素子１１０ａにおいても、第１参考例及び第２参考例よりも高い発光効率Ｅｆｆが得られる。このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比の特性は種々の変形が可能である。
【００７９】
多層構造体４０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰは、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高く設定される。
【００８０】
すなわち、複数の高バンドギャップエネルギー層４１のうちのいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【００８１】
そして、上記のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１よりも第２半導体層２０の側に位置する他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記の他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層４１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する低バンドギャップエネルギー層４２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【００８２】
このとき、多層構造体４０において、第２半導体層２０の側に位置する任意のペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ２は、（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）で表される。一方、第１半導体層１０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ１は、（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）で表される。実施形態においては、ＳＡ２は、ＳＡ１よりも高く設定される。
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が高くなる。
【００８３】
図７（ａ）〜図７（ｈ）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。
すなわち、これらの図は、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰの特性を例示している。
【００８４】
図７（ａ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ａにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向（Ｚ軸の正の方向）に進むに従って、連続的に増大している。本具体例では、平均Ｉｎ組成比ＳＰの上昇の傾きは一定であるが、傾きは変化しても良い。
【００８５】
図７（ｂ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｂにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、２つの値を有している。第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも、第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰの方が高い。このように、平均Ｉｎ組成比ＳＰは１つステップで変化している。なお、図１及び図６に関して説明したように、平均Ｉｎ組成比ＳＰが変化するＺ軸方向に沿った位置は任意である。
【００８６】
図７（ｃ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｃにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは２つステップで変化している。
【００８７】
図７（ｄ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｄにおいては、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは３つステップで変化している。
【００８８】
図７（ｅ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｅの多層構造体４０においては、平均Ｉｎ組成比ＳＰが低い一定値の領域と、高い一定値の領域と、それらの間において平均Ｉｎ組成比ＳＰが連続的に変化する領域と、が設けられている。
【００８９】
このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、連続的に変化しても良く、また、１つ以上のステップで段階的に変化しても良い。
【００９０】
このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって漸増する。すなわち、平均Ｉｎ組成比ＳＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって、連続的または不連続的（段階的）に上昇することができる。なお、平均Ｉｎ組成比ＳＰの変化におけるステップの数は、任意である。
【００９１】
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が向上できる。
【００９２】
ただし、実施形態はこれに限らない。例えば、平均Ｉｎ組成比ＳＰが、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって連続的または不連続的（段階的）に上昇するうちに、一部の狭い領域で、平均Ｉｎ組成比ＳＰが減少することがあっても良い。
【００９３】
図７（ｆ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｆにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＳＰが小さい値の領域ｒ１があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＳＰが領域ｒ１よりも高い領域ｒ２があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＳＰが領域ｒ２よりも低く領域ｒ１よりも高い領域ｒ３があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＳＰが領域ｒ２よりも高い領域ｒ４がある。領域ｒ２の幅（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、領域ｒ１や領域ｒ３に比べて小さい。この場合も、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。すなわち、多層構造体４０において、平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高ければ良い。
【００９４】
図７（ｇ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｇにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＳＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍部分で平均Ｉｎ組成比ＳＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
【００９５】
図７（ｈ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１１ｈにおいては、第１半導体層１０の近傍部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰは比較的高く、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＳＰが低い広い領域が存在し、さらに第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＳＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍で平均Ｉｎ組成比ＳＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
半導体発光素子１１１ｇ及び１１１ｈにおいても、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。
【００９６】
実施形態に係る半導体発光素子においては、例えば、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰが、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも高い。
【００９７】
ここで、上記においては、第１半導体層１０に最も近い低バンドギャップエネルギー層４２（第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１）と第１半導体層１０との間に高バンドギャップエネルギー層４１が配置される例を説明したが、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１と第１半導体層１０との間には、高バンドギャップエネルギー層４１が設けられなくても良い。また、第２半導体層２０に最も近い第Ｎ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮと第２半導体層２０との間に高バンドギャップエネルギー層４１が配置される例を説明したが、第Ｎ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮと第２半導体層２０との間には、高バンドギャップエネルギー層４１が設けられなくても良い。
【００９８】
この場合においても、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の低バンドギャップエネルギー層４２（第（ｉ＋１）低バンドギャップエネルギー層ＬＬｉ＋１）は、ｉ番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第ｉ低バンドギャップエネルギー層ＬＬｉ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。そして、（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の高バンドギャップエネルギー層４１（第（ｉ＋１）高バンドギャップエネルギー層ＨＬｉ＋１）は、ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１（第ｉ高バンドギャップエネルギー層ＨＬｉ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。例えば、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１と第１半導体層１０との間に、高バンドギャップエネルギー層４１が設けられない場合には、第１低バンドギャップエネルギー層ＬＬ１と第２低バンドギャップエネルギー層ＬＬ２との間に第１高バンドギャップエネルギー層ＨＬ１が設けられる。
【００９９】
ｉ番目の高バンドギャップエネルギー層４１（第ｉ高バンドギャップエネルギー層ＨＬｉ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有するものとする。
そして、ｉ番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第ｉ低バンドギャップエネルギー層ＬＬｉ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１００】
低バンドギャップエネルギー層４２の数は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）である。Ｎの２分の１以下の最大の整数をＮＬＨとする。
【０１０１】
ＮＬＨ番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第ＮＬＨ低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮＬＨ）よりも第１半導体層１０の側に位置する高バンドギャップエネルギー層４１の数をＮＨＨとする。ＮＨＨは、例えばＮＬＨと同じ、または、（ＮＬＨ−１）である。
【０１０２】
（ＮＬＨ−１）番目の低バンドギャップエネルギー層４２（第（ＮＬＨ−１）低バンドギャップエネルギー層ＬＬＮＬＨ−１）よりも第２半導体層２０の側に位置する高バンドギャップエネルギー層４１の数をＮＨＲとする。（ＮＨＨ＋ＮＨＲ）は、（Ｎ−１）またはＮまたは（Ｎ＋１）である。
【０１０３】
このとき、平均Ｉｎ組成比ＳＨ１を、
【数１】
とする。平均Ｉｎ組成比ＳＨ１は、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰに相当する。
【０１０４】
そして、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２を、
【数２】
とする。平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＳＰに相当する。
【０１０５】
このとき、実施形態においては、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高く設定される。
このように、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高く設定されることで、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が向上できる。
【０１０６】
さらに、実施形態に係る半導体発光素子は、上記のように多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰがＺ軸方向に沿って変化することに加え、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰがＺ軸方向に沿って変化する。
【０１０７】
すなわち、発光部３０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰは、発光部３０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも高く設定される。
【０１０８】
すなわち、複数の障壁層３１のうちのいずれかの障壁層３１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙａと、層厚ｓａ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記のいずれかの障壁層３１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する井戸層３２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｂと、層厚ｓｂ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１０９】
上記のいずれかの障壁層３１よりも第２半導体層２０の側に位置する他のいずれかの障壁層３１は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｃと、層厚ｓｃ（ナノメートル）と、を有するものとする。上記の他のいずれかの障壁層３１と第１半導体層１０の側または第２半導体層２０の側で接する井戸層３２は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｄと、層厚ｓｄ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１１０】
このとき、発光部３０において、第２半導体層２０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ２は（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）で表される。一方、第１半導体層１０の側に位置するペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ１は（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）で表される。実施形態においては、ＥＡ２は、ＥＡ１よりも高く設定される。
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が高くなる。
【０１１１】
図８（ａ）〜図８（ｈ）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。
すなわち、これらの図は、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰの特性を例示している。
【０１１２】
図８（ａ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ａにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向（Ｚ軸の正の方向）に進むに従って、連続的に増大している。本具体例では、平均Ｉｎ組成比ＥＰの上昇の傾きは一定であるが、傾きは変化しても良い。
【０１１３】
図８（ｂ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｂにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、２つの値を有している。第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも、第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰの方が高い。このように、平均Ｉｎ組成比ＥＰは１つステップで変化している。なお、平均Ｉｎ組成比ＥＰが変化するＺ軸方向に沿った位置は任意である。
【０１１４】
図８（ｃ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｃにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは２つステップで変化している。
【０１１５】
図８（ｄ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｄにおいては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＳＰは３つステップで変化している。
【０１１６】
図８（ｅ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｅにおいては、平均Ｉｎ組成比ＥＰが低い一定値の領域と、高い一定値の領域と、それらの間において平均Ｉｎ組成比ＥＰが連続的に変化する領域と、が設けられている。
【０１１７】
このように、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、連続的に変化しても良く、また、１つ以上のステップで段階的に変化しても良い。
【０１１８】
このように、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって漸増する。すなわち、平均Ｉｎ組成比ＥＰは、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって、連続的または不連続的（段階的）に上昇することができる。なお、平均Ｉｎ組成比ＥＰの変化におけるステップの数は、任意である。
【０１１９】
これにより、発光部３０における転位や欠陥の発生がさらに抑制され、発光効率がさらに向上できる。
【０１２０】
ただし、実施形態はこれに限らない。例えば、平均Ｉｎ組成比ＥＰが、第１半導体層１０から第２半導体層２０への方向に向かって連続的または不連続的（段階的）に上昇するうちに、一部の狭い領域で、平均Ｉｎ組成比ＥＰが減少することがあっても良い。
【０１２１】
図８（ｆ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｆにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＥＰが小さい値の領域ｒ５があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＥＰが領域ｒ５よりも高い領域ｒ６があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＥＰが領域ｒ６よりも低く領域ｒ５よりも高い領域ｒ７があり、その後、平均Ｉｎ組成比ＥＰが領域ｒ６よりも高い領域ｒ８がある。領域ｒ６の幅（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、領域ｒ５や領域ｒ７に比べて小さい。この場合も、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。すなわち、発光部３０において、平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高ければ良い。
【０１２２】
図８（ｇ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｇにおいては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＥＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍部分で平均Ｉｎ組成比ＥＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
【０１２３】
図８（ｈ）に表したように実施形態に係る半導体発光素子１１２ｈにおいては、多層構造体４０の近傍部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰは比較的高く、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて、平均Ｉｎ組成比ＥＰが低い広い領域が存在し、さらに第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって進むにつれて平均Ｉｎ組成比ＥＰが上昇した後、第２半導体層２０の近傍で平均Ｉｎ組成比ＥＰが低下する。この場合も、平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値は、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高い。
半導体発光素子１１２ｇ及び１１２ｈにおいても、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。
【０１２４】
発光部３０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰが、発光部３０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰよりも高ければ良い。
【０１２５】
ここで、上記においては、第１半導体層１０に最も近い井戸層３２（第１井戸層ＷＬ１）と第１半導体層１０との間に障壁層３１が配置される例を説明したが、第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間には、障壁層３１が設けられなくても良い。また、第２半導体層２０に最も近い第Ｍ井戸層ＷＬＭと第２半導体層２０との間に障壁層３１が配置される例を説明したが、第Ｍ井戸ＷＬＭと第２半導体層２０との間には、障壁層３１が設けられなくても良い。
【０１２６】
この場合においても、（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の井戸層３２（第（ｊ＋１）井戸層ＷＬｊ＋１）は、ｊ番目の井戸層３２（第ｊ井戸層ＷＬｊ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。そして、（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の障壁層３１（第（ｊ＋１）障壁層ＢＬｊ＋１）は、ｊ番目の障壁層３１（第ｊ障壁層ＢＬｊ）よりも第２半導体層２０の側に配置される。例えば、第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間に、障壁層３１が設けられない場合には、第１井戸層ＷＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間に第１障壁層ＢＬ１が設けられる。
【０１２７】
ｊ番目の障壁層３１（第ｊ障壁層ＢＬｊ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｈｊと、層厚ｓｈｊ（ナノメートル）と、を有するものとする。
そして、ｊ番目の井戸層３２（第ｊ井戸層ＷＬｊ）は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｌｊと、層厚ｓｌｊ（ナノメートル）と、を有するものとする。
【０１２８】
井戸層３２の数は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）である。Ｍの２分の１以下の最大の整数をＭＬＨとする。
【０１２９】
ＭＬＨ番目の井戸層３２（第ＭＬＨ井戸層ＷＬＭＬＨ）よりも第１半導体層１０の側に位置する障壁層３１の数をＭＨＨとする。ＭＨＨは、例えばＭＬＨと同じ、または、（ＭＬＨ−１）である。
【０１３０】
（ＭＬＨ−１）番目の井戸層３２（第（ＭＬＨ−１）井戸層ＷＬＭＬＨ−１）よりも第２半導体層２０の側に位置する障壁層３１の数をＭＨＲとする。（ＭＨＨ＋ＭＨＲ）は、（Ｍ−１）またはＭまたは（Ｍ＋１）である。
【０１３１】
平均Ｉｎ組成比ＥＨ１を、
【数３】
とする。平均Ｉｎ組成比ＥＨ１は、発光部３０の第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰに相当する。
【０１３２】
平均Ｉｎ組成比ＥＨ２を、
【数４】
とする。平均Ｉｎ組成比ＥＨ２は、発光部３０の第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比ＥＰに相当する。
【０１３３】
このとき、実施形態においては、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高く設定される。
【０１３４】
このように、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰの大まかな値が、第１半導体層１０の側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分の方が高く設定されることで、発光部３０における転位や欠陥の発生がさらに抑制され、発光効率がさらに向上できる。
【０１３５】
上記においては、多層構造体４０内における平均Ｉｎ組成比ＳＰ、及び、発光部３０内における平均Ｉｎ組成比ＥＰに関して説明した。以下では平均Ｉｎ組成比ＳＰと、平均Ｉｎ組成比ＥＰと、の関係について説明する。
【０１３６】
実施形態においては、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰは、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰ以上に設定されることが望ましい。
【０１３７】
既に説明したように、多層構造体４０において、第２半導体層２０の側に位置する任意のペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、第１半導体層１０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高く設定される。すなわち、１＜（ＳＡ２／ＳＡ１）とされる。そして、発光部３０において、第２半導体層２０の側に位置する任意ペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ２＝（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）は、第１半導体層１０の側に位置するペアの平均Ｉｎ組成比ＥＡ１＝（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）よりも高く設定される。
【０１３８】
このとき、上記のＥＡ１は、上記のＳＡ２以上に設定されることが望ましい。すなわち、平均Ｉｎ組成は、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かって上昇することが望ましい。すなわち、ＳＡ１＜ＳＡ２≦ＥＡ１＜ＥＡ２が満たされることが望ましい。すなわち、（ＳＡ２／ＳＡ１）≦（ＥＡ１／ＳＡ１）が満たされる。そして、（ＳＡ２／ＳＡ１）＜（ＥＡ２／ＳＡ１）が満たされる。
【０１３９】
そして、既に説明したように、多層構造体４０に関して、１＜（ＳＨ２／ＳＨ１）とされる。同様に、発光部３０における第１半導体層１０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比に相当する平均Ｉｎ組成比ＥＨ１は、多層構造体４０における第２半導体層２０の側の実質的に２分の１の部分における平均Ｉｎ組成比に相当する平均Ｉｎ組成比ＳＨ２以上に設定されることが望ましい。すなわち、ＳＨ１＜ＳＨ２≦ＥＨ１＜ＥＨ２が満たされることが望ましい。すなわち、（ＳＨ２／ＳＨ１）≦（ＥＨ１／ＳＨ１）が満たされる。そして、（ＳＨ２／ＳＨ１）＜（ＥＨ２／ＳＨ１）が満たされる。
【０１４０】
このように、平均Ｉｎ組成比を第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向に沿って徐々に高めることで、発光部３０における転位や欠陥の発生がさらに抑制され、発光効率をさらに向上できる。
【０１４１】
ここで、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比ＳＰの変化を過度に大きくすると、多層構造体４０の結晶において歪みが大きくなり過ぎて、転位や欠陥が発生し易くなる。従って、平均Ｉｎ組成比ＳＰの変化の程度は、一定以下に設定されることが望ましい。
【０１４２】
一方、発光部３０における平均Ｉｎ組成比ＥＰの変化を過度に大きくすると、発光部３０の結晶において歪みが大きくなり過ぎて、転位や欠陥が発生し易くなる。従って、平均Ｉｎ組成比ＥＰの変化の程度は、一定以下に設定されることが望ましい。すなわち、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰに対する、発光部３０の第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＥＰの比率は一定以下に設定されることが望ましい。
【０１４３】
図９は、半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図は、多層構造体４０及び発光部３０の構成を種々変化させたときの半導体発光素子の発光効率Ｅｆｆを例示している。
【０１４４】
図９の横軸は、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰに対する、多層構造体４０の第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰの比率ＳＲである。比率ＳＲは、例えば（ＳＡ２／ＳＡ１）である。比率ＳＲは、例えば（ＳＨ２／ＳＨ１）としても良い。また、比率ＳＲは、多層構造体４０において最も第２半導体層２０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰと、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰと、の比としても良い。
【０１４５】
図９の縦軸は、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＰに対する、発光部３０の第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＥＰの比率ＥＲである。比率ＥＲは、例えば（ＥＡ２／ＳＡ１）である。比率ＥＲは、例えば（ＥＨ２／ＳＨ１）としても良い。また、比率ＥＲは、発光部３０において最も第２半導体層２０に近い障壁層３１とそれに隣接する井戸層３２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＥＰと、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰと、の比としても良い。
【０１４６】
図９において丸印は、発光効率Ｅｆｆが０．６５以上であることを示し、三角印は、発光効率Ｅｆｆが０．６５よりも低いことを示している。
【０１４７】
上記で説明した実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、比率ＳＲは１．８であり、比率ＥＲは４である。第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、比率ＳＲは１であり、比率ＥＲは２である。第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、比率ＳＲは１であり、比率ＥＲは４である。
【０１４８】
図９に表したように、比率ＥＲが比率ＳＲ以下のときは発光効率Ｅｆｆが０．６５よりも低い。すなわち、発光部３０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰ（例えばＥＡ２及びＥＨ２の少なくともいずれか）が、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰ（例えば、ＳＡ１及びＳＨ１の少なくともいずれか）以下のときは、発光効率Ｅｆｆが低い。この条件の場合には、発光部３０の結晶に適切な歪みが加わらないため、効率が低下すると考えられる。
【０１４９】
実施形態に係る半導体発光素子においては、多層構造体４０及び発光部３０における平均Ｉｎ組成比は、図９においてハッチングで示された領域ＲＡの条件に設定される。
【０１５０】
すなわち、ＳＲ＜ＥＲとされる。例えば、ＳＡ１＜ＥＡ２とされる。例えば、ＳＨ１＜ＥＨ２とされる。これにより、発光部３０の第２半導体層２０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＥＰが、多層構造体４０の第１半導体層１０の側の部分の平均Ｉｎ組成比ＳＰよりも大きくなり、発光部３０の結晶に適切な歪みが加わり、効率が向上する。
【０１５１】
そして、１＜ＳＲとされる。例えば、ＳＡ１＜ＳＡ２とされる。例えば、ＳＨ１＜ＳＨ２とされる。これにより、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成比を、第１半導体層１０側の部分よりも第２半導体層２０の側の部分で高めることで、発光部３０における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率を向上できる。
【０１５２】
そして、ＳＲ≦３とされる。例えば、（ＳＡ２／ＳＡ１）≦３とされる。例えば、（ＳＨ２／ＳＨ１）≦３とされる。これにより、多層構造体４０において圧縮歪みが過度に大きくなることが抑制され効率が向上する。
【０１５３】
さらに、ＥＲ≦５とされる。例えば、（ＥＡ２／ＳＡ１）≦５とされる。例えば（ＥＨ２／ＳＨ１）≦５とされる。これにより、発光部３０において圧縮歪みが過度に大きくなることが抑制され効率が向上する。
【０１５４】
このように、上記のＳＡ２は、上記のＳＡ１の３倍以下に設定されることが望ましい。上記のＳＨ２は、上記のＳＨ１の３倍以下に設定されることが望ましい。例えば、多層構造体４０において最も第２半導体層２０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰは、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰの３倍以下であることが望ましい。
【０１５５】
そして、上記ＥＡ２は、上記のＳＡ１の５倍以下に設定されることが望ましい。上記のＥＨ２は、上記のＳＨ１の５倍以下に設定されることが望ましい。例えば、発光部３０において最も第２半導体層２０に近い障壁層３１とそれに隣接する井戸層３２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＥＰは、多層構造体４０において最も第１半導体層１０に近い高バンドギャップエネルギー層４１とそれに隣接する低バンドギャップエネルギー層４２とのペアにおける平均Ｉｎ組成比ＳＰの５倍以下であることが望ましい。
【０１５６】
上記のように、１＜ＳＲ、及び、ＳＲ＜ＥＲに設定することで、すなわち、多層構造体４０及び発光部３０における平均Ｉｎ組成比を、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けた方向に進むに従って上昇させることで、発光部３０の結晶における転位や欠陥の発生が抑制され、発光効率が向上できる。
【０１５７】
そして、１＜ＳＲ≦３、及び、ＳＲ＜ＥＲ≦５に設定することで、多層構造体４０及び発光部３０に過度な歪みが加わることを抑制しつつ、発光部３０の井戸層３２に適切な歪みを加えることで、さらに発光効率を高めることができる。
【０１５８】
実施形態において、第２半導体層２０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＡ２を、第１半導体層１０の側の平均Ｉｎ組成比ＳＡ１よりも高くする際に、例えば、高バンドギャップエネルギー層４１の厚さと、低バンドギャップエネルギー層４２の厚さと、を一定にし、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比、及び、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比の少なくともいずれかを変化させる構成がある。
【０１５９】
また、ＳＡ２をＳＡ１よりも高くする際に、例えば、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比と、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比と、を一定にし、高バンドギャップエネルギー層４１の厚さ、及び、低バンドギャップエネルギー層４２の厚さの少なくともいずれかを変化させる構成がある。
【０１６０】
例えば、多層構造体４０のうちの第１半導体層１０の側において、高バンドギャップエネルギー層４１として、厚さが３．０ｎｍのＧａＮ層を用い、低バンドギャップエネルギー層４２として、厚さが１．０ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を用いることができる。そして、多層構造体４０のうちの第２半導体層２０の側において、高バンドギャップエネルギー層４１として、厚さが３．０ｎｍのＧａＮ層を用い、低バンドギャップエネルギー層４２として、厚さが１．２ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を用いることができる。
【０１６１】
この場合には、多層構造体４０において、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比が一定であり、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比が一定であり、高バンドギャップエネルギー層４１の厚さが一定であり、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比が異なる。すなわち、層厚ｔｄは、層厚ｔｂとは異なる。
【０１６２】
この条件においては、電子の注入におけるポテンシャル障壁を低くすることができる。これにより、動作電圧を低減できる。
【０１６３】
もし、Ｉｎ組成比が高いＩｎＧａＮを用いると界面揺らぎを生じ易く、動作電圧を上昇させる可能性があるが、上記の構成においては、Ｉｎ組成比が過度に高くないので、動作電圧の上昇が抑制できる。
【０１６４】
このように厚さを変化させる構成においては、効率の向上に加え、さらに、動作電圧を低減できる利点がある。
【０１６５】
さらに、ＳＡ２をＳＡ１よりも高くする際に、例えば、高バンドギャップエネルギー層４１のＩｎ組成比及び厚さ、並びに、低バンドギャップエネルギー層４２のＩｎ組成比と厚さを変える構成がある。この構成においても、厚さを変えることから、例えば、動作電圧を低減できる。
【０１６６】
従って、多層構造体４０は、層厚ｔａとは異なる層厚ｔｃ、及び、層厚ｔｂとは異なる層厚ｔｄの少なくともいずれかを有することが望ましい。
【０１６７】
一方、ＥＡ２をＥＡ１よりも高くする際に、例えば、障壁層３１の厚さと井戸層３２の厚さとを一定にし、障壁層３１におけるＩｎ組成比、及び、井戸層３２におけるＩｎ組成比の少なくともいずれかを変化させる構成方法がある。ＥＡ２をＥＡ１よりも高くすることで、効率が向上できる。
【０１６８】
また、ＥＡ２をＥＡ１よりも高くする際に、例えば、障壁層３１のＩｎ組成比と、井戸層３２のＩｎ組成比と、を一定にし、障壁層３１の厚さ、及び、井戸層３２の厚さの少なくともいずれかを変化させる構成がある。このように厚さを変化させる構成においては、効率の向上に加え、さらに、動作電圧をさらに低減できる。
【０１６９】
さらに、ＥＡ２をＥＡ１よりも高くする際に、例えば、障壁層３１のＩｎ組成比及び厚さ、並びに、井戸層３２のＩｎ組成比と厚さを変える構成がある。この場合も、効率の向上に加え、さらに、動作電圧をさらに低減できる。
【０１７０】
実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供できる。
【０１７１】
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、導電形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。
【０１７２】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１７３】
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基板、バッファ層、半導体層、発光層、障壁層、井戸層、多層構造体、高バンドギャップエネルギー層、低バンドギャップエネルギー層、積層構造体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。例えば、上記実施形態の中で説明した組成や膜厚なども一例であり、種々の選択が可能である。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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】
【０１７８】
５…基板、 ６…バッファ層、 １０…第１半導体層、 １０ｓ…積層構造体、 ２０…第２半導体層、 ２１〜２４…第１〜第４ｐ形層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…多層構造体、 ４１…高バンドギャップエネルギー層、 ４２…低バンドギャップエネルギー層、 ７１…第１電極、 ８１…第２電極、 ８２…第２電極側パッド部、 １１０、１１０ａ、１１１ａ〜１１１ｈ、１１２ａ〜１１２ｈ、１１９ａ、１１９ｂ…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬＭ＋１…第１障壁層〜第（Ｍ＋１）障壁層、 ＢＬｊ…第ｊ障壁層、 ＥＰ…平均Ｉｎ組成比、 ＥＲ…比率、 Ｅｆｆ…発光効率、 ＨＬ１〜ＨＬＮ＋１……第１〜第（Ｎ＋１）高バンドギャップエネルギー層、 ＨＬｉ…第ｉ高バンドギャップエネルギー層、 Ｉｆ…電流、 ＬＬ１〜ＬＬＮ…第１〜第Ｎ低バンドギャップエネルギー層、 ＬＬｉ…第ｉ低バンドギャップエネルギー層、 ＲＡ…領域、 ＳＰ…平均Ｉｎ組成比、 ＳＲ…比率、 ＷＬ１〜ＷＬＭ…第１〜第Ｍ井戸層、 ＷＬｊ…第ｊ井戸層、 ｒ１〜ｒ８…領域、 ｓｈ１、ｓｈ２、ｓｈｊ、ｓｈＭ、ｓｈＭ＋１…層厚、 ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌｊ、ｓｌＭ…層厚、 ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈｊ、ｔｈＮ、ｔｈＮ＋１…層厚、 ｔｌ１、ｔｌ２、ｔｌｊ、ｔｌＮ…層厚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の井戸層と、を含む発光部と、
前記第１半導体層と前記発光部との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の高バンドギャップエネルギー層と、前記複数の高バンドギャップエネルギー層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む多層構造体と、
を備え、
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有し、
前記他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有し、
ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高く、
前記複数の障壁層のうちのいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙａと、層厚ｓａ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｂと、層厚ｓｂ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの障壁層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｃと、層厚ｓｃ（ナノメートル）と、を有し、
前記他のいずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｄと、層厚ｓｄ（ナノメートル）と、を有し、
ＥＡ２＝（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）は、ＥＡ１＝（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）よりも高く、
前記ＥＡ１は、前記ＳＡ２以上であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＳＡ２は、前記ＳＡ１の３倍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ＥＡ２は、前記ＳＡ１の５倍以下であ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】
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記高バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記低バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
前記ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記低バンドギャップエネルギー層の数はＮ（Ｎは２以上の整数）であり、
前記Ｎの２分の１以下の最大の整数をＮＬＨとし、
ＮＬＨ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第１半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＨとし、
（ＮＬＨ−１）番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前第２半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＲとし、
平均Ｉｎ組成比ＳＨ１を、
【数１】
とし、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２を、
【数２】
としたとき、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高い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】
前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１の３倍以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の前記障壁層は、ｊ番目の前記障壁層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の前記井戸層は、ｊ番目の前記井戸層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
前記ｊ番目の前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記ｊ番目の前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記井戸層の数はＭ（Ｍは２以上の整数）であり、
前記Ｍの２分の１以下の最大の整数をＭＬＨとし、
ＭＬＨ番目の前記井戸層よりも前記第１半導体層の側に位置する前記障壁層の数をＭＨＨとし、
（ＭＬＨ−１）番目の前記井戸層よりも前第２半導体層の側に位置する前記障壁層の数をＭＨＲとし、
平均Ｉｎ組成比ＥＨ１を、
【数３】
とし、平均Ｉｎ組成比ＥＨ２を、
【数４】
としたとき、平均Ｉｎ組成比ＥＨ２は、平均Ｉｎ組成比ＥＨ１よりも高く、前記平均Ｉｎ組成比ＥＨ１は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２以上であることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記平均Ｉｎ組成比ＥＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１の５倍以下であることを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｕと、層厚ｔｕ（ナノメートル）と、を有し、
前記Ｉｎ組成比ｘｕを有する前記高バンドギャップエネルギー層と接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｖと、層厚ｔｖ（ナノメートル）と、を有し、
平均Ｉｎ組成比ＳＰ＝（ｘｕ・ｔｕ＋ｘｖ・ｔｖ）／（ｔｕ＋ｔｖ）は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に向かって漸増する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】
前記複数の障壁層のうちのいずれかの障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｕと、層厚ｓｕ（ナノメートル）と、を有し、
前記Ｉｎ組成比ｙｕを有する前記障壁層と接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｖと、層厚ｓｖ（ナノメートル）と、を有し、
平均Ｉｎ組成比ＥＰ＝（ｙｕ・ｓｕ＋ｙｖ・ｓｖ）／（ｓｕ＋ｓｖ）は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に向かって漸増す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】
前記多層構造体は、前記層厚ｔａとは異なる前記層厚ｔｃ、及び、前記層厚ｔｂとは異なる前記層厚ｔｄの少なくともいずれかを有する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１１】
窒化物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の井戸層と、を含む発光部と、
前記第１半導体層と前記発光部との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の高バンドギャップエネルギー層と、前記複数の高バンドギャップエネルギー層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む多層構造体と、
を備え、
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有し、
前記他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有し、
ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高く、
前記多層構造体は、前記層厚ｔａとは異なる前記層厚ｔｃ、及び、前記層厚ｔｂとは異なる前記層厚ｔｄの少なくともいずれかを有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
前記ＳＡ２は、前記ＳＡ１の３倍以下であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記高バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記低バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
前記ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記低バンドギャップエネルギー層の数はＮ（Ｎは２以上の整数）であり、
前記Ｎの２分の１以下の最大の整数をＮＬＨとし、
ＮＬＨ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第１半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＨとし、
（ＮＬＨ−１）番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前第２半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＲとし、
平均Ｉｎ組成比ＳＨ１を、
【数１】
とし、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２を、
【数２】
としたとき、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高いことを特徴とする請求項１１または１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１の３倍以下であることを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｕと、層厚ｔｕ（ナノメートル）と、を有し、
前記Ｉｎ組成比ｘｕを有する前記高バンドギャップエネルギー層と接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｖと、層厚ｔｖ（ナノメートル）と、を有し、
平均Ｉｎ組成比ＳＰ＝（ｘｕ・ｔｕ＋ｘｖ・ｔｖ）／（ｔｕ＋ｔｖ）は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に向かって漸増することを特徴とする請求項１１〜１４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形の第１半導体層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の井戸層と、を含む発光部と、
前記第１半導体層と前記発光部との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の高バンドギャップエネルギー層と、前記複数の高バンドギャップエネルギー層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む多層構造体と、
を備え、
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有し、
前記他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有し、
ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高く、
前記複数の障壁層のうちのいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙａと、層厚ｓａ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｂと、層厚ｓｂ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの障壁層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｃと、層厚ｓｃ（ナノメートル）と、を有し、
前記他のいずれかの障壁層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｄと、層厚ｓｄ（ナノメートル）と、を有し、
ＥＡ２＝（ｙｃ・ｓｃ＋ｙｄ・ｓｄ）／（ｓｃ＋ｓｄ）は、ＥＡ１＝（ｙａ・ｓａ＋ｙｂ・ｓｂ）／（ｓａ＋ｓｂ）よりも高く、
前記ＥＡ１は、前記ＳＡ２以上であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＳＡ２は、前記ＳＡ１の３倍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ＥＡ２は、前記ＳＡ１の５倍以下であ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】
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記高バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記低バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
前記ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記低バンドギャップエネルギー層の数はＮ（Ｎは２以上の整数）であり、
前記Ｎの２分の１以下の最大の整数をＮＬＨとし、
ＮＬＨ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第１半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＨとし、
（ＮＬＨ−１）番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前第２半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＲとし、
平均Ｉｎ組成比ＳＨ１を、
【数１】
とし、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２を、
【数２】
としたとき、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高い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】
前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１の３倍以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の前記障壁層は、ｊ番目の前記障壁層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
（ｊ＋１）番目（ｊは１以上の整数）の前記井戸層は、ｊ番目の前記井戸層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
前記ｊ番目の前記障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記ｊ番目の前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記井戸層の数はＭ（Ｍは２以上の整数）であり、
前記Ｍの２分の１以下の最大の整数をＭＬＨとし、
ＭＬＨ番目の前記井戸層よりも前記第１半導体層の側に位置する前記障壁層の数をＭＨＨとし、
（ＭＬＨ−１）番目の前記井戸層よりも前第２半導体層の側に位置する前記障壁層の数をＭＨＲとし、
平均Ｉｎ組成比ＥＨ１を、
【数３】
とし、平均Ｉｎ組成比ＥＨ２を、
【数４】
としたとき、平均Ｉｎ組成比ＥＨ２は、平均Ｉｎ組成比ＥＨ１よりも高く、前記平均Ｉｎ組成比ＥＨ１は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２以上であることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記平均Ｉｎ組成比ＥＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１の５倍以下であることを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｕと、層厚ｔｕ（ナノメートル）と、を有し、
前記Ｉｎ組成比ｘｕを有する前記高バンドギャップエネルギー層と接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｖと、層厚ｔｖ（ナノメートル）と、を有し、
平均Ｉｎ組成比ＳＰ＝（ｘｕ・ｔｕ＋ｘｖ・ｔｖ）／（ｔｕ＋ｔｖ）は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に向かって漸増する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】
前記複数の障壁層のうちのいずれかの障壁層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｕと、層厚ｓｕ（ナノメートル）と、を有し、
前記Ｉｎ組成比ｙｕを有する前記障壁層と接する前記井戸層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｙｖと、層厚ｓｖ（ナノメートル）と、を有し、
平均Ｉｎ組成比ＥＰ＝（ｙｕ・ｓｕ＋ｙｖ・ｓｖ）／（ｓｕ＋ｓｖ）は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に向かって漸増す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】
前記多層構造体は、前記層厚ｔａとは異なる前記層厚ｔｃ、及び、前記層厚ｔｂとは異なる前記層厚ｔｄの少なくともいずれかを有する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１１】
窒化物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の井戸層と、を含む発光部と、
前記第１半導体層と前記発光部との間に設けられ、交互に積層された、窒化物半導体を含む複数の高バンドギャップエネルギー層と、前記複数の高バンドギャップエネルギー層のバンドギャップエネルギーよりも低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複数の低バンドギャップエネルギー層と、を含む多層構造体と、
を備え、
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘａと、層厚ｔａ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｂと、層厚ｔｂ（ナノメートル）と、を有し、
前記いずれかの高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に位置する他のいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｃと、層厚ｔｃ（ナノメートル）と、を有し、
前記他のいずれかの高バンドギャップエネルギー層と前記第１半導体層の側または前記第２半導体層の側で接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｄと、層厚ｔｄ（ナノメートル）と、を有し、
ＳＡ２＝（ｘｃ・ｔｃ＋ｘｄ・ｔｄ）／（ｔｃ＋ｔｄ）は、ＳＡ１＝（ｘａ・ｔａ＋ｘｂ・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）よりも高く、
前記多層構造体は、前記層厚ｔａとは異なる前記層厚ｔｃ、及び、前記層厚ｔｂとは異なる前記層厚ｔｄの少なくともいずれかを有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
前記ＳＡ２は、前記ＳＡ１の３倍以下であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記高バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
（ｉ＋１）番目（ｉは１以上の整数）の前記低バンドギャップエネルギー層は、ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第２半導体層の側に配置され、
前記ｉ番目の前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｈｉと、層厚ｔｈｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記ｉ番目の前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｌｉと、層厚ｔｌｉ（ナノメートル）と、を有し、
前記低バンドギャップエネルギー層の数はＮ（Ｎは２以上の整数）であり、
前記Ｎの２分の１以下の最大の整数をＮＬＨとし、
ＮＬＨ番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前記第１半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＨとし、
（ＮＬＨ−１）番目の前記低バンドギャップエネルギー層よりも前第２半導体層の側に位置する前記高バンドギャップエネルギー層の数をＮＨＲとし、
平均Ｉｎ組成比ＳＨ１を、
【数１】
とし、平均Ｉｎ組成比ＳＨ２を、
【数２】
としたとき、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１よりも高いことを特徴とする請求項１１または１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ２は、前記平均Ｉｎ組成比ＳＨ１の３倍以下であることを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記複数の高バンドギャップエネルギー層のうちのいずれかの前記高バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｕと、層厚ｔｕ（ナノメートル）と、を有し、
前記Ｉｎ組成比ｘｕを有する前記高バンドギャップエネルギー層と接する前記低バンドギャップエネルギー層は、III族元素中におけるＩｎ組成比ｘｖと、層厚ｔｖ（ナノメートル）と、を有し、
平均Ｉｎ組成比ＳＰ＝（ｘｕ・ｔｕ＋ｘｖ・ｔｖ）／（ｔｕ＋ｔｖ）は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に向かって漸増することを特徴とする請求項１１〜１４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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−６９９０１（Ｐ２０１２−６９９０１Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８２４３（Ｐ２０１１−８２４３）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【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４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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