JP5509275B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

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。

半導体発光素子において、活性層に例えばＩｎを含む窒化物半導体が用いられる。所望の発光波長を得るために、活性層におけるＩｎ組成比を高くすると、結晶品質が劣化し、発光効率が低下する傾向にある。

特開２０１０−３９１３号公報

本発明の実施形態は、結晶品質の高い高効率の半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、窒化物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、前記第１半導体層の上であって前記第１半導体層の［０００１］方向の側に配置された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た発光層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記発光層は、前記第１半導体層の上に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層と、前記第１井戸層の上に前記第１井戸層に接して設けられ前記第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第１障壁層と、前記第１障壁層の上に前記第１障壁層に接して設けられＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１≦０．３５）の第１Ａｌ含有層と、前記第１Ａｌ含有層の上に前記第１Ａｌ含有層に接して設けられ、前記第１障壁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、を含む。前記第２井戸層は、Ｉｎ _ｐ２１ Ｇａ _{１−ｐ２１} Ｎ（０．１＜ｐ２１≦０．４）を含む第１部分を含む。前記発光層から放出される光のピーク波長は、４５０ナノメートル以上６７０ナノメートル以下である。前記第１Ａｌ含有層の厚さは、０．５ナノメートル以上２．５ナノメートル以下である。前記第１障壁層の厚さは、５ナノメートル以上３０ナノメートル以下である。前記第１障壁層の少なくとも前記第２半導体層の側の部分は前記第１Ａｌ含有層よりもＡｌ組成比が低い。

第１の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。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の電子顕微鏡写真像である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の時間分解蛍光特性を示すグラフ図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の表面状態を示す原子間力顕微鏡写真像である。 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。 第２の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。 第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の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、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、を含む。

第１半導体層１０は、窒化物半導体を含みｎ形である。第２半導体層は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。発光層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。

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軸方向とする。半導体発光素子１１０において、第１半導体層１０の上に発光層３０が設けられ、発光層３０の上に第２半導体層２０が設けられている。第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０は、この順に、Ｚ軸方向に積層されている。

本明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。「積層される」状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。

第２半導体層２０は、発光層３０を介して、第１半導体層１０と対向する。本明細書において、「対向する」状態は、直接的に面する状態の他に、間に別の要素が挿入されて間接的に面する状態も含む。

以下では、説明を簡単にするために、「下側」または「上側」という場合がある。「下側」は、第１半導体層１０の側に対応し、「上側」は、第２半導体層２０の側に対応する。

第１半導体層１０には、例えば、ｎ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。第１半導体層１０は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。

第２半導体層２０には、例えば、ｐ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｐ形不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかを用いることができる。第２半導体層２０は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。

発光層３０は、複数の井戸層ＷＬ（例えば第１井戸層ＷＬ１及び第２井戸層ＷＬ２など）と、障壁層ＢＬと、Ａｌ含有層ＡＬと、を含む。井戸層ＷＬは、窒化物半導体を含む。障壁層ＢＬは、複数の井戸層ＷＬの間に設けられる。障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーは、井戸層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きい。障壁層ＢＬは、窒化物半導体を含む。

Ａｌ含有層ＡＬは、１つの障壁層ＢＬと、その１つの障壁層ＢＬと第２半導体層１０との間に設けられるｐ側の井戸層ＷＬとの間に設けられ、ｐ側の井戸層ＷＬに接する。Ａｌ含有層ＡＬは、例えば、その１つの障壁層ＢＬと接する。Ａｌ含有層ＡＬは、Ａｌ_ｘ０Ｇａ_１−ｘ０Ｎ（０．１≦ｘ０≦０．３５）を含む。ｘ０は、Ａｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比である。Ａｌ含有層ＡＬの厚さは、例えば０．５ナノメートル（ｎｍ）以上２．５ｎｍ以下である。

すなわち、発光層３０は、第１井戸層ＷＬ１と、第２井戸層ＷＬ２と、第１障壁層ＢＬ１と、第１Ａｌ含有層ＡＬ１と、を含む。第１井戸層ＷＬ１及び第２井戸層ＷＬは、窒化物半導体を含む。第２井戸層ＷＬ２は、第１井戸層ＷＬ１と第２半導体層２０との間に設けられる。第１障壁層ＢＬ１は、第１井戸層ＷＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間に設けられる。第１障壁層ＢＬ１は、第１井戸層ＷＬ１のバンドギャップエネルギー及び第２井戸層ＷＬ２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障壁層ＢＬ１は、窒化物半導体を含む。

第１Ａｌ含有層ＡＬ１は、第１障壁層ＢＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間において、第２井戸層ＷＬ２に接する。第１Ａｌ含有層ＡＬ１は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１≦０．３５）を含む。第１Ａｌ含有層ＡＬ１は、例えば、第１障壁層ＢＬ１と接する。第１Ａｌ含有層の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。

この例では、発光層３０は、ｎ側障壁層ＢＬｎと、ｎ側Ａｌ含有層ＡＬｎと、をさらに含む。ｎ側障壁層ＢＬｎは、第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間に設けられる。ｎ側障壁層ＢＬｎは、第１井戸層ＷＬ１のバンドギャップエネルギー及び第２井戸層ＷＬ２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。ｎ側障壁層ＢＬｎは、窒化物半導体を含む。

後述するように、１つの井戸層ＷＬの中で、バンドギャップエネルギーが変化している場合がある。すなわち、１つの井戸層ＷＬにおいて、相対的にバンドギャップエネルギーが小さい第１部分と、第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きいその他の部分（相対的にバンドギャップエネルギーが大きい部分）と、が設けられる場合がある。このとき、「井戸層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きい」状態は、「その井戸層ＷＬのうちで、相対的にバンドギャップエネルギーが大きい部分のバンドギャップエネルギーよりも大きい」状態を指す。

ｎ側Ａｌ含有層ＡＬｎは、ｎ側障壁層ＢＬｎと第１井戸層ＷＬ１との間において第１井戸層ＷＬ１に接する。ｎ側Ａｌ含有層ＡＬｎは、Ａｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０．１≦ｘｎ≦０．３５）を含む。ｎ側Ａｌ含有層ＡＬｎは、例えば、ｎ側障壁層ＢＬｎと接する。ｎ側Ａｌ含有層の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。

この例では、半導体発光素子１１０は、ｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐをさらに含む。ｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐは、発光層３０と第２半導体層２０との間に設けられる。ｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐは、第１障壁層ＢＬ１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Ａｌを含む窒化物半導体を含む。すなわち、ｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐのバンドギャップエネルギーは、井戸層ＷＬ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１１０において、第１半導体層１０及び第２半導体層２０を介して、発光層３０に電流が供給され、発光層３０において光が放出される。発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば４００ｎｍ以上６７０ｎｍ以下である。

発光層３０から放出される光のピーク波長が、例えば、４００ｎｍ以上６７０ｎｍ以下になるように、井戸層ＷＬにおけるバンドギャップエネルギー及び井戸層ＷＬの厚さが設定される。

例えば、井戸層ＷＬは、Ｉｎ_ｐ０Ｇａ_１−ｐ０Ｎ（０．１＜ｐ０≦０．４）を含む部分を含む。井戸層ＷＬの厚さは、例えば、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。井戸層ＷＬの構成の例については、後述する。

半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤである。また、半導体発光素子１１０は、ＬＤでも良い。この場合、第１半導体層１０の少なくとも一部、及び、第２半導体層２０の少なくとも一部は、発光層３０から放出される光を導波する機能を有する。

本実施形態においては、第２半導体層２０は、例えば、第１半導体層１０の［０００１］方向の側に配置される。ただし、第１半導体層１０の第２半導体層２０と対向する面（便宜的に上面ということにする）は、厳密な（０００１）面でなくても良い。上面は、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９０度未満である。第２半導体層２０が、第１半導体層１０の［０００１］方向の側に設けられる状態は、このように第１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も含む。

第１半導体層１０の主面は、例えば、ｃ面である。例えば、基板（図示しない）の上に、図示しないバッファ層が形成され、バッファ層の上に、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０が順次形成される。上記の基板には、例えば、ｃ面サファイア基板が用いられる。基板として、例えば、（１１０）、（１１１）及び（１００）のいずれかのシリコン（Ｓｉ）基板を用いても良い。これらの層の形成の後に、基板及びバッファ層が除去されても良い。

本実施形態においては、Ａｌ含有層ＡＬが設けられることにより、例えば、井戸層ＷＬの平坦性が向上する。そして、井戸層ＷＬの結晶品質も向上する。これにより、発光層３０における電子と正孔との再結合の効率が向上する。

実施形態によれば、結晶品質の高い高効率の半導体発光素子が提供できる。Ａｌ含有層ＡＬを設けることによるこれらの効果は、発明者が実施した実験により見出されたものである。この実験については後述する。

以下、本実施形態に係る半導体発光素子のいくつかの例について説明する。
図２は、第１の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的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１１においては、発光層３０は、第３井戸層ＷＬ３、第３井戸層ＷＬ４、第２障壁層ＢＬ２、第３障壁層ＢＬ３、第２Ａｌ含有層ＡＬ２、及び、第３Ａｌ含有層ＡＬ３をさらに含む。これ以外は、半導体発光素子１１０と同様なので説明を省略する。

第３井戸層ＷＬ３は、第２井戸層ＷＬ２と第２半導体層２０との間に設けられ窒化物半導体を含む。第２障壁層ＢＬ２は、第２井戸層ＷＬ２と第３井戸層ＷＬ３との間に設けられる。第２障壁層ＢＬ２は、第２井戸層ＷＬ２のバンドギャップエネルギー及び第３井戸層ＷＬ３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。第２Ａｌ含有層ＡＬ２は、第２障壁層ＢＬ２と第３井戸層ＷＬ３との間において第３井戸層ＷＬ３に接する。第２Ａｌ含有層ＡＬ２は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０．１≦ｘ２≦０．３５）を含む。第２Ａｌ含有層ＡＬ２は、例えば第２障壁層ＢＬ２に接する。第２Ａｌ含有層ＡＬ２の厚さは、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。

このように、例えば、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の井戸層ＷＬが設けられる。
第ｉ井戸層ＷＬｉ（ｉは２以上Ｎ以下の整数）は、第（ｉ−１）井戸層ＷＬ（ｉ−１）と第２半導体層２０との間に設けられ窒化物半導体を含む。第（ｉ−１）障壁層ＢＬ（ｉ−１）は、第（ｉ−１）井戸層ＷＬ（ｉ−１）と第ｉ井戸層ＷＬｉとの間に設けられる。第（ｉ−１）障壁層ＢＬ（ｉ−１）は、第（ｉ−１）井戸層ＷＬ（ｉ−１）のバンドギャップエネルギー及び第ｉ井戸層ＷＬｉ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。第（ｉ−１）Ａｌ含有層ＡＬ（ｉ−１）は、第（ｉ−１）障壁層ＢＬ（ｉ−１）と第ｉ井戸層ＷＬｉとの間において第ｉ井戸層ＷＬｉに接する。第（ｉ−１）Ａｌ含有層ＡＬ（ｉ−１）は、Ａｌ_{ｘ（ｉ−１）}Ｇａ_{１−ｘ（ｉ−１）}Ｎ（０．１≦ｘ（ｉ−１）≦０．３５）を含む。第（ｉ−１）Ａｌ含有層ＡＬ（ｉ−１）は、例えば第（ｉ−１）障壁層ＢＬ（ｉ−１）に接する。第（ｉ−１）Ａｌ含有層ＡＬ（ｉ−１）の厚さは、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。

この例では、４つの井戸層ＷＬが設けられているが、実施形態において、井戸層ＷＬの数は、任意である。

この例では、井戸層ＷＬのそれぞれの下側（第１半導体層１０の側）に、Ａｌ含有層ＡＬが設けられている。ただし、井戸層ＷＬのいずれかの下側にＡｌ含有層ＡＬが設けられていても良い。

例えば、複数の井戸層ＷＬのうちで第１半導体層１０に近い（例えば最も近い）井戸層ＷＬの下側に、Ａｌ含有層ＡＬが設けられても良い。この場合、第１半導体層１０の側から結晶成長を行う場合において、結晶成長の初期の（例えば最初の）井戸層ＷＬの結晶品質が向上する。このため、その上に結晶成長される他の層の結晶品質が向上し、全体の発光効率が向上する。

一方、例えば、複数の井戸層ＷＬのうちで第２半導体層２０に近い（例えば最も近い）井戸層ＷＬの下側に、Ａｌ含有層ＡＬが設けられても良い。ｐ形の第２半導体層２０に近い井戸層ＷＬでの発光が主であることが分かった。このため、第２半導体層２０に近い（最も近い）井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けることで、その井戸層ＷＬの結晶品質が向上し、その結果、発光効率が向上する。

図３は、第１の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的断面図である。
図３に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１２においては、１つの井戸層ＷＬの中において、Ｉｎの濃度（Ｉｎ組成比）が変化する。これ以外は、半導体発光素子１１１と同様なので説明を省略する。

例えば、井戸層ＷＬは、Ｉｎ_ｐ０１Ｇａ_{１−ｐ０１}Ｎ（０．１＜ｐ０１≦０．４）を含む第１部分ＰＬ０１を含む。第１部分ＰＬ０１は、Ｉｎ濃度が比較的高い部分である。井戸層ＷＬは、第２部分ＰＬ０２をさらに含む。第２部分ＰＬ０２は、第１部分ＰＬ０１と第２半導体層２０との間に設けられ、Ｉｎ_ｐ０２Ｇａ_{１−ｐ０２}Ｎ（０＜ｐ０２＜ｐ０１）を含む。

例えば、第２井戸層ＷＬ１は、Ｉｎ_ｐ２１Ｇａ_{１−ｐ２１}Ｎ（０．１＜ｐ２１≦０．４）を含む第１部分ＰＬ２１を含む。第２井戸層ＷＬ２は、第２部分ＰＬ２２をさらに含む。第２部分ＰＬ２２は、第１部分ＰＬ２１と第２半導体層２０との間に設けられＩｎ_ｐ２２Ｇａ_{１−ｐ２２}Ｎ（０＜ｐ２２＜ｐ２１）を含む。

複数の井戸層ＷＬの少なくとも一部において、Ｉｎ濃度が相対的に高い部分と、相対的に低い部分と、が設けられても良い。

図４は、第１の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的断面図である。
図４に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１３においては、１つの井戸層ＷＬの中において、Ｉｎの濃度（Ｉｎ組成比）が相対的に高い部分が、Ｉｎの濃度が相対的に低い２つの部分の間に配置される。これ以外は、半導体発光素子１１２と同様なので説明を省略する。

例えば、井戸層ＷＬは、第１部分ＰＬ０１と、第２部分ＰＬ０２と、第３部分ＰＬ０３と、を含む。第１部分ＰＬ０１は、Ｉｎ_ｐ０１Ｇａ_{１−ｐ０１}Ｎ（０．１＜ｐ０１≦０．４）を含む第２部分ＰＬ０２は、第１部分ＰＬ０１と第２半導体層２０との間に設けられる。第２部分ＰＬ０２は、Ｉｎ_ｐ０２Ｇａ_{１−ｐ０２}Ｎ（０＜ｐ０２＜ｐ０１）を含む。第３部分ＰＬ０３は、第１部分ＰＬ０１と第１半導体層１０との間に設けられる。第３部分ＰＬ０３は、Ｉｎ_ｐ０３Ｇａ_{１−ｐ０３}Ｎ（０＜ｐ０３＜ｐ０１）を含む。

例えば、第２井戸層ＷＬ２は、Ｉｎ_ｐ２１Ｇａ_{１−ｐ２１}Ｎ（０．１＜ｐ２１≦０．４）を含む第１部分ＰＬ２１と、第１部分ＰＬ２１と第２半導体層２０との間に設けられＩｎ_ｐ２２Ｇａ_{１−ｐ２２}Ｎ（０＜ｐ２２＜ｐ２１）を含む第２部分ＰＬ２２と、第１部分ＰＬ２１と第１Ａｌ含有層ＡＬ１との間（第１部分ＰＬ２１と第１半導体層１０）との間に設けられＩｎ_ｐ２３Ｇａ_{１−ｐ２３}Ｎ（０＜ｐ２３＜ｐ２１）を含む第３部分ＰＬ２３と、を含む。

同様に、第３井戸層ＷＬ３は、Ｉｎ_ｐ３１Ｇａ_{１−ｐ３１}Ｎ（０．１＜ｐ３１≦０．４）を含む、第３井戸層ＷＬ３の第１部分ＰＬ３１と、第３井戸層ＷＬ３の第１部分ＰＬ３１と第２半導体層２０との間に設けられＩｎ_ｐ３２Ｇａ_{１−ｐ３２}Ｎ（０＜ｐ３２＜ｐ３１）を含む第３井戸層ＷＬ３の第２部分ＰＬ３２と、第３井戸層ＷＬ３の第１部分ＰＬ３１と第１半導体層１０との間に設けられＩｎ_ｐ３３Ｇａ_{１−ｐ３３}Ｎ（０＜ｐ３３＜ｐ３１）を含む第３井戸層ＷＬ３の第３部分ＰＬ３３と、を含む。

同様に、第４井戸層ＷＬ３は、Ｉｎ_ｐ４１Ｇａ_{１−ｐ４１}Ｎ（０．１＜ｐ４１≦０．４）を含む、第４井戸層ＷＬ４の第１部分ＰＬ４１と、第４井戸層ＷＬ４の第１部分ＰＬ４１と第２半導体層２０との間に設けられＩｎ_ｐ４２Ｇａ_{１−ｐ４２}Ｎ（０＜ｐ４２＜ｐ４１）を含む第４井戸層ＷＬ４の第２部分ＰＬ４２と、第４井戸層ＷＬ４の第１部分ＰＬ４１と第１半導体層１０との間に設けられＩｎ_ｐ４３Ｇａ_{１−ｐ４３}Ｎ（０＜ｐ４３＜ｐ４１）を含む第４井戸層ＷＬ４の第３部分ＰＬ４３と、を含む。

Ｉｎ組成比が高い第１部分ＰＬ０１におけるＩｎ組成比は、例えば、０．１以上０．４以下であり、例えば、０．３である。第２部分ＰＬ０２及び第３部分ＰＬ０３におけるＩｎ組成比は、例えば０．０２以上０．２未満であり、例えば、０．１である。

上記のように、井戸層ＷＬにおいて、高Ｉｎ組成比の第１部分ＰＬ０１、低Ｉｎ組成比の第２部分ＰＬ０２、及び、低Ｉｎ組成比の第３部分ＰＬ０３を設けることで、井戸層ＷＬにおいて、適正な歪みを形成し、それにより、ピエゾ電界を有効に生じさせることができる。これにより、電子の空間分布の位置と、ホールの空間分布の位置と、を近づけることができ、その結果、発光効率を向上することができる。

このように、井戸層ＷＬは、複数のサブ層を含むことができる。複数のサブ層どうしにおいて、Ｉｎ組成比が異なり、これに伴い、バンドギャップエネルギーが異なる。複数のサブ層の数は任意である。

井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比の変化（分布）は、連続的でも良く、段階的（不連続的）でも良い。複数の井戸層ＷＬにおいて、Ｉｎ組成比の分布は互いに異なっても良い。

井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比の分布に応じて、井戸層ＷＬにおけるバンドギャップエネルギーの分布が変化する。井戸層ＷＬにおけるバンドギャップエネルギーの変化（分布）は、連続的でも良く、段階的（不連続的）でも良い。

図５は、第１の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的断面図である。
図５に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１４においては、第１半導体層１０は、ｎ形の窒化物半導体層１１と、窒化物半導体層１１と発光層３０との間に設けられた積層体４０と、を含む。

ｎ形の窒化物半導体層１１には、例えば、ｎ形の不純物を含むＧａＮが用いられる。

積層体４０は、交互に積層された、複数の第１膜４１と複数の第２膜４２とを含む。第１膜４１及び第２膜４２の積層方向は、Ｚ軸方向である。第２膜４２のバンドギャップエネルギーは、第１膜４１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第１膜４１には、例えば、ＩｎＧａＮが用いられ、第２膜には、例えばＧａＮが用いられる。第１膜４１の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。第２膜４２の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。積層体４０は、例えば超格子である。積層体４０は、例えば,発光層３０における結晶品質を向上する。

積層体４０は、例えば、ｎ形不純物を含む。積層体４０は、ｎ形不純物を含まなくても良い。結晶品質が向上し、発光効率が向上する。以下、このような知見を得た実験について説明する。

以下の実験では、上記の半導体発光素子１１４を作製した。
実験においては、ｃ面サファイアの基板の上に、バッファ層を形成した。バッファ層は、基板の上に形成された低温ＧａＮ層と、低温ＧａＮ層の上に形成されたＧａＮ層と、を含む。このようなバッファ層の上に、上記の積層体４０を形成した。積層体４０の上に、上記のｎ形の窒化物半導体層１１として、ｎ形のＧａＮ層を形成した。ｎ形のＧａＮ層の上に、上記の積層体４０を形成し、積層体４０の上に、発光層３０を形成し、発光層３０の上にｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐを形成し、ｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐの上に第２半導体層２０を形成した。これらの半導体層の成長方法には、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法を用いた。なお、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法などを用いても良い。

この実験では、井戸層ＷＬの数は、４である。Ａｌ含有層ＡＬは、井戸層ＷＬのそれぞれの下に形成された。すなわち、障壁層ＢＬを形成した後にＡｌ含有層ＡＬを形成し、そのＡｌ含有層Ａｌの上に井戸層ＷＬを形成する。井戸層ＷＬの形成においては、上記の第１〜第３部分を形成する。このような積層膜の形成プロセスを４回繰り返す。Ａｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比は、０．３である。Ａｌ含有層ＡＬの厚さは、約１．５ｎｍである。

障壁層ＢＬは、ＧａＮであり、その厚さは約１０ｎｍである。井戸層ＷＬの第１部分におけるＩｎ組成比は、０．３であり、第１部分の厚さは、２ｎｍである。第２部分におけるＩｎ組成比は、０．１５であり、第２部分の厚さは、１ｎｍである。第３部分におけるＩｎ組成比は、０．１５であり。第３部分の厚さは、１ｎｍである。

さらに、ｐ側Ａｌ含有層ＡＬｐの形成を行い、その上に第２半導体層２０を形成する。これにより、半導体発光素子１１４が作製される。

さらに、この実験では、参考例の半導体発光素子１９１（構造は図示せず）も作製した。参考例の半導体発光素子１９１においては、半導体発光素子１１４の構成において、Ａｌ含有層を設けず、その他の条件は、半導体発光素子１１４と同じである。すなわち、上記の半導体発光素子の作製において、各障壁層ＢＬの上に、Ａｌ含有層ＡＬを形成せずに、各井戸層ＷＬを直接形成した。

上記の半導体発光素子１１４及び１９１について、電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）による断面観察、及び、時間分解蛍光特性の評価を行った。さらに、これらの試料について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）による表面状態の評価を行った。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の電子顕微鏡写真像である。
図６（ａ）は、半導体発光素子１１４に対応し、図６（ｂ）は、参考例の半導体発光素子１９１に対応する。これらの図においては、煩雑なので障壁層ＢＬの位置は示していない。

図６（ｂ）から分かるように、井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けない半導体発光素子１９１においては、井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第４井戸層ＷＬ４）に対応する暗い帯状の像が不鮮明である。このことは、井戸層ＷＬとその上下の層（すなわち障壁層ＢＬ）との境界が不明確であり、所望の層が形成できていないものと考えられる。これらの層における結晶品質も低いと考えられる。

これに対して、図６（ａ）から分かるように、井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けた半導体発光素子１１４においては、井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第４井戸層ＷＬ４）に対応する暗い帯状の像が非常に鮮明である。すなわち、井戸層ＷＬとその上下の層（Ａｌ含有層ＡＬ及び障壁層ＢＬ）との境界が明確であり、所望の層が形成できていると考えられる。そして、これらの層における結晶品質も高いと考えられる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の時間分解蛍光特性を示すグラフ図である。
図７（ａ）は、半導体発光素子１１４に対応し、図７（ｂ）は、参考例の半導体発光素子１９１に対応する。これらの図において、横軸は時間ｔであり、縦軸は、得られた蛍光の強度Ｉｎｔである。強度Ｉｎｔは、半導体発光素子１１９における最大強度を１として規格化している。

図７（ｂ）から分かるように、半導体発光素子１９１においては、蛍光の強度Ｉｎｔは、速く減衰する。半導体発光素子１９１における蛍光の減衰の時定数τは、短い。蛍光の減衰は、例えば、井戸層ＷＬ中の電子が、層中の欠陥などに捉えられ、消失することによる。また、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値は小さい。

これに対して、図７（ａ）から分かるように、半導体発光素子１１４においては、蛍光の強度Ｉｎｔの減衰は緩やかである。半導体発光素子１１４における蛍光の減衰の時定数τは、長い。半導体発光素子１９１における蛍光の減衰の時定数τを１として規格化すると、半導体発光素子１１４における蛍光の減衰の時定数τは１．６１である。さらに、半導体発光素子１９１における蛍光の強度Ｉｎｔの最大値を１として規格化すると、半導体発光素子１１４における蛍光の強度Ｉｎｔの最大値は約２．３であり、高い。

このように、井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けることで、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値が大きくなり、蛍光の時定数が長くなる。このことは、例えば、井戸層ＷＬ中の電子が消失する原因となる井戸層ＷＬの結晶欠陥が少ないことを意味している。すなわち、井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けることで、例えば、井戸層ＷＬの結晶の欠陥が抑制され、結晶品質が向上することが分かった。そして、結晶品質が向上することで、発光効率が向上できる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体発光素子の表面状態を例示する原子間力顕微鏡写真像である。
図８（ａ）は、半導体発光素子１１４に対応し、図８（ｂ）は、参考例の半導体発光素子１９１に対応する。これらの図は、第１井戸層ＷＬ１を形成した状態で、半導体層の形成を終了し、その状態の試料をＡＦＭにより観察したものである。

図８（ｂ）から分かるように、井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けない半導体発光素子１９１においては、表面の凹凸が大きい。半導体発光素子１９１における表面粗さ（二乗平均粗さＲＭＳ値）は、約０．４６ｎｍである。そして、半導体発光素子１９１における表面粗さ（算術平均粗さＲａ値）は、０．３７ｎｍである。

これに対して、図８（ａ）から分かるように、井戸層ＷＬの下にＡｌ含有層ＡＬを設けた半導体発光素子１１４においては、表面の凹凸が小さい。半導体発光素子１１４における表面粗さ（ＲＭＳ値）は、約０．４２ｎｍである。そして、半導体発光素子１１４における表面粗さ（Ｒａ値）は、０．３３ｎｍである。

このように、井戸層ＷＬを形成する前に、井戸層ＷＬの下層としてＡｌ含有層ＡＬを形成することで、井戸層ＷＬの表面の平坦性が向上することが分かった。

さらに、Ａｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比を変えて、同様に試料を作製し、時間分解蛍光特性による表面状態の評価を行った。

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。
これらの図の横軸は、Ａｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比ｘ０である。便宜的に、参考例の半導体発光素子１９１の特性を、Ａｌ組成比ｘ０が０の位置に示している。図９（ａ）の縦軸は、時間分解蛍光特性の時定数τである。時定数τは、半導体発光素子１９１の時定数を１として規格化している。図９（ｂ）の縦軸は、時間分解蛍光特性の蛍光の強度Ｉｎｔの最大値Ｉｎｔ_ｍａｘである。最大値Ｉｎｔ_ｍａｘは、半導体発光素子１９１における蛍光の強度Ｉｎｔの最大値を１として規格化している。

図９（ａ）から分かるように、Ａｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比ｘ０が０．１５のとき、時定数τは、１．４４である。Ａｌ組成比ｘ０が０．３のとき、時定数τは１．６１である。Ａｌ組成比ｘ０が０．４５のとき、時定数τは１．３５である。このように、Ａｌ含有層ＡＬのＡｌ組成比ｘ０が０．１以上において、時定数τが大きくなることが分かった。特に、Ａｌ組成比ｘ０が、０．２以上０．４以下において、時定数τが大きい。

図９（ｂ）から分かるように、Ａｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比ｘ０が、０．１５のとき、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値Ｉｎｔ_ｍａｘは、２．２である。Ａｌ組成比ｘ０が０．３のとき、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値Ｉｎｔ_ｍａｘは、２．３である。Ａｌ組成比ｘ０が０．４５のとき、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値Ｉｎｔ_ｍａｘは、１．７である。このように、Ａｌ含有層ＡＬのＡｌ組成比ｘ０が０．１以上において、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値Ｉｎｔ_ｍａｘが大きくなることが分かった。特に、Ａｌ組成比ｘ０が、０．２以上０．４以下において、蛍光の強度Ｉｎｔの最大値Ｉｎｔ_ｍａｘが大きい。

なお、井戸層ＷＬと障壁層ＢＬとの間に中間層を設ける構成がある。そして、井戸層ＷＬの上方及び下方の中間層としてＡｌＧａＮ層を設ける構成も知られている。このとき、中間層のＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成比を、０％〜１０％（０．１）の範囲で変化させたときに、Ａｌ組成比が５％以下で発光効率が高いことが知られている。そして、Ａｌの組成比が０％のとき（すなわち、ＧａＮのとき）に、さらに発光効率が高くなることが知られている。すなわち、Ａｌ組成比が低い方が発光効率が高いことが知られている。

これに対して、本実施形態においては、井戸層ＷＬの下側に、Ａｌ組成比が０．０５よりも高いＡｌ含有層ＡＬを配置する。このＡｌ含有層ＡＬにおけるＡｌ組成比は、具体的には、０．１以上であり、さらに望ましくは、０．２以上０．４以下である。

発明者は、上記の実験を実際に行う前は、このように高いＡｌ組成比のＡｌ含有層ＡＬを障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの間に形成すると、Ａｌ含有層ＡＬの格子定数と井戸層ＷＬの格子定数との差が過度に大きくなり、結晶性が低下すると予測していた。しかしながら、Ａｌ組成比を上記のように高くした実際の実験例についての報告がないため、発明者は、Ａｌ組成比を大きく変化させた実験を行ってみた。その結果、上記のように、Ａｌ組成比が０．０５よりも大きく超えた０．１以上、具体的には、０．２以上０．４以下の範囲において、表面粗さＶ_ＲＭＳが著しく小さくなることが分かった。そして、それと同時に、時間分解蛍光特性の時定数τが著しく長くなることが分かった。すなわち、今までに報告されている５％以下の領域を大きく超えたＡｌ組成比において、結晶の表面が平坦になり、結晶中の欠陥が減少することが分かった。すなわち、この条件において、結晶品質が向上し、高い発光効率が得られる。

このように、従来の構成において、Ａｌ組成比が５％以下で発光効率が高く、特に、０％で発光効率が高くなる結果が得られる。これに対して、本実験においては、Ａｌ組成比が０．１以上、特に０．２以上０．４以下で効率が向上する。このことは、従来知られていたこととは全く異なる現象である。

このように、Ａｌ含有層ＡＬを設けた上に井戸層ＷＬを形成すると、表面の平坦性が向上し、井戸層ＷＬの結晶品質が向上する。このため、本実施形態のＡｌ含有層ＡＬを設けることで、井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比を従来よりも高くすることができる。

例えば、井戸層ＷＬにおいて、高Ｉｎ組成比の第１部分ＰＬ０１、低Ｉｎ組成比の第２部分ＰＬ０２、及び、低Ｉｎ組成比の第３部分ＰＬ０３を設ける際に、Ｉｎ組成比が高い第１部分ＰＬ０１の濃度が過度に高い、または、過度に厚いと、井戸層ＷＬの結晶品質が低下し易い。このとき、本実施形態に係るＡｌ含有層ＡＬを井戸層ＷＬの下側に配置することで、第１部分ＰＬ０１におけるＩｎ組成比を高くしても、高い結晶品質を維持できる。

Ｉｎ組成比が高い第１部分ＰＬ０１（例えば第１部分ＰＬ１１、ＰＬ２１、ＰＬ３１、ＰＬ４１など）の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。第１部分ＰＬ０１の厚さが２ｎｍを超えると、例えば正孔の波動関数と電子の波動関数との重なりが減少し、発光効率が低下し易くなる。

Ｉｎ組成比が低い第２部分ＰＬ０２の厚さ及び第３部分ＰＬ０３の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。

井戸層ＷＬの厚さ（１つの井戸層ＷＬの全体の厚さ）は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。井戸層ＷＬの厚さが１ｎｍ未満の場合には、井戸層ＷＬにおけるキャリアの閉じ込め効果が小さくなり発光効率が低くなる。井戸層ＷＬの厚さが１０ｎｍを超えると結晶品質が著しく劣化する。井戸層ＷＬの厚さは、例えば３ｎｍである。

本実施形態において、Ａｌ含有層ＡＬの厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。具体的には、Ａｌ含有層ＡＬの厚さは、例えば約１．０ｎｍである。または、Ａｌ含有層ＡＬの厚さは、例えば約１．５ｎｍである。Ａｌ含有層ＡＬの厚さが１．０ｎｍの時の動作電圧は、Ａｌ含有層ＡＬの厚さが１．５ｎｍの時のそれよりも低い。Ａｌ含有層ＡＬの厚さが１．０ｎｍの時の電力−光変換効率は、Ａｌ含有層ＡＬの厚さが１．５ｎｍのときのそれよりも高い。

本実施形態において、障壁層ＢＬの厚さは、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。例えば、Ａｌ含有層ＡＬの厚さが、１．５ｎｍであるとき、障壁層ＢＬの厚さは、例えば、１０ｎｍである。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の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１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１２０も、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、を含む。本実施形態においても、発光層３０は、複数の井戸層ＷＬ（例えば第１井戸層ＷＬ１及び第２井戸層ＷＬ２など）と、障壁層ＢＬと、Ａｌ含有層ＡＬと、を含む。

井戸層ＷＬは、Ｉｎ_ｐ０１Ｇａ_{１−ｐ０１}Ｎ（０．１＜ｐ０１≦０．４）を含む部分（第１部分ＰＬ０１）を有する。例えば、第１井戸層ＷＬ１は、Ｉｎ_ｐ１１Ｇａ_{１−ｐ１１}Ｎ（０．１＜ｐ１１≦０．４）を含む部分（第１部分ＰＬ１１）を有する。例えば、第２井戸層ＷＬ２は、Ｉｎ_ｐ２１Ｇａ_{１−ｐ２１}Ｎ（０．１＜ｐ２１≦０．４）を含む部分（第１部分ＰＬ２１）を有する。

そして、本実施形態においては、障壁層ＢＬは、Ａｌ組成比が互いに異なる複数の部分（複数の層）を含む。

すなわち、第１障壁層ＢＬ１は、第１ｎ側層Ｂｎ１と、第１ｐ側層Ｂｐ１と、を含む。第１ｎ側層Ｂｎ１は、第１井戸層ＷＬ１に接する。第１ｎ側層Ｂｎ１は、第１部分ＰＬ０１（第１部分ＰＬ１１）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１ｎ側層Ｂｎ１は、Ａｌ_ｑ１１Ｉｎ_ｒ１１Ｇａ_{１−ｑ１１−ｒ１１}Ｎ（０≦ｑ１１＜１、０≦ｒ１１＜１、０≦ｑ１１＋ｒ１１≦１、ｒ１１＜ｐ２１）を含む。

第１ｐ側層Ｂｐ１は、第１ｎ側層Ｂｎ１と第２半導体層２０との間（第１ｎ側層Ｂｎ１と第１Ａｌ含有層ＡＬ１との間）に設けられる。第１ｐ側層Ｂｐ１は、第１部分ＰＬ０１（第１部分ＰＬ１１）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１ｐ側層Ｂｐ１は、Ａｌ_ｑ１２Ｉｎ_ｒ１２Ｇａ_{１−ｑ１２−ｒ１２}Ｎ（０≦ｑ１２＜１、０≦ｒ１２＜１、０≦ｑ１２＋ｒ１２≦１、ｑ１２＜ｑ１１、ｒ１２＜ｐ２１）を含む。
これら以外は、半導体発光素子１１０と同等なので説明を省略する。

第１障壁層ＢＬ１において、第１ｐ側層Ｂｐ１は、第１ｎ側層Ｂｎ１の上に配置される。第１ｐ側層Ｂｐ１のバンドギャップエネルギーは、第１ｎ側層Ｂｎ１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。

第１ｎ側層Ｂｎ１及び第１ｐ側層Ｂｐ１におけるＩｎ組成比は、例えば０である。第１ｎ側層Ｂｎ１におけるＡｌ組成比は例えば、０．１以上０．３以下である。第１ｎ側層Ｂｎ１には、例えば、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎが用いられる。または、第１ｎ側層Ｂｎ１には、例えば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎが用いられる。第１ｐ側層Ｂｐ１におけるＡｌ組成比は例えば、０．１未満である。第１ｐ側層Ｂｐ１には、例えば、ＧａＮが用いられる。

第１ｎ側層Ｂｎ１の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１ｎ側層Ｂｎ１の厚さが０．１ｎｍ未満の場合は、井戸層ＷＬへのキャリアの閉じ込め効果が小さくなり、高い発光効率を得ることが困難になる。第１ｎ側層Ｂｎ１の厚さが５ｎｍを超えると、動作電圧が著しく高くなる。第１ｎ側層Ｂｎ１の厚さは、例えば、１ｎｍである。

第１ｐ側層Ｂｐ１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。第１ｐ側層Ｂｐ１の厚さが１ｎｍ未満の場合は、結晶性が劣化し高い発光効率を得ることが困難になる。第１ｐ側層Ｂｐ１の厚さが３０ｎｍを超えると、動作電圧が高くとなる。第１ｐ側層Ｂｐ１の厚さは、例えば、１０ｎｍである。

このように、本実施形態においては、１つの障壁層ＢＬ内において、バンドギャップエネルギーの分布が形成される。すなわち、井戸層ＷＬの上に設けられた障壁層ＢＬにおいて、その井戸層ＷＬに接する部分（第１ｎ側層Ｂｎ１）のバンドギャップエネルギーが、それ以外の部分（第１ｐ側層Ｂｐ１）のバンドギャップエネルギーよりも高くされる。
これにより、例えば発光効率が向上する。特に、発光層３０から放出される光のピーク波長λｐが、５１５ｎｍよりも長い半導体発光素子において、特に高い発光効率が得られる。

本実施形態に係る構成により、上記のように高効率が得られるのは、量子閉じ込めシュタルク効果による発光効率の低下が、抑制されるためであると考えられる。

半導体発光素子において、井戸層ＷＬには歪みが加わり、ピエゾ電界が発生する。そして、このピエゾ電界によって、正孔の波動関数と電子の波動関数との重なり積分値が減少し、発光効率が低減する場合がある。例えば、ピエゾ電界の制御が不適切な場合、例えば、井戸層ＷＬの電子の波動関数が第２半導体層２０の側にしみ出す。特に、長波長の井戸層ＷＬにおいては、歪みが大きくなり、この傾向が顕著となる。

このとき、井戸層ＷＬの第２半導体層２０の側の障壁層ＢＬの、その井戸層ＷＬに接する部分に、ＡｌＧａＮ層（例えば第１ｎ側層Ｂｎ１）を設けることで、電子の第２半導体層２０の側へのしみ出しが抑制される。電子は有効質量が小さいため、このＡｌＧａＮ層を設けることで、正孔の波動関数よりも、電子の波動関数が、第１半導体層１０の側に、よりシフトする。これにより、正孔の波動関数と電子の波動関数との重なり積分値を増大できる。

図１１は、第２の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的断面図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１２１においても、障壁層ＢＬのそれぞれに、Ａｌ組成比が互いに異なる複数の部分（複数の層）が設けられる。これ以外は、半導体発光素子１１１と同様なので説明を省略する。

第１障壁層ＢＬ１は、上記の第１ｎ側層Ｂｎ１と、上記の第１ｐ側層Ｂｐ１と、を含む。

例えば、発光層３０は、第２井戸層ＷＬ２と第２半導体層２０との間に設けられた第２障壁層ＢＬ２をさらに含む。第２障壁層ＢＬ２は、第２ｎ側層Ｂｎ２と、第２ｐ側層Ｂｐ２と、を含む。第２ｎ側層Ｂｎ２は、第２井戸層ＷＬ２に接し、第２井戸層ＷＬ２の第１部分ＰＬ２１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２障壁層ＢＬ２は、Ａｌ_ｑ２１Ｉｎ_ｒ２１Ｇａ_{１−ｑ２１−ｒ２１}Ｎ（０≦ｑ２１＜１、０≦ｒ２１＜１、０≦ｑ２１＋ｒ２１≦１、ｒ２１＜ｐ２１）を含む。第２ｐ側層Ｂｐ２は、第２ｎ側層Ｂｎ２と第２半導体層２０との間に設けられ、第１部分ＰＬ２１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２ｐ側層Ｂｐ２は、Ａｌ_ｑ２２Ｉｎ_ｒ２２Ｇａ_{１−ｑ２２−ｒ２２}Ｎ（０≦ｑ２２＜１、０≦ｒ２２＜１、０≦ｑ２２＋ｒ２２≦１、ｑ２２＜ｑ２１、ｒ２２＜ｐ２１）を含む。すなわち、第２障壁層ＢＬ２は、第１半導体層１０の側の高Ａｌ組成比の部分（第２ｎ側層Ｂｎ２）と、第２半導体層２０の側の相対的に低Ａｌ組成比の部分（第２ｐ側層Ｂｐ２）と、を含む。

同様に、第３障壁層ＢＬ３は、第１半導体層１０の側の高Ａｌ組成比の部分（第３ｎ側層Ｂｎ３）と、第２半導体層２０の側の相対的に低Ａｌ組成比の部分（第３ｐ側層Ｂｐ３）と、を含む。さらに、ｎ側障壁層ＢＬｎは、第１半導体層１０の側の高Ａｌ組成比の部分（ｎ側層Ｂｎｎ）と、第２半導体層２０の側の相対的に低Ａｌ組成比の部分（ｐ側層Ｂｐｐ）と、を含む。
半導体発光素子１２１においても、発光効率の低下が抑制され、高い効率が得られる。

図１２は、第２の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的断面図である。
図１２に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１２２においても、障壁層ＢＬのそれぞれに、Ａｌ組成比が互いに異なる複数の部分（複数の層）が設けられる。これ以外は、半導体発光素子１１２と同様なので説明を省略する。

図１３は、第２の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的断面図である。
図１３に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１２３においても、障壁層ＢＬのそれぞれに、Ａｌ組成比が互いに異なる複数の部分（複数の層）が設けられる。これ以外は、半導体発光素子１１３と同様なので説明を省略する。

半導体発光素子１２３においても、半導体発光素子１１４と同様に、積層体４０をさらに設けても良い。

半導体発光素子１２２及び１２３においても、発光効率の低下が抑制され、高い効率が得られる。

実施形態によれば、結晶品質の高い高効率の半導体発光素子が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（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。

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は良い。

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第１半導体層、第２半導体層、発光層、井戸層、障壁層及びＡｌ含有層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。

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。

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。

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。

１０…第１半導体層、 １１…窒化物半導体層、 ２０…第２半導体層、 ３０…発光層、 ４０…積層体、 ４１…第１膜、 ４２…第２膜、 １１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１２０、１２１、１２２、１２３、１９１…半導体発光素子、 ＡＬ…Ａｌ含有層、 ＡＬ１〜ＡＬ３…第１〜第３Ａｌ含有層、 ＡＬｎ…ｎ側Ａｌ含有層、 ＡＬｐ…ｐ側Ａｌ含有層、 ＢＬ…障壁層、 ＢＬ１〜ＢＬ３…第１〜第３障壁層、 ＢＬｎ…ｎ側障壁層、 Ｂｎ１〜Ｂｎ３…第１〜第３ｎ側層、 Ｂｎｎ…ｎ側層、 Ｂｐ１〜Ｂｐ３…第１〜第３ｐ側層、 Ｂｐｐ…ｐ側層、 Ｉｎｔ…強度、 ＰＬ０１、ＰＬ１１、ＰＬ２１、ＰＬ３１、ＰＬ４１…第１部分、 ＰＬ０２、ＰＬ１２、ＰＬ２２、ＰＬ３２、ＰＬ４２…第２部分、 ＰＬ０３、ＰＬ１３、ＰＬ２３、ＰＬ３３、ＰＬ４３…第３部分、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬ４…第１〜第４井戸層、 ｔ…時間、 ｘ０…組成比

Claims (14)

1. 窒化物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上であって前記第１半導体層の［０００１］方向の側に配置された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た発光層と、
   を備え、前記発光層は、
   前記第１半導体層の上に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層と
   、
   前記第１井戸層の上に前記第１井戸層に接して設けられ前記第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第１障壁層と、
   前記第１障壁層の上に前記第１障壁層に接して設けられＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１≦０．３５）の第１Ａｌ含有層と、
   前記第１Ａｌ含有層の上に前記第１Ａｌ含有層に接して設けられ、前記第１障壁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、
   を含み、
   前記第２井戸層は、Ｉｎ _ｐ２１ Ｇａ _{１−ｐ２１} Ｎ（０．１＜ｐ２１≦０．４）を含む第１部分を含み、
   前記発光層から放出される光のピーク波長は、４５０ナノメートル以上６７０ナノメートル以下であり、
   前記第１Ａｌ含有層の厚さは、０．５ナノメートル以上２．５ナノメートル以下であり、
   前記第１障壁層の厚さは、５ナノメートル以上３０ナノメートル以下であり、
   前記第１障壁層の少なくとも前記第２半導体層の側の部分は前記第１Ａｌ含有層よりもＡｌ組成比が低い半導体発光素子。
2. 前記第２井戸層は、
   前記第１部分と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｐ２２Ｇａ_{１−ｐ２２}Ｎ（０＜ｐ２２＜ｐ２１）を含む第２部分をさらに含む請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２井戸層は、
   前記第１部分と前記１Ａｌ含有層との間に設けられＩｎ_ｐ２３Ｇａ_{１−ｐ２３}Ｎ（０＜ｐ２３＜ｐ２１）を含む第３部分をさらに含む請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記第１部分の厚さは、０．５ナノメートル以上２ナノメートル以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記第１障壁層の前記少なくとも前記第２半導体層の側の前記部分は、前記第１部分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Ａｌ _ｑ１２ Ｉｎ _ｒ１２ Ｇａ _{１−ｑ１２−ｒ１２} Ｎ（０≦ｑ１２＜１、０≦ｒ１２＜１、０≦ｑ１２＋ｒ１２≦１、ｑ１２＜ｑ１１、ｒ１２＜ｐ２１）を含む第１ｐ側層であり、
   前記第１障壁層は、
   第１ｐ側層と前記第１井戸層との間において前記第１井戸層に接し前記第１部分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Ａｌ_ｑ１１Ｉｎ_ｒ１１Ｇａ_{１−ｑ１１−ｒ１１}Ｎ（０≦ｑ１１＜１、０≦ｒ１１＜１、０≦ｑ１１＋ｒ１１≦１、ｒ１１＜ｐ２１）を含む第１ｎ側層をさらに含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記第１ｎ側層の厚さは、０．５ナノメートル以上５ナノメートル以下である請求項５記載の半導体発光素子。
7. 前記発光層は、前記第２井戸層と前記第２半導体層との間において前記第２井戸層に接して設けられた第２障壁層をさらに含み、
   前記第２障壁層は、
   前記第２井戸層に接し前記第１部分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Ａｌ_ｑ２１Ｉｎ_ｒ２１Ｇａ_{１−ｑ２１−ｒ２１}Ｎ（０≦ｑ２１＜１、０≦ｒ２１＜１、０≦ｑ２１＋ｒ２１≦１、ｒ２１＜ｐ２１）を含む第２ｎ側層と、
   前記第２ｎ側層と前記第２半導体層との間に設けられ前記第１部分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Ａｌ_ｑ２２Ｉｎ_ｒ２２Ｇａ_{１−ｑ２２−ｒ２２}Ｎ（０≦ｑ２２＜１、０≦ｒ２２＜１、０≦ｑ２２＋ｒ２２≦１、ｑ２２＜ｑ２１、ｒ２２＜ｐ２１）を含む第２ｐ側層と、
   を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記第２ｎ側層の厚さは、０．５ナノメートル以上５ナノメートル以下であり、
   前記第２ｐ側層の厚さは、０．５ナノメートル以上３０ナノメートル以下である請求項７記載の半導体発光素子。
9. 前記第１半導体層の主面は、ｃ面である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
10. 前記発光層は、
    前記第２井戸層と前記第２半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む第３井戸層と、
    前記第２井戸層と前記第３井戸層との間において前記第２井戸層に接して設けられ、前記第２井戸層のバンドギャップエネルギー及び前記第３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第２障壁層と、
    前記第２障壁層と前記第３井戸層との間において前記第２障壁層と前記第３井戸層とに接して設けられたＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０．１≦ｘ２≦０．３５）の第２Ａｌ含有層と、
    をさらに含み、
    前記第３井戸層は、Ｉｎ _ｐ３１ Ｇａ _{１−ｐ３１} Ｎ（０．１＜ｐ３１≦０．４）を含む、前記第３井戸層の第１部分を含み、
    前記第２Ａｌ含有層の厚さは、０．５ナノメートル以上２．５ナノメートル以下であり、
    前記第２障壁層の厚さは、５ナノメートル以上３０ナノメートル以下であり、
    前記第２障壁層の少なくとも前記第２半導体層の側の部分は、前記第２Ａｌ含有層よりもＡｌ組成比が低い請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
11. 前記第３井戸層は、
    前記第３井戸層の前記第１部分と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｐ３２Ｇａ_{１−ｐ３２}Ｎ（０＜ｐ３２＜ｐ３１）を含む第３井戸層の第２部分と、
    前記第３井戸層の前記第１部分と前記第１半導体層との間に設けられＩｎ_ｐ３３Ｇａ_{１−ｐ３３}Ｎ（０＜ｐ３３＜ｐ３１）を含む前記第３井戸層の第３部分と、
    をさらに含む請求項１０記載の半導体発光素子。
12. 前記第３井戸層の前記第１部分の厚さは、１ナノメートル以上２ナノメートル以下である請求項１４または１０または１１に記載の半導体発光素子。
13. 前記発光層は、
    前記第１井戸層と前記第１半導体層との間に設けられ前記第１井戸層のバンドギャップエネルギー及び前記第２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ｎ側障壁層と、
    前記ｎ側障壁層と前記第１井戸層との間において前記第１井戸層に接しＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０．１≦ｘｎ≦０．３５）のｎ側Ａｌ含有層と、
    をさらに含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
14. 前記発光層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第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Ａｌを含む窒化物半導体を含むｐ側Ａｌ含有層をさらに備えた請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。