JP6552234B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子に関する。

半導体発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる半導体構造層を成長し、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を形成して作製される。

特許文献１には、１つの基板材料上に少なくとも２種類以上の半導体発光素子を形成し、各々の半導体発光素子上に、それぞれの素子の発光波長に反応する蛍光体を複数種類塗布した発光素子が開示されている。特許文献２には、赤色、緑色及び青色発光ダイオードが同一方向に発光するようにこの順で積層された白色発光ダイオードが開示されている。

特開2008-071805号公報 特開2011-249460号公報

半導体発光素子は、電極から素子内に注入された電子と正孔（ホール）とが活性層において結合（再結合）することによって発光する。活性層から放出される光の波長（すなわち発光色）は、活性層を構成する半導体材料のバンドギャップによって決まる。例えば、窒化物系半導体を用いた発光素子の場合、その活性層からは青色の光が放出される。

一方、例えば照明用途など、光源に演色性が求められる場合がある。高い演色性を有する光源は自然光に近い光を発する光源である。高い演色性を得るためには、光源から可視域のほぼ全域の波長を有する光が取出されることが好ましい。例えば、演色性の高い光源から取出された光は白色光として観察される。

これに対し、上記特許文献に記載されるように、半導体発光素子を用いて白色光を得る様々な手法が提案されている。例えば、異なる組成を有する複数の活性層を積層することで、蛍光体を用いずに発光波長の広帯域化を図る手法が提案されている。また、活性層とｎ型半導体層との間に凹凸構造を有する層を挿入することで、活性層内でのバンドギャップを不均一にし、発光波長を広帯域化することが提案されている。

しかし、これらの手法によって発光装置を作製する場合、各発光色の均一化や製造工程の複雑化、発光強度の点で課題があった。その一例としては、半導体層の形成工程の追加、半導体層の加工工程の追加及び半導体層の結晶性の劣化などが挙げられる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、広範囲に亘る発光波長帯域（スペクトル幅）を有する高い演色性かつ高い発光強度の半導体発光素子を提供することを目的としている。

本発明による半導体発光素子は、ＧａＮの組成を有しかつ第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された発光層を含む発光機能層と、発光機能層上に形成され、第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層とを有する半導体発光素子であって、発光層は、第１の半導体層から応力歪を受けるＡｌＧａＮの組成を有してランダムな網目状に形成された溝を有し、溝によって区画されかつ各々が上面に平坦部を有する複数のベースセグメントを有するベース層と、ベース層上に形成された少なくとも１つの量子井戸層及び少なくとも１つの障壁層からなる量子井戸構造層と、を有し、少なくとも１つの量子井戸層は、ＩｎＧａＮの組成を有し、第２の半導体層に向かってＩｎ組成が増加しかつベース層における平坦部上の領域と溝上の領域との間でＩｎ組成が異なるように構成されていることを特徴としている。

（ａ）は実施例１に係る半導体発光素子の構造を示す断面図であり、（ｂ）は発光層のベース層を模式的に示す上面図である。 （ａ）は実施例１に係る半導体発光素子における発光層の構造を示す断面図であり、（ｂ）は量子井戸層の層内におけるＩｎ組成の分布を示す図である。 実施例１に係る半導体発光素子の発光強度の変化を示す図である。 実施例１の変形例１に係る半導体発光素子における発光層の構造を示す断面図である。 実施例１の変形例２に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。 実施例２に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。本明細書においては、同一の構成要素に同一の参照符号を付している。

図１（ａ）は、実施例１の半導体発光素子（以下、単に発光素子又は素子と称する場合がある）１０の構造を示す断面図である。半導体発光素子１０は、搭載基板（以下、単に基板と称する場合がある）１１上に半導体構造層ＳＳが形成された構造を有している。半導体構造層ＳＳは、搭載基板１１上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１２、ｎ型半導体層１２上に形成された発光層を含む発光機能層１３、発光機能層１３上に形成された電子ブロック層１４、電子ブロック層１４上に形成されたｐ型半導体層（第２の半導体層、第１の半導体層１２とは反対の導電型を有する半導体層）１５を含む。

本実施例においては、搭載基板１１は、例えば半導体構造層ＳＳの成長に用いる成長用基板であり、例えばサファイアからなる。また、半導体構造層ＳＳは、窒化物系半導体からなる。半導体発光素子１０は、例えば、サファイア基板のＣ面を結晶成長面とし、サファイア基板上に有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）を用いて半導体構造層ＳＳを成長することによって、作製することができる。なお、図示していないが、発光素子１０は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５にそれぞれ電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を有している。

なお、本実施例においては、発光素子１０が搭載基板１１としての成長用基板上に半導体構造層ＳＳが形成された構造を有する場合について説明するが、搭載基板１１は成長用基板である場合に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子１０は、成長用基板上に半導体構造層ＳＳを成長した後、半導体構造層ＳＳを他の基板（支持基板）に貼り合わせ、成長用基板を除去した構造を有していてもよい。この場合、当該貼り合わせた他の基板はｐ型半導体層１５上に設けられる。当該貼り合わせ用の基板としては、例えばＳｉ、ＡｌＮ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷなどの放熱性の高い材料を用いることができる。

なお、図示していないが、搭載基板１１とｎ型半導体層１２との間にバッファ層（下地層）が設けられていてもよい。当該バッファ層は、例えば、成長用基板と半導体構造層ＳＳとの界面及び半導体構造層ＳＳ内の各層の界面に生じ得る歪の緩和を目的として設けられる。本実施例においては、サファイア基板（搭載基板１１）上にバッファ層としてアンドープのＧａＮ層を成長した後、ｎ型半導体層１２を積層した。

ｎ型半導体層１２は、例えば、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含むＧａＮ層からなる。電子ブロック層１４は、例えばＡｌＧａＮ層からなる。ｐ型半導体層１５は、例えば、ｐ型ドーパント（例えばＭｇ）を含むＧａＮ層からなる。また、電子ブロック層１４は、ｐ型ドーパントを含んでいてもよい。また、ｐ型半導体層１５は、電子ブロック層１４との界面とは反対側の主面にコンタクト層を有していてもよい。

なお、発光機能層１３は複数の発光層を有していてもよいが、本実施例においては、発光機能層１３が１つの発光層からなる場合について説明する。発光層１３は、ｎ型半導体層１２上に形成され、量子井戸（ＱＷ）構造を有している。

発光層１３は、ｎ型半導体層１２とは異なる組成を有するベース層ＢＬを有している。ベース層ＢＬは、ｎ型半導体層１２から応力を受けてランダムな網目状に形成された溝ＧＲを有している。すなわち、溝ＧＲは、ｎ型半導体層１２とベース層ＢＬとの間の異なる組成によってベース層ＢＬに生じた応力歪によって生じた複数の溝部が結合したメッシュ形状として形成されている。なお、ベース層ＢＬに生じた応力歪とは、ｎ型半導体層１２とベース層ＢＬとの間の格子定数の差によって、ベース層ＢＬの結晶構造が歪むことをいう。

また、発光層１３は、ベース層ＢＬ上に形成された量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡからなる量子井戸構造層ＱＷを有している。量子井戸層ＷＡはベース層ＢＬ上に形成され、障壁層ＢＡは量子井戸層ＷＡ上に形成されている。なお、ベース層ＢＬは、量子井戸層ＷＡに対して障壁層として機能する。

ここで、図１（ｂ）を参照して、ベース層ＢＬについて説明する。図１（ｂ）は、ベース層ＢＬの上面を模式的に示す図である。また、ベース層ＢＬは、溝ＧＲによって区画され、かつランダムなサイズで形成された多数の微細なベースセグメントＢＳを有している。ベースセグメントＢＳの各々は、ベース層ＢＬにおいて、ベース層がｎ型半導体層１２によって応力歪を受けることによって、ランダムな網目状に区画されている。

溝ＧＲは、互いにランダムにかつ異なる長さ及び形状の溝部から構成されている。溝ＧＲは、ベース層ＢＬの表面において網目状（メッシュ状）に張り巡らされるように形成されている。ベースセグメントＢＳの各々は、この溝ＧＲによってベース層ＢＬ内にランダムに区画形成された部分（セグメント）である。なお、ベースセグメントＢＳの各々は、略円形や略楕円形、多角形状など、様々な上面形状を有している。

図１（ａ）に示すように、溝ＧＲは、例えばＶ字形状を有し、ライン状の底部ＢＰを有している。本実施例においては、ベースセグメントＢＳの各々は、溝ＧＲにおける底部ＢＰをその端部とする。ベースセグメントＢＳの各々は、底部ＢＰにおいて他のベースセグメントＢＳに隣接している。

また、ベース層ＢＬは、ベースセグメントＢＳの各々に対応する平坦部ＦＬを有している。ベース層ＢＬの表面は、平坦部ＦＬと溝ＧＲの内壁面によって構成されている。平坦部ＦＬの各々は、溝ＧＲによってベースセグメントＢＳ毎に区画されている。ベースセグメントＢＳは、平坦部ＦＬからなる上面と溝ＧＲの内壁面からなる側面とを有している。

すなわち、平坦部ＦＬはベースセグメントＢＳの各々における上面を構成し、溝ＧＲの内壁面はベースセグメントＢＳの側面を構成する。従って、ベースセグメントＢＳの各々は、傾斜した側面を有し、またその断面において例えば略台形の形状を有している。

発光層１３は、ベース層ＢＬ上に形成された量子井戸層ＷＡを有している。量子井戸層ＷＡは、溝ＧＲを埋め込んで形成されている。また、量子井戸層ＷＡは、その上面が平坦面（以下、第１の平坦面と称する）ＦＳ１として形成されている。量子井戸層ＷＡは、ベース層ＢＬとの界面（下面）においては溝ＧＲに対応する凹凸形状を有する一方で、上面においては平坦形状を有している。量子井戸層ＷＡは、図１（ａ）に示すように、ベース層ＢＬを埋め込んで平坦化された第１の平坦面ＦＳ１を有している。量子井戸層ＷＡは、歪み量子井戸層として形成されている。

また、発光層１３は、量子井戸層ＷＡ上に形成された障壁層ＢＡを有している。障壁層ＢＡは、その両主面が平坦面として形成されている。具体的には、障壁層ＢＡは、量子井戸層ＷＡの第１の平坦面ＦＳ１上に形成され、上面が平坦面（以下、第２の平坦面と称する）ＦＳ２として形成されている。

図２（ａ）は、発光層１３の構造を示す断面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）の破線で囲まれた部分を拡大して示す部分拡大断面図である。図２（ａ）を用いて発光層１３についてより詳細に説明する。ベース層ＢＬは、例えばＡｌＧａＮ又はＡｌＮの組成を有している。ベース層ＢＬにおけるベースセグメントＢＳは、ベース層ＢＬとしてのＡｌＧａＮ層又はＡｌＮ層を、成長温度を比較的低温でｎ型半導体層１２としてのＧａＮ層上に成長することで形成することができる。

まず、ｎ型半導体層１２上に、これとは異なる結晶組成のベース層ＢＬを成長した場合、ベース層ＢＬには応力（歪）が生ずる。例えばｎ型半導体層１２としてのＧａＮ層にベース層としてのＡｌＧａＮ層を成長する場合、ＡｌＧａＮ層にはＧａＮ層によって伸張歪が生ずる。従って、ＡｌＧａＮ層にはその成長時に引張応力が生ずる。従って、ＡｌＧａＮ層の成長開始時又は成長途中でＡｌＧａＮ層に溝が生じ、これ以降は、ＡｌＧａＮ層は３次元的に成長する。すなわち、ＡｌＧａＮ層は立体的に成長し、複数の微細な凹凸が形成される。この溝の形成開始点が溝ＧＲの底部ＢＰとなる。

さらに、ＧａＮ層上に低温でＡｌＧａＮ層を成長する場合、ＡｌＧａＮ層における３次元的な成長が促進される。従って、ＡｌＧａＮ層の表面に無数の溝が互いに結合しながら形成され（溝ＧＲ）、これによってＡｌＧａＮ層の表面が粒状の複数のセグメントに区画されていく。このようにしてベースセグメントＢＳを有するベース層ＢＬを形成することができる。なお、本実施例においては、１１００℃の成長温度でベース層ＢＬとしてのＡｌＧａＮ層を形成した。

このベース層ＢＬ上に量子井戸層ＷＡとしてのＩｎＧａＮ層を形成すると、量子井戸層ＷＡは歪み量子井戸層として形成される。また、量子井戸層ＷＡ内におけるＩｎの含有量に分布が生ずる。すなわち、量子井戸層ＷＡのうち、例えば平坦部ＦＬ上の領域と溝ＧＲ上の領域とでＩｎ組成が異なるように形成される。また、ベースセグメントＢＳの上面上と側面上とでは量子井戸層ＷＡの層厚が異なる。従って、量子井戸層ＷＡの層内においてはバンドギャップが一定ではない。このようにして微細な島状の凹凸を有する発光層１３からは、様々な色の光が放出されることとなる。

また、ベースセグメントＢＳのサイズが小さくなるほど、ベース層ＢＬ内におけるＩｎの取り込み量が増加し、発光波長は長波長側にシフトしていく。さらに、ベース層ＢＬであるＡｌＧａＮ層上に量子井戸層ＷＡであるＩｎＧａＮ層を形成する場合、ＩｎＧａＮ層はＡｌＧａＮ層によって圧縮歪を受ける。ＩｎＧａＮ層が圧縮歪を受けると、井戸層ＷＡ内にＩｎが取り込まれ易くなる。これによって、ＩｎＧａＮ層におけるバンドギャップ、すなわち量子準位間のエネルギーは小さくなる。量子井戸層ＷＡからは、より長波長側の発光波長を有する光が放出される。

図２（ｂ）は、量子井戸層ＷＡのＩｎ組成の分布を示す図である。図２（ｂ）の横軸は量子井戸層ＷＡの積層方向（成長方向）における位置を、縦軸はＩｎ組成を示している。図２（ｂ）に示すように、量子井戸層ＷＡは、ｐ型半導体層１５に向かってＩｎ組成が大きくなるように形成されている。すなわち、量子井戸層ＷＡとしてのＩｎＧａＮ層は、ｎ型半導体層１２側では小さなＩｎ組成を有し、ｐ型半導体層１５側では大きなＩｎ組成を有している。

本実施例においては、量子井戸層ＷＡは、半導体構造層ＳＳの積層方向において、ｐ型半導体層１５に向かって連続的にＩｎ組成が増加するように構成されている。量子井戸層ＷＡは、量子井戸層ＷＡの成長時におけるＩｎ供給ガス、例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量を連続的に増加させることで形成することができる。本実施例においては、量子井戸層ＷＡのＩｎ組成を３％から３０％まで徐々に増加（変化）させた。

このように量子井戸層ＷＡにおけるＩｎ組成が成長方向に沿って異なるように形成することで、量子井戸層ＷＡの層内における歪がｐ型半導体層１５に向かって緩和されていく。具体的には、量子井戸層ＷＡは、ベース層ＢＬとの界面においてはベース層ＢＬによって結晶構造が歪み、しばらくはベース層ＢＬの表面の溝ＧＲを引き継いで形成されていく。しかし、ある程度成長が進み、さらにＩｎ組成を大きくしていくことで、歪が緩和されていく。従って、量子井戸層ＷＡは、ベース層ＢＬの溝ＧＲが埋め込まれるように形成される。これによって量子井戸層ＷＡの結晶性が向上し、発光効率が向上する。また、本実施例においては、ベース層ＢＬのベースセグメントＢＳが平坦部ＦＬを有している。従って、量子井戸層ＷＡの上面が平坦部ＦＳ１となる。従って、量子井戸層ＷＡの上面においては良好な結晶性が確保され、発光効率が向上する。

なお、本実施例においては、発光層１３からは、青色領域よりも長波長側に強度のピークを有する光が放出される。具体例として、ベース層ＢＬの層厚を７ｎｍに設定した場合、およそ５３０ｎｍにスペクトル強度のピークを有する広いスペクトル幅の光が放出された。なお、ベースセグメントＢＳの面内方向におけるサイズは、およそ数十ｎｍ〜数μｍの大きさであった。

図３は、発光素子１０の発光強度のピークを示す図である。図の縦軸は発光素子１０（実施例１）と他の構造を有する３つの比較例との発光強度を示す。なお、比較例１として、一定のＩｎ組成の量子井戸層を有する発光素子を作製した。また、比較例２として、ベース層ＢＬを有しておらず、Ｉｎ組成の分布を付けた量子井戸層が障壁層ＷＢに挟まれた発光層を有する発光素子を作製した。また、比較例３として、ベース層を有しておらず、一定のＩｎ組成の量子井戸層が障壁層ＷＢに挟まれた発光層を有する発光素子を作製した。比較例２及び３においては、量子井戸層が平坦な主面を有している。

図３に示すように、発光素子１０は、一定のＩｎ組成の量子井戸層の場合（比較例１）に対して２倍の発光強度を示した。すなわち、発光強度が大幅に向上した。一方、ベース層ＢＬを有さない場合（比較例２及び３）においては、量子井戸層のＩｎ組成をｐ型半導体層１５に向かって増加させた場合（比較例２）、一定のＩｎ組成を有する量子井戸層の場合（比較例３）に比べて発光強度が低下した。

すなわち、ｐ型半導体層１５に向かって量子井戸層のＩｎ組成を増加させる構成は、ベース層ＢＬ上に形成した場合には効果を発揮するが、単に平坦な量子井戸層の場合には効果が出ない。なお、比較例２及び３のようにＩｎ組成の分布によって発光強度が低下する要因として、電子と正孔との間の波動関数のずれが考えられる。

なお、本実施例においてはベース層ＢＬが平坦部ＦＬ及び溝ＧＲからなる場合について説明したが、ベース層ＢＬの表面形状はこの場合に限定されない。例えば、ベースセグメントＢＳの上面が曲面形状を有していてもよい。

なお、本実施例においては、量子井戸構造層ＱＷが１つの量子井戸層ＷＡ及び１つの障壁層ＢＡからなる構造を有する場合について説明したが、この場合に限定されない。すなわち、量子井戸構造層ＱＷは複数の量子井戸層ＷＡ及び複数の障壁層ＢＡから構成されていてもよい。すなわち、量子井戸構造層ＱＷは単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有していてもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有していてもよい。すなわち、量子井戸構造層ＱＷは、ベース層ＢＬ上に形成された少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び少なくとも１つの障壁層ＢＡから構成されていればよい。

図４は、実施例１の変形例１に係る半導体発光素子１０Ａの構造を示す断面図である。発光素子１０Ａは、発光機能層（発光層）１３Ａの構造を除いては、発光素子１０と同様の構成を有している。まず、発光層１３Ａの量子井戸構造層ＱＷＡは、異なるＩｎ組成を有する量子井戸層ＷＡＡと障壁層ＢＡとからなる。なお、本変形例においても、量子井戸層ＷＡＡ及び障壁層ＢＡは少なくとも１つ形成されていればよい。

量子井戸層ＷＡＡは、ＩｎＧａＮの組成を有する第１の層ＷＡ１と、第１の層ＷＡ１上に形成され、ＩｎＧａＮの組成を有し、第１の層ＷＡ１よりも大きなＩｎ組成を有する第２の層ＷＡ２からなる。すなわち、量子井戸層ＷＡＡは、ｐ型半導体層１５に向かってＩｎ組成が増加するように構成された複数の層ＷＡ１及びＷＡ２を有している。すなわち、量子井戸層ＷＡＡは、ｐ型半導体層１５に向かって段階的にＩｎ組成が増加するように構成されている。

実施例１においては量子井戸層ＷＡ内のＩｎ組成がｐ型半導体層１５に向かって連続的に増加する構成を有している場合について説明した。しかし、本変形例の量子井戸層ＷＡＡのように、複数の層（本変形例においては第１の層ＷＡ１及び第２の層ＷＡ２）を形成し、各層毎で段階的にＩｎ組成を変化させてもよい。本変形例においては、量子井戸層ＷＡＡの形成が容易になる。具体的には、連続的にＩｎ組成を変化させる場合に比べて、製造装置による製造誤差が小さい。従って、所望のＩｎ組成の量子井戸層ＷＡＡを安定して確実に形成することができる。なお、量子井戸層内の結晶性を考慮すると、実施例１のように、層内で連続的にＩｎ組成を変化させることが好ましい。

また、発光層１３Ａのベース層ＢＬＡは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成を有する第１の副ベース層ＢＬ１と、第１の副ベース層ＢＬ１上に形成され、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）の組成を有する第２の副ベース層ＢＬ２と有している。ベース層ＢＬＡは、互いに異なるＡｌ組成を有する複数のＡｌＧａＮ層からなる複数の副ベース層を有している。障壁層ＢＡは、ＧａＮの組成を有している。

第２の副ベース層ＢＬ２は、ベース層ＢＬＡの複数の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２のうち、第１の副ベース層ＢＬ１よりも大きなＡｌ組成ｙを有している。具体的には、第２の副ベース層ＢＬ２におけるＡｌ組成ｙは、第１の副ベース層ＢＬ１におけるＡｌ組成ｘよりも大きい。本実施例においては、Ａｌ組成ｙは、ｙ＝１である。すなわち、本実施例においては、第１の副ベース層ＢＬ１はＡｌＧａＮの組成を有し、第２の副ベース層ＢＬ２はＡｌＮの組成を有している。

ベース層ＢＬは、互いに異なるＡｌ組成を有するＡｌＧａＮからなる第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２を有している。また、第２の副ベース層ＢＬ２が第１の副ベース層ＢＬ１よりもｐ型半導体層１５側に形成され、かつ第１の副ベース層ＢＬ１よりも大きなＡｌ組成を有している。従って、比較的Ａｌ組成の小さい第１の副ベース層ＢＬ１によって、ｎ型半導体層１２及びベース層ＢＬ間の結晶性が確保される。また、比較的Ａｌ組成の大きい第２の副ベース層ＢＬ２によって、量子井戸層ＷＡのバンドギャップが歪み、スペクトル幅が広範囲なものとなる。従って、発光層１３Ａからは、発光波長の広帯域化及び発光強度の両方に優れた光が放出される。従って、発光素子１０Ａからは、高い演色性を有する高発光強度の光が放出される。

なお、溝ＧＲを形成することを考慮すると、ＧａＮ層上に直接ＡｌＮ層（すなわち第２の副ベース層ＢＬ２）を形成すればよい。しかし、ＡｌＮは、その大きなバンドギャップから、ｎ型半導体層（ＧａＮ層）１２から量子井戸層ＷＡへのキャリア（電子）の移動を阻害する。ＡｌＧａＮ層（第１の副ベース層ＢＬ１）は、ＡｌＮ層及びＧａＮ層の中間のバンドギャップを有しているため、キャリアの移動阻害を低減することができる。従って、発光強度の低下を抑制することが可能となる。

本変形例においては、第１の副ベース層ＢＬ１は、例えば６ｎｍの層厚を有している。また、第２の副ベース層ＢＬ２は、例えば１ｎｍの層厚を有している。

図５は、実施例１の変形例２に係る半導体発光素子１０Ｂの構造を示す断面図である。半導体発光素子１０Ａは、発光層１３Ｂの構造を除いては半導体発光素子１０と同様の構造を有している。

実施例１で示した半導体発光素子１０においては、発光層１３の上面は完全に平坦化されている。より具体的には、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡがベース層ＢＬの溝ＧＲを完全に埋め込んで形成されており、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡの上面がそれぞれ第１及び第２の平坦面ＦＳ１及びＦＳ２として形成されている。一方、図５に示すように、本変形例の半導体発光素子１０Ｂにおいては、発光層１３Ｂの上面は、ベース層ＢＬの溝ＧＲ１（発光層１３における溝ＧＲに相当する溝）を引き継いだ溝ＧＲ２を有している。すなわち、発光層１３Ｂの上面における平坦部ＦＬ１の直上に相当する領域は平坦部ＦＬ２として形成されており、溝ＧＲ１の直上に対応する位置には凹部（溝ＧＲ２）が形成されている。

本変形例においては、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡがベースセグメントＢＳを完全には埋め込んでいない。このように、凹凸構造の上面を有する量子井戸層ＷＡにおいても、ｐ型半導体層１５に向けてＩｎ組成を増加させることで、高い演色性を有する高発光強度の光が放出される。すなわち、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡは、ベース層ＢＬ上に形成されていればよい。

図６は、実施例２の半導体発光素子３０の構造を示す断面図である。発光素子３０は、発光機能層３３の構成を除いては、発光素子１０と同様の構成を有している。発光機能層３３は、ｎ型半導体層１２と発光層（第１の発光層）１３との間に、少なくとも１つ（本実施例においては２つ）の一様に平坦な量子井戸層ＷＢと少なくとも１つ（本実施例においては２つ）の障壁層ＷＢとからなり、これらがそれぞれ交互に積層された量子井戸構造を有する発光層（第２の発光層）３３Ａを有している。

本実施例においては、発光層３３Ａは、ｎ型半導体層１２上に、２つの量子井戸層ＷＢの各々が３つの障壁層ＢＢの各々によって挟まれた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。最もｐ型半導体層１５側に位置する障壁層ＢＢ上には発光層１３（ベース層Ｂ１）が形成されている。量子井戸層ＷＢの各々は、例えば、量子井戸層ＷＡと同一の組成、例えばＩｎＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＢの各々は、障壁層ＢＡと同一の組成、例えばＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＢのうち、最も発光層１３側に位置する障壁層ＢＢは、ｎ型半導体層１２と同一の組成を有している。

本実施例においては、実施例１の発光素子１０における発光層１３のｎ型半導体層１２側に量子井戸構造の第２の発光層３３Ａが追加された構成となる。従って、実施例１に比べて、純粋な青色領域に発光波長のピークを有する光を追加で放出させることが可能となる。本実施例は、例えば青色領域の光の強度を大きくしたい場合に有利な構成となる。すなわち、本実施例においては、発光機能層３３は、ｎ型半導体層１２と発光層１３との間に、発光層１３よりも短波長で発光する量子井戸層ＷＢを有している。なお、発光機能層３３において、発光層３３Ａは、発光層１３とｐ型半導体層１５との間に形成されていてもよい。つまり、発光層１３よりも短波長で発光する量子井戸層ＷＢは、ｎ型半導体層１２と発光層１３との間か、発光層１３とｐ型半導体層１５との間か、又はその両方に形成されていればよい。

なお、上記においては、発光機能層（発光層）１３、１３Ａ及び３３とｐ型半導体層１５との間に電子ブロック層１４を形成する場合について説明したが、電子ブロック層１４を設ける場合に限定されるものではない。例えば発光機能層１３上にｐ型半導体層１５が形成されていてもよい。なお、電子ブロック層１４は、ｎ型半導体層１２、発光機能層１３及びｐ型半導体層１５よりも大きなバンドギャップを有している。従って、電子が発光機能層１３を越えてｐ型半導体層１５側にオーバーフローすることを抑制することが可能となる。従って、大電流駆動時及び高温動作時においては電子ブロック層１４を設けることが好ましい。

なお、実施例１、変形例１、変形例２及び実施例２は、互いに組み合わせることが可能である。例えば発光層１３Ａ及び発光層３３Ａからなる発光機能層を形成することができる。また、発光層１３及び１３Ａを積層することも可能である。

本実施例及びその変形例においては、発光層１３は、ｎ型半導体層１２から応力歪を受ける組成を有してランダムな網目状に形成された複数のベースセグメントＢＳを有するベース層ＢＬと、ベース層ＢＬ上に形成された少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び少なくとも１つの障壁層ＢＡからなる量子井戸構造層とを有し、量子井戸層ＷＡの各々は、ＩｎＧａＮの組成を有し、かつｐ型半導体層１５に向かってＩｎ組成が増加するように構成されている。従って、可視域の広範囲に亘って高い発光強度を有する光を放出することが可能な発光素子を提供することが可能となる。

なお、本実施例においては、第１の導電型がｎ型の導電型であり、第２の導電型がｐ型である場合について説明したが、第１の導電型がｐ型であり、第２の導電型がｎ型であってもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、３０ 半導体発光素子
１２ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３、１３Ａ、３３、３３Ａ 発光機能層（発光層）
ＷＡ、ＷＡＡ 量子井戸層
ＷＡ１、ＷＡ２ 井戸層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型半導体層（第２の半導体層）
ＢＬ、ＢＬＡ ベース層
ＢＬ１ 第１の副ベース層
ＢＬ２ 第２の副ベース層
ＢＳ ベースセグメント
ＧＲ 溝

Claims (5)

1. ＧａＮの組成を有しかつ第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された発光層を含む発光機能層と、前記発光機能層上に形成され、前記第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層とを有する半導体発光素子であって、
   前記発光層は、前記第１の半導体層から応力歪を受けるＡｌＧａＮの組成を有してランダムな網目状に形成された溝を有し、前記溝によって区画されかつ各々が上面に平坦部を有する複数のベースセグメントを有するベース層と、前記ベース層上に形成された少なくとも１つの量子井戸層及び少なくとも１つの障壁層からなる量子井戸構造層と、を有し、
   前記少なくとも１つの量子井戸層は、ＩｎＧａＮの組成を有し、前記第２の半導体層に向かってＩｎ組成が増加しかつ前記ベース層における前記平坦部上の領域と前記溝上の領域との間でＩｎ組成が異なるように構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記少なくとも１つの量子井戸層は、前記第２の半導体層に向かってＩｎ組成が連続的に増加するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記少なくとも１つの量子井戸層は、前記第２の半導体層に向かってＩｎ組成が段階的に増加するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記ベース層は、ＡｌＧａＮの組成を有する第１の副ベース層と、前記第１の副ベース層よりも前記第２の半導体層側に形成され、前記第１の副ベース層よりも大きなＡｌ組成を有するＡｌＧａＮからなる第２の副ベース層と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記発光機能層は、前記発光層と前記第１の半導体層との間か、又は前記発光層と前記第２の半導体層との間に、前記発光層よりも短波長で発光する量子井戸層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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