(57)【要約】      （修正有）【課題】光取り出し効率が高く、高光出力の高性能な半導体発光素子を提供する【解決手段】反射層１７上に形成された第１の半導体層１１と、第１の半導体層上に形成された第１の量子井戸構造と、第１の量子井戸構造上に形成された第２の量子井戸構造とを有する発光層１２と、第１の半導体層と反対導電型を有し、発光層上に形成されてその表面を光取り出し面１３Ａとする第２の半導体層１３と、を有し、第１の量子井戸構造のバンドギャップは第２の量子井戸構造のバンドギャップよりも小さく、第１の量子井戸構造のうちの１の井戸層を位相整合位置の基準井戸層とし、基準井戸層と反射面との間隔は、基準井戸層からの直接放出光と基準井戸層から放出され反射面によって反射された反射光とが光取り出し面に向かって進む際に位相が揃うように定める。【選択図】図１
2014116549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を有する反射層と、
前記反射層上に形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され、単一の井戸層又は同一のバンドギャップを有する複数の井戸層を含む第１の量子井戸構造と、前記第１の量子井戸構造上に形成され、単一の井戸層又は同一のバンドギャップを有する複数の井戸層を含む第２の量子井戸構造とを有する多重量子井戸構造の発光層と、
前記第１の半導体層と反対導電型を有し、前記発光層上に形成されてその表面を光取り出し面とする第２の半導体層と、を有し、
前記第１の量子井戸構造のバンドギャップは前記第２の量子井戸構造のバンドギャップよりも小さく、
前記第１の量子井戸構造のうちの１の井戸層を位相整合位置の基準井戸層とし、前記基準井戸層と前記反射面との間隔は、前記基準井戸層からの直接放出光と前記基準井戸層から放出され前記反射面によって反射された反射光とが前記光取り出し面に向かって進む際に位相が揃うように定められていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１の量子井戸構造の井戸層の結晶組成と前記第２の量子井戸構造の井戸層の結晶組成とが互いに異なること、及び／又は、前記第１の量子井戸構造の井戸層の層厚と前記第２の量子井戸構造の井戸層の層厚とが互いに異なること、によって前記第１の量子井戸構造のバンドギャップが前記第２の量子井戸構造のバンドギャップよりも小さくされていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１の量子井戸構造は複数の井戸層を含み、前記基準井戸層は前記複数の井戸層のうち前記第１の半導体層に最も近い井戸層であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の量子井戸構造は単一の井戸層からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１の量子井戸構造の井戸層及び障壁層の間に前記井戸層及び前記障壁層の中間結晶組成の半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第２の量子井戸構造の井戸層及び障壁層の間に前記井戸層及び前記障壁層の中間結晶組成の半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１の量子井戸構造及び前記第２の量子井戸構造はＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記反射層は、反射金属層と前記反射金属層及び前記第１の半導体層との間に設けられた透明導電体層からなり、前記反射面は前記反射金属層及び前記透明導電体層間の界面であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層を有する半導体発光素子、特に、ＭＱＷ発光層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や半導体レーザ等の半導体発光素子の発光効率や性能を高めるために、発光層に多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を採用することが知られている。
【０００３】
また、成長基板（又は仮基板）上にＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法などの気相成長法により成長した半導体発光積層体を、反射ミラーを介して導電性の支持基板（又は永久基板）貼り合わせ、その後、成長基板を除去して構成したＬＥＤ（メタルボンディング（ＭＢ）構造又は貼り合わせ構造ともいう。）が開示されている（例えば、特許文献１）。かかる発光素子では、光取り出し面の反対側に反射ミラーを設け、外部への取り出し光出力の向上を図っている。また、量子井戸（ＱＷ）と反射ミラーとの間隔を最適化することで光出力を向上することが開示されている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１０３５９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Appl. Phys. Lett., vol. 82, No. 14, pp.2221-2223, 2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数の量子井戸（ＱＷ）を有するＭＱＷ構造の発光層を用いた場合、各量子井戸（ＱＷ）と反射ミラーとの間隔はそれぞれ異なるため、井戸層から直接放出された光と反射ミラーからの反射光の位相が整合する条件は、各量子井戸層によって異なるとの観点に着目してなされた。
【０００７】
本発明は、ＭＱＷ発光層を用いた場合であっても、量子井戸（ＱＷ）からの直接放出された光と反射ミラーからの反射光の位相が整合し（すなわち、強め合い）、光取り出し効率が高く、高光出力の高性能な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光素子は、
反射面を有する反射層と、
反射層上に形成された第１の半導体層と、
第１の半導体層上に形成され、単一の井戸層又は同一のバンドギャップを有する複数の井戸層を含む第１の量子井戸構造と、第１の量子井戸構造上に形成され、単一の井戸層又は同一のバンドギャップを有する複数の井戸層を含む第２の量子井戸構造とを有する多重量子井戸構造の発光層と、
第１の半導体層と反対導電型を有し、発光層上に形成されてその表面を光取り出し面とする第２の半導体層と、を有し、
第１の量子井戸構造のバンドギャップは第２の量子井戸構造のバンドギャップよりも小さく、第１の量子井戸構造のうちの１の井戸層を位相整合位置の基準井戸層とし、基準井戸層と反射面との間隔は、基準井戸層からの直接放出光と基準井戸層から放出され反射面によって反射された反射光とが光取り出し面に向かって進む際に位相が揃うように定められていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）の構成並びに光取り出し効率向上の原理を模式的に説明する断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施例１であるＬＥＤの構成及びバンド構造を示す断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施例２であるＬＥＤの構成及びバンド構造を示す断面図である。
【図４】実施例４であるＬＥＤの構成を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例４の改変例であるＬＥＤの構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層を有する半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）について以下に説明する。また、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
【００１１】
発光層としてＭＱＷ構造層を用い、ＭＱＷ構造層からの発光を反射させて光を取り出す発光素子の場合、各井戸層と反射面との間の間隔が各量子井戸層によって異なることに起因して光取り出し方向（順方向）の光と反射光の位相がずれ、打ち消し合って光強度が弱くなってしまう。本願発明者はかかる点に気付き、本発明は、井戸層から直接放出された光と反射ミラーからの反射光の位相が整合する条件は、各量子井戸層によって異なるとの観点に着目してなされたものである。  図１は、本発明の実施形態である半導体発光素子（発光ダイオード：ＬＥＤ）１０の構成並びに光取り出し効率向上の原理を模式的に説明する断面図である。図１に示すように、第１の半導体層１１、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層（以下、ＭＱＷ発光層という。）１２、第１の半導体層とは反対導電型の第２の半導体層１３がこの順で順次積層されて半導体構造層１５が構成されている。また、第１の半導体層１１上には、ＭＱＷ発光層からの放出光を反射する光反射層（以下、単に反射層という。）１７が設けられ、ＬＥＤ１０の発光は第２の半導体層１３の表面（光取り出し面ともいう。）１３Ａから取り出される。また、第１の半導体層１１及び第２の半導体層１３上には、それぞれ第１の電極２１及び第２の電極２２が設けられている。
【００１２】
ＭＱＷ発光層１２は、一般に複数の量子井戸（ＱＷ）層から構成されていてよいが、以下においては、５層の量子井戸層（以下、単に井戸層又はウエル層ともいう。）からなる場合を例に説明する。より詳細には、ＭＱＷ発光層１２は、第１の半導体層１１の側から順に第１の井戸層群Ｗ１を含む第１の量子井戸構造、第２の井戸層群Ｗ２を含む第２の量子井戸構造が順次積層されて構成されている。さらに、第１の井戸層群Ｗ１は、第１の半導体層１１の側から順に第１の井戸層Ｗ１１、第２の井戸層Ｗ１２からなり、第２の井戸層群Ｗ２は、第１の半導体層１１の側から順に第１の井戸層Ｗ２１、第２の井戸層Ｗ２２、第３の井戸層Ｗ２３からなる。各井戸層Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３の間には障壁層（以下、バリア層ともいう。）ＢＬが設けられている。なお、第１の半導体層１１と第１の井戸層群Ｗ１との間及び第２の井戸層群Ｗ２と第２の半導体層１３との間にも障壁層ＢＬ（図示しない）が設けられているが、説明及び理解の容易さのため、第１の半導体層１１、第２の半導体層１３、障壁層ＢＬが同一組成の半導体結晶からなる場合について説明する。また、以下においては、第１の井戸層群Ｗ１及び第１の井戸層群Ｗ１の各井戸層間及び両端の障壁層ＢＬを含めて第１の量子井戸構造１２Ａと称し、第２の井戸層群Ｗ２及び第２の井戸層群Ｗ２の各井戸層間及び両端の障壁層ＢＬを含めて第２の量子井戸構造１２Ｂと称する。また、説明及び理解の容易さのため、障壁層ＢＬが、第１の半導体層１１及び第２の半導体層１３と同一組成の半導体層からなる場合を例に説明する。なお、ＭＱＷ発光層１２の障壁層として、第１の半導体層１１及び第２の半導体層１３とはバンドギャップの異なる組成の半導体層を用いることができる。
【００１３】
第１の井戸層群Ｗ１の井戸層Ｗ１１、Ｗ１２は同一の発光波長で発光するように構成されている。換言すれば、井戸層Ｗ１１、Ｗ１２における正孔及び電子の量子準位間のエネルギー（バンドギャップ）Ｅｇ１が同一であるように構成されている。また、同様に、第２の井戸層群Ｗ２の井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３は同一の発光波長で発光するように構成されている。換言すれば、井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３における量子準位間のエネルギー（以下、量子井戸のバンドギャップという。）Ｅｇ２が同一であるように構成されている。そして、第２の井戸層群Ｗ２の井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３のバンドギャップＥｇ２は第１の井戸層群Ｗ１の井戸層Ｗ１１、Ｗ１２のバンドギャップＥｇ１よりも大である（Ｅｇ１＜Ｅｇ２）ように構成されている。すなわち、第２の井戸層群Ｗ２の井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３の発光波長は第１の井戸層群Ｗ１の井戸層Ｗ１１、Ｗ１２の発光波長よりも短波長である（λ１＞λ２）ように構成されている。
【００１４】
［各井戸層からの放出光及び位相］
図１に示すように、第１の井戸層群Ｗ１の井戸層Ｗ１１及びＷ１２から光取り出し面１３Ａに向かう方向（以下、順方向ともいう。）にそれぞれ井戸層Ｗ１１及びＷ１２のバンドギャップ（Ｅｇ１）に対応した波長の光（波長λ１）Ｌ１１、Ｌ１２が放出される。
【００１５】
一方、第２の井戸層群Ｗ２の井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３から反射層１７に向かう方向（以下、逆方向ともいう。）に放出された波長λ２の放出光Ｅ２（すなわち、それぞれＥ２１、Ｅ２２、Ｅ２３）は、その一部は第１の井戸層群Ｗ１の井戸層Ｗ１２に吸収され、当該井戸層Ｗ１２を励起する。また、井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３からの逆方向の放出光Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ２３のうち井戸層Ｗ１２に吸収されなかった光の一部は井戸層Ｗ１１に吸収され、当該井戸層Ｗ１１を励起する。すなわち、第２の井戸層群Ｗ２の井戸層からの光は第１の井戸層群Ｗ１の井戸層に吸収され、第１の井戸層群Ｗ１の井戸層を励起することで、第１の井戸層群Ｗ１の井戸層と同じ波長の光が同じ位相で発せられることになる。従って、後述するように、ＭＱＷ構造の発光層であっても、順方向の光の位相を整合させることができ、光取り出し効率を増大することができる。
【００１６】
まず、井戸層Ｗ１１からは、井戸層Ｗ１１のバンドギャップ（Ｅｇ１）に対応した波長の光（波長λ１）が放出される。井戸層Ｗ１１から反射層１７に向けて放出された当該放出光（図中、Ｅ１１と表記する）は反射層１７によって反射され、光取り出し面１３Ａに向けて進行する（反射光Ｒ１１）。なお、反射層１７による反射によって、反射光Ｒ１１は放出光Ｅ１１に対して位相がπだけ変化している。また、井戸層Ｗ１２からは、井戸層Ｗ１２のバンドギャップ（Ｅｇ１）に対応した波長の光（波長λ１）が放出される。井戸層Ｗ１２から反射層１７に向けて放出された逆方向の放出光（図中、Ｅ１２と表記する）は反射層１７によって反射され、光取り出し面１３Ａに向けて進行する（反射光Ｒ１２）。なお、反射層１７による反射によって、反射光Ｒ１２は放出光Ｅ１２に対して位相がπだけ変化している。
【００１７】
［反射層と第１の井戸層群Ｗ１の井戸層との間隔］
反射層１７と第１の井戸層群Ｗ１の井戸層との間隔Ｄは、第１の井戸層群Ｗ１のうちの１の井戸層（以下、基準井戸層ともいう。）から直接放出された順方向の光と、当該基準井戸層から放出され反射面（反射層１７の表面）によって反射された反射光とが光取り出し面に向かって進む際に強め合う（すなわち、位相が揃う）ように決定される。
【００１８】
上記したように、反射層１７からの反射光は反射層１７への入射光に対して位相がπだけずれているので、第１の井戸層群Ｗ１の井戸層からの順方向の直接放出光と、当該井戸層から放出され、反射層１７によって反射された反射光とが強め合う条件は、以下の式で表される。
【００１９】
２Ｄ・ｎｄ＝λ（ｍ＋1/2）            ・・・・式（１）
ここで、ｎｄは反射層１７と当該井戸層との間の物質の屈折率であり、ｍは整数である。
【００２０】
例えば、図１を参照して説明すると、井戸層Ｗ１１を基準井戸層とし、井戸層Ｗ１１からの直接放出光Ｌ１１と反射層１７からの反射光Ｒ１１とが強め合うように、あるいは、井戸層Ｗ１２を基準井戸層とし、井戸層Ｗ１２からの直接放出光Ｌ１２と反射層１７からの反射光Ｒ１２とが強め合うように定めることができる。
【００２１】
なお、当該基準井戸層としては、第１の井戸層群Ｗ１のうちのいずれか１の井戸層とすることができるが、第１の半導体層１１（すなわち反射層１７）に最も近い井戸層Ｗ１１とすることが好ましい。以下においては、反射層１７と井戸層Ｗ１１とが上記の式（１）を満たす間隔Ｄで配されているものとして説明する。なお、より詳細には、間隔（距離）Ｄは、基準井戸層内の特定の位置を基準とした間隔で良いが、例えば基準井戸層及びこれに隣接する半導体層間の界面と、反射層の表面（反射面）との間の間隔とする。
【００２２】
具体的には、本実施形態では、説明及び理解の容易さのため、第１の井戸層群Ｗ１の障壁層が第１の半導体層１１と同一組成の半導体からなる場合、すなわち第１の井戸層群Ｗ１の障壁層と同一組成の第１の半導体層１１が障壁層を兼ねている場合について説明するが、これに限らない。すなわち、第１の半導体層１１が、井戸層Ｗ１１との間に設けられた障壁層と、障壁層とは異なる組成の半導体層とからなっていてもよい。また、第１の半導体層１１が、互いに異なる組成を有する複数の半導体層からなっていてもよい。これらのような場合、井戸層Ｗ１１と反射層１７との間に設けられた複数の半導体層の井戸層Ｗ１１からの発光に対する等価屈折率（すなわち、各層の層厚による重み付けをした屈折率ｎｄ）又は光路長を求めて、井戸層Ｗ１１からの放出光と反射層１７による反射光とが強め合う条件を決定することができる。なお、第１の井戸層群Ｗ１の他の井戸層（例えばＷ１２）を基準井戸層として当該基準井戸層からの放出光に対して位相整合条件を求める場合であっても、同様に基準井戸層と反射層との間の光路長を求めることによって位相整合条件を決定することができる。
【００２３】
あるいは、反射層１７が反射金属層と、反射金属層及び第１の半導体層間に設けられた透明導電体層からなり、反射金属層の表面（すなわち、反射金属層及び透明導電体層間の界面）が反射面となっていてもよい。この場合、第１の半導体層に加えて透明導電体層中の光路長を考慮して井戸層Ｗ１１からの放出光と反射金属層による反射光とが強め合う条件を決定することができる。
【００２４】
［光取り出し効率の向上］
本発明の光取り出し効率向上のメカニズムについて以下に説明する。半導体発光素子の発光波長は発光層に用いる井戸層のバンドギャップによって決まる。当該井戸層か放出され光は全方向に放出されるため、光取り出し面の方向以外の光は反射・吸収される。このとき反射した光の一部は光取り出し方向（順方向）に向かうが、順方向の光と反射光は反射面との距離によって光の位相が変化する。位相が揃う場合は光が強めあうが、位相がずれてしまうと光が打ち消しあい、光強度が低下する。
【００２５】
本発明では、上記した基準井戸層から発する順方向の光と反射光の位相が揃うように、基準井戸層及び反射面間の間隔、すなわち基準井戸層からの放出光に対する光路長が決定される。このとき、基準井戸層以外の井戸層からの放出光に関しては、井戸層と反射面との間の間隔が基準井戸層の場合とは異なることに起因して順方向の光と反射光の位相がずれ、打ち消しあう条件となるため、光強度が弱くなってしまう。そこで、反射面から遠い側にある井戸層群（すなわち、第２の井戸層群Ｗ２）のバンドギャップを大きくし、つまりは短波長の光を発生させ、基準井戸層（又は第１の井戸層群Ｗ１）に吸収させ、励起する。これにより発生する光は反射光と位相が揃うため強めあい、結果として光強度は大きくなる。なお、極度に短波長になると、全体の光の半値幅が広がってしまう問題が発生するため、その波長は基準となる井戸層からの光の波長から-10nmの範囲とすることが好ましい。
【００２６】
上記したように、本発明によれば、反射面から遠い側にある井戸層群（第２の量子井戸構造）の発光波長を短波長化し、当該短波長の光によって反射面に近い側の井戸層群（第１の量子井戸構造）の井戸層を励起することによって、ＭＱＷ発光層から位相が揃った発光が反射面に向かって放射される。従って、光取り出し方向に向かう光と反射面からの反射光の位相が強め合い、光取り出し効率が高く、高光出力の高性能な半導体発光素子を提供することができる。
【実施例１】
【００２７】
以下に、本発明の実施例１について説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、実施例１である発光ダイオード（ＬＥＤ）１０の構成及びバンド構造を示す断面図である。ＬＥＤ１０がＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる場合について説明するが、結晶系はこれに限定されない。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、第１の半導体層１１は、ｐ−ＧａＮ層１１Ａ（層厚、75ｎｍ）及びｐ−ＧａＮ層１１Ａ上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ層１１Ｂ（層厚、40ｎｍ）からなる。ｐ−ＡｌＧａＮ層１１Ｂ上に、ＭＱＷ発光層１２が設けられている。ＭＱＷ発光層１２として、ｐ−ＡｌＧａＮ層１１Ｂ上に、第１の井戸層群Ｗ１及び第１の井戸層群Ｗ１の各井戸層間及び両端の障壁層ＢＬからなる第１の量子井戸構造１２Ａと、第２の井戸層群Ｗ２及び第２の井戸層群Ｗ２の各井戸層間及び両端の障壁層ＢＬからなる第１の量子井戸構造１２Ｂと、が順次積層されている。第１の井戸層群Ｗ１は単一の井戸層Ｗ１１からなり、第２の井戸層群Ｗ２は４層の量子井戸層からなり、第１の半導体層１１の側から順に第１、第２、第３、第４の井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４からなる。ＭＱＷ発光層１２上には、第２の半導体層としてｎ−ＧａＮ層（層厚、４μｍ）１３が設けられている。また、各井戸層Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４の間、井戸層Ｗ１１とｐ−ＡｌＧａＮ層１１Ｂとの間、井戸層Ｗ２４とｎ−ＧａＮ層１３との間には障壁層ＢＬが設けられている。
【００２９】
ＭＱＷ発光層１２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する。図２（ｂ）はＭＱＷ発光層１２のバンドダイヤグラムであり、図中、ＣＢは伝導帯を、ＶＢは価電子帯を示している。図２（ｂ）に示すように、井戸層Ｗ１１は、層厚（Ｌｚ）が約４．０ｎｍのＩｎxＧａ1-xＮ層であり、第１〜第４の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４は、井戸層Ｗ１１と同じ層厚（Ｌｚ）を有する約４．０ｎｍのＩｎyＧａ1-yＮ層である。井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のＩｎ組成（ｙ）は、井戸層Ｗ１１のＩｎ組成（ｘ）よりも小さい（すなわち、ｙ＜ｘ）。また、第１の量子井戸構造１２Ａ及び第２の量子井戸構造１２Ｂにおける障壁層ＢＬは、全て同一組成である。すなわち、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４（第２の量子井戸構造）は同一の構造（組成及び層厚）を有し、同一のバンドギャップ（Ｅｇ２）を有している。そして井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のバンドギャップ（Ｅｇ２）は井戸層Ｗ１１（第１の量子井戸構造）のバンドギャップ（Ｅｇ１）よりも大きい。換言すれば、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２は井戸層Ｗ１１の発光波長λ１よりも短波長である（λ２＜λ１）ように構成されている。障壁層ＢＬは、例えば約５．０ｎｍの層厚を有するＧａＮ層である。また、井戸層Ｗ１１の発光波長（λ１）は、例えば445nmであり、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２はそれよりも、例えば10nm短波長である。
【００３０】
つまり、第１の量子井戸構造の井戸層Ｗ１１の結晶組成と第２の量子井戸構造の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の結晶組成とを互いに異ならせて、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のバンドギャップ（Ｅｇ２）が井戸層Ｗ１１のバンドギャップ（Ｅｇ１）よりも大きくなるように構成している。換言すれば、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２が井戸層Ｗ１１の発光波長λ１よりも短波長である（λ２＜λ１）ように構成されている。
【００３１】
また、ｐ−ＧａＮ層１１Ａ上には、ＭＱＷ発光層１２からの放出光を反射する反射層１７が設けられ、ＬＥＤ１０の発光はｎ−ＧａＮ層１３の表面（光取り出し面）１３Ａから取り出される。反射層１７はｐ−ＧａＮ層１１Ａ上に形成された透明導電体（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）層１７Ａ、ＩＴＯ層１７Ａ上に形成された金属（Ａｇ）層１７Ｂからなる。金属（Ａｇ）層１７Ｂ上にはｐ電極２１が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ層１３上には部分的にｎ電極２２が設けられている。
【００３２】
この場合、第１の量子井戸構造の井戸層Ｗ１１から金属（Ａｇ）層１７Ｂまでの厚さ（距離）は、これらの層の間に含まれる層の厚さを基準の屈折率を持つ物質に合わせたものに換算し、これらを足し合わせ、換算されたＤを求めることで式（１）を適用することができる。具体的には、実施例１の場合では、換算の対象層である障壁層ＢＬ、ｐ−ＡｌＧａＮ層１１Ｂ、ｐ−ＧａＮ層１１Ａ及びＩＴＯ層１７Ａの層厚をそれぞれ基準の屈折率を持つ物質の厚さに換算することでＤを算出することができる。対象層の層厚を当該基準の屈折率を持つ物質の厚さに換算するには、以下のような式を用いることができる。すなわち、対象層の層厚をｔ、当該基準の屈折率をｎd、対象層の屈折率をｎtとしたとき、当該対象層の換算された層厚Ｄtは以下の式で表される。
Ｄt＝ｔ×（ｎt／ｎd）            ・・・・式（１’）
【００３３】
なお、第１の半導体層及び第２の半導体層には、キャリアブロック層や電流拡散層などの組成やキャリア濃度の異なる種々の半導体層、あるいはアンドープ層などが含まれていても良い。また、本実施例のＬＥＤ１０は、いわゆるシンフィルム構造（又は貼り合わせ構造）を有している。従って、金属（Ａｇ）層１７Ｂ側には接合金属層を介して支持基板（図示しない）が設けられていてもよい。
【実施例２】
【００３４】
本発明の実施例２について、以下に説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、実施例２である発光ダイオード（ＬＥＤ）１０の構成及びバンド構造を示す断面図である。本実施例は、以下の点において実施例１と異なっている以外、実施例１と同一の構造を有する。
【００３５】
発光層１２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する。図２（ｂ）はＭＱＷ発光層１２のバンドダイヤグラムである。具体的には、第１の量子井戸構造１２Ａの単一の井戸層Ｗ１１は、層厚（Ｌｚ１）が約４．０ｎｍのＩｎyＧａ1-yＮ層であり、第２の量子井戸構造１２Ｂの第１〜第４の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４は、井戸層Ｗ１１と同じＩｎ組成（ｘ）を有するＩｎＧａＮ層であるが、層厚（Ｌｚ２）が約３．５ｎｍであり、井戸層Ｗ１１に比べて小さい（すなわち、Ｌｚ２＜Ｌｚ１）。
【００３６】
つまり、第１の量子井戸構造の井戸層Ｗ１１の層厚と第２の量子井戸構造の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の層厚とを互いに異ならせて、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のバンドギャップ（Ｅｇ２）が井戸層Ｗ１１のバンドギャップ（Ｅｇ１）よりも大きくなるように構成している。換言すれば、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２が井戸層Ｗ１１の発光波長λ１よりも短波長である（λ２＜λ１）ように構成されている。
【実施例３】
【００３７】
本発明の実施例３について、以下に説明する。上記したように、実施例１においては、井戸層Ｗ１１と井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の結晶組成を異ならせて、また、実施例２においては、井戸層Ｗ１１と井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の層厚を異ならせて、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２が井戸層Ｗ１１の発光波長λ１よりも短波長である（λ２＜λ１）ように構成した。
【００３８】
しかしながら、実施例１と実施例２とを組み合わせても良い。すなわち、第１の量子井戸構造の井戸層の結晶組成と第２の量子井戸構造の井戸層の結晶組成とを互いに異ならせて、及び／又は、第１の量子井戸構造の井戸層の層厚と第２の量子井戸構造の井戸層の層厚とを互いに異ならせて、第１の量子井戸構造のバンドギャップが第２の量子井戸構造のバンドギャップよりも小さくなるようにしてもよい。
【００３９】
例えば、井戸層Ｗ１１と井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４とが、結晶組成及び層厚の両者が異なるようにし、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２が井戸層Ｗ１１の発光波長λ１よりも短波長である（λ２＜λ１）ように構成してもよい。
【実施例４】
【００４０】
図４は、実施例４である発光ダイオード（ＬＥＤ）１０の構成を模式的に示す断面図である。なお、第１の電極２１及び第２の電極２２については記載を省略している。
【００４１】
図４に示すように、ｐ−ＧａＮ層１１上に、ＭＱＷ発光層１２として、障壁層ＢＬ、第１の井戸層群Ｗ１、第２の井戸層群Ｗ２が順次積層されている。実施例１の場合と同様に、第１の井戸層群Ｗ１は単一の井戸層Ｗ１１からなり、第２の井戸層群Ｗ２は４層の量子井戸層からなり、第１の半導体層１１の側から順に第１、第２、第３、第４の井戸層Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４からなる。ＭＱＷ発光層１２上には、ｎ−ＧａＮ層１３が設けられている。また、各井戸層Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４の間、井戸層Ｗ１１とｐ−ＡｌＧａＮ層１１との間、井戸層Ｗ２４とｎ−ＧａＮ層１３との間にはＧａＮからなる障壁層ＢＬが設けられている。
【００４２】
ＭＱＷ発光層１２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する。より詳細には、井戸層Ｗ１１は、ＩｎxＧａ1-xＮ層であり、第１〜第４の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４は、井戸層Ｗ１１と同じ層厚を有するＩｎyＧａ1-yＮ層である。ここで、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のＩｎ組成（ｙ）は、井戸層Ｗ１１のＩｎ組成（ｘ）よりも小さい（ｙ＜ｘ）。すなわち、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のバンドギャップ（Ｅｇ２）は井戸層Ｗ１１のバンドギャップ（Ｅｇ１）よりも大きい。換言すれば、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の発光波長λ２は井戸層Ｗ１１の発光波長λ１よりも短波長である（λ２＜λ１）ように構成されている。  また、本実施例においては、基準井戸層である井戸層Ｗ１１の両側に、障壁層ＢＬ（ＧａＮ層）と井戸層Ｗ１１のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有するＩｎｚＧａ１−ｚＮからなる反射緩和層（すなわち、０＜ｚ＜ｘ）３１、３２が設けられている。
【００４３】
より詳細には、井戸層に用いられるＩｎＧａＮはＧａＮに比べて屈折率が高く、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ界面で光の反射が生じる。本実施例のように井戸層と障壁層との間に、これらの中間組成のＩｎＧａＮ層を設けることにより井戸層及び障壁層間の界面での反射を軽減することができる。
【００４４】
具体的には、ＧａＮの屈折率をｎ１、井戸層のＩｎＧａＮの屈折率をｎ２、反射緩和層の屈折率をｎ３とすると、それらの関係は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２である。また、反射率Ｒは、
Ｒ＝（ｎ１−ｎ２）２／（ｎ１＋ｎ２）２        ・・・・式（２）
で表すことができる。
【００４５】
また、井戸層及び障壁層間の反射率をＲ１（％）、井戸層及び反射緩和層間の反射率をＲ２（％）、反射緩和層及び障壁層間の反射率をＲ３（％）とすると、それらの関係は、Ｒ２＜Ｒ１、Ｒ３＜Ｒ１である。また、反射緩和層を設けない場合の光取り出しは、（100−Ｒ１）［％］で、反射緩和層を設けた場合の光取り出しは、（100−Ｒ２）×（100−Ｒ３）［％］で表すことができる。
【００４６】
これらの差をとると、
（100−Ｒ２）×（100−Ｒ３）−（100−Ｒ１）
＝Ｒ１−（Ｒ２＋Ｒ３）＋Ｒ２・Ｒ３／100 ＞ ０      ・・・式（３）
となる。なお、ここで、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの屈折率からの計算範囲では、Ｒ１＞Ｒ２＋Ｒ３である。従って、本実施例のように反射緩和層を設けることにより、光取り出し効率は増大することが確認された。
【００４７】
すなわち、第２の井戸層群の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４からの当該界面での反射が軽減されるので、第２の井戸層群から第１の井戸層群への入射光（励起光）を増大させることができる。また、第１の井戸層群からの順方向（光取り出し方向）の光取り出し効率、及び反射層からの反射光の光取り出し効率を増大させることができる。第１の井戸層群が複数の井戸層からなる場合には、当該複数の井戸層の全てに、且つ各層の両側に反射緩和層を設けるのが好ましい。あるいは、これらのうち少なくとも１つに設けるようにしてもよいが、この場合、第１の井戸層群の他の井戸層とバンドギャップ（発光波長）が同じになるようにする。
【００４８】
図５に示すように、実施例４の改変例として、第２の井戸層群の井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４の全てに、且つ各層の両側に反射緩和層３３、３４を設けても反射軽減効果がある。あるいは、これらのうち少なくとも１つの井戸層に関して設けるようにしてもよい。この場合、第２の井戸層群の他の井戸層とバンドギャップ（発光波長）が同じになるようにする点は上記した通りである。また、実施例４及び上記改変例を組み合わせてもよい。
【００４９】
なお、第１の井戸層群及び第２の井戸層群のバンドギャップ（発光波長）の違いを、Ｉｎ組成の差で得る場合、すなわち井戸層Ｗ１１のＩｎ組成（ｘ）が、井戸層Ｗ２１〜Ｗ２４のＩｎ組成（ｙ）よりも大となるように構成した場合では（ｙ＜ｘ）、第１の井戸層群（井戸層Ｗ１１）での反射が第２の井戸層群での反射よりも大きくなるため、第１の井戸層群（井戸層Ｗ１１）に反射緩和層を設ける方がより有効である。
【００５０】
以上、説明したように、従来のＭＱＷ発光層を用いた場合、各井戸層と反射面との間の間隔が各量子井戸層によって異なることに起因して光取り出し方向（順方向）の光と反射光の位相がずれ、打ち消し合って光強度が弱くなってしまう。しかしながら、本発明によれば、反射面から遠い側にある井戸層群の井戸層発光波長を短波長化し、当該短波長の光によって反射面に近い側の井戸層群の井戸層を励起することによって、ＭＱＷ発光層から位相が揃った発光が反射面に向かって放射される。従って、光取り出し方向に向かう光と反射面からの反射光の位相が強め合い、光取り出し効率が高く、高光出力の高性能な半導体発光素子を提供することができる。
【００５１】
なお、発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に説明したが、他の半導体発光素子にも適用が可能である。すなわち、多重量子井戸層からなる発光層と、量子井戸層に対向する反射面を有するように構成された発光素子にも適用が可能である。
【００５２】
また、上記した実施例における、数値や材料、例えば、半導体層の組成や層厚、ＭＱＷ発光層の井戸層数、発光波長、導電体及び金属層の材料、層厚などは例示に過ぎず、適宜改変することができる。また、上記した実施例を適宜、改変及び組合せてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０  半導体発光素子  １１  第１の半導体層
１２  多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層
１２Ａ  第１の量子井戸構造
１２Ｂ  第２の量子井戸構造
１３  第２の半導体層
１３Ａ  光取り出し面
１５  半導体構造層
１７  光反射層
Ｗ１  第１の井戸層群
Ｗ２  第２の井戸層群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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