(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体構造層の歪、特に活性層のひずみを抑制し、高発光効率かつ高信頼性な発光素子を提供する。【解決手段】ＧａＮ系半導体からなる発光素子１０であって、ｎ型半導体層１３、少なくとも１つのＩｎＧａＮ超格子層を含む超格子構造層１４、活性層１５、ＡｌＧａＮ系半導体層１６及びｐ型半導体層１７が順次積層された構造を有し、ＡｌＧａＮ系半導体層１６とｐ型半導体層１７との界面には凹凸構造１６Ａが形成され、活性層１５は、ＩｎＧａＮ層又はＩｎＧａＮ量子井戸層ＱＷ1〜８であり、ＩｎＧａＮ超格子層ＳＳ１〜４のＩｎ組成は、活性層のＩｎ組成よりも大きい。【選択図】図１
2014183285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系半導体からなる発光素子であって、
ｎ型半導体層、少なくとも１つのＩｎＧａＮ超格子層を含む超格子構造層、活性層、ＡｌＧａＮ系半導体層及びｐ型半導体層が順次積層された構造を有し、
前記ＡｌＧａＮ系半導体層の前記ｐ型半導体層との界面には凹凸構造が形成され、
前記活性層は、ＩｎＧａＮ層又はＩｎＧａＮ量子井戸層であり、
前記ＩｎＧａＮ超格子層のＩｎ組成は、前記活性層のＩｎ組成よりも大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＮ超格子層はＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ：Ｉｎ組成）であり、前記ＡｌＧａＮ系半導体層はＡｌyＧａ1-yＮ層（ｙ：Ａｌ組成）であり、前記Ｉｎ組成（ｘ）及び前記Ａｌ組成（ｙ）は、０．３７≦ｘ≦０．４５、０．１４≦ｙ≦０．２４、及びｘ×ｙ≦０．０９の関係を満たす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Ｉｎ組成（ｘ）及び前記Ａｌ組成（ｙ）は、０．０６≦ｘ×ｙ≦０．０９の関係を満たすことを特徴とする請求項２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、発光素子に関し、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、活性層（発光層）及びｐ型半導体層からなる半導体構造層を形成し、半導体構造層上にｎ電極とｐ電極とを形成して作製される。
【０００３】
特許文献１には、ｎ型窒化物半導体層と活性層との間に電流分散層を有し、ｐ型窒化物半導体層がｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層からなる構造を有する窒化物半導体素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2007-88481号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物系半導体から発光素子を作製する場合、例えば、ｎ型半導体層としてｎ−ＧａＮ層、活性層としてアンドープのＩｎＧａＮ層、ｐ型半導体層としてｐ−ＧａＮ層が用いられる。
【０００６】
また、電流印加時においてｎ−ＧａＮ層から活性層（ＩｎＧａＮ活性層）の全体への電子供給を図る手法として、ｎ−ＧａＮ層とＩｎＧａＮ活性層との間にＩｎＧａＮ層（電流拡散層）を形成することが知られている。
【０００７】
また、電子が活性層を越えてｐ−ＧａＮ層にリークするいわゆるホットエレクトロンのオーバーフローを防止する手法として、例えば、活性層とｐ−ＧａＮ層との間にＡｌＧａＮ層（電子ブロック層）を形成することが知られている。
【０００８】
例えば特許文献１に記載されているように、ｎ−ＧａＮ層と活性層との間及び活性層とｐ−ＧａＮ層との間にそれぞれ電流拡散層及び電子ブロック層を形成すると、上記した効果（それぞれ電流拡散効果及び電子のオーバーフロー抑制効果）を得ることができる。
【０００９】
しかし、その一方で、結晶の格子定数が異なる異種の半導体層を接合するいわゆるヘテロ接合を形成する界面の数が増加し、半導体構造層全体の結晶状態が悪化するという問題が依然として存在する。例えば、格子定数の相違による結晶の歪は、ピエゾ電界の発生及びこれによる電子と正孔（ホール）との再結合確率の低下を招く。従って、発光効率が低下する。また、結晶性の劣化によって素子の信頼性が低下するなどの問題を招来する。
【００１０】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、半導体構造層の歪、特に活性層の歪を抑制し、高発光効率かつ高信頼性な発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による発光素子は、ＧａＮ系半導体からなる発光素子であって、ｎ型半導体層、少なくとも１つのＩｎＧａＮ超格子層を含む超格子構造層、活性層、ＡｌＧａＮ系半導体層及びｐ型半導体層が順次積層された構造を有し、ＡｌＧａＮ系半導体層のｐ型半導体層との界面には凹凸構造が形成され、活性層は、ＩｎＧａＮ層又はＩｎＧａＮ量子井戸層であり、ＩｎＧａＮ超格子層のＩｎ組成は、活性層のＩｎ組成よりも大きいことを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光素子の構造を説明する図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、超格子構造層のＩｎ組成（ｘ）及びＡｌＧａＮ系半導体層のＡｌ組成（ｙ）の好ましい範囲を説明する図である。
【図３】（ａ）は実施例１の半導体発光素子における半導体構造層のバンド図を、（ｂ）は実施例１及び比較例の半導体構造層の歪を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ｎ型半導体層と活性層との間に設ける電流拡散層の組成と、活性層とｐ型半導体層との間に設ける電子ブロック層の組成と、を調節することによって、半導体構造層、特に活性層における結晶の歪の発生を抑制することができることに着目してなされた。その結果、結晶の歪を抑制し、高い発光効率を実現する電流拡散層のＩｎ組成及び電子ブロック層のＡｌ組成の範囲を導出した。
【００１４】
また、本願の発明者は、電子ブロック層の構造が結晶の歪の抑制度合いに影響を与えることを見出した。具体的には、表面に凹凸構造を有するＡｌＧａＮ層によって半導体構造層の歪を低減する効果を得ることができることがわかった。
【００１５】
以下において、本発明の実施例に係る半導体発光素子の構造について具体的に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体発光素子１０の構造を説明する断面図である。半導体発光素子１０は、成長用基板１９上に半導体構造層１１が形成された構造を有している。半導体構造層１１は、成長用基板１９側から、バッファ層１２、ｎ型半導体層１３、超格子構造層１４、活性層１５、ＡｌＧａＮ系半導体層１６及びｐ型半導体層１７が順次積層された構造を有している。
【００１７】
以下においては、成長用基板としてサファイア基板１９、バッファ層としてＧａＮ層１２、ｎ型半導体層としてｎ−ＧａＮ層１３、超格子構造層としてＩｎＧａＮ超格子層及びＧａＮ層から構成された超格子構造（ＳＬ）層１４、活性層としてＩｎＧａＮ井戸層及びＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層１５、ＡｌＧａＮ系半導体としてｐ−ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型半導体層としてｐ−ＧａＮ層１７を用いる場合について説明する。
【００１８】
本実施例においては、結晶成長面がＣ面であるサファイア基板１９上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用い、ＧａＮ層１２（層厚：１μｍ）、ｎ−ＧａＮ層１３（層厚：４μｍ、ドーパント：Ｓｉ、キャリア濃度：５×１０18ｃｍ-3）、超格子構造層１４（アンドープ、ＩｎＧａＮ超格子層の層厚：４ｎｍ、ＧａＮ層の層厚：５ｎｍ、ＩｎＧａＮ超格子層の層数：４）、活性層１５（アンドープ、ＩｎＧａＮ井戸層の層厚：４ｎｍ、ＧａＮ障壁層の層厚：５ｎｍ、ＩｎＧａＮ井戸層の層数：８）、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６（層厚：１５ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ、キャリア濃度：２．２×１０18ｃｍ-3）及びｐ−ＧａＮ層１７（層厚：１００ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ、キャリア濃度：４×１０17ｃｍ-3）を成長した。また、活性層１５のＩｎＧａＮ井戸層がＩｎzＧａ1-zＮ（０．２５≦ｚ≦０．３０）の組成を有するように成長条件を調節した。超格子構造層１４は、ＩｎＧａＮ超格子層のＩｎ組成が、活性層１４のＩｎ組成（ｚ）よりも大きくなるように形成した。
【００１９】
図１（ｂ）は、超格子構造層１４及び活性層１５の詳細を説明する断面図である。図１（ｂ）に示すように、超格子構造層１４は、４層のＩｎＧａＮ超格子層（ＳＳ１〜ＳＳ４）を有し、その各々がＧａＮ層（ＳＢ１〜ＳＢ５）の各々の間に設けられた構造を有している。また、活性層１５は、８層のＩｎＧａＮ井戸層（ＱＷ１〜ＱＷ８）を有し、その各々がＧａＮ障壁層（ＱＢ１〜ＱＢ９）の各々の間に設けられた構造を有している。
【００２０】
具体的には、ｎ−ＧａＮ層１３上に、超格子構造層１４として、ＧａＮ層ＳＢ１、ＩｎＧａＮ超格子層ＳＳ１、ＧａＮ層ＳＢ２、ＩｎＧａＮ超格子層ＳＳ２・・・ＩｎＧａＮ超格子層ＳＢ４及びＧａＮ層ＳＢ５が順次積層されている。超格子構造層１４のＧａＮ層ＳＢ５上には、活性層１５として、ＧａＮ障壁層ＱＢ１、ＩｎＧａＮ井戸層ＱＷ１、ＧａＮ障壁層ＱＢ２・・・ＧａＮ障壁層ＱＢ８、ＩｎＧａＮ井戸層ＱＷ８及びＧａＮ障壁層ＱＢ９が順次積層されている。ＡｌＧａＮ系半導体層１６は、活性層１５のＧａＮ障壁層ＱＢ９上に形成されている。
【００２１】
なお、以下においては、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳ１〜ＳＳ４のいずれかを指すという意味で単にＩｎＧａＮ超格子層ＳＳと称する場合がある。同様に、超格子構造層１４のＧａＮ層ＳＢ１〜ＳＢ５、活性層のＩｎＧａＮ井戸層ＱＷ１〜ＱＷ８及びＧａＮ障壁層ＱＢ１〜ＱＢ９のいずれかを、それぞれＧａＮ層ＳＢ、ＩｎＧａＮ井戸層ＱＷ及びＧａＮ障壁層ＱＢと称する場合がある。
【００２２】
［ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の構造］
ｐ−ＡｌＧａＮ層（ＡｌＧａＮ系半導体層）１６は、そのｐ−ＧａＮ層１７側の表面（ｐ−ＧａＮ層１７との界面）に凹凸構造１６Ａを有している。凹凸構造１６Ａは、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の成長条件を調節することにより形成することができる。具体的には、凹凸構造１６Ａは、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６を成長する際の成長温度、V/III比（III族材料に対するV族材料の供給比率）及びキャリアガス中の水素の割合などを調節することにより形成することができる。
【００２３】
本実施例においては、成長温度を約１０００℃（ＡｌＧａＮを成長する通常の成長温度よりも低い成長温度）とし、V/III比を５０，０００（通常よりも大きなV/III比）とした。また、キャリアガス中の水素の割合（Ｆ）については、ＩＧを不活性ガス（例えばＮ2、Ａｒ、Ｈｅ）とすると、Ｆ＝Ｈ2／（Ｈ2＋ＩＧ）の式で表すことができ、本実施例においてはＦ＝０．２３とした。
【００２４】
ｐ−ＡｌＧａＮ層１６はｐ−ＧａＮ層１７との界面に凹凸構造１６Ａを有しているので、凹凸構造を有しないｐ−ＡｌＧａＮ層を設ける場合に比べて、活性層１５を挟む超格子構造層１４及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６の歪を低減することができる。また、凹凸構造１６Ａの部分すなわちｐ−ＡｌＧａＮ層１６とｐ−ＧａＮ層１７との界面近傍における結晶の歪を抑制することができる。従って、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６が凹凸構造１６Ａを有することによって、半導体構造層１１の歪を抑制することができる。この効果については、図３（ａ）及び（ｂ）を用いて後述する。
【００２５】
ｐ−ＡｌＧａＮ層１６とｐ−ＧａＮ層１７との界面に形成された凹凸構造１６Ａは、ごく微細な凹凸からなり、当該凹凸の深さは約５ｎｍ以下である。また、凹凸構造１６Ａの部分は、他のｐ−ＡｌＧａＮ層１６の部分（凹凸構造１６Ａの部分よりも活性層１５側のｐ−ＡｌＧａＮ層１６の部分）よりもわずかに高いＡｌ組成（約１〜３％）を有している。例えば、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の凹凸構造１６Ａ以外の部分におけるＡｌ組成が２１％であるとき、凹凸構造１６Ａの部分におけるＡｌ組成は２２％〜２４％である。
【００２６】
また、凹凸構造１６Ａは、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の成長面（すなわちＣ面）以外の様々な面方位を有する微細な結晶面（ファセット）が表出したものである。ｐ−ＡｌＧａＮ層１６がこの凹凸構造１６Ａを有することによって、ｐ−ＧａＮ層１７は、この様々な結晶面上に成長されることとなる。このことが、格子不整合の抑制、引いては半導体構造層全体の歪を抑制する効果を奏していると解される。
【００２７】
なお、凹凸構造１６Ａにおける凹凸の形状及び層厚（深さ）は、成長条件を調節することによってある程度制御することができる。凹凸の深さは、凹凸構造１６Ａ上に形成されるｐ−ＧａＮ層１７のモフォロジなどを考慮すると、１〜５ｎｍ、好ましくは２〜３ｎｍであることが好ましい。
【００２８】
なお、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６は、従来技術と同様に、電子ブロック層（電子が活性層からオーバーフローすることを防止する層）として機能する。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の凹凸構造１６Ａは、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６及びｐ−ＧａＮ層１７のドーパントであるＭｇのｐ−ＡｌＧａＮ層１６とｐ−ＧａＮ層１７との間での相互拡散を防止する機能を有していることが確認されている。
【００２９】
［Ｉｎ組成（ｘ）及びＡｌ組成（ｙ）］
次に、超格子構造層１４のＩｎ組成（ｘ）とｐ−ＡｌＧａＮ層１６のＡｌ組成（ｙ）との関係について説明する。以下においては、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳにおけるＩｎ組成を単にＩｎ組成（ｘ）、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６におけるＡｌ組成を単にＡｌ組成（ｙ）と称する場合がある。
【００３０】
まず、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳのＩｎ組成（ｘ）とｐ−ＡｌＧａＮ層１６のＡｌ組成（ｙ）とは、０．０６≦（ｘ×ｙ）≦０．０９（以下、式１と称する）を満たす関係を有している。すなわち、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳ及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６は、式１を満たすような組成を有している。
【００３１】
図２（ａ）は、本実施例に係る半導体発光素子１０における光出力の測定結果を示すグラフである。図２（ａ）は、異なる（ｘ×ｙ）の値を有する超格子構造層及びｐ−ＡｌＧａＮ層を有する半導体発光素子を作製し、当該半導体発光素子のＥＬ（electro luminescence）測定を行った結果を示している。図の横軸は（ｘ×ｙ）の値、縦軸は規格化光出力を示している。図の破線は（ｘ×ｙ）の値と光出力との間の相関関係を表している。
【００３２】
図２（ａ）に示した測定結果から、（ｘ×ｙ）の値が約０．０８の近傍までは光出力が上昇し、０．０９を超えると急激に光出力が低下していることがわかる。従って、（ｘ×ｙ）の値が０．０９以下であれば高い光出力を得ることができることがわかる。さらに、（ｘ×ｙ）の値が０．０６〜０．０９の範囲（ＰＲ）内（図中の閾値ＢＬよりも上の点）であればさらに高い光出力を得ることがわかる。従って、（ｘ×ｙ）の値は（式１）を満たすことが好ましい。以下においては、説明の便宜上、図中における（ｘ×ｙ）の値が０．０９を超えている場合の測定点（図では３点ある）を低光出力点ＬＰと称する。また、（ｘ×ｙ）の値が０．０９以下の場合の測定点を高光出力点ＨＰと称する。
【００３３】
次に、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳのＩｎ組成（ｘ）及びｐ−ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成（ｙ）の各々について説明する。超格子構造層１４は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０．３７≦ｘ≦０．４５）の組成を有するＩｎＧａＮ超格子層ＳＳを有する。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０．１４≦ｙ≦０．２４）の組成を有していることが好ましい。
【００３４】
図２（ｂ）は、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳに含まれるＩｎ組成（ｘ）及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６に含まれるＡｌ組成（ｙ）の好ましい範囲ＰＲを示す図である。図の横軸はＩｎ組成（ｘ）、縦軸はＡｌ組成（ｙ）を示している。図の上部の曲線は（ｘ×ｙ）＝０．０９の式を満たす点の集合を示しており、下部の曲線は（ｘ×ｙ）＝０．０６の式を満たす点の集合を示している。図の三角で示した点は、図２（ａ）における高光出力点ＨＰに対応する。また、図の×印で示した点は図２（ａ）における低光出力点ＬＰに対応する。
【００３５】
図２（ａ）から、（ｘ×ｙ）の値が（式１）を満たすこと、すなわち、図２（ｂ）における上部の曲線と下部の曲線との間の値をとることが条件であることがわかる。しかし、Ｉｎ組成（ｘ）及びＡｌ組成（ｙ）の各々にも超格子構造層１４及びＡｌＧａＮ系半導体層１６の機能を考慮した好ましい範囲が存在する。
【００３６】
超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳのＩｎ組成（ｘ）は、大きくなると格子不整合が大きくなり、小さくなると電流拡散機能が損なわれる。これを考慮すると、超格子構造層１４は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０．３７≦ｘ≦０．４５）の組成を有するＩｎＧａＮ超格子層ＳＳを有することが好ましい。
【００３７】
ＡｌＧａＮ系半導体層１６のＡｌ組成（ｙ）は、大きくなると格子不整合が大きくなり、小さくなると電子ブロック機能が損なわれる。これを考慮すると、ＡｌＧａＮ系半導体層１６は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０．１４≦ｙ≦０．２４）の組成を有していることが好ましい。
【００３８】
これら条件を考慮すると、図２（ｂ）の破線で囲まれた部分（好ましい範囲ＰＲ）に含まれるＩｎ組成（ｘ）及びＡｌ組成（ｙ）を選択することによって、半導体構造層の各層の機能を発揮し、かつ半導体構造層の歪を抑制することができる。
【００３９】
従って、超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳにおけるＩｎ組成（ｘ）及びＡｌＧａＮ系半導体層（ｐ−ＡｌＧａＮ層）１６におけるＡｌ組成（ｙ）は、０．０６≦（ｘ×ｙ）≦０．０９の関係を満たしていることが好ましく、Ｉｎ組成（ｘ）は０．３７≦ｘ≦０．４５、Ａｌ組成（ｙ）は０．１４≦ｙ≦０．２４の範囲内であることがさらに好ましい。なお、好ましい範囲ＰＲ内のＩｎ組成（ｘ）及びＡｌ組成（ｙ）の一例としては、（ｘ、ｙ）＝（０．２１、０．４２）及び（０．３８、０．１８）を挙げることができる。
【００４０】
図３（ａ）は、半導体発光素子１０における半導体構造層１１の部分的なバンド図を模式的に示している。説明のため、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の凹凸構造１６Ａをハッチングによって示している。また、超格子構造層１４及び活性層１５については各層の中間部分を省略してある。
【００４１】
超格子構造層１４のＩｎＧａＮ超格子層ＳＳ、活性層１５のＩｎＧａＮ井戸層ＱＷは、ＧａＮ層（ｎ−ＧａＮ層、ｐ−ＧａＮ層などＧａＮの組成を有する層）よりも小さなバンドギャップを有している。また、ＩｎＧａＮ超格子層ＳＳのＩｎ組成はＩｎＧａＮ井戸層ＱＷのＩｎ組成よりも大きい。従って、電子は、ｎ−ＧａＮ層から、超格子構造層１４において拡散され、活性層１５の全体に供給された後、活性層１５から光を放出する。
【００４２】
ｐ−ＡｌＧａＮ層１６はＧａＮ層よりも大きなバンドギャップを有している。従って、活性層１５に供給された電子はｐ−ＧａＮ層（図示せず）に移動することなく活性層１５内に留まる。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６は凹凸構造１６Ａを有しているので、ｐ型ドーパントのＭｇの拡散を抑制する。従って、供給された電子の大部分を発光に寄与させることができる。
【００４３】
図３（ｂ）は、超格子構造層１４、活性層１５及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６の歪を模式的に示す図である。まず、各層の歪について説明する。図３（ａ）を用いて説明したように、超格子構造層１４及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６は、その各々の機能（電流拡散機能、電子ブロック機能及びドーパント拡散防止機能など）を発揮することができる。しかし、超格子構造層１４及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６は、ＧａＮ層（ｎ−ＧａＮ層及びｐ−ＧａＮ層など）とは格子定数が異なるため、歪が生ずる。
【００４４】
具体的には、Ｇａの一部がＩｎに置換された層であるＩｎＧａＮ超格子層ＳＳを有する超格子構造層１４は、その結晶に圧縮歪が発生する。また、Ｇａの一部がＡｌに置換された層であるｐ−ＡｌＧａＮ層１６は、その結晶に伸張歪が発生する。
【００４５】
この超格子構造層１４及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６の歪は、活性層１５に応力を及ぼし、光出力などの特性を低下させる原因となる。さらに、発光素子の信頼性にも悪影響を及ぼす。
【００４６】
図３（ｂ）は、超格子構造層１４、活性層１５及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６の間の歪の関係を簡略化して説明するための模式的な図である。図３（ｂ）には、超格子構造層１４、活性層１５及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６の各々における概略的な歪が示されている。
【００４７】
図３（ｂ）は、半導体構造層が凹凸構造１６Ａを有するｐ−ＡｌＧａＮ層１６を備える場合（実施例）及び凹凸構造１６Ａを有しない平坦なＡｌＧａＮ層を備える場合（比較例）における半導体構造層の歪（それぞれ実線及び破線）を模式的に示している。図の横軸は積層方向を示しており、図の縦軸は歪の大小を模式的に示している。図の上部ほど圧縮歪であり、図の下部ほど伸張歪である。
【００４８】
図３（ｂ）から分かるように、実施例（実線）においては、超格子構造層１４及びｐ−ＡｌＧａＮ層１６の各々の歪が比較例（破線）に比べて低減されている。従って、本実施例の活性層の歪は比較例の活性層の歪よりも小さい。さらに、凹凸構造１６Ａの部分すなわちｐ−ＡｌＧａＮ層１６とｐ−ＧａＮ層１７との界面近傍の歪が凹凸構造１６Ａによって低減されている。従って、半導体構造層全体の歪が低減され、結晶の信頼性など、素子の特性を向上させることができる。また、発光素子の発光効率が向上する。
【００４９】
上記したように、本実施例に係る半導体発光素子は、活性層のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成よりも高いＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ超格子層からなる超格子構造層を有し、ｐ型半導体層との界面に凹凸構造を有するＡｌＧａＮ系半導体層を有している。従って、電子を活性層の全体に高い効率で供給し、かつ結晶の歪が抑制された半導体構造層を有する高発光効率な半導体発光素子を提供することができる。
【００５０】
また、ＩｎＧａＮ超格子層はＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ：Ｉｎ組成）であり、ＡｌＧａＮ系半導体層はＡｌyＧａ1-yＮ層（ｙ：Ａｌ組成）であり、Ｉｎ組成（ｘ）及びＡｌ組成（ｙ）は、０．３７≦ｘ≦０．４５、０．１４≦ｙ≦０．２４、及びｘ×ｙ≦０．０９（好ましくは０．０６≦ｘ×ｙ≦０．０９）の関係を満たす。従って、半導体構造層の歪、特に活性層の歪を抑制することができる。
【００５１】
なお、上記においては、活性層が多重量子井戸構造を有する場合について説明したが、活性層は単一量子井戸構造又は単層構造を有していても良い。例えば、活性層は、ＩｎＧａＮ層であってもよく、ＩｎＧａＮ量子井戸層であっても良い。また、活性層のＩｎＧａＮ井戸層及びＧａＮ障壁層の組成及び層厚、並びにＩｎＧａＮ井戸層の層数は、発光波長などを考慮して適宜調節することができる。また、ｎ型半導体層、ＡｌＧａＮ系半導体層及びｐ型半導体層の層厚及びドーパント濃度は適宜調節することができる。
【００５２】
また、超格子構造層が４層のＩｎＧａＮ超格子層を有する場合について説明したが、超格子構造層は、少なくとも１層のＩｎＧａＮ超格子層を有していればよい。例えば、超格子構造層は、１つのＩｎＧａＮ超格子層が２つのＧａＮ障壁層に挟まれた構造を有していても良い。また、ＩｎＧａＮ超格子層が４ｎｍの層厚を有する場合について説明したが、ＩｎＧａＮ超格子層の層厚は、電流拡散効果、歪抑制効果などを考慮して、２〜１０ｎｍの範囲内で適宜調節することができる。
【００５３】
また、ＡｌＧａＮ系半導体層の凹凸構造が成長条件を調節することによって形成される場合について説明したが、凹凸構造はＡｌＧａＮ系半導体層の表面にエッチングやスパッタリングなどを用いた既知の粗面化技術によって形成されてもよい。また、ＡｌＧａＮ系半導体層は、表面に凹凸構造を有するＡｌＧａＮ層であればよいため、例えば、まずＡｌＧａＮ系半導体層として平坦なＡｌＧａＮ層を活性層上に形成し、次いで成長条件を変えて凹凸構造を有するＡｌＧａＮ層を形成してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０  半導体発光素子
１１  半導体構造層
１３  ｎ型半導体層
１４  超格子構造層
ＳＳ１〜ＳＳ４  ＩｎＧａＮ超格子層
１５  活性層
ＱＷ１〜ＱＷ８  ＩｎＧａＮ井戸層
１６  ＡｌＧａＮ系半導体層
１６Ａ  凹凸構造
１７  ｐ型半導体層
【図１】
2014183285.tif 000003
【図２】
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【図３】
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