(57)【要約】【目的】  キャリアオーバーフローが抑制され、ＭＱＷ発光層へのキャリア注入効率が高く、高い発光効率並びに温度特性の良好な半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成され、第１の半導体層及び第１の半導体層よりもバンドギャップの大なる組成の第２の半導体層が繰り返し形成された超格子構造層と、超格子構造層の第２の半導体層上に形成された第１の制御層と、第１の制御層上に形成された第２の制御層と、からなる電子注入制御層と、第２の制御層上に形成された、障壁層及び量子井戸層が繰り返し形成されたＭＱＷ発光層と、を有する。第１の制御層は超格子構造層の第２の半導体層よりもバンドギャップの小なる組成を有し、第２の制御層はＭＱＷ発光層の量子井戸層と同一の組成及び層厚、又は、量子井戸層よりバンドギャップが小なる組成及び薄い層厚を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成され、第１の半導体層及び前記第１の半導体層よりもバンドギャップの大なる組成の第２の半導体層が繰り返し形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の前記第２の半導体層上に形成された第１の制御層と、前記第１の制御層上に形成された第２の制御層と、からなる電子注入制御層と、
前記第２の制御層上に形成された、障壁層及び量子井戸層が繰り返し形成されたＭＱＷ発光層と、を有し、
前記第１の制御層は前記超格子構造層の前記第２の半導体層よりもバンドギャップの小なる組成を有し、前記第２の制御層は前記ＭＱＷ発光層の前記量子井戸層と同一の組成及び層厚を有するか、又は、前記ＭＱＷ発光層の前記量子井戸層よりバンドギャップが小なる組成及び薄い層厚を有する、半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の制御層は前記ＭＱＷ発光層の前記障壁層よりもバンドギャップの小なる組成を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型半導体層及び前記超格子構造層はＧａＮ系半導体からなり、前記第１の制御層は前記超格子構造層の前記第２の半導体層よりも大なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ系半導体からなる請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＭＱＷ発光層はＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造からなる請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の制御層の層厚（Ｌｃｂ）が前記ＭＱＷ発光層の前記障壁層の層厚（Ｌｂ）よりも大なる場合（Ｌｃｂ＞Ｌｂ）、前記第１の制御層のＩｎ組成（ｙ１）は前記ＭＱＷ発光層の前記障壁層のＩｎ組成ｚ１よりも大きい（ｙ１＞ｚ１）ことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１の制御層のＩｎ組成は２〜１０％であり、層厚は１０ｎｍ以下である請求項３ないし５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）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：Light Emitting Diode）に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光素子における発光効率等の発光特性を向上するために、発光層に多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を採用することが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１〜５には、発光特性を向上するためのＭＱＷ層やガイド層等の種々の構造について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４２５１２号公報
【特許文献２】特許４４４１５６３号公報
【特許文献３】特許４２０６０８６号公報
【特許文献４】特許４１６１６０３号公報
【特許文献５】特開２００２−１７６１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、窒化物半導体を用いた発光ダイオードが様々な分野に活用されている。それらの応用のうち、例えば自動車用の灯具など、室内照明などの通常のＬＥＤよりも過酷な環境下での使用が求められる。具体的には、高温（７０℃程度）において室温と遜色の無い、温度特性の良好な発光特性が求められる。
【０００６】
ところで、一般的にＬＥＤ等の半導体発光素子は、動作温度が上昇した場合、発光出力が低下する。このような発光出力の低下は、キャリアオーバーフローによる電子−ホール再結合効率の低下、結晶内の欠陥によるキャリア捕獲確率の上昇、キャリア注入効率の減少などによる。
【０００７】
このような物理的現象による発光効率の低減を抑制し、高発光効率を維持しながら温度特性が良好な、すなわち、高温動作時においても発光効率、発光出力の低下の少ない半導体発光素子が求められている。
【０００８】
本発明は、ＭＱＷ発光層を用いたＬＥＤ、ＬＤ（Laser Diode）等の半導体発光素子であって、キャリアオーバーフローが抑制され、発光層へのキャリア注入効率が高く、高い発光効率並びに温度特性の良好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】
【０００９】
本発明の半導体発光素子は、
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成され、第１の半導体層及び前記第１の半導体層よりもバンドギャップの大なる組成の第２の半導体層が繰り返し形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の前記第２の半導体層上に形成された第１の制御層と、前記第１の制御層上に形成された第２の制御層と、からなる電子注入制御層と、
前記第２の制御層上に形成された、障壁層及び量子井戸層が繰り返し形成されたＭＱＷ発光層と、を有し、
前記第１の制御層は前記超格子構造層の前記第２の半導体層よりもバンドギャップの小なる組成を有し、前記第２の制御層は前記ＭＱＷ発光層の前記量子井戸層と同一の組成及び層厚を有するか、又は、前記ＭＱＷ発光層の前記量子井戸層よりバンドギャップが小なる組成及び薄い層厚を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である半導体構造層１０の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】半導体構造層１０のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムである。
【図３】第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂが５．４ｎｍ及び６．７ｎｍの場合について、第１の制御層のＩｎ組成ｙ１に対する光出力の温度特性をプロットしたグラフである。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂが薄い場合及び厚い場合のそれぞれのバンドダイアグラムを模式的に示す図である。
【図５】第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成ｙ１に対する光出力のロールオフ比（％）を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、ＳＬＳ層１３の最終層が井戸層１３Ｗであり、それぞれそのＩｎ組成が第１の制御層１５ＢのＩｎ組成よりも大である場合及び小である場合のバンドダイアグラムを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
一般的に、ＬＥＤ等の半導体発光素子は動作温度が上昇した場合、発光出力が低下する。この理由は幾つかあり、（ｉ）キャリアである電子がｐ型領域にオーバーフローしやすくなり、電子−ホール再結合効率が低下する、（ｉｉ）結晶内の欠陥にキャリアが捕獲される確率が上がり、発光に寄与するキャリアが減少する、（ｉｉｉ）キャリアの注入効率が室温動作時と比べて変化する、ことなどが考えられ、特に（ｉ）に起因する割合が大きいと考えられる。
【００１３】
次に、（ｉ）の要因についてより深く考察する。温度が上昇すると、半導体中のキャリア濃度は増加することが一般的に知られている。すなわち、ｎ型半導体中においてはキャリアである電子が増加し、ｐ型半導体中においてはホールが増加する。増加したキャリアはそれぞれ発光層に流れ込むが、増加した分、発光層を通り過ぎる量が増えてくる。特に有効質量が小さい電子はこの現象が顕著であり、これが電子オーバーフロー現象を導くと考えられる。つまり、温度が上昇し増加するキャリアを効率よく発光層に導ければ、オーバーフロー現象を低減させることができ、結果的に温度特性を向上させることができる。しかも発光層に多くのキャリアを誘導させることができるため、発光効率も上げることができると考えられる。本発明者は、このような考えに基づき、温度特性と発光効率を同時に向上させることが可能な構造を見出した。
【００１４】
図１は、本発明の発光素子における半導体構造層１０の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、半導体構造層１０は、ｎ型半導体層１１、超格子構造（ＳＬＳ：Super Lattice Structure）層１３、電子注入制御層１５、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層（以下、ＭＱＷ発光層という。）１７、電子ブロック（ＥＢＬ）層１８、ｐ型半導体層１９がこの順で順次積層された構成を有している。
【００１５】
図２は半導体構造層１０のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムであり、ＣＢは伝導帯、ＶＢは価電子帯を示している。図２を参照して、ＳＬＳ層１３、電子注入制御層１５、ＭＱＷ発光層１７のバンド構造について詳細に説明する。
【００１６】
なお、本明細書において、半導体層のバンドギャップは、その組成の半導体結晶のバンドギャップ、すなわち量子効果を生じない程の層厚を有する半導体層（いわゆる、バルク）のバンドギャップをいう。従って、量子効果を生じる程の層厚を有する半導体層については、当該半導体層のバンドギャップは、当該半導体層の量子準位間エネルギーとは異なる。
【００１７】
ＳＬＳ層１３は、第１の半導体層１３Ｗ（バンドギャップ：Ｅｓｗ）及び第１の半導体層１３Ｗよりもバンドギャップの大なる組成（Ｅｓｂ）の第２の半導体層１３Ｂが繰り返し形成された超格子構造を有している。なお、ＳＬＳ層１３は第２の半導体層１３Ｂで終端している。
【００１８】
ＳＬＳ層１３の最終層である第２の半導体層１３Ｂ上には、第１の制御層１５Ｂ及び第２の制御層１５Ｗからなる電子注入制御層（ＣＬ）１５が形成されている。より詳細には、第１の制御層１５ＢはＳＬＳ層１３の第２の半導体層１３Ｂ（バンドギャップ：Ｅｓｂ）よりもバンドギャップの小なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｂ）を有し、また、層厚Ｌｃｂを有している。そして第１の制御層１５Ｂ上には、第２の制御層１５Ｗ（層厚Ｌｃｗ）が形成されている。
【００１９】
また、電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗ上には、障壁層１７Ｂ及び量子井戸層１７Ｗが繰り返し形成されたＭＱＷ発光層１７が形成されている。ＭＱＷ発光層（MQW-act）１７の各障壁層１７Ｂは同一組成（バンドギャップ：Ｅａｂ）及び同一層厚（Ｌｂ）を有し、量子井戸層１７Ｗの各々は同一組成（バンドギャップ：Ｅａｗ）及び同一層厚（Ｌｚ）を有している。そして、上記した電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗの組成（バンドギャップ：Ｅｃｗ）はＭＱＷ発光層１７の量子井戸層１７Ｗと同一組成（すなわち、Ｅｃｗ＝Ｅａｗ）であり、量子井戸層１７Ｗと同一層厚（層厚Ｌｃｗ＝Ｌｚ）を有している。なお、電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗは、組成がＭＱＷ発光層１７の量子井戸層１７Ｗよりバンドギャップが小となる組成であって、かつ、量子井戸層１７Ｗの層厚より層厚が小さくてもよい。このようにしても、電子注入制御層１５から量子井戸層１７Ｗへの電子注入の機能はさほど変わらない。
【００２０】
電子注入制御層１５は、ＳＬＳ層１３から注入された電子のＭＱＷ発光層１７への注入効率を制御、すなわち電子の注入抑制又は向上を行う層として機能する。より詳細には、ＳＬＳ層１３から注入された電子を減速して、電子のオーバーフローを抑制し、ＭＱＷ発光層１７の各量子井戸層１７Ｗへの注入効率を向上させる。
【実施例１】
【００２１】
以下に、本発明の実施例１について説明する。実施例１である半導体構造層１０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。より詳細には、半導体構造層１０を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）を製作し、その発光特性について評価を行った。
【００２２】
結晶成長用基板として、表面がｃ面の２インチ円形のサファイア単結晶基板を用い、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相堆積法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用い、当該基板上にＬＥＤ構造層である半導体構造層１０を成長した。
【００２３】
まず、低温ＧａＮ緩衝層を成長し、その上に半導体構造層１０を成長した。半導体構造層１０は、ｎ−ＧａＮ層１１、ＳＬＳ層１３、電子注入制御層１５、ＭＱＷ発光層１７、ｐ−ＧａＮ層１９がこの順で順次積層された構成を有している。
【００２４】
ＳＬＳ層１３は、ＩｎxＧａ1-xＮ層１３Ｗ及びＧａＮ層１３Ｂが交互に繰り返し形成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を有している。
【００２５】
ＳＬＳ層１３の最終層のＧａＮ層１３Ｂ上には、Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層（第１の制御層）１５Ｂが形成され、Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層１５Ｂ上には、Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層（第２の制御層）１５Ｗが形成されている（０＜ｙ１＜ｙ２＜１）。第１の制御層１５Ｂ及び第２の制御層１５Ｗによって電子注入制御層（以下、単に制御層ＣＬともいう。）１５が形成されている。
【００２６】
より詳細には、電子注入制御層（ＣＬ）１５の第１の制御層（バリア層）であるＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層１５ＢはＳＬＳ層１３の最終層のＧａＮ層１３Ｂ（バンドギャップ：Ｅｓｂ）よりもバンドギャップの小なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｂ）を有している。また、Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層１５Ｂは層厚Ｌｃｂを有し、Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層１５Ｗは層厚Ｌｃｗを有している。
【００２７】
また、電子注入制御層１５の第２の制御層（ウエル層）であるＩｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層１５Ｗ上には、ＭＱＷ発光層１７の障壁層１７Ｂが形成され、障壁層１７Ｂ上には量子井戸層１７Ｗが形成され、これら障壁層１７Ｂ及び量子井戸層１７Ｗが繰り返し形成されてＭＱＷ発光層１７を構成している。障壁層１７ＢはＩｎz1Ｇａ1-z1Ｎ層であり、量子井戸層１７ＷはＩｎz2Ｇａ1-z2Ｎ層であり、０≦ｚ１＜ｚ２＜１である。ＭＱＷ発光層１７において障壁層１７Ｂの各々は同一組成及び同一層厚（Ｌｂ）を有し、量子井戸層１７Ｗの各々は同一組成及び同一層厚（Ｌｚ）を有している。
【００２８】
そして、上記した電子注入制御層１５のＩｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層１５Ｗの組成（Ｉｎ組成＝ｙ２）はＭＱＷ発光層１７の量子井戸層であるＩｎz2Ｇａ1-z2Ｎ層１７Ｗと同一組成（すなわち、ｙ２＝ｚ２）とし、かつ、量子井戸層１７Ｗと同一層厚（層厚Ｌｃｗ＝Ｌｚ）とした。
【００２９】
電子注入制御層１５は、ＳＬＳ層１３から注入された電子のＭＱＷ発光層１７への注入効率を制御する層として機能する。より詳細には、ＳＬＳ層１３はｎ−ＧａＮ層１１から注入された電子を減速し、電子注入制御層１５は、ＳＬＳ層１３から注入された電子をさらに減速して、電子のオーバーフローを抑制し、ＭＱＷ発光層１７の各量子井戸層１７Ｗへの注入効率を向上させる。
【００３０】
より詳細には、ＳＬＳ層１３の最終層をＧａＮ障壁層としている。これは、ＳＬＳ層１３はｎ−ＧａＮ層１１とＭＱＷ発光層１７の格子不整合を緩和する役割を果たすが、同時にｎ−ＧａＮ層１１から流入する電子を減速し、結晶面内方向の電流拡散を促進させる役割も担う。また、これによりキャリア（電子）注入制御の効果を効率よく発現させることができる。なお、ＳＬＳ層１３にはｎ型ドーピングをしても良いし、アンドープでも良い。本実施例ではドーピングは行っていない。
【００３１】
また、電子注入制御層１５はアンドープでも良いし、あるいはｎ型ドーピングをしても良い。本実施例では、第１の制御層であるＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層１５Ｂには３×１０18ｃｍ-3の濃度でドープし、第２の制御層であるＩｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層１５Ｗはアンドープとした。また、Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層１５ＢのＩｎ組成（ｙ１）や層厚を変化させ電子注入制御の効果について調べた。なお、上記したように、Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層１５Ｗの組成はＭＱＷ発光層１７の量子井戸層１７Ｗと同一組成（すなわち、ｙ２＝ｚ２）とし、また層厚も量子井戸層１７Ｗと同一層厚（層厚Ｌｃｗ＝Ｌｚ）とした。
【００３２】
また、ＭＱＷ発光層１７の量子井戸層１７Ｗの層厚を４ｎｍ（ナノメートル）とし、障壁層１７Ｂの層厚を６ｎｍとした。ＭＱＷ発光層１７は、９層の量子井戸層１７Ｗを有し、障壁層１７Ｂを最終層とした。なお、量子井戸層（Ｉｎz2Ｇａ1-z2Ｎ層）１７ＷのＩｎ組成は発光波長が４５０ｎｍとなるように調整した。なお、ＭＱＷ発光層１７にドーピングを行うことが望ましい。実施例においては、ＭＱＷに適宜ドーピングを行った。ドーピング量は１×１０18〜３×１０19ｃｍ-3程度である。
【００３３】
そして、ＭＱＷ発光層１７の最終層の障壁層１７Ｂ上に電子ブロック（ＥＢＬ）層１８を形成し（層厚１５ｎｍ）、電子ブロック（ＥＢＬ）層１８上にｐ−ＧａＮ層（ｐ−クラッド層）１９を形成した。なお、ｐ−ＧａＮ層１９上にコンタクト層として作用するｐ−ＧａＮ層（図示しない）を形成した。
【００３４】
最後に、ｎ−ＧａＮ層１１及びｐ−ＧａＮ層１９にそれぞれｎ電極及びｐ電極を形成してＬＥＤ素子を作製した。
【００３５】
［評価結果］
上記したＬＥＤ素子の光出力の温度特性評価を行った。具体的には、電子注入制御層１５の第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成（ｙ１）及び層厚を変化させたＬＥＤ素子サンプルを作製した。そして、ＬＥＤ素子の動作温度を変化させ、一定電流を流した時の輝度（光出力）を比較することによって特性評価を行った。より詳細には、ＬＥＤ素子をペルチェ素子上に載置し、２５℃及び７０℃でＬＥＤ素子の温度を安定させた状態で光出力の測定を行い、温度特性を評価した。
【００３６】
図３は、第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂを５．４ｎｍ及び６．７ｎｍとし、第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成（ｙ１）を０〜８％（ｙ１＝０〜０．０８）の範囲で変化させた場合の光出力の温度特性をプロットしたグラフである。なお、光出力は規格化した任意単位（a.u.）として示している。
【００３７】
図３を参照すると、全体的な傾向として、動作温度を２５℃から７０℃に上昇させると、光出力が低下する。温度上昇によって半導体中のキャリアが増加し、キャリア（電子）のオーバーフロー現象が顕著になっていることを示唆している。
［第１の制御層のＩｎ組成及び層厚］
まず、第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成が０（ｙ１＝０）の場合、すなわちＳＬＳ層１３の最終層であるＧａＮ障壁層と同一組成の場合、Ｉｎ組成ｙ１＞０の場合に比べて光出力は低くなっていることが分かる。これは、キャリアオーバーフローによって電子注入制御層１５に近い側のＭＱＷ発光層１７の量子井戸層１７Ｗへの電子注入が低く、発光への寄与が小さいことが要因と考えられる。
【００３８】
一方、第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成（ｙ１）を増加させていくと、徐々に光出力は増加し、第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂが５．４ｎｍの場合ではＩｎ組成が３．５％（ｙ１＝0.035）のときに光出力が最大となり、層厚Ｌｃｂが６．７ｎｍの場合ではＩｎ組成が６．４％（ｙ１＝0.064）のときに光出力が最大となっている。これは、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成が０（ｙ１＝０）の場合、すなわちＳＬＳ層１３の最終層であるＧａＮ障壁層と同一組成の場合に比べて１５％の光出力の向上に相当する。また、光出力が最大となるＩｎ組成ｙ１の最適値以上では光出力は徐々に減少する。Ｉｎ組成が最適ゾーン以上においては、電子注入制御層１５に近い側にある量子井戸層１７Ｗが電子過多の状態になり、その分、電子注入制御層１５から遠い側にある量子井戸層１７Ｗへの電子注入が減少するからであると考えられる。
【００３９】
第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚ＬｃｂによってＩｎ組成ｙ１の最適ゾーンが異なっている。この点について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂが薄い場合及び厚い場合のバンドダイアグラムを模式的に示す図である。
（ｉ）第１の制御層１５Ｂの層厚Ｌｃｂが薄い場合（図４（ａ））
この場合、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成ｙ１は比較的小さい方が良い。すなわちバンドギャップは大きい方が良い。Ｉｎ組成が大きい場合（例えば、図中に破線で示す）、電子注入制御層１５からＭＱＷ発光層１７への電子誘導の機能が強くなり、電子注入制御層１５の第２の制御層（ウエル層：Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層）１５Ｗ、及びＭＱＷ発光層１７の井戸層のうち電子注入制御層１５に近い側にある量子井戸層１７Ｗが容易に電子で満たされてしまう。他方、電子注入制御層１５から離れた側にある量子井戸層１７Ｗへの電子誘導の機能が低くなるからである。具体的には、第１の制御層１５Ｂが６ｎｍ以下の場合、好ましいＩｎ組成は１〜６％程度である。更に好ましくは、２〜５％程度である。
（ｉｉ）第１の制御層１５Ｂの層厚Ｌｃｂが厚い場合（図４（ｂ））
この場合、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成ｙ１は比較的大きい方が良い。すなわちバンドギャップは小さい方が良い。Ｉｎ組成が小さいと（例えば、図中に破線で示す）、電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗ近傍のエネルギーポテンシャルが高く、第２の制御層１５Ｗ及び電子注入制御層１５に近い側にある量子井戸層１７Ｗに効率よくキャリア（電子）を誘導できなくなるためである。具体的には、第１の制御層１５Ｂの層厚Ｌｃｂが６〜１２ｎｍ程度の場合、好ましいＩｎ組成は４〜１２％程度である。更に好ましくは、５〜８％程度である。
【００４０】
［温度特性］
次に、動作温度を７０℃に上昇させた場合の結果について考察する。動作温度を上昇させると発光効率は低下するが、その低下の程度には違いが見られる。図５は、第１の制御層（Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成ｙ１に対し、光出力のロールオフ比（％）を示している。ここで、ロールオフ比ＲＯ（％）は、動作温度２５℃及び７０℃の光出力をそれぞれＰｏ（２５℃）及びＰｏ（７０℃）としたとき、ＲＯ（％）＝Ｐｏ（７０℃）／Ｐｏ（２５℃）×100％で表される。具体的には、このロールオフ比ＲＯ（％）が高いほど、高温における光出力の低下が少ないことを意味する。
【００４１】
図５から、第１の制御層１５Ｂの層厚Ｌｃｂが６．７ｎｍのとき、Ｉｎ組成ｙ１が６．４％でロールオフ比ＲＯが９１％となっており、このロールオフ比ＲＯが最大となるＩｎ組成の領域は光出力が最大となる領域（図３）と一致する結果となっている。
【００４２】
また、Ｉｎ組成ｙ１がごく小さいとき（例えば、１％以下）、温度特性は比較的良好に見える。組成の増加によりロールオフ比ＲＯ（％）は緩やかに減少するが、最適領域（ゾーン）に入ると温度特性は最良となり、その後また減少する。Ｉｎ組成ｙ１がごく小さい領域において温度特性が比較的良好に見えるが、図３に示したように、この領域では光出力が低い。このため、発光効率（光出力）と温度特性を両立させる観点から、良好な領域とは言えない。
【００４３】
これらの結果によれば、電子注入制御層１５が無い場合に比べ、最適ゾーンのＩｎ組成の電子注入制御層１５（第１の制御層１５Ｂ）を有するものは、温度特性に関して１．１％優位性があり、電子注入制御層１５を有した状態でＩｎ組成最適ゾーン以外の場合に対して、３．３％の優位性がある。
【００４４】
すなわち、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成を最適ゾーンに制御することで、電子注入制御層１５が効果的に機能し、キャリア（電子）のオーバーフロー現象を低減していると考えられる。また、温度が上がったとき、電子だけでなく、ホールも増加しており、ＭＱＷ発光層１７の井戸層のうち電子注入制御層１５に近い側（ｐ型半導体層から遠い側）の量子井戸層１７Ｗまで注入されるホール量が増加することも、高温動作時に発光効率低下を抑制するように機能していると考えられる。
【００４５】
以上より、光出力特性についての結果（図３）とあわせると、電子注入制御層１５の第１の制御層１５ＢのＩｎ組成を制御することによって、発光出力の向上と温度特性の向上を同時に実現できることが明らかになった。
【００４６】
これらの観点から、第１の制御層のＩｎ組成は２〜１０％の範囲内であり、層厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
第１の制御層１５Ｂの層厚ＬｃｂがＭＱＷ発光層１７の障壁層１７Ｂの層厚Ｌｂよりも大なる場合（Ｌｃｂ＞Ｌｂ）、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成ｙ１はＭＱＷ発光層１７の障壁層１７ＢのＩｎ組成ｚ１よりも大きい（ｙ１＞ｚ１）、すなわち第１の制御層１５ＢのバンドギャップがＭＱＷ発光層１７の障壁層１７Ｂのバンドギャップよりも小さいことが好ましい。
【００４８】
［発光効率及び温度特性向上のメカニズム］
発光効率は、ＭＱＷ発光層１７の井戸層のうち、ｎ型半導体層（ｎ−ＧａＮ層１１、ＳＬＳ層１３）に近い側（前半部分）の量子井戸層１７Ｗに注入される電子及びホールの量のバランスに律速される。なお、電子に比べてホールの有効質量は大きいので、ｎ型半導体層に近い側（ＭＱＷ発光層１７の前半部分）の量子井戸層１７Ｗに存在するホール量は一定と考えることができる。
（ｉ）第１の制御層１５ＢのＩｎ組成がゼロのとき、ｎ型半導体層から来る電子が当該前半部分の量子井戸層１７Ｗに効率よくトラップされない。それにより、当該前半部分の量子井戸層１７Ｗからの発光効率が低く、光出力が小さい。
（ｉｉ）Ｉｎ組成の増加に伴い、前半部分の量子井戸層１７Ｗへの電子誘導効果が働きだし、当該前半部分の量子井戸層１７Ｗからの発光量が増加していく。それによりＭＱＷ発光層１７全体としての発光効率が向上する。
（ｉｉｉ）最適なＩｎ組成ゾーンを過ぎると、ＭＱＷ発光層１７の前半部分の量子井戸層１７Ｗが電子過多の状態になる。そうなると、当該前半部分の量子井戸層１７Ｗに注入されているホール量では足りなくなり、電子がホールに対して過剰となる。すると、その分、ＭＱＷ発光層１７の井戸層のうち、ｎ型半導体層から遠い側（ＭＱＷ発光層１７の後半部分）の量子井戸層１７Ｗへの電子注入が減少することで結果的に発光効率は低下する。
【００４９】
温度特性は、バンド図（図２）から直感的に理解できるが、ＳＬＳ層１３の最終層であるＧａＮ障壁層上に当該ＧａＮ障壁層よりもバンドギャップの小さなＩｎＧａＮ層が入ることにより、ｎ型半導体層から流れ込む電子を第２の制御層１５Ｗ及び量子井戸層１７Ｗに効率よく誘導することができる。すると、オーバーフローに寄与していた電子の割合が減少し、オーバーフロー現象が低減される。その結果、高温動作においても発光効率が低下しにくくなり、温度特性が向上する。
［ＳＬＳ層］
（ｉ）ＳＬＳ層１３上に直接電子注入制御層１５を設ける理由
ＳＬＳ層１３のInGaN/GaN多層膜はｎ型半導体層（ｎ−ＧａＮ層１１）から流入する電子を減速する役割を担う。InGaN/GaN多層膜は電子拡散層として用いられているように、多層膜に垂直方向への電子の流れを抑制する作用を有する。もし、ＳＬＳ層が存在せず、ｎ−ＧａＮ／電子注入制御層／ＭＱＷ発光層の積層構造にした場合、ｎ−ＧａＮ層からの電子の流れが強く、ＭＱＷ発光層の量子井戸層のうち電子注入制御層１５に近い側にある量子井戸層１７Ｗに電子を誘導する効果が発現し難くなる。
（ｉｉ）ＳＬＳ層１３の最終層が障壁層である理由
結晶成長の面から考えたとき、通常、ＳＬＳ層は最後の層を障壁層（ＧａＮ）で終了させる。なぜなら、ＩｎＧａＮで終了する場合、成長温度が高温なので、ＭＱＷ発光層の成長温度に変化させる間に表面からＩｎ抜けが起こり、結晶性が保たれなくなってしまうから。一方、そのような問題を無視し、仮にＳＬＳ井戸層と電子注入制御層を継ぐ構造を実現した時について言及すると、以下の２つの場合が想定される。
【００５０】
図６（ａ）は、ＳＬＳ層１３の最終層が井戸層１３Ｗであり、そのＩｎ組成が第１の制御層１５ＢのＩｎ組成よりも大である場合のバンドダイアグラムを模式的に示す図である。この場合、電子がＳＬＳ井戸層１３Ｗと第１の制御層１５Ｂとの間に蓄積し、ＭＱＷ発光層の量子井戸層への電子誘導の働きが弱まる。この場合、オーバーフローの抑制はできるが、非発光キャリアが増加するため、発光効率は低下する。この現象は、発光に寄与する電子をＭＱＷ発光層の前半部の量子井戸層に誘導させ、発光効率を維持又は向上させつつ、オーバーフローを抑制して温度特性を上げる働きを満たさない。また、これはＳＬＳの代わりに、第１の制御層１５ＢよりＩｎ組成の大きなＩｎＧａＮ厚膜を用いても同じことが言える。
【００５１】
図６（ｂ）は、ＳＬＳ層１３の最終層が井戸層１３Ｗであり、そのＩｎ組成が第１の制御層１５ＢのＩｎ組成よりも小である場合のバンドダイアグラムを模式的に示す図である。当該条件を満たすＩｎ組成の範囲は非常に狭い。即ち、ＳＬＳ層１３の井戸層１３ＷのＩｎ組成が１〜８％程度で、かつ第１の制御層１５ＢのＩｎ組成がそれ以上のときである。この条件のとき、ＳＬＳ層１３の井戸層及び障壁層間のエネルギー差は小さく、ｎ−ＧａＮ層１１からの電子を減速する作用は小さい。すなわち、ＭＱＷ発光層の量子井戸層へ電子を誘導する効果が発現しなくなり、オーバーフローの抑制が効かず、温度特性を向上する効果が出ない。
【００５２】
以上説明したように、超格子構造層の障壁層上に形成された電子注入制御層の第１の制御層の組成（バンドギャップ）を調整することによって、電子のオーバーフローが抑制され、電子注入制御層の第２の制御層及びＭＱＷ発光層への電子注入を調整することができることが明らかになった。従って、高い発光効率及び温度特性の向上が得られることが明らかになった。
【００５３】
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。
また、半導体構造層１０がＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる場合について説明したが、結晶系はこれに限定されない。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】
【００５４】
１０  半導体構造層
１１  ｎ型半導体層
１３  超格子構造層
１５  電子注入制御層
１５Ｂ  第１の制御層
１５Ｗ  第２の制御層
１７  ＭＱＷ発光層
１９  ｐ型半導体層
【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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【図６】
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