(57)【要約】【課題】半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１００上に形成されたｎ型コンタクト層２００と、ｎ型コンタクト層２００上に形成され、二つ以上の量子ウェル層と二つ以上の障壁層とから構成された活性層２５０と、活性層２５０上に形成されたｐ型コンタクト層３００と、を備え、量子ウェル層のエネルギーバンドギャップは、ｎ型コンタクト層２００に近いほど大きく、及び／または量子ウェル層の厚さは、ｎ型コンタクト層２００に近いほど薄く、及び／または障壁層のエネルギーバンドギャップは、ｎ型コンタクト層２００に近いほど大きいことを特徴とする半導体発光素子である。【選択図】図３
2008103711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層上に形成され、二つ以上の量子ウェル層と二つ以上の障壁層とを備える活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型コンタクト層と、
を備え、
前記量子ウェル層と前記障壁層のうち少なくとも一つのエネルギーバンドギャップと層の厚さのうち少なくとも一つは、前記ｎ型コンタクト層からの距離に依存して異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層に備えられる量子ウェル層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記量子ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．５）であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記量子ウェル層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ないことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない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】
前記量子ウェル層の厚さは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど薄いことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄いことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層に備えられる障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦０．１）であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記障壁層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ないことを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ｎ型コンタクト層に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ないことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記活性層と前記ｐ型コンタクト層との間に電子遮断層がさらに備えられることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記活性層に備えられる量子ウェル層の厚さは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど薄いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄いことを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記量子ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．５）であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記量子ウェル層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ないことを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ないことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記活性層に備えられる障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きいことを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦０．１）であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記障壁層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ないことを特徴とする請求項１９に記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
前記ｎ型コンタクト層に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ないことを特徴とする請求項２０に記載の半導体発光素子。
【請求項２２】
前記活性層と前記ｐ型コンタクト層との間に電子遮断層がさらに備えられることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項２３】
前記活性層に備えられる障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項２４】
前記障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦０．１）であることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
【請求項２５】
前記障壁層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ないことを特徴とする請求項２４に記載の半導体発光素子。
【請求項２６】
前記ｎ型コンタクト層に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ないことを特徴とする請求項２５に記載の半導体発光素子。
【請求項２７】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄いことを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
【請求項２８】
前記活性層に備えられる量子ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．５）であることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
【請求項２９】
前記量子ウェル層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ないことを特徴とする請求項２８に記載の半導体発光素子。
【請求項３０】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ないことを特徴とする請求項２９に記載の半導体発光素子。
【請求項３１】
前記活性層と前記ｐ型コンタクト層との間に電子遮断層がさらに備えられることを特徴とする請求項２３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、半導体素子に係り、さらに詳細には、分極電荷の影響を減らした半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤと記載する）及びレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＤと記載する）から放出される光の色は、使われる化合物半導体によって変わる。窒化物系化合物半導体が使われた発光素子は、主に青色または紫色光を放出する。
【０００３】
一般的に、ＬＥＤ及びＬＤのような発光素子は、電流を光に変える活性層を備える。前記活性層は、量子ウェル層と障壁層とが積層された構造を有し、前記量子ウェル層は、単一量子ウェル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）構造または多重量子ウェル（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を有する。多重量子ウェル構造は、少ない電流でも効率的に発光を起こすため、多重量子ウェル構造を有する発光素子の発光効率は、単一量子ウェル構造を有する発光素子の発光効率よりも高い。
【０００４】
図１は、従来の発光素子の多重量子ウェル構造を有する活性層のエネルギーバンド図であり、前記活性層にキャリアが注入される前の状態を示す。
【０００５】
図１を参照すれば、活性層のエネルギーバンドは、四つの障壁層エネルギーバンドＢＥ１、ＢＥ２、ＢＥ３、ＢＥ４とこれらの間に介在された三つの量子ウェル層エネルギーバンドＱＷＥ１、ＱＷＥ２、ＱＷＥ３とから構成されている。量子ウェル層エネルギーバンドＱＷＥ１、ＱＷＥ２、ＱＷＥ３は、障壁層エネルギーバンドＢＥ１、ＢＥ２、ＢＥ３、ＢＥ４により互いに分離されている。ｎ型およびｐ型コンタクト層は図示してはいないが、図面の左側は、ｎ型コンタクト層が存在する方向であり、右側は、ｐ型コンタクト層が存在する方向である。図面符号Ｅｃ及びＥｖは、それぞれ伝導帯の最も低いエネルギー準位及び価電子帯の最も高いエネルギー準位を示す。
【０００６】
しかし、ｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層に電圧が印加される前、すなわち、活性層にキャリア（電子及び正孔）が注入される前、量子ウェル層及び障壁層のエネルギーバンドＱＷＥ１、ＱＷＥ２、ＱＷＥ３、ＢＥ１、ＢＥ２、ＢＥ３、ＢＥ４は、図１に示すように歪曲されている。このような歪曲は、窒化物系化合物半導体の固有の特性に起因したものであり、量子ウェル層と障壁層との界面に電荷が発生するためである。このような界面電荷によって内部電場（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｅｌｅｃｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）が発生する。このような内部電場によって、量子ウェル層での電子の遷移エネルギーが小さくなり、かつ発光波長が大きくなる。
【０００７】
前記界面電荷によるエネルギーバンド歪曲現象及び遷移エネルギー減少現象は、活性層にキャリアが十分に供給されれば消える。すなわち、ｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層に電圧が印加されて、活性層にキャリアが十分に注入されれば、キャリアにより界面電荷が消滅するので、エネルギーバンド歪曲現象及び遷移エネルギー減少現象が消える。
【０００８】
しかし、窒化物系化合物半導体では、正孔の移動度が非常に小さいため、ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層に到達する正孔の量が少ない。したがって、ｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層に、電圧が印加されて活性層にキャリアが十分に供給されても、活性層のエネルギーバンド歪曲現象は消えない。
【０００９】
図２は、このように、活性層にキャリアが注入された後の状態の結果を示す。
【００１０】
図２を参照すれば、図１のエネルギーバンドを有する活性層に十分なキャリアが供給された後にも、ｎ型コンタクト層に近いほどエネルギーバンド歪曲現象が激しい。これにより、ｎ型コンタクト層に近いほど遷移エネルギー減少現象が激しく、発光波長が長くなる（λ１＞λ２＞λ３）。そして、ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層は、ｐ型コンタクト層に近い量子ウェル層で発生する光の一部を吸収する。したがって、多重量子ウェル構造を有する活性層を備える従来の発光素子の発光効率は低下する。
【００１１】
このような問題を改善するために、量子ウェル層の成長面を変化させたり、量子ウェル層と障壁層との界面に界面電荷を相殺できる物質をドーピングしたりする方法が提示されたが、このような方法は、活性層の特性を低下させうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前記従来の問題点を改善するためのものであり、多重量子ウェル構造を有する活性層の発光波長の不均一性を最小化して、発光効率の低下を最小化できる半導体発光素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板上に形成されたｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層上に形成され、二つ以上の量子ウェル層と二つ以上の障壁層とを備える活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型コンタクト層とを備え、前記量子ウェル層と前記障壁層のうち少なくとも一つのエネルギーバンドギャップと層の厚さのうち少なくとも一つは、前記ｎ型コンタクト層からの距離に依存して異なることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１４】
本発明の第１実施形態によれば、前記活性層に備えられる量子ウェル層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きい。
【００１５】
前記量子ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．５）である。
【００１６】
前記量子ウェル層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ない。
【００１７】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない。
【００１８】
前記量子ウェル層の厚さは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど薄い。
【００１９】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄い。
【００２０】
前記活性層に備えられる障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きい。
【００２１】
前記障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦０．１）である。
【００２２】
前記障壁層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ない。
【００２３】
前記ｎ型コンタクト層に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない。
【００２４】
前記活性層と前記ｐ型コンタクト層との間に電子遮断層がさらに備えられる。
【００２５】
本発明の第２実施形態によれば、前記活性層に備えられる量子ウェル層の厚さは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど薄い。
【００２６】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄い。
【００２７】
前記量子ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．５）である。
【００２８】
前記量子ウェル層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ない。
【００２９】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない。
【００３０】
前記活性層に備えられる障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きい。
【００３１】
前記障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦０．１）である。
【００３２】
前記障壁層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ない。
【００３３】
前記ｎ型コンタクト層に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない。
【００３４】
前記活性層と前記ｐ型コンタクト層との間に電子遮断層がさらに備えられる。
【００３５】
本発明の第３実施形態によれば、前記活性層に備えられる障壁層のエネルギーバンドギャップは、前記ｐ型コンタクト層から前記ｎ型コンタクト層に近いほど大きい。
【００３６】
前記障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦０．１）である。
【００３７】
前記障壁層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ない。
【００３８】
前記ｎ型コンタクト層に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない。
【００３９】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄い。
【００４０】
前記活性層に備えられる量子ウェル層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．５）である。
【００４１】
前記量子ウェル層のインジウム含有量は、前記ｎ型コンタクト層に近いほど少ない。
【００４２】
前記ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％少ない。
【００４３】
前記活性層と前記ｐ型コンタクト層との間に電子遮断層がさらに備えられる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の発光素子において、活性層の量子ウェル層（または障壁層）のエネルギーバンドギャップ及び／または層の厚さは、ｎ型コンタクト層に近いほど大きくする／または薄くする。したがって、素子動作時に活性層内で発光波長の不均一性を最小化することができる。これにより、量子ウェル層間の光吸収が減って発光効率が改善される。このような効果は、活性層にインジウムを多く含む青色または緑色発光素子でさらに大きくすることができる。その理由は、活性層のインジウム含有量が多いほど遷移エネルギー減少現象が激しくなるが、青色または緑色発光素子の活性層構造を本発明の活性層構造と同一にすることによって、青色または緑色発光素子の遷移エネルギー減少現象を大きく減らせるからである。
【００４５】
また、本発明の発光素子における活性層は、その組成や厚さを適切に選択し形成することができる。従って、活性層の特性が劣化するという問題が発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態による半導体発光素子を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示した。図面において同じ図面符号は、同じ構成要素を示すので、それに関する反復説明は排除する。
【００４７】
図３は、本発明の実施形態による半導体発光素子を概略的に示す図である。
【００４８】
図３を参照すれば、本発明の半導体発光素子は、基板１００上に形成されたｎ型コンタクト層２００を備える。基板１００は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ及びＳｉのうちいずれか一つで形成する。ｎ型コンタクト層２００上に活性層２５０が存在する。活性層２５０は、第１ないし第３量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３、第１ないし第４障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を備える。第１ないし第３量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３は、第１ないし第４障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４の間にそれぞれ形成されている。第１ないし第３量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３の厚さは、互いに異なりうる。活性層２５０上に電子遮断層３００とｐ型コンタクト層４００とが順次に備えられている。活性層２５０に備えられた量子ウェル層と障壁層の数は、それぞれ３層と４層よりも少ないこともあれば、多いこともあり、限定はされない。
【００４９】
本発明の活性層２５０は、下記の３つの条件のうち少なくともいずれか一つを満足する。
【００５０】
＜第１条件＞：活性層２５０の量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど大きいエネルギーバンドギャップを有する。
【００５１】
＜第２条件＞：活性層２５０の量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど薄い厚さを有する。
【００５２】
＜第３条件＞：活性層２５０の障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど大きいエネルギーバンドギャップを有する。
【００５３】
活性層２５０が前記第１、第２及び第３条件を満足する場合を、それぞれ本発明の第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態という。
【００５４】
＜第１実施形態＞
図４は、本発明の第１実施形態による半導体発光素子の活性層２５０（以下、第１活性層）のエネルギーバンド図である。
【００５５】
図４を参照すれば、前記第１活性層の量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のエネルギーバンドギャップは、ｎ型コンタクト層２００に近いほど大きい。すなわち、第１ないし第３量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のエネルギーバンドギャップをそれぞれＥｇ１（Ｑ）、Ｅｇ２（Ｑ）、及びＥｇ３（Ｑ）とすれば、Ｅｇ１（Ｑ）＞Ｅｇ２（Ｑ）＞Ｅｇ３（Ｑ）である。符号ＢＥ１〜ＢＥ４は、それぞれ障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドを示し、ＱＷＥ１〜ＱＷＥ３は、それぞれ量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のエネルギーバンドを示す。符号Ｅｃ及びＥｖは、それぞれ伝導帯の最も低いエネルギー準位及び価電子帯の最も高いエネルギー準位を示す。
【００５６】
量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．５）から形成され、インジウム含有量によってエネルギーバンドギャップが調節されうる。量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のインジウム含有量は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど少ない。具体的に、ｎ型コンタクト層２００に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の量子ウェル層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％程度少ない。
【００５７】
このように、本発明は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のエネルギーバンドギャップが大きくなる場合、ｎ型コンタクト層２００とｐ型コンタクト層４００との間に電流が印加されていなければ、ｎ型コンタクト層２００に近いほど量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３の遷移エネルギーが大きい。しかし、電流（１０ｍＡ〜１０Ａ）が印加されれば、ｎ型コンタクト層２００に近い量子ウェル層であるほど遷移エネルギー減少程度が大きい。したがって、前記第１活性層の量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３から放出される光の波長は、ほぼ同じくなりうる。これにより、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３間の吸収が減って発光効率が改善される。
【００５８】
一方、図４では、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３の厚さが同一であり、障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドギャップが同一な場合を示したが、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３の厚さは、異なってもよく、障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドギャップは、異なってもよい。
【００５９】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態による半導体発光素子の活性層２５０（以下、第２活性層）のエネルギーバンド図である。
【００６０】
図５を参照すれば、前記第２活性層の量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３の厚さは、ｎ型コンタクト層２００に近いほど薄い。すなわち、第１ないし第３量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３の厚さをそれぞれｔ１、ｔ２及びｔ３とすれば、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３である。
【００６１】
さらに具体的には、ｎ型コンタクト層２００に近い量子ウェル層から番号を付与する時、Ｎ番目の量子ウェル層の厚さは、Ｎ＋１番目の量子ウェル層の厚さよりも５〜２０％薄い。
【００６２】
これによる効果は、前記第１実施形態と類似している。
【００６３】
一方、図５では、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のエネルギーバンドギャップが同一であり、障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドギャップが同一な場合を示したが、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３は、互いに異なるエネルギーバンドギャップを有してもよく、障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、互いに異なるエネルギーバンドギャップを有してもよい。
【００６４】
＜第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態による半導体発光素子の活性層２５０（以下、第３活性層）のエネルギーバンド図である。
【００６５】
図６を参照すれば、前記第３活性層の障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど大きいエネルギーバンドギャップを有する。すなわち、第１ないし第４障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドギャップをそれぞれＥｇ１（Ｂ）、Ｅｇ２（Ｂ）、Ｅｇ３（Ｂ）及びＥｇ４（Ｂ）とすれば、Ｅｇ１（Ｂ）＞Ｅｇ２（Ｂ）＞Ｅｇ３（Ｂ）＞Ｅｇ４（Ｂ）である。
【００６６】
障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．１）から形成され、インジウム含有量によってエネルギーバンドギャップが調節されうる。障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のインジウム含有量は、ｎ型コンタクト層２００に近いほど少ない。ｎ型コンタクト層２００に近い障壁層から番号を付与する時、Ｎ番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）は、Ｎ＋１番目の障壁層のインジウム含有量（原子％）よりも５〜２０％程度小さい。
【００６７】
このように、ｎ型コンタクト層２００に近いほど障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドギャップが大きい場合、障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のエネルギーバンドギャップ差に起因して、ｎ型コンタクト層２００に近いほど量子ウェル層へのキャリア移動が容易になる。これにより、素子動作時にｎ型コンタクト層２００に近いほど遷移エネルギーがさらに多く減少する現象が補償される。したがって、前記第１及び第２実施形態と同様に、遷移エネルギー差に起因する発光波長の不均一化を最小化できるので、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３間の吸収が減って発光効率が改善される。
【００６８】
一方、図６では、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３のエネルギーバンドギャップ及び層の厚さが同じ場合を示したが、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３は、互いに異なるエネルギーバンドギャップ及び互いに異なる層の厚さを有してもよい。
【００６９】
図７ないし図１０は、活性層２５０が第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２と第１ないし第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３とを備える本発明の発光素子に対するシミュレーション結果を示す。各図面に量子ウェル層での電子密度に対するピーク波長の変化が示されている。
【００７０】
第１量子ウェル層ＱＷ１は、ｎ型コンタクト層に近く、第２量子ウェル層ＱＷ２は、ｐ型コンタクト層に近い。第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２と第１ないし第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の構成は、図３と同一である。第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．５）から形成され、第１ないし第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．１）から形成される。
【００７１】
図７は、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のインジウム含有量が、１５％と同一な場合のシミュレーション結果である。一方、図８は、前記第１条件を満足する場合のシミュレーション結果であり、第１量子ウェル層ＱＷ１のインジウム含有量は１３．５％であり、第２量子ウェル層ＱＷ２のインジウム含有量は１５％である。
【００７２】
一方、図７及び図８の結果を得るためのシミュレーションで、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２の厚さは、２５Åで同一にし、第１ないし第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のインジウム含有量は、２％で同一にした。また、内部電場は、１ＭＶ／ｃｍと仮定した。
【００７３】
図７を参照すれば、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のインジウム含有量が、１５％と同一な場合、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のピーク波長差は、およそ１０ｎｍである。
【００７４】
一方、図８を参照すれば、第１量子ウェル層ＱＷ１のインジウム含有量は１３．５％であり、第２量子ウェル層ＱＷ２のインジウム含有量は１５％である場合、ほとんどの動作領域で第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のピーク波長の差は、２ｎｍ未満で無視してもよい程度である。
【００７５】
図７及び図８の結果から、ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層ＱＷ１のインジウム含有量を、ｐ型コンタクト層に近い量子ウェル層ＱＷ２のインジウム含有量よりも少なくすれば、発光効率が改善されることが分かる。
【００７６】
図９は、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２の厚さが、３０Åと同一な場合のシミュレーション結果である。一方、図１０は、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２が前記第２条件を満足する場合のシミュレーション結果であり、第１量子ウェル層ＱＷ１の厚さは、２７Åであり、第２量子ウェル層ＱＷ２の厚さは、３０Åである。
【００７７】
一方、図９及び図１０で第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のインジウム含有量は、１３％で同一にし、第１ないし第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のインジウム含有量は、２％で同一にした。そして、内部電場は、１ＭＶ／ｃｍと仮定した。
【００７８】
図９を参照すれば、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２の厚さが３０Åと同一な場合、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のピーク波長の差は、およそ１０ｎｍである。
【００７９】
一方、図１０を参照すれば、第１量子ウェル層ＱＷ１の厚さが２７Åであり、第２量子ウェル層ＱＷ２の厚さが３０Åである場合、第１及び第２量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２のピーク波長の差は、１０ｎｍよりもはるかに小さい。
【００８０】
図９及び図１０の結果から、ｎ型コンタクト層に近い量子ウェル層ＱＷ１の厚さが、ｐ型コンタクト層に近い量子ウェル層ＱＷ２の厚さよりも薄い時、発光効率が改善されることが分かる。
【００８１】
以上の説明で、多くの事項が具体的に記載されているが、これらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、半導体素子関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】従来の発光素子の多重量子ウェル構造を有する活性層のエネルギーバンド図であって、前記活性層にキャリアが注入される前のエネルギーバンド図である。
【図２】図１の活性層にキャリアが注入された後のエネルギーバンド図である。
【図３】本発明の実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の活性層のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の第２実施形態による半導体発光素子の活性層のエネルギーバンド図である。
【図６】本発明の第３実施形態による半導体発光素子の活性層のエネルギーバンド図である。
【図７】本発明の半導体発光素子に対するシミュレーション結果であって、量子ウェル層での電子密度に対するピーク波長の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の半導体発光素子に対するシミュレーション結果であって、量子ウェル層での電子密度に対するピーク波長の変化を示すグラフである。
【図９】本発明の半導体発光素子に対するシミュレーション結果であって、量子ウェル層での電子密度に対するピーク波長の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の半導体発光素子に対するシミュレーション結果であって、量子ウェル層での電子密度に対するピーク波長の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８４】
１００  基板、
２００  ｎ型コンタクト層、
２５０  活性層、
３００  電子遮断層、
４００  ｐ型コンタクト層、
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４  障壁層、
ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３  量子ウェル層。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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