(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記ベース層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成を有する第１の副ベース層と、前記第１の副ベース層を前記複数のベースセグメント毎に区画するトレンチと、前記第１の副ベース層を埋め込んで形成され、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ≦ｙ≦１）の組成を有する第２の副ベース層とを有し、
前記第２の副ベース層の前記トレンチ上の領域における層厚は、他の領域における層厚よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の半導体層はＧａＮの組成を有し、
前記少なくとも１つの量子井戸層の各々はＩｎＧａＮの組成を有し、
前記第１の副ベース層はＡｌＧａＮの組成を有し、前記第２の副ベース層はＡｌＧａＮの組成を有する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】
前記トレンチは、前記第１の副ベース層の表面から前記第１の半導体層内に至る深さで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ベース層は、前記第１の半導体層と前記第１の副ベース層との間に形成された第３の副ベース層を有し、
前記トレンチは、前記第１の副ベース層の表面から前記第３の副ベース層内に至る深さで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の副ベース層は、ＡｌＮの組成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。
【請求項６】
前記発光機能層は、複数の前記発光層が積層された構造を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記複数の前記発光層の各々における前記ベース層の各々は、互いに組成が異なる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】
基板上に第１の導電型を有する第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体層から応力歪を受けるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成を有してランダムな網目状に形成された溝を有する第１の副ベース層を形成する工程と、
前記溝を除去するトレンチを形成する工程と、
前記第１の副ベース層を埋め込むように、かつ前記トレンチ上の領域の層厚が他の領域の層厚よりも大きくなるように、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ≦ｙ≦１）の組成を有する第２の副ベース層を形成する工程と、
前記第２の副ベース層上に、少なくとも１つの量子井戸構造層及び少なくとも１つの障壁層からなる量子井戸構造層を形成する工程と、
前記量子井戸構造層上に、前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の半導体層はＧａＮの組成を有し、
前記少なくとも１つの量子井戸層の各々はＩｎＧａＮの組成を有し、
前記第１の副ベース層はＡｌＧａＮの組成を有し、
前記トレンチを形成する工程は、前記第１の副ベース層にＨ2ガスを用いたエッチングを行う工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
特許文献１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。特許文献２には、ｎ型層と活性層の間に配置されたＡｌＮ凹凸層を備え、活性層がＡｌＮ凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されているＧａＮ系半導体発光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2006-339646号公報
【特許文献２】特開2005-093682号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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及びその製造方法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】
【００１０】
本発明による半導体発光素子は、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、ベース層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成を有する第１の副ベース層と、第１の副ベース層を複数のベースセグメント毎に区画するトレンチと、第１の副ベース層を埋め込んで形成され、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ≦ｙ≦１）の組成を有する第２の副ベース層とを有し、第２の副ベース層のトレンチ上の領域における層厚は、他の領域における層厚よりも大きいことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明による半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１の導電型を有する第１の半導体層を形成する工程と、第１の半導体層上に、第１の半導体層から応力歪を受けるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成を有してランダムな網目状に形成された溝を有する第１の副ベース層を形成する工程と、溝を除去するトレンチを形成する工程と、第１の副ベース層を埋め込むように、かつトレンチ上の領域の層厚が他の領域の層厚よりも大きくなるように、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ≦ｙ≦１）の組成を有する第２の副ベース層を形成する工程と、第２の副ベース層上に、少なくとも１つの量子井戸構造層及び少なくとも１つの障壁層からなる量子井戸構造層を形成する工程と、量子井戸構造層上に、第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層を形成する工程と、を含むことを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（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。
【図２】（ａ）及び（ｂ）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部分拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図４】実施例１の変形例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図５】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。
【図６】実施例２に係る半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【図７】実施例２の変形例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
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。
【００１５】
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、Ｓｉ又はＧａＮ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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
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。なお、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。
【００１９】
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。
【００２０】
発光層１３は、ｎ型半導体層１２とは異なる組成（結晶組成）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、ベース層ＢＬは、第１の副ベース層ＢＬ１と、第１の副ベース層ＢＬ１をベースセグメントＢＳ毎に区画するトレンチＴＲと、第１の副ベース層ＢＬ１を埋め込んで形成された第２の副ベース層ＢＬ２とからなる。本実施例においては、第１の副ベース層ＢＬ１に形成されたトレンチＴＲは、第１の副ベース層ＢＬ１の表面からｎ型半導体層１２内に至る深さで形成されている。すなわち、トレンチＴＲの底部はｎ型半導体層１２内に形成されている。また、第１の副ベース層ＢＬ１は、トレンチＴＲによってベースセグメントＢＳ毎に区画されている。
【００２８】
第２の副ベース層ＢＬ２は、第１の副ベース層ＢＬ１の表面及びトレンチＴＲの内面上に形成されている。また、第２の副ベース層ＢＬ２の表面には平坦部ＦＬ及び溝ＧＲが形成されている。すなわち、第２の副ベース層ＢＬ２の表面はベース層ＢＬの表面として形成されている。
【００２９】
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。本実施例においては、量子井戸層ＷＡは第２の副ベース層ＢＬ２上に形成されている。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。
【００３０】
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。
【００３１】
図２（ａ）及び（ｂ）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。発光層１３のベース層ＢＬは、ＡｌxＧａ1-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、ＡｌyＧａ1-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。また、量子井戸層ＷＡは、ＩｎＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＡは、ＧａＮの組成を有している。電子ブロック層１４は、ＡｌＧａＮの組成を有している。
【００３２】
第２の副ベース層ＢＬ２は、第１の副ベース層ＢＬ１以上のＡｌ組成ｙを有している。すなわち、第２の副ベース層ＢＬ２のＡｌ組成ｙは、第１の副ベース層ＢＬ１のＡｌ組成ｘ以上である。なお、本実施例においては、Ａｌ組成ｙはＡｌ組成ｘよりも大きく、０＜ｘ＜ｙ＜１である。
【００３３】
また、第２の副ベース層ＢＬ２は、第１の副ベース層ＢＬ１を埋め込んで形成されている。より具体的には、第１のベース層ＢＬ１に形成されたトレンチＴＲの形状は、第２の副ベース層ＢＬ２に引き継がれる（トレンチＴＲ上の領域に溝ＧＲを有する）。しかし、溝ＧＲの深さはトレンチＴＲの深さよりも小さい。従って、図２（ｂ）に示すように、第２の副ベース層ＢＬ２の層厚は、平坦部ＦＬ（層厚Ｔ１）と溝ＧＲの部分（層厚Ｔ２）とで異なる。具体的には、第２の副ベース層ＢＬ２は、溝ＧＲの部分（トレンチＴＲ内）において平坦部ＦＬ（トレンチＴＲ外）よりも大きな層厚Ｔ２を有している。また、第２の副ベース層ＢＬ２の側壁（溝ＧＲ）の角度は、第１の副ベース層ＢＬ１の側壁（トレンチＴＲ）の角度よりも鈍角となっている。
【００３４】
上記した第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２の層厚及びＡｌ組成の関係により、ベース層ＢＬの層内において電気抵抗値に不均一さが生ずる。具体的には、トレンチＴＲ内領域はトレンチＴＲ外領域よりも大きな電気抵抗値を有する。従って、図２（ｂ）に示すように、ベース層ＢＬは、トレンチＴＲ内の領域に対応し、高い電気抵抗値を有する高抵抗領域ＨＡと、平坦部ＦＬ上（トレンチＴＲ外）の領域に対応し、低い電気抵抗値を有する低抵抗領域ＬＡとを有する。
【００３５】
ここで、発光層１３について説明する。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ＢＬ１及びＢＬ２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。
【００３６】
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層に第１の副ベース層ＢＬ１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（ベースセグメントＢＳ）が形成される。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、発明者らは、ベースセグメントＢＳ間の領域、すなわち溝ＧＲの領域において多くのキャリアが非発光再結合を行っていることに着目した。すなわち、半導体構造層ＳＳ内において、電流は、ベース層ＢＬのうちの比較的低抵抗な領域である溝ＧＲの領域に集中して流れる。溝ＧＲの領域は比較的結晶性の低い部分であり、溝ＧＲの領域に流れる電流（キャリア）は発光に寄与しない可能性が高い。
【００３９】
これに対し、本実施例においては、上記したように、ベース層ＢＬは２つの副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２を有する。また、第１のベース層ＢＬ１は、溝ＧＲの部分に対応する比較的結晶性の低い領域を除去するように形成されたトレンチＴＲを有する。さらに、第１のベース層ＢＬ１を埋め込んで（全体をカバーするように）第２の副ベース層ＢＬ２が形成されている。従って、結晶性の低い領域に電流が流れて発光効率を低下させることが抑制される。また、第２の副ベース層ＢＬ２上に量子井戸層ＷＡが形成されることで、発光波長の広帯域化が実現される。すなわち、発光層１３からは、発光波長のスペクトル帯域が広く、かつ発光強度に優れた光が放出される。従って、発光素子１０は高い演色性及び高い発光強度を有する。
【００４０】
さらに、図２（ｂ）に示すように、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２が上記したＡｌ組成及び層厚の関係を有することで、トレンチＴＲ内が高抵抗領域ＨＡとなり、トレンチＴＲ外が低抵抗領域ＬＡとなる。従って、比較的結晶性の高いトレンチＴＲ外領域（平坦部ＦＬ上の領域）に多くの電流が流れる。これによって、さらに発光効率は向上する。
【００４１】
また、本実施例においては平坦部ＦＬ上の領域に多くの電流が流れる構成となっているが、仮に平坦部ＦＬ上の領域のみに電流が流れた場合でも、スペクトル幅の広い光を得ることは可能である。より具体的には、平坦部ＦＬ上においては量子井戸層ＷＡの層厚は一定に近いが、ベース層ＢＬによって受ける応力の程度は一定ではない。すなわち、平坦部ＦＬ上の領域内においても歪の程度は不均一である。従って、溝ＧＲの領域のみならず、量子井戸層ＷＡの層内の全体でバンドギャップは揺らぐこととなる。従って、発光効率の向上と発光波長の広帯域化の両立が可能となる。
【００４２】
なお、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、高いＡｌ組成ｙを有する第２の副ベース層ＢＬ２上にＩｎＧａＮ層を形成することで、高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を形成することが可能となる。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。
【００４３】
なお、演色性、すなわちスペクトル帯域の広域化を考慮すると、ベースセグメントＢＳのサイズは小さい方が好ましい。従って、第２の副ベース層ＢＬ２は高いＡｌ組成を有すること、例えば第２の副ベース層ＢＬ２がＡｌＮの組成を有することが好ましい。これによって量子井戸層ＷＡが大きく歪を受け、そのバンドギャップが揺らぐからである。
【００４４】
なお、本実施例においては、第２の副ベース層ＢＬ２のＡｌ組成ｙが第１の副ベース層ＢＬ１のＡｌ組成ｘよりも大きな場合について説明したが、トレンチＴＲ内を高抵抗領域ＨＡとすることができれば、Ａｌ組成ｘ及びｙは等しくても良い。すなわち、Ａｌ組成ｙはＡｌ組成ｘ以上であればよい。例えば、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２の両方がＡｌＮの組成を有していてもよい（ｘ＝ｙ＝１であってもよい）。
【００４５】
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。
【００４６】
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。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。
【００４７】
図３（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体発光素子１０の製造方法を示す図である。上記したように、半導体発光素子１０は、例えばＭＯＣＶＤ法によって形成することができる。
【００４８】
［ｎ型半導体層１２の形成工程及び第１の副ベース層ＢＬ１の形成工程］
図３（ａ）は、第１の副ベース層ＢＬ１を形成した状態のウェハの断面図である。まず、成長基板１１上にｎ型半導体層１２を形成する。本実施例においては、成長基板１１としてサファイア基板を用い、サファイア基板上にバッファ層（図示せず）を形成した。次に、バッファ層上にｎ型半導体層１２としてｎ−ＧａＮ層を形成した。
【００４９】
次に、ｎ型半導体層１２上に、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溝ＧＲ０を有する第１の副ベース層ＢＬ１を形成する。本実施例においては、ｎ−ＧａＮ層１２上に、第１の副ベース層ＢＬ１としてＡｌＧａＮ層を形成した。この際、成長温度を低温とすることで、ＡｌＧａＮ層を３次元的に成長させた。これによって、ＡｌＧａＮ層内に（自然に）溝ＧＲ０が形成された。
【００５０】
［トレンチＴＲの形成工程］
図３（ｂ）は、第１の副ベース層ＢＬ１にトレンチＴＲを形成した状態のウェハの断面図である。次に、図３（ｂ）に示すように、第１の副ベース層ＢＬ１に形成された溝ＧＲ０を除去するトレンチＴＲを形成する。本実施例においては、第１の副ベース層ＢＬ１にＨ2ガスを用いたエッチングを行ってトレンチＴＲを形成した。
【００５１】
ＡｌＧａＮ及びＧａＮは、高温下でＨ2にさらすと、その結晶性の低い部分が優先的にエッチングされることで知られている。従って、第１の副ベース層ＢＬ１としてのＡｌＧａＮ層にＨ2を用いたガスエッチングを行うことで、溝ＧＲ０（結晶性の比較的低い部分）を選択的にエッチングすることができる。このようにして、容易に溝ＧＲ０を除去し、溝ＧＲ０の部分以外の第１の副ベース層ＢＬ１を残すことができる。従って、トレンチＴＲを形成する工程は、第１の副ベース層ＢＬ１にＨ2ガスを用いたエッチングを行う工程を含むことが好ましい。
【００５２】
なお、本実施例においては、トレンチＴＲをｎ型半導体層１２（ＧａＮ層）内に至る深さで形成した。すなわち、溝ＧＲ０の部分においては、ｎ型半導体層１２は部分的にエッチング（除去）されている。従って、溝ＧＲ０が完全に除去され、結晶性の低い部分が完全に除去された。溝ＧＲ０を完全に除去することで、溝ＧＲ０におけるキャリアの非発光再結合、すなわち発光効率の低下を抑制することが可能となる。
【００５３】
［第２の副ベース層ＢＬ２の形成工程］
図３（ｃ）は、第２の副ベース層ＢＬ２を形成した状態のウェハの断面図である。図３（ｃ）に示すように、第１の副ベース層ＢＬ１を埋め込むように第２の副ベース層ＢＬ２を形成する。具体的には、上記したように、第２の副ベース層ＢＬ２として、第１の副ベース層ＢＬ１よりも大きなＡｌ組成（組成ｙ）を有するＡｌＧａＮ層を形成した。第２の副ベース層ＢＬ２は、平坦部ＦＬと、トレンチＴＲの形状を引き継いだ溝ＧＲとを有するように形成する。すなわち、第２の副ベース層ＢＬ２は、その上面が完全に平坦化されないように形成する。
【００５４】
［量子井戸構造層ＱＷ、電子ブロック層１４及びｐ型半導体層１５の形成工程］
続いて、図３（ｄ）に示すように、第２の副ベース層ＢＬ２を埋め込むように少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡからなる量子井戸構造層ＱＷを形成する。本実施例においては、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡとして、それぞれＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層を１層ずつ形成した。次に、障壁層ＢＡ上に電子ブロック層１４を形成する。本実施例においては、電子ブロック層１４としてＡｌＧａＮ層を形成した。続いて、電子ブロック層１４上にｐ型半導体層１５を形成する。本実施例においては、ｐ型半導体層１５としてｐ−ＧａＮ層を形成した。
【００５５】
また、図示していないが、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電極を形成し、ウェハを素子毎に分割して半導体発光素子１０を作製した。
【００５６】
なお、本実施例においては、第３の副ベース層ＢＬ３の層厚を１０ｎｍとし、第１の副ベース層ＢＬ１の層厚を４ｎｍとし、第２の副ベース層ＢＬ２の層厚を１．５ｎｍとした。
【００５７】
本実施例においては、第１の副ベース層ＢＬ１を形成し、溝ＧＲ０（結晶性の低い部分）を除去するトレンチＴＲを形成する。また、第１の副ベース層ＢＬ１を埋め込んで第２の副ベース層ＢＬ２を形成したのち、量子井戸構造層ＱＷを形成する。これによって、発光効率及び演色性に優れた半導体発光素子１０を作製することができる。
【００５８】
図４は、実施例１の変形例に係る半導体発光素子１０Ａの構造を示す断面図である。半導体発光素子１０Ａは、発光層１３Ａ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。
【００５９】
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４に示すように、本変形例の半導体発光素子１０Ａにおいては、発光層１３Ａ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１３Ａ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。
【００６０】
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。ベース層ＢＬは、このような凹凸構造の上面を有する量子井戸層ＷＡに対しても有効に機能し、発光効率及び演色性に優れた半導体発光素子１０Ａを提供することができる。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。
【００６１】
図５は、実施例２に係る半導体発光素子３０の構造を示す断面図である。発光素子３０は、発光機能層（発光層）３３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。発光層３３は、３つの副ベース層からなるベース層ＢＬＡを有している。発光層３３は、ｎ型半導体層１２上に形成された第３の副ベース層ＢＬ３と、第３の副ベース層ＢＬ３上に形成され、ベースセグメントＢＳ間において第３の副ベース層ＢＬ３に至るトレンチＴＲＡを有する第１の副ベース層ＢＬ１と、第１の副ベース層ＢＬ１を埋め込んで形成された第２の副ベース層ＢＬ２と、を有している。ベース層ＢＬＡは、ベース層ＢＬと同様に、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を有している。
【００６２】
本実施例においては、ベース層ＢＬＡは、ｎ型半導体層１２と第１の副ベース層ＢＬ１との間に第３の副ベース層ＢＬ３を有している。第３の副ベース層ＢＬ３は、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２よりも小さなＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層からなる。具体的には、第３の副ベース層ＢＬ３は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ＜ｘ≦ｙ＝１）の組成を有している。例えば、第３の副ベース層ＢＬ３は、アンドープのＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層からなる。第１の副ベース層ＢＬ１は、第３の副ベース層ＢＬ３から応力歪を受ける組成を有する。
【００６３】
本実施例においては、第１の副ベース層ＢＬ１に形成されたトレンチＴＲＡは、第３の副ベース層ＢＬ３内に至る深さで形成されている。従って、ｎ型半導体層１２内にトレンチＴＲは形成されない。従って、ｎ型半導体層１２と発光層３３との界面の結晶性が確保される。また、第３の副ベース層ＢＬ３として小さなＡｌ組成ｚを有するＡｌＧａＮ層を形成することで、全体として良好な結晶性を有するベース層ＢＬＡが形成される。従って、発光効率が向上する。また、実施例１と同様に、ベースセグメントＢＳ間の比較的結晶性の低い部分に電流が集中して流れることが抑制される。従って、発光効率が向上する。さらに、ベース層ＢＬＡの表面はトレンチＴＲの形状を引き継いで形成された溝ＧＲを有する。歪量子井戸層ＷＡを有する量子井戸構造層ＱＷによって、広範囲に亘るスペクトル幅を有する光を生成することができる。従って、高い演色性が確保される。
【００６４】
なお、第３の副ベース層ＢＬ３のＡｌ組成ｚを調節することで、第３の副ベース層ＢＬ３上に形成される第１の副ベース層ＢＬ１が受ける応力歪を調節することができる。すなわち、第３の副ベース層ＢＬ３のＡｌ組成ｚによってベースセグメントＢＳのサイズを調節することができる。従って、より高い自由度で発光色を調節することができる。
【００６５】
図６は、実施例２の半導体発光素子３０の発光スペクトルを示す図である。図６の横軸は波長を、縦軸は発光強度を示している。なお、発光素子３０の発光スペクトルを比較するために、比較例として、トレンチＴＲＡを有していない点を除いては発光素子３０と同様のベース層を有する発光素子を作製した。図６に示すように、発光素子３０は、広範囲に亘るスペクトル幅を有しており、高い演色性の発光を得ることができている。
【００６６】
また、発光素子３０は、比較例に比べて約１．５倍以上のピーク発光強度を有していることがわかる。これは、第１の副ベース層ＢＬ１に形成された比較的結晶性の低い部分がトレンチＴＲＡによって除去されていること、及び第２の副ベース層ＢＬ２によってトレンチＴＲＡを他の部分よりも高抵抗化してトレンチＴＲＡ内領域に電流を流れにくくしていることに起因していると考えられる。すなわち、トレンチＴＲＡ以外の良好な結晶性を有する部分（例えば平坦部ＦＬの領域）に多くの電流が流れ、多くのキャリアが発光を伴って再結合していると考えられる。
【００６７】
図７は、実施例２の変形例に係る半導体発光素子３０Ａの構造を示す断面図である。発光素子３０Ａは、発光機能層３３Ａの構造を除いては発光素子３０と同様の構造を有している。発光機能層３３Ａは、第１及び第２の発光層３３Ａ１及び３３Ａ２が積層された構造を有する。第１及び第２の発光層３３Ａ１及び３３Ａ２は、それぞれ発光層３３と同様の構造を有している。すなわち、発光機能層３３Ａは、発光層３３が複数層積層された構造を有している。
【００６８】
具体的には、第１の発光層３３Ａ１は、発光層３３と同様の構造を有している。具体的には、第１、第２及び第３の副ベース層ＢＬ１、ＢＬ２及びＢＬ３並びにトレンチＴＲＡは、発光層３３の第１、第２及び第３の副ベース層ＢＬ１、ＢＬ２及びＢＬ３並びにトレンチＴＲＡと同様の構成を有している。また、第１の発光層３３Ａ１の量子井戸構造層ＱＷＡは、それぞれ発光層３３の量子井戸構造層ＷＡ及び障壁層ＢＡと同様の構成を有する量子井戸構造層ＷＡＡ及び障壁層ＢＡＡを有している。また、第１の発光層３３Ａ１のベース層ＢＬＡ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ＢＳＡを有している。
【００６９】
第２の発光層３３Ａ２は、第１の発光層３３Ａ１の量子井戸構造層ＱＷＡ（障壁層ＢＡＡ）上に形成されたベース層ＢＬＢ及び量子井戸構造層ＱＷＢを有している。ベース層ＢＬＢは、第１の発光層３３Ａ１の障壁層ＢＡＡ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ＢＳＢを有している。ベース層ＢＬＢは、第１、第２及び第３の副ベース層ＢＬＡ１、ＢＬＡ２及びＢＬ３と同様の構成を有する第１、第２及び第３の副ベース層ＢＬＢ１、ＢＬＢ２及びＢＬＢ３を有している。また、第１の副ベース層ＢＬＡ１は、ベースセグメントＢＳＢ間において第３の副ベース層ＢＬ３に至るトレンチＴＲＢを有している。また、量子井戸構造層ＱＷＢは、第１の発光層３３Ａ１の量子井戸構造層ＱＷＡ及び障壁層ＢＡＡと同様の構成を有している。電子ブロック層１４は障壁層ＢＡＢ上に形成されている。
【００７０】
本変形例においては、第１及び第２の発光層３３Ａ１及び３３Ａ２におけるそれぞれのベース層ＢＬＡ及びＢＬＢのＡｌ組成や層厚を調節することで、ベース層ＢＬＡ及びＢＬＢの表面に形成される溝ＧＲＡ及びＧＲＢのサイズ及び深さを調節することができる。例えば、第１及び第２の発光層３３Ａ１及び３３Ａ２におけるベース層ＢＬＡ及びＢＬＢは互いに異なる組成を有している。これによって、量子井戸構造層ＱＷＡ及びＱＷＢからの発光波長を調節することができ、より広範囲に亘るスペクトル幅を得ることが可能となる。
【００７１】
また、第１の発光層３３Ａ１の表面（障壁層ＢＡＡの表面）及び第２の発光層３３Ａ２の表面（障壁層ＢＡＢの表面）を平坦面とすることで、溝ＧＲＡ及びＧＲＢを互いに無関係な位置及びサイズで形成することができる。すなわち、ベースセグメントＢＳＡ及びＢＳＢを互いに無関係に形成することができる。従って、より高い自由度で発光スペクトルを調節することができる。
【００７２】
なお、本変形例においては、発光機能層３３Ａが第１及び第２の発光層３３Ａ１及び３３Ａ２からなる場合について説明したが、発光機能層３３Ａは他の発光層を有していていもよい。例えば、ｎ型半導体層１２と第１の発光層３３Ａ１との間、又は第２の発光層３３Ａ２と電子ブロック層１４との間に、少なくとも１つの一様に平坦な量子井戸層が複数の障壁層の各々に挟まれた構造を有する発光層（第３の発光層）を有していてもよい。例えば第３の発光層として、ＧａＮからなる障壁層及びＩｎＧａＮからなる量子井戸層を複数層積層して形成した場合、純粋な青色領域にピークを有する発光を得ることができる。これによって、短波長側の発光強度を補充することができ、より演色性が向上する。
【００７３】
また、上記においては、発光機能層（発光層）１３、３３、３３Ａ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。
【００７４】
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。
【００７５】
また、実施例１、実施例２及びその変形例は、互いに組み合わせることが可能である。例えば発光層１３及び発光層３３からなる発光機能層を形成することができる。
【００７６】
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結晶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、ベース層は、第１の副ベース層と、第１の副ベース層を複数のベースセグメント毎に区画するトレンチと、第１の副ベース層を埋め込んで形成された第２の副ベース層とを有する。
【００７７】
また、ベース層は、ｎ型半導体（又は障壁層）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溝を有する第１の副ベース層を形成する工程と、溝を除去するトレンチを形成する工程と、第１の副ベース層を埋め込むように第２の副ベース層を形成する工程と、によって形成される。従って、高い演色性及び発光効率を有する発光素子を確実に作製することができる。
【００７８】
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。
【符号の説明】
【００７９】
１０、１０Ａ、３０、３０Ａ  半導体発光素子
１２  ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３、３３、３３Ａ、３３Ａ１、３３Ａ２  発光機能層（発光層）
１４  電子ブロック層
１５  ｐ型半導体層（第２の半導体層）
ＢＬ、ＢＬＡ、ＢＬＢ  ベース層
ＢＬ１、ＢＬＡ１、ＢＬＢ１  第１の副ベース層
ＢＬ２、ＢＬＡ２、ＢＬＢ２  第２の副ベース層
ＢＬ３、ＢＬＡ３、ＢＬＢ３  第３の副ベース層
ＢＳ、ＢＳＡ、ＢＳＢ  ベースセグメント
ＧＲ、ＧＲ０、ＧＲＡ、ＧＲＢ  溝
【図１】
0006651167.tif 000002
【図２】
0006651167.tif 000003
【図３】
0006651167.tif 000004
【図４】
0006651167.tif 000005
【図５】
0006651167.tif 000006
【図６】
0006651167.tif 000007
【図７】
0006651167.tif 000008