(57)【要約】【課題】半導体発光素子の光学的性能及び信頼性を向上させるためにガイド層の膜厚を厚くすれば、前記ガイド層は電気抵抗が高くなり、キャリア供給層から活性層に注入されるキャリアが少なくなる。従って、従来の半導体発光素子には、光学的性能及び信頼性の向上と低電気抵抗化とを両立することが困難であるという課題があった。本発明は前記課題を解決するためになされたもので、正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】    本発明は、活性層と正孔供給層との間に互いに組成の異なる複数のＩＩＩ族窒化物系化合物層を配置することで、前記ＩＩＩ族窒化物系化合物層の組成の違いから生ずる分極電荷からのクーロン力を利用して正孔を円滑に前記活性層へ移動させることとした。【選択図】図１
2007019277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子及び正孔が再結合する活性層と、
前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向の幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の分極発生層と、
前記分極発生層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、
前記第二半導体層の前記分極発生層の側と反対側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、
を備える半導体発光素子。
【請求項２】
電子及び正孔が再結合する活性層と、
前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向の幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の分極発生層と、
前記分極発生層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、
を備える半導体発光素子。
【請求項３】
電子及び正孔が再結合する活性層と、
前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の超格子層と、
前記超格子層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、
前記第二半導体層の前記超格子層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、
を備える半導体発光素子。
【請求項４】
電子及び正孔が再結合する活性層と、
前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の超格子層と、
前記超格子層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、
を備える半導体発光素子。
【請求項５】
前記超格子層は組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜との組み合わせを１０組以上１００組以下積層したことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層は互いに組成の異なる組成式がＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表される少なくとも二種類のＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜を積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層は前記組成式がｐ＝０及びｑ＝１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であって、
前記活性層における前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップは前記分極発生層のバンドギャップ又は前記超格子層における前記組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップより狭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】
前記第一半導体層から前記第三半導体層までのＩＩＩ族窒化物系化合物の結晶はウルツ鉱構造であり、前記第一半導体層から前記第三半導体層までの積層方向と前記第一半導体層から前記第三半導体層までのＩＩＩ族窒化物系化合物の結晶のＣ軸方向とが平行であることを特徴とする請求項１から７に記載のいずれかの半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子はキャリアの再結合により光を発生させる活性層と呼ばれる半導体層と、活性層を両側から挟み活性層にキャリアを供給するキャリア供給層と呼ばれる半導体層と、から構成されるダブルヘテロ接合構造を基本構造としている。活性層のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層は所望の波長の光が得られる材料や構成が選択される。キャリア供給層は活性層にキャリアを供給しやすくするために活性層よりバンドギャップが広くなるように設計され、キャリアの極性をコントロールする不純物が添加されている。
【０００３】
さらに、前記キャリア供給層に添加された不純物が前記活性層へ拡散することを防止し、光学的性能及び信頼性を向上させるため、半導体発光素子にはバリア層と呼ばれるノンドープ又は不純物濃度の低い半導体層を前記キャリア供給層と前記活性層との間に配置することもある。特に、半導体レーザの場合、前記バリア層は前記活性層で発生した光を反射して誘導放出を促進させる光閉じ込め効果を有するためガイド層と呼ばれる（以下、「ガイド層又はバリア層と呼ばれるノンドープ又は不純物濃度の低い半導体層」を「ガイド層」と略記する。）。前記ガイド層を備えた半導体発光素子の構造は分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）と呼ばれることもある。前記ガイド層は不純物拡散防止及び光閉じ込め効果を得るためには一定以上の積層方向の幅（以下、「積層方向の幅」を「膜厚」と略記する。）が求められている（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｅｎｓｏ．ｃｏ．ｊｐ／ＤＴＲ／ｖｏｌ６＿ｎｏ１／ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ１０．ｐｄｆ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記ガイド層の膜厚を厚くすることで半導体発光素子の光学的性能及び信頼性を向上させることができる。しかし、前記ガイド層の膜厚を厚くすれば電気抵抗が高くなり、前記ガイド層における電圧損が大きくなるため、前記キャリア供給層から前記活性層に注入されるキャリアが減少し、半導体発光素子の効率が低下することになる。従って、従来の半導体発光素子には、光学的性能及び信頼性の向上と低電気抵抗化とを両立することが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い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】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、活性層とｐ型の正孔供給層との間に互いに組成の異なる複数のＩＩＩ族窒化物系化合物層を配置し、前記ＩＩＩ族窒化物系化合物層の組成の違いから生ずる分極電荷からのクーロン力を利用して正孔を円滑に前記活性層へ移動させることとした。
【０００７】
具体的には、本願第一の発明は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向の幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の分極発生層と、前記分極発生層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記分極発生層の側と反対側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【０００８】
前記第一半導体層と前記分極発生層との間及び前記分極発生層と前記第二半導体層との間は組成や格子定数が相違する。組成の相違は自発分極を生ずる。格子定数の相違に起因する格子ひずみはピエゾ分極を生ずる。自発分極やピエゾ分極（以下、「自発分極やピエゾ分極」を「分極」と略記する。）は、前記第一半導体層と前記分極発生層との間及び前記分極発生層と前記第二半導体層との間に分極電荷を生ずる。
【０００９】
前記分極電荷は前記分極発生層内に前記第二半導体層から前記第一半導体層に向かって電場を発生させる。さらに前記電場は前記分極発生層のバンドギャップにおける価電子帯のトップ準位及び伝導帯の底部準位を前記第二半導体層から前記第一半導体層に向かって高くなるように連続的に単調変化させる。従って、前記分極発生層において正孔は前記活性層の方向へのクーロン力を受け、前記第三半導体層から前記活性層に向かって円滑に移動することができる。ゆえに、前記第一半導体層から前記第二半導体層までの膜厚が厚い場合でも前記半導体発光素子の電気抵抗を低くすることができる。
【００１０】
なお、前記第一半導体層の膜厚は、前記活性層の最終バリアとして機能させるため、１ｎｍ以上であることが望ましい。一方、分極発生層を通過した正孔が前記第一半導体層で輸送が損なわれることなく前記活性層まで到達できるように、前記第一半導体層の膜厚は１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１１】
また、前記分極発生層の膜厚は、前記分極電荷が電場を発生させ、前記価電子帯のトップ準位及び前記伝導帯の底部準位を変化させるため５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１２】
従って、本願第一の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００１３】
前記目的を達成するために、本願第二の発明は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向の幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の分極発生層と、前記分極発生層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【００１４】
本願第一の発明の説明と同様の理由に起因する前記分極は、前記第一半導体層と前記分極発生層との間及び前記分極発生層と前記第三半導体層との間に分極電荷を生ずる。正孔は前記分極発生層において前記分極電荷からのクーロン力を受け、前記第三半導体層から前記活性層に向かって円滑に移動することができる。ゆえに、前記第一半導体層から前記分極発生層までの膜厚が厚い場合でも前記半導体発光素子の電気抵抗を低くすることができる。
【００１５】
なお、本願第一の発明の説明と同様の理由のため、前記第一半導体層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１６】
また、本願第一の発明の説明と同様の理由のため、前記分極発生層の膜厚は５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１７】
従って、本願第二の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００１８】
前記目的を達成するために、本願第三の発明は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の超格子層と、前記超格子層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記超格子層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【００１９】
以下の説明において、「超格子層の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「超格子層のＧａＩｎＮ薄膜」、「超格子層の組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「超格子層のＧａＮ薄膜」と略記する。
【００２０】
本願第一の発明の説明と同様の理由に起因する前記分極は、前記第一半導体層と前記第一半導体層に隣接する前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜との間、前記第二半導体層に隣接する前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜と前記第二半導体層との間及び前記超格子層のＧａＮ薄膜と前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜との間に分極電荷を生ずる。前記分極電荷は前記超格子層の各ＧａＩｎＮ薄膜中に前記第二半導体層から前記第一半導体層への方向に電場を発生させる。さらに前記電場は前記超格子層の各ＧａＩｎＮ薄膜のバンドギャップにおける価電子帯のトップ準位及び伝導帯の底部準位を前記第二半導体層から前記第一半導体層への方向に高くなるように連続的に単調変化させる。従って、前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜毎に正孔は前記活性層の方向へのクーロン力を受け、前記第三半導体層から前記活性層に向かって円滑に移動することができる。ゆえに、前記第一半導体層から前記第二半導体層までの膜厚が厚い場合でも前記半導体発光素子の電気抵抗を低くすることができる。
【００２１】
なお、本願第一の発明の説明と同様の理由のため、前記第一半導体層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
従って、本願第三の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００２３】
前記目的を達成するために、本願第四の発明は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の超格子層と、前記超格子層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【００２４】
本願第一の発明の説明と同様の理由に起因する前記分極は、前記第一半導体層と前記第一半導体層に隣接する前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜との間、前記第三半導体層に隣接する前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜と前記第三半導体層との間及び前記超格子層のＧａＮ薄膜と前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜との間に分極電荷を生ずる。本願第三の発明の説明と同様に、正孔は前記超格子層の各ＧａＩｎＮ薄膜において前記分極電荷からのクーロン力を受け、前記第三半導体層から前記活性層に向かって円滑に移動することができる。ゆえに、前記第一半導体層から前記分極発生層までの膜厚が厚い場合でも前記半導体発光素子の電気抵抗を低くすることができる。
【００２５】
なお、本願第一の発明の説明と同様の理由のため、前記第一半導体層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２６】
従って、本願第四の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００２７】
本願第三の発明及び本願第四の発明における半導体発光素子の前記超格子層は組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜との組み合わせを１０組以上１００組以下積層することが好ましい。
【００２８】
前記超格子内において正孔を前記活性層の方向へ円滑に移動させるために十分なクーロン力を発生させるために、前記超格子層は前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜と前記超格子層のＧａＮ薄膜との組み合わせを１０組以上とすることが好ましい。一方、高抵抗の前記超格子層のＧａＮ薄膜の積層数が増加すれば、前記超格子層の電気抵抗が高くなるため、前記超格子層は前記組み合わせを１００組以下とすることが好ましい。
【００２９】
従って、本願第三の発明又は本願第四の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３０】
本願第一の発明から本願第四の発明における半導体発光素子の前記活性層は互いに組成の異なる組成式がＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表される少なくとも二種類のＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜を積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であることが好ましい。
【００３１】
組成式ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができる半導体である。従って、ｐ及びｑで指定される組成が互いに異なり、互いにバンドギャップの異なる前記ＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜を交互に積層して多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることができる。前記ＭＱＷのバンドギャップの狭い方の前記ＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜にキャリアが集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。
【００３２】
従って、本願第一の発明から本願第四の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３３】
本願第一の発明から本願第四の発明に係る半導体発光素子において、前記活性層は前記組成式がｐ＝０及びｑ＝１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であって、前記活性層における前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップは前記分極発生層のバンドギャップ又は前記超格子層における前記組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップより狭いことが好ましい。
【００３４】
前記活性層が、前記組成式においてｐ＝０及びｑ＝１と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜（以下、「前記組成式においてｐ＝０及びｑ＝１と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「活性層のＧａＮ薄膜」と略記する。）と前記組成式においてｐ＝０及び０≦ｑ＜１と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜（以下、「前記組成式においてｐ＝０及び０≦ｑ＜１と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「活性層のＧａＩｎＮ薄膜」と略記する。）とのＭＱＷである場合に、前記活性層のＧａＩｎＮ薄膜のバンドギャップを前記分極発生層又は前記超格子層のＧａＩｎＮ薄膜のバンドギャップより狭くすることで、正孔は前記分極発生層又は前記超格子層で再結合を起こさず、円滑に前記活性層に移動することができる。
【００３５】
従って、本願第一の発明から本願第四の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３６】
本願第一の発明から本願第四の発明に係る半導体発光素子において、前記第一半導体層から前記第三半導体層までのＩＩＩ族窒化物系化合物の結晶はウルツ鉱構造であり、前記第一半導体層から前記第三半導体層までの積層方向と前記第一半導体層から前記第三半導体層までのＩＩＩ族窒化物系化合物の結晶のＣ軸方向とが平行であることが好ましい。
【００３７】
結晶がウルツ鉱構造であるＩＩＩ族窒化物系化合物の結晶のＣ軸方向を積層方向に揃えて積層することで、半導体発光素子は一定の品質を保ちつつ前記分極を発生させることができる。
【００３８】
従って、本願第一の発明から本願第四の発明は正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明により、正孔が活性層へ円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
（実施の形態１）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向の幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の分極発生層と、前記分極発生層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記分極発生層の側と反対側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【００４２】
本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０１の断面の概念図を図１に示す。半導体発光素子９０１は電極１０、基板１１、ｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０、ｐ型コンタクト層２１及びストライプ形状電極２２を備える。半導体発光素子９０１は電極１０とストライプ形状電極２２とで基板１１を含む半導体層を挟み込んだ裏面電極型の半導体発光素子である。
【００４３】
電極１０及びストライプ形状電極２２は半導体発光素子９０１に電圧を印加するために配置される。電極１０は陰電極、ストライプ形状電極２２は陽電極として機能する。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体発光素子としての効率を損なうため、電極１０及びストライプ形状電極２２は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置との配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、ｎ型半導体と接触する電極１０の素材としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＡｕやＡｌ／Ａｕが例示される。ｐ型半導体と接触するストライプ形状電極２２の素材としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ及びＰｔ／Ａｕが例示される。
【００４４】
電極１０は基板１１との接触抵抗を低減するために基板１１のｎ型下地層１２を積層した側と反対側（以下、「基板１１のｎ型下地層１２を積層した側と反対側」を「基板１１の裏面」と略記する。）全面に積層していることが好ましい。一方、ストライプ形状電極２２は活性層１５の一部にキャリアを集中させて供給するためｐ型コンタクト層２１上に帯状に配置される。
【００４５】
基板１１は半導体薄膜で構成される半導体発光素子９０１を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子９０１の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、組成式ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物」と略記する。）を積層させる場合は窒化ガリウム（ＧａＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）が例示される。
【００４６】
活性層１５は電子及び正孔の再結合により光を発光する半導体層である。活性層１５のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層１５には所望の光の波長となる半導体が選択される。また、活性層１５に採用する素材としては発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物を使用することで、組成変更により幅広いバンドギャップを作り出すことができ、所望の波長の半導体発光素子を製造することができる。例えば、前記組成式をｐ＝０、ｑ＝ａ（０．８≦ａ≦０．９５、好ましくは０．８５≦ａ≦０．９０）、すなわち組成式がＧａａＩｎ１−ａＮと表されるＩＩＩ族窒化物化合物（以下、「組成式がＧａａＩｎ１−ａＮと表されるＩＩＩ族窒化物化合物」を「ＧａａＩｎ１−ａＮ化合物」と略記する。）が例示される。活性層１５の膜厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが例示できる。
【００４７】
電子供給層１３はＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物の半導体層である。電子供給層１３は前記組成式においてｐ＝ｂ（０．０１≦ｂ≦０．１５、好ましくは０．０５≦ｂ≦０．１）、ｐ＋ｑ＝１の関係、すなわち組成式がＡｌｂＧａ１−ｂＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式がＡｌｂＧａ１−ｂＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＡｌｂＧａ１−ｂＮ化合物」と略記する。）が例示される。電子供給層１３は電子密度を高めるためｎ型不純物、例えばＳｉが添加される。不純物濃度は５×１０１７（ｃｍ−３）以上１×１０１９（ｃｍ−３）以下であることが例示される。電子供給層１３の膜厚は３００（ｎｍ）以上２０００（ｎｍ）以下が好ましく、４００（ｎｍ）以上１２００（ｎｍ）以下であることがより好ましい。
【００４８】
さらに、半導体発光素子９０１を半導体レーザとする場合、電子供給層１３は活性層１５に電子を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が１０００（ｎｍ）の前記組成式においてｂ＝０．０８、すなわちＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ化合物であり、不純物のＳｉ濃度は３×１０１８（ｃｍ−３）であることが望ましい。
【００４９】
ｎ側ガイド層１４はＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物の半導体層である。活性層１５に不純物が拡散しないようにｎ側ガイド層１４には不純物は添加されない、又は電子供給層１３に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、ｎ側ガイド層１４のバンドギャップは活性層１５のバンドギャップより広くかつ電子供給層１３のバンドギャップより狭く設計される。具体的には、ｎ側ガイド層１４の組成を前記組成式においてｐ＝０及びｑ＝１とする、すなわちＧａＮ化合物とすることが例示される。なお、ｎ側ガイド層１４の組成を前記組成式においてｐ＝０及び０．９５≦ｑ≦１とする、すなわちＧａＩｎＮ化合物としてもよい。ｎ側ガイド層１４の膜厚は２０（ｎｍ）以上２００（ｎｍ）以下が好ましく、５０（ｎｍ）以上１５０（ｎｍ）以下であることがより好ましい。
【００５０】
さらに、半導体発光素子９０１を半導体レーザとする場合、ｎ側ガイド層１４は活性層１５で発生した光を反射して誘導放出を促進させる光閉じ込め効果の機能をさせるため、膜厚が１００（ｎｍ）のノンドープのＧａＮ化合物又は不純物のＳｉ濃度が１×１０１８（ｃｍ−３）以下の低ドープのＧａＮ化合物であることが望ましい。
【００５１】
正孔供給層２０はＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物の半導体層である。正孔供給層２０は前記組成式においてｐ＝ｃ（０．０１≦ｃ≦０．１５、好ましくは０．０５≦ｃ≦０．１）、ｘ＋ｙ＝１の関係、すなわちＡｌｃＧａ１−ｃＮ化合物が例示される。正孔供給層２０はキャリア密度を高めるためｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。不純物濃度は５×１０１８（ｃｍ−３）以上１×１０２０（ｃｍ−３）以下であることが例示される。正孔供給層２０の膜厚は１００（ｎｍ）以上２０００（ｎｍ）以下が好ましく、２００（ｎｍ）以上５００（ｎｍ）以下であることがより好ましい。
【００５２】
さらに、半導体発光素子９０１を半導体レーザとする場合、正孔供給層２０は活性層１５に正孔を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が５００（ｎｍ）の前記組成式においてｃ＝０．０８、すなわちＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ化合物であり、不純物のＭｇ濃度は３×１０１９（ｃｍ−３）であることが望ましい。
【００５３】
第一半導体層１６は活性層１５の障壁として機能する組成式がＧａＮと表され、結晶がウルツ鉱構造のＩＩＩ族窒化物系化合物を積層した半導体層である。第一半導体層１６は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上８ｎｍ以下の膜厚で形成される。不純物としてＳｉを添加しても良い。
【００５４】
分極発生層１７はキャリアである正孔の移動を円滑にする機能を有する半導体層である。分極発生層１７は組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表され、結晶がウルツ鉱構造のＩＩＩ族窒化物系化合物を積層する。分極発生層１７でキャリアの再結合が発生しないように活性層１５のバンドギャップより広くなるような組成とすることが望ましい。具体的には、前記組成式において０．９５≦ｘ≦０．９９、好ましくは０．９８≦ｘ≦０．９９であることが例示できる。また、分極発生層１７は５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚で形成されることが好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚で形成されることがより好ましく、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の膜厚で形成されることがさらに好ましい。
【００５５】
第二半導体層１８は電気抵抗の高い組成式がＧａＮと表され、結晶がウルツ鉱構造のノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物である。第二半導体層１８は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上８ｎｍ以下の膜厚で形成される。
【００５６】
第三半導体層１９はＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物の半導体層である。第三半導体層１９は結晶がウルツ鉱構造のＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物であってもよい。第三半導体層１９は電子バリア層とも呼ばれ、半導体発光素子の発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が活性層の量子井戸の障壁を越えてｐ型側の半導体層へ移動してしまうキャリアオーバーフローという現象を防止する。従って、キャリアオーバーフローの電子に対する障壁層として機能するため第三半導体層１９はバンドギャップの広い組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１、好ましくは０．７≦ｙ≦０．９、さらに好ましくは０．７５≦ｙ≦０．８５）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物を積層することが望ましい。
【００５７】
第三半導体層１９はバンドギャップが広く、ｐ型のため伝送帯の底部準位が高く、前記熱エネルギーを得た電子であっても第三半導体層１９を通過してｐ型側の半導体層へ移動することができない。第三半導体層１９の膜厚は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下、好ましくは１５（ｎｍ）以上２５（ｎｍ）以下であることが例示される。キャリアオーバーフローの電子はｐ型の半導体層において、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体発光素子の発光効率を低下させるため、第三半導体層１９により無効キャリアを減少させることができ、半導体発光素子の発光効率を高くすることができる。
【００５８】
さらに、半導体発光素子９０１を半導体レーザとする場合、第三半導体層１９は前記組成式においてｙ＝０．２、すなわちＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ化合物が例示でき、ｐ型とするために不純物としてＭｇが添加される。不純物濃度は１×１０１９（ｃｍ−３）以上１×１０２０（ｃｍ−３）以下の範囲であることが例示され、５×１０１９（ｃｍ−３）であることが好ましい。第三半導体層１９の膜厚は２０（ｎｍ）であることが望ましい。
【００５９】
なお、ｐ側ガイド層２４は第一半導体層１６、分極発生層１７及び第二半導体層１８から構成される。
【００６０】
ｐ型コンタクト層２１はストライプ形状電極２２とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が１０（ｎｍ）以上１００（ｎｍ）以下のＧａＮ化合物が例示できる。ｐ型コンタクト層２１がＧａＮ化合物の場合、添加する不純物としてＭｇが例示される。
【００６１】
ｎ型下地層１２は電子供給層１３の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚１μｍ以上５μｍ以下のＳｉを不純物としてｎ型としたＧａＮ化合物が例示できる。不純物濃度は５×１０１７（ｃｍ−３）以上１×１０１９（ｃｍ−３）以下であることが例示される。
【００６２】
半導体発光素子９０１の各半導体層は有機金属気相成長法（以下、「有機金属気相成長法」を「ＭＯＣＶＤ法」と略記する。）を利用して積層される。ＭＯＣＶＤ法は反応ガスを反応炉（チャンバ）に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏６００度から摂氏１１００度に維持された基板上で反応ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。反応ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。
【００６３】
ｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１がＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物の場合、ＭＯＣＶＤ法はＩＩＩ属元素としてＧａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリウム、以下「ＴＭＧ」と略記する。）、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３（トリエチルインジウム、以下「ＴＭＩ」と略記する。）及びＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム、以下「ＴＭＡ」と略記する。）をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニアガスを使用する。また、不純物はｐ型ドーパントとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）又はｎ型ドーパントとしてＳｉＨ４（シラン）を原料ガスとすることができる。前記原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。ＭＯＣＶＤ法はＣＰ２Ｍｇ又はＳｉＨ４、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアの原料ガスを所定の比率で混合した混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望のＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物を成長させることができる。ＭＯＣＶＤ法はＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物の膜厚を反応時間で制御することができる。また、所定の反応時刻で前記製造パラメータを順に変更することで、異なる組成のＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物を連続して積層することができる。
【００６４】
半導体発光素子９０１は基板１１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に連続して積層することができる。
【００６５】
具体的に、半導体発光素子９０１は以下のように作成される。基板１１をチャンバ内に導入し、前記チャンバ内をキャリアガスで置換すると共に基板１１の温度を６００〜１１００℃程度に昇温する。
【００６６】
次いで、ｎ型下地層１２が成長するＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、アンモニア及びＳｉＨ４の混合比の混合ガスを導入して、所定の時間基板１１上で反応させてｎ型下地層１２を積層する。例えば、ｎ型下地層１２がＧａＮ化合物である場合、ＴＭＧ、アンモニア及びＳｉＨ４の混合ガスを使用する。
【００６７】
次いで、電子供給層１３が成長するＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、アンモニア及びＳｉＨ４の混合比の混合ガスを導入して、所定の時間ｎ型下地層１２上で反応させて電子供給層１３を積層する。例えば、電子供給層１３がＡｌｂＧａ１−ｂＮ化合物である場合、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア及びＳｉＨ４の混合ガスを使用する。
【００６８】
同様にして、所定の混合比の混合ガスを導入してｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に積層する。なお、第一半導体層１６、分極発生層１７及び第二半導体層１８のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【００６９】
また、基板１１に前記ＩＩＩ族窒化物系化合物を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）を利用してもよい。
【００７０】
ｐ型コンタクト層２１を積層した後、ｐ型コンタクト層２１上にストライプ形状電極２２の素材及び基板１１の裏面に電極１０の素材を積層する。電極の素材の積層方法としては真空蒸着法を利用できる。また、電極蒸着前にＮ２中で６００℃以上９００℃以下の温度においてアニールしてもよい。
【００７１】
電極の素材を積層した後、ストライプ形状電極２２を形成する。ストライプ形状電極２２を形成する方法としてはリソグラフィ技術とドライエッチングを用いることができる。リソグラフィ技術によりストライプ状のレジストパターンを形成し、ストライプ形状電極２２の素材をストライプ状にエッチングする。ストライプ形状電極２２の素材とｐ型コンタクト層２１、例えばＧａＮ化合物との選択比の高いエッチングガスを用いることでｐ型コンタクト層２１をエッチングストップ層として前記レジストパターンに覆われていないストライプ形状電極２２の素材を良好にエッチングすることができる。続いてレジストを除去することでストライプ形状電極２２を形成することができる。
【００７２】
半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムの概念図を図２に示す。図２において９１は価電子帯のトップ準位、９２は伝導帯の底部準位である。また、１０ａは電極１０の領域、１１ａは基板１１の領域、１２ａはｎ型下地層１２の領域、１３ａは電子供給層１３の領域、１４ａはｎ側ガイド層１４の領域、１５ａは活性層１５の領域、１６ａは第一半導体層１６の領域、１７ａは分極発生層１７の領域、１８ａは第二半導体層１８の領域、１９ａは第三半導体層１９の領域、２０ａは正孔供給層２０の領域及び２１ａはｐ型コンタクト層２１の領域のバンドギャップを示している。なお、図２において電極１０から基板１１まで及びｐ型コンタクト層２１からストライプ形状電極２２までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
【００７３】
活性層１５に対してｎ側において、活性層１５、ｎ側ガイド層１４、電子供給層１３、基板１１の順でバンドギャップが広くなり、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５の順で伝導帯の底部準位９２は低くなる。
【００７４】
一方、活性層１５に対してｐ側の第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１のバンドギャップは以下のようになる。
【００７５】
第一半導体層１６及び第二半導体層１８のバンドギャップは等しく、第一半導体層１６及び第二半導体層１８の価電子帯のトップ準位９１は等しい。さらに第一半導体層１６及び第二半導体層１８の伝導帯の底部準位９２も等しい。
【００７６】
分極発生層１７には隣接する第一半導体層１６との間及び隣接する第二半導体層１８との間に前記分極が生じており、分極発生層１７内において第二半導体層１８から第一半導体層１６への方向の電場が生じている。従って、前記電場により分極発生層１７の価電子帯のトップ準位９１及び伝導帯の底部準位９２は第一半導体層１６の価電子帯のトップ準位９１から伝導帯の底部準位９２までのエネルギー準位の範囲で第二半導体層１８から第一半導体層１６に向かって高くなるように変化している。
【００７７】
第三半導体層１９は組成にＡｌを含み、バンドギャップは隣接する第二半導体層１８のバンドギャップより広い。
【００７８】
従って、活性層１５に対してｐ側において、第三半導体層１９、第一半導体層１６、活性層１５の順で価電子帯のトップ準位９１は高くなる。
【００７９】
ゆえに、図２のバンドダイヤグラムのように、活性層１５は活性層１５のバンドギャップより広いｎ側ガイド層１４と第一半導体層１６とに挟まれるため、活性層１５、ｎ側ガイド層１４及び第一半導体層１６で量子井戸構造を形成する。
【００８０】
半導体発光素子９０１のキャリアは以下のように移動する。電極１０から注入された電子は電子が多数キャリアである基板１１、ｎ型下地層１２及び電子供給層１３を活性層１５の方向へ円滑に移動できる。ｎ側ガイド層１４のバンドギャップは電子供給層１３のバンドギャップより狭いため、電子は伝導帯の底部準位９２に沿ってエネルギー的に安定するｎ側ガイド層１４へ移動する。さらに、同様の理由で電子はｎ側ガイド層１４から活性層１５に移動し、量子井戸である活性層１５の伝導帯の底部準位９２に集中する。
【００８１】
一方、ストライプ形状電極２２から注入された正孔は正孔が多数キャリアであるｐ型コンタクト層２１、正孔供給層２０及び第三半導体層１９を活性層１５の方向へ円滑に移動できる。第三半導体層１９のバンドギャップは第二半導体層１８のバンドギャップより広いため、正孔は価電子帯のトップ準位９１に沿ってエネルギー的に安定する第二半導体層１８へ移動する。同様の理由で正孔は第二半導体層１８から分極発生層１７へ移動する。正孔は分極発生層１７において前記電場からのクーロン力を受け、第一半導体層１６の方向へ円滑に移動する。分極発生層１７で前記電場からクーロン力を受けた正孔は膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下と薄い第一半導体層１６を通過することができ、量子井戸である活性層１５の価電子帯のトップ準位９１に集中する。
【００８２】
ｐ型半導体のキャリアである正孔の有効質量は電子の有効質量に比べ重く、正孔の移動は電子の移動より困難なため、正孔を活性層へ注入させるために大きなエネルギーを必要としていたが、半導体発光素子９０１は分極発生層１７を配置したことにより前記エネルギーを小さくすることができる。
【００８３】
活性層１５に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することで、半導体発光素子９０１は活性層１５から量子井戸の価電子帯のトップ準位９１と伝導帯の底部準位９２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【００８４】
従って、正孔は前記クーロン力を受けて分極発生層１７内を円滑に移動でき、光学的性能及び信頼性を向上させるためにｐ側ガイド層２４の膜厚を厚くしても、電気抵抗は低く、活性層に注入される正孔の量は減少しない。ゆえに、半導体発光素子９０１は光学的性能及び信頼性の向上と低電気抵抗化とを両立することができる。
【００８５】
さらに、半導体発光素子９０１はしきい値電流が減少し、発光の輝度が向上するため発光効率が向上する。
【００８６】
（実施の形態２）
本実施形態において、前記活性層は互いに組成の異なる組成式がＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表される少なくとも二種類のＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜を積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であることが好ましい。
【００８７】
本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９０３の断面の概念図を図３に示す。図３において図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。図１の半導体発光素子９０１と半導体発光素子９０３との違いは、半導体発光素子９０３は半導体発光素子９０１の活性層１５を備えず、活性層３５を備えていることである。
【００８８】
活性層３５は互いに組成の異なる少なくとも二種類のＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物薄膜を交互に積層したＭＱＷの半導体層である。ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物は組成を変更することでバンドギャップが変わり、前記二種類のＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のうちバンドギャップの広い方を障壁として、バンドギャップの狭い方を量子井戸としている。なお、以下の説明において「活性層３５のバンドギャップの広いＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「活性層３５の障壁薄膜」及び「活性層３５のバンドギャップの狭いＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「活性層３５の量子井戸薄膜」と略記する。活性層３５の量子井戸薄膜において電子及び正孔が再結合することで光を発光するため、所望の光を発生させるバンドギャップとなるように活性層３５の量子井戸薄膜の組成を設計する。
【００８９】
例えば、活性層３５の障壁薄膜として前記組成式においてｐ＝０、ｑ＝ｄ（０．９５≦ｄ≦１、好ましくは０．９７≦ｄ≦１）、すなわち組成式がＧａｄＩｎ１−ｄＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と活性層３５の量子井戸薄膜として前記組成式においてｐ＝０、ｑ＝ｅ（ｅ＜ｄ且つ０．８０≦ｅ≦０．９５、好ましくはｅ＜ｄ且つ０．８５≦ｅ≦０．９）、すなわち組成式がＧａｅＩｎ１−ｅＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを組み合わせたＭＱＷが例示される。なお、以下の記載において「組成式がＧａｄＩｎ１−ｄＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＧａｄＩｎ１−ｄＮ化合物」と略記し、「組成式がＧａｅＩｎ１−ｅＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＧａｅＩｎ１−ｅＮ化合物」と略記する。
【００９０】
活性層３５の障壁薄膜の膜厚は５（ｎｍ）以上２０（ｎｍ）以下が好ましく、７（ｎｍ）以上１５（ｎｍ）以下がより好ましい。
【００９１】
活性層３５の量子井戸薄膜の膜厚は１（ｎｍ）以上１０（ｎｍ）以下が好ましく、３（ｎｍ）以上５（ｎｍ）以下がより好ましい。
【００９２】
活性層３５の膜厚のうちＭＱＷを構成する活性層３５の障壁薄膜と活性層３５の量子井戸薄膜との組は２組以上３組以下であることが好ましい。
【００９３】
さらに、半導体発光素子９０３を半導体レーザとする場合、前記活性層は前記組成式がｐ＝０及びｑ＝１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であって、前記活性層における前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップは前記分極発生層のバンドギャップより狭くなるように設計することが望ましい。
【００９４】
具体的には、活性層３５の量子井戸薄膜は前記組成式においてｅ＝０．８７、すなわちＧａ０．８７Ｉｎ０．１３Ｎ化合物、活性層３５の障壁薄膜は前記組成式においてｄ＝１、すなわちＧａＮ化合物であることが例示できる。また、活性層３５の量子井戸薄膜の膜厚は３（ｎｍ）及び活性層３５の障壁薄膜の膜厚は１０（ｎｍ）であることが例示できる。
【００９５】
半導体発光素子９０３において活性層３５は図１の半導体発光素子９０１の活性層１５の代替としてｎ側ガイド層１４と第一半導体層１６との間に配置される。
【００９６】
活性層３５は図１の半導体発光素子９０１で説明したＭＯＣＶＤ法で互いに組成の異なる二種類のＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物薄膜を交互に連続して積層することができる。従って、半導体発光素子９０３はＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層３５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に成長させることができる。なお、第一半導体層１６、分極発生層１７及び第二半導体層１８のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【００９７】
さらに電極１０及びストライプ形状電極２２も図１の半導体発光素子９０１で説明したように形成することができる。
【００９８】
半導体発光素子９０３のバンドダイヤグラムの概念図を図４に示す。図４において図２のバンドダイヤグラムで用いた符号と同じ符号は同じ層あり同じ機能を有する。図４と図２との違いは１５ａの活性層１５の領域が３５ａの活性層３５の活性層領域となっていることである。図４において活性層３５の量子井戸は３つである。
【００９９】
活性層３５の領域３５ａにおいて、３５ｂは活性層３５の量子井戸薄膜の領域及び３５ｃは活性層３５の障壁薄膜の領域であり、活性層３５の量子井戸薄膜のバンドギャップはｎ側ガイド層１４のバンドギャップ及び分極発生層１７のバンドギャップより狭く設計される。
【０１００】
活性層３５に対してｎ側においてｎ側ガイド層１４、電子供給層１３、ｎ型下地層１２及び基板１１のバンドギャップは、図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したようになり、伝導帯の底部準位９２は電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層３５の量子井戸薄膜の順で低くなる。
【０１０１】
一方、活性層３５に対してｐ側において第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１のバンドギャップは図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したようになり、価電子帯のトップ準位９１は、第三半導体層１９、第一半導体層１６、活性層３５の量子井戸薄膜の順で高くなる。
【０１０２】
半導体発光素子９０３のキャリアは図２の半導体発光素子９０１で説明したように移動する。すなわち、電極１０から注入された電子は活性層３５の量子井戸薄膜の伝導帯の底部準位９２に集中し、ストライプ形状電極２２から注入された正孔は活性層３５の量子井戸薄膜の価電子帯のトップ準位９１に集中する。
【０１０３】
活性層３５の量子井戸薄膜に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することで、半導体発光素子９０３は活性層３５の量子井戸の価電子帯のトップ準位９１と伝導帯の底部準位９２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１０４】
従って、半導体発光素子９０３は図１の半導体発光素子９０１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
（実施の形態３）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向の幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の分極発生層と、前記分極発生層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【０１０６】
本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０５の断面の概念図を図５に示す。図５において図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。図１の半導体発光素子９０１と半導体発光素子９０５との違いは、半導体発光素子９０５は半導体発光素子９０１の第二半導体層１８を備えず、分極発生層１７は第三半導体層１９と隣接していることである。
【０１０７】
なお、ｐ側ガイド層６４は第一半導体層１６及び分極発生層１７から構成される。
【０１０８】
半導体発光素子９０５は半導体発光素子９０１での説明と同様にＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に成長させることができる。なお、第一半導体層１６、分極発生層１７及び第三半導体層１９のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【０１０９】
さらに電極１０及びストライプ形状電極２２も図１の半導体発光素子９０１で説明したように形成することができる。
【０１１０】
半導体発光素子９０５のバンドダイヤグラムの概念図を図６に示す。図６において図２のバンドダイヤグラムで用いた符号と同じ符号は同じ層あり同じ機能を有する。図２のバンドダイヤグラムと図６のバンドダイヤグラムとの違いは、図６のバンドダイヤグラムは図２のダイヤグラムにおける１８ａの第二半導体層１８の領域が無いことである。
【０１１１】
活性層１５に対してｎ側においてｎ側ガイド層１４、電子供給層１３、ｎ型下地層１２及び基板１１のバンドギャップは、図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したようになり、伝導帯の底部準位９２は電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５の順で低くなる。
【０１１２】
一方、活性層１５に対してｐ側の第一半導体層１６、分極発生層１７、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１のバンドギャップは以下のようになる。
【０１１３】
分極発生層１７には隣接する第一半導体層１６との間及び隣接する第三半導体層１９との間に前記分極が生じており、分極発生層１７内部において第三半導体層１９から第一半導体層１６への方向の電場が生じている。従って、前記電場により分極発生層１７の価電子帯のトップ準位９１及び伝導帯の底部準位９２は第一半導体層１６の価電子帯のトップ準位９１から伝導帯の底部準位９２までのエネルギー準位の範囲で第三半導体層１９から第一半導体層１６に向かって高くなるように変化している。
【０１１４】
従って、第三半導体層１９、第一半導体層１６、活性層１５の順で価電子帯のトップ準位９１は高くなる。
【０１１５】
ゆえに、図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したように、活性層１５はｎ側ガイド層１４と第一半導体層１６とを障壁とした量子井戸を形成する。
【０１１６】
半導体発光素子９０５のキャリアは図２の半導体発光素子９０１で説明したように移動する。すなわち、電極１０から注入された電子は活性層１５の伝導帯の底部準位９２に集中し、ストライプ形状電極２２から注入された正孔は分極発生層１７に生じた電場からのクーロン力を受けて活性層１５の価電子帯のトップ準位９１に集中する。
【０１１７】
活性層１５に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することで、半導体発光素子９０５は活性層１５から量子井戸の価電子帯のトップ準位９１と伝導帯の底部準位９２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１１８】
従って、半導体発光素子９０５はｐ側ガイド層６４の膜厚を厚くしても、図１の半導体発光素子９０１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１１９】
なお、半導体発光素子９０５の活性層１５を図３で説明した活性層３５に置き換えても図３の半導体発光素子９０３で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１２０】
（実施の形態４）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の超格子層と、前記超格子層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記超格子層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【０１２１】
本願第三の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０７の断面の概念図を図７に示す。図７において図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。図１の半導体発光素子９０１と半導体発光素子９０７との違いは、半導体発光素子９０７は半導体発光素子９０１の分極発生層１７を備えず超格子層７７を備えていることである。
【０１２２】
超格子層７７はキャリアである正孔の移動を円滑にする機能を有する半導体層である。超格子層７７は、バンドギャップの広い組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜（以下、「超格子層７７の組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「超格子層７７のＧａＮ薄膜」と略記する。）とＩｎを含み超格子層７７のＧａＮ薄膜よりバンドギャップの狭い組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜（以下、「超格子層７７の組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜」を「超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜」と略記する。）とを交互に複数積層した超格子構造の半導体層である。超格子層７７のＧａＮ薄膜及び超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜の結晶はウルツ鉱構造である。超格子層７７のＧａＮ薄膜及び超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜の膜厚はそれぞれ１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１２３】
また、超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜のバンドギャップは、超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜でキャリアの再結合が発生しないように活性層１５のバンドギャップより広くなるような組成とすることが望ましい。すなわち、前記組成式においてａ≦ｘ＜１であることが好ましい。例えば、ｘ＝０．９８、すなわちＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎが例示できる。
【０１２４】
さらに、超格子層７７は超格子層７７のＧａＮ薄膜と超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜との組み合わせを１０組以上１００組以下積層して形成することが好ましい。
【０１２５】
図７の半導体発光素子９０７において超格子層７７の両端はＧａＩｎＮ薄膜であり、第一半導体層１６は超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜と隣接し、第二半導体層１８は超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜と隣接している。
【０１２６】
なお、ｐ側ガイド層８４は第一半導体層１６、超格子層７７及び第二半導体層１８から構成される。
【０１２７】
超格子層７７は図１の半導体発光素子９０１で説明したＭＯＣＶＤ法で、超格子層７７のＧａＮ薄膜と超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜を連続して交互に積層することができる。従って、半導体発光素子９０７はＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、超格子層７７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に成長させることができる。なお、第一半導体層１６、超格子層７７及び第二半導体層１８のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【０１２８】
さらに電極１０及びストライプ形状電極２２も図１の半導体発光素子９０１で説明したように形成することができる。
【０１２９】
半導体発光素子９０７のバンドダイヤグラムの概念図を図８に示す。図８において図２のバンドダイヤグラムで用いた符号と同じ符号は同じ層あり同じ機能を有する。図２と図８との違いは、図８のバンドダイヤグラムは図２のダイヤグラムにおける１７ａの分極発生層１７の領域が無く、７７ａの超格子層７７の領域があることである。また、７７ａは超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜の領域７７ｂと超格子層７７のＧａＮ薄膜の領域７７ｃから構成される。なお、図８の半導体発光素子９０７のバンドダイヤグラムにおいて、超格子層７７の領域７７ａの一部を省略して記載している。
【０１３０】
活性層１５に対してｎ側においてｎ側ガイド層１４、電子供給層１３、ｎ型下地層１２及び基板１１のバンドギャップは、図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したようになり、伝導帯の底部準位９２は電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５の順で低くなる。
【０１３１】
一方、活性層１５に対してｐ側の第一半導体層１６、超格子層７７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１のバンドギャップは以下のようになる。
【０１３２】
第一半導体層１６、第二半導体層１８及び超格子層７７のＧａＮ薄膜のバンドギャップは等しく、第一半導体層１６、第二半導体層１８及び超格子層７７のＧａＮ薄膜の価電子帯のトップ準位９１は等しい。さらに第一半導体層１６、第二半導体層１８及び超格子層７７のＧａＮ薄膜の伝導帯の底部準位９２も等しい。
【０１３３】
超格子層７７の各ＧａＩｎＮ薄膜には隣接する超格子層７７のＧａＮ薄膜、第一半導体層１６及び第二半導体層１８との間に前記分極が生じており、それぞれの超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜内において第三半導体層１９から第一半導体層１６への方向の電場が生じている。従って、前記電場により各超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜の価電子帯のトップ準位９１及び伝導帯の底部準位９２は第一半導体層１６の価電子帯のトップ準位９１から伝導帯の底部準位９２までのエネルギー準位の範囲で第三半導体層１９から第一半導体層１６に向かって高くなるように変化している。
【０１３４】
第三半導体層１９は組成にＡｌを含み、バンドギャップは隣接する第二半導体層１８のバンドギャップより広く、第三半導体層１９、第一半導体層１６、活性層１５の順で価電子帯のトップ準位９１は高くなる。
【０１３５】
ゆえに、図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子９０７の活性層１５は量子井戸を形成している。
【０１３６】
従って、半導体発光素子９０７の電子は図２の半導体発光素子９０１で説明したように移動する。すなわち、電極１０から注入された電子は活性層１５の伝導帯の底部準位９２に集中する。
【０１３７】
一方、ストライプ形状電極２２から注入された正孔は正孔が多数キャリアであるｐ型コンタクト層２１、正孔供給層２０及び第三半導体層１９を活性層１５の方向へ円滑に移動できる。正孔は図２の半導体発光素子９０１で説明したように第三半導体層１９から第二半導体層１８へ移動する。同様の理由で正孔は第二半導体層１８から超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜へ移動する。正孔は超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜において前記電場からのクーロン力を受け、第一半導体層１６の方向へ円滑に移動する。超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜で前記電場からクーロン力を受けた正孔は、膜厚が１ｎｍ以上２ｎｍ以下と薄い超格子層７７のＧａＮ薄膜を通過することができる。超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜毎に前記電場からのクーロン力を受けた正孔は、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下と薄い第一半導体層１６を通過することができ、量子井戸である活性層１５の価電子帯のトップ準位９１に集中する。
【０１３８】
活性層１５に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することで、半導体発光素子９０７は活性層１５から量子井戸の価電子帯のトップ準位９１と伝導帯の底部準位９２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１３９】
従って、半導体発光素子９０７はｐ側ガイド層８４の膜厚を厚くしても、図１の半導体発光素子９０１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
（実施の形態５）
本実施形態において、前記活性層は互いに組成の異なる組成式がＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）と表される少なくとも二種類のＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜を積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であることが好ましい。
【０１４１】
本願第三の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９０９の断面の概念図を図９に示す。図９において図１、図３及び図７で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。図７の半導体発光素子９０７と半導体発光素子９０９との違いは、半導体発光素子９０９は半導体発光素子９０７の活性層１５を備えず、図３の半導体発光素子９０３で説明した活性層３５を備えていることである。
【０１４２】
さらに、半導体発光素子９０９を半導体レーザとする場合、前記活性層は前記組成式がｐ＝０及びｑ＝１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを積層方向に交互に配置する多重量子井戸構造であって、前記活性層における前記組成式がｐ＝０及び０≦ｑ＜１であるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップは前記超格子層における前記組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のバンドギャップより狭くなるように設計することが望ましい。
【０１４３】
半導体発光素子９０９において活性層３５は図７の半導体発光素子９０７の活性層１５の代替としてｎ側ガイド層１４と第一半導体層１６との間に配置される。
【０１４４】
半導体発光素子９０９は図１の半導体発光素子９０１で説明したＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層３５、第一半導体層１６、超格子層７７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に成長させることができる。なお、第一半導体層１６、超格子層７７及び第二半導体層１８のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【０１４５】
さらに電極１０及びストライプ形状電極２２も図１の半導体発光素子９０１で説明したように形成することができる。
【０１４６】
半導体発光素子９０９のバンドダイヤグラムの概念図を図１０に示す。図１０において図２、図４及び図８のバンドダイヤグラムで用いた符号と同じ符号は同じ層あり同じ機能を有する。図１０において図８との違いは１５ａの活性層１５の領域が３５ａの活性層３５の活性層領域となっていることである。図１０において活性層３５の量子井戸は三つである。なお、図１０の半導体発光素子９０９のバンドダイヤグラムにおいて、超格子層７７の領域７７ａの一部を省略して記載している。
【０１４７】
活性層３５の領域３５ａにおいて、３５ｂは活性層３５の量子井戸薄膜の領域及び３５ｃは活性層３５の障壁薄膜の領域であり、活性層３５の量子井戸薄膜のバンドギャップはｎ側ガイド層１４のバンドギャップ及び超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜のバンドギャップより狭く設計される。  
【０１４８】
活性層３５に対してｎ側においてｎ側ガイド層１４、電子供給層１３、ｎ型下地層１２及び基板１１のバンドギャップは、図４の半導体発光素子９０３のバンドダイヤグラムで説明したようになり、伝導帯の底部準位９２は電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層３５の量子井戸薄膜の順で低くなる。
【０１４９】
一方、活性層３５に対してｐ側において第一半導体層１６、超格子層７７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１のバンドギャップは図８の半導体発光素子９０７のバンドダイヤグラムで説明したようになり、価電子帯のトップ準位９１は、第三半導体層１９、第一半導体層１６、活性層３５の量子井戸薄膜の順で高くなる。
【０１５０】
半導体発光素子９０９のキャリアは図４の半導体発光素子９０３のバンドダイヤグラムで説明したように移動する。すなわち、電極１０から注入された電子は活性層３５の量子井戸薄膜の伝導帯の底部準位９２に集中する。ストライプ形状電極２２から注入された正孔は図８の半導体発光素子９０７で説明したように超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜に生じた電場により活性層３５の量子井戸薄膜の価電子帯のトップ準位９１に集中する。
【０１５１】
活性層３５の量子井戸薄膜に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することで、半導体発光素子９０９は活性層３５の量子井戸薄膜の価電子帯のトップ準位９１と伝導帯の底部準位９２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１５２】
従って、半導体発光素子９０９はｐ側ガイド層８４の膜厚を厚くしても図１の半導体発光素子９０１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
（実施の形態６）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合する活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層され、積層方向の幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるノンドープのＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＧａｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の超格子層と、前記超格子層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式がＡｌ１−ｙＧａｙＮ（０≦ｙ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三半導体層と、を備える半導体発光素子である。
【０１５４】
本願第四の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９１１の断面の概念図を図１１に示す。図１１において図１及び図７で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。図７の半導体発光素子９０７と半導体発光素子９１１との違いは、半導体発光素子９１１は半導体発光素子９０７の第二半導体層１８を備えず、超格子層７７は第三半導体層１９と隣接していることである。
【０１５５】
なお、ｐ側ガイド層１２４は第一半導体層１６及び超格子層７７から構成される。
【０１５６】
半導体発光素子９１１は図１の半導体発光素子９０１での説明と同様にＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、超格子層７７、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に成長させることができる。なお、第一半導体層１６、超格子層７７及び第三半導体層１９のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【０１５７】
さらに電極１０及びストライプ形状電極２２も図１の半導体発光素子９０１で説明したように形成することができる。
【０１５８】
半導体発光素子９１１のバンドダイヤグラムの概念図を図１２に示す。図１２において図２及び図８のバンドダイヤグラムで用いた符号と同じ符号は同じ層あり同じ機能を有する。図８と図１２との違いは、図１２のバンドダイヤグラムは図８のバンドダイヤグラムにおける１８ａの第二半導体層１８の領域が無いことである。なお、図１２の半導体発光素子９１１のバンドダイヤグラムにおいて、超格子層７７の領域７７ａの一部を省略して記載している。
【０１５９】
活性層１５に対してｎ側においてｎ側ガイド層１４、電子供給層１３、ｎ型下地層１２及び基板１１のバンドギャップは、図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したようになり、伝導帯の底部準位９２は電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５の順で低くなる。
【０１６０】
一方、活性層１５に対してｐ側の第一半導体層１６、超格子層７７、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１のバンドギャップは以下のようになる。
【０１６１】
第一半導体層１６及び超格子層７７のＧａＮ薄膜のバンドギャップは等しく、第一半導体層１６及び超格子層７７のＧａＮ薄膜の価電子帯のトップ準位９１は等しい。さらに第一半導体層１６及び超格子層７７のＧａＮ薄膜の伝導帯の底部準位９２も等しい。
【０１６２】
超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜と超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜に隣接する第三半導体層１９との間にも前記分極が生じており、第三半導体層１９と超格子層７７のＧａＮ薄膜とに挟まれる超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜内にも第三半導体層１９から第一半導体層１６への方向の電場が生じている。従って、前記電場により各超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜の価電子帯のトップ準位９１及び伝導帯の底部準位９２は第一半導体層１６の価電子帯のトップ準位９１から伝導帯の底部準位９２までのエネルギー準位の範囲で第三半導体層１９から第一半導体層１６に向かって高くなるように変化している。
【０１６３】
従って、第三半導体層１９、第一半導体層１６、活性層１５の順で価電子帯のトップ準位９１は高くなる。
【０１６４】
従って、図１の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子９１１の活性層１５は量子井戸を形成する。
【０１６５】
半導体発光素子９１１のキャリアは図２の半導体発光素子９０１で説明したように移動する。すなわち、電極１０から注入された電子は活性層１５の伝導帯の底部準位９２に集中し、ストライプ形状電極２２から注入された正孔は超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜に生じた電場からのクーロン力を受けて活性層１５の価電子帯のトップ準位９１に集中する。
【０１６６】
活性層１５に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することで、半導体発光素子９０９は活性層１５から量子井戸の価電子帯のトップ準位９１と伝導帯の底部準位９２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１６７】
従って、半導体発光素子９１１はｐ側ガイド層１２４の膜厚を厚くしても、図１の半導体発光素子９０１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１６８】
なお、半導体発光素子９１１の活性層１５を図３で説明した活性層３５に置き換えても図９の半導体発光素子９０９で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１６９】
（実施の形態７）
本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９１３の断面の概念図を図１３に示す。図１３において図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。図１の半導体発光素子９０１と半導体発光素子９１３との違いは、半導体発光素子９１３は半導体発光素子９０１の電極１０及び基板１１を備えず、電極３２及び基板３１を備えていることである。半導体発光素子９１３は基板３１に対し、電極３２とストライプ形状電極２２とを同じ側に配置する表面電極型の半導体発光素子である。
【０１７０】
基板３１は半導体薄膜で構成される半導体発光素子９１３を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子９１３の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ化合物を積層させる場合はサファイヤが例示される。
【０１７１】
電極３２は半導体発光素子９１３に電圧を印加するために配置される。電極３２は図１の電極１０で説明した機能を有し、素材としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＡｕやＡｌ／Ａｕが例示される。
【０１７２】
半導体発光素子９１３は以下に説明するように作成される。ＭＯＣＶＤ法を用いて基板３１上にｎ型下地層１２、電子供給層１３、ｎ側ガイド層１４、活性層１５、第一半導体層１６、分極発生層１７、第二半導体層１８、第三半導体層１９、正孔供給層２０及びｐ型コンタクト層２１を順に積層する。なお、第一半導体層１６、分極発生層１７及び第二半導体層１８のＩＩＩ族窒化物系化合物は積層方向と結晶のＣ軸方向とが平行であるように積層する。
【０１７３】
続いて、図１の半導体発光素子９０１で説明したようにストライプ形状電極２２を形成する。
【０１７４】
続いて、電極３２を形成する箇所の陰電極部Ｍの半導体層を除去するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Ｐの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Ｍのｐ型コンタクト層２１からｎ型下地層１２の膜厚の一部までの半導体層を除去する。ｎ型下地層１２の膜厚の一部までのエッチングなのでエンドポイント、すなわち陰電極部Ｍに残すｎ型下地層１２の膜厚はエッチング時間で制御する。
【０１７５】
陰電極部Ｍを形成した後、ストライプ形状電極２２の形成と同様にして電極３２を形成する。
【０１７６】
半導体発光素子９１３のバンドダイヤグラムの概念図を図１４に示す。図１４において図２で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図１４の半導体発光素子９１３のバンドダイヤグラムにおいて図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムと異なる部分は基板１１の領域１１ａ及び電極１０の領域１０ａがなく、電極３２の領域３２ａが表示されていることである。なお、図１４においてｐ型コンタクト層２１からストライプ形状電極２２まで及びｎ型下地層１２から電極３２までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
【０１７７】
ストライプ形状電極２２を陽電極として、電極３２を陰電極として電圧を印加することで電極３２から電子が、ストライプ形状電極２２から正孔が半導体発光素子９１３に注入される。
【０１７８】
電極３２から注入された電子は図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子９１３の活性層１５に集中する。
【０１７９】
一方、ストライプ形状電極２２から注入された正孔は図２の半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子９１３の活性層１５に集中する。従って、半導体発光素子９１３は活性層１５の価電子帯のトップ準位２１と伝導帯の底部準位２２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１８０】
従って、半導体発光素子９１３は図１の半導体発光素子９０１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１８１】
なお、本願第二の発明、本願第三の発明及び本願第四の発明に係る半導体発光素子も半導体発光素子９１３で説明した表面電極型とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本発明の半導体発光素子の構成は受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、ＨＥＭＴに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８３】
【図１】本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０１の断面の概念図である。
【図２】本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０１のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図３】本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９０３の断面の概念図である。
【図４】本願第二の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９０３のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図５】本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０５の断面の概念図である。
【図６】本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０５のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図７】本願第三の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０７の断面の概念図である。
【図８】本願第三の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９０７のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図９】本願第三の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９０９の断面の概念図である。
【図１０】本願第三の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９０９のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図１１】本願第四の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９１１の断面の概念図である。
【図１２】本願第四の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子９１１のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図１３】本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９１３の断面の概念図である。
【図１４】本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子９１３のバンドダイヤグラムの概念図である。
【符号の説明】
【０１８４】
９０１、９０３、９０５、９０７、９０９、９１１、９１３  半導体発光素子
１０、３２  電極
１０ａ、３２ａ  バンドダイヤグラムにおける電極１０、３２の領域
１１、３１  基板
１１ａ  バンドダイヤグラムにおける基板１１の領域
１２  ｎ型下地層
１２ａ  バンドダイヤグラムにおけるｎ型下地層１２の領域
１３  電子供給層
１３ａ  バンドダイヤグラムにおける電子供給層１３の領域
１４  ｎ側ガイド層
１４ａ  バンドダイヤグラムにおけるｎ側ガイド層１４の領域
１５、３５  活性層
１５ａ、３５ａ  バンドダイヤグラムにおける活性層１５、３５の領域
３５ｂ  バンドダイヤグラムにおける活性層３５の量子井戸薄膜の領域
３５ｃ  バンドダイヤグラムにおける活性層３５の障壁薄膜の領域
１６  第一半導体層
１６ａ  バンドダイヤグラムにおける第一半導体層１６の領域
１７  分極発生層
１７ａ  バンドダイヤグラムにおける分極発生層１７の領域
１８  第二半導体層
１８ａ  バンドダイヤグラムにおける第二半導体層１８の領域
１９  第三半導体層
１９ａ  バンドダイヤグラムにおける第三半導体層１９の領域
２０  正孔供給層
２０ａ  バンドダイヤグラムにおける正孔供給層２０の領域
２１  ｐ型コンタクト層
２１ａ  バンドダイヤグラムにおけるｐ型コンタクト層２１の領域
２２  ストライプ形状電極
２４、６４、８４、１２４  ｐ側ガイド層
２４ａ、６４ａ、８４ａ、１２４ａ  バンドダイヤグラムにおけるｐ側ガイド層２４、６４、８４、１２４の領域
７７  超格子層
７７ａ  バンドダイヤグラムにおける超格子層７７の領域
７７ｂ  超格子層７７のＧａＩｎＮ薄膜の領域
７７ｃ  超格子層７７のＧａＮ薄膜の領域
９１  価電子帯のトップ準位
９２  伝導帯の底部準位
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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