(57)【要約】【課題】輝度を向上し、所望のピーク発光波長を良好に発現させることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１は、ｎ型層４と、ｐ型層５と、ｎ型層４とｐ型層５との間に介在する発光層６とを含む。発光層６は、バリア層１１と量子井戸層１２とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有している。この発光層６において、ｐ型層５から数えて第α層目（第４層目）までに配置されたバリア層１１のｎ型不純物濃度は、ｐ型層５から数えて第α＋１層目（第５層目）に配置されたバリア層１１のｎ型不純物濃度よりも小さく設定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層と、
ｐ型層と、
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に介在し、バリア層と量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層とを含み、
前記ｐ型層から数えて所定の第α層目（αは自然数）までに配置された前記バリア層のｎ型不純物濃度は、前記ｐ型層から数えて第α＋１層目に配置された前記バリア層のｎ型不純物濃度よりも小さい、半導体発光素子。
【請求項２】
前記αは２以上の自然数であり、
前記ｐ型層から数えて第１層目から前記第α層目に配置された複数の前記バリア層のｎ型不純物濃度は、等しく設定されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記量子井戸層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含み、
前記ｐ型層から数えて所定の第β層目（βは自然数）までに配置された前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、前記ｐ型層から数えて第β＋１層目に配置された前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘよりも大きい、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記βは２以上の自然数であり、
前記ｐ型層から数えて第１層目から前記第β層目までに配置された複数の前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、等しく設定されている、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記βは、前記αである、請求項３または４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型層から数えて任意の第γ（γは２以上の自然数）層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、前記ｐ型層から数えて第γ−１層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘと等しい、請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ型層から数えて任意の第γ（γは２以上の自然数）層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、前記ｐ型層から数えて第γ−１層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘよりも小さい、請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｐ型層から数えて任意の第δ（δは２以上の自然数）層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度は、前記ｐ型層から数えて第δ−１層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度と等しい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｐ型層から数えて任意の第δ（δは２以上の自然数）層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度は、前記ｐ型層から数えて第δ−１層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度よりも大きい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記バリア層は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記バリア層には、ｎ型不純物としてのシリコンがドーピングされている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記発光層と前記ｎ型層との間に介在し、ＩｎｙＧａ１−ｙＮを含む第１層とＧａＮを含む第２層とが複数周期に亘って交互に積層された積層構造を有する中間層をさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第１層のＩｎ組成比率ｙは、０．００５以上０．１以下である、請求項１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第１層は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有している、請求項１２または１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第２層は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記量子井戸層は、２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の厚さを有している、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記バリア層は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有している、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記バリア層のｎ型不純物濃度は、０ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、０．０５以上０．２５以下である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記発光層は、４２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲にピーク発光波長を有する光を発現させる、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
ｎ型層と、
ｐ型層と、
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に介在し、ｎ型不純物濃度が０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満のバリア層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含む量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層とを含み、
前記ｐ型層から前記ｎ型層に近づくにつれてＩｎ組成比率ｘが段階的に小さくなる順序で複数の前記量子井戸層が配置されている、半導体発光素子。
【請求項２２】
複数の前記バリア層は、等しいｎ型不純物濃度に設定されている、請求項２１に記載の半導体発光素子。
【請求項２３】
複数の前記バリア層は、前記ｐ型層から前記ｎ型層に近づくにつれてｎ型不純物濃度が段階的に大きくなる順序で配置されている、請求項２１に記載の半導体発光素子。
【請求項２４】
前記発光層は、前記ｎ型層および前記ｐ型層に順方向電圧が印加された場合、前記多重量子井戸構造の最下層に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘに対応したピーク発光波長を有する光を発現させる、請求項２１〜２３のいずれか一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、多重量子井戸構造を有する発光層を含む半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ｎ型層と、ｐ型層と、ｎ型層およびｐ型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備えた半導体発光素子を開示している。発光層は、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）およびＧａＮ層（バリア層）が所定周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１８７１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子井戸層およびバリア層が所定周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を含む半導体発光素子では、ｐ型層から発光層に正孔が注入され、ｎ型層から発光層に電子が注入される。そして、各量子井戸層で正孔および電子が再結合し、光が生成される（以下、量子井戸層中での再結合を「発光再結合」という。）。
しかしながら、各バリア層にｎ型不純物がドーピングされている場合、正孔と電子とがバリア層中で再結合（発光を伴わない非発光再結合を含む。以下、バリア層中での再結合を「非発光再結合」という。）して、量子井戸層に到達する前段階で正孔が徐々に消耗されることがある。そのため、量子井戸層での発光再結合が不十分になる結果、十分な輝度を得られないだけでなく、所望のピーク発光波長が発現しないおそれもある。
【０００５】
そこで、本発明の一つの目的は、輝度を向上し、所望のピーク発光波長を良好に発現させることができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一局面に係る半導体発光素子は、ｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に介在する発光層とを含む。前記発光層は、バリア層と量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有している。この構成において、前記ｐ型層から数えて所定の第α層目（αは自然数）までに配置された前記バリア層のｎ型不純物濃度は、前記ｐ型層から数えて第α＋１層目に配置された前記バリア層のｎ型不純物濃度よりも小さい。
【０００７】
この構成によれば、第α層目までに配置されたバリア層のｎ型不純物濃度が、第α＋１層目に配置されたバリア層のｎ型不純物濃度よりも小さいので、第α層目までに配置されたバリア層の電子濃度が低減されている。これにより、第α層目までに配置されたバリア層中での正孔と電子との非発光再結合を抑制できる。つまり、第α層目までに配置されたバリア層中で正孔が消耗するのを抑制できるので、バリア層で正孔濃度が低下するのを抑制できる。
【０００８】
これにより、ｐ型層から注入された正孔をｎ型層に近い層に到達させることができるので、発光に寄与する量子井戸層を増加させることができる。とりわけ、第α層目までは、バリア層中での正孔濃度の低下が抑制されるので、少なくとも第α層目までに配置された量子井戸層では、正孔と電子とを良好に発光再結合させることができる。その結果、輝度を向上できる。また、少なくとも第α層目までに目的とするピーク発光波長を発現させる量子井戸層を配置することにより、所望のピーク発光波長を良好に発現させることができる。
【０００９】
前記半導体発光素子において、前記αは２以上の自然数であってもよい。この場合、前記ｐ型層から数えて第１層目から前記第α層目に配置された複数の前記バリア層のｎ型不純物濃度は、等しく設定されていてもよい。
前記半導体発光素子において、前記量子井戸層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含むことが好ましい。この場合、前記ｐ型層から数えて所定の第β層目（βは自然数）までに配置された前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、前記ｐ型層から数えて第β＋１層目に配置された前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘよりも大きいことが好ましい。
【００１０】
比較的に長波長の光を発現させることを目的とする場合、バリア層と、比較的に大きい値のＩｎ組成比率ｘのみからなる量子井戸層とを複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を形成することにより、当該目的を達成できると考えられる。
しかしながら、発光層は、格子定数が異なる（比較的に小さい）ｎ型層上に形成される。そのため、比較的に大きい値のＩｎ組成比率ｘのみからなる複数の量子井戸層を含む発光層をｎ型層上に形成すると、格子定数差の増大に伴い、発光層中での格子の歪みが増大する。その結果、発光層中のある地点で格子緩和して格子欠陥が発生する。発光層に格子欠陥が発生すると、目的とする輝度およびピーク発光波長が良好に発現されない場合がある。
【００１１】
そこで、この構成では、第β＋１層目にＩｎ組成比率ｘの比較的に小さい量子井戸層を配置することによって、ｎ型層と発光層との間で格子定数差が増大するのを抑制し、発光層中の歪みを緩和している。これにより、発光層で格子欠陥が生じるのを抑制できる。そして、この構成では、第β層目までにＩｎ組成比率ｘの比較的に大きい量子移動を配置することによって、これらの量子井戸層で比較的に長波長の光を発現させるようにしている。とりわけ、比較的高輝度を実現できる第α層目までにＩｎ組成比率ｘの比較的に大きい量子井戸層を配置することによって、比較的に長波長の光を良好に発現させることができる。
【００１２】
前記半導体発光素子において、前記βは２以上の自然数であってもよい。この場合、前記ｐ型層から数えて第１層目から前記第β層目に配置された複数の前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、等しく設定されていることが好ましい。
この構成によれば、第１層目から第β層目に配置された複数の量子井戸層のＩｎ組成比率ｘが等しく設定されているので、第１層目から第β層目で発現されるピーク発光波長を等しくできる。これにより、比較的高輝度を実現できる第１層目から第α層目までの範囲と、等しいピーク発光波長が発現される第１層目から第β層目までの範囲とが重複する部分において、輝度およびピーク発光波長を高めることができる。
【００１３】
前記半導体発光素子において、前記βは、前記αであってもよい。この構成において、第α層目（第β層目）までに配置された複数のバリア層のｎ型不純物濃度は、等しく設定されるか、第α層目（第β層目）に近づくにつれて段階的に大きくなる順序で設定されることが好ましい。さらにこの場合において、第α層目（第β層目）までに配置された複数の量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、等しく設定されていることが好ましい。この構成によれば、比較的高輝度を実現できる部分と、等しいピーク発光波長を発現させる部分とを一致させることができる。これにより、第１層目から第α層目（第β層目）での輝度およびピーク発光波長を効果的に高めることができる。
【００１４】
前記半導体発光素子において、前記ｐ型層から数えて任意の第γ（γは２以上の自然数）層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、前記ｐ型層から数えて第γ−１層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘと等しくてもよい。
前記半導体発光素子において、前記ｐ型層から数えて任意の第γ（γは２以上の自然数）層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、前記ｐ型層から数えて第γ−１層目に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘよりも小さくてもよい。
【００１５】
前記半導体発光素子において、前記ｐ型層から数えて任意の第δ（δは２以上の自然数）層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度は、前記ｐ型層から数えて第δ−１層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度と等しくてもよい。
前記半導体発光素子において、前記ｐ型層から数えて任意の第δ（δは２以上の自然数）層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度は、前記ｐ型層から数えて第δ−１層目に位置する前記バリア層のｎ型不純物濃度よりも大きくてもよい。
【００１６】
前記半導体発光素子において、前記バリア層は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮを含んでいてもよい。前記半導体発光素子において、前記バリア層には、ｎ型不純物としてのシリコンがドーピングされていてもよい。
前記半導体発光素子において、前記発光層と前記ｎ型層との間に介在し、ＩｎｙＧａ１−ｙＮを含む第１層とＧａＮを含む第２層とが複数周期に亘って交互に積層された積層構造を有する中間層をさらに含んでいてもよい。
【００１７】
前記半導体発光素子において、前記第１層のＩｎ組成比率ｙは、０．００５以上０．１以下であってもよい。前記半導体発光素子において、前記第１層は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。前記半導体発光素子において、前記第２層は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。
前記半導体発光素子において、前記量子井戸層は、２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。前記半導体発光素子において、前記バリア層は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。前記半導体発光素子において、前記バリア層のｎ型不純物濃度は、０ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下であってもよい。バリア層のｎ型不純物濃度が０ｃｍ−３とは、具体的には、アンドープ（不純物無添加）を意味している。
【００１８】
前記半導体発光素子において、前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘは、０．０５以上０．２５以下であってもよい。前記半導体発光素子において、前記発光層は、４２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲にピーク発光波長を有する光を発現させるものであってもよい。
本発明の他の局面に係る半導体発光素子は、ｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に介在する発光層とを含む。前記発光層は、ｎ型不純物濃度が０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満のバリア層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含む量子井戸層とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有している。この構成において、前記ｐ型層から前記ｎ型層に近づくにつれてＩｎ組成比率ｘが段階的に小さくなる順序で複数の前記量子井戸層が配置されていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、複数の前記バリア層は、０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満のｎ型不純物濃度に設定されているので、バリア層の電子濃度を効果的に低減できる。これにより、正孔と電子との非発光再結合を抑制できるので、ｐ型層から注入された正孔をｎ型層近傍まで行き渡らせることができる。その結果、ｎ型層に近い位置に配置された量子井戸層でも良好に正孔と電子とを発光再結合させることができるので、輝度を効果的に向上できる。
【００２０】
また、この構成によれば、ｐ型層からｎ型層に近づくにつれてＩｎ組成比率ｘが段階的に小さくなる順序で複数の量子井戸層が配置されている。これにより、ｎ型層と発光層との間で格子定数が急激に変動するのを抑制し、発光層中の歪みを緩和できる。その結果、発光層で格子欠陥が生じるのを抑制できるので、目的とする輝度およびピーク発光波長を良好に発現させることができる。この構成では、複数の量子井戸層が異なるＩｎ組成比率ｘで配置されているので、複数のピーク発光波長を有する光を良好に発現させることができる。
【００２１】
前記半導体発光素子において、複数の前記バリア層は、等しいｎ型不純物濃度に設定されていてもよい。前記半導体発光素子において、複数の前記バリア層は、前記ｐ型層から前記ｎ型層に近づくにつれてｎ型不純物濃度が段階的に大きくなる順序で配置されていてもよい。
前記半導体発光素子において、前記発光層は、前記ｎ型層および前記ｐ型層に順方向電圧が印加された場合、前記多重量子井戸構造の最下層に位置する前記量子井戸層のＩｎ組成比率ｘに対応したピーク発光波長を有する光を発現させるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子の構造を説明するための模式的な断面図である。
【図２】図２は、図１に示す発光層の具体的な構成を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、図１の発光層を示す図であり、図３（ｂ）は、バリア層のシリコン濃度を示す図であり、図３（ｃ）は、発光層の正孔濃度を示す図であり、図３（ｄ）は、量子井戸層のＩｎ組成比率を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す半導体発光素子のＥＬスペクトルを示す波形図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の構造を説明するための模式的な断面図である。
【図６】図６（ａ）は、図５の発光層を示す図であり、図６（ｂ）は、バリア層のシリコン濃度を示す図であり、図６（ｃ）は、発光層の正孔濃度を示す図であり、図６（ｄ）は、量子井戸層のＩｎ組成比率を示す図である。
【図７】図７は、図５に示す半導体発光素子のＥＬスペクトルを示す波形図である。
【図８】図８は、第１変形例に係る半導体発光素子の構造を説明するための模式的な断面図である。
【図９】図９は、第２変形例に係る半導体発光素子の構造を説明するための模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子１の構造を説明するための模式的な断面図である。
半導体発光素子１は、たとえば発光ダイオードである。半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造を成すIII族窒化物半導体層３とを含む。基板２は、たとえば、極性面（本実施形態ではｃ面）を主面２ａとするサファイア単結晶基板である。以下では、基板２の主面２ａを「表面２ａ」といい、その反対側の主面を「裏面２ｂ」という。
【００２４】
基板２の表面２ａは、極性面の面方位から０．２°以上のオフ角、より好ましくは、ｍ軸方向に０．２°以上のオフ角を有する面である。したがって、基板２上に結晶成長させられたIII族窒化物半導体層３の成長主面（表面３ａ）は、基板２の表面２ａと同じ面、すなわち、極性面（本実施形態ではｃ面）となる。基板２の厚さは、６００μｍ以上、具体的には、６５０μｍ以上１０００μｍ以下とすることが好ましい。基板２は、サファイア単結晶基板に代えて、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板等の六方晶系の基板であってもよい。
【００２５】
III族窒化物半導体層３は、基板２上に形成されたｎ型層４と、ｎ型層４上に形成されたｐ型層５と、ｎ型層４とｐ型層５との間に介在する発光層６とを含む。ｎ型層４は、ＧａＮバッファ層７と、ＧａＮバッファ層７上に形成されたｎ型ＧａＮコンタクト層８とを含む。ＧａＮバッファ層７は、アンドープ（不純物無添加）のＧａＮ層からなる。ＧａＮバッファ層７は、たとえば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。
【００２６】
ｎ型ＧａＮコンタクト層８は、たとえばｎ型不純物としてのシリコンがドーピングされたｎ型ＧａＮ層からなる。ｎ型ＧａＮコンタクト層８のｎ型不純物濃度は、たとえば１×１０１８ｃｍ−３程度であってもよい。ｎ型ＧａＮコンタクト層８は、たとえば３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有していてもよい。なお、ＧａＮバッファ層７とｎ型ＧａＮコンタクト層８との間に、アンドープ（不純物無添加）のＧａＮ層がさらに介在していてもよい。
【００２７】
ｐ型層５は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９と、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９上に形成されたｐ型ＧａＮコンタクト層１０とを含む。ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９は、たとえばｐ型不純物としてのマグネシウムがドーピングされたＡｌＧａＮ層からなる。ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９のｐ型不純物濃度は、たとえば３×１０１９ｃｍ−３程度であってもよい。ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９は、たとえば５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。
【００２８】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０は、たとえばｐ型不純物としてのマグネシウムがドーピングされたＧａＮ層からなる。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９のｐ型不純物濃度よりも大きいｐ型不純物濃度を有している。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０のｐ型不純物濃度は、たとえば１×１０２０ｃｍ−３程度であってもよい。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０は、たとえば０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚さを有していてもよい。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０の表面３ａは、鏡面化されており、III族窒化物半導体層３の最表面３ａを成している。
【００２９】
発光層６は、バリア層１１と量子井戸層１２とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。バリア層１１は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮを含む。本実施形態では、ＧａＮからなるバリア層１１が形成された例を示している。量子井戸層１２は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含む。発光層６は、さらに、多重量子井戸構造とｐ型層５との間に介在するＧａＮバリア層１３を含む。発光層６の具体的な構成については、図２において後述する。
【００３０】
III族窒化物半導体層３は、さらに、ｎ型層４と発光層６との間に介在する本発明の中間層の一例としての中間バッファ層１４を含む。中間バッファ層１４は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮを含む第１層１５とＧａＮを含む第２層１６とが複数周期に亘って交互に積層された積層構造を有している。本実施形態では、第１層１５と第２層１６とが４周期（つまり４ペア）で交互に積層されている。
【００３１】
複数の第１層１５は、Ｉｎ組成比率ｙが、たとえば０．００５以上０．１以下（より具体的には、０．０１以上０．０６以下）で形成されている。本実施形態では、複数の第１層１５は、発光層６に近づくにつれてＩｎ組成比率ｙが段階的に大きくなる順序で配置されている。第１層１５は、たとえば０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下（より具体的には、７ｎｍ以上８ｎｍ以下）の厚さを有していてもよい。一方、第２層１６は、アンドープ（不純物無添加）のＧａＮを含む。第２層１６は、第１層１５のＩｎ組成比率ｙよりも小さい範囲で、若干のＩｎを含んでいてもよい。第２層１６は、第１層１５の厚さよりも厚く形成されている。第２層１６は、たとえば３ｎｍ以上５０ｎｍ以下（より具体的には、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の厚さを有していてもよい。
【００３２】
III族窒化物半導体層３には、ｎ型ＧａＮコンタクト層８を選択的に露出させる凹部１７が形成されている。凹部１７は、中間バッファ層１４、発光層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０が選択的に除去（たとえば、エッチング）されて形成されている。凹部１７から露出するｎ型ＧａＮコンタクト層８は、III族窒化物半導体層３の片側から、基板２の表面２ａに沿う横方向に引き出された引き出し部１８を形成している。
【００３３】
半導体発光素子１は、ｎ型層４に電気的に接続されたｎ型電極（カソード電極）１９と、ｐ型層５に電気的に接続されたｐ型電極（アノード電極）２０とをさらに含む。
ｎ型電極１９は、ｎ型ＧａＮコンタクト層８の引き出し部１８上に配置されている。より具体的には、ｎ型電極１９は、引き出し部１８上に形成された第１透明電極１９ａと、第１透明電極１９ａ上に形成された第１上部電極１９ｂとを含む。第１透明電極１９ａは、引き出し部１８のほぼ全域に形成されていてもよい。
【００３４】
ｐ型電極２０は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に配置されている。より具体的には、ｐ型電極２０は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に形成された第２透明電極２０ａと、第２透明電極２０ａ上に形成された第２上部電極２０ｂとを含む。第２透明電極２０ａは、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０のほぼ全域に形成されていてもよい。
本実施形態では、第１透明電極１９ａおよび第２透明電極２０ａは、同一の厚さで、かつ、同一の金属材料により形成されている。第１透明電極１９ａおよび第２透明電極２０ａは、たとえばＺｎＯ、ＩＴＯ、Ｎｉを含む群から選択される１つまたは複数の金属材料を含んでいてもよい。また、本実施形態では、第１上部電極１９ｂおよび第２上部電極２０ｂは、同一の厚さで、かつ、同一の金属材料で形成されている。第１上部電極１９ｂおよび第２上部電極２０ｂは、たとえばＴｉＮ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｕＳｎ合金を含む群から選択される１つまたは複数の金属材料を含んでいてもよい。第１上部電極１９ｂおよび第２上部電極２０ｂは、たとえばＣｒ膜と、Ｃｒ膜上に形成されたＡｕ膜とを含む積層膜であってもよい。
【００３５】
半導体発光素子１は、基板２が支持基板２１の接合面２１ａに接合されることにより、当該支持基板２１に支持されている。支持基板２１の接合面２１ａには、第１配線２２および第２配線２３が形成されている。第１配線２２は、ボンディングワイヤ２４を介してｎ型電極１９に電気的に接続されている。第２配線２３は、ボンディングワイヤ２４を介してｐ型電極２０に電気的に接続されている。
【００３６】
この構成において、半導体発光素子１および少なくとも支持基板２１の表面がエポキシ樹脂等の透明樹脂（図示せず）によって封止されている。これにより、半導体発光素子１のパッケージ（ダイオードパッケージ）が構成されている。発光層６で発生した光は、III族窒化物半導体層３の最表面３ａまたは基板２の裏面２ｂから取り出される。本実施形態ではIII族窒化物半導体層３の最表面３ａ、つまり、ｎ型電極１９が形成された側の面が光取り出し面となる例を示している。
【００３７】
図２は、図１に示す発光層６の具体的な構成を示す図である。本実施形態では、発光層６が、バリア層１１および量子井戸層１２が８周期（つまり８ペア）で交互に積層された多重量子井戸構造を有する場合を例にとって説明する。
発光層６は、ｎ型不純物としてのシリコンがドーピングされたバリア層１１を含む。各バリア層１１のｎ型不純物濃度は、たとえば０ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下であってもよい。バリア層１１のｎ型不純物濃度が０ｃｍ−３とは、具体的には、アンドープ（不純物無添加）を意味している。各バリア層１１は、たとえば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下（より具体的には３．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下）の厚さを有していてもよい。なお、バリア層１１は、量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘよりも小さい範囲で、若干のＩｎを含んでいてもよい。つまり、バリア層１１は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮにおいてＩｎ組成比率ｚ≒０であるとも見なせる。
【００３８】
各量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、たとえば０．０５以上０．２５以下（より具体的には、０．１以上０．２３以下）である。各量子井戸層１２は、たとえば２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下（より具体的には２．７ｎｍ以上３．３ｎｍ以下）の厚さを有していてもよい。なお、バリア層１１の厚さおよび量子井戸層１２の厚さは、上記に限られず、バリア層１１および量子井戸層１２は、互いに一定の厚さであってもよいし、III族窒化物半導体層３の積層方向において変化していてもよい。本実施形態では、バリア層１１および量子井戸層１２の各厚さは当該積層方向においてほぼ一定である。
【００３９】
ＧａＮバリア層１３は、発光層６の最上層に位置するバリア層を形成している。ＧａＮバリア層１３は、たとえばアンドープ（不純物無添加）のＧａＮ層であってもよい。ＧａＮバリア層１３は、たとえば１０ｎｍ程度の厚さを有していてもよい。
図３（ａ）は、発光層６を示す図である。図３（ｂ）は、バリア層１１のシリコン濃度を示す図である。図３（ｃ）は、発光層６の正孔濃度を示す図である。図３（ｄ）は、量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘを示す図である。図３（ｃ）では、正孔濃度を折れ線Ａで示している。図３（ｄ）では、Ｉｎ組成比率ｘのグラフに加えて、ｐ型層５からｎ型層４に向かう発光層６の深さ方向の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘを、二点鎖線の折れ線Ｂで示している。
【００４０】
図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、本実施形態では、複数のバリア層１１は、同一のまたは異なる複数のｎ型不純物濃度で形成されている。より具体的には、複数のバリア層１１は、少なくとも１つのバリア層１１が属するグループを複数形成している。各グループには、１つのｎ型不純物濃度からなる少なくとも１つのバリア層１１が属している。したがって、複数のグループは、それぞれ異なるｎ型不純物濃度からなる。この場合、複数のグループは、最も小さいｎ型不純物濃度からなるグループが、ｐ型層５側に配置され、ｐ型層５からｎ型層４に向けてｎ型不純物濃度が段階的に大きくなる順序で配置されるのが好ましい。ｐ型層５に最も近いグループは、アンドープ（不純物無添加）からなる少なくとも１つのバリア層１１により構成されていてもよい。
【００４１】
なお、相対的に小さいｎ型不純物濃度からなる１つまたは複数のグループがｐ型層５側に配置され、相対的に大きいｎ型不純物濃度からなる１つまたは複数のグループがｎ型層４側に配置されていてもよい。この場合、ｐ型層５側に配置された相対的に大きいｎ型不純物濃度からなるグループと、ｎ型層４側に配置された相対的に小さいｎ型不純物濃度からなるグループとの間に、それらのｎ型不純物濃度よりも大きいまたは小さいｎ型不純物濃度からなる１つまたは複数のグループが介在されていてもよい。
【００４２】
以下では、複数のバリア層１１が、ｐ型層５側に配置された相対的に小さいｎ型不純物濃度からなる第１グループＧ１と、ｎ型層４側に配置された相対的に大きいｎ型不純物濃度からなる第２グループＧ２とを形成している構成を例にとって説明する。
図３（ｂ）に示されるように、第１グループＧ１には、ｐ型層５から数えて第１層から第４層目に位置する４つのバリア層１１が属している。一方、第２グループＧ２には、ｐ型層５から数えて第５層目から第８層目に位置する４つのバリア層１１が属している。第１グループＧ１に属する４つのバリア層１１のｎ型不純物濃度は、いずれも１×１０１７ｃｍ−３であり、第２グループＧ２に属する４つのバリア層１１のｎ型不純物濃度は、いずれも７×１０１７ｃｍ−３である。
【００４３】
以上のことから、次のことが言える。つまり、ｐ型層５から数えて所定の第α層目（αは自然数。本実施形態では第４層目）までに配置された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度は、ｐ型層５から数えて第α＋１層目（本実施形態では第５層目）に配置されたバリア層１１のｎ型不純物濃度よりも小さくなるように設定されている。また、第１層から第α層目に配置された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度は、等しくなるように設定されている。
【００４４】
そして、第α＋１層目から最下層（本実施形態では第８層目）に形成された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度は、等しくなるように設定されている。また、ｐ型層５から数えて任意の第δ（δは２以上の自然数）層目に位置するバリア層１１のｎ型不純物濃度は、ｐ型層５から数えて第δ−１層目に位置するバリア層１１のｎ型不純物濃度と等しいか、それよりも大きい。
【００４５】
また、第α層目までに配置された複数のバリア層１１は、所定のｎ型不純物濃度の範囲（たとえば０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満）において、当該ｎ型不純物濃度が第α層目に近づくにつれて段階的に大きくなる順序で配置されてもよい。また、第α層目までに配置された複数のバリア層１１は、所定のｎ型不純物濃度の範囲（たとえば０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満）において、第１層目から順に０ｃｍ−３→１×１０１７ｃｍ−３→５×１０１７ｃｍ−３→３×１０１７ｃｍ−３のようにランダムな順序で配置されていてもよい。
【００４６】
また、第α＋１層目から最下層に配置された複数のバリア層１１は、所定のｎ型不純物濃度の範囲（たとえば７×１０１７ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下）において、当該ｎ型不純物濃度が最下層に近づくにつれて段階的に大きくなる順序で配置されてもよい。また、第α＋１層目から最下層に配置された複数のバリア層１１は、所定のｎ型不純物濃度の範囲（たとえば７×１０１７ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下）において、第α＋１層目から順に１×１０１８ｃｍ−３→７×１０１７ｃｍ−３→３×１０１８ｃｍ−３→２×１０１８ｃｍ−３のようにランダムな順序で配置されていてもよい。
【００４７】
図３（ｃ）の折れ線Ａに示すように、正孔濃度は、ｎ型層４に向かって徐々に低下している。正孔濃度は、主に量子井戸層１２で低下しており、バリア層１１では殆ど低下していない。これは、量子井戸層１２では、正孔および電子が再結合して光が生成される（以下、量子井戸層１２中での再結合を「発光再結合」という。）ので、この光の生成に伴って正孔が消耗されるためである。
【００４８】
一方、第１層から第４層目に配置された複数のバリア層１１は、ｎ型不純物濃度が比較的に小さく設定されているので、電子濃度が低減されている。したがって、バリア層１１中で正孔と電子とが再結合（発光を伴わない非発光再結合を含む。以下、バリア層１１中での再結合を「非発光再結合」という。）するのが抑制されている。これにより、第４層目までに配置されたバリア層１１中で、正孔が消耗されるのが抑制される。本実施形態では、第５層目で正孔濃度が極めて小さくなるように、複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度が調整されている。
【００４９】
図３（ａ）および図３（ｄ）を参照して、本実施形態では、複数の量子井戸層１２は、同一のまたは異なる複数のＩｎ組成比率ｘで形成されている。複数の量子井戸層１２は、Ｉｎ組成比率ｘがｐ型層５からｎ型層４に向けて段階的に小さくなる順序で配置されている。換言すると、複数の量子井戸層１２は、図３（ｄ）の折れ線Ｂに示されるように、Ｉｎ組成比率ｘがｐ型層５からｎ型層４に向かう発光層６の深さ方向に徐々に小さくなるように配置されている。
【００５０】
本実施形態では、第１層目から第４層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、０．１９（１９％）以上０．２３（２３％）以下に設定されている。本実施形態では、第１層目から第４層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、等しく設定されており、そのＩｎ組成比率ｘは、０．２０（２０％）である。
第５層目から第８層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、ｎ型層４に近づくにつれて段階的に小さくなる順序で設定されている。第５層目から第８層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、０．０８（８％）以上０．１９（１９％）未満、より好ましくは、０．１（１０％）以上０．１８（１８％）以下である。第５層目から第８層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、本実施形態では、第５層目から順に、０．１７（１７％），０．１４（１４％），０．１１（１１％），０．０８（８％）である。つまり、第５層目以降の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、第４層目のＩｎ組成比率ｘ（＝０．２０）から０．０３（３％）ずつ小さくなるように設定されている。第５層目以降の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、第４層目までに配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘに対して、少なくとも０．０３（３％）以上の差が設けられている。
【００５１】
以上のことから、次のことが言える。つまり、図３（ｄ）に示されるように、ｐ型層５から数えて所定の第β層目（βは自然数。本実施形態では第４層目）までに配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、第β＋１層目（本実施形態では第５層目）に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘよりも大きい。本実施形態では、「β」は「α」である。そして、第β層目までに配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、等しく設定されている。
【００５２】
第β＋１層目から第８層目に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、ｎ型層４に近づくにつれて段階的に小さくなる順序で設定されている。また、ｐ型層５から数えて任意の第γ（γは２以上の自然数）層目に位置する量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘは、ｐ型層５から数えて第γ−１層目に位置する量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘと等しいか、それよりも小さい。
【００５３】
本実施形態では、第１層から第４層目に配置された複数の量子井戸層１２は、対応するバリア層１１との間で、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のピーク発光波長を有する光を発現させる緑色発光層２５を形成している。一方、第５層目から第８層目に配置された複数の量子井戸層１２は、対応するバリア層１１との間で、３８０ｎｍ以上５００ｎｍ未満のピーク発光波長を有する光を発現させる青色発光層２６を形成している。
【００５４】
図４は、図１に示す半導体発光素子のＥＬ（Electro Luminescence）スペクトルを示す波形図である。
本実施形態では、半導体発光素子１が透明樹脂によって封止されたダイオードパッケージを用いてＥＬ強度を測定した。ダイオードパッケージにおいて、半導体発光素子１は、支持基板２１上に配置されている。半導体発光素子１のｎ型電極１９は、ボンディングワイヤ２４を介して第１配線２２に電気的に接続されている。半導体発光素子１のｐ型電極２０は、ボンディングワイヤ２４を介して第２配線２３に電気的に接続されている。ＥＬ強度は、ｎ型電極１９（第２配線２３）およびｐ型電極２０（第１配線２２）に所定の順方向電圧Ｖｆを印加し、ダイオードパッケージのＥＬ測定を行ってスペクトル分布を算出し、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下までのスペクトルの発光波長を積分した積分値である。
【００５５】
図４に示されるように、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に第１ピーク発光波長λ１が発現している。また、４７０ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲に第２ピーク発光波長λ２が発現している。また、４２０ｎｍ以上４７０未満の範囲に第３ピーク発光波長λ３が発現している。４２０ｎｍ未満の波形は、ノイズである。これら第１〜第３ピーク発光波長λ１〜λ３において、第１ピーク発光波長λ１が最も大きい値を示している。
【００５６】
第１ピーク発光波長λ１は、第１層から第α層目（第４層目）に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．２）に対応したピーク発光波長を含む。第２ピーク発光波長λ２は、第５層目に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．１７）に対応したピーク発光波長を含む。第３ピーク発光波長λ３は、第６層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．１４）に対応したピーク発光波長を含む。
【００５７】
第３ピーク発光波長λ３のＥＬ強度は、第１ピーク発光波長λ１のＥＬ強度と比較して１００分の１程度である。第７層目に位置する量子井戸層１２に対応するピーク発光波長（４００ｎｍ以上４２０ｎｍ未満）および第８層目に位置する量子井戸層１２に対応するピーク発光波長（３８０ｎｍ以上４００ｎｍ未満）は確認できない。このことから、緑色発光層２５が発光に寄与している一方で、青色発光層２６が発光に殆ど寄与していないことが理解される。
【００５８】
以上、本実施形態によれば、図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照して、第１層目から第α層目（第４層目）に配置された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度は、第α＋１層目（第５層目）から最下層（第８層目）に配置された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度よりも小さい。そして、第１層目から第α層目（第４層目）に配置された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度は、等しく設定されている。
【００５９】
このようにして、第１層目から第α層目（第４層目）に配置された複数のバリア層１１の電子濃度が低減されている。これにより、第α層目（第４層目）までに配置されたバリア層１１中での正孔と電子との非発光再結合を抑制できる。つまり、第α層目（第４層目）までに配置されたバリア層１１中で正孔が消耗するのを抑制できるので、正孔濃度が低下するのを抑制できる。
【００６０】
その結果、ｐ型層５から注入された正孔をｎ型層４に近い層に到達させることができるので、発光に寄与する量子井戸層１２を増加させることができる。とりわけ、第α層目（第４層目）までは、バリア層１１中での正孔濃度の低下が抑制されるので、少なくとも第α層目（第４層目）までに配置された量子井戸層１２では、正孔と電子とを良好に発光再結合させることができる。その結果、輝度を向上できる。また、少なくとも第α層目（第４層目）までに目的とするピーク発光波長を発現させる量子井戸層１２を配置することにより、所望のピーク発光波長を良好に発現させることができる。
【００６１】
ここで、比較的に長波長の光（たとえば、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のピーク発光波長を有する光）を発現させることを目的とする場合について考える。この場合、バリア層１１と比較的に大きいＩｎ組成比率ｘのみからなる量子井戸層１２とが複数周期に亘って交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層６を形成することにより、当該目的を達成できると考えられる。
【００６２】
しかしながら、発光層６は、格子定数が異なる（比較的に小さい）ｎ型層４上に形成される。そのため、比較的に大きい値のＩｎ組成比率ｘのみからなる複数の量子井戸層１２を含む発光層をｎ型層４上に形成すると、格子定数差の増大に伴い、発光層６中での格子の歪みが増大する。その結果、発光層６中のある地点で格子緩和して格子欠陥が発生する。発光層６に格子欠陥が発生すると、目的とする輝度およびピーク発光波長が良好に発現されない場合がある。
【００６３】
そこで、本実施形態では、第β＋１層目（第５層目）から最下層（第８層目）にＩｎ組成比率ｘの比較的に小さい量子井戸層１２を配置している。より具体的には、第β＋１層目（第５層目）から最下層（第８層目）において、ｎ型層４に近づくにつれてＩｎ組成比率ｘが段階的に小さくなる順序で複数の量子井戸層１２を配置している。これに加えて、本実施形態では、ｎ型層４と発光層６との間に中間バッファ層１４を介在させている。
【００６４】
中間バッファ層１４では、ＩｎｙＧａ１−ｙＮを含む複数の第１層１５が、Ｉｎ組成比率ｙが発光層６からｎ型層４に近づくにつれて段階的に小さくなる順序で配置されている。中間バッファ層１４における第１層１５のＩｎ組成比率ｙは、発光層６における量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘよりも小さい。これにより、ｎ型層４と発光層６との間で格子定数が急激に変動するのを抑制できる。その結果、発光層６で格子欠陥が生じるのを効果的に抑制できる。
【００６５】
そして、本実施形態では、第１層目から第α層目（第４層目）に配置された複数のバリア層１１のｎ型不純物濃度を等しく設定し、かつ、第１層目から第β層目（第４層目）までに配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘを等しく設定している。これにより、比較的高輝度を実現できる部分と、等しいピーク発光波長を発現させる部分とを一致させることができる。その結果、第１層目から第α層目（第４層目）での輝度およびピーク発光波長を効果的に高めることができる。本実施形態では、第１層目から第４層目に緑色発光層２５を配置しているので（図３（ａ）参照）、これらの緑色発光層２５で、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の第１ピーク発光波長λ１を有する緑色光を良好に発現させることができる（図４参照）。
【００６６】
また、本実施形態では、第１透明電極１９ａおよび第１上部電極１９ｂを含むｎ型電極１９がｎ型ＧａＮコンタクト層８（引き出し部１８）上に形成され、第２透明電極２０ａおよび第２上部電極２０ｂを含むｐ型電極２０がｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に形成されている。この構成において、第１透明電極１９ａおよび第２透明電極２０ａは、同一厚さおよび同一材料により形成されており、第１上部電極１９ｂおよび第２上部電極２０ｂは、同一厚さおよび同一材料により形成されている。このような構成によれば、ｎ型電極１９およびｐ型電極２０を同時に形成できるので、製造工程を簡略化できる。
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子３１の構造を説明するための模式的な断面図である。半導体発光素子３１は、III族窒化物半導体層３が発光層６に代えて発光層３２を含む点で、前述の半導体発光素子１と異なるが、その他の構成は半導体発光素子１と同一である。図５において、前述の図１に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６７】
図６（ａ）は、図５の発光層３２を示す図である。図６（ｂ）は、バリア層１１のシリコン濃度を示す図である。図６（ｃ）は、発光層３２の正孔濃度を示す図である。図６（ｄ）は、量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘを示す図である。図６（ｃ）では、正孔濃度を折れ線Ｃで示している。図６（ａ）〜図６（ｄ）において、前述の図３（ａ）〜図３（ｄ）に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、本実施形態の発光層３２では、複数のバリア層１１は、０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満（好ましくは０ｃｍ−３を超えて７×１０１７ｃｍ−３未満）のｎ型不純物濃度に設定されている。複数のバリア層１１は、等しいｎ型不純物濃度に設定されていてもよいし、ｐ型層５からｎ型層４に近づくにつれてｎ型不純物濃度が段階的に大きくなる順序で配置されていてもよい。複数のバリア層１１は、０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満のｎ型不純物濃度の範囲において、第１層目から順に０ｃｍ−３→１×１０１５ｃｍ−３→１×１０１７ｃｍ−３→３×１０１５ｃｍ−３のようにｎ型不純物濃度がランダムな順序となるように配置されていてもよい。本実施形態では、全てのバリア層１１が等しい不純物濃度（＝１×１０１７ｃｍ−３）に設定されている例を示している。
【００６９】
図６（ｃ）の折れ線Ｃに示すように、本実施形態では、正孔が、ｎ型層４に最も近い位置に配置されたバリア層１１および量子井戸層１２まで到達するように、バリア層１１のｎ型不純物濃度が調整されている。つまり、本実施形態では、全てのバリア層１１のｎ型不純物濃度を比較的に小さくすることにより、正孔と電子との非発光再結合を抑制し、正孔の消耗（正孔濃度の低下）を効果的に抑制している。
【００７０】
図７は、図５に示す半導体発光素子３１のＥＬスペクトルを示す波形図である。ＥＬ強度の測定条件は、前述の第１実施形態と同一である。
図７に示されるように、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に第１ピーク発光波長λ１が発現している。また、４７０ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲に第２ピーク発光波長λ２が発現している。また、４５０ｎｍ以上４７０ｎｍ未満の範囲に第３ピーク発光波長λ３が発現している。また、４００ｎｍ以上４５０ｎｍ未満の範囲に第４ピーク発光波長λ４が発現している。また、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ未満の範囲に第５ピーク発光波長λ５が発現している。３８０ｎｍ未満の波形は、ノイズである。これら第１〜第５ピーク発光波長λ１〜λ５において、第１ピーク発光波長λ１が最も大きい値を示している。
【００７１】
第１ピーク発光波長λ１は、第１層から第４層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．２）に対応したピーク発光波長を含む。第２ピーク発光波長λ２は、第５層目に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．１７）に対応したピーク発光波長を含む。第３ピーク発光波長λ３は、第６層目に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．１４）に対応したピーク発光波長を含む。
【００７２】
第４ピーク発光波長λ４は、第７層目に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．１１）に対応したピーク発光波長を含む。第５ピーク発光波長λ５は、最下層の第８層目に配置された量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘ（＝０．０８）に対応したピーク発光波長を含む。以上のことから、全ての緑色発光層２５および青色発光層２６が発光に寄与していることが理解される。
【００７３】
以上、本実施形態によれば、複数のバリア層１１が０ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３未満のｎ型不純物濃度（本実施形態では、１×１０１７ｃｍ−３の等しいｎ型不純物濃度）に設定されているので、バリア層１１の電子濃度を効果的に低減できる。これにより、図６（ｃ）に示すように、正孔と電子との非発光再結合を抑制できるので、ｐ型層５から注入された正孔をｎ型層４近傍まで行き渡らせることができる。
【００７４】
その結果、ｎ型層４に最も近い位置に配置された量子井戸層１２でも良好に正孔と電子とを発光再結合させることができるので、輝度を効果的に向上できる。本実施形態では、図７に示すように、全ての緑色発光層２５および青色発光層２６を発光に良好に寄与させることができる。これにより、３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲において、第１〜第５ピーク発光波長λ１〜λ５を有する緑色光（青色光）を高輝度に発現させることができる。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の各実施形態では、極性面であるｃ面を成長主面とするIII族窒化物半導体層３を有する半導体発光素子１を例に取ったが、非極性面であるｍ面やａ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。極性面や非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体層３でダイオード構造を形成した場合にも、発光効率を向上させることができる。
【００７６】
また、前述の各実施形態では、発光層６が、バリア層１１および量子井戸層１２が８周期（つまり８ペア）で交互に積層された多重量子井戸構造を有する例を示した。しかし、バリア層１１および量子井戸層１２の積層周期は、８周期に限定されるものではない。したがって、バリア層１１および量子井戸層１２は、１周期以上８周期未満の周期で交互に積層されていてもよいし、８周期を超える周期で交互に積層されていてもよい。
【００７７】
また、前述の各実施形態では、第１透明電極１９ａおよび第２透明電極２０ａが形成された例について説明したが、図８に示す構成を採用してもよい。
図８は、第１変形例に係る半導体発光素子３３の構造を説明するための模式的な断面図である。図８において、前述の図１に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７８】
半導体発光素子３３は、ｎ型電極１９が第１透明電極１９ａを含まない点およびｐ型電極２０が第２透明電極２０ａを含まない点で、前述の半導体発光素子１と異なるが、その他の点は半導体発光素子１と同一である。なお、ｎ型電極１９のみが第１透明電極１９ａを含む構成としてもよいし、ｐ型電極２０のみが第２透明電極２０ａを含む構成としてもよい。
【００７９】
このような構成によっても、前述の第１実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。むろん、図８の構成を第２実施形態に係る半導体発光素子３１に適用してもよい。
また、前述の各実施形態では、III族窒化物半導体層３の最表面３ａが光取り出し面である例について説明したが、基板２の裏面２ｂが光取り出し面とされてもよい。この場合、図９に示す構成を採用してもよい。
【００８０】
図９は、第２変形例に係る半導体発光素子３４の構造を説明するための模式的な断面図である。半導体発光素子３４は、支持基板２１にフリップチップ接続されている点で、前述の半導体発光素子１と異なるが、その他の点は半導体発光素子１と同一である。図９において、前述の図１に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００８１】
図９に示すように、半導体発光素子３４は、III族窒化物半導体層３の最表面３ａを支持基板２１の第１配線２２および第２配線２３が形成された面である接合面２１ａに対向させた状態で、当該支持基板２１に支持されている。より具体的には、半導体発光素子３４は、引き出し部１８および第１配線２２を電気的に接続する柱状のｎ型電極３６と、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０および第２配線２３を電気的に接続する柱状のｐ型電極３７とを介して支持基板２１に支持されている。このようにして、半導体発光素子３４が支持基板２１にフリップチップ接続されている。
【００８２】
この構成によれば、基板２の裏面２ｂ、つまり、ｎ型電極３６およびｐ型電極３７が形成されていない側の面が光取り出し面となる。このような構成によっても、前述の第１実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。むろん、図９の構成を第２実施形態に係る半導体発光素子３１に適用してもよい。
また、前述の各実施形態において、基板２の裏面２ｂに接するミラー層がさらに設けられていてもよい。つまり、基板２と支持基板２１との間にミラー層が介在していてもよい。ミラー層は、たとえば屈折率が互いに異なる層が４分の１波長の長さで複数周期に亘って積層されたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層を含んでいてもよい。また、ミラー層は、ＤＢＲ層に代えてまたはこれに加えてＡｌ層またはＡｕ層を含んでいてもよい。
【００８３】
また、前述の実施形態では、ＧａＮバッファ層７が形成された例について説明したが、ＧａＮバッファ層７を除いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層８を直接基板２上に形成してもよい。
また、前述の実施形態では、中間バッファ層１４が形成された例について説明したが、中間バッファ層１４を除いて、発光層６を直接ｎ型ＧａＮコンタクト層８上に形成してもよい。
【００８４】
また、前述の各実施形態では、第１層目から第４層目に緑色発光層２５（ピーク発光波長＝５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下）が形成される例を示した。これに代えて、第１層目から第４層目に配置された複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘをたとえば０．１２（１２％）以上０．１９（１９％）未満に設定することにより、青色発光層２６（ピーク発光波長＝４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）としてもよい。
【００８５】
また、前述の各実施形態では、複数の量子井戸層１２のＩｎ組成比率ｘが、ｎ型層４からｐ型層５に向かって順に大きくなっている例について説明したが、Ｉｎ組成比率ｘは、ランダムな割合（たとえば、０．１→０．２→０．４等）で大きくなっていてもよい。
また、前述の各実施形態では、半導体発光素子１が発光ダイオードである例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
【００８６】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１    半導体発光素子
４    ｎ型層
５    ｐ型層
６    発光層
１１  バリア層
１２  量子井戸層
１４  中間バッファ層（中間層）
１５  中間バッファ層の第１層
１６  中間バッファ層の第２層
３１  半導体発光素子
３２  発光層
【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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