(57)【要約】      （修正有）【課題】高温動作時及び大電流駆動時においても電子を確実に活性層内に留める構造を有し、高発光効率かつ高性能な半導体発光素子提供すること。【解決手段】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、複数の井戸層及び複数の障壁層がそれぞれ交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、活性層上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成され、第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、複数の障壁層のうち、最も第２の半導体層側に位置する最終障壁層は、第１の最終障壁層部分と、第１の最終障壁層部分よりも第２の半導体層側に形成され、第１の最終障壁層部分よりも大きなバンドギャップを有する第２の最終障壁層部分とを有し、第１の最終障壁層部分は、複数の井戸層よりも大きく、複数の障壁層のうちの最終障壁層以外の他の障壁層よりも小さなバンドギャップを有する。【選択図】図２
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【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、複数の井戸層及び複数の障壁層がそれぞれ交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成され、前記第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、
前記複数の障壁層のうち、最も前記第２の半導体層側に位置する最終障壁層は、第１の最終障壁層部分と、前記第１の最終障壁層部分よりも前記第２の半導体層側に形成され、前記第１の最終障壁層部分よりも大きなバンドギャップを有する第２の最終障壁層部分とを有し、
前記第１の最終障壁層部分は、前記複数の井戸層よりも大きく、前記複数の障壁層のうちの前記最終障壁層以外の他の障壁層よりも小さなバンドギャップを有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記複数の井戸層の各々はＩｎxＧａ1-xＮの組成を有し、
前記他の障壁層の各々は、ＩｎyＧａ1-yＮの組成を有する第１の障壁層部分と、前記第１の障壁層部分よりも前記第２の半導体層側に位置し、前記第１の障壁層部分よりも大きなバンドギャップを有する第２の障壁層部分とを有し、
前記第１の最終障壁層部分は、ＩｎzＧａ1-zＮの組成を有し、
前記組成ｚは、ｙ＜ｚ＜ｘの関係を満たす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】
前記第１の最終障壁層部分は、前記他の障壁層以上の層厚を有す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】
前記第１の最終障壁層部分は、前記第２の最終障壁層部分よりも大きな層厚を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の最終障壁層部分の層厚に対する前記第１の最終障壁層部分の層厚の比率を層厚比率Ｒとしたとき、前記層厚比率Ｒは、２＜Ｒ＜７の関係を満たす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】
前記組成ｚは、０．０２＜ｚ＜０．０４の関係を満たすことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第２の最終障壁層部分はＧａＮの組成を有し、前記電子ブロック層はＡｌＧａＮの組成を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つ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、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子に関する。
【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、活性層が複数のバリア層と当該バリア層に挟まれて形成されたウェル層とを有し、当該複数のバリア層のうち、最もｐ型クラッド層側に位置する最終バリア層が複数の部分最終バリア層を含む半導体発光素子が開示されている。また、特許文献１には、当該複数の部分最終バリア層のうち、最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さいことが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、複数の井戸層と複数の障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造を有する発光層を有し、井戸層がＩｎＧａＮ層からなり、障壁層がＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを含む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】
【０００５】
【特許文献１】特許第3857295号
【特許文献２】特開2004-87908号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体発光素子は、電極から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。注入される電子及び正孔の量、すなわち素子内に流れる電流量が増加すると、再結合する電子及び正孔の量が増加し、発光強度が増加する。しかし、高温動作時や大電流駆動時などにおいては、発光効率、すなわち素子に印加する電流量に対する発光強度が低下する。具体的には、高温動作時においては、注入された電子及び正孔のうち、再結合する電子及び正孔の量（再結合確率）が低下する。
【０００７】
高温動作時における発光効率の低下の一因として、電子及び正孔が高温動作時や大電流駆動時においてホットキャリアとなることが挙げられる。例えばホットキャリアとなった電子（ホットエレクトロン）は、ｎ型半導体層から注入された後、活性層を越えて（活性層内で正孔と結合することなく）、ｐ型半導体層に移動する（オーバーフローする）確率が高くなる。
【０００８】
高温動作時などにおいて発光効率の低下を抑制することを考慮すると、キャリアを活性層内に確実に留めさせ、再結合確率を高めることが好ましい。
【０００９】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高温動作時及び大電流駆動時においても電子を確実に活性層内に留める構造を有し、高発光効率かつ高性能な半導体発光素子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、複数の井戸層及び複数の障壁層がそれぞれ交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、活性層上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成され、第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、複数の障壁層のうち、最も第２の半導体層側に位置する最終障壁層は、第１の最終障壁層部分と、第１の最終障壁層部分よりも第２の半導体層側に形成され、第１の最終障壁層部分よりも大きなバンドギャップを有する第２の最終障壁層部分とを有し、第１の最終障壁層部分は、複数の井戸層よりも大きく、複数の障壁層のうちの最終障壁層以外の他の障壁層よりも小さなバンドギャップを有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）及び（ｂ）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る。
【図２】（ａ）は実施例１に係る半導体発光素子における活性層の構造を示す断面図であり、（ｂ）は実施例１に係る半導体発光素子の半導体構造層内におけるバンド図を示す図である。
【図３】（ａ）は実施例１に係る半導体発光素子における第１の最終障壁層部分のＩｎ組成と素子の発光強度との関係を示す図であり、（ｂ）は最終障壁層における第１の最終障壁層部分及び第２の最終障壁層部分の層厚比率と素子の発光強度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１（ａ）は、実施例１の半導体発光素子１０（以下、単に発光素子又は素子と称する場合がある）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１１上に半導体構造層ＳＣＬが形成された構造を有している。半導体構造層ＳＣＬ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上に形成された活性層１３、活性層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）１５を含む。ｐ型半導体層１５は、ｎ型半導体層１２とは反対の導電型を有している。
【００１４】
本実施例においては、搭載基板１１は、例えば半導体構造層ＳＣＬの成長に用いる成長用基板からなり、例えばサファイアからなる。また、半導体構造層ＳＣＬ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ＳＣＬを成長することによって、作製することができる。
【００１５】
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ＳＣＬ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ＳＣＬを成長した後、半導体構造層ＳＣＬを他の基板に貼り合わせ、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、貼り合わせた他の基板が搭載基板１１となる。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。
【００１６】
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が設けられていてもよい。また、ｎ型半導体層１２と活性層１３との間に中間層が設けられていてもよい。当該バッファ層及び中間層は、例えば、成長用基板と半導体構造層ＳＣＬとの界面及び半導体構造層ＳＣＬ内の各層の界面に生じ得る歪の緩和を目的として設けられる。また、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。
【００１７】
図１（ｂ）は、半導体構造層ＳＣＬの構造を示す断面図である。図１（ｂ）に示すように、活性層１３は、複数（本実施例においてはｎ個として説明する）の井戸層（ウェル層）Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）及び複数（ｎ＋１個として説明する）の障壁層（バリア層）Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）がそれぞれ交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
【００１８】
具体的には、ｎ型半導体層１２上に第１の障壁層Ｂ（１）が、第１の障壁層Ｂ（１）上に第１の井戸層Ｗ（１）が、第１の井戸層Ｗ（１）に第２の障壁層Ｂ（２）が積層されている。第２の障壁層Ｂ（２）上には、同様にして井戸層Ｗ（２）〜Ｗ（ｎ）及び障壁層Ｂ（３）〜Ｂ（ｎ）の各々がそれぞれ交互に積層されている。また、ｐ型半導体層１５に最も近い井戸層である第ｎの井戸層Ｗ（ｎ）上には第（ｎ＋１）の障壁層Ｂ（ｎ＋１）が形成され、第（ｎ＋１）の障壁層Ｂ（ｎ＋１）上には電子ブロック層１４が形成されている。
【００１９】
換言すれば、活性層１３は、最もｎ型半導体層１２側に位置する第１の障壁層Ｂ（１）と最もｐ型半導体層１５側に位置する第（ｎ＋１）の障壁層Ｂ（ｎ＋１）との間に、ｎ個の井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）が挟まれるように形成された構造を有している。活性層１３は、（ｎ＋１）個の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々の間にｎ個の井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）がそれぞれ形成された構造を有している。
【００２０】
なお、本明細書においては、（ｎ＋１）個の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）のうち、最もｐ型半導体層１５側に位置する第（ｎ＋１）の障壁層Ｂ（ｎ＋１）を最終障壁層と称する。
【００２１】
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。
【００２２】
図２（ａ）は、活性層１３の構造を示す断面図である。本実施例においては、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）の各々は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の組成を有している。また、図２（ａ）に示すように、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々は、第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）と、第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）とを有している。すなわち、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々は複数の障壁層部分を含む多層構造を有している。本実施例においては、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々が２層構造を有する場合について説明する。第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）は、第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）よりもｐ型半導体層１５側に形成されている。
【００２３】
第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）の各々は、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々の障壁層部分のうち、最もｎ型半導体層１２側に設けられた障壁層部分である。また、第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）の各々は、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々の障壁層部分のうち、最もｐ型半導体層１５側に設けられた障壁層部分である。本実施例においては、第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）の各々上に第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）の各々が形成されている。
【００２４】
なお、本明細書においては、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）を第１の最終障壁層部分と称し、第２の障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）を第２の最終障壁層部分と称する。第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）は、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）よりもｐ型半導体層１５側に形成されている。
【００２５】
本実施例においては、第１の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）のうち、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）を除くｎ個の障壁層（第１〜第ｎの障壁層）Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）における第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）の各々は、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）の組成を有している。また、第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）のうち、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、ＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）の組成を有している。第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）の各々は、ＧａＮの組成を有している。
【００２６】
最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）よりも小さく、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）における第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）よりも大きいＩｎ組成ｚを有している。具体的には、上記のように、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）におけるＩｎ組成を組成ｘ、第１〜第ｎの障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）の第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）の各々におけるＩｎ組成を組成ｙ、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）の第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）におけるＩｎ組成を組成ｚとすると、組成ｘ、ｙ及びｚは、ｙ＜ｚ＜ｘの関係を満たす。本明細書においては、この組成の関係を組成条件と称する。
【００２７】
また、図２（ａ）に示すように、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）よりも大きな層厚Ｔ１を有している。具体的には、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の層厚Ｔ１は、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）の層厚Ｔ２より大きい。本明細書においては、この最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）内における最終障壁層部分間の層厚の関係を層厚比率条件と称する。
【００２８】
また、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）以上の層厚Ｔ１を有している。具体的には、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の層厚Ｔ１は、第１の障壁層Ｂ（１）〜第ｎの障壁層Ｂ（ｎ）の層厚Ｔ４と同じかそれよりも大きい。本明細書においては、この層厚の関係を層厚条件と称する。なお、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）の層厚Ｔ３は、本実施例においては第１及び第２の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）及びＢＢ（ｎ＋１）の層厚Ｔ１及びＴ２の合計層厚であり、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）の層厚Ｔ４よりも大きい。
【００２９】
上記層厚比率条件及び層厚条件を満たす層厚の一例として、本実施例においては以下の層厚を有する半導体構造層ＳＣＬを作製した。すなわち、本実施例においては、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）が４ｎｍの層厚を有している。最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）以外の他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）において、第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）は３ｎｍの層厚を有している。第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ）は２ｎｍの層厚を有している。最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）において、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は５ｎｍの層厚Ｔ１を有している。また、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）は２ｎｍの層厚Ｔ２を有している。
【００３０】
なお、本実施例においては、第１の障壁層Ｂ（１）〜第ｎの障壁層Ｂ（ｎ）の各々は、同一の層厚Ｔ４及び同一のＩｎ組成ｙを有する場合について説明する。また、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）の各々は、同一のＩｎ組成ｘを有する場合について説明する。
【００３１】
図２（ｂ）は、半導体構造層ＳＣＬにおけるバンド図を示す図である。まず、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々の第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）の各々は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５と同程度のバンドギャップを有している。また、第１の障壁層Ｂ（１）〜第ｎの障壁層Ｂ（ｎ）の各々の第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）の各々は、互いに同程度のバンドギャップを有している。第１の障壁層Ｂ（１）〜第ｎの障壁層Ｂ（ｎ）の各々における第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ）の各々は、第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）の各々よりも大きなバンドギャップを有している。
【００３２】
最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）の第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）は、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）よりも大きなバンドギャップを有している。また、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）は、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）の各々の第２の障壁層部分ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ）の各々と同程度のバンドギャップを有している。
【００３３】
最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）の第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）よりも大きく、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）よりも小さなバンドギャップを有している。より具体的には、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）における第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）よりも小さなバンドギャップを有している。これは、上記した組成条件、層厚比率条件及び層厚条件を満たすように活性層１３を形成することによって実現される。
【００３４】
なお、本明細書においては、活性層１３のように量子井戸構造を有する場合、バンドギャップとは、各層における量子準位間のエネルギーをいう。
【００３５】
第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）が図２（ｂ）示すようなバンドギャップを有することで、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は、活性層１３内における電子捕獲層として機能する。具体的には、ｎ型半導体層１２から注入された電子は、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）内に留まる確率が高い。従って、電子が活性層１３を越えてオーバーフローすることが抑制される。従って、高温動作時においてホットエレクトロンとなった電子が活性層１３を通過してｐ型半導体層１５内に至ることが抑制される。これにより、発光効率の低下が抑制され、高温動作時においても低温動作時における発光効率（再結合確率）を維持することが可能となる。
【００３６】
また、発光素子１０は、活性層１３とｐ型半導体層１５との間に電子ブロック層１４を有している。電子ブロック層１４は、ｎ型半導体層１２、活性層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、電子が活性層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。
【００３７】
本実施例においては、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）及び電子ブロック層１４を有することで、電子のオーバーフロー確率を抑制する効果が相乗的に増大する。具体的には、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）と電子ブロック層１４との間でバンドギャップの差を大きくすることが可能となる。従って、電子が第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）層内に留まる電子捕獲効果、及び電子ブロック層１４による障壁効果が増大する。従って、高温動作時及び大電流駆動時における発光効率の低下が大幅に抑制される。
【００３８】
また、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）は、電子ブロック層１４との界面に第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）よりも大きなバンドギャップを有する第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）を有している。この第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）は、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の結晶性を向上させる機能を有している。具体的には、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）と電子ブロック層１４とはバンドギャップ（格子定数）の差が大きく、成長時に両者の界面で結晶性が悪化しやすい。第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）が設けられることで、この結晶性の悪化を抑制することが可能となる。これは、発光効率の向上にも寄与する。
【００３９】
なお、本実施例においては、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）はＩｎＧａＮ層、電子ブロック層１４はＡｌＧａＮ層である。一般に、ＡｌＧａＮ層は、ＩｎＧａＮ層よりも２００度以上高い温度で成長することが好ましい。仮に第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）としてのＧａＮ層を設けず、ＩｎＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を形成する場合、その成長温度の差から、両者の界面が劣化する。具体的には、ＡｌＧａＮ層の成長時において、ＩｎＧａＮ層内のＩｎが昇華する。従って、形成されたＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成が安定しないのみならず、界面の結晶状態が劣悪化する。
【００４０】
第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）としてＧａＮ層を設けることによって上記のような結晶性の悪化を抑制し、発光効率を向上することが可能となる。本実施例のように比較的大きな組成を有するＩｎＧａＮ層を第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）として形成する場合、電子ブロック層１４としてのＡｌＧａＮ層との間にＧａＮ（第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１））を設ける効果は大きい。
【００４１】
なお、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）以外の他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）においても、図２（ａ）及び（ｂ）に示すようにバンドギャップが段階的に異なる複数の障壁層部分を設けることで、井戸層及び障壁層間の結晶性を高品質に保つことが可能となる。従って、活性層１３の全体で結晶性の高い成膜を行うことが可能となる。従って、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）以外の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）についても、その各々は多層構造を有することが好ましい。
【００４２】
なお、本実施例においては、上記した組成条件、層厚比率条件及び層厚条件の全てを満たすように活性層１３を構成する場合について説明したが、活性層１３は、図２（ｂ）に示すようなバンドギャップを有していれば、当該３つの条件の全てを満たす必要はない。例えば、組成条件及び層厚比率条件を満たしている活性層を構成しても一定の電子捕獲効果を得ることが可能となる。
【００４３】
また、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々が２層構造を有する場合について説明したが、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）の各々は３層以上からなっていてもよい。例えば、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）が、第１及び第２の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）及びＢＢ（ｎ＋１）間に第３の最終障壁層部分を有していてもよい。同様に、障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）の各々は、第１及び第２の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）及びＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ）間に第３の障壁層部分を有していてもよい。なお、第３の最終障壁層部分を含め、第３の障壁層部分を形成する場合、そのバンドギャップは、第１及び第２の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）及びＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）の各々よりも小さく、井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）よりも大きいことが好ましい。
【００４４】
図３（ａ）は、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）のＩｎ組成ｚと素子１０の発光強度との関係を示す図である。図の横軸は組成ｚを、縦軸は光出力を示している。発明者らは、組成条件の最適範囲を見出すために、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）のＩｎ組成ｚと発光強度との間の関係を調査した。具体的には、他の第１の障壁層部分ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ）におけるＩｎ組成ｙを０．０１に固定し、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）のＩｎ組成ｚを種々異なるように構成した複数の素子１０を作製し、それぞれの発光強度（光出力）を計測した。
【００４５】
図３（ａ）に示すように、組成ｚが０．０２＜ｚ＜０．０４の関係を満たす場合、高い発光強度を示すことがわかる。すなわち、組成ｚが組成ｙよりも大きく、組成ｙが０．０１であり、組成ｚが０．０２＜ｚ＜０．０４の関係を満たす場合、高い発光強度を示している。なお、組成ｚが０．０４を超える場合は格子不整合による歪の影響が大きくなりすぎ、発光強度が低下すると考えられる。従って、発明者らによって組成ｚの具体的な上限が存在することが見出された。
【００４６】
図３（ｂ）は、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）における第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）及び第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）の層厚比率（層厚比）と素子１０の発光強度との関係を示す図である。図の横軸は第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）の層厚Ｔ２に対する第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の層厚Ｔ１の比率Ｒを、縦軸は光出力を示す。発明者らは、層厚比率条件の最適範囲を見出すために、層厚比率Ｒ（Ｔ１／Ｔ２、層厚Ｔ１及びＴ２については図２（ａ）を参照）と発光強度との間の関係を調査した。具体的には、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）の層厚Ｔ２を固定し、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の層厚Ｔ１を種々異なるように構成した複数の素子１０を作製し、それぞれの発光強度（光出力）を計測した。
【００４７】
図３（ｂ）に示すように、層厚比率Ｒ（Ｔ１／Ｔ２）が２＜Ｒ＜７の関係を満たす場合、高い発光強度を示すことがわかる。すなわち、層厚Ｔ１が層厚Ｔ２よりも大きく、層厚Ｔ１が層厚Ｔ２の２倍〜７倍の範囲内である場合、高い発光強度を示している。なお、層厚Ｔ１が層厚Ｔ２の７倍を超える場合、すなわち、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）に対して第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の層厚が極端に大きい場合、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）の結晶性の劣化が大きくなり、発光強度が低下すると考えられる。
【００４８】
なお、層厚Ｔ２が層厚Ｔ１と同程度となる場合、すなわち、層厚比率Ｒが２未満となる場合、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の電子捕獲効果が小さくなる。具体的には、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）の層厚Ｔ２を第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）の層厚Ｔ１と同程度まで大きくした場合を考える。この場合、第２の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）のバンドギャップは、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）と電子ブロック層１４との間のバンドギャップの差を緩和する階段のように作用してしまう。具体的には、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）において捕獲されるべき電子が、第２の最終障壁層部分ＢＢ（ｎ＋１）に至り、さらに電子ブロック層１４を越える可能性が高くなる。
【００４９】
上記したように、発明者らは、最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）の各層における層厚比率Ｒの最適範囲を見出した。従って、図３（ａ）に示す範囲と合わせて、組成条件及び層厚比率条件の最適範囲が見出された。
【００５０】
本実施例においては、活性層１３が多重量子井戸構造を有し、最もｐ型半導体層１５側に位置する最終障壁層Ｂ（ｎ＋１）が第１及び第２の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）及びＢＢ（ｎ＋１）を有し、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）は井戸層Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）よりも大きく、他の障壁層Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ）よりも小さなバンドギャップを有している。従って、第１の最終障壁層部分ＢＡ（ｎ＋１）が電子捕獲層として機能し、電子ブロック層１４の障壁機能との相乗効果によって、活性層１３内に電子が留まる確率が高くなる。従って、高温動作時及び大電流駆動時においても高い発光効率を維持する発光素子を提供することが可能となる。
【００５１】
なお、本実施例においては、第１の導電型がｐ型の導電型であり、第２の導電型がｐ型とは反対の導電型のｎ型である場合について説明したが、第１の導電型がｎ型であり、第２の導電型がｐ型であっていてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０  半導体発光素子
１２  ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３  活性層
１４  電子ブロック層
１５  ｐ型半導体層（第２の半導体層）
Ｗ（１）〜Ｗ（ｎ）  井戸層（ウェル層）
Ｂ（１）〜Ｂ（ｎ＋１）  障壁層（バリア層）
ＢＡ（１）〜ＢＡ（ｎ＋１）  第１の障壁層部分
ＢＢ（１）〜ＢＢ（ｎ＋１）  第２の障壁層部分
Ｂ（ｎ＋１）  最終障壁層
ＢＡ（ｎ＋１）  第１の最終障壁層部分
ＢＢ（ｎ＋１）  第２の最終障壁層部分
【図１】
2016086017.tif 000003
【図２】
2016086017.tif 000004
【図３】
2016086017.tif 000005