JP6433247B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

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。

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。

特許文献１には、１つの基板材料上に少なくとも２種類以上の半導体発光素子を形成し、各々の半導体発光素子上にそれぞれの発光波長に反応する蛍光体を複数種類塗布した発光装置が開示されている。特許文献２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３には、伝導性サブマウント基板上に金属層によって接合された第１発光部と、伝導性サブマウント基板の上面の一領域に形成された第２発光部とを含む白色発光素子が開示されている。特許文献４には、複数のＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、各井戸層のＩｎ組成が異なる半導体発光素子が開示されている。

特開2008-71805号公報 特開2011-249460号公報 特開2006-339646号公報 特開2004-179493号公報

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）とがその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異なる。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。

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。

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。例えば蛍光体などの波長変換部材を封止樹脂に混入させ、当該封止樹脂で素子を封止して発光装置を作製する手法である。例えば青色光を放出する活性層を用いた半導体発光素子の場合、活性層からの青色光の一部は蛍光体によって黄色光に変換され、両者が混合されて外部に取出される。従って、全体としては白色光が観察されることとなる。また、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域化を図る手法が提案されている。

しかし、これらの手法によって発光装置を作製する場合、装置内での発光波長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、蛍光体の混入工程の追加、蛍光体の波長変換効率の経年変化、半導体層の加工工程の追加及び半導体層の加工による結晶性の劣化などが挙げられる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、蛍光体などの波長変換部材を不要にし、可視域の広範囲な発光波長帯域（スペクトル幅）有する高い演色性かつ高い発光強度の半導体発光素子を提供することを目的としている。

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、第１及び第２の発光層を含む複数の発光層が積層された発光機能層と、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、第１の発光層は、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区画された複数の第１のベースセグメントを有する第１のベース層と、第１のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつ第１のベース層上に形成された第１の量子井戸層と、第１のベース層及び第１の量子井戸層を埋め込んで平坦化された平坦面を有する第１の障壁層と、を有し、第２の発光層は、第１の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区画された複数の第２のベースセグメントを有する第２のベース層と、第２のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつ第２のベース層上に形成された第２の量子井戸層と、第２の量子井戸層上に形成された第２の障壁層と、を有することを特徴としている。

（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）は第１の発光層のベース層における模式的な上面図である。 実施例１に係る半導体発光素子における発光機能層の構造を示す断面図である。 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。 実施例１の変形例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。

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、同様の構成要素に同一の参照符号を付している。

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ＳＬが形成された構造を有している。半導体構造層ＳＬ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、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂを含む複数の発光層が積層された構造を有する発光機能層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。

本実施例においては、搭載基板１１は、例えば半導体構造層ＳＬ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ＳＬ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ＳＬ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。

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ＳＬ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ＳＬを成長した後、半導体構造層ＳＬ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、当該貼り合わせた他の基板はｐ型半導体層１５上に形成される。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。

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。当該バッファ層は、例えば、成長用基板と半導体構造層ＳＬとの界面及び半導体構造層ＳＬ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。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ＧａＮ層を成長した後、ｎ型半導体層１２を積層した。

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、ｎ型半導体層１２は、異なるドーパント濃度を有する複数のｎ型半導体層から構成されていてもよい。また、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。

発光機能層１３は、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂを有している。第１の発光層１３Ａはｎ型半導体層１２上に形成され、第２の発光層１３Ｂは第１の発光層１３Ａよりもｐ型半導体層１５側（本実施例においては第１の発光層１３Ａ上）に形成されている。電子ブロック層１４は第２の発光層１３Ｂ上に形成されている。第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂの各々は、量子井戸（ＱＷ）構造を有している。

第１の発光層１３Ａは、ｎ型半導体層１２とは異なる組成を有するベース層（以下、第１のベース層と称する）ＢＬ１を有している。第１のベース層ＢＬ１は、ｎ型半導体層１２から応力歪を受けてランダムな網目状に形成された溝（以下、第１の溝と称する）ＧＲ１を有している。すなわち、第１の溝ＧＲ１は、ｎ型半導体層１２と第１のベース層ＢＬ１との間の異なる組成によって第１のベース層ＢＬ１に生じた応力（歪）によって生じた複数の溝が結合したメッシュ形状として形成されている。なお、第１のベース層ＢＬ１に生じた応力歪とは、ｎ型半導体層１２と第１のベース層ＢＬ１との間の格子定数の差によって、第１のベース層ＢＬ１の結晶構造が歪むことをいう。

また、第１の発光層１３Ａは、第１のベース層ＢＬ１上に形成された第１の量子井戸層ＷＡ及び第１の障壁層ＢＡからなる量子井戸構造層（以下、第１の量子井戸構造層と称する）を有している。第１の量子井戸層ＷＡは第１のベース層ＢＬ１上に形成され、第１の障壁層ＢＡは第１の量子井戸層ＷＡ上に形成されている。なお、第１のベース層ＢＬ１は、第１の量子井戸層ＷＡに対して障壁層として機能する。第１の量子井戸層ＷＡは、歪み量子井戸層として形成されている。

ここで、図１（ｂ）を参照して、第１のベース層ＢＬ１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、第１のベース層ＢＬ１は、第１の溝ＧＲ１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（以下、第１のベースセグメントと称する）ＢＳを有している。第１のベースセグメントＢＳ１の各々は、第１のベース層ＢＬ１において、第１のベース層ＢＬ１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。

第１の溝ＧＲ１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。第１の溝ＧＲ１は、第１のベース層ＢＬ１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。第１のベースセグメントＢＳ１の各々は、この第１の溝ＧＲ１によって第１のベース層ＢＬ１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、第１のベースセグメントＢＳ１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。

第１の溝ＧＲ１は、図１（ａ）に示すように、例えばＶ字形状を有し、ライン状の底部ＢＰ１を有している。本実施例においては、第１のベースセグメントＢＳ１の各々は、第１の溝ＧＲ１における底部ＢＰ１をその端部とする。第１のベースセグメントＢＳ１の各々は、底部ＢＰ１において他の第１のベースセグメントＢＳ１に隣接している。

また、第１のベース層ＢＬ１は、第１のベースセグメントＢＳ１の各々に対応する平坦部（以下、第１の平坦部と称する）ＦＬ１を有している。第１のベース層ＢＬ１の表面は、第１の平坦部ＦＬ１と第１の溝ＧＲ１の内壁面によって構成されている。第１の平坦部ＦＬ１の各々は、第１の溝ＧＲ１によって第１のベースセグメントＢＳ１毎に区画されている。第１のベースセグメントＢＳ１は、第１の平坦部ＦＬ１からなる上面と第１の溝ＧＲ１の内壁面からなる側面とを有している。

すなわち、第１の平坦部ＦＬ１は第１のベースセグメントＢＳ１の各々における上面を構成し、第１の溝ＧＲ１の内壁面は第１のベースセグメントＢＳ１の側面を構成する。従って、第１のベースセグメントＢＳ１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。

第１の量子井戸層ＷＡは、その表面において第１の溝ＧＲ１の形状を引き継いで（保持して）形成され、第１の溝ＧＲと同一のメッシュ形状を有する溝（以下、第２の溝と称する）ＧＲ２を有している。具体的には、第１の量子井戸層ＷＡは、図１（ａ）に示すように、第１のベースセグメントＢＳ１のセグメント形状を残存しつつ第１のベース層ＢＬ１上に形成されている。従って、第１の量子井戸層ＷＡは、第１のベース層ＢＬ１の第１の溝ＧＲ１の各溝部に対応する位置に第２の溝ＧＲ２を有している。

また、第１の発光層１３Ａは、図１（ａ）に示すように、第１のベース層ＢＬ１及び第１の量子井戸層ＷＡを埋め込んで平坦化された平坦面（以下、第１の平坦面と称する）ＦＳ１を有する第１の障壁層ＢＡを有している。すなわち、第１の障壁層ＢＡは、第１の量子井戸層ＷＡとの界面（下面）においては第２の溝ＧＲ２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。従って、第１の発光層１３Ａは、その表面が平坦面ＦＳ１として形成されている。

第２の発光層１３Ｂは、第１の障壁層ＢＡとは異なる組成を有するベース層（以下、第２のベース層と称する）ＢＬ２を有している。第２のベース層ＢＬ２は、第１の障壁層ＢＡから応力歪を受けてランダムな網目状に形成された溝（以下、第３の溝と称する）ＧＲ３を有している。すなわち、第３の溝ＧＲ３は、第１の障壁層ＢＡと第２のベース層ＢＬ２との間の異なる組成によって第２のベース層ＢＬ２に生じた応力（歪）によって生じた複数の溝が結合したメッシュ形状として形成されている。

また、第２の発光層１３Ｂは、第２のベース層ＢＬ２上に形成された第２の量子井戸層ＷＢ及び第２の障壁層ＢＢからなる量子井戸構造層（以下、第２の量子井戸構造層と称する）を有している。第２の量子井戸層ＷＢは第２のベース層ＢＬ２上に形成され、第２の障壁層ＢＢは第２の量子井戸層ＷＢ上に形成されている。なお、第２のベース層ＢＬ２は、第２の量子井戸層ＷＢに対して障壁層として機能する。第２の量子井戸層ＷＢは、歪み量子井戸層として形成されている。

第２のベース層ＢＬ２は、第３の溝ＧＲ３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（以下、第２のベースセグメントと称する）ＢＳ２を有している。第２のベースセグメントＢＳ２の各々は、第２のベース層ＢＬ２において、第２のベース層ＢＬ２が第１の障壁層ＢＡ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。

第２のベースセグメントＢＳ２の各々は、第３の溝ＧＲ３によって第２のベース層ＢＬ２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、第２のベースセグメントＢＳ２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。

第３の溝ＧＲ３は、図１（ａ）に示すように、例えばＶ字形状を有し、ライン状の底部ＢＰ２を有している。本実施例においては、第２のベースセグメントＢＳ２の各々は、第３の溝ＧＲ３における底部ＢＰ２をその端部とする。第２のベースセグメントＢＳ２の各々は、底部ＢＰ２において他の第２のベースセグメントＢＳ２に隣接している。

また、第２のベース層ＢＬ２は、第２のベースセグメントＢＳ２の各々に対応する平坦部（以下、第２の平坦部と称する）ＦＬ２を有している。第２のベース層ＢＬ２の表面は、第２の平坦部ＦＬ２と第３の溝ＧＲ３の内壁面によって構成されている。第２の平坦部ＦＬ２の各々は、第３の溝ＧＲ３によって第２のベースセグメントＢＳ２毎に区画されている。第２のベースセグメントＢＳ２は、第２の平坦部ＦＬ２からなる上面と第３の溝ＧＲ３の内壁面からなる側面とを有している。

第２の量子井戸層ＷＢは、その表面において第３の溝ＧＲ３の形状を引き継いで（保持して）形成され、第３の溝ＧＲ３と同一のメッシュ形状を有する溝（以下、第４の溝と称する）ＧＲ４を有している。具体的には、第２の量子井戸層ＷＢは、図１（ａ）に示すように、第２のベースセグメントＢＳ２のセグメント形状を残存しつつ第２のベース層ＢＬ２上に形成されている。従って、第２の量子井戸層ＷＢは、第２のベース層ＢＬ２の第３の溝ＧＲ３の各溝部に対応する位置に第４の溝ＧＲ４を有している。

また、第２の発光層１３Ｂは、図１（ａ）に示すように、第２のベース層ＢＬ２及び第２の量子井戸層ＷＢを埋め込んで平坦化された平坦面（以下、第２の平坦面と称する）ＦＳ２を有する第２の障壁層ＢＢを有している。すなわち、第２の障壁層ＢＢは、第２の量子井戸層ＷＢとの界面（下面）においては第４の溝ＧＲ４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。従って、第２の発光層１３Ａは、その表面が平坦面ＦＳ２として形成されている。

第２のベース層ＢＬ２の第３の溝ＧＲ３は、第１のベース層ＢＬ１の第１の溝ＧＲ１とは無関係な位置に形成されている。従って、第３の溝ＧＲ３における第２の底部ＢＰ２は、第１の底部ＢＰ１とは無関係な位置に形成されている。従って、第２ベースセグメントＢＳ２は、第１のベースセグメントＢＳ１とは無関係な位置に形成され、第１のベースセグメントＢＳ１とは無関係なサイズを有している。

また、第２の発光層１３Ｂは、第２のベース層ＢＬ２上に形成された第２の量子井戸層ＷＢを有している。第２の量子井戸層ＷＢは、その表面において第３の溝ＧＲ３上の領域に溝（以下、第４の溝と称する）ＧＲ４を有している。すなわち、第２の量子井戸層ＷＢは、第２のベース層ＢＬ２の形状を維持し、第２のベースセグメントＢＳ２に対応する表面形状（平坦部及び溝）を有している。また、第３の溝ＧＲ３及び第４の溝ＧＲ４は、互いに対応する位置に形成され、基板１１に垂直な方向から見たとき、すなわち上面視において互いに重なるように形成されている。また、第３及び第４の溝ＧＲ３及びＧＲ４は、互いに同程度の形状を有している。第４の溝ＧＲ４は、第２の溝ＧＲ２とは無関係な位置、形状及びサイズを有している。

図２は、発光機能層１３の構造を示す断面図である。図２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を用いて発光機能層１３の第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂについてより詳細に説明する。第１の発光層１３Ａにおいて、第１のベース層ＢＬ１は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成を有している。第１の量子井戸層ＷＡは、Ｉｎ_z1Ｇａ_1-z1Ｎ（０＜ｚ１≦１）の組成を有している。

第１の障壁層ＢＡは、第１の副障壁層ＢＡ１及び第２の副障壁層ＢＡ２を有している。すなわち第１の障壁層ＢＡは２層構造を有している。第２の副障壁層ＢＡ２は第１の副障壁層ＢＡ１よりもｐ型半導体層１５側に形成されている。より具体的には、第１の副障壁層ＢＡ１は第１の量子井戸層ＷＡ上に形成され、第２の副障壁層ＢＡ２は第１の副障壁層ＢＡ１上に形成されている。第２の発光層１３Ｂ（第２のベース層ＢＬ２）は、第２の副障壁層ＢＡ２上に形成されている。

第１の副障壁層ＢＡ１は、Ｉｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ（０＜ｚ２≦１）の組成を有している。第２の副障壁層ＢＡ２は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５と同一の組成、本実施例においてはＧａＮの組成を有している。第１の副障壁層ＢＡ１におけるＩｎ組成ｚ２は、第１の量子井戸層ＷＡにおけるＩｎ組成ｚ１よりも小さい。

第２の発光層１３Ｂにおいて、第２のベース層ＢＬ２は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）の組成を有している。第２の量子井戸層ＷＢは、Ｉｎ_z3Ｇａ_1-z3Ｎ（０＜ｚ３≦１）の組成を有している。

第２の障壁層ＢＢは、第３の副障壁層ＢＢ１及び第４の副障壁層ＢＢ２を有している。すなわち第２の障壁層ＢＢは２層構造を有している。第４の副障壁層ＢＢ２は第３の副障壁層ＢＢ１よりもｐ型半導体層１５側に形成されている。より具体的には、第３の副障壁層ＢＢ１は第２の量子井戸層ＷＢ上に形成され、第４の副障壁層ＢＢ２は第３の副障壁層ＢＢ１上に形成されている。電子ブロック層１４は、第４の副障壁層ＢＢ２上に形成されている。

第３の副障壁層ＢＢ１は、Ｉｎ_z4Ｇａ_1-z4Ｎ（０＜ｚ４≦１）の組成を有している。第４の副障壁層ＢＢ２は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５と同一の組成、本実施例においてはＧａＮの組成を有している。第４の副障壁層ＢＢ２におけるＩｎ組成ｚ４は、第２の量子井戸層ＷＢにおけるＩｎ組成ｚ３よりも小さい。

第１のベース層ＢＬ１及び第２のベース層ＢＬ２は、互いに異なる層厚を有している。本実施例においては、第２のベース層ＢＬ２は、第１のベース層ＢＬ１よりも小さな層厚Ｔ１を有している。具体的には、第２のベース層ＢＬ１の層厚Ｔ２は、第１のベース層ＢＬ１の層厚Ｔ２よりも小さい。

また、第１のベース層ＢＬ１及び第２のベース層ＢＬ２は、互いに異なるＡｌ組成を有している。より具体的には、第１のベース層ＢＬ１におけるＡｌ組成ｘと、第２のベース層ＢＬ２におけるＡｌ組成ｙとは互いに異なる。本実施例においては、第２のベース層ＢＬ２におけるＡｌ組成ｙは、第１のベース層ＢＬ１におけるＡｌ組成ｘよりも大きい。なお、Ａｌ組成ｘ及びｙは、大きいほどその溝部の個数、深さ及びサイズが大きくなり、形成されるベースセグメントの平均サイズは小さくなる。従って、本実施例においては、第１のベース層ＢＬ１と第２のベース層ＢＬ２とでベースセグメントの平均サイズが異なっている。また、第１及び第２のベース層ＢＬ１及びＢＬ２は、障壁層として機能する。

ここで、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂについて説明する。第１及び第２のベース層ＢＬ１及びＢＬ２における第１及び第２のベースセグメントＢＳ１及びＢＳ２は、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を比較的大きくし、成長温度を比較的低温でｎ型半導体層１２及び第２の障壁層ＢＡ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。なお、第１及び第２のベースセグメントＢＳ１及びＢＳ２が形成されるメカニズムは同様であるため、以下においては第１のベースセグメントＢＳ１について説明する。

まず、ｎ型半導体層１２上に、これとは異なる結晶組成の第１のベース層ＢＬ１を成長した場合、第１のベース層ＢＬ１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層にはその成長時に引張応力が生ずる。ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を成長すると、成長開始時又は成長途中でＡｌＧａＮ層に溝が生じ、これ以降は、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、複数の微細な凹凸が形成される。この溝の形成開始点が第１の溝ＧＲ１の第１の底部ＢＰ１となる。

さらに、ＧａＮ層上に低温でＡｌＧａＮ層を成長する場合、ＡｌＧａＮ層における３次元的な成長が促進される。従って、ＡｌＧａＮ層の表面に無数の溝部が互いに結合しながら形成され（第１の溝ＧＲ１）、これによってＡｌＧａＮ層の表面が粒状の複数のセグメントに区画されていく。このようにして第１のベースセグメントＢＳ１を有する第１のベース層ＢＬ１を形成することができる。なお、本実施例においては、１１００℃の成長温度で第１のベース層ＢＬ１としてのＡｌＧａＮ層を形成した。

この第１のベース層ＢＬ１上に第１の量子井戸層ＷＡとしてのＩｎＧａＮ層を形成すると、第１の量子井戸層ＷＡは、歪み量子井戸層として形成される。また、第１の量子井戸層ＷＡ内におけるＩｎの含有量に分布が生ずる。すなわち、第１の量子井戸層ＷＡのうち、第１の平坦部ＦＬ１上の領域と第１の溝ＧＲ１上の領域とでＩｎ組成が異なるように形成される。また、第１のベースセグメントＢＳ１の上面上と側面上とでは第１の量子井戸層ＷＡの層厚が異なる。従って、第１の量子井戸層ＷＡの層内においてはバンドギャップが一定では無い。

このように形成された微細な島状の凹凸を有する第１の量子井戸層ＷＡは、そのランダムな形状及びバンドギャップの構成により、様々な波長の光を放出する。そして、第１の障壁層ＢＡにおいてそのセグメント形状は途切れ、第１の障壁層ＢＡ上には、第１のベース層ＢＬ１とは無関係に第２のベース層ＢＬ２が形成される。本実施例においては、この第２のベース層ＢＬ２におけるＡｌ組成ｙ及び層厚Ｔ２を第１のベース層ＢＬ１とは異なるように形成した。従って、第２のベースセグメントＢＳ２は、第２のベース層ＢＬ２の面内において、第１のベース層ＢＬ１の面内における第１のベースセグメントＢＳ１とは異なる平均サイズ（面積）を有することとなる。これによって、各ベース層間における層内のＩｎの分布が異なり、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢからは互いに異なる波長領域の光が放出される。

換言すれば、本実施例のように平坦化された上面を有する障壁層を有する発光層（第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂ）を複数層積層することで、任意の発光波長を有する発光層を容易に形成することが可能となる。

なお、本実施例においては、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂの各々からは青色領域よりも長波長側に強度のピークを有する光が放出される。また、第１の発光層１３Ａは、第２の発光層１３Ｂよりも短波長側にピークを有する光が放出される。このようにして微細な島状の凹凸を有する第１の発光層１３Ａからは、様々な色の光が放出されることとなる。なお、ベースセグメントのサイズが小さくなるほど、ベース層内における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。

また、本実施例においては、第１のベース層ＢＬ１が第１の平坦部ＦＬ１を有し、第１の発光層１３Ａの表面が平坦面ＦＳ１を有している。また、第２の発光層１３Ｂが第１の平坦面ＦＳ１上に形成されているため、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂの界面における良好な結晶性が確保される。

なお、第１の障壁層ＢＢが第１及び第２の副障壁層ＢＡ１及びＢＡ２からなる２層構造を有することで、第１の量子井戸層ＷＡの第２の溝ＧＲ２が埋め込まれやすく、第１の平坦面ＦＳ１が安定して形成される。具体的には、第１の量子井戸層ＷＡとしてＩｎＧａＮ層と第２の副障壁層ＢＡ２としてのＧａＮ層との間に、その中間の格子定数を有する第１の副障壁層ＢＡ１（第１の量子井戸層ＷＡよりも小さなＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層）が介在することで、確実に溝が埋め込まれ、平坦面ＦＳ１の形成が安定して行われる。

なお、第１の障壁層ＢＡは、第２の溝ＧＲ２が平坦化されれば、ＧａＮ層のみから構成されていてもよい。すなわち、第１の副障壁層ＢＡ１が形成されていなくてもよい。例えばＧａＮ層を比較的大きな層厚で形成することで、第１の平坦面ＦＳ１を形成することができる。上記は、第２の障壁層ＢＢについても同様である。また、第１及び第２の障壁層ＢＡ及びＢＢについては、その上面で完全に溝が埋め込まれ、平坦面ＦＳ１及びＦＳ２が形成されていればよい。具体的には、例えば第１及び第２の障壁層ＢＡ及びＢＢが２層構造を有している場合、最もｐ型半導体層１５側の副障壁層の表面が平坦面として形成されていればよい。例えば、図２に示すように、第１及び第３の副障壁層ＢＡ１及びＢＢ１の表面には、それぞれ第２及び第４の溝ＧＲ２及びＧＲ２に対応する溝が形成されていても（残存していても）よい。

また、本実施例においては、第２の発光層１３Ｂの表面が平坦面（第２の平坦面ＦＳ２）として形成される場合について説明したが、第２の発光層１３Ｂの表面は平坦面として形成される場合に限定されない。第２の発光層１３Ｂの表面には第４の溝ＧＲ４に対応する溝を有していてもよい。なお、第２の発光層１３Ｂと電子ブロック層１４との界面の結晶性を考慮すると、第２の発光層１３Ｂについても平坦化された上面を有していることが望ましい。

なお、本実施例においては第１及び第２のベース層ＢＬ１及びＢＬ２、並びに第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢの表面が平坦部及び溝からなる場合について説明したが、これらの表面形状はこの場合に限定されない。例えば、第１のベース層ＢＬ１は第１のベースセグメントＢＳ１の上面に曲面部を有していてもよい。

なお、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢにおけるＩｎ組成ｚ１及びｚ３については、互いに異なっていてもよく、同一であってもよい。具体的には、上記したように、第１及び第２のベース層ＢＬ１及びＢＬ２の層厚やＡｌ組成によって各ベースセグメントの平均サイズを変更し、これによって第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂにおける発光波長の領域を調節することが可能である。これに加えて、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢにおけるＩｎ組成を調節することによっても、その発光波長を調節することが可能である。本実施例においては、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢにおけるＩｎ組成ｚ１及びｚ３が同一となるように構成した。

なお、ベースセグメントＢＳ１及びＢＳ２については、そのサイズが小さくなるほど、ベース層ＢＬ１及びＢＬ２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、ベース層ＢＬ１及びであるＡｌＧａＮ層上に量子井戸層ＷＡであるＩｎＧａＮ層を形成する場合、ＩｎＧａＮ層はＡｌＧａＮ層によって圧縮応力（圧縮歪）を受ける。ＩｎＧａＮ層が圧縮歪を受けると、第１の量子井戸層ＷＡ内にＩｎが取り込まれ易くなる。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と考えられる。従って、第１の量子井戸層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。

なお、発明者らは、第１及び第２の発光層１３Ａ又は１３Ｂのような発光層ではなく、一面が平坦であり、互いにＩｎ組成を変化させた複数の量子井戸層を有する多重量子井戸構造を形成することを検討した。しかし、形成できるＩｎ組成範囲には限界があり、Ｉｎ組成を変化させた多重量子井戸構造の発光層を有する発光素子の場合、本実施例の発光素子１０のような広範囲に亘る波長帯域を有するスペクトルを得ることはできなかった。具体的には、広範囲に亘って一定の波長及びその強度を有する光は取出されなかった。

従って、単純にＩｎ組成を大きくするだけでは高い演色性の光を得ることができなかった。さらに、Ｉｎ組成を広範囲に亘って変化させるために過剰にＩｎ組成の大きい量子井戸層を形成すると、Ｉｎの偏析が顕著となり、Ｉｎが析出して黒色化し、発光層として機能しない部分が形成された。従って、Ｉｎ組成によって発光スペクトルの広域化と発光強度の両立を図ることには限界があるといえる。

また、発明者らは、他の検討例として、異種材料によって形成された異なるバンドギャップを有する発光層を積層した発光素子を作製した。しかし、単純に異種の材料で発光層を積層した場合、そのバンドギャップに対応するピーク波長の光が取出されるに過ぎず、ピーク間のスペクトル強度は小さいものであった。また、混色のバランスが不安定となり、白色光を得ることは困難であった。また、異種の材料の発光層を形成する工程が追加されるのみならず、その結晶性は好ましいものではなかった。一方、本実施例においては、微細構造の第１の量子井戸層ＷＡを有する発光機能層１３を形成することで、容易にかつ確実に可視域の広範囲に亘って発光波長帯域（半値幅）を有する光を得ることができた。

なお、第１のベース層ＢＬ１及び第１の量子井戸層ＷＡの層厚の一例として、発明者らは以下の層厚を有する発光機能層１３を形成した。第１のベース層ＢＬ１は８ｎｍの層厚を有している。第１の量子井戸層ＷＡは５．５ｎｍの層厚を有している。また、ベースセグメントＢＳの面内方向におけるサイズ（面積）は、およそ数百ｎｍ²〜数μｍ²の大きさである。

また、本実施例においては、ｎ型半導体層１２としてのｎ−ＧａＮ層を１２２５℃の成長温度で４μｍ形成した。第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢは、８４５℃の成長温度で形成した。また、電子ブロック層１４としてのＡｌＧａＮ層は１０００℃の成長温度で形成し、ｐ型半導体層１５としてのｐ−ＧａＮ層は１１００℃の成長温度で形成した。

なお、本実施例においては、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢの各々が量子井戸構造を有する場合について説明したが、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢの各々は、単一の量子井戸層であってもよいし、複数の量子井戸層及び障壁層からなる多重量子井戸構造を有していてもよい。すなわち、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂ（第１及び第２の量子井戸構造層）の各々は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有していてもよく、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有していてもよい。第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂが多重量子井戸構造を有する場合、最もｐ型半導体層１５側に位置する障壁層が平坦面を有していればよい。

図３は、実施例１の変形例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。発光素子３０の発光機能層３３は、ｎ型半導体層１２と発光素子１０における第１の発光層１３Ａとの間に、少なくとも１つ（本変形例においては２つ）の第３の量子井戸層ＷＣと少なくとも１つ（本変形例においては２つ）の第３の障壁層ＷＣとからなる量子井戸構造を有する第３の発光層３３Ａを有している。

本変形例においては、第３の発光層３３Ａは、ｎ型半導体層１３上に、２つの第３の量子井戸層ＷＣの各々が３つの第３の障壁層ＢＣの各々によって挟まれた構造を有している。最もｐ型半導体層１５側に位置する第３の障壁層ＢＣ上には第１の発光層１３Ａ（第１のベース層ＢＬ１）が形成されている。第３の量子井戸層ＷＣの各々は、例えば、第１及び第２の量子井戸層ＷＡ及びＷＢのいずれかと同一の組成、例えばＩｎＧａＮの組成を有している一様に平坦な層である。第３の障壁層ＢＣの各々は、第１及び第２の障壁層ＢＡ及びＢＢと同一の組成、例えばＧａＮ層又はＩｎＧａＮ及びＧａＮの２層構造を有している。第３の障壁層ＢＣのうち、最も第１の発光層１３Ａ側に位置する第３の障壁層ＢＣは、ｎ型半導体層１２と同一の組成を有している。

本変形例においては、実施例１の発光素子１０における発光機能層１３のｎ型半導体層１２側に量子井戸構造の第３の発光層３３Ａが追加された構成となる。従って、実施例１に比べて、純粋な青色領域に発光波長のピークを有する光を追加で放出させることが可能となる。本変形例は、例えば青色領域の光の強度を大きくしたい場合に有利な構成となる。

なお、本変形例においては第３の発光層３３Ａがｎ型半導体層１２と第１の発光層１３Ａとの間に形成されている場合について説明したが、第３の発光層３３Ａの形成位置はこれに限定されない。例えば、第３の発光層３３Ａは、第２の発光層１３Ｂ上、すなわち第２の発光層１３Ｂとｐ型半導体層１５との間に形成されていてもよい。また、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂ間に第３の発光層３３Ａが形成されていてもよい。

図４は、発光素子３０から放出された光のスペクトル特性を示す図である。図の横軸は波長を、縦軸は発光強度を示す。図４に示すように、発光素子３０からは、３つのピークを有し、かつ可視域のほぼ全域に亘って高い強度を有する光が放出されていることがわかる。なお、３つのピークのうち、最も短波長側のおよそ４５０ｎｍの位置にあるピークＰ１は第３の発光層３３Ａからの放出光によるものである。同様に、５００ｎｍ辺り及び５７０ｎｍ辺りにそれぞれ位置するピークＰ２及びＰ３は、それぞれ第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂからの放出光によるものである。なお、第３の発光層３３Ａを有さない場合、すなわち発光素子１０においては、ピークＰ１がないことを除いてはおよそ発光素子３０と同様のスペクトル特性を示すことを確認した。

なお、本実施例においては、島状のベースセグメントを有する発光層を２層積層する場合について説明したが、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂと同様の構成を有する発光層を３層以上積層してもよい。すなわち、発光機能層１３及び３３Ａは、少なくとも第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂが積層された構造を有していればよい。

また、本実施例においては、発光機能層１３（又は３３）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。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。

上記したように、第１の発光層１３Ａにおける第１のベースセグメントＢＳ１と第２の発光層１３Ｂにおける第２のベースセグメントＢＳ２とは、互いに無関係にかつランダムに形成されている。従って、それぞれの発光領域は異なることとなり、重なり合って放出された光は、広範囲な発光波長帯域を有することとなる。さらに、第１のベース層ＢＬ１と第２のベース層ＢＬ２とでセグメントの平均サイズを異ならせることで、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂからの放出光をより異ならせる（波長帯域をずらす）ことができる。また、第１及び第２のベース層ＢＬ１及びＢＬ２の層厚を異なるように構成することで、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂからの放出光のスペクトル幅が異なることとなる。

本実施例及びその変形例においては、発光機能層１３は、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂを含む複数の発光層が積層された構造を有している。第１の発光層１３Ａ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区画された複数の第１のベースセグメントＢＳ１を有する第１のベース層ＢＬ１と、第１のベースセグメントＢＳ１のセグメント形状を残存しつつ第１のベース層ＢＬ１上に形成された第１の量子井戸層ＷＡと、第１のベース層ＢＬ１及び第１の量子井戸層ＷＡを埋め込んで平坦化された平坦面ＦＳ１を有する第１の障壁層ＢＡと、を有している。

また、第２の発光層１３Ｂは、第１の障壁層ＢＡから応力歪を受ける組成を有してランダムな網目状に区画された複数の第２のベースセグメントＢＳ２を有する第２のベース層ＢＬ２と、第２のベースセグメントＢＳ２のセグメント形状を残存しつつ第２のベース層ＢＬ２上に形成された第２の量子井戸層ＷＢと、第２の量子井戸層ＷＢ上に形成された第２の障壁層ＢＢと、を有している。従って、可視域の広範囲に亘って高い発光強度を有する光を放出することが可能な発光素子を提供することが可能となる。

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。

１０、３０ 半導体発光素子
１２ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３、３３ 発光機能層
１３Ａ 第１の発光層
１３Ｂ 第２の発光層
３３Ａ 第３の発光層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型半導体層（第２の半導体層）
ＢＬ１ 第１のベース層
ＢＳ１ 第１のベースセグメント
ＢＬ２ 第２のベース層
ＢＳ２ 第２のベースセグメント
ＧＲ１〜ＧＲ４ 第１〜第４の溝
ＦＳ１ 第１の平坦面
ＦＳ２ 第２の平坦面

Claims (7)

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、第１及び第２の発光層を含む複数の発光層が積層された発光機能層と、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、
   前記第１の発光層は、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区画された複数の第１のベースセグメントを有する第１のベース層と、前記第１のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつ前記第１のベース層上に形成された第１の量子井戸層と、前記第１のベース層及び前記第１の量子井戸層を埋め込んで平坦化された平坦面を有する第１の障壁層と、を有し、
   前記第２の発光層は、前記第１の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区画された複数の第２のベースセグメントを有する第２のベース層と、前記第２のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつ前記第２のベース層上に形成された第２の量子井戸層と、前記第２の量子井戸層上に形成された第２の障壁層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１及び第２のベース層は、互いに異なる層厚を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記複数の第２のベースセグメントは、前記第２のベース層の面内において、前記第１のベース層の面内における前記複数の第１のベースセグメントとは異なる平均サイズを有し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。
4. 前記第１の半導体層はＧａＮの組成を有し、
   前記第１及び第２のベース層の各々はＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有し、
   前記第１及び第２の量子井戸層の各々はＩｎＧａＮの組成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。
5. 前記第１及び第２のベース層は互いに異なるＡｌ組成を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記第１の障壁層は、前記第１の井戸層上に形成され、前記第１の井戸層よりも小さなＩｎ組成を有するＩｎＧａＮからなる第１の副障壁層と、前記第１の副障壁層上に設けられたＧａＮからなる第２の副障壁層とからなり、
   前記第２の副障壁層は前記平坦面を有す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。
7. 前記発光機能層は、前記第１の半導体層と前記第１の発光層との間に、少なくとも１つの第３の量子井戸層と複数の第３の障壁層とを有する第３の発光層を有し、
   前記複数の第３の障壁層のうち、最も第１の発光層側に位置する第３の障壁層は、前記第１の半導体層と同一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。

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