特許 6483566 半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6483566

(24)【登録日】2019年2月22日

(45)【発行日】2019年3月13日

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/06 20100101AFI20190304BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20190304BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/06

   H01L33/32

【請求項の数】13

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-156288(P2015-156288)

(22)【出願日】2015年8月6日

(65)【公開番号】特開2017-37873(P2017-37873A)

(43)【公開日】2017年2月16日

【審査請求日】2018年2月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】吉田 学史

(72)【発明者】

【氏名】彦坂 年輝

(72)【発明者】

【氏名】木村 重哉

(72)【発明者】

【氏名】布上 真也

【審査官】 皆藤 彰吾

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０３８９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４９８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３８７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００２３６９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１導電形の第１半導体層と、
第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含む第１井戸層と、
前記第１井戸層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ２Ｇａ_１−ｗ２Ｎ（０＜ｗ２＜１）を含む第２井戸層と、
前記第２井戸層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ３Ｇａ_１−ｗ３Ｎ（０＜ｗ３＜１）を含む第３井戸層と、
前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられた第１障壁層であって、
前記第１井戸層と接しＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む高Ａｌ濃度領域と、
前記高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜ｘ１）を含む低Ａｌ濃度領域と、
を含む前記第１障壁層と、
前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられ前記第１井戸層及び前記第２井戸層と接しＧａＮからなる第２障壁層と、
前記第２井戸層と前記第３井戸層との間に設けられ前記第２井戸層及び前記第３井戸層と接しＧａＮからなる第３障壁層と、
前記第３井戸層と前記第２半導体層との間に設けられ前記第３井戸層及び前記第２半導体層と接しＧａＮからなるｐ側障壁層と、
前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられＩｎ_ｗｎＧａ_１−ｗｎＮ（０＜ｗｎ＜１）を含むｎ側井戸層と、
前記第１半導体層と前記ｎ側井戸層との間に設けられたｎ側障壁層と、
を備え、
前記ｎ側障壁層は、
前記ｎ側井戸層と接しＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０＜ｘｎ＜１）を含むｎ側高Ａｌ濃度領域と、
前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙｎＧａ_１−ｙｎＮ（０≦ｙｎ＜ｘｎ）を含むｎ側低Ａｌ濃度領域と、
を含み、
前記ｎ側井戸層は、複数設けられ、
前記ｎ側障壁層は、複数設けられ、
前記複数のｎ側井戸層と前記複数のｎ側障壁層とは、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿って交互に並び、
前記複数のｎ側井戸層の数は、３以上９以下である、半導体発光素子。

【請求項2】

前記第３井戸層の厚さは、前記第１井戸層の厚さよりも厚い、請求項１記載の半導体発光素子。

【請求項3】

第１導電形の第１半導体層と、
第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含む第１井戸層と、
前記第１井戸層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ２Ｇａ_１−ｗ２Ｎ（０＜ｗ２＜１）を含む第２井戸層と、
前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられた第１障壁層であって、
前記第１井戸層と接しＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む高Ａｌ濃度領域と、
前記高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜ｘ１）を含む低Ａｌ濃度領域と、
を含む前記第１障壁層と、
前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられ前記第１井戸層及び前記第２井戸層と接しＧａＮからなる第２障壁層と、
前記第２井戸層と前記第２半導体層との間に設けられ前記第２井戸層及び前記第２半導体層と接しＧａＮからなるｐ側障壁層と、
前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられＩｎ_ｗｎＧａ_１−ｗｎＮ（０＜ｗｎ＜１）を含むｎ側井戸層と、
前記第１半導体層と前記ｎ側井戸層との間に設けられたｎ側障壁層と、
を備え、
前記ｎ側障壁層は、
前記ｎ側井戸層と接しＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０＜ｘｎ＜１）を含むｎ側高Ａｌ濃度領域と、
前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙｎＧａ_１−ｙｎＮ（０≦ｙｎ＜ｘｎ）を含むｎ側低Ａｌ濃度領域と、
を含み、
前記ｎ側井戸層は、複数設けられ、
前記ｎ側障壁層は、複数設けられ、
前記複数のｎ側井戸層と前記複数のｎ側障壁層とは、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿って交互に並び、
前記複数のｎ側井戸層の数は、３以上９以下である、半導体発光素子。

【請求項4】

前記ｘ１は、０．０５以上０．３以下である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項5】

前記ｙｎは、０．０１以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項6】

前記ｘｎは、０．０５以上０．３以下である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項7】

前記ｗｎは、０．１４以上０．１６以下である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項8】

前記ｗ１は、前記ｗ２よりも高い、請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項9】

前記ｗ１及びｗ２の少なくともいずれかは、０．１２以上０．１６以下である、請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項10】

前記第２井戸層の厚さは、前記第１井戸層の厚さよりも厚い、請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項11】

前記ｙ１は、０．０１以下である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項12】

前記第１障壁層の厚さは、３ナノメートル以上５．５ナノメートル以下である、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項13】

前記高Ａｌ濃度領域の厚さは、前記低Ａｌ濃度領域の厚さの０．２倍以上０．５倍以下である、請求項１〜１２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】

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、窒化物半導体を用いた半導体発光素子（例えば、発光ダイオード）がある。半導体発光素子において、発光効率の向上が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１１４３２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、発光効率を向上できる半導体発光素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、第１井戸層と、第２井戸層と、第３井戸層と、第１障壁層と、第２障壁層と、第３障壁層と、ｐ側障壁層と、ｎ側井戸層と、ｎ側障壁層と、を含む。前記第１井戸層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含む。前記第２井戸層は、前記第１井戸層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ２Ｇａ_１−ｗ２Ｎ（０＜ｗ２＜１）を含む。前記第３井戸層は、前記第２井戸層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ３Ｇａ_１−ｗ３Ｎ（０＜ｗ３＜１）を含む。前記第１障壁層は、前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられる。前記第１障壁層は、前記第１井戸層と接しＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む高Ａｌ濃度領域と、前記高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜ｘ１）を含む低Ａｌ濃度領域と、を含む。前記第２障壁層は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられ前記第１井戸層及び前記第２井戸層と接しＧａＮからなる。前記第３障壁層は、前記第２井戸層と前記第３井戸層との間に設けられ前記第２井戸層及び前記第３井戸層と接しＧａＮからなる。前記ｐ側障壁層は、前記第３井戸層と前記第２半導体層との間に設けられ前記第３井戸層及び前記第２半導体層と接しＧａＮからなる。前記ｎ側井戸層は、前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられＩｎ_ｗｎＧａ_１−ｗｎＮ（０＜ｗｎ＜１）を含む。前記ｎ側障壁層は、前記第１半導体層と前記ｎ側井戸層との間に設けられる。前記ｎ側障壁層は、前記ｎ側井戸層と接しＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０＜ｘｎ＜１）を含むｎ側高Ａｌ濃度領域と、前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙｎＧａ_１−ｙｎＮ（０≦ｙｎ＜ｘｎ）を含むｎ側低Ａｌ濃度領域と、を含む。前記ｎ側井戸層は、複数設けられる。前記ｎ側障壁層は、複数設けられる。前記複数のｎ側井戸層と前記複数のｎ側障壁層とは、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿って交互に並ぶ。前記複数のｎ側井戸層の数は、３以上９以下である。
本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、第１井戸層と、第２井戸層と、第１障壁層と、第２障壁層と、ｐ側障壁層と、ｎ側井戸層と、ｎ側障壁層と、を含む。前記第１井戸層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含む。前記第２井戸層は、前記第１井戸層と前記第２半導体層との間に設けられＩｎ_ｗ２Ｇａ_１−ｗ２Ｎ（０＜ｗ２＜１）を含む。前記第１障壁層は、前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられる。前記第１障壁層は、前記第１井戸層と接しＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む高Ａｌ濃度領域と、前記高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜ｘ１）を含む低Ａｌ濃度領域と、を含む。前記第２障壁層は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられ前記第１井戸層及び前記第２井戸層と接しＧａＮからなる。前記ｐ側障壁層は、前記第２井戸層と前記第２半導体層との間に設けられ前記第２井戸層及び前記第２半導体層と接しＧａＮからなる。前記ｎ側井戸層は、前記第１半導体層と前記第１井戸層との間に設けられＩｎ_ｗｎＧａ_１−ｗｎＮ（０＜ｗｎ＜１）を含む。前記ｎ側障壁層は、前記第１半導体層と前記ｎ側井戸層との間に設けられる。前記ｎ側障壁層は、前記ｎ側井戸層と接しＡｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０＜ｘｎ＜１）を含むｎ側高Ａｌ濃度領域と、前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と前記第１半導体層との間において前記ｎ側高Ａｌ濃度領域と接しＡｌ_ｙｎＧａ_１−ｙｎＮ（０≦ｙｎ＜ｘｎ）を含むｎ側低Ａｌ濃度領域と、を含む。前記ｎ側井戸層は、複数設けられる。前記ｎ側障壁層は、複数設けられる。前記複数のｎ側井戸層と前記複数のｎ側障壁層とは、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に沿って交互に並ぶ。前記複数のｎ側井戸層の数は、３以上９以下である。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。

【図2】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、参考例の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。

【図3】図３（ａ）〜図３（ｆ）は、半導体発光素子を例示する模式図である。

【図4】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、半導体発光素子を例示する模式図である。

【図5】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。

【図6】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。

【図7】図７は、実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

（実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１（ａ）に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、第１井戸層ＷＬ１と、第２井戸層ＷＬ２と、第１障壁層ＢＬ１と、第２障壁層ＢＬ２と、を含む。

【0009】

第１半導体層１０は、第１導電形である。第２半導体層２０は、第２導電形である。第１導電形は、ｎ形である。第２導電形は、ｐ形である。第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向（第１方向）とする。第１半導体層１０には、例えば、ｎ形の窒化物半導体（例えばｎ形のＧａＮなど）が用いられる。第２半導体層２０には、例えば、ｐ形の窒化物半導体（例えばｐ形のＧａＮなど）が用いられる。第２半導体層２０は、Ａｌを含む窒化物半導体（例えばｐ形のＡｌＧａＮなど）を含んでも良い。

【0010】

第１井戸層ＷＬ１は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。第１井戸層ＷＬ１は、Ｉｎ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含む。

【0011】

第２井戸層ＷＬ２は、第１井戸層ＷＬ１と第２半導体層２０との間に設けられる。第２井戸層ＷＬ２は、Ｉｎ_ｗ２Ｇａ_１−ｗ２Ｎ（０＜ｗ２＜１）を含む。

【0012】

第１障壁層ＢＬ１は、第１半導体層１０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられ。第１障壁層ＢＬ１は、第１井戸層ＷＬ１と接する。第１障壁層ＢＬ１は、高Ａｌ濃度領域３１ｘと、低Ａｌ濃度領域３１ｙと、を含む。

【0013】

高Ａｌ濃度領域３１ｘは、第１井戸層ＷＬ１と接する。高Ａｌ濃度領域３１ｘは、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。

【0014】

低Ａｌ濃度領域３１ｙは、高Ａｌ濃度領域３１ｘと第１半導体層１０との間において高Ａｌ濃度領域３１ｘと接する。低Ａｌ濃度領域３１ｙは、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜ｘ１）を含む。

【0015】

第２障壁層ＢＬ２は、第１井戸層ＷＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間に設けられ、第１井戸層ＷＬ１及び第２井戸層ＷＬ２と接する。第２障壁層ＢＬ２は、Ｉｎ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０≦ｚ２＜ｘ１）を含む。

【0016】

第１井戸層ＷＬ１は、ＩｎＧａＮを含む。第２井戸層ＷＬ２は、ＩｎＧａＮを含む。第１障壁層ＢＬ１の高Ａｌ濃度領域３１ｘは、ＡｌＧａＮを含む。第１障壁層ＢＬ１の低Ａｌ濃度領域３１ｙは、例えば、ＧａＮを含む。第２障壁層ＢＬ２は、例えば、ＧａＮを含む。

【0017】

半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向に沿って、例えば、ＧａＮ層（低Ａｌ濃度領域３１ｙ）、ＡｌＧａＮ層（高Ａｌ濃度領域３１ｘ）、ＩｎＧａＮ層（第１井戸層ＷＬ１）、ＧａＮ層（第２障壁層ＢＬ２）、及び、ＩｎＧａＮ層（第２井戸層ＷＬ２）が、この順で、互いと接して設けられる。

【0018】

半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に発光部３０が、設けられる。上記の井戸層及び障壁層は、発光部３０に含まれる。発光部３０は、複数の井戸層３２と、複数の障壁層３１と、を含む。複数の井戸層３２と、複数の障壁層３１と、は、Ｚ軸方向に沿って交互に並ぶ。

【0019】

複数の井戸層３２の１つと、複数の障壁層３１の１つと、を１つのペアとする。複数の障壁層３１のその１つは、複数の井戸層３２のその１つと、第１半導体層１０と、の間において、複数の井戸層３２のその１つと、第１半導体層１０と、と接する。

【0020】

半導体発光素子１１０においては、複数のペアのうちで第１半導体層１０に近いペアに含まれる障壁層３１は、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含む。そして、複数のペアのうちで第２半導体層２０に近いペアに含まれる障壁層３１は、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まない。

【0021】

例えば、この例では、複数のペアのうちで第２半導体層２０に近いペアとして、第３障壁層ＢＬ３が設けられている。この第３障壁層ＢＬ３は、低Ａｌ濃度領域３１ｙを含み、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まない。

【0022】

すなわち、半導体発光素子１１０は、第３井戸層ＷＬ３と、第３障壁層ＢＬ３と、をさらに含む。

【0023】

第３井戸層ＷＬ３は、第２井戸層ＷＬ２と第２半導体層２０との間に設けられる。第３井戸層ＷＬ３は、Ｉｎ_ｗ３Ｇａ_１−ｗ３Ｎ（０＜ｗ３＜１）を含む。第３井戸層ＷＬ３は、例えば、ＩｎＧａＮを含む。

【0024】

第３障壁層ＢＬ３は、第２井戸層ＷＬ２と第３井戸層ＷＬ３との間に設けられ、第２井戸層ＷＬ２と第３井戸層ＷＬ２と接する。第３障壁層ＢＬ３は、Ａｌ_ｚ３Ｇａ_１−ｚ３Ｎ（０≦ｚ３＜ｘ１）を含む。第３障壁層ＢＬ３は、例えばＧａＮを含む。

【0025】

実施形態において、第４井戸層と、第４障壁層と、をさらに設けても良い。第４井戸層は、第３井戸層ＷＬ３と第２半導体層２０との間に設けられる。第４井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮを含む。第４障壁層は、第３井戸層ＷＬ３と第４井戸層との間に設けられ、第３井戸層ＷＬ３と第４井戸層と接する。第４障壁層は、例えばＧａＮを含む。後述するように、実施形態において、第１井戸層ＷＬ１と第２半導体層２０との間に設けられる井戸層３２の数は１、または、２が望ましい。

【0026】

実施形態において、複数の井戸層３２の内で最も第２半導体層２０に近い井戸層３２と、第２半導体層２０と、の間に障壁層３１（ｐ側障壁層ＢＬｐ）を設けても良い。ｐ側障壁層ＢＬｐは、例えば、低Ａｌ濃度領域３１ｙである。すなわち、半導体発光素子１１０は、ｐ側障壁層ＢＬｐをさらに含む。ｐ側障壁層ＢＬｐは、第３井戸層ＷＬ３と第２半導体層２０との間に設けられる。ｐ側障壁層ＢＬｐは、Ａｌ_ｚｐＧａ_１−ｚｐＮ（０≦ｚｐ＜ｘ１）を含む。ｐ側障壁層ＢＬｐは、例えば、ＧａＮを含む。

【0027】

一方、半導体発光素子１１０において、第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間に、別の井戸層３２が設けられている。この別の井戸層３２をｎ側井戸層ＷＬｎと呼ぶ。そして、ｎ側障壁層ＢＬｎが設けられる。ｎ側障壁層ＢＬｎは、ｎ側井戸層ＷＬｎとペアを形成する。

【0028】

すなわち、半導体発光素子１１０は、ｎ側井戸層ＷＬｎと、ｎ側障壁層ＢＬｎと、をさらに含む。ｎ側井戸層ＷＬｎは、第１半導体層１０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられる。ｎ側井戸層ＷＬｎは、Ｉｎ_ｗｎＧａ_１−ｗｎＮ（０＜ｗｎ＜１）を含む。

【0029】

ｎ側障壁層ＢＬｎは、第１半導体層１０とｎ側井戸層ＷＬｎとの間に設けられる。ｎ側障壁層ＢＬｎは、ｎ側井戸層ＷＬｎと接する。

【0030】

ｎ側障壁層ＢＬｎは、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎと、ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎと、を含む。ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎは、ｎ側井戸層ＷＬｎと接する。ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎは、Ａｌ_ｘｎＧａ_１−ｘｎＮ（０＜ｘｎ＜１）を含む。ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎは、例えば、ＡｌＧａＮを含む。

【0031】

ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎは、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎと第１半導体層１０との間においてｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎと接する。ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎは、Ａｌ_ｙｎＧａ_１−ｙｎＮ（０≦ｙｎ＜ｘｎ）を含む。ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎは、例えば、ＧａＮを含む。

【0032】

上記のｎ側井戸層ＷＬｎは、第１障壁層ＢＬ１と接する。

【0033】

この例では、ｎ側井戸層ＷＬｎは、複数設けられ、ｎ側障壁層ＢＬｎは、複数設けられている。複数のｎ側井戸層ＷＬｎと複数のｎ側障壁層ＢＬｎとは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向（Ｚ軸方向）に沿って、交互に並ぶ。

【0034】

この例では、複数のｎ側井戸層ＷＬｎの数は、５である。実施形態において、この数は、３以上９以下であることが好ましい。

【0035】

この例では、複数のｎ側障壁層ＢＬｎの全てが、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎとｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎとを含んでいる。実施形態において、複数のｎ側障壁層ＢＬｎの少なくとも１つが、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎとｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎとを含んでいても良い。複数のｎ側障壁層ＢＬｎの少なくとも１つが、ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎを含み、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎを含まなくても良い。すなわち、複数のｎ側障壁層ＢＬｎの少なくともいずれかは、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを含んでも良い。複数のｎ側障壁層ＢＬｎの少なくともいずれかは、ＡｌＧａＮ層を含まず、ＧａＮ層を含んでも良い。

【0036】

半導体発光素子１１０は、例えば、基板の上に半導体結晶層を形成することにより作製できる。

【0037】

図１（ｂ）は、半導体発光素子１１０の作製の例を示している。
図１（ｂ）に示すように、基板５０ｓが用意される。基板５０ｓは、例えば、シリコン基板である。シリコン基板の面方位は、例えば（１１１）面である。実施形態において、面方位は任意である。

【0038】

基板５０ｓの上に、バッファ層５０が設けられる。この例では、バッファ層５０の上に、低不純物濃度層１０ｉが設けられる。低不純物濃度層１０ｉの上に、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０が、この順で設けられる。低不純物濃度層１０ｉにおける不純物の濃度は、第１半導体層１０における不純物の濃度よりも低い。低不純物濃度層１０ｉには、例えばアンドープＧａＮが用いられる。低不純物濃度層１０ｉは、必要に応じて設けられ、省略されても良い。これらの層は、基板５０ｓの上にエピタキシャル成長により形成される。

【0039】

バッファ層５０は、例えば、ＡｌＮ層５１、ＡｌＧａＮバッファ層５２、低Ａｌ組成層５３及び高Ａｌ組成層５４を含む。

【0040】

ＡｌＮ層５１は、基板５０ｓの上に設けられる。ＡｌＮ層５１は、高温成長ＡｌＮ層である。ＡｌＮ層５１を設けることで、その上の層と基板５０ｓ（例えばシリコン基板）との反応が抑制される。

【0041】

ＡｌＮ層５１の上に、ＡｌＧａＮバッファ層５２が設けられる。ＡｌＧａＮバッファ層５２の上に、低Ａｌ組成層５３が設けられる。低Ａｌ組成層５３の上に、高Ａｌ組成層５４が設けられる。この例では、低Ａｌ組成層５３と高Ａｌ組成層５４との組み合わせが、複数セット設けられる。例えば、基板５０ｓ（例えばシリコン基板）と窒化物半導体層との間の熱膨張係数の差などの原因により、窒化物半導体層に過度の応力が加わることがある。低Ａｌ組成層５３と高Ａｌ組成層５４との組み合わせにより、例えば、この応力が調整される。高Ａｌ組成層５４は、例えば、ＡｌＧａＮ領域と、ＡｌＮ領域と、の積層構造を有しても良い。このＡｌＮ領域は低温成長される。

【0042】

バッファ層５０の上に、低不純物濃度層１０ｉを形成し、その上に、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０が、この順で形成することで、半導体発光素子１１０が得られる。第１半導体層１０と電気的に接続された電極と、第２半導体層２０と電気的に接続された電極と、の間に電圧を加えると、発光部３０に電流が供給される。発光部３０から光が放出される。発光部３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば、４３５ナノメートル（ｎｍ）以上４６０ｎｍ以下である。発光光は、例えば青色である。

【0043】

既に説明したように、半導体発光素子１１０においては、複数のペアのうちで第１半導体層１０に近いペアに含まれる障壁層３１は、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含む。そして、複数のペアのうちで第２半導体層２０に近いペアに含まれる障壁層３１は、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まない。これにより、発光効率を向上することができる。

【0044】

以下、このような構成を有する半導体発光素子１１０の特性の評価結果の例について説明する。以下、試料の作成条件について、説明する。

【0045】

シリコンの基板５０ｓの上に、バッファ層５０、低不純物濃度層１０ｉ、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０が順次エピタキシャル成長される。これらの層の形成の条件は、以下である。

【0046】

バッファ層５０として、１０７０℃にて２１０ｎｍのＡｌＮ層（ＡｌＮ層５１）、１０５０℃にて２００ｎｍのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層（ＡｌＧａＮバッファ層５２の一部）、２５０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ層（ＡｌＧａＮバッファ層５２の別の一部）、及び、３５０ｎｍのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層（ＡｌＧａＮバッファ層５２の別の一部）、及び、ＧａＮ層（低Ａｌ組成層５３）がこの順で形成される。
必要に応じて、ＧａＮ層（低Ａｌ組成層５３）の上に、高Ａｌ組成層５４が設けられる。この例では、低Ａｌ組成層５３と高Ａｌ組成層５４とを含む組み合わせが、複数セット設けられる。

【0047】

バッファ層５０の上に、低不純物濃度層１０ｉとして、１０６０℃にて１０００ｎｍのＧａＮ層が形成される。

【0048】

低不純物濃度層１０ｉの上に、第１半導体層１０として、１０６０℃にて１０００ｎｍのＳｉドープＧａＮ層が形成される。

【0049】

ｎ側障壁層ＢＬｎの一部となるｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎとして、４．０ｎｍのＧａＮ層が形成される。このとき、ＧａＮ層のうちの１．０ｎｍの下層の形成は、８００℃で行われ、ＧａＮ層のうちの３．０ｎｍの上層の形成は、８５０℃で行われる。

【0050】

ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎの上に、ｎ側障壁層ＢＬｎの別の一部となるｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎとして、１．０ｎｍのＡｌＧａＮ層が８００℃で形成される。

【0051】

ｎ側障壁層ＢＬｎの上に、井戸層３２として、３．５ｎｍのＩｎＧａＮ層が、８００℃で形成される。

【0052】

ｎ側障壁層ＢＬｎとｎ側井戸層ＷＬｎとのペアが、５組形成される。

【0053】

最も上層のｎ側井戸層ＷＬｎの上に、第１障壁層ＢＬ１が形成される。第１障壁層ＢＬ１の一部の低Ａｌ濃度領域３１ｙとして、４．０ｎｍのＧａＮ層が形成される。このとき、ＧａＮ層のうちの１．０ｎｍの下層の形成は、８００℃で行われ、ＧａＮ層のうちの３．０ｎｍの上層の形成は、８５０℃で行われる。

【0054】

低Ａｌ濃度領域３１ｙの上に、第１障壁層ＢＬ１の別の一部の高Ａｌ濃度領域３１ｘとして、１．０ｎｍのＡｌＧａＮ層が８００℃で形成される。

【0055】

第１障壁層ＢＬ１の上に、第１井戸層ＷＬ１として、３．５ｎｍのＩｎＧａＮ層が、８００℃で形成される。

【0056】

第１井戸層ＷＬ１の上に、第２障壁層ＢＬ２として、５．０ｎｍのＧａＮ層が形成される。このとき、ＧａＮ層のうちの１．０ｎｍの下層の形成は、８００℃で行われ、ＧａＮ層のうちの３．５ｎｍの中層の形成は、８５０℃で行われ、ＧａＮ層のうちの０．５ｎｍの上層の形成は、８００℃で行われる。

【0057】

第２障壁層ＢＬ２の上に、第２井戸層ＷＬ２が形成される。第２井戸層ＷＬ２の上に、第３障壁層ＢＬ３が形成される。第３障壁層ＢＬ３の上に第３井戸層ＷＬ３が形成される。第３井戸層ＷＬ３の上に、ｐ側障壁層ＢＬｐが形成される。第２井戸層ＷＬ２及び第３井戸層ＷＬ３の形成条件は、第１井戸層ＷＬ１の形成条件と同じである。第３障壁層ＢＬ３及びｐ側障壁層ＢＬｐの形成の条件は、第２障壁層ＢＬ２の形成条件と同じである。

【0058】

これにより、発光部３０が形成される。発光部３０の上に、第２半導体層２０として、５ｎｍのＭｇドープＡｌＧａＮ層、８０ｎｍのＭｇドープＧａＮ層、及び、５ｎｍのＭｇドープＧａＮコンタクト層がこの順で形成される。これにより、半導体発光素子１１０が得られる。

【0059】

実験においては、井戸層３２（第１井戸層ＷＬ１、第２井戸層ＷＬ２、ｎ側井戸層ＷＬｎなど）となるＩｎＧａＮにおいて、Ｉｎ組成比は、０．１５である。

【0060】

高Ａｌ濃度領域３１ｘ及びｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎにおけるＡｌ組成比は、０．０７５，０．１５及び０．３と変更されている。

【0061】

低Ａｌ濃度領域３１ｙ及びｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎにおけるＡｌ組成比は、０である。すなわち、低Ａｌ濃度領域３１ｙ及びｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎは、ＧａＮ層である。

【0062】

実験においては、以下の参考例の試料がさらに作製された。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、参考例の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）に示す第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、障壁層３１において、高Ａｌ濃度領域３１ｘが設けられていない。障壁層３１は、低Ａｌ濃度領域３１ｙ（ＧａＮ層）だけを有する。これ以外は、半導体発光素子１１０と同様である。

【0063】

図２（ｂ）に示す第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、全ての障壁層３１において、高Ａｌ濃度領域３１ｘ及び低Ａｌ濃度領域３１ｙ（ＧａＮ層）が設けられている。これ以外は、半導体発光素子１１０と同様である。すなわち、半導体発光素子１１９ｂにおいては、半導体発光素子１１０と比較して、ＧａＮの第２障壁層ＢＬ２及び第３障壁層ＢＬ３が設けられていない。

【0064】

図３（ａ）〜図３（ｆ）は、半導体発光素子を例示する模式図である。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいて、高Ａｌ濃度領域３１ｘのＡｌ組成比ｘが０．１５の試料に対応する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいて、高Ａｌ濃度領域３１ｘのＡｌ組成比ｘが０．３の試料に対応する。図３（ａ）及び図３（ｄ）は、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ（高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡）である。図３（ｂ）及び図３（ｅ）は、ＴＥＭ−ＥＤＸ（透過型電子顕微鏡エネルギー分散型Ｘ線分光法）であり、Ｉｎ組成分布を示している。図３（ｂ）及び図３（ｅ）において、明るい領域において、Ｉｎが多い。図３（ｃ）及び図３（ｆ）は、ＴＥＭ−ＥＤＸであり、Ａｌ組成分布を示している。図３（ｃ）及び図３（ｆ）において、明るい領域において、Ａｌが多い。

【0065】

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、半導体発光素子を例示する模式図である。
これらの図は、試料の３次元アトムプローブによる評価結果を示している。図４（ａ）は、半導体発光素子１１９ａに対応する。図４（ｂ）は、半導体発光素子１１９ｂにおいて、高Ａｌ濃度領域３１ｘのＡｌ組成比ｘが０．１５の試料に対応する。図４（ｃ）は、半導体発光素子１１９ｂにおいて、高Ａｌ濃度領域３１ｘのＡｌ組成比ｘが０．３の試料に対応する。これらの図において、横軸は、Ｚ軸方向における位置Ｐｚである。縦軸は、Ｉｎの組成比ＣＩｎ、または、Ａｌの組成比ＣＡｌを示す。

【0066】

図４（ａ）に示すように、半導体発光素子１１９ａにおいては、複数のＩｎのピークが観察される。これらのピークは、複数の井戸層３２に対応する。

【0067】

図４（ｂ）に示すように、半導体発光素子１１９ｂ（ｘ＝０．１５）においては、複数のＩｎのピーク（複数の井戸層３２）に加えて、複数のＡｌのピークが観察される。複数のＡｌのピークは、高Ａｌ濃度領域３１ｘに対応する。複数のＡｌのピークの高さは、０．１５に対応する。

【0068】

図４（ｃ）に示すように、半導体発光素子１１９ｂ（ｘ＝０．３）においても、複数のＩｎのピーク（複数の井戸層３２）、及び、複数のＡｌのピーク（高Ａｌ濃度領域 ３１ｘ）が観察される。複数のＡｌのピークの高さは、０．３に対応する。

【0069】

このように、ＴＥＭ−ＥＤＸ及び３次元アトムプローブにより、Ｉｎ含有領域（井戸層３２）、及び、Ａｌ含有領域（高Ａｌ濃度領域３１ｘなど）が観察される。

【0070】

半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０に近い一部の障壁層３１において、Ａｌ含有領域（高Ａｌ濃度領域３１ｘなど）が観察され、第２半導体層２０に近い一部の障壁層３１において、Ａｌ含有領域（高Ａｌ濃度領域３１ｘなど）が観察されない。

【0071】

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、半導体発光素子１１９ａ及び半導体発光素子１１９ｂの試料の特性の測定結果を示している。半導体発光素子１１９ｂについては、高Ａｌ濃度領域３１ｙにおけるＡｌ組成比ｘが０．７５、０．１５及び０．３の３つの試料の結果が示されている。これらのグラフの横軸は、電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ^２）である。縦軸は、外部量子効率Ｅｘ１である。図５（ａ）においては、縦軸は対数で表示されている。

【0072】

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、Ａｌ組成比ｘが０．３の半導体発光素子１１９ｂにおいては、外部量子効率Ｅｘ１が低い。

【0073】

Ａｌ組成比ｘが０．０７５または０．１５の半導体発光素子１１９ｂにおいては、低電流密度において、外部量子効率Ｅｘ１が、半導体発光素子１１９ａよりも高い。しかしながら、Ａｌ組成比ｘが０．０７５または０．１５の半導体発光素子１１９ｂにおいては、高電流密度において、外部量子効率Ｅｘ１が、半導体発光素子１１９ａよりも低い。すなわち、Ａｌ組成比ｘが０．０７５または０．１５の場合、半導体発光素子１１９ｂにおいては、低電流密度においては効率が向上できるが、ドループにより、高電流密度においては効率が低くなる。

【0074】

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、半導体発光素子１１０、半導体発光素子１１９ａ及び半導体発光素子１１９ｂの試料の特性の測定結果を示している。半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１１９ｂにおいては、高Ａｌ濃度領域３１ｙにおけるＡｌ組成比ｘは０．１５の例である。これらのグラフの横軸は、電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ^２）であり、縦軸は、外部量子効率Ｅｘ１である。

【0075】

図６（ａ）及び図６（ｂ）から分かるように、半導体発光素子１１０においては、低電流密度において、外部量子効率Ｅｘ１は、半導体発光素子１１９ｂよりもさらに高い。半導体発光素子１１０においては、高電流密度において、外部量子効率Ｅｘ１は、半導体発光素子１１９ａと同じ程度の高い外部量子効率Ｅｘ１を維持している。すなわち、Ａ半導体発光素子１１０においては、低電流密度において効率が向上しつつ、ドループが抑制され、高電流密度においても高い効率が得られる。実施形態によれば、発光効率を向上できる半導体発光素子が提供できる。

【0076】

窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、発光効率のピーク値（比較的低い電流密度の領域における発光効率）の向上に加えて、高電流密度時における発光効率の向上が求められている。一般に、電流密度の増加により、発光効率が低下する。ドループの抑制が求められている。

【0077】

発光効率のピーク値を向上するためには、発光層の欠陥の低減と、発光層の構造の改善と、の試みがある。発光層の欠陥の低減のために、例えば、発光層の厚さを薄くすることが考えられる。発光層の厚さを薄くすることで、正孔と電子との重なり積分値が大きくなる。しかしながら、これらの構造において、ドループが悪化しやすい。

【0078】

発光層のキャリア密度を低減することで、ドループを抑制することができる。しかしながら、発光層のキャリア密度を低減するために、発光層の厚さを厚くすると、発光層に欠陥が導入され、特に発光効率のピーク値が低下する。

【0079】

このように、従来の技術においては、発光効率のピーク値（比較的低い電流密度の領域における発光効率）の向上と、ドループの抑制と、を行うことは困難である。

【0080】

これに対して、図６（ａ）及び図６（ｂ）から分かるように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、低電流密度において効率が向上しつつ、ドループを抑制することができる。

【0081】

実施形態においては、第１半導体層１０の側の障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１及びｎ側障壁層ＢＬｎなど）に、高Ａｌ濃度領域３１ｘ（及びｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎ）を設けることで、発光層における正孔密度が上昇し、発光効率が向上する。

【0082】

そして、第２半導体層２０の側の障壁層３１（第２障壁層ＢＬ２及び第３障壁層ＢＬ３など）においては、高Ａｌ濃度領域３１ｘを設けず低Ａｌ濃度領域３１ｙだけを設けることで、高い結晶性が得られる。

【0083】

実施形態において、第２半導体層２０に近い領域において、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まず低Ａｌ濃度領域３１ｙだけを有する障壁層３１の数を２以上とする。これにより、キャリア密度が低減され、ドループが抑制される。

【0084】

例えば、全ての障壁層３１に高Ａｌ濃度領域３１ｘを設ける半導体発光素子１１９ｂと比べて、第２半導体層２０に近い側に、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まず低Ａｌ濃度領域３１ｙだけを有する障壁層３１を設けることで、ドループが改善される。

【0085】

例えば、半導体発光素子１１９ｂでは、全ての障壁層３１に、高Ａｌ濃度領域３１ｘが設けられている。この構成においては、正孔は、第１井戸層ＷＬ１に集中していると考えられる。すなわち、第２井戸層ＷＬ２及び第３井戸層ＷＬ３において、正孔密度が低いと考えられる。
これに対して、第２半導体層２０に近い側に、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まず低Ａｌ濃度領域３１ｙだけを有する障壁層３１を設け、第２半導体層２０から離れた位置に、高Ａｌ濃度領域３１ｘ及び低Ａｌ濃度領域３１ｙを含む障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１など）を設けることで、半導体発光素子１１９ｂにおいて第１井戸層ＷＬ１に集中していると考えられる正孔を、第２井戸層ＷＬ２及び第３井戸層ＷＬ３に分散することができる。これにより、ドループが抑制される。

【0086】

例えば、第２半導体層２０から離れた井戸層３２においては、正孔の注入が悪くなる。実施形態において、例えば、第１井戸層ＷＬ１と第２半導体層２０との間に設けられる井戸層３２の数は１、または、２である。これにより、例えば、正孔の注入が悪い井戸層３２が増えることが抑制できる。

【0087】

図７は、実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図７に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１１においても、第１半導体層１０、第２半導体層２０、第１井戸層ＷＬ１、第２井戸層ＷＬ２、第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２が設けられる。これらについては、半導体発光素子１１０と同様である。半導体発光素子１１１においては、ｎ側障壁層ＢＬｎにおいて、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎが設けられず、ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎが設けられる。

【0088】

既に説明したように、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含む１つの障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１）を設け、その１つの障壁層３１と第２半導体層２０との間に、高Ａｌ濃度領域３１ｘを含まない障壁層３１（第２障壁層ＢＬ２など）を設けることで、低電流密度における効率の向上とともに、ドループを抑制することができる。半導体発光素子１１１のように、第１障壁層ＢＬ１に高Ａｌ濃度領域３１ｘを設け、ｎ側障壁層ＢＬｎにおいて、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎを設けなくても良い。

【0089】

高Ａｌ濃度領域３１ｘのように、Ａｌを含む窒化物半導体の領域が多いと、例えば、結晶性が低くなることがある。Ａｌを含む窒化物半導体の領域を少なくしつつ、高Ａｌ濃度領域３１ｘを設ける（すなわち、第１障壁層ＢＬ１を設ける）ことで、高い結晶性が維持できる。これにより、高い効率が得やすくなる。

【0090】

実施形態において、第１障壁層ＢＬ１は、低Ａｌ濃度領域３１ｙ（例えばＧａＮ層）と、その上に設けられた高Ａｌ濃度領域３１ｘ（ＡｌＧａＮ層）と、を有している。そして、この高Ａｌ濃度領域３１ｘ（ＡｌＧａＮ層）に接して第１井戸層ＷＬ１（ＩｎＧａＮ層）が設けられる。ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの間において、格子定数の差が大きい。このように格子定数の差が大きいＡｌＧａＮ層の上に、ＡｌＧａＮ層に接してＩｎＧａＮ層を設けることは、一般的には困難である。例えば、ＩｎＧａＮ層の結晶性が低くなる。

【0091】

実施形態においては、高Ａｌ濃度領域３１ｘ（ＡｌＧａＮ層）の下に、低Ａｌ濃度領域３１ｙ（例えばＧａＮ層）を設ける。この低Ａｌ濃度領域３１ｙ（例えばＧａＮ層）により、平坦な表面が得られる。平坦な表面の上に、高Ａｌ濃度領域３１ｘ（ＡｌＧａＮ層）を設けることで、高Ａｌ濃度領域３１ｘ（ＡｌＧａＮ層）に接して第１井戸層ＷＬ１を設けた場合においても、高い結晶性が維持できる。例えば、表現が平坦な高Ａｌ濃度領域３１ｘ（ＡｌＧａＮ層）が得られる。この上に、第１井戸層ＷＬ１を形成することで、第１井戸層ＷＬ１において、高い結晶性が得られる。

【0092】

実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の高Ａｌ濃度領域３１ｘにおけるＡｌ組成比ｘ１は、０．０５以上０．３以下であることが好ましい。ｘ１が０．０５未満のときは、例えば、正孔密度を高めることによる低電流密度での発光効率の向上が、不十分の場合がある。ｘ１が、０．３を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。

【0093】

実施形態において、ｎ側障壁層ＢＬｎのｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎにおけるＡｌ組成比ｘｎは、０．３以下であることが好ましい。ｘｎが、０．３を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。ｎ側障壁層ＢＬｎのｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎにおけるＡｌ組成比ｘｎは、０よりも高い。ｎ側障壁層ＢＬｎのｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎにおけるＡｌ組成比ｘｎは、０．０５以上でも良い。

【0094】

実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の低Ａｌ濃度領域３１ｙにおけるＡｌ組成比ｙ１は、０以上、０．０１以下であることが好ましい。ｙ１が０．０１を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。低Ａｌ濃度領域３１ｙは、例えば、ＧａＮである。

【0095】

実施形態において、ｎ側障壁層ＢＬｎのｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎにおけるＡｌ組成比ｙｎは、０以上、０．０１以下であることが好ましい。ｙｎが０．０１を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎは、例えば、ＧａＮである。

【0096】

実施形態において、第２障壁層ＢＬ２におけるＡｌ組成比ｚ２は、例えば、０以上０．０１以下である。第３障壁層ＢＬ３におけるＡｌ組成比ｚ３は、例えば、０以上０．０１以下である。第２障壁層ＢＬ２及び第３障壁層ＢＬ３は、例えば、ＧａＮ層である。

【0097】

第１障壁層ＢＬ１において、高Ａｌ濃度領域３１ｘの厚さは、低Ａｌ濃度領域３１ｙの厚さの０．２倍以上０．５倍以下である。高Ａｌ濃度領域３１ｘの厚さが低Ａｌ濃度領域３１ｙの厚さの０．２倍未満のときは、例えば、高Ａｌ濃度領域３１ｘが薄く、正孔密度を高める効果が小さくなる。高Ａｌ濃度領域３１ｘの厚さが低Ａｌ濃度領域３１ｙの厚さの０．５倍を超えると、例えば、高Ａｌ濃度領域３１ｘにおいて平坦性が劣化し易い。そのため、ＩｎＧａＮ層における平坦性が劣化し易く、ＧａＮ層における平坦性の回復効果が低下し易い。このため、結晶性が劣化し易い。

【0098】

ｎ側障壁層ＢＬｎにおいて、ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎの厚さは、ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎの厚さの０．５倍以下である。ｎ側高Ａｌ濃度領域３１ｘｎの厚さがｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｙｎの厚さの０．５倍を超えると、例えば、ｎ側低Ａｌ濃度領域３１ｘｎにおいて平坦性が劣化し易い。そのため、ＩｎＧａＮ層における平坦性が劣化し易く、ＧａＮ層における平坦性の回復効果が低下し易い。このため、結晶性が劣化し易い。

【0099】

第１障壁層ＢＬ１の厚さは、例えば、３ナノメートル以上５．５ナノメートル以下である。第１障壁層ＢＬ１の厚さが、３ｎｍ未満のときは、例えば、ＧａＮ層における平坦性の回復効果が低下し易い。そのため、高Ａｌ濃度領域３１ｘにおいて平坦性が劣化し易く、ＩｎＧａＮ層における平坦性が劣化し易い。このため、結晶性が劣化し易い。第１障壁層ＢＬ１の厚さが、５．５ｎｍを超えると、例えば、動作電圧が上昇する。

【0100】

第２障壁層ＢＬ２の厚さは、例えば、３ナノメートル以上５．５ナノメートル以下である。第２障壁層ＢＬ２の厚さが、３ｎｍ未満のときは、例えば、発光層の平均Ｉｎ組成比が高くなり、発光層に欠陥が導入され易くなる。第２障壁層ＢＬ２の厚さが、３ｎｍ未満のときは、例えば、発光層の平坦性が劣化し易くなる。第２障壁層ＢＬ２の厚さが、５．５ｎｍを超えると、例えば、正孔の注入効果が減少し、発光効率が低下する。第２障壁層ＢＬ２の厚さが、５．５ｎｍを超えると、動作電圧が上昇する。

【0101】

井戸層３２におけるＩｎ組成比は、第２半導体層２０に近い領域と、遠い領域と、で、変更しても良い。井戸層３２の厚さは、第２半導体層２０に近い領域と、遠い領域と、で、変更しても良い。

【0102】

例えば、Ｉｎ組成比ｗ１は、Ｉｎ組成比ｗ２（第２井戸層ＷＬ２におけるＩｎ組成比）よりも高くても良い。

【0103】

例えば、第３井戸層ＷＬ３の厚さは、第１井戸層ＷＬ１の厚さよりも厚くても良い。第２井戸層ＷＬ２の厚さは、第１井戸層ＷＬ１の厚さよりも厚くても良い。このような厚さの設定により、例えば、キャリア密度が低減され、ドループが低減し易い。

【0104】

例えば、第３井戸層ＷＬ３の厚さを、第１井戸層ＷＬ１よりも厚くする場合、Ｉｎ組成比ｗ３（第１井戸層ＷＬ３におけるＩｎ組成比）は、Ｉｎ組成比ｗ１（第１井戸層ＷＬ１におけるＩｎ組成比）よりも低くても良い。例えば、第２井戸層ＷＬ２の厚さを、第１井戸層ＷＬ１よりも厚くする場合、Ｉｎ組成比ｗ２（第１井戸層ＷＬ２におけるＩｎ組成比）は、Ｉｎ組成比ｗ１（第１井戸層ＷＬ１におけるＩｎ組成比）よりも低くても良い。例えば、同じＩｎ組成比で厚さを厚くすると、長波長化する。Ｉｎ組成比を低くすることで、実質的に同じ波長が得られる。

【0105】

例えば、Ｉｎ組成比ｗ１及びｗ２の少なくともいずれかは、０．１２以上０．１６以下である。例えば、Ｉｎ組成比ｗｎは、０．１４以上０．１６以下である。

【0106】

同じＩｎ組成比で厚さを厚くすると、長波長化する。Ｉｎ組成比を低くすることで、同じ波長が得られる。例えば、ＩｎＧａＮの井戸層の厚さが３．５ｎｍでＩｎ組成比が０．１４のときに、波長は４４０ｎｍとなる（フォトルミネッセンス測定）。一方、ＩｎＧａＮの井戸層の厚さが４．５ｎｍで、Ｉｎ組成比が０．１２５のときに、波長は４４０ｎｍとなる（フォトルミネッセンス測定）。

【0107】

ｎ側井戸層ＷＬｎの数（第１井戸層ＷＬ１と第１半導体層１０との間に設けられる井戸層３２の数：第１の数）は、第１井戸層ＷＬ１と第２半導体層２０との間に設けられる井戸層３２の数（第２の数）よりも大きいことが好ましい。第１の数を第２の数よりも大きくすることで、例えば、ｎ側井戸層ＷＬｎにおいて格子緩和が生じ、第１井戸層ＷＬと第２半導体層２０との間に設けられる井戸層３２の格子緩和が抑制され、欠陥の導入が抑制される。

【0108】

実施形態において、井戸層３２の数は、１２以下であることが好ましい。井戸層３２の数が１２を超えると、例えば、格子緩和により井戸層３２に欠陥が導入されやすくなり、発光効率が低下する。

【0109】

実施形態において、第１半導体層１０は、ｎ形不純物を含む。ｎ形不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかが用いられる。第１半導体層は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。

【0110】

第２半導体層２０は、ｐ形不純物を含む。ｐ形不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかが用いられる。第２半導体層は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。

【0111】

実施形態において、発光部３０と第１半導体層１０の間に、多層膜の中間部（例えば超格子層など）を設けても良い。

【0112】

実施形態に係る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法において、半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー（Halide Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）法などを用いることができる。

【0113】

例えば、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Ｇａの原料として、例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ_３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料としては、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）などを用いることができる。

【0114】

実施形態によれば、発光効率を向上できる半導体発光素子が提供できる。

【0115】

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

【0116】

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

【0117】

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体層、発光部、井戸層及び障壁層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

【0118】

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

【0119】

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

【0120】

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

【0121】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0122】

１０…第１半導体層、 １０ｉ…低不純物濃度層、 ２０…第２半導体層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３１ｘ…高Ａｌ濃度領域、 ３１ｘｎ…ｎ側高Ａｌ濃度領域、 ３１ｙ…低Ａｌ濃度領域、 ３１ｙｎ…ｎ側低Ａｌ濃度領域、 ３２…井戸層、 ５０…バッファ層、 ５０ｓ…基板、 ５１…ＡｌＮ層、 ５２…ＡｌＧａＮＮバッファ層、 ５３…低Ａｌ組成層、 ５４…高Ａｌ組成層、 １１０、１１１、１１９ａ、１１９ｂ…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬ３…第１障壁層、 ＢＬｎ…ｎ側障壁層、 ＢＬｐ…ｐ側障壁層、 ＣＡｌ…Ａｌ組成比、 ＣＩｎ…Ｉｎ組成比、 Ｅｘ１…外部量子効率、 Ｊ…電流密度、 Ｐｚ…位置、 ＷＬ１〜ＷＬ３…第１〜第３井戸層、 ＷＬｎ…ｎ側井戸層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】