(57)【要約】  ｐ型窒化物半導体層に近い側から第２発光層と第３バリア層と第１発光層とを備え、第１発光層は複数の第１量子井戸層と複数の第１量子井戸層の間に設けられた第１バリア層とを備え、第２発光層は複数の第２量子井戸層と複数の第２量子井戸層の間に設けられた第２バリア層とを備え、第２量子井戸層は第１量子井戸層よりも厚い多重量子井戸発光層を含む窒化物半導体発光素子である。
2014061692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層と、を備え、
前記多重量子井戸発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層と、第３バリア層と、第１発光層とを備え、
前記第１発光層は、複数の第１量子井戸層と、前記複数の第１量子井戸層の間に設けられた第１バリア層とを備え、
前記第２発光層は、複数の第２量子井戸層と、前記複数の第２量子井戸層の間に設けられた第２バリア層とを備え、
前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層よりも厚い、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２バリア層は、前記第１バリア層よりも薄い、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記複数の第２量子井戸層において、前記ｐ型窒化物半導体層に近い方がバンドギャップエネルギーが小さい、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１量子井戸層は、Ａｌc1Ｇａd1Ｉｎ(1-c1-d1)Ｎ（０≦ｃ１＜１、０＜ｄ１≦１）からなり、
前記第２量子井戸層は、Ａｌc2Ｇａd2Ｉｎ(1-c2-d2)Ｎ（０≦ｃ２＜１、０＜ｄ２≦１）からなり、
前記第１量子井戸層のＩｎ組成比は、前記第２量子井戸層のＩｎ組成比よりも大きい、請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（以下、「窒化物半導体材料」と呼ぶ）は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギに相当するバンドギャップを有している。そのため、窒化物半導体材料は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子の材料や、その領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料などに有用である。【０００３】
また、窒化物半導体材料は、原子間の結合力が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きい。そのため、窒化物半導体材料は、耐高温かつ高出力な高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。さらに、窒化物半導体材料は、環境を害することがほとんどなく、取り扱い易い材料としても注目されている。【０００４】
上記の特性を有する窒化物半導体材料を用いた窒化物半導体発光素子においては、発光層に量子井戸構造が採用されることが一般的である。発光層に量子井戸構造を採用した窒化物半導体発光素子に電圧が印加されると、発光層の量子井戸層において、電子とホールとが再結合されて光が発生する。量子井戸構造を有する発光層としては、単一量子井戸（Single  Quantum  Well；ＳＱＷ）構造であってもよいが、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸（Multiple  Quantum  Well；ＭＱＷ）構造とする場合が多い。【０００５】
発光層に量子井戸構造を採用した窒化物半導体発光素子については、発光層のＭＱＷ構造を工夫することによって、所望の特性を得ようとする試みがいくつかなされている。【０００６】
たとえば特許文献１には、ｎ形の第１半導体層１０側から、第１井戸層〜第８井戸層を備えたＭＱＷ構造からなる発光部を備え、第１井戸層〜第４井戸層には、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ層が用いられ、第５井戸層〜第８井戸層には、２．５ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層が用いられた半導体発光素子が開示されている。このような特許文献１に記載の半導体発光素子においては、基板から発光部に伝播する転位や欠陥を抑制しつつ、結晶歪みを調整することが可能となるため、高効率の半導体発光素子が提供できるとされている。【０００７】
また、特許文献２には、第１ないし第３量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３を有するＭＱＷ構造の活性層がｎ型コンタクト層上に備えられ、各量子ウェル層のエネルギーバンドギャップがｎ型コンタクト層に近いほど大きくなる、または各量子ウェル層の厚さがｎ型コンタクト層に近いほど薄くなる半導体発光素子が開示されている。このような特許文献２に記載の半導体発光素子においては、量子ウェル層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３間の光吸収が減って発光効率が改善されるとされている。【０００８】
また、特許文献３には、ｎ−ＡｌＧａＮ層側から第１ペア層〜第４ペア層を有するＭＱＷを備え、ＭＱＷを構成する第１井戸層〜第４井戸層は、各発光波長を互いに合致させるような成長条件をもってそれぞれ形成されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が開示されている。ここで、第１井戸層〜第４井戸層には不純物としてＳｉが添加されており、Ｓｉの添加量は、ｎ−半導体層側からｐ−半導体層側に向かって漸次大きくなる添加量に設定されている。また、第１井戸層〜第４井戸層の層厚は、ｎ−半導体層側からｐ−半導体層側に向かって漸次小さくなる寸法に設定されている。さらに、Ｉｎx（Ｘ組成比）は、ｎ−半導体層側からｐ−半導体層側に向かって漸次小さくなる組成比に設定されている。このような特許文献３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においては、各井戸層の発光波長を合致させることができ、良好な色純度を得ることができるとともに、発光強度を高めることができるとされている。【０００９】
また、特許文献４には、低い電流密度において効率良く発光する薄い第１の井戸層（５層）と、高い電流密度において効率良く発光する厚い第２の井戸層（１層）とを備え、結晶性が悪化しやすい第２の井戸層が第１の井戸層とｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に位置するＭＱＷ構造を有する発光領域１７を備えた窒化物半導体発光素子が開示されている。このような特許文献４に記載の窒化物半導体発光素子においては、電流密度に対する発光効率の依存性を調整できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−６９９０１号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３７１１号公報
【特許文献３】特開２００７−２８１２５７号公報
【特許文献４】特開２００７−１１５７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年においては、窒化物半導体発光素子を大きな電流密度（（電流値）／（発光層の面積））で駆動させることが要望されているが、従来の窒化物半導体発光素子を大電流密度で駆動した場合には、投入電流に対する発光量の比である電流−発光効率（Ｗ／Ａ）、および投入電力に対する発光量の比である電力−発光効率（Ｗ／Ｗ）が低下することが問題となっていた。【００１２】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、大電流密度での駆動時における発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層とを備え、多重量子井戸発光層はｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層と、第３バリア層と、第１発光層とを備え、第１発光層は、複数の第１量子井戸層と、複数の第１量子井戸層の間に設けられた第１バリア層とを備え、第２発光層は、複数の第２量子井戸層と、複数の第２量子井戸層の間に設けられた第２バリア層とを備え、第２量子井戸層は第１量子井戸層よりも厚い窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、大電流密度での駆動時における発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。また、第２量子井戸層の層数は、２層とすることが好ましく、この場合には、大電流密度での駆動時における発光効率をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大電流密度での駆動時における発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。
【図２】図１に示す実施の形態の窒化物半導体発光素子を上面から見た模式的な平面図である。
【図３】実施の形態の窒化物半導体発光素子に用いられる多重量子井戸発光層の一例のバンドギャップエネルギー図である。
【図４】室温（２５℃）の場合と高温（８０℃）の場合との第２量子井戸層におけるホールの注入状態を模式的に説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１７】
また、この説明において、「バリア層」は量子井戸層に挟まれた層を指す。量子井戸層に挟まれていない層は「最初のバリア層」または「最後のバリア層」と表記し、量子井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。
【００１８】
また、この説明において、「ドーパント濃度」という用語と、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントのドープに伴い発生する電子およびホールの濃度である「キャリア濃度」という用語とを用いているが、その関係については後述する。
【００１９】
また、この説明において、「キャリアガス」とは、ＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガスおよびドーパント原料ガス以外のガスである。キャリアガスを構成する原子は窒化物半導体層などには取り込まれない。
【００２０】
また、「ｎ型窒化物半導体層」は、その中に電子の流れを実用上妨げない程度の厚さの低キャリア濃度のｎ型層あるいはアンドープ層を含んでいてもよい。
【００２１】
また、「ｐ側窒化物半導体層」についても、ホールの流れを実用上妨げない程度の厚さの低キャリア濃度のｐ型層あるいはアンドープ層を含んでいてもよい。「実用上妨げない」とは窒化物半導体発光素子の動作電圧が実用的なレベルであることを言う。
【００２２】
［窒化物半導体発光素子の構成］
図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図を示す。図２に、図１に示す実施の形態の窒化物半導体発光素子を上面から見た模式的な平面図を示す。
【００２３】
実施の形態の窒化物半導体発光素子は、基板１０１と、基板１０１上に、順次設けられた、バッファ層１０２と、窒化物半導体下地層１０７と、下部ｎ型窒化物半導体層１０８と、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９と、低温ｎ型窒化物半導体層１１０と、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１と、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２と、多重量子井戸発光層１１４と、ｐ型窒化物半導体層１１６と、ｐ型窒化物半導体層１１７と、ｐ型窒化物半導体層１１８とを備えている。
【００２４】
ｐ型窒化物半導体層１１８上には透明電極層１２３が設けられており、透明電極層１２３上にはｐ電極１２５が設けられている。また、ｐ型窒化物半導体層１１８上にはｎ電極１２４が設けられている。さらに、ｎ電極１２１の表面の一部およびｐ電極１２５の表面の一部を露出させるように、窒化物半導体発光素子の表面は透明絶縁保護膜１２７で覆われている。
【００２５】
［基板］
基板１０１としては、たとえば、サファイアなどの絶縁性基板、またはＧａＮ、ＳｉＣ若しくはＺｎＯなどの導電性基板を用いることができる。基板１０１の厚さは特に限定されないが、窒化物半導体層の成長時における基板１０１の厚さは、９００μｍ以上１２００μｍであることが好ましく、窒化物半導体発光素子の使用時の基板１０１の厚さは、５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
基板１０１の上面には、凸部１０１ａおよび凹部１０１ｂが形成されており、凹凸形状が形成されている。凸部１０１ａおよび凹部１０１ｂの形状は特に限定されないが、凸部１０１ａは、平面視において、略正三角形の頂点に配された略円形であることが好ましく隣り合う凸部１０１ａの頂点の間隔は１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。また、凸部１０１ａの断面形状は台形状であってもよく、台形の頂点部が丸みを帯びた形状であることがより好ましい。
【００２７】
なお、基板１０１は、基板１０１上への窒化物半導体層の成長後に除去されることによって、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板１０１を有していない窒化物半導体発光素子としてもよい。
【００２８】
［バッファ層］
バッファ層１０２としては、たとえばＡｌs0Ｇａt0Ｏu0Ｎ1-u0（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、０≦ｕ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）からなる式で表わされる窒化物半導体層を用いることが好ましく、ＡｌＮ層またはＡｌＯＮ層であることがより好ましい。
【００２９】
ここで、バッファ層１０２を構成するＡｌＯＮ層としては、Ｎのごく一部（０．５原子％以上２原子％以下）が酸素に置き換えられていることが好ましい。この場合には、基板１０１の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層１０２が形成されるため、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層１０２を得ることができる。
【００３０】
バッファ層１０２の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３１】
後述する窒化物半導体下地層１０７のＸ線ロッキングカーブの半値幅を向上させるために、バッファ層１０２としては、公知のスパッタ法により形成されたＡｌＯＮ層を用いることが好ましい。
【００３２】
［窒化物半導体下地層］
窒化物半導体下地層１０７は、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法により、バッファ層１０２の表面上に形成することができる。
【００３３】
窒化物半導体下地層１０７としては、たとえば、Ａｌx0Ｇａy0Ｉｎz0Ｎ（０≦ｘ０≦１、０≦ｙ０≦１、０≦ｚ０≦１、ｘ０＋ｙ０＋ｚ０≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を用いることができる。
【００３４】
窒化物半導体下地層１０７としては、柱状結晶の集合体からなるバッファ層１０２中の転位などの結晶欠陥を引き継がないようにするために、ＩＩＩ族元素としてＧａを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。
【００３５】
窒化物半導体下地層１０７としては、たとえば、ｎ型ドーパントが１×１０17個／ｃｍ3以上１×１０19個／ｃｍ3以下の範囲でドーピングされていてもよい。しかしながら、窒化物半導体下地層１０７の良好な結晶性を維持する観点からは、窒化物半導体下地層１０７はアンドープであることが好ましい。
【００３６】
窒化物半導体下地層１０７にドープされるｎ型ドーパントとしては、たとえば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選択された少なくとも１種などを用いることができる。なかでも、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉを用いることが好ましい。窒化物半導体下地層１０７にドープされるｎ型ドーパントにＳｉを用いた場合には、ｎ型ドーピングガスとしては、シランまたはジシランを用いることが好ましい。
【００３７】
窒化物半導体下地層１０７の成長時における基板１０１の温度は、８００℃以上１２５０℃以下であることが好ましく、９００℃以上１１５０℃以下であることがより好ましい。窒化物半導体下地層１０７の成長時における基板１の温度が８００℃以上１２５０℃以下である場合、特に９００℃以上１１５０℃以下である場合には、結晶欠陥の少ない結晶性に優れた窒化物半導体下地層１０７を成長させることができる。
【００３８】
窒化物半導体下地層１０７の厚さをできるだけ厚くすることによって、窒化物半導体下地層１０７中の欠陥は減少するが、窒化物半導体下地層１０７の厚さをある程度以上厚くしたとしても窒化物半導体下地層１０７における欠陥減少効果が飽和する。これにより、窒化物半導体下地層１０７の厚さは、１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましい。
【００３９】
［下部ｎ型窒化物半導体層］
下部ｎ型窒化物半導体層１０８としては、たとえば、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることができる。なかでも、下部ｎ型窒化物半導体層１０８としては、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１、好ましくは０≦ｘ２≦０．５、より好ましくは０≦ｘ２≦０．１）層にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることがより好ましい。
【００４０】
下部ｎ型窒化物半導体層１０８にドープされるｎ型ドーパントは特に限定されないが、たとえば、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂからなる群から選択された少なくとも１種などを用いることができる。なかでも、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉを用いることが好ましい。同様のことが、後述する層にも言える。下部ｎ型窒化物半導体層１０８のｎ型ドーパント濃度は、特に限定されないが、１×１０19個／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００４１】
下部ｎ型窒化物半導体層１０８の厚さはできるだけ厚い方が下部ｎ型窒化物半導体層１０８の抵抗は減少する。一方、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の厚さを厚くした場合には窒化物半導体発光素子の製造コストの上昇を招く。両者の兼ね合いから、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましいが、特に限定されない。
【００４２】
なお、後述する実施例では、ｎ型ＧａＮ層の成長を一旦中断させてから、同一のｎ型ＧａＮ層を再び成長させるという２つの成長工程によって、下部ｎ型窒化物半導体層１０８を形成している。しかしながら、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の構成は特に限定されない。
【００４３】
たとえば、下部ｎ型窒化物半導体層１０８は、単層であってもよく、２層以上の複数層であってもよい。下部ｎ型窒化物半導体層１０８が複数層である場合には、それぞれの層が同一の組成からなっていてもよく、少なくとも１層が異なる組成であってもよい。下部ｎ型窒化物半導体層１０８が複数層である場合には、それぞれの層が同一の厚さであってもよく、少なくとも１層が異なる厚さであってもよい。
【００４４】
［その他のｎ型窒化物半導体層］
下部ｎ型窒化物半導体層１０８以外のｎ型窒化物半導体層（ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９、低温ｎ型窒化物半導体層１１０、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２）は、単層であってもよく、組成および／またはドーパント濃度の異なる複数層であってもよい。
【００４５】
本実施の形態においては、下部ｎ型窒化物半導体層１０８以外のｎ型窒化物半導体層として、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９、低温ｎ型窒化物半導体層１１０、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２を用いているが、これらの層に限定されないことは言うまでもなく、これらの層を形成しなくてもよい。
【００４６】
ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９、低温ｎ型窒化物半導体層１１０、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２おける上記以外の説明は、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の説明と同様であるため、その説明についてはここでは省略する。
【００４７】
［多重量子井戸発光層］
図３に、実施の形態の窒化物半導体発光素子に用いられる多重量子井戸発光層１１４の一例のバンドギャップエネルギー図を示す。図３の縦軸は積層方向の厚さを示しており、上方向がｐ型窒化物半導体層に近い側を意味している。また、図３の横軸はバンドギャップエネルギーの大きさを示しており、右方向がバンドギャップエネルギーが大きいことを意味している。
【００４８】
図３に示すように、多重量子井戸発光層１１４は、ｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層１４２と、第３バリア層１４Ｕと、第１発光層１４１とを備えている。
【００４９】
第１発光層１４１は、複数の第１量子井戸層１４Ｗ（１４Ｗ１，１４Ｗ２，１４Ｗ３，１４Ｗ４，１４Ｗ５，１４Ｗ６）と、複数の第１バリア層１４Ａ（１４Ａ１，１４Ａ２，１４Ａ３，１４Ａ４，１４Ａ５）とを備えている。第１量子井戸層１４Ｗと第１バリア層１４Ａとは交互に積層されており、第１バリア層１４Ａは、それぞれ、複数の第１量子井戸層１４Ｗの間に挟まれている。
【００５０】
第２発光層１４２は、複数の第２量子井戸層１４Ｖ（１４Ｖ１，１４Ｖ２）と、複数の第２量子井戸層１４Ｖの間に設けられた第２バリア層１４Ｂ１とを備えている。
【００５１】
ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２の直上には、最初のバリア層１４ＡＺが設けられている。最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する第２の量子井戸層１４Ｖ１の直上には最後のバリア層１４Ａ０が設けられている。
【００５２】
なお、この説明において、各バリア層および各量子井戸層を識別するために、ｐ型窒化物半導体層１６からｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２に向かって番号を付し、たとえば、第１量子井戸層１４Ｗ１、第１バリア層１４Ａ１、第１量子井戸層１４Ｗ２、第１バリア層１４Ａ２、・・・や、第２量子井戸層１４Ｖ１、第２バリア層１４Ｂ１、第２量子井戸層１４Ｖ２、第２バリア層１４Ｂ２などと表記することとする。
【００５３】
一方、各バリア層および各量子井戸層は、特に個々を限定する場合を除き、総じて各々第１バリア層１４Ａ、第２バリア層１４Ｂおよび第１量子井戸層１４Ｗ、第２量子井戸層１４Ｖと表記することがある。また、本実施形態では、第２量子井戸層１４Ｖを２層と第２バリア層１４Ｂを１層とした例を挙げているが、第２量子井戸層１４Ｖを３層以上、第２バリア層１４Ｂを２層以上の構成とする事も可能である。
【００５４】
第１発光層１４１においては、第１バリア層１４Ａは、複数の第１量子井戸層１４Ｗの間に挟まれていれば、第１バリア層１４Ａと第１量子井戸層１４Ｗとの間に、第１バリア層１４Ａおよび第１量子井戸層１４Ｗとは異なる１層以上の半導体層が含まれていてもよい。また、第１発光層１４１の一周期（第１バリア層１４Ａの厚さと第１量子井戸層１４Ｗの厚さとの和）の長さは、たとえば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００５５】
第２発光層１４２においても同様に、第２バリア層１４Ｂは、複数の第２量子井戸層１４Ｖの間に挟まれていれば、第２バリア層１４Ｂと第２量子井戸層１４Ｖとの間に、第２バリア層１４Ｂおよび第２量子井戸層１４Ｖとは異なる１層以上の半導体層が含まれていてもよい。
【００５６】
第２発光層１４２の第２量子井戸層１４Ｖの厚さｔ2は、第１発光層１４１の第１量子井戸層１４Ｗの厚さｔ1よりも厚くされる。また、第２量子井戸層１４Ｖの厚さｔ2と第１量子井戸層１４Ｗの厚さｔ1との差は２．５ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。なお、各第２量子井戸層１４Ｖ１，１４Ｖ２は、異なる厚さで形成されていてもよいが、同じ厚さであることがより好ましい。第１量子井戸層１４Ｗの厚さｔ1と第２量子井戸層１４Ｖの厚さｔ2との差を極端に大きくした場合には、窒化物半導体発光素子の発光波長のずれが大きくなり好ましくない。
【００５７】
本発明者らは、第２量子井戸層１４Ｖの厚さを第１量子井戸層１４Ｗよりも厚くした場合には、高温動作時（大電流密度での駆動時）における窒化物半導体発光素子の発光効率が向上することを見い出した。この作用の詳細な原理は明らかではないが、以下のように推測される。
【００５８】
図４に、室温（２５℃）の場合と高温（８０℃）の場合との第２量子井戸層１４Ｖにおけるホールの注入状態を模式的に説明する図面である。すなわち、第２量子井戸層１４Ｖの厚さを第１量子井戸層１４Ｗよりも厚くした場合には、室温（２５℃）程度においては、ホールのほとんどは、量子井戸層全体の上部１〜２層にしか入らず、特に第２量子井戸層１４Ｖのうち、ｐ型窒化物半導体層１６に近い第２量子井戸層１４Ｖ１の厚さを厚くすると、ホールが沢山存在する領域の面積を広げることになるため、結果として発光体積が上がることになる。しかしながら、同様に第２量子井戸層１４Ｖ２を厚くしても期待する程の効果が得られなかった。これは、ホールの大部分が１層目の量子井戸層で発光に寄与しているためと思料される。また、２層目を厚くすることによって、却ってそれよりも上の層の結晶性を悪化させていることも考えられる。
【００５９】
しかしながら、８０℃以上の高温領域（たとえば、大電流密度での駆動時）においては、第２量子井戸層１４Ｖのうちｐ型窒化物半導体層１６に近い第２量子井戸層１４Ｖ１だけでなく、２層目（第２量子井戸層１４Ｖ２）以降にもホールが注入されるため、第２量子井戸層１４Ｖ１のみ厚い場合よりもキャリアとして働くホールの低下が少なくなり、光出力が改善され、温度特性が向上する。
【００６０】
第２発光層１４２の第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4は、第３バリア層１４Ｕの厚さｔ3よりも薄いことが好ましく、第３バリア層１４Ｕの厚さｔ3と第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4との差は２ｎｍ以下であることがより好ましい。第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4は薄ければ薄い程、窒化物半導体発光素子の光出力が上昇する傾向にある。特に、室温における駆動を考えると、第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4を薄くすることにより、ホールがキャリアとして働く割合が高くなる。しかしながら、第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4をを極端に薄くした場合には、第２バリア層１４Ｂの上に積層される第２量子井戸層１４Ｖの結晶性が悪くなり、また、温度特性も悪くなる傾向にあるため、第３バリア層１４Ｕの厚さｔ3と第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4との差を２ｎｍ以下とすることが好ましい。また、結晶性を考慮すると、第２量子井戸層１４Ｖは、２層とすることがより好ましい。また、第３バリア層１４Ｕの厚さｔ3は、第１バリア層１４Ａの厚さｔ1と同一の厚さで形成されることが好ましい。
【００６１】
複数の第２量子井戸層１４Ｖ１，１４Ｖ２は、第１量子井戸層１４Ｗよりもバンドギャップエネルギーが大きいことが好ましい（図４の（i））。第１量子井戸層１４Ｗと複数の第２量子井戸層１４Ｖ１，１４Ｖ２とのバンドギャップエネルギーを調整せずに、上述のように、第２量子井戸層１４Ｖを第１量子井戸層１４Ｗよりも厚く形成した場合には、窒化物半導体発光素子の発光波長領域の短波長側に、第２量子井戸層１４Ｖに起因する二次ピークが出現するため、窒化物半導体発光素子の発光ピークの半値幅が大きくなり、所望の発光波長からずれることがある。一方、第２量子井戸層１４Ｖのバンドギャップエネルギーを第１量子井戸層１４Ｗよりも大きくし、第２量子井戸層１４Ｖの発光波長を第１量子井戸層１４Ｗに合わせ込むことで、窒化物半導体発光素子の発光ピークの半値幅を狭くすることができ、窒化物半導体発光素子の発光波長を所望の値に合わせることができる。
【００６２】
また、複数の第２量子井戸層１４Ｖ１，１４Ｖ２においては、ｐ型窒化物半導体層１６に近い側の第２量子井戸層１４Ｖ１の方がｐ型窒化物半導体層１６から遠い側の第２量子井戸層１４Ｖ２よりもバンドギャップエネルギーが小さいことが好ましい（図４の（ii））。このように、ｐ型窒化物半導体層１６に近い第２量子井戸層１４Ｖ１の方がより多くのホールを保持できる構成とすることで、実際のホールの分布に合わせ込むことができるため、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。
【００６３】
また、第２バリア層１４Ｂの厚さｔ4を薄くすることにより、見かけ上、第２量子井戸層１４Ｖの厚さｔ2を厚くすることができ、その結果、第２量子井戸層１４Ｖに起因する二次ピークを長波長側にシフトさせることができる（図４の（iii））。上述の各層のバンドギャップエネルギーの調整と組み合わせることにより、窒化物半導体発光素子の発光波長を所望の最適値に合わせ込むことができる。
【００６４】
上述のように、バンドギャップエネルギーを調整して窒化物半導体発光素子の発光ピーク波長を所望の値に合わせ込むには、第１量子井戸層１４Ｗおよび第２量子井戸層１４Ｖの組成を窒化物半導体発光素子に求められる発光ピーク波長に合わせてやればよい。
【００６５】
第１量子井戸層１４Ｗとしては、それぞれ独立に、たとえば、Ａｌc1Ｇａd1Ｉｎ(1-c1-d1)Ｎ（０≦ｃ１＜１、０＜ｄ１≦１）の式で表わされる窒化物半導体層を用いることができる。第２量子井戸層１４Ｖとしては、それぞれ独立に、たとえば、Ａｌc2Ｇａd2Ｉｎ(1-c2-d2)Ｎ（０≦ｃ２＜１、０＜ｄ２≦１）の式で表わされる窒化物半導体層を用いることができる。
【００６６】
なかでも、第１量子井戸層１４Ｗは、Ａｌを含まないＩｎe1Ｇａ(1-e1)Ｎ（０＜ｅ１≦１）であって、第２量子井戸層１４Ｖは、Ａｌを含まないＩｎe2Ｇａ(1-e2)Ｎ（０＜ｅ２≦１、ｅ１＞ｅ２）であることが好ましい。Ｉｎの組成を変えてやることにより、第１量子井戸層１４Ｗおよび第２量子井戸層１４Ｖのバンドギャップエネルギーを調整することが可能になる。波長が３７５ｎｍ以下の紫外光を発光させる場合には、多重量子井戸発光層１１４のバンドギャップエネルギーを大きくする必要があるため、各第１量子井戸層１４Ｗおよび各第２量子井戸層１４Ｖは、Ａｌを含むことになる。
【００６７】
各第１量子井戸層１４ＷのＩｎ組成比を、各第２量子井戸層１４ＶのＩｎ組成比よりも大きくすることが好ましい。さらに、ｐ型窒化物半導体層１６に近い側の第２量子井戸層１４Ｖ１の方が、ｐ型窒化物半導体層１６から遠い側の第２量子井戸層１４Ｖ２よりもＩｎ組成比が大きいことが好ましい。この場合には、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。
【００６８】
第２量子井戸層１４Ｖをｐ型窒化物半導体層１６に近い側から第２量子井戸層１４Ｖ１と第２量子井戸層１４Ｖ２とをこの順に配置した２層構造とした場合には、第２量子井戸層１４Ｖ１のＩｎ組成比を第２量子井戸層１４Ｖ２のＩｎ組成比よりも大きくする。これにより、ｐ型窒化物半導体層１６に近い側の第２量子井戸層１４Ｖ１の方がより多くのホールを保持できる構成とすることで、実際のホールの分布に合わせ込むことができるため大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。なお、具体的なＩｎ組成比の調整方法としてはいくつかの手法が考えられるがたとえば各量子井戸層の形成時の温度を調整する方法が考えられる。
【００６９】
Ｉｎの組成を調整することにより、第２量子井戸層１４Ｖのバンドギャップエネルギーを第１量子井戸層１４Ｗよりも大きくすることができるため、第２量子井戸層１４Ｖの発光波長を第１量子井戸層１４Ｗに合わせ込むことで、窒化物半導体発光素子の発光ピークの半値幅を狭くすることができ、窒化物半導体発光素子の発光波長を所望の値に合わせこむことができる。さらに、ｐ型窒化物半導体層１６に近い側の第２量子井戸層１４Ｖ１の方が第２量子井戸層１４Ｖ２よりもＩｎ組成を大きくすることによって、ｐ型窒化物半導体層１６に近い側の第２量子井戸層１４Ｖ１の方がバンドギャップエネルギーが小さくなり、ｐ型窒化物半導体層１６に近い側の第２量子井戸層１４Ｖの方がより多くのホールを保持できる構成となるため、実際のホールの分布に合わせこむことができる。
【００７０】
複数の第１量子井戸層１４Ｗのうち、ｐ型窒化物半導体層１６側に位置する第１量子井戸層１４Ｗはドーパントを極力含まないことが好ましい。すなわち、ドーパント原料を導入することなく、ｐ型窒化物半導体層１６側に位置する第１量子井戸層１４Ｗを成長させることが好ましい。これにより、各第１量子井戸層１４Ｗにおける非発光再結合が起こりにくくなるため、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。
【００７１】
複数の第１量子井戸層１４Ｗのうち、基板１０１側に位置する第１量子井戸層１４Ｗはｎ型ドーパントを含んでいてもよい。これにより、窒化物半導体発光素子の駆動電圧が低下する傾向にある。
【００７２】
各第１量子井戸層１４Ｗの厚さは特に限定されないが、それぞれ同じであることが好ましい。各第１量子井戸層１４Ｗの厚さが同一である場合には、各第１量子井戸層１４Ｗの量子準位も同一になり、各第１量子井戸層１４Ｗにおける電子とホールとの再結合により各第１量子井戸層１４Ｗにおいて同じ波長の光が生じる。これにより、窒化物半導体発光素子の発光スペクトル幅が狭くなるため好ましい。
【００７３】
一方、各第１量子井戸層１４Ｗの組成および／または厚さを意図的に異ならせた場合には、窒化物半導体発光素子の発光スペクトル幅をブロードにすることができる。窒化物半導体発光素子を照明などの用途に使用する場合、各第１量子井戸層１４Ｗの組成および／または厚さを意図的に異ならせることが好ましい。各第１量子井戸層１４Ｗの厚さは１ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。各第１量子井戸層１４Ｗの厚さが１ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲内にある場合には、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。
【００７４】
第１バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ５）、第２バリア層１４Ｂ１、第３バリア層１４Ｕ、最初のバリア層１４ＡＺおよび最後のバリア層１４Ａ０は、それぞれ、各第１量子井戸層１４Ｗおよび各第２量子井戸層１４Ｖを構成する窒化物半導体材料よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体材料を用いる方が好ましい。
【００７５】
第１バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ５）、第２バリア層１４Ｂ１、第３バリア層１４Ｕ、最初のバリア層１４ＡＺおよび最後のバリア層１４Ａ０としては、それぞれ独立に、ＡｌfＧａgＩｎ(1-f-g)Ｎ（０≦ｆ＜１、０＜ｇ≦１）の式で表わされる窒化物半導体層を用いることが好ましく、Ａｌを含まないＩｎhＧａ(1-h)Ｎ（０＜ｈ≦１、ｅ１＞ｅ２＞ｈ）の式で表わされる窒化物半導体層を用いることがより好ましい。
【００７６】
各第１バリア層１４Ａの厚さは特に限定されないが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以上７ｎｍ以下であることがより好ましい。各第１バリア層１４Ａの厚さが薄いほど駆動電圧が低下するが、各第１バリア層１４Ａの厚さを極端に薄くすると、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率が低下する傾向にある。最初のバリア層１４ＡＺの厚さは、特に限定されず、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。最後のバリア層１４Ａ０の厚さは、特に限定されないが、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７７】
第１バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ５）、第２バリア層１４Ｂ１、第３バリア層１４Ｕおよび最初のバリア層１４ＡＺにおけるｎ型ドーパント濃度は特に限定されず、必要に応じて適宜設定されることが好ましい。また、複数の第１バリア層１４Ａのうち、基板１０１側に位置する第１バリア層１４Ａにはｎ型ドーパントをドープさせ、ｐ型窒化物半導体層１６側に位置する第１バリア層１４Ａ、第２バリア層１４Ｂ１および第３バリア層１４Ｕには基板１０１側に位置する第１バリア層１４Ａよりも低い濃度のｎ型ドーパントをドープさせる、またはｎ型ドーパントをドープさせないことが好ましい。
【００７８】
各第１バリア層１４Ａ、第２バリア層１４Ｂ１、第３バリア層１４Ｕ、最初のバリア層１４ＡＺおよび最後のバリア層１４Ａ０には、ｎ型ドーパントを意図的にドープさせることがある。また、各第１バリア層１４Ａ、第２バリア層１４Ｂ１、第３バリア層１４Ｕ、最初のバリア層１４ＡＺおよび最後のバリア層１４Ａ０には、ｐ型窒化物半導体層１６、ｐ型窒化物半導体層１７およびｐ型窒化物半導体層１８の成長時の熱拡散によりｐ型ドーパントがドープされることがある。
【００７９】
第１量子井戸層１４Ｗの層数は特に限定されないが、２層以上２０層以下であることが好ましく、３層以上１５層以下であることがより好ましく、４層以上１２層以下であることがさらに好ましい。
【００８０】
［ｐ型窒化物半導体層］
ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８としては、それぞれ独立に、たとえばＡｌs4Ｇａt4Ｉｎu4Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層にｐ型ドーパントがドープされた層を用いることが好ましく、Ａｌs4Ｇａ(1-s4)Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型ドーパントがドープされた層を用いることがより好ましい。
【００８１】
ｐ型ドーパントとしては、特に限定されないが、たとえばマグネシウムを用いることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８におけるキャリア濃度は１×１０17個／ｃｍ3以上であることが好ましい。ｐ型ドーパントの活性率は、０．０１程度であることから、ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８におけるｐ型ドーパント濃度（キャリア濃度とは異なる）は１×１０19個／ｃｍ3以上であることが好ましい。ただし、ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８のうち、多重量子井戸発光層１１４側に位置するｐ型窒化物半導体層１１６におけるｐ型ドーパント濃度は１×１０19個／ｃｍ3未満であることが好ましい。
【００８２】
ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８の合計の厚さは、特に限定されないが、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８の合計の厚さを薄くすることにより、ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８の成長時における加熱時間を短くすることができる。これにより、ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８におけるｐ型ドーパントの拡散を抑制することができる。
【００８３】
［ｎ電極、透明電極、ｐ電極］
ｎ電極１２４およびｐ電極１２５は、窒化物半導体発光素子に駆動電力を供給するための電極である。図２に示すように、ｎ電極１２４およびｐ電極１２５は、パッド電極部分のみで構成されているが、たとえば電流拡散を目的とする細長い突出部（枝電極）などがｎ電極１２４および／またはｐ電極１２５に接続されていてもよい。
【００８４】
また、ｐ電極１２５よりも下に、電流がｐ電極１２５に注入されることを防止するための絶縁層が設けられていることが好ましい。これにより、ｐ電極１２５に遮蔽される発光量が減少する。
【００８５】
ｎ電極１２４は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましい。ｎ電極１２４に、ワイヤボンディングを行なう場合を想定すると、ｎ電極１２４の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【００８６】
ｐ電極１２５は、たとえば、ニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましく、ｎ電極１２４と同一の材料から構成されていてもよい。ｐ電極１２５にワイヤボンディングを行なう場合を想定すると、ｐ電極１２５の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【００８７】
透明電極層１２３は、たとえば、ＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）またはＩＺＯ（Indium  Zinc  Oxide）などの透明導電膜からなることが好ましく、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有していることが好ましい。
【００８８】
［キャリア濃度とドーパント濃度について］
キャリア濃度は電子またはホールの濃度を意味し、ｎ型ドーパントの量またはｐ型ドーパントの量だけでは決定されない。このようなキャリア濃度は窒化物半導体発光素子の電圧対容量特性の結果に基づいて算出されるものであり、電流が注入されていない状態のキャリア濃度のことを指しており、イオン化した不純物、ドナー化した結晶欠陥およびアクセプター化した結晶欠陥から発生したキャリアの合計である。
【００８９】
しかしながら、ｎ型キャリア濃度は、ｎ型ドーパントであるＳｉ等の活性化率が高いことから、ｎ型ドーパント濃度とほぼ同じと考えることができる。また、ｎ型ドーパント濃度はＳＩＭＳ（Secondary  Ion  Mass  Spectroscopy：二次イオン質量分析計）にて深さ方向の濃度分布を測定することにより容易に求めることができる。さらに、ドーパント濃度の相対関係（比率）は、キャリア濃度の相対関係（比率）とほぼ同じである。これらのことから、本発明の課題を解決するための手段としては、実際に測定の容易なドーパント濃度で定義している。そして、測定により得られたｎ型ドーパント濃度を厚さ方向に平均すれば、平均ｎ型ドーパント濃度を得ることができる。
【００９０】
［窒化物半導体発光素子の製造方法］
以下に、実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。まず、たとえばスパッタ法などにより、基板１０１の上にバッファ層１０２を形成する。
【００９１】
次に、たとえばＭＯＣＶＤ法などにより、バッファ層１０２上に、窒化物半導体下地層１０７、下部ｎ型窒化物半導体層１０８、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９、低温ｎ型窒化物半導体層１１０、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２、多重量子井戸発光層１１４、ｐ型窒化物半導体層１１６、ｐ型窒化物半導体層１１７およびｐ型窒化物半導体層１１８をこの順に形成する。
【００９２】
次に、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の表面の一部が露出するように、ｐ型窒化物半導体層１１８、ｐ型窒化物半導体層１１７、ｐ型窒化物半導体層１１６、多重量子井戸発光層１１４、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１、低温ｎ型窒化物半導体層１１０、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９および下部ｎ型窒化物半導体層１０８のそれぞれの一部をエッチングにより除去する。
【００９３】
当該エッチングにより露出させた下部ｎ型窒化物半導体層１０８の表面にｎ電極１２４を形成する。また、ｐ型窒化物半導体層１１８の上面に、透明電極層１２３とｐ電極１２５とをこの順に積層する。
【００９４】
その後、透明電極層１２３およびエッチングによって露出した各層の側面を覆うように、透明絶縁保護膜１２７を形成する。これにより、図１に示す構成の実施の形態の窒化物半導体発光素子が得られる。
【実施例】
【００９５】
続いて、実施形態の窒化物半導体発光素子のより具体的な実施例について説明する。なお、実施形態の窒化物半導体発光素子の構成は以下に示す実施例の窒化物半導体発光素子の構成に限定されない。【００９６】
［製造工程］
まず、図１に示すように、凸部１０１ａおよび凹部１０１ｂからなる凹凸加工が上面に施された１００ｍｍ径のサファイア基板である基板１０１を準備した。凸部１０１ａの形状は、平面視において略円形を為し、隣り合う３個の凸部１０１ａが平面視において略正三角形の頂点に位置するように配置されている。隣り合う凸部１０１ａの頂点の間隔は２μｍである。【００９７】
また、凸部１０１ａの平面視における略円形の直径は１．２μｍ程度であり、凸部１０１ａの高さは０．６μｍ程度であった。さらに、基板１０１の上面の凸部１０１ａおよび凹部１０１ｂは、図１に示す断面を有しており、凸部１０１ａは先端部を有していた。【００９８】
次に、凸部１０１ａおよび凹部１０１ｂの形成後の基板１０１の上面に対してＲＣＡ洗浄を行なった。そして、チャンバにＲＣＡ洗浄後の基板１０１を設置してＮ2とＯ2とＡｒとを導入し、基板１０１を６５０℃に加熱した。【００９９】
次に、Ｎ2とＯ2とＡｒとの混合雰囲気において、Ａｌターゲットをスパッタする反応性スパッタ法により、凸部１０１ａおよび凹部１０１ｂを有する基板１０１の表面上に、基板１０１の表面の法線方向に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるＡｌＯＮ結晶からなる厚さ２５ｎｍのバッファ層１０２を形成した。【０１００】
次に、バッファ層１０２が形成された基板１０１を第１のＭＯＣＶＤ装置内に収容した。そして、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層１０２上に、アンドープＧａＮからなる窒化物半導体下地層１０７を成長させ、引き続いてＳｉドープｎ型ＧａＮからなる下部ｎ型窒化物半導体層１０８を窒化物半導体下地層１０７の上面上に成長させた。このとき、窒化物半導体下地層１０７の厚さを４μｍとし、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の厚さを３μｍとし、下部ｎ型窒化物半導体層１０８におけるｎ型ドーパント濃度を１×１０19個／ｃｍ3とした。【０１０１】
なお、窒化物半導体下地層１０７の厚さをできるだけ厚くすることによって、窒化物半導体下地層１０７中の欠陥は減少するが、窒化物半導体下地層１０７の厚さをある程度以上厚くしたとしても窒化物半導体下地層１０７における欠陥減少効果が飽和した。これにより、窒化物半導体下地層１０７の厚さは、１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましいことがわかった。【０１０２】
次に、第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出した基板１０１を第２のＭＯＣＶＤ装置内に収容した。基板１０１の温度を１０８１℃（第１の成長温度）に設定して、下部ｎ型窒化物半導体層１０８を窒化物半導体下地層１０７上に成長させた。下部ｎ型窒化物半導体層１０８は、ｎ型ドーパント濃度が１×１０19個／ｃｍ3であるｎ型ＧａＮ層であり、その厚さが１．５μｍである。【０１０３】
次に、基板１０１の温度を１０８１℃（第１の成長温度）に保持した状態で、下部ｎ型窒化物半導体層１０８上に厚さ５０ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層（ｎ型ドーパント濃度：１×１０19個／ｃｍ3）、厚さ８７ｎｍのアンドープＧａＮからなる窒化物半導体層、厚さ５０ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層（ｎ型ドーパント濃度：１×１０19個／ｃｍ3）、および厚さ８７ｎｍのアンドープＧａＮからなる窒化物半導体層をこの順にＭＯＣＶＤ法により結晶成長して、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９を積層した。【０１０４】
次に、基板１０１の温度を８０１℃（第２の成長温度）に設定して、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９上に低温ｎ型窒化物半導体層１１０を成長させた。具体的には、ｎ型ドーパント濃度が１×１０19個／ｃｍ3になるように、厚さ２５ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を成長させた。【０１０５】
次に、基板１０１の温度を８０１℃（第３の成長温度）に保持した状態で、低温ｎ型窒化物半導体層１１０上にｎ型窒化物半導体多層構造体１２１を成長させた。具体的には、厚さ７ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層、厚さ３０ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層、厚さ７ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層、および厚さ２０ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層を交互に２層ずつ積層してｎ型窒化物半導体多層構造体１２１を成長させた。ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１におけるｎ型ドーパント濃度をいずれの層においても７×１０17個／ｃｍ3とした。また、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を、次に成長させるｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２を構成するナローバンドギャップ層のＩｎ組成比と同じとした。【０１０６】
次に、基板１０１の温度を８０１℃（第４の成長温度）に保持した状態で、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１上にｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２を成長させた。具体的には、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層からなるワイドバンドギャップ層と、Ｓｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層からなるナローバンドギャップ層とを交互に２０周期成長させた。各ワイドバンドギャップ層の厚さは２．０５ｎｍであった。また、各ナローバンドギャップ層の厚さは２．０５ｎｍであった。【０１０７】
各ワイドバンドギャップ層におけるｎ型ドーパント濃度は、多重量子井戸発光層１１４側に位置するワイドバンドギャップ層の５層が１×１０19個／ｃｍ3であり、それよりも基板１０１側に位置するワイドバンドギャップ層が０個／ｃｍ3（アンドープ）であった。【０１０８】
また、フォトルミネッセンスにより発する光の波長が３７５ｎｍとなるようにＴＭＩ（トリメチルインジウム）の流量を調整したため、各ナローバンドギャップ層の組成はＩｎyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０４）であった。【０１０９】
次に、基板１０１の温度を６７２℃に下げて、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２上に多重量子井戸発光層１１４を成長させた。具体的には、図３に示すように、ＩｎＧａＮからなる第１バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ５）とＩｎＧａＮからなる第１量子井戸層１４Ｗ（１４Ｗ１〜１４Ｗ６）とを１層ずつ交互に成長させた後、ＩｎＧａＮからなる第３バリア層１４Ｕを成長させ、さらに基板１０１の温度を６７８℃に上げた後にＩｎＧａＮからなる第２量子井戸層１４Ｖ１とＩｎＧａＮからなる第２バリア層１４Ｂ１とを１層ずつ交互に成長させ、さらに基板１０１の温度を６７７℃に下げた後にＩｎＧａＮからなる第２量子井戸層１４Ｖ２を成長させた。各第１バリア層１４Ａ、第３バリア層１４Ｕおよび第２バリア層１４Ｂの厚さは４．５２ｎｍであった。最初のバリア層１４ＡＺおよび第１バリア層１４Ａ５，１４Ａ４におけるｎ型ドーパント濃度は４．３×１０18個／ｃｍ3であり、その他の第１バリア層１４Ａ３、第１バリア１４Ａ２、第１バリア１４Ａ１、第３バリア層１４Ｕおよび第２バリア層１４Ｂはアンドープとした。【０１１０】
また、第２バリア層１４Ｂの厚さを第１バリア層１４Ａおよび／または第３バリア層１４Ｕよりも薄く形成した場合には、大電流密度での駆動時における光出力（Ｐｏ）を向上することができる。この場合の第２バリア層１４Ｂ１の厚さｔ4は、０＜ｔ4＜４．５２ｎｍであることが好ましく、３ｎｍ≦ｔ4＜４．５２ｎｍであることがより好ましい。第２バリア層１４Ｂ１の厚さｔ4が３ｎｍより薄くなると、結晶回復層としての機能が不十分となり、次に積層する第２量子井戸層１４Ｖ１の結晶性が低下するため、大電流密度での駆動時において所望の光出力（Ｐｏ）が得られなくなるおそれがある。【０１１１】
また、第１バリア層１４Ａ１にのみ、ｎ型ドーパントを４×１０17個／ｃｍ3以上４×１０18個／ｃｍ3以下ドープすると、窒化物半導体発光素子の温度特性の劣化を抑えることができるため、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の光出力（Ｐｏ）を向上することができる。【０１１２】
なお、最初のバリア層１４ＡＺの厚さは、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２のうち最も多重量子井戸発光層１１４側に位置するナローバンドギャップ層を形成する目的で、またｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２に含まれないワイドバンドギャップ層の作用を最初のバリア層１４ＡＺに持たせる目的で、第１バリア層１４Ａ５の厚さよりも厚くしてもよい（たとえば厚さ５．５２ｎｍ）。【０１１３】
また、最初のバリア層１４ＡＺにおけるｎ型ドーパント濃度を、最初のバリア層１４ＡＺの下部（最初のバリア層１４ＡＺの下面から２．０５ｎｍ以上離れた領域）においては１×１０19個／ｃｍ3とし、最初のバリア層１４Ａｚの上部（最初のバリア層１４Ａｚの下部以外の部分）においては４．３×１０18個／ｃｍ3としてもよい。【０１１４】
また、第１バリア層１４Ａ４の下部（たとえば第１バリア層１４Ａ４の下面から３．５ｎｍ離れた領域）にのみｎ型ドーパントをドープし、第１バリア層１４Ａ４の上部（第１バリア層１４Ａ４の下部以外の部分）をアンドープとしてもよい。このように、第１バリア層１４Ａ４の上部をアンドープとすることにより、第１量子井戸層１４Ｗ４の注入キャリアがｎ型にドープされたバリア層部分と直接接することを防止することができる。【０１１５】
第１量子井戸層１４Ｗとしてはキャリアガスとして窒素ガスを用いて、アンドープＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．２０）を成長させた。各第１量子井戸層１４Ｗの厚さは３．３８ｎｍとした。また、第１量子井戸層１４Ｗがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４８ｎｍとなるように、ＴＭＩの流量を調整して、第１量子井戸層１４ＷにおけるＩｎの組成ｘを設定した。各第２量子井戸層１４Ｖの厚さは４．２４ｎｍとした。第２量子井戸層１４Ｖの厚さを第１量子井戸層１４Ｗよりも厚くすることによって、室温（２５℃）環境下における光出力（Ｐｏ）が向上することを見出した。理論上、第２量子井戸層１４Ｖの厚さを１０〜１５ｎｍ程度の非常に厚い厚さとした場合でも、光出力（Ｐｏ）の向上効果が得られるはずであるが、実際は第２量子井戸層１４Ｖの厚さを５．６ｎｍ以上にすると、室温（２５℃）環境下における光出力（Ｐｏ）の向上効果は得られなかった。【０１１６】
さらに、第２量子井戸層１４Ｖとして、第２量子井戸層１４Ｖ１および第２量子井戸層１４Ｖ２の厚さは各々４．０ｎｍとした。この場合、高温（８０℃）環境下（大電流密度での駆動時）における光出力（Ｐｏ）がより向上することを見い出した。【０１１７】
また、第１量子井戸層１４Ｗが、フォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４８ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して、第１量子井戸層１４ＷにおけるＩｎ組成比を設定した。第２量子井戸層１４Ｖ１およびＶ２の各々のＩｎ組成比は、上述のように、基板１０１の温度を調整することにより、最適値に調整した。【０１１８】
次に、最上層の第１量子井戸層１４Ｗ１の上に、アンドープのＧａＮ層からなる最後のバリア層１４Ａ０（厚さ１０ｎｍ）を成長させた。【０１１９】
次に、基板１０１の温度を１０００℃に上げて、最後のバリア層１４Ａ０の上面上に、ｐ型窒化物半導体層１１６，１１７，１１８として、それぞれ、ｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層、ｐ型ＧａＮ層およびｐ型コンタクト層を成長させた。【０１２０】
なお、上述の各層のＭＯＣＶＤ成長において、Ｇａの原料ガスとしてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、Ａｌの原料ガスとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用い、Ｉｎの原料ガスとしてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、Ｎの原料ガスとしてはＮＨ3を用いた。また、ｎ型ドーパントであるＳｉの原料ガスとしてはＳｉＨ4を用い、ｐ型ドーパントであるＭｇの原料ガスとしてはＣｐ2Ｍｇを用いた。【０１２１】
しかし、原料ガスは上記ガスに限定されず、ＭＯＣＶＤ用原料ガスとして用いられるガスであれば限定されることなく用いることができる。具体的には、Ｇａの原料ガスとしてＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いることができ、Ａｌの原料ガスとしてＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）を用いることができ、Ｉｎの原料ガスとしてＴＥＩ（トリエチルインジウム）を用いることができ、Ｎの原料ガスとしてＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などの有機窒素化合物を用いることができ、Ｓｉの原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6または有機Ｓｉなどを用いることができる。【０１２２】
そして、下部ｎ型窒化物半導体層１０８の表面の一部が露出するように、ｐ型コンタクト層（ｐ型窒化物半導体層１１８）、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層１１７）、ｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層１１６）、多重量子井戸発光層１１４、ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）１２２、ｎ型窒化物半導体多層構造体１２１、低温ｎ型窒化物半導体層１１０およびｎ型窒化物半導体変調ドープ層１０９の各一部をエッチングした。このエッチングにより露出した下部ｎ型窒化物半導体層１０８の上面上にＡｕからなるｎ電極１２４を形成した。また、ｐ型コンタクト層１１８の上面上に、ＩＴＯからなる透明電極層１２３とＡｕからなるｐ電極１２５とを順に形成した。また、主として透明電極層１２３および上記エッチングによって露出した各層の側面を覆うように、ＳｉＯ2からなる透明絶縁保護膜１２７を形成した。【０１２３】
次に、基板１０１を６２０×６８０μｍサイズのチップに分割した。これにより、実施例の窒化物半導体発光素子が得られた。【０１２４】
また、各第１量子井戸層１４Ｗの厚さを３．３８ｎｍとし、各第２量子井戸層１４Ｖ１の厚さを３．３８ｎｍとしたこと以外は実施例の窒化物半導体発光素子と同様にして、比較例の窒化物半導体発光素子を作製した。【０１２５】
そして、実施例の窒化物半導体発光素子と、比較例の窒化物半導体発光素子とにそれぞれ電流密度が１２０ｍＡ／ｃｍ2という大電流密度で駆動させた結果、実施例の窒化物半導体発光素子の発光効率は、比較例の窒化物半導体発光素子の発光効率と比較して、数％〜１０％改善された。【０１２６】
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層とを備え、多重量子井戸発光層はｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層と、第３バリア層と、第１発光層とを備え、第１発光層は、複数の第１量子井戸層と、複数の第１量子井戸層の間に設けられた第１バリア層とを備え、第２発光層は、複数の第２量子井戸層と、複数の第２量子井戸層の間に設けられた第２バリア層とを備え、第２量子井戸層は第１量子井戸層よりも厚い窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、大電流密度での駆動時における発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。また、第２量子井戸層の層数は、２層とすることが好ましく、この場合には、大電流密度での駆動時における発光効率をより向上させることができる。【０１２７】
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子において、第２バリア層は、第１バリア層および第３バリア層の少なくとも一方よりも薄いことが好ましい。さらに、第３バリア層は、第１バリア層と同一の厚さとすることがより好ましい。このような構成とすることにより、窒化物半導体発光素子の光出力を上昇させることができる。【０１２８】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第２量子井戸層は、第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、窒化物半導体発光素子の発光ピークの半値幅を狭くすることができ、窒化物半導体発光素子の発光波長を所望の値に合わせることができる。【０１２９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の第２量子井戸層において、ｐ型窒化物半導体層に近い方がバンドギャップエネルギーが小さいことが好ましい。このような構成とすることにより、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。【０１３０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１量子井戸層は、Ａｌc1Ｇａd1Ｉｎ(1-c1-d1)Ｎ（０≦ｃ１＜１、０＜ｄ１≦１）からなり、第２量子井戸層は、Ａｌc2Ｇａd2Ｉｎ(1-c2-d2)Ｎ（０≦ｃ２＜１、０＜ｄ２≦１）からなり、第１量子井戸層のＩｎ組成比は第２量子井戸層のＩｎ組成比よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。【０１３１】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の第２量子井戸層において、ｐ型窒化物半導体層に近い方がＩｎ組成比が大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、大電流密度での駆動時における窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。【０１３２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、窒化物半導体発光素子に利用することができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１４Ｗ，１４Ｗ１，１４Ｗ２，１４Ｗ３，１４Ｗ４，１４Ｗ５，１４Ｗ６  第１量子井戸層、１４Ａ，１４Ａ１，１４Ａ２，１４Ａ３，１４Ａ４，１４Ａ５  第１バリア層、１４Ｖ，１４Ｖ１，１４Ｖ２  第２量子井戸層、１４Ｂ１  第２バリア層、１４ＡＺ  最初のバリア層、１４Ａ０  最後のバリア層、１４Ｕ  第３バリア層、１０１  基板、１０１ａ  凸部、１０１ｂ  凹部、１０２  バッファ層、１０７  窒化物半導体下地層、１０８  下部ｎ型窒化物半導体層、１０９  ｎ型窒化物半導体変調ドープ層、１１０  低温ｎ型窒化物半導体層、１１４  多重量子井戸発光層、１１６，１１７，１１８  ｐ型窒化物半導体層、１２１  ｎ型窒化物半導体多層構造体、１２２  ｎ型窒化物半導体中間層（超格子層）、１２３  透明電極層、１２４  ｎ電極、１２５  ｐ電極、１２７  透明絶縁保護膜、１４１  第１発光層、１４２  第２発光層。
【図１】
2014061692.tif 000003
【図２】
2014061692.tif 000004
【図３】
2014061692.tif 000005
【図４】
2014061692.tif 000006
【国際調査報告】
2014061692.tif 000007
2014061692.tif 000008
2014061692.tif 000009
2014061692.tif 000010