(57)【要約】  窒化物半導体発光素子１は基板３と、基板３上に設けたバッファ層５と、バッファ層５上に設けた下地層７と、下地層７上に設けたｎ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体層上に設けたＭＱＷ発光層１４と、ＭＱＷ発光層１４上に設けたｐ側窒化物半導体層と、を備え、窒化物半導体発光素子１を構成する各層の結晶面である（００４）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下、または（１０２）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下であり、同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上である。
2013187171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられた下地層と、
前記下地層上に設けられたｎ側窒化物半導体層と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体発光素子であって、
窒化物半導体発光素子を構成する各層の結晶面である（００４）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下、または（１０２）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下であり、同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
電流密度が２０Ａ／ｃｍ２以上の大電流領域で駆動させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記バッファ層は、ＡｌＮまたはＡｌＯＮからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板は、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを前記バッファ層が設けられる表面に有し、
前記バッファ層上に設けられた前記下地層は、前記基板の前記凹部上に形成され斜めファセット面を備えた第１の下地層と、前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように形成された第２の下地層とを備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸からなるとともに、アンドープバリア層或いはｎ型ドーパントが２×１０１７ｃｍ−３以下ドープされたライトドープバリア層を４層以上備え、
同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記バリア層は、厚さが３ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ側窒化物半導体層は、前記発光層の下に中間層を備えるとともに、前記中間層の下に多層構造体を備え、
前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなり、
前記多層構造体は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層と、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ型窒化物半導体変調ドープ層とを備え、
前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層は、少なくとも前記下部ｎ型窒化物半導体層よりもｎ型ドーパント濃度の低い窒化物半導体層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に前記下部ｎ型窒化物半導体層より５０℃〜４００℃低温で成長する低温ｎ型窒化物半導体層とを備え、
前記低温ｎ型窒化物半導体層は、前記ｎ型窒化物半導体層よりも１．１倍以上ｎ型ドーパント濃度が高いことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記発光層の下に中間層を備え、
前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなる超格子層であって、
前記中間層は、前記発光層側に位置する少なくとも２層の窒化物半導体層がｎ型半導体層からなり、そのｎ型半導体層よりも前記基板側に位置する窒化物半導体層がアンドープ層からなることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
ｎ側窒化物半導体層と、発光層と、ｐ側窒化物半導体層とが設けられてなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
基板表面上に、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを設ける工程と、
前記基板上にスパッタ法によりＡｌＮまたはＡｌＯＮバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上にＭＯＣＶＤ法により下地層を設ける工程と、
前記下地層上に前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に発光層を設ける工程と、
前記発光層上にｐ側窒化物半導体層を設ける工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記下地層を設ける工程は、
前記基板の前記凹部上に斜めファセット面を備える第１の下地層を設ける工程と、
前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように第２の下地層を設ける工程と、
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程は、
第１の成長温度で下部ｎ型窒化物半導体層及びｎ型窒化物半導体変調ドープ層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層の上に前記第１の成長温度よりも５０℃〜４００℃低い第２の成長温度で低温ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記低温ｎ型窒化物半導体層の上に前記第２の成長温度以下の第３の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層が積層されてなる多層構造体を形成する工程と、
前記多層構造体の上に前記第３の成長温度以下の第４の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層の超格子からなる中間層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【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及びその製造方法に関する。
【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ーに相当するバンドギャップを有している。このため、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、窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、窒化物半導体材料の絶縁破壊電圧が高く、窒化物半導体材料の飽和電子速度が大きい。これらのことから、窒化物半導体材料は耐高温且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】
このような窒化物半導体材料を用いた窒化物半導体発光素子では発光層として量子井戸構造を採用することが一般的である。窒化物半導体発光素子に電圧が印加されると、発光層を構成する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。発光層は単一量子井戸（Single  Quantum  Well，ＳＱＷ）構造からなっても良いし、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）構造からなっても良い。【０００５】
窒化物半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode：発光ダイオード）に比べて、周囲温度の変化に対して温度変化が少ないという利点を有することが知られている。特許文献１に記載された従来の窒化物半導体発光素子は発光ダイオードであって、サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層上に、アンドープＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層とによって挟設されたＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．４＜ｘ＜１）を有する活性層を備え、その活性層におけるＩｎとＧａの比率を黄色または琥珀色発光させるように設定したことを特徴としている。このように構成された窒化物半導体発光素子は従来から広く使用されているＡｌＩｎＧａＰを用いた琥珀色発光素子と比較して大きな発光出力を有し、且つＡｌＩｎＧａＰ琥珀色発光素子に比較して発光出力の温度依存性が小さいという優れた特性を有する。この窒化物半導体発光素子は、２０ｍＡという電流駆動時に、８０℃において、室温の発光出力の９０％の発光出力を保っている。【０００６】
特許文献２によれば、このような発光出力の温度特性が得られる理由が材料自体の固有の性質によるものと説明されている。すなわち、従来のＡｌＩｎＧａＰを用いた琥珀色発光素子は基板として用いられるＧａＡｓ基板とＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層とを格子整合をさせるために必然的に活性層とクラッド層との間のバンドキャップのオフセット量が小さくなる。その結果、高温ほどキャリアのオーバーフロー量が増加し、温度依存性が大きくなるというものである。【０００７】
また、特許文献２には、基板表面にＡｌＯＮバッファ層をスパッタ法で形成し、ＡｌＯＮバッファ層の表面上にＧａＮ層を減圧ＭＯＣＶＤ法で成長させた構造をなす従来の窒化物半導体発光素子が開示されている。この窒化物半導体発光素子については、良好なＧａＮ特性が得られたサンプルのＡｌＮＯバッファ層２におけるＡｌＮ（００２）面のＸ線（ロッキングカーブ）半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ屈折率が２．０８以下であったことが開示されている。Ｘ線半値幅の値が小さいほど転位の少ない良好な結晶であると考えられている。【０００８】
また、特許文献３に記載された窒化物半導体発光素子は活性層がｎ型不純物を含み、ｎ層側に位置する活性層におけるｎ型ドーパント濃度がｐ層側に位置する活性層におけるｎ型ドーパント濃度よりも高いことを特徴としている。これにより、ｎ層側から活性層へのドナーの供給を補うことができ、発光出力を高めることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１１２１０９号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１１／１０８４２２号公報
【特許文献３】特開２００５−０５７３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の窒化物半導体発光素子を大電流、高温で駆動すると、発光効率の低下を招くことがあることが問題となっていた。これにより、単位電力当たりの電力効率の低下を招くことがあった。【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、高温駆動時または大電流駆動時における発光効率の低下を防止することが可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明は、基板と、前記基板上に設けられたバッファ層と、前記バッファ層上に設けられた下地層と、前記下地層上に設けられたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体発光素子であって、窒化物半導体発光素子を構成する各層の結晶面である（００４）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下、または（１０２）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下であり、同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴としている。【００１３】
なお、ここで述べた「（００４）」及び「（１０２）」は、結晶方向を意味する。なお、結晶方向は厳密に言えば、（００４）は（０００４）であり、（１０２）は（１０−１２）であるが、本明細書では省略して（００４）、（１０２）と表記する。【００１４】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、電流密度が２０Ａ／ｃｍ２以上の大電流領域で駆動させることを特徴としている。【００１５】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記バッファ層は、ＡｌＯＮからなることを特徴としている。【００１６】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記基板は、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを前記バッファ層が設けられる表面に有し、前記バッファ層上に設けられた前記下地層は、前記基板の前記凹部上に形成され斜めファセット面を備えた第１の下地層と、前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように形成された第２の下地層とを備えることを特徴としている。【００１７】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記発光層は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸からなるとともに、アンドープバリア層或いはｎ型ドーパントが２×１０１７ｃｍ−３以下ドープされたライトドープバリア層を４層以上備え、同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴としている。【００１８】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記バリア層は、厚さが３ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴としている。【００１９】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記ｎ側窒化物半導体層は、前記発光層の下に中間層を備えるとともに、前記中間層の下に多層構造体を備え、前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなり、前記多層構造体は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層と、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなることを特徴としている。【００２０】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ型窒化物半導体変調ドープ層とを備え、前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層は、少なくとも前記下部ｎ型窒化物半導体層よりもｎ型ドーパント濃度の低い窒化物半導体層を備えることを特徴としている。【００２１】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に前記下部ｎ型窒化物半導体層より５０℃〜４００℃低温で成長する低温ｎ型窒化物半導体層とを備え、前記低温ｎ型窒化物半導体層は、前記ｎ型窒化物半導体層よりも１．１倍以上ｎ型ドーパント濃度が高いことを特徴としている。【００２２】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記発光層の下に中間層を備え、前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなる超格子層であって、前記中間層は、前記発光層側に位置する少なくとも２層の窒化物半導体層がｎ型半導体層からなり、そのｎ型半導体層よりも前記基板側に位置する窒化物半導体層がアンドープ層からなることを特徴としている。【００２３】
また、上記の課題を解決するため、本発明は、ｎ側窒化物半導体層と、発光層と、ｐ側窒化物半導体層とが設けられてなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、基板表面上に、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを設ける工程と、前記基板上にスパッタ法によりＡｌＮまたはＡｌＯＮバッファ層を設ける工程と、前記バッファ層上にＭＯＣＶＤ法により下地層を設ける工程と、前記下地層上に前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程と、前記ｎ側窒化物半導体層上に発光層を設ける工程と、前記発光層上にｐ側窒化物半導体層を設ける工程と、を含むことを特徴としている。【００２４】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記下地層を設ける工程は、前記基板の前記凹部上に斜めファセット面を備える第１の下地層を設ける工程と、前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように第２の下地層を設ける工程と、を含むことを特徴としている。【００２５】
また、上記構成の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程は、第１の成長温度で下部ｎ型窒化物半導体層及びｎ型窒化物半導体変調ドープ層を形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層の上に前記第１の成長温度よりも５０℃〜４００℃低い第２の成長温度で低温ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記低温ｎ型窒化物半導体層の上に前記第２の成長温度以下の第３の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層が積層されてなる多層構造体を形成する工程と、前記多層構造体の上に前記第３の成長温度以下の第４の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層の超格子からなる中間層を形成する工程と、を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の構成によれば、特に駆動温度が変化しても発光効率がほぼ一定となる。これにより、高温駆動時または大電流駆動時における発光効率の低下を防止することが可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層におけるバンドギャップエネルギーＥｇの大きさを模式的に示す説明図である。
【図４】図１の窒化物半導体発光素子の基板の表面を示す模式的拡大平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の電流密度と光出力温度特性との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子のＭＱＷ発光層におけるバリア層の層数と発光効率ηとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、この実施形態において位置関係を表すため、図１の下側に記載した部分を下と表現し、図１の上側に記載した部分を上と表現することがあるが、これは便宜上の表現であり、重力方向に対して定められる上下とは異なる。
【００２９】
また、この説明において「バリア層」は井戸層に挟まれた層を指す。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、井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。
【００３０】
また、この説明において「ドーパント濃度」という言葉と、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及びホールの濃度である「キャリア濃度」という言葉とを用いているが、その関係については後述する。
【００３１】
また、「キャリアガス」とは、ＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガス及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膜中などに取り込まれない。
【００３２】
また、「ｎ側窒化物半導体層」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良い。「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良い。「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。
【００３３】
また、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。さらに、本発明の図面において、長さ、幅、及び厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００３４】
図１及び図２はそれぞれ、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１の概略断面図及び概略平面図である。図２に示すＩ−Ｉ線における断面図が図１に相当する。図３は図１に示された窒化物半導体発光素子１の下部ｎ型窒化物半導体層８7からｐ型窒化物半導体層１６までにおけるバンドギャップエネルギーＥｇの大きさを模式的に示す説明図である。図３の縦軸方向は図１に示す窒化物半導体発光素子１の上下方向を表し、図３の横軸のＥｇは各層におけるバンドギャップエネルギーの大きさを模式的に表している。図３でｎ型ドーパントがドープされている層には右側に網掛けで「ｎ」と表記している。
【００３５】
［窒化物半導体発光素子の構成］
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように基板３の上面上に、バッファ層５と、第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂからなる下地層７と、下部ｎ型窒化物半導体層８と、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９と、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０と、多層構造体１２１と、中間層である超格子層１２２と、ＭＱＷ発光層１４と、ｐ型窒化物半導体層１６、１７、１８とがこの順に積層されて形成されている。
【００３６】
下部ｎ型窒化物半導体層８の一部と、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９と、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０と、多層構造体１２１と、中間層である超格子層１２２と、ＭＱＷ発光層１４と、ｐ型窒化物半導体層１６、１７、１８とはエッチングされてメサ部３０を構成している。メサ部３０は下部ｎ型窒化物半導体層８に対して上方に突出している。ｐ型窒化物半導体層１８の上には透明電極２３を介してｐ側電極２５が設けられている。
【００３７】
メサ部３０の外側（図１における右側）においては、下部ｎ型窒化物半導体層８の上面の一部分がｎ型窒化物半導体変調ドープ層９、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０、多層構造体１２１及び中間層である超格子層１２２などに覆われずに露出している。その露出部分の上にｎ側電極２１が設けられている。
【００３８】
窒化物半導体発光素子１の上面ほぼ全体には、ｐ側電極２５及びｎ側電極２１が露出するように透明保護膜２７が設けられている。
【００３９】
なお、窒化物半導体発光素子１においては、断面の超高倍率ＳＴＥＭ（Scanning  Transmission  Electron  Microscopy）観察においてＶピット１５が必然的に発生することが認められる。しかしながら、本実施形態においては、後述するように低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０を設けることによりＶピット１５の発生をコントロールしている。
【００４０】
［基板］
基板３は例えばサファイアのような絶縁性基板であっても良いし、例えばＧａＮ、ＳｉＣまたはＺｎＯなどのような導電性基板であっても良い。窒化物半導体層の成長時の基板３の厚さは例えば９００μｍ〜１２００μｍであることが好ましく、窒化物半導体発光素子１における基板３の厚さは例えば５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。
【００４１】
基板３の上面は、図１に示すように凸部３Ａ及び凹部３Ｂからなる凹凸形状を有している。凸部３Ａは平面視において略正三角形の頂点に配された略円形のものであり（図４参照）、隣り合う凸部３Ａの頂点の間隔は１μｍ〜５μｍであることが好ましい。凸部３Ａの断面形状は台形状であっても良いが（図１参照）、そ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。
【００４２】
各窒化物半導体層の成長後に基板３を除去し、基板のない窒化物半導体発光素子としても良い。
【００４３】
［バッファ層］
バッファ層５は例えばＡｌｓｏＧａｔｏＯuｏＮ１−uｏ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、０≦u０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）層であることが好ましく、より好ましくはＡｌＮ層またはＡｌＯＮ層である。ＡｌＯＮ層としてはＮのごく一部（０．５〜２％）が酸素に置き換えられていることが好ましい。これにより、基板３の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層５が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層５が得られる。バッファ層５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、より好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００４４】
後述する下地層のＸ線ロッキングカーブ半値幅を向上させるために、バッファ層５としては公知のスパッタ法によるＡｌＯＮを用いることが好ましい。
【００４５】
［下地層］
下地層７は第１の窒化物半導体下地層７ａと第２の窒化物半導体下地層７ｂからなることが好ましい。第１の窒化物半導体下地層７ａは凹部３ｂ上に形成され、図１に示す断面図において略三角形の形状（斜めファセット面７ａ１）を有する。第２の窒化物半導体下地層７ｂは凸部３ａ及び第１の窒化物半導体下地層７ａを覆うように形成されてバッファ層５及び第１の窒化物半導体下地層７ａのそれぞれの表面に接するようにして設けられ、下部ｎ型窒化物半導体層８に接する上面７ｂ１が平坦をなす。なお、この説明において特に限定する場合を除き、第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂを総じて下地層７を表記することがある。
【００４６】
このように少なくとも２つの部分、第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂに分けることにより、下地層７の結晶品質の指標となるＸ線半値幅を低減することができる。なお、「斜めファセット面」とは、少なくとも基板面に対し少なくとも１０度以上の角度を有して傾斜した斜め方向に延びる面であって、好ましくは窒化物半導体の結晶面に略等しい面である。
【００４７】
第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂはそれぞれ、例えばＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法によって、バッファ層５の表面上に順次形成することができる。第１の窒化物半導体下地層７ａは斜めファセット面７ａ１が形成されるファセット成長モードで成長される。第２の窒化物半導体下地層７ｂは斜めファセット面７ａ１を埋め込んで平坦な上面７ｂ１を形成する埋込成長モードで成長される。これにより、結晶欠陥が少なく結晶性の高い平坦な上面７ｂ１を有する第２の窒化物半導体下地層７ｂを形成することができる。なお、第１の窒化物半導体下地層７ａは上面７ａ２を有している。
【００４８】
第１の窒化物半導体下地層７ａとしては、例えばＡｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成長させることができる。第２の窒化物半導体下地層７ｂとしては、例えばＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｉｎｚ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成長させることができる。
【００４９】
第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂとしてはそれぞれ、柱状結晶の集合体からなるバッファ層５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。
【００５０】
バッファ層５中の転位を引き継がないようにするためにはバッファ層５との界面付近で転位をループさせる必要があるが、第１の窒化物半導体下地層７ａがＧａを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合には転位のループが生じやすい。そこで、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体下地層７ａ及びＧａを含む第２の窒化物半導体下地層７ｂをそれぞれ用いる。それにより、バッファ層５との界面付近で転位をループ化して閉じ込めて、バッファ層５から第１の窒化物半導体下地層７ａに転位が引き継がれるのを抑えることができる。
【００５１】
例えば、第１の窒化物半導体下地層７ａがＡｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなり、第２の窒化物半導体下地層７ｂがＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合、特に第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂがそれぞれＧａＮからなる場合に、バッファ層５との界面付近で転位をループ化して閉じ込めることができる。これにより、転位密度が小さく良好な結晶性を有する第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂが得られる。
【００５２】
第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂには、例えばｎ型ドーパントが１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲でドーピングされていても良い。しかしながら、良好な結晶性を維持する観点から、第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂはそれぞれアンドープであることが好ましい。
【００５３】
第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂにドーピングされるｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｇｅ及びＳｎからなる群から選択された少なくとも１つなどを用いることができ、特にＳｉを用いることが好ましい。ｎ型ドーパントにＳｉを用いる場合、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。
【００５４】
第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂのそれぞれの成長時における基板１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。第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂのそれぞれ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第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂを成長させることができる。
【００５５】
下地層７の厚さをできるだけ厚くすることにより下地層７中の欠陥は減少するが、下地層７の厚さをある程度以上厚くしても下地層７における欠陥減少効果が飽和する。このことより、下地層７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。
【００５６】
［下部ｎ型窒化物半導体層］
本実施形態において、ｎ側窒化物半導体層（アンドープ層、低キャリア濃度層を含む）は下部ｎ型窒化物半導体層８（８ａ、８ｂ）、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０、多層構造体１２１及び中間層（超格子層）１２２からなる。
【００５７】
下部ｎ型窒化物半導体層８は、例えばＡｌｓ２Ｇａｔ２Ｉｎｕ２Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≒１）層にｎ型ドーパントがドープされた層であることが好ましく、より好ましくはＡｌｓ２Ｇａ１−ｓ２Ｎ（０≦ｓ２≦１、好ましくは０≦ｓ２≦０．５、より好ましくは０≦ｓ２≦０．１）層にｎ型ドーパントがドープされた層である。
【００５８】
下部ｎ型窒化物半導体層８におけるｎ型ドーパントは特に限定されないが、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであれば良く、好ましくはＳｉである。このことは、後述の各層においても言える。ｎ型ドーパント濃度は特に限定されないが、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００５９】
下部ｎ型窒化物半導体層８の厚さはできるだけ厚い方が下部ｎ型窒化物半導体層８の抵抗は減少する。しかし、下部ｎ型窒化物半導体層８の厚さを厚くすると、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８の厚さは実用上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。
【００６０】
なお、後述する実施例ではｎ型ＧａＮ層（下部ｎ型窒化物半導体層８ａ）の成長を一旦中断させてから同一のｎ型ＧａＮ層（下部ｎ型窒化物半導体層８ｂ）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８を形成している。しかし、下部ｎ型窒化物半導体層８の構成は特に限定されない。例えば、下部ｎ型窒化物半導体層８ａと下部ｎ型窒化物半導体層８ｂとを連続して形成することにより下部ｎ型窒化物半導体層８を単層としても良いし、下部ｎ型窒化物半導体層８が３層以上の積層構造を有していても良い。複数の層からなる下部ｎ型窒化物半導体層８は各々の層が同一の組成からなっても良いし、異なる組成からなっても良い。また、複数の層からなる下部ｎ型窒化物半導体層８は各々の層が同一の厚さを有していても良いし、異なる厚さを有していても良い。
【００６１】
［ｎ型窒化物半導体変調ドープ層］
ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９は下部ｎ型窒化物半導体層８上に例えばＭＯＣＶＤ法などにより積層する。ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９は、図３に示すようにｎ型ＧａＮ層９Ａと、ｎ型ＧａＮ層９Ａよりもｎ型ドーパント濃度の低いＧａＮ層９Ｂとを交互に積層された積層構造体からなり、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０に隣接する最上層にＧａＮ層９Ｂを積層することによって形成することができる。
【００６２】
ｎ型ＧａＮ層９Ａのｎ型ドーパント濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上とすることができる。ｎ型ドーパントは特に限定されないが、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであれば良く、好ましくはＳｉである。
【００６３】
ＧａＮ層９Ｂとしてはｎ型ＧａＮ層９Ａよりもｎ型ドーパント濃度が低いＧａＮ層、例えば３×１０１８ｃｍ−３以下のＧａＮ層を用いることができ、特にアンドープＧａＮ層を用いることが好ましい。
【００６４】
ｎ型ＧａＮ層９ＡとＧａＮ層９Ｂとの積層数は特に限定されない。例えばｎ型ＧａＮ層９ＡとＧａＮ層９Ｂとの組合せを３組或いは２組積層しても良い。また、ＧａＮ層９Ｂを１層のみ設けても良い。
【００６５】
ｎ型ＧａＮ層９Ａのそれぞれの厚さは、例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。また、ＧａＮ層９Ｂのそれぞれの厚さは、例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。
【００６６】
ｎ型ＧａＮ層９Ａ及びＧａＮ層９Ｂは、それぞれＡｌｓ３Ｇａｔ３Ｉｎｕ３Ｎ（０≦ｓ３≦１、０≦ｔ３≦１、０≦ｕ３≦１、ｓ３＋ｔ３＋ｕ３≒１）であってもよい。
【００６７】
ｎ型ＧａＮ層９Ａ及びＧａＮ層９Ｂは下部ｎ型窒化物半導体層８と同じ温度で形成されることが好ましい。また、ｎ型ＧａＮ層９Ａにおけるｎ型ドーパント濃度は低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０におけるｎ型ドーパント濃度と同一であることが好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができる。これにより、ＥＳＤ（Electro-Static  Discharge：静電気放電）に起因する不良率の増加をさらに防止することができる。
【００６８】
［低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）］
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０はＶピット１５の始点の平均的な位置が発光層として実効的に機能する層（本実施形態ではＭＱＷ発光層１４）よりもｎ型窒化物半導体変調ドープ層９側に位置する層（本実施形態では中間層（超格子層）１２２）内に位置するようにＶピット１５を形成するための層である。ここで、Ｖピット１５の始点とは、Ｖピット１５の底部（図１における最下端部）を意味する。また、Ｖピット１５の始点の平均的な位置とは、ＭＱＷ発光層１４に形成されたＶピット１５の始点を窒化物半導体発光素子１の厚さ方向（図１における上下方向）で平均化して得られた位置を意味している。「低温」の意味については後述する。
【００６９】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０は、例えば厚さ２５ｎｍのハイドープｎ型ＧａＮ層であることが好ましい。ここで、ハイドープとは、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の下に位置する下部ｎ型窒化物半導体層８やｎ型窒化物半導体変調ドープ層９よりも有意に（例えば１．１倍以上、好ましくは１．４倍以上、より好ましくは１．８倍以上）ｎ型ドーパント濃度が高いことを意味する。具体的に言えば、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０のｎ型ドーパント濃度は５×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましく、７×１０１８ｃｍ−３以上であることがより好ましく、１×１０１９ｃｍ−３以上であることがさらに好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の膜質がｎ型窒化物半導体変調ドープ層９の膜質よりも低下するため、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０によるＶピット発生効果が有効に発揮されることとなる。
【００７０】
一方、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０におけるｎ型ドーパント濃度が高くなり過ぎると、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の上に形成されるＭＱＷ発光層１４での発光効率の低下を招くことがある。そのため、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０におけるｎ型ドーパント濃度はｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーパント濃度の１０倍以下であることが好ましく、３倍以下であることがさらに好ましい。
【００７１】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０はｎ型窒化物半導体層９の最上面よりも有意に（例えば１．１倍以上、好ましくは１．４倍以上、より好ましくは１．８倍以上）ｎ型ドーパント濃度が高ければ良い。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０によるＶピット発生効果がさらに有効に発揮されることとなる。
【００７２】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０はＡｌｓ３Ｇａｔ３Ｉｎｕ３Ｎ（０≦ｓ３≦１、０≦ｔ３≦１、０≦ｕ３≦１、ｓ３＋ｔ３＋ｕ３≒１）層にｎ型ドーパントがドープされた層であっても良いし、Ｉｎｕ３Ｇａ１−ｕ３Ｎ（０≦ｕ３≦１、好ましくは０≦ｕ３≦０．５、より好ましくは０≦ｕ３≦０．１５）層にｎ型ドーパントがドープされた層であることが好ましい。このように低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０がＩｎを含んでいる場合には、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０におけるＩｎ組成比はｎ型窒化物半導体変調ドープ層９におけるＩｎ組成比よりも高いことが好ましい。これによっても、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の膜質がｎ型窒化物半導体変調ドープ層９の膜質よりも低下するため、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０によるＶピット発生効果が有効に発揮される。
【００７３】
このような低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０は５ｎｍ以上の厚さを有していることが好ましく、１０ｎｍ以上の厚さを有していることがより好ましい。これにより、貫通転位の単位個数あたりのＶピット数が多くなるという効果が得られる。
【００７４】
［多層構造体］
窒化物半導体発光素子１はＶピット１５の始点がＭＱＷ発光層１４よりも図１において下に位置する。これにより、後述するように、ＭＱＷ発光層１４を構成するアンドープバリア層の層数を増やすことで、発光に寄与するＭＱＷ発光層１４の体積を増やすことができる。したがって、大電流駆動時での発光効率の低下を防止でき、また高温下における発光効率の低下も防止できる。しかし、ＭＱＷ発光層１４を構成するアンドープバリア層の層数を増やすことにより発光に寄与するＭＱＷ発光層１４の体積を増やすと、ＥＳＤに起因する不良率が増加することが分かった。
【００７５】
一方、ＭＱＷ発光層１４を構成するアンドープバリア層の層数を増やすと、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０と発光に寄与するＭＱＷ発光層１４との間隔が狭くなる。その結果、Ｖピット１５の始点が発光に寄与するＭＱＷ発光層１４に近い位置に存在することになり好ましくない。Ｖピット１５の始点の平均的な位置がＭＱＷ発光層１４（少なくともＭＱＷ発光層１４の上部）内に存在しないようにするためには、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０をＭＱＷ発光層１４からできるだけ離間することが好ましい。しかし、この目的でＭＱＷ発光層１４と低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０との間にある中間層（超格子層）１２２の厚さを厚くすると、ＭＱＷ発光層１４の品質の劣化を招くおそれがある。また、窒化物半導体発光素子１の生産性の低下を招くこともある。
【００７６】
また、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０をＭＱＷ発光層１４からできるだけ離間することを目的として、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０と中間層（超格子層）１２２との間にｎ型ＧａＮ層のみを低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度以下の温度で厚く形成すると、高温駆動時及び大電流駆動時での発光効率の低下を防止できず、またＥＳＤに起因する不良率は増加した。その理由としては、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度以下の温度でｎ型ＧａＮ層を厚く（例えば、２００ｎｍ以上）形成すると、ｎ型ＧａＮ層の成長表面が凹凸形状となり（ｎ型ＧａＮ層の成長表面が白濁し）、ｎ型ＧａＮ層の上に形成される層に悪影響を与えることが考えられる。
【００７７】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０と中間層（超格子層）１２２との間に多層構造体１２１を形成すれば、高温下及び大電流駆動下における発光効率の低下が防止され、さらにはＥＳＤに起因する不良率を低減できる。続いて、多層構造体１２１の構成を説明する。
【００７８】
多層構造体１２１はバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層が積層されてなり、それら隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなることが好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができる。その結果、中間層１２２及びその上のＭＱＷ発光層１４の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができる。よって、ＥＳＤに起因する不良率の増加を防止することができる。なお、多層構造体１２１を構成する各層の厚さは中間層（超格子層）１２２を構成する各層の厚さより厚いことが好ましい。
【００７９】
多層構造体１２１を構成する窒化物半導体層におけるｎ型ドーパント濃度はいずれも低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０におけるｎ型ドーパント濃度よりも低く設定されることが好ましく、例えば７×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。このように多層構造体１２１におけるｎ型ドーパント濃度が低ければ、逆バイアス時に空乏層が広がる。これにより、多層構造体１２１を中間層（超格子層）１２２と共に電界緩和層としても機能させることができる。なお、窒化物半導体発光素子１の駆動電圧が許容範囲を超えないのであれば、多層構造体１２１を構成する窒化物半導体層をアンドープ層とすることができる。
【００８０】
多層構造体１２１は低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度以下の温度で形成されることが好ましく、９００℃以下の温度で形成されることがより好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができる。一方、多層構造体１２１の成長温度が低すぎると、多層構造体１２１の膜質の低下を招くことがある。そのため、多層構造体１２１の成長温度は６００℃以上であることが好ましく、７００℃以上であることがさらに好ましい。
【００８１】
多層構造体１２１において、複数の窒化物半導体層の隣接する２層に関してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層（例えばＩｎＧａＮ層またはｎ型ＩｎＧａＮ層）が必要な理由は明らかではないが、次に示す理由が考えられる。低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度以下の温度で、バンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層（例えばＧａＮ層またはｎ型ＧａＮ層など）の成長途中にバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層を成長すると、バンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体材料の２次元成長が促進される。その結果、多層構造体１２１のトータル厚さが厚くても、多層構造体１２１のトータル厚さが厚いことによる悪影響が多層構造体１２１の上に成長する層に及ぶことを防止できる。
【００８２】
このような効果を有効に得るために、多層構造体１２１を構成する複数の窒化物半導体層の隣接する２層に関してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層の厚さはバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層の厚さよりも薄いことが好ましく、バンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層の厚さの１／５倍以上１／２倍以下であることが好ましい。なお、バンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層の厚さは好ましくは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、より好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
【００８３】
多層構造体１２１の一例としては低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の上に、厚さが７ｎｍであるｎ型ＩｎＧａＮ層、厚さが３０ｎｍであるｎ型ＧａＮ層、厚さが７ｎｍであるｎ型ＩｎＧａＮ層及び厚さが２０ｎｍであるｎ型ＧａＮ層を順に積層して形成したものを挙げることができる。
【００８４】
多層構造体１２１を構成する窒化物半導体層の具体的な組成は上記組成に限定されない。例えば、多層構造体１２１を構成するバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層としてはＡｌｉ１Ｇａｊ１Ｉｎ（１−ｉ１−ｊ１）Ｎ（０≦ｉ１＜１、０＜ｊ１≦１）層を挙げることができ、ＧａＮ層であることが好ましい。また、多層構造体１２１を構成するバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層としてはＡｌｉ２Ｇａｊ２Ｉｎ（１−ｉ２−ｊ２）Ｎ（０≦ｉ２＜１、０≦ｊ２＜１、ｊ１＜ｊ２）層を挙げることができ、Ｇａｊ３Ｉｎ（１−ｊ３）Ｎ（０＜ｊ３＜１）層であることが好ましい。
【００８５】
さらに具体的に言えば、多層構造体１２１はＡｌｉ１Ｇａｊ１Ｉｎ（１−ｉ１−ｊ１）Ｎ（０≦ｉ１＜１、０＜ｊ１≦１）層とＡｌｉ２Ｇａｊ２Ｉｎ（１−ｉ２−ｊ２）Ｎ（０≦ｉ２＜１、０≦ｊ２＜１、ｊ１＜ｊ２）層とが交互に積層されて構成されていても良いし、ＧａＮ層とＧａｊ３Ｉｎ（１−ｊ３）Ｎ（０＜ｊ３＜１）層とが交互に積層されて構成されていても良い。
【００８６】
多層構造体１２１を構成する窒化物半導体層がＩｎを含む場合、多層構造体１２１を構成する窒化物半導体層におけるＩｎ組成比は中間層（超格子層）１２２におけるＩｎ組成比と同程度（±５％）であることが好ましい。これにより、多層構造体１２１の後で中間層（超格子層）１２２を形成するときに、Ｉｎの原料ガスの供給量を変更する手間を省くことができる。したがって、窒化物半導体発光素子１の生産性が向上する。より好ましくは、多層構造体１２１を構成する窒化物半導体層がＧａｊ３Ｉｎ（１−ｊ３）Ｎ（０＜ｊ３＜１）層であるときに、Ｇａｊ３Ｉｎ（１−ｊ３）Ｎ（０＜ｊ３＜１）層におけるＩｎ組成比（１−ｊ３）が中間層（超格子層）１２２を構成するナローバンドギャップ層１２２Ｂ（後述）におけるＩｎ組成比と同じであることである。
【００８７】
多層構造体１２１を構成する複数の窒化物半導体層の隣接する２層に関して、バンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層の層数は特に限定されない。バンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層を１組としたとき、多層構造体１２１は２組以上のバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層を有することが好ましい。これにより、多層構造体１２１の厚さを厚くすることができる。したがって、Ｖピット１５の始点の平均的な位置はその多くが中間層（超格子層）１２２の厚さ方向中央付近よりも基板３側となる。その結果、高温駆動時または大電流駆動時における発光効率の低下をさらに防止できる。
【００８８】
このようにして、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０と中間層（超格子層）１２２との間に多層構造体１２１を導入すれば、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０をＭＱＷ発光層１４からさらに離間して形成することができる。これにより、Ｖピット１５の始点の平均的な位置は中間層（超格子層）１２２内となり、その多くが中間層（超格子層）１２２の厚さ方向中央付近よりも基板３側となることもある。したがって、高温駆動時または大電流駆動時における発光効率の低下をさらに防止できる。
【００８９】
さらに、多層構造体１２１は複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されている。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができる。したがって、ＥＳＤに起因する不良率の増加を防止することができる。
【００９０】
［中間層（超格子層）］
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０とＭＱＷ発光層１４の間には中間層（超格子層）１２２が設けられている。中間層（超格子層）１２２の主たる働きは低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０とＭＱＷ発光層１４との間に所定の距離を置き、Ｖピット１５の始点をＭＱＷ発光層１４内の下側あるいは中間層（超格子層）１２２内にすることにある。中間層（超格子層）１２２の構成は単層であっても良いし、２〜３層であっても良い。
【００９１】
なお、ここで述べた「超格子層」とは、非常に薄い結晶層を交互に積層することにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる層を意味する。図３に示すように、中間層（超格子層）１２２は複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に大きなワイドバンドギャップ層１２２Ａとバンドギャップエネルギーが相対的に小さなナローバンドギャップ層１２２Ｂとを交互に積層して超格子構造を構成している。中間層（超格子層）１２２の周期構造はワイドバンドギャップ層１２２Ａを構成する半導体材料の基本単位格子及びナローバンドギャップ層１２２Ｂを構成する半導体材料の基本単位格子よりも長くなっている。
【００９２】
中間層（超格子層）１２２はワイドバンドギャップ層１２２Ａ及びナローバンドギャップ層１２２Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、ワイドバンドギャップ層１２２Ａと、ナローバンドギャップ層１２２Ｂとが順に積層されて超格子構造を構成していても良い。また、中間層（超格子層）１２２の一周期の長さ（ワイドバンドギャップ層１２２Ａの厚さとナローバンドギャップ層１２２Ｂの厚さとの合計）は、後述のＭＱＷ発光層１４の一周期の長さよりも短く、具体的には１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００９３】
各ワイドバンドギャップ層１２２Ａは、例えばＡｌａ１Ｇａｂ１Ｉｎ（１−ａ１−ｂ１）Ｎ（０≦ａ１≦１、０＜ｂ１≦１）層であることが好ましく、より好ましくはＧａＮ層である。各ナローバンドギャップ層１２２Ｂは、例えばワイドバンドギャップ層１２２Ａよりもバンドギャップが小さく且つ後述する各井戸層１４Ｗよりもバンドギャップが大きいことが好ましい。ナローバンドギャップ層１２２Ｂは、Ａｌａ２Ｇａｂ２Ｉｎ（１−ａ２−ｂ２）Ｎ（０≦ａ２＜１、０＜ｂ２＜１、（１−ａ１−ｂ１）＜（１−ａ２−ｂ２））層であることが好ましく、より好ましくはＧａｂ２Ｉｎ（１−ｂ２）Ｎ（０＜ｂ２＜１）層である。
【００９４】
各ワイドバンドギャップ層１２２Ａ及び各ナローバンドギャップ層１２２Ｂの少なくとも一方はｎ型ドーパントを含んでいることが好ましい。ワイドバンドギャップ層１２２Ａとナローバンドギャップ層１２２Ｂとの両方がアンドープであると、駆動電圧が上昇するためである。この場合のｎ型ドーパント濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上とすることができる。ｎ型ドーパントとしては、特に限定されないがＳｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであれば良く、好ましくはＳｉである。
【００９５】
中間層（超格子層）１２２を構成する窒化物半導体層すべてがｎ型ドーパントを含んでいると、逆バイアス時に空乏層が広がらず中間層（超格子層）１２２を電子が突き抜けない。そのため、電界緩和の効果の低下を招く。しかし、中間層（超格子層）１２２はＭＱＷ発光層１４に電子を注入するために設けられている層でもある。そのため、ＭＱＷ発光層１４側に位置する少なくとも２層の窒化物半導体層をｎ型半導体層とし、そのｎ型半導体層よりも基板３側に位置する窒化物半導体層をアンドープ層とすれば、ＭＱＷ発光層１４に注入される電子数を増やすことができる。これにより、光出力が向上し、また電圧低減効果が発揮される。なお、アンドープ層の厚さが厚くなると電子の移動の為の電圧印加が必要となり、駆動電圧が増大することがある。駆動電圧の増大を防止するためには、基板３側に位置する少なくとも２層の窒化物半導体層をアンドープ層とすることが好ましい。
【００９６】
ワイドバンドギャップ層１２２Ａ及びナローバンドギャップ層１２２Ｂを１組としたとき、中間層（超格子層）１２２は２０組以上のワイドバンドギャップ層１２２Ａ及びナローバンドギャップ層１２２Ｂを有することが好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０をＭＱＷ発光層１４からさらに離間して形成することができる。したがって、Ｖピット１５の始点の平均的な位置を中間層（超格子層）１２２内とすることができる。
【００９７】
中間層（超格子層）１２２が２０組以上のワイドバンドギャップ層１２２Ａ及びナローバンドギャップ層１２２Ｂを有する場合、ＭＱＷ発光層１４側に位置する５組のワイドバンドギャップ層１２２Ａ及びナローバンドギャップ層１２２Ｂはｎ型ドーパントを含むことが好ましい。これにより、ＭＱＷ発光層１４に注入される電子数を増やすことができる。したがって、光出力が向上し、また電圧低減効果が発揮される。
【００９８】
中間層（超格子層）１２２はアンドープ層からなる超格子構造とｎ型半導体層からなる超格子構造とを有していれば、例えば多層構造体１２１上にアンドープのワイドバンドギャップ層１２２Ａとアンドープのナローバンドギャップ層１２２Ｂとの組を１７組積層してアンドープ層からなる超格子構造を形成した後に、ｎ型ドーパントを含むワイドバンドギャップ層１２２Ａとｎ型ドーパントを含むナローバンドギャップ層１２２Ｂとの組を３組積層してｎ型半導体層からなる超格子構造を形成して、中間層（超格子層）１２２としても良い。
【００９９】
また、例えば多層構造体１２１上にｎ型ドーパントを含むワイドバンドギャップ層１２２Ａとｎ型ドーパントを含むナローバンドギャップ層１２２Ｂとの組を５組積層してｎ型半導体層からなる超格子構造を形成した後、アンドープのワイドバンドギャップ層１２２Ａとアンドープのナローバンドギャップ層１２２Ｂとの組を１０組積層してアンドープ層からなる超格子構造を形成し、その後、ｎ型ドーパントを含むワイドバンドギャップ層１２２Ａとｎ型ドーパントを含むナローバンドギャップ層１２２Ｂとの組を５組積層してｎ型半導体層からなる超格子構造を形成して、中間層（超格子層）１２２としても良い。
【０１００】
中間層（超格子層）１２２はＭＱＷ発光層１４の特性向上のために設けられた層であって、窒化物半導体発光素子１にとっては必須の構成要件ではない。しかし、中間層（超格子層）１２２を低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０とＭＱＷ発光層１４との間に設けると、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０をＭＱＷ発光層１４から離隔することができる。これにより、Ｖピット１５の始点の平均的な位置がＭＱＷ発光層１４（少なくともＭＱＷ発光層１４の上部）内に存在しないようにすることができる。
【０１０１】
したがって、窒化物半導体発光素子１は低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０とＭＱＷ発光層１４との間に中間層（超格子層）１２２を設けることが好ましい。好ましくは中間層（超格子層）１２２の厚さが４０ｎｍ以上であり、より好ましくは中間層（超格子層）１２２の厚さが５０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは中間層（超格子層）１２２の厚さが６０ｎｍ以上である。一方、中間層（超格子層）１２２の厚さが厚すぎるとＭＱＷ発光層１４の品質の劣化を招くおそれがあるため、中間層（超格子層）１２２の厚さは、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは８０ｎｍ以下である。
【０１０２】
ｎ型ドーパントを含むワイドバンドギャップ層１２２Ａのそれぞれの厚さは、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができる。ｎ型ドーパントを含むナローバンドギャップ層１２２Ｂのそれぞれの厚さは、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができる。
【０１０３】
［ＭＱＷ発光層（多重量子井戸発光層）］
ＭＱＷ発光層１４には部分的にＶピット１５が形成されている。ここで、部分的にＶピット１５が形成されているとは、ＭＱＷ発光層１４の上面をＡＦＭ（Atomic  Force  Microscope：原子間力顕微鏡）で観察したときにＶピット１５がＭＱＷ発光層１４の上面において点状に観察されることを意味する。ＭＱＷ発光層１４の上面におけるＶピット数の密度は１×１０８ｃｍ−２以上１×１０１０ｃｍ−２以下であることが好ましい。従来においてもＭＱＷ発光層にはＶピットが形成されていたが、そのときのＭＱＷ発光層の上面におけるＶピット数の密度は１×１０８ｃｍ−２未満であった。
【０１０４】
ＭＱＷ発光層１４は、図３に示すように複数のバリア層１４Ａ（１４Ａ１、１４Ａ２、・・・、１４Ａ７）が複数の井戸層１４Ｗ（１４Ｗ１、１４Ｗ２、・・・、１４Ｗ８）に挟まれ、バリア層１４Ａと井戸層１４Ｗとが交互に積層されることにより形成される。中間層（超格子層）１２２のすぐ上には最初のバリア層１４Ａｚが設けられる。井戸層１４Ｗのうち最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する井戸層１４Ｗ１の上には最後のバリア層１４Ａ０が設けられる。
【０１０５】
なお、この説明において各バリア層１４Ａ及び各井戸層１４Ｗを識別するために、ｐ型窒化物半導体層１６から中間層（超格子層）１２２へ向かって番号を付して井戸層１４Ｗ１、バリア層１４Ａ１、井戸層１４Ｗ２、バリア層１４Ａ２、・・・などと表記することとする。一方、各バリア層１４Ａ及び各井戸層１４Ｗは特に個々を限定する場合を除き、総じてバリア層１４Ａ及び井戸層１４Ｗと表記することがある。
【０１０６】
ＭＱＷ発光層１４はバリア層１４Ａ及び井戸層１４Ｗとは異なる１層以上の半導体層と、バリア層１４Ａと、井戸層１４Ｗとが順に積層されていても良い。また、ＭＱＷ発光層１４の一周期（バリア層１４Ａの厚さと井戸層１４Ｗの厚さとの和）の長さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【０１０７】
各井戸層１４Ｗの組成は窒化物半導体発光素子１に求められる発光波長に合わせて調整されることが好ましく、例えばＡｌｃＧａｄＩｎ（１−ｃ−ｄ）Ｎ（０≦ｃ＜１、０＜ｄ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎｅＧａ（１−ｅ）Ｎ（０＜ｅ≦１）層である。例えば、波長が３７５ｎｍ以下の紫外光を発光させる場合、ＭＱＷ発光層１４のバンドギャップエネルギーを大きくする必要があり、各井戸層１４Ｗの組成はＡｌを含むこととなる。
【０１０８】
各井戸層１４Ｗの組成は同じであることが好ましい。これにより、各井戸層１４Ｗにおいて電子とホールとの再結合により発光する波長を同じにすることができる。したがって、窒化物半導体発光素子１の発光スペクトル幅を狭くすることができる。
【０１０９】
ｐ型窒化物半導体層１６側に位置する井戸層１４Ｗはドーパントを極力含まないことが好ましい。別の言い方をすると、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側に位置する井戸層１４Ｗを成長させることが好ましい。これにより、各井戸層１４Ｗにおける非発光再結合が起こりにくくなるため、発光効率が良好となる。
【０１１０】
一方、基板３側に位置する井戸層１４Ｗはｎ型ドーパントを含んでいても良い。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。
【０１１１】
各井戸層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。各井戸層１４Ｗの厚さが同じであれば、各井戸層１４Ｗの量子準位も同じになり、各井戸層１４Ｗにおける電子とホールとの再結合により各井戸層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１の発光スペクトル幅が狭くなるため好都合である。
【０１１２】
一方、井戸層１４Ｗの組成または厚さを意図的に異ならせれば、窒化物半導体発光素子１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１を照明用などの用途に使用する場合、井戸層１４Ｗの組成または厚さを意図的に異ならせることが好ましい。例えば、各井戸層１４Ｗの厚さは１ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。各井戸層１４Ｗの厚さがこの範囲外であれば、発光効率が低下することがある。
【０１１３】
各バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａｚ及び最後のバリア層１４Ａ０を構成する材料はそれぞれ各井戸層１４Ｗを構成する材料よりもバンドギャップエネルギーが大きい方が好ましい。具体的には、各バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａｚ及び最後のバリア層１４Ａ０はＡｌｆＧａｇＩｎ（１−ｆ−ｇ）Ｎ（０≦ｆ＜１、０＜ｇ≦１）からなることが好ましく、Ａｌを含まないＩｎｈＧａ（１−ｈ）Ｎ（０＜ｈ≦１、ｅ＞ｈ）からなることがより好ましく、井戸層１４Ｗを構成する材料と格子定数がほぼ同一であるＡｌｆＧａｇＩｎ（１−ｆ−ｇ）Ｎ（０≦ｆ＜１、０＜ｇ≦１）からなることがさらに好ましい。
【０１１４】
各バリア層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。各バリア層１４Ａの厚さが薄いほど駆動電圧が低下するが、各バリア層１４Ａの厚さを極端に薄くすると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。
【０１１５】
各バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ７）及び最初のバリア層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、複数のバリア層１４Ａのうち、基板３側に位置するバリア層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側に位置するバリア層１４Ａには基板３側に位置するバリア層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。各バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａｚ及び最後のバリア層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、各バリア層１４Ａ（１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａｚ及び最後のバリア層１４Ａ０にはｐ型窒化物半導体層１６、ｐ型窒化物半導体層１７及び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。
【０１１６】
井戸層１４Ｗの層数としては特に限定されないが、例えば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。
【０１１７】
［ｐ側窒化物半導体層］
窒化物半導体発光素子１は、図１に示すｐ側窒化物半導体層１６、１７、１８をそれぞれｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層及び高濃度ｐ型ＧａＮ層の３層構造としている。しかしながら、この構成はｐ側窒化物半導体層の一例に過ぎない。ｐ型窒化物半導体層１６、１７、１８は、例えば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であることが好ましく、より好ましくは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である。
【０１１８】
ｐ型ドーパントは特に限定されないが、例えばマグネシウムであることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１６、１７、１８におけるキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。ここで、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１６、１７、１８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１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。ただし、ｐ型窒化物半導体層１６のうちＭＱＷ発光層１４側に位置する部分におけるｐ型ドーパント濃度は１×１０１９ｃｍ−３未満であっても良い。
【０１１９】
ｐ型窒化物半導体層１６、１７、１８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１６、１７、１８の厚さを薄くすることにより、そ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型ドーパントのＭＱＷ発光層１４への拡散を抑制することができる。
【０１２０】
［ｎ側電極、透明電極、ｐ側電極］
ｎ側電極２１及びｐ側電極２５は窒化物半導体発光素子１に駆動電力を供給するための電極である。ｎ側電極２１及びｐ側電極２５は図２ではパッド電極部分のみで構成されているが、電流拡散を目的とする細長い突出部（枝電極）がｎ側電極２１またはｐ側電極２５に接続されていても良い。また、ｐ側電極２５よりも下に、電流がｐ側電極２５へ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側電極２５に遮蔽される発光の量が減少する。
【０１２１】
ｎ側電極２１は、例えばチタン層、アルミニウム層及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側電極２１にワイヤボンディングを行う場合を想定して、ｎ側電極２１の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【０１２２】
ｐ側電極２５は、例えばニッケル層、アルミニウム層、チタン層及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側電極２１と同一の材料からなっても良い。ｐ側電極２５にワイヤボンディングを行う場合を想定して、ｐ側電極２５の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【０１２３】
透明電極２３は、例えば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。
【０１２４】
［Ｖピットの始点］
窒化物半導体発光素子１において、大部分のＶピット１５の始点はＭＱＷ発光層１４内に存在しておらず、その過半数が中間層（超格子層）１２２内に存在していると考えられる。Ｖピット１５は貫通転位に起因して発生すると考えられるため、貫通転位の多くはＶピット１５の内側にあると考えられる。これにより、ＭＱＷ発光層１４に注入された電子及びホールがＶピット１５の内側に達することを抑制することができる。したがって、電子及びホールが貫通転位に捕獲されたために非発光再結合を起こすということが抑制されると推定される。その結果、発光効率の低下を防止できる。このことは高温下または大電流駆動時において顕著となる。
【０１２５】
詳細には、高温下ではＭＱＷ発光層１４への注入キャリア（ホールまたは電子）の移動が活発になるため、注入キャリアが貫通転位へ到達する確率が増大する。しかしながら、窒化物半導体発光素子１はＭＱＷ発光層１４内における貫通転位の多くがＶピット１５で覆われるため（貫通転位の多くがＶピット１５の内側に存在するため）、貫通転位での非発光再結合が抑制される。これにより、高温下での発光効率の低下を防止できる。
【０１２６】
また、Ｖピット１５の始点がＭＱＷ発光層１４の下側に位置するため、アンドープバリア層の層数を増やして発光に寄与するＭＱＷ発光層１４の体積を増やすことができる。これにより、大電流駆動時での発光効率の低下を防止できる。
【０１２７】
［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１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及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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
［ｎ型窒化物半導体変調ドープ層と中間層（超格子層）の別の作用・効果について］
窒化物半導体発光素子１は、前述のように下部ｎ型窒化物半導体層８とＭＱＷ発光層１４との間に下部ｎ型窒化物半導体層８側からｎ型窒化物半導体変調ドープ層９、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０、多層構造体１２１及び中間層（超格子層）１２２の順に積層された構造が挿入されている。
【０１３０】
これにより、ｎ側電極２１とｐ側電極２５との間にＥＳＤ破壊の原因となる逆バイアス方向の高電圧が印加された場合であっても、空乏層がｎ型窒化物半導体変調ドープ層９及び中間層（超格子層）１２２側に伸長する。したがって、ＭＱＷ発光層１４に印加される逆バイアス電圧（電界）を低減することができる。
【０１３１】
そのため、ｎ側電極２１とｐ側電極２５との間に逆バイアス方向の高電圧が印加された場合でも、ＭＱＷ発光層１４に印加される電界が緩和される。結果として、ＥＳＤ破壊が生じる閾値電圧、すなわちＥＳＤ耐圧を高くすることができる。
【０１３２】
また、意図的にＶピット１５を導入しない構成の場合でも、順方向バイアス電圧印加時のリーク電流の増大及びＶピット１５による発光面積の低下を抑えることができる。これにより、上記の問題による発光特性の低下を有効に防止することができる。
【０１３３】
また、上記作用、効果はｎ型窒化物半導体変調ドープ層９及び中間層（超格子層）１２２の双方を用いた場合について説明したが、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９または中間層（超格子層）１２２のいずれか一方のみを用いても良い。ただし、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９及び中間層（超格子層）１２２の双方を用いた場合にはＥＳＤ耐圧をより高くすることができるとともに、順方向バイアス電圧印加時のリーク電流の増大及びＶピット１５による発光面積の低下をより効果的に抑えることができる。
【０１３４】
［窒化物半導体発光素子の製造方法］
続いて、窒化物半導体発光素子１の製造方法を説明する。
【０１３５】
まず、例えばスパッタ法などにより、基板３の上にバッファ層５を形成する。次に、例えばＭＯＣＶＤ法などにより、バッファ層５の上に第１の窒化物半導体下地層７ａ、バッファ層５及び第１の窒化物半導体下地層７ａのそれぞれの表面に接するようにして設けられた第２の窒化物半導体下地層７ｂ、下部ｎ型窒化物半導体層８、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０、多層構造体１２１、中間層（超格子層）１２２、ＭＱＷ発光層１４、ｐ型窒化物半導体層１６、ｐ型窒化物半導体層１７及びｐ型窒化物半導体層１８を順に形成する。
【０１３６】
次に、下部ｎ型窒化物半導体層８の一部分が露出するように、ｐ型窒化物半導体層１８、ｐ型窒化物半導体層１７、ｐ型窒化物半導体層１６、ＭＱＷ発光層１４、中間層（超格子層）１２２、多層構造体１２１、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９及び下部ｎ型窒化物半導体層８の一部をエッチングする。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８の上面にｎ側電極２１を形成する。
【０１３７】
また、ｐ型窒化物半導体層１８の上面に透明電極２３とｐ側電極２５とを順に積層する。その後、透明電極２３及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、透明保護膜２７を形成する。これにより、図１に示す窒化物半導体発光素子が得られる。なお、各層の組成及び厚さなどは上記［窒化物半導体発光素子の構成］で示した通りである。
【０１３８】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の形成方法は特に限定されないが、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９及び下部ｎ型窒化物半導体層８の成長温度（第１の成長温度）よりも低い温度（第２の成長温度）で低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０を成長することが好ましい。具体的に言えば、（第１の成長温度−第２の成長温度）を５０℃以上とすることが好ましく、１００℃以上とすることがより好ましい。別の言い方をすると、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度を９２０℃以下とすることが好ましく、８６０℃以下とすることがより好ましく、８２０℃以下とすることがさらに好ましい。また、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度を６００℃以上とすることが好ましく、７００℃以上とすることがより好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の膜質はｎ型窒化物半導体変調ドープ層９の膜質よりも低下するため、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０のＶピット形成効果が増大する。これにより、ＭＱＷ発光層１４にＶピット１５が形成されることとなる。
【０１３９】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度が低すぎると、ＭＱＷ発光層１４における発光効率が低下することがある。そのため、（第１の成長温度−第２の成長温度）を４００℃以下とすることが好ましく、３００℃以下とすることがさらに好ましい。  
【０１４０】
また、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９よりもｎ型ドーパント濃度を高くして低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０を形成しても良い。この場合であっても、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０のＶピット形成効果が増大する。これにより、ＭＱＷ発光層１４にＶピット１５が形成されることとなる。ｎ型ドーパント濃度に関しては上記［低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）］で示したとおりである。
【０１４１】
多層構造体１２１の形成方法は特に限定されないが、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度（第２の成長温度）以下の温度（第３の成長温度）で多層構造体１２１を成長することが好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができるので、ＥＳＤに起因する不良率の低減を図ることができる。この効果を有効に得るためには、第３の成長温度を６００℃以上とすることが好ましく、第３の成長温度を６００℃以上９００℃以下とすることがより好ましい。
【０１４２】
中間層（超格子層）１２２の形成方法は特に限定されないが、多層構造体１２１の成長温度（第３の成長温度）以下の温度（第４の成長温度）で中間層（超格子層）１２２を成長することが好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができる。この効果を有効に得るためには、第４の成長温度を６００℃以上９００℃以下とすることが好ましく、第４の成長温度を６００℃以上８００℃以下とすることがより好ましい。
【０１４３】
低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度（第２の成長温度）、多層構造体１２１の成長温度（第３の成長温度）及び中間層（超格子層）１２２の成長温度（第４の成長温度）は互いに同一であることが好ましい。これにより、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０で発生したＶピット１５の大きさを大きくすることができるという効果を得ることができる。この効果を有効に得るためには、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０の成長温度（第２の成長温度）、多層構造体１２１の成長温度（第３の成長温度）及び中間層（超格子層）１２２の成長温度（第４の成長温度）は、６００℃以上９００℃以下であることが好ましく、６００℃以上８５０℃以下であることがより好ましい。
【実施例１】
【０１４４】
続いて、本実施形態の具体的な実施例１を説明する。なお、本実施形態は以下に示す実施例に限定されない。【０１４５】
［製造工程］
実施例１の窒化物半導体発光素子１の製造工程は以下のとおりである。【０１４６】
まず、凸部３Ａ及び凹部３Ｂ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３からなるウエハを準備した。凸部３Ａは平面視略円形をなし、隣り合う３個の凸部３Ａが平面視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３Ａの頂点の間隔は２μｍである。【０１４７】
基板３の凹凸加工方法について詳述する。基板３上に図４に示す凸部３Ａの平面配置を規定したマスクを形成した。そして、このマスクを用いて基板３の表面をドライエッチングして図４に示す平面配置に凹部３Ｂを形成した。【０１４８】
これにより、基板３の表面の凸部３Ａは基板３の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向（＜１１−２０＞方向）に配列されるとともに、基板３の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の傾きをなす方向及び基板３の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の傾きをなす方向（いずれもｕ方向）にそれぞれ配列される。ここで、凸部３Ａは基板３の表面の平面視において、図４に破線で示した仮想三角形３ｔの頂点にそれぞれ位置しており、仮想三角形３ｔの３辺のそれぞれの辺の方向に周期的に配列される。【０１４９】
凸部３Ａの底面における平面形状は円形であった。基板３の表面の平面視において、隣り合う凸部３Ａの間隔は２μｍであって、凸部３Ａの底面における平面形状である円の直径は１．２μｍ程度であり、凸部３Ａの高さは０．６μｍ程度であった。さらに、基板３の表面の凸部３Ａ及び凹部３Ｂはそれぞれ図１に示す断面を有しており、凸部は先端部を有していた。【０１５０】
凸部３Ａ及び凹部３Ｂの形成後の基板３の表面に対してＲＣＡ洗浄を行った。そして、チャンバーにＲＣＡ洗浄後の基板３を設置してＮ２とＯ２とＡｒとを導入し、基板を６５０℃に加熱した。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３Ａ及び凹部３Ｂを有する基板３の表面上に、基板３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５を形成した。【０１５１】
バッファ層５が形成されたウエハ（基板３）を第１のＭＯＣＶＤ装置内に収容した。ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮからなる第１の窒化物半導体下地層７ａ及び第２の窒化物半導体下地層７ｂをバッファ層５の上面上に成長させ、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８ａを第２の窒化物半導体下地層７ｂの上面７ｂ１上に成長させた。このとき、下地層７全体の厚さを４μｍとし、下部ｎ型窒化物半導体層８ａの厚さを３μｍとし、下部ｎ型窒化物半導体層８ａにおけるｎ型ドーパント濃度を１×１０１９ｃｍ−３とした。【０１５２】
第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハ（基板３）を第２のＭＯＣＶＤ装置内に収容した。ウエハ温度を１０８１℃（第１の成長温度）に設定して、下部ｎ型窒化物半導体層８ｂを下部ｎ型窒化物半導体層８ａの上面上に成長させた。下部ｎ型窒化物半導体層８ｂはｎ型ドーパント濃度が１×１０１９ｃｍ−３であるｎ型ＧａＮ層であり、その厚さが１．５μｍである。【０１５３】
ウエハ温度を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８ｂ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ＧａＮ層９Ａ、ｎ型ドーパント濃度：１×１０１９ｃｍ−３）、厚さ８７ｎｍのアンドープＧａＮからなる窒化物半導体層（ＧａＮ層９Ｂ）、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ＧａＮ層９Ａ、ｎ型ドーパント濃度：１×１０１９ｃｍ−３）、厚さ８７ｎｍのアンドープＧａＮからなる窒化物半導体層（ＧａＮ層９Ｂ）をこの順にＭＯＣＶＤ法により結晶成長させて、ｎ型窒化物半導体変調ドープ層９を積層した。【０１５４】
次に、ウエハ温度を８０１℃（第２の成長温度）に設定して、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０をｎ型窒化物半導体変調ドープ層９の上面上に成長させた。具体的には、ｎ型ドーパント濃度が１×１０１９ｃｍ−３になるように、厚さ２５ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を成長させた。【０１５５】
ウエハの温度を８０１℃（第３の成長温度）に保持した状態で、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ＩｎＧａＮ層、厚さ３０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層、厚さ７ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ層、及び厚さ２０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を交互に２層ずつ積層して多層構造体１２１とした。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７×１０１７ｃｍ−３とした。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を、次に成長させる中間層（超格子層）１２２を構成するナローバンドギャップ層１２２ＢのＩｎ組成比と同じとした。【０１５６】
引き続き、ウエハの温度を８０１℃（第４の成長温度）に保持した状態で、中間層（超格子層）１２２を成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層１２２ＡとＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層１２２Ｂ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１２２Ａの厚さは１．５５ｎｍであった。各ナローバンドギャップ層１２２Ｂの厚さは１．５５ｎｍであった。【０１５７】
各ワイドバンドギャップ層１２２Ａにおけるｎ型ドーパント濃度は、ＭＱＷ発光層１４側に位置するワイドバンドギャップ層１２２Ａの５層が１×１０１９ｃｍ−３であり、それよりも基板３側に位置するワイドバンドギャップ層１２２Ａが０ｃｍ−３（アンドープ）であった。【０１５８】
各ナローバンドギャップ層１２２Ｂにおけるｎ型ドーパント濃度は、ＭＱＷ発光層１４側に位置するナローバンドギャップ層１２２Ｂの５層が１×１０１９ｃｍ−３であり、それよりも基板３側に位置するナローバンドギャップ層１２２Ｂが０ｃｍ−３（アンドープ）であった。また、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１２２Ｂの組成はＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０４）であった。【０１５９】
次に、ウエハ温度を６７２℃に下げて、ＭＱＷ発光層１４を成長させた。具体的には、バリア層１４ＡとＩｎＧａＮからなる井戸層１４Ｗとを交互に成長させ、井戸層１４Ｗを８層成長させた。各バリア層１４Ａの厚さは４．２ｎｍであった。最初のバリア層１４Ａｚ及びバリア層１４Ａ７におけるｎ型ドーパント濃度は４．３×１０１８ｃｍ−３であり、その他のバリア層１４Ａ６、１４Ａ５、・・・、１４Ａ１はアンドープとした。【０１６０】
なお、最初のバリア層１４Ａｚの厚さは中間層（超格子層）１２２のうち最もＭＱＷ発光層１４側に位置するナローバンドギャップ層１２２Ｂを形成する目的で、また中間層（超格子層）１２２の組数に含まれないワイドバンドギャップ層１２２Ａの作用を持たせる目的で、バリア層１４Ａ７の厚さよりも厚くしても良い（例えば厚さ５．０５ｎｍ）。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の上部（最初のバリア層１４Ａｚの上面から１．５５ｎｍ離れた領域）において１×１０１９ｃｍ−３とし、最初のバリア層１４Ａｚの下部（最初のバリア層１４Ａｚの上部以外の部分）において４．３×１０１８ｃｍ−３としても良い。【０１６１】
また、バリア層１４Ａ７の下部（バリア層１４Ａ７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、バリア層１４Ａ７の上部（バリア層１４Ａ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、バリア層１４Ａ７の上部をアンドープとすることにより、井戸層１４Ｗ７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。【０１６２】
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。各井戸層１４Ｗの厚さは２．７ｎｍとした。また、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、井戸層１４ＷにおけるＩｎの組成ｘを設定した。【０１６３】
次に、最上層の井戸層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。【０１６４】
ウエハ温度を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１６、１７、１８として、それぞれｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型コンタクト層を成長させた。【０１６５】
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。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。【０１６６】
そして、下部ｎ型窒化物半導体層８の一部分が露出するように、ｐ型コンタクト層（ｐ型窒化物半導体層１８）、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層１７）、ｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層１６）、ＭＱＷ発光層１４、中間層（超格子層）１２２、多層構造体１２１、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０及びｎ型窒化物半導体変調ドープ層９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８の上面上にＡｕからなるｎ側電極２１を形成した。また、ｐ型コンタクト層１８の上面上に、ＩＴＯからなる透明電極２３とＡｕからなるｐ側電極２５とを順に形成した。また、主として透明電極２３及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からなる透明保護膜２７を形成した。【０１６７】
次に、ウエハを６２０×６８０μｍサイズのチップに分割した。これにより、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１が得られた。【０１６８】
［評価］
上記製造方法で得た窒化物半導体発光素子１をＴＯ−１８型ステムにマウントし、樹脂封止を行なわずに窒化物半導体発光素子１の光出力を測定した。２５℃の環境下において８５ｍＡで窒化物半導体発光素子１を駆動させたところ、駆動電圧３．２０Ｖで光出力Ｐ（２５）＝１０１．５ｍＷ（ドミナント波長４４９ｎｍ）が得られた。また、この窒化物半導体発光素子を８０℃の環境下において８５ｍＡで駆動したところ、光出力Ｐ（８０）＝９８．９ｍＷが得られた。これにより、光出力Ｐに係る温度特性がＰ（８０）／Ｐ（２５）＝９７．４％となった。なお、この説明において、２５℃の環境下における光出力ＰをＰ（２５）と表記し、８０℃の環境下における光出力ＰをＰ（８０）と表記する。【０１６９】
さらに、１２０ｍＡの大電流駆動時における効果を調べるために、下地層７の成長装置及び成長条件を変更していくつかの窒化物半導体発光素子１（チップサイズ：６２０×６８０μｍ）を作成した。そして、上記と同様に光出力Ｐ（２５）、Ｐ（８０）の測定を行って各々の温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）を求めた。【０１７０】
また、比較例として、ＡｌＯＮバッファ層に替えてＭＯＣＶＤ法による低温成長ＧａＮ層を用い、他は同じ構造の窒化物半導体発光素子を作成し、同様に温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）を求めて比較した。また、各実施例及び比較例において、ＧａＮ結晶の（００４）面及びＧａＮ結晶の（１０２）面をそれぞれ反射面とする、Ｘ線のロッキングカーブ半値幅：ω（００４）、ω（１０２）の測定を行った。ただし、（００４）及び（１０２）は結晶方向である。実施例１〜５の電流密度：Ｊ（Ａ／ｃｍ２）に対する温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）の変化を図５に、Ｘ線のロッキングカーブ半値幅：ω（００４）、ω（１０２）及びω（００４）、ω（１０２）に対応する転位密度と、図５の１２０ｍＡ駆動時における温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）の関係を表１に示す。なお、本実施形態の窒化物半導体発光素子１において、ω（００４）では螺旋転位が支配的であり、ω（１０２）では刃状転位が支配的となる。【０１７１】
【表１】
2013187171.tif 000003
【０１７２】
表１から明らかなように、本実施形態により、Ｘ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）、ω（１０２）が小さいほど、温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が１００％に近づくことが分かった。また、Ｘ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）、ω（１０２）とω（００４）、ω（１０２）に対応する転位密度とは、ωをそれぞれＸ（００４）、Ｘ（１０２）、転位密度をそれぞれＹ（００４、Ｙ（１０２）とすると、各々にＹ（００４）＝２００９．５Ｘ（００４）２、Ｙ（１０２）＝９２６１．７Ｘ（１０２）２−１６７１．６Ｘ（１０２）の相関関係があることが分かった。【０１７３】
このようにして、窒化物半導体発光素子１の製造工程における各層構成やパラメータ条件を規定してＸ線のロッキングカーブ半値幅ωを制御することにより、大電流駆動時においても温度特性が良好な窒化物半導体発光素子１を得ることができた。【０１７４】
例えば、１２０ｍＡの大電流駆動時において、ω（００４）を４０ａｒｃｓｅｃ以下、またはω（１０２）を１３０ａｒｃｓｅｃ以下にする。このときのω（００４）、ω（１０２）に対応する転位密度は、各々単位平方センチあたり、３．２×１０６以下、１．６×１０８以下である。また、より好ましくは、ω（００４）を３５ａｒｃｓｅｃ以下、またはω（１０２）を１１０ａｒｃｓｅｃ以下にする。このときのω（００４）、ω（１０２）に対応する転位密度は、各々単位平方センチあたり、２．５×１０６以下、１．１×１０８以下である。このようにωの値（或いは転位密度の値）を規定することにより、温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上の優れた窒化物半導体発光素子１を得ることができる。なお、Ｘ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）、ω（１０２）は理想状態で測定してもゼロになることはなく、例えばω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下であることは「０＜ω（００４）≦４０［ａｒｃｓｅｃ］」を意味し、ω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下であることは「０＜ω（１０２）≦１３０［ａｒｃｓｅｃ］」を意味する。【０１７５】
また、Ｘ線のロッキングカーブ半値幅ωが上記範囲内で、ＭＱＷ発光層１４のバリア層（Ｓｉアンドープバリア層）の層数を変化させ、ＭＱＷ発光層１４のバリア層の層数と窒化物半導体発光素子の温度特性との関係を調べた。その結果を図６に示す。図６では、横軸がＭＱＷ発光層１４のバリア層の層数を表し、左の縦軸が８０℃環境下での駆動電流８０ｍＡにおける発光効率ηを表し、右の縦軸が２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比（Ｐ（８０）／Ｐ（２５））を表している。なお、この時のＸ線のロッキングカーブ半値幅ωは、いずれの場合もω（００４）が２５．２〜２６．５ａｒｃｓｅｃの範囲内、ω（１０２）が９４．９〜９７．８ａｒｃｓｅｃの範囲内であった。図６中において、（Ｖｐｉｔ）は低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０が設けられていることを意味し、（ｒｅｆ）は低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０が設けられていないことを意味する。【０１７６】
図６に示すように、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０が設けられている構造では、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０が設けられていない構造に比べて、ＭＱＷ発光層１１４のバリア層（Ｓｉアンドープバリア層）の層数が４以上６以下において、温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が特に向上することが分かった。また、予想温度ライン（図６の上側の破線）を外挿することにより、ＭＱＷ発光層１４のバリア層（Ｓｉアンドープバリア層）の層数が７以上９以下であっても良好な温度特性が得られると推定される。【０１７７】
上記結果より、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０を設けた窒化物半導体発光素子１の構造で、ω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下、またはω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下のとき、より好ましくはω（００４）が３５ａｒｃｓｅｃ以下、またはω（１０２）が１１０ａｒｃｓｅｃ以下のとき、アンドープバリア層（或いは僅かにドープさせたライトドープバリア層）の層数を２層以上、好ましくは４層以上とすることで、温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）を９５％以上の窒化物半導体発光素子１を得ることが可能になる。なお、上記「ライトドープ」とは、ドーパント濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下の場合を意味している。【０１７８】
通常大電流駆動すると、窒化物半導体発光素子の温度も比例して高くなる。従来技術の窒化物半導体発光素子は、大電流で駆動して電流密度が１０Ａ／ｃｍ２を超えると、図５から分かるように温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９０％付近で頭打ちになるか、初期特性が良くても電流密度が大きくなると特性が劣化する傾向にある。【０１７９】
一方、本実施形態によれば、従来技術の窒化物半導体発光素子のような２０ｍＡ程度の低電流駆動領域にて発光するものや、電流密度が１０Ａ／ｃｍ２程度で発光させるものとは異なり、電流密度が２０Ａ／ｃｍ２以上、好ましくは３０Ａ／ｃｍ２以上の領域で駆動させても、温度特性：Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上の窒化物半導体発光素子１を得ることができる。【０１８０】
つまり、例えばチップサイズが６２０×６８０μｍの窒化物半導体発光素子１を１２０ｍＡ以上の大電流領域（電流密度≒３０．７Ａ／ｃｍ２）で駆動させた場合でも窒化物半導体発光素子１の光出力が高いことが発明のポイントのひとつとなっている。【０１８１】
以上、本発明の実施形態及び実施例につき説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法において利用可能である。
【符号の説明】
【０１８３】
１    窒化物半導体発光素子
３    基板
３ａ    凸部
３ｂ    凹部
５    バッファ層
７    下地層
７ａ  第１の窒化物半導体下地層
７ｂ  第２の窒化物半導体下地層
８ａ、８ｂ  下部ｎ型窒化物半導体層
９    ｎ型窒化物半導体変調ドープ層
１０  低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）
１４  ＭＱＷ発光層（発光層）
１４Ａ  バリア層
１４Ｗ  井戸層
１５  Ｖピット
１６、１７、１８  ｐ型窒化物半導体層
２１  ｎ側電極
２３  透明電極
２５  ｐ側電極
２７  透明保護膜
３０  メサ部
１２１  多層構造体
１２２  中間層である超格子層
１２２Ａ  ワイドバンドギャップ層
１２２Ｂ  ナローバンドギャップ層
【図１】
2013187171.tif 000004
【図２】
2013187171.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013187171.tif 000008
【図６】
2013187171.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月28日(2014.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられた下地層と、
前記下地層上に設けられたｎ側窒化物半導体層と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体発光素子であって、
窒化物半導体発光素子を構成する各層の結晶面である（００４）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下、または（１０２）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下であり、同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
電流密度が２０Ａ／ｃｍ2以上の大電流領域で駆動させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記バッファ層は、ＡｌＮまたはＡｌＯＮからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板は、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを前記バッファ層が設けられる表面に有し、
前記バッファ層上に設けられた前記下地層は、前記基板の前記凹部上に形成され斜めファセット面を備えた第１の下地層と、前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように形成された第２の下地層とを備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸からなるとともに、アンドープバリア層或いはｎ型ドーパントが２×１０17ｃｍ-3以下ドープされたライトドープバリア層を４層以上備え、
同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記バリア層は、厚さが３ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ側窒化物半導体層は、前記発光層の下に中間層を備えるとともに、前記中間層の下に多層構造体を備え、
前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなり、
前記多層構造体は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層と、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ型窒化物半導体変調ドープ層とを備え、
前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層は、少なくとも前記下部ｎ型窒化物半導体層よりもｎ型ドーパント濃度の低い窒化物半導体層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に前記下部ｎ型窒化物半導体層より５０℃〜４００℃低温で成長する低温ｎ型窒化物半導体層とを備え、
前記低温ｎ型窒化物半導体層は、前記ｎ型窒化物半導体層よりも１．１倍以上ｎ型ドーパント濃度が高いことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記発光層の下に中間層を備え、
前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなる超格子層であって、
前記中間層は、前記発光層側に位置する少なくとも２層の窒化物半導体層がｎ型半導体層からなり、そのｎ型半導体層よりも前記基板側に位置する窒化物半導体層がアンドープ層からなることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
ｎ側窒化物半導体層と、発光層と、ｐ側窒化物半導体層とが設けられてなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
基板表面上に、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを設ける工程と、
前記基板上にスパッタ法によりＡｌＮまたはＡｌＯＮバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上にＭＯＣＶＤ法により下地層を設ける工程と、
前記下地層上に前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に発光層を設ける工程と、
前記発光層上にｐ側窒化物半導体層を設ける工程と、
を含み、
前記下地層を設ける工程は、
前記基板の前記凹部上に斜めファセット面を備える第１の下地層を設ける工程と、
前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように第２の下地層を設ける工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程は、
第１の成長温度で下部ｎ型窒化物半導体層及びｎ型窒化物半導体変調ドープ層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層の上に前記第１の成長温度よりも５０℃〜４００℃低い第２の成長温度で低温ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記低温ｎ型窒化物半導体層の上に前記第２の成長温度以下の第３の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層が積層されてなる多層構造体を形成する工程と、
前記多層構造体の上に前記第３の成長温度以下の第４の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層の超格子からなる中間層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月16日(2015.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられた下地層と、
前記下地層上に設けられたｎ側窒化物半導体層と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体発光素子であって、
窒化物半導体発光素子を構成する各層の結晶面である（００４）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（００４）が４０ａｒｃｓｅｃ以下、または（１０２）面についてのＸ線のロッキングカーブ半値幅ω（１０２）が１３０ａｒｃｓｅｃ以下であり、同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
電流密度が２０Ａ／ｃｍ2以上の大電流領域で駆動させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記バッファ層は、ＡｌＮまたはＡｌＯＮからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板は、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを前記バッファ層が設けられる表面に有し、
前記バッファ層上に設けられた前記下地層は、前記基板の前記凹部上に形成され斜めファセット面を備えた第１の下地層と、前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように形成された第２の下地層とを備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸からなるとともに、アンドープバリア層或いはｎ型ドーパントが２×１０17ｃｍ-3以下ドープされたライトドープバリア層を４層以上備え、
同一動作電流における２５℃における光出力Ｐ（２５）と８０℃における光出力Ｐ（８０）との比率Ｐ（８０）／Ｐ（２５）が９５％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記バリア層は、厚さが３ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ側窒化物半導体層は、前記発光層の下に中間層を備えるとともに、前記中間層の下に多層構造体を備え、
前記中間層は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなり、
前記多層構造体は、複数の窒化物半導体層が積層されて構成され、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層と、前記中間層を構成する各層よりも膜厚が厚く、隣接する別の窒化物半導体層に対してバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層とが交互に積層されてなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ側窒化物半導体層は、下部ｎ型窒化物半導体層と、前記下部ｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ型窒化物半導体変調ドープ層とを備え、
前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層は、少なくとも前記下部ｎ型窒化物半導体層よりもｎ型ドーパント濃度の低い窒化物半導体層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
ｎ側窒化物半導体層と、発光層と、ｐ側窒化物半導体層とが設けられてなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
基板表面上に、複数の凹部と隣り合う前記凹部の間に配置された複数の凸部とを設ける工程と、
前記基板上にスパッタ法によりＡｌＮまたはＡｌＯＮバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上にＭＯＣＶＤ法により下地層を設ける工程と、
前記下地層上に前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に発光層を設ける工程と、
前記発光層上にｐ側窒化物半導体層を設ける工程と、
を含み、
前記下地層を設ける工程は、
前記基板の前記凹部上に斜めファセット面を備える第１の下地層を設ける工程と、
前記第１の下地層及び前記基板の前記凸部を覆うように第２の下地層を設ける工程と、
を含み、
前記ｎ側窒化物半導体層を設ける工程は、
第１の成長温度で下部ｎ型窒化物半導体層及びｎ型窒化物半導体変調ドープ層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体変調ドープ層の上に前記第１の成長温度よりも５０℃〜４００℃低い第２の成長温度で低温ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記低温ｎ型窒化物半導体層の上に前記第２の成長温度以下の第３の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層が積層されてなる多層構造体を形成する工程と、
前記多層構造体の上に前記第３の成長温度以下の第４の成長温度でバンドギャップエネルギーが異なる複数の窒化物半導体層の超格子からなる中間層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【国際調査報告】
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