(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、ｎ型窒化物半導体層と、Ｖピット発生層と、中間層と、多重量子井戸発光層と、ｐ型窒化物半導体層とがこの順で設けられてなる窒化物半導体発光素子であって、
前記基板は、上面に凹凸形状を有するサファイア基板からなり、
前記多重量子井戸発光層は、バリア層と該バリア層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層とを交互に積層して構成された層であり、
前記多重量子井戸発光層には、部分的にＶピットが形成されており、
前記Ｖピット発生層と前記中間層との間には、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る多層構造体が設けられており、
前記多層構造体は、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を交互に積層してなり、
前記Ｖピット発生層に接して、前記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この順で設けられており、
前記Ｖピットの始点の平均的な位置は、前記中間層内であって、前記中間層の厚さ方向中央付近よりも前記Ｖピット発生層側に位置し、
前記Ｖピット発生層のｎ型ドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記多層構造体は、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）層とを交互に積層してなる請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記多層構造体は、Ｇａj3Ｉｎ(1-j3)Ｎ（０＜ｊ３＜１）層とＧａＮ層とを交互に積層してなる請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記多層構造体を構成する窒化物半導体層は、いずれも、ｎ型不純物を含み、
前記多層構造体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、前記Ｖピット発生層におけるｎ型ドーパント濃度よりも低い請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記多層構造体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、７×１０17ｃｍ-3以下である請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記バンドギャップエネルギーの異なる複数の窒化物半導体層は、アンドープ層である請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型窒化物半導体層と前記Ｖピット発生層との間に、更に第２の多層構造体が設けられており、
前記第２の多層構造体は、ドーパント濃度が前記Ｖピット発生層におけるドーパント濃度と同一であるドープ層とアンドープ層とを交互に積層してなる請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記多層構造体におい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およ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、前記多層構造体は２組以上の前記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および前記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請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記多層構造体において、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の１／５倍以上１／２倍以下である請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記中間層は、ワイドバンドギャップ層と該ワイドバンドギャップ層よりもバンドギャップエネルギーの小さいナローバンドギャップ層とを交互に積層して構成された超格子層である請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記超格子層を構成する前記ナローバンドギャップ層は、その組成にＩｎを含み、
前記ナローバンドギャップ層におけるＩｎ組成比は、前記多層構造体を構成するＧａj3Ｉｎ(1-j3)Ｎ（０＜ｊ３＜１）層におけるＩｎ組成比と同じである請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記超格子層を構成する前記ワイドバンドギャップ層および前記ナローバンドギャップ層のうち、
前記多重量子井戸発光層側に位置する少なくとも２層はｎ型ドーパントを含み、
前記Ｖピット発生層側に位置する少なくとも２層はアンドープである請求項１０または１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記ワイドバンドギャップ層および前記ナローバンドギャップ層を１組としたとき、前記超格子層は２０組以上の前記ワイドバンドギャップ層および前記ナローバンドギャップ層を有し、
前記多重量子井戸発光層側に位置する５組の前記ワイドバンドギャップ層および前記ナローバンドギャップ層は、ｎ型ドーパントを含む請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
基板と、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型ドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であるＶピット発生層と、中間層と、多重量子井戸発光層と、ｐ型窒化物半導体層とがこの順で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、
上面に凹凸形状を有するサファイア基板上に、第１の成長温度で前記ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上に、前記第１の成長温度よりも低い第２の成長温度で前記Ｖピット発生層を形成する工程と、
前記Ｖピット発生層の上に、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相対的に小さな窒化物半導体層と前記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この順で複数設けら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の成長温度で前記中間層を形成する工程と、
前記中間層の上に、前記多重量子井戸発光層および前記ｐ型窒化物半導体層を順に形成する工程とを備える窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の成長温度は、前記第１の成長温度よりも５０℃以上低い請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第３の成長温度は、６００℃以上９００℃以下である請求項１４または１５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２、前記第３および前記第４の成長温度は同じである請求項１４〜１６のいずれか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およ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ため、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、または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として有用である。
【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。
【０００４】
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、よって取り扱いやすい材料としても注目されている。
【０００５】
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。電圧が窒化物半導体発光素子に印加されると、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、これにより、光が発生する。発光層は、単一量子井戸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（ＭＱＷ）構造からなっても良い。
【０００６】
ところで、窒化物半導体材料を用いた窒化物半導体発光素子には、Ｖピット（V  pit，V-shaped  pit、断面Ｖ字状の凹部）、Ｖディフェクト（V  defect）、またはinverted  hexagonal  pyramid  defectなどと呼ばれる形状の欠陥があることが知られている。
【０００７】
Ｖピットは欠陥であるため、一般にはその発生を抑制することにより、発光素子の特性が向上するのではないかと考えられる。しかし、特許文献１には、発光素子を構成する窒化物半導体層の表面上に複数の「六方ピラミッドキャビティ」を形成すれば、高効率の発光素子を提供できることが開示されている。
【０００８】
また、非特許文献１には、ＭＱＷ発光層におけるＶピット（V-shaped  pit）の作用が報告されている。これによれば、ＭＱＷ発光層内にＶピットがあると、Ｖピットの斜面における量子井戸幅が狭くなるため、量子井戸に注入された電子およびホールがＶピット内部の結晶欠陥である貫通転位に到達することが妨げられ、結果としてＭＱＷ発光層内における非発光再結合が抑制されるとされている。
【０００９】
さらに、非特許文献２には、Ｖピットの頂点の角度（apical  angle）が５６°であれば理想的であると報告されている。
【００１０】
ところで、ＭＱＷ発光層の構成として、たとえば特許文献２には、アンドープＧａＮバリア層とｎ型不純物（本願におけるｎ型ドーパントに相当）がドープされたＩｎＧａＮ量子井戸層とが順次積層されてなる活性層（本願における発光層に相当）が記載されている。また、特許文献２には、アンドープＧａＮバリア層が上記ＩｎＧａＮ量子井戸層と接する界面に拡散防止膜が設けられていることが記載されており、また、この拡散防止膜がＩｎＧａＮ量子井戸層よりも低濃度のｎ型不純物を含むことも記載されている。
【００１１】
また、特許文献３には、活性層がｎ型不純物を含んでいることが記載されており、ｎ層側に位置する活性層におけるｎ型不純物濃度がｐ層側に位置する活性層におけるｎ型不純物濃度よりも高ければ、ｎ層側から活性層へのドナーの供給を補うことができ、発光出力の高い窒化物半導体素子が得られるということも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２７７４２３号公報
【特許文献２】特開２００５−１０９４２５号公報
【特許文献３】特開２００５−０５７３０８号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】A.  Hangleiter,  F.  Hitzel,  C.  Netzel,  D.  Fuhrmann,  U.  Rossow,  G.  Ade,  and  P.  Hinze,  “Suppression  of  Nonradiative  Recombination  by  V-Shaped  Pits  in  GaInN/GaN  Quantum  Wells  Produces  a  Large  Increase  in  the  Light  Emission  Efficiency”,  Physical  Review  Letters  95,  127402  (2005)
【非特許文献２】M.  Shiojiri,  C.  C.  Chuo,  J.  T.  Hsu,  J.  R.  Yang  and  H.  Saijo,  “Structure  and  formation  mechanism  of  V  defects  in  multiple  InGaN/GaN  quantum  well  layers”,  JOURNAL  OF  APPLIED  PHYSICS  99,  073505  (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の技術にしたがって窒化物半導体発光素子を製造し、製造された窒化物半導体発光素子を高温または大電流で駆動すると、発光効率の低下を招くことがある。そのため、単位電力当たりの発光効率（電力効率）の低下を招くことがある。
【００１５】
また、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ために発光層の体積を増加させると、ＥＳＤ（Electrostatic  Discharge）に起因する不良率が増加することがある。
【００１６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、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が防止されるとともにＥＳＤに起因する不良率の増加が防止された窒化物半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層とＶピット発生層と中間層と多重量子井戸発光層とｐ型窒化物半導体層とがこの順で設けられてなる。多重量子井戸発光層は、バリア層と該バリア層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層とを交互に積層して構成された層である。多重量子井戸発光層には、部分的にＶピットが形成されている。Ｖピット発生層と中間層との間には、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る多層構造体が設けられている。Ｖピットの始点の平均的な位置は、中間層内であって、その多くが中間層の厚さ方向中央付近よりもＶピット発生層側に位置する。なお、多層構造体は、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積層されてなることが好ましい。
【００１８】
多層構造体は、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）層とを交互に積層してなることが好ましい。
【００１９】
多層構造体は、Ｇａj3Ｉｎ(1-j3)Ｎ（０＜ｊ３＜１）層とＧａＮ層とを交互に積層してなることが好ましい。
【００２０】
多層構造体を構成する窒化物半導体層は、いずれも、ｎ型不純物を含むことが好ましい。多層構造体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、Ｖピット発生層におけるｎ型ドーパント濃度よりも低いことが好ましく、より好ましくは７×１０17ｃｍ-3以下である。
【００２１】
バンドギャップエネルギーの異なる複数の窒化物半導体層はアンドープ層であることが好ましい。
【００２２】
ｎ型窒化物半導体層とＶピット発生層との間に、更に第２の多層構造体が設けられていることが好ましい。第２の多層構造体はドーパント濃度がＶピット発生層におけるドーパント濃度と同一であるドープ層とアンドープ層とを交互に積層してなることが好ましい。
【００２３】
多層構造体におい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およ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およ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。
【００２４】
多層構造体において、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の１／５倍以上１／２倍以下であることが好ましい。
【００２５】
中間層は、ワイドバンドギャップ層と該ワイドバンドギャップ層よりもバンドギャップエネルギーの小さいナローバンドギャップ層とを交互に積層して構成された超格子層であることが好ましい。
【００２６】
超格子層を構成するナローバンドギャップ層は、その組成にＩｎを含むことが好ましい。ナローバンドギャップ層におけるＩｎ組成比は、多層構造体を構成するＧａj3Ｉｎ(1-j3)Ｎ（０＜ｊ３＜１）層におけるＩｎ組成比と同じであることが好ましい。
【００２７】
超格子層を構成するワイドバンドギャップ層およびナローバンドギャップ層のうち、多重量子井戸発光層側に位置する少なくとも２層はｎ型ドーパントを含むことが好ましく、Ｖピット発生層側に位置する少なくとも２層はアンドープであることが好ましい。
【００２８】
ワイドバンドギャップ層およびナローバンドギャップ層を１組としたとき、超格子層は２０組以上のワイドバンドギャップ層およびナローバンドギャップ層を有することが好ましく、多重量子井戸発光層側に位置する５組のワイドバンドギャップ層およびナローバンドギャップ層はｎ型ドーパントを含むことが好ましい。
【００２９】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、第１の成長温度でｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層の上に第１の成長温度よりも低い第２の成長温度でＶピット発生層を形成する工程と、Ｖピット発生層の上に第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、多層構造体の上に第３の成長温度以下の第４の成長温度で中間層を形成する工程と、中間層の上に多重量子井戸発光層およびｐ型窒化物半導体層を順に形成する工程とを備える。
【００３０】
第２の成長温度は、第１の成長温度よりも５０℃以上低いことが好ましい。第３の成長温度は、６００℃以上９００℃以下であることが好ましい。第２、第３および第４の成長温度は同じであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、高温駆動時または大電流駆動時であっても発光効率の低下が防止されるとともに、ＥＳＤに起因する不良率の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略断面図である。
【図２】本発明の一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】本発明の一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エネルギー図である。
【図４】（ａ）は多層構造体を備えていないＶピット評価構造体の上面のＡＦＭ（Atomic  Force  Microscopy）の観察結果であり、（ｂ）は多層構造体を備えるＶピット評価構造体の上面のＡＦＭの観察結果である。
【図５】（ａ）はＶピット径ＷｖとＶピットの累積発生率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は図５（ａ）に示す結果に基づいてＶピット径ＷｖとＶピット深さｄｖとの関係を示すグラフであり、（ｃ）は図５（ａ）に示す結果に基づいてＶピット発生層とＶピットの始点との位置関係を示す断面図である。
【図６】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。
【図７】発光波長とＥＳＤに起因する不良率との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の別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エネルギー図である。
【図９】（ａ）は多層構造体を備えていないＶピット評価構造体の上面のＡＦＭの観察結果であり、（ｂ）は多層構造体を備えるＶピット評価構造体の上面のＡＦＭの観察結果である。
【図１０】（ａ）はＶピット径ＷｖとＶピットの累積発生率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は図１０（ａ）に示す結果に基づいてＶピット径ＷｖとＶピット深さｄｖとの関係を示すグラフであり、（ｃ）は図１０（ａ）に示す結果に基づいてＶピット発生層とＶピットの始点との位置関係を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
なお、以下では、「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」と記し、井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。
【００３４】
また、以下の実施の形態では、位置関係を表すため、図１の下側に記載した部分を下、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。
【００３５】
また、以下では「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およ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。
【００３６】
また、「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、膜中などに取り込まれない。
【００３７】
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、およ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。
【００３８】
＜第１の実施形態＞
図１および図２は、それぞれ、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１の概略断面図およ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。また、図３は、図１に示された窒化物半導体発光素子１のｎ型窒化物半導体層９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エネルギー図である。図３の縦軸方向は図１に示す窒化物半導体発光素子１の上下方向であり、図３の横軸のＥｇは各組成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。また、図３では、ｎ型ドーパントがドープされている層には斜線を付している。
【００３９】
［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では、基板３の上面上に、バッファ層５と、下地層７と、ｎ型窒化物半導体層８，９と、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いる。ｎ型窒化物半導体層９の一部と、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の外側においては、ｎ型窒化物半導体層９の上面の一部分がＶピット発生層１０および超格子層１２２などに覆われずに露出しており、その露出部分の上にｎ側電極２１が設けられている。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。窒化物半導体発光素子１のほぼ上面全体には、ｐ側電極２５および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。なお、窒化物半導体発光素子においては、断面の超高倍率ＳＴＥＭ（Scanning  Transmission  Electron  Microscopy）観察においてＶピットが必然的に発生することが認められるが、本実施形態においては後述するようにＶピット発生層１０を設けることによりＶピット１５をコントロールしている。
【００４０】
［基板］
基板３は、たとえば、サファイアのような絶縁性基板であっても良いし、ＧａＮ、ＳｉＣ、またはＺｎＯなどのような導電性基板であっても良い。成長時の基板３の厚さはたとえば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の厚さはたとえば５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。基板３の上面は、平坦であっても良いし、図１に示すように凸部３Ａおよび凹部３Ｂからなる凹凸形状を有していても良い。
【００４１】
［バッファ層］
バッファ層５は、たとえばＡｌsoＧａtoＮ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦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ＧａＮ層である。ただし、Ｎのごく一部（０．５〜２％）が酸素に置き換えられても良い。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。
【００４２】
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。
【００４３】
［下地層］
下地層７は、たとえばＡｌs1Ｇａt1Ｉｎu1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であることが好ましく、より好ましくはＡｌs1Ｇａt1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、ｓ１＋ｔ１≠０）層であり、さらに好ましくはＧａＮ層である。これにより、バッファ層５中に存在する結晶欠陥（たとえば転位など）がバッファ層５と下地層７との界面付近でループされ易くなり、よって、その結晶欠陥がバッファ層５から下地層７へ引き継がれることを防止できる。
【００４４】
下地層７は、ｎ型ドーパントを含んでいても良い。しかし、下地層７がｎ型ドーパントを含んでいなければ、下地層７の良好な結晶性を維持することができる。よって、下地層７はｎ型ドーパントを含んでいないことが好ましい。
【００４５】
下地層７の厚さを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い。
【００４６】
［ｎ型窒化物半導体層］
ｎ型窒化物半導体層８，９は、たとえば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。
【００４７】
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。
【００４８】
ｎ型窒化物半導体層８及び９における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。
【００４９】
ｎ型窒化物半導体層８，９の厚さが厚い方が、ｎ型窒化物半導体層８，９の抵抗は減少する。しかし、ｎ型窒化物半導体層８，９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、ｎ型窒化物半導体層８，９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。
【００５０】
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、ｎ型窒化物半導体層８，９を形成している。しかし、ｎ型窒化物半導体層の構成は特に限定されない。たとえば、ｎ型窒化物半導体層８とｎ型窒化物半導体層９とを連続して形成することによりｎ型窒化物半導体層を単層としても良いし、ｎ型窒化物半導体層が３層以上の積層構造を有していても良い。ｎ型窒化物半導体層８，９は、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、ｎ型窒化物半導体層８，９は、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。
【００５１】
［Ｖピット発生層］
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型窒化物半導体層９側に位置する層（本実施形態では超格子層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の底部を意味し、後述の図５（ｃ）に示す「ＶＳ」である。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の厚さ方向で平均化して得られた位置を意味している。
【００５２】
Ｖピット発生層１０は、たとえば、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、Ｖピット発生層１０の下に位置するｎ型窒化物半導体層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。具体的には、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、Ｖピット発生層１０の膜質がｎ型窒化物半導体層９の膜質よりも低下するため、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。
【００５３】
一方、Ｖピット発生層１０におけるｎ型ドーパント濃度を高くし過ぎると、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、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。
【００５４】
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、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。
【００５５】
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Ｖピット発生層１０がＩｎを含んでいる場合には、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、Ｖピット発生層１０の膜質がｎ型窒化物半導体層９の膜質よりも低下するため、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。
【００５６】
このような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。
【００５７】
［多層構造体］
図１に示す窒化物半導体発光素子では、Ｖピット１５の始点ＶＳはＭＱＷ発光層１４よりも下に位置する。よって、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により、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わかった。
【００５８】
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、Ｖピット発生層１０と発光に寄与するＭＱＷ発光層１４との間隔が狭くなり、結果的に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。そのため、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、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の生産性の低下を招くこともある。
【００５９】
また、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、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、高温駆動時およ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、次に示すことが考えられる。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ためである。
【００６０】
これらの課題に対して鋭意検討した結果、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、高温下およ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ことを見出した。以下では、多層構造体１２１の構成を説明する。
【００６１】
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、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、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、結果的に中間層１２２およびその上の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。
【００６２】
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、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、たとえば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り、よって、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。
【００６３】
多層構造体１２１は、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、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。
【００６４】
多層構造体１２１におい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（たとえば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。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（たとえば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因る悪影響が多層構造体１２１の上に成長する層に与えられることを防止できる。このような効果を有効に得るためには、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、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の厚さよりも薄いことが好ましく、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。
【００６５】
多層構造体１２１の一例としては、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、および厚さが２０ｎｍであるｎ型ＧａＮ層を順に積層して得られたものを挙げることができる。
【００６６】
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。たとえば、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。
【００６７】
さらに具体的には、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。
【００６８】
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出来る。よって、窒化物半導体発光素子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におけるＩｎ組成比と同じであることである。
【００６９】
多層構造体１２１では、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およ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およ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およ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の厚さを稼ぐことができるので、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。よって、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。
【００７０】
以上説明したように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、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。よって、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。それだけでなく、多層構造体１２１は、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構成されている。そのため、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。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。
【００７１】
なお、ｎ型窒化物半導体層９とＶピット発生層１０との間に、更に第２の多層構造体が設けられていることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層９とＶピット発生層１０との間に設けられる第２の多層構造体の構成としては、ドープ層とアンドープ層とが交互に積層されたものを挙げることができる。ここで、ドープ層およびアンドープ層は、ｎ型窒化物半導体層９と同じ温度で形成されることが好ましい。また、ドープ層におけるｎ型ドーパント濃度は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、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増加をさらに防止することができる。
【００７２】
［中間層（超格子層）］
Ｖピット発生層１０とＭＱＷ発光層１４の間には中間層が設けられており、本実施形態における中間層は超格子層１２２である。
【００７３】
本明細書における超格子層とは、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、超格子層１２２では、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とが交互に積層されて超格子構造を構成しており、その周期構造が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およ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。なお、超格子層１２２は、ワイドバンドギャップ層１２２Ａおよ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、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。
【００７４】
各ワイドバンドギャップ層１２２Ａは、たとえば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。
【００７５】
各ナローバンドギャップ層１２２Ｂは、たと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。
【００７６】
各ワイドバンドギャップ層１２２Ａおよ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。
【００７７】
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（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、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ので、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。
【００７８】
ワイドバンドギャップ層１２２Ａおよびナローバンドギャップ層１２２Ｂを１組としたとき、超格子層１２２は、２０組以上のワイドバンドギャップ層１２２Ａおよ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、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ので、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。
【００７９】
また、超格子層１２２が２０組以上のワイドバンドギャップ層１２２Ａおよ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およ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ので、光出力が向上し、また電圧低減効果が発揮される。
【００８０】
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、超格子層１２２をＶピット発生層１０とＭＱＷ発光層１４との間に設けると、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ため、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。よって、本発明では、Ｖピット発生層１０とＭＱＷ発光層１４との間に超格子層１２２を設けることが好ましい。好ましくは超格子層１２２の厚さが４０ｎｍ以上であり、より好ましくは超格子層１２２の厚さが５０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは超格子層１２２の厚さが６０ｎｍ以上である。一方、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、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。
【００８１】
［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し、ＭＱＷ発光層１４の上面におけるＶピット１５の数密度は、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ピットが形成されるが、この場合には、ＭＱＷ発光層の上面におけるＶピット数の密度は１×１０8ｃｍ-2未満である。
【００８２】
ＭＱＷ発光層１４は、図３に示すように、井戸層１４Ｗとバリア層１４Ａとが交互に積層されることによりバリア層１４Ａ（１４Ａ１，１４Ａ２，・・・，１４Ａ７）が井戸層１４Ｗ（１４Ｗ１，１４Ｗ２，・・・，１４Ｗ８）に挟まれて構成されたものであり、超格子層１２２の上に最初のバリア層１４Ａ’を介して設けられている。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が設けられている。なお、各バリア層１４Ａおよび各井戸層１４Ｗを識別するために、ｐ型窒化物半導体層１６から超格子層１２２へ向かって番号を振って井戸層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。
【００８３】
ＭＱＷ発光層１４は、バリア層１４Ａおよび井戸層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。
【００８４】
各井戸層１４Ｗの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子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、たとえば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。たとえば波長が３７５ｎｍ以下の紫外光を発光させる場合には、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、よって、各井戸層１４Ｗの組成はＡｌを含むこととなる。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、よって、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。また、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く、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。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。
【００８５】
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。よって、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。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。図１に示す窒化物半導体発光素子を照明用などの用途に使用するときには、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。たとえば、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。
【００８６】
各バリア層１４Ａ（図３に示す１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａ’、および最後のバリア層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（図３に示す１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａ’、および最後のバリア層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。
【００８７】
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１４Ａ’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。
【００８８】
各バリア層１４Ａ（図３に示す１４Ａ１〜１４Ａ７）および最初のバリア層１４Ａ’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（図３に示す１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａ’、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、各バリア層１４Ａ（図３に示す１４Ａ１〜１４Ａ７）、最初のバリア層１４Ａ’、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することがある。
【００８９】
井戸層１４Ｗの層数としては、特に限定されないが、例えば２以上２０以下であることが好ましく、３以上１５以下であることがより好ましく、４以上１２以下であることがさらに好ましい。
【００９０】
［ｐ型窒化物半導体層］
図１に示した構成では、ｐ型窒化物半導体層をｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７、および高濃度ｐ型ＧａＮ層１８の３層構造としているが、この構成は、ｐ型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、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。
【００９１】
ｐ型ドーパントは特に限定されないが、たと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。
【００９２】
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ので、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。
【００９３】
［ｎ側電極、透明電極、ｐ側電極］
ｎ側電極２１および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および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。
【００９４】
ｎ側電極２１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。
【００９５】
ｐ側電極２５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。
【００９６】
透明電極２３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。
【００９７】
［Ｖピットの始点］
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、大部分のＶピットの始点ＶＳは、後述の図５（ｃ）に示すＶピットＰ１のようにＭＱＷ発光層１４内に存在していない。つまり、図５（ａ）に示すＶピット径の分布から推定されるＶピットの始点位置は図５（ｂ）に示す分布Ｐ１を有しており、これにより過半数のＶピット１５の始点が超格子層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に注入された電子およびホールが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。よって、電子およ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。したがって、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。
【００９８】
詳細には、高温下では、ＭＱＷ発光層への注入キャリア（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、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、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（貫通転位の多くは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。よって、高温下での発光効率の低下を防止できる。
【００９９】
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。よって、大電流駆動時での発光効率の低下を防止できる。
【０１００】
［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まらない。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、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。
【０１０１】
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）にて深さ方向の濃度分布を測定することにより、容易に求まる。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、本発明の特許請求の範囲では、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。
【０１０２】
［窒化物半導体発光素子の製造方法］
以下では、図１に示す窒化物半導体発光素子の製造方法を示す。
【０１０３】
まず、たと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、たとえばＭＯＣＶＤ法などにより、バッファ層５の上に下地層７、ｎ型窒化物半導体層８、ｎ型窒化物半導体層９、Ｖピット発生層１０、多層構造体１２１、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、およびｐ型窒化物半導体層１８を順に形成する。それから、ｎ型窒化物半導体層９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、超格子層１２２、多層構造体１２１、Ｖピット発生層１０、およびｎ型窒化物半導体層９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ｎ型窒化物半導体層９の上面上にｎ側電極２１を形成する。また、ｐ型窒化物半導体層１８の上面上に、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、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、各層の組成および厚さなどは、上記［窒化物半導体発光素子の構成］で示した通りである。
【０１０４】
Ｖピット発生層１０の形成方法は特に限定されないが、ｎ型窒化物半導体層８およびｎ型窒化物半導体層９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）ででＶピット発生層１０を成長することが好ましい。具体的には、（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、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、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、Ｖピット発生層１０の膜質はｎ型窒化物半導体層９の膜質よりも低下するため、Ｖピット発生層１０のＶピット形成効果が増大する。よって、ＭＱＷ発光層１４にＶピット１５が形成されることとなる。
【０１０５】
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。
【０１０６】
また、ｎ型窒化物半導体層９よりもｎ型ドーパント濃度を高くして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、Ｖピット発生層１０のＶピット形成効果が増大する。よって、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［Ｖピット発生層］で示したとおりである。
【０１０７】
多層構造体１２１の形成方法は特に限定されないが、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、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。
【０１０８】
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、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。
【０１０９】
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）および中間層（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、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、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）および中間層（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８００℃以下であることがより好ましい。
【０１１０】
以下では、本実施形態の具体的な実施例を示す。なお、本実施形態は以下に示す実施例に限定されない。
【０１１１】
［第１の実施例における窒化物半導体発光素子およびＶピット評価構造体］
以下、第１の実施例における窒化物半導体発光素子１と、その検討用に作成したＶピット評価構造体とを製造工程に沿って記載する。Ｖピット評価構造体と第１の実施例との製造条件は若干異なる点があるが、以下では窒化物半導体発光素子１の製造条件を代表して記している。
【０１１２】
まず、凸部３Ａおよび凹部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は正三角形の断面形状を有しており、隣り合う凸部３Ａの頂点の間隔は２μｍであった。凹凸加工が施されたサファイア基板３の上面の上に、ＡｌＮからなるバッファ層５をスパッタ法により形成した。
【０１１３】
次に、バッファ層５が形成されたウエハを第１のＭＯＣＶＤ装置内に入れた。ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮからなる下地層７をバッファ層５の上面上に成長し、引き続いてＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層８を下地層７の上面上に成長した。このとき、下地層７の厚さを４μｍとし、ｎ型窒化物半導体層８の厚さを３μｍとし、ｎ型窒化物半導体層８におけるｎ型ドーパント濃度を６×１０18ｃｍ-3とした。
【０１１４】
第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハを第２のＭＯＣＶＤ装置内に入れた。ウエハの温度を１０８１℃（第１の成長温度）に設定して、ｎ型窒化物半導体層９をｎ型窒化物半導体層８の上面上に成長した。ｎ型窒化物半導体層９はｎ型ドーパント濃度が６×１０18ｃｍ-3であるｎ型ＧａＮ層であり、ｎ型窒化物半導体層９の厚さは１．５μｍであった。
【０１１５】
引き続き、ウエハの温度を８０１℃（第２の成長温度）に設定して、Ｖピット発生層１０をｎ型窒化物半導体層９の上面上に成長した。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層を成長した。
【０１１６】
引き続き、ウエハの温度を８０１℃（第３の成長温度）のままにして、多層構造体１２１を成長した。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、および厚さ２０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を交互に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、次に成長する中間層（超格子層）１２２を構成するナローバンドギャップ層のＩｎ組成比と同じとした。
【０１１７】
引き続き、ウエハの温度を８０１℃（第４の成長温度）のままにして、中間層（超格子層）１２２を成長した。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周期成長した。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。各ワイドバンドギャップ層１２２Ａにおけるｎ型ドーパント濃度については、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層においては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においては０ｃｍ-3（アンドープ）であった。
【０１１８】
各ナローバンドギャップ層１２２Ｂにおけるｎ型ドーパント濃度については、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層においては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においては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。
【０１１９】
次に、ウエハの温度を６７２℃に下げて、ＭＱＷ発光層１４を成長した。具体的には、バリア層１４ＡとＩｎＧａＮからなる井戸層１４Ｗとを交互に成長し、井戸層１４Ｗを８層成長した。各バリア層１４Ａの厚さは４．２ｎｍであった。最初のバリア層１４Ａ’およびバリア層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。
【０１２０】
なお、最初のバリア層１４Ａ’の厚さは、中間層である超格子層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、また中間層である超格子層１２２のペア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（たとえば５．０５ｎｍ）。また、最初のバリア層１４Ａ’におけるｎ型ドーパント濃度を、最初のバリア層１４Ａ’の上部（最初のバリア層１４Ａ’の上面から１．５５ｎｍ離れた領域）においては１×１０19ｃｍ-3とし、最初のバリア層１４Ａ’の下部（最初のバリア層１４Ａ’の上部以外の部分）においては４．３×１０18ｃｍ-3としても良い。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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）を成長した。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。
【０１２３】
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（厚さが１０ｎｍ）を成長した。なお、後述するＶピット評価構造体では、この時点で成長を止めて、その表面状態を評価している。
【０１２４】
次に、ウエハの温度を１０００℃に上げて、最後のバリア層１４Ａ０の上面上に、ｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８を成長した。
【０１２５】
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。
【０１２６】
そして、ｎ型窒化物半導体層９の一部分が露出するように、ｐ型コンタクト層１８、ｐ型ＧａＮ層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ＭＱＷ発光層１４、超格子層１２２、多層構造体１２１、Ｖピット発生層１０、およびｎ型窒化物半導体層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ｎ型窒化物半導体層９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。
【０１２７】
得られたウエハを３８０×４２０μｍサイズのチップに分割した。これにより、第１の実施例に係る窒化物半導体発光素子が得られた。
【０１２８】
得られた窒化物半導体発光素子を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を駆動したところ、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、Ｐ（８０）／Ｐ（２５）＝９７．４％となった。
【０１２９】
比較のため、多層構造体１２１を形成しないことを除いては上記第１の実施例に係る窒化物半導体発光素子と同一の方法にしたがって窒化物半導体発光素子（以下では第１の比較例における窒化物半導体素子と記す）を作製した。第１の比較例における窒化物半導体素子を２５℃の環境下において８５ｍＡで駆動したところ、駆動電圧３．２２Ｖで光出力Ｐ（２５）＝９９．０ｍＷ（ドミナント波長４４９ｎｍ）が得られた。また、第１の比較例における窒化物半導体素子を８０℃の環境下において８５ｍＡで駆動したところ、光出力Ｐ（８０）＝９５．５ｍＷが得られた。これにより、Ｐ（８０）／Ｐ（２５）＝９６．５％となった。このように、第１の実施例では、第１の比較例に比べて、２５℃での光出力および８０℃での光出力ともに上昇した。
【０１３０】
本発明者らは、この発明に至るための基礎実験として、Ｖピット１５の状態を観察するため、ＭＱＷ発光層１４で成長を止めてｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８を成長しないＶピット評価構造体（第１の実施例のＶピット評価構造体）を作製し、このＶピット評価構造体を用いてＶピット１５の状態を検討した。
【０１３１】
比較のため、多層構造体１２１を形成しないことを除いては上記第１の実施例のＶピット評価構造体と同一の方法にしたがってＶピット評価構造体（第１の比較例におけるＶピット評価構造体）を作製した。そして、第１の実施例のＶピット評価構造体および第１の比較例のＶピット評価構造体の各最上面をＡＦＭで観察した。図４（ａ）は、第１の比較例のＶピット評価構造体の最上面に対するＡＦＭ観察結果であり、図４（ｂ）は、第１の実施例のＶピット評価構造体の最上面に対するＡＦＭ観察結果である。なお、観察範囲は、どちらの場合も、縦および横とも１μｍの正方形で規定される範囲であった。
【０１３２】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第１の比較例のＶピット評価構造体の最上面においても第１の実施例のＶピット評価構造体の最上面においてもＶピット（図４（ａ）および図４（ｂ）における黒い点）が観察された。また、図４（ａ）におけるＶピットのメディアン径は６１．３ｍｍであったのに対して、図４（ｂ）におけるＶピットのメディアン径は９３．９ｍｍであった。このことから、多層構造体１２１を設けることによりＶピット径が有意に増大したことが分かる。なお、ＡＦＭ観察結果からＶピット径をそれぞれ求め、求められたＶピット径を用いてＶピットのメディアン径を求めた。
【０１３３】
本発明者らは、上記第１の実施形態では、Ｖピット発生層１０の形成条件として、下記（ｉ）および（ｉｉ）を提示している。しかし、本発明者らは、下記（ｉ）および下記（ｉｉ）のうちの一方の施策だけであっても、Ｖピット発生層１０を形成可能であることを確認している。具体的には、下記（ｉ）に関しては、上記第１の実施形態における［Ｖピット発生層］で記した通りである。また、下記（ｉｉ）に関しては、上記第１の実施形態における［窒化物半導体発光素子の製造方法］で記した通りである
（ｉ）：ｎ型窒化物半導体層９よりもｎ型ドーパント濃度を高くする。たとえば、ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーパント濃度を６×１０18ｃｍ-3とし、Ｖピット発生層１０におけるｎ型ドーパント濃度を１×１０19ｃｍ-3とする
（ｉｉ）：ｎ型窒化物半導体層９よりも成長温度を低くする。たとえば、ｎ型窒化物半導体層９の成長温度を１０８１℃とし、Ｖピット発生層１０の成長温度を８０１℃とする。
【０１３４】
また、本発明者らは、上記Ｖピット評価構造体の上面におけるＶピット径を測定し、その測定結果に基づきＶピット発生層１０とＶピット１５の始点との位置関係を検討した。その結果、Ｖピット発生層１０内にＶピット１５の始点が存在しないことを確認した。この点について、図５を用いて説明する。
【０１３５】
図５（ａ）はＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピットの累積発生率（％）との関係を示すグラフであり、構造Ｐ１（Ｖピット発生層１０と多層構造体１２１とを備えた構造（第１の実施例））および構造Ｎ（多層構造体１２１を備えていない構造（第１の比較例））のそれぞれにおけるＶピット径ＷｖとＶピットの累積発生率とをプロットしたものである。また、図５（ａ）には、Ｖピットの累積発生率が１０％である点を通る縦線とこの発生率が９０％である点を通る縦線とを引いている。図５（ａ）に示すように、構造ＮにおいてＶピットの累積発生率が１０％〜９０％であるときのＶピット径Ｗｖは５３ｎｍ以上６７ｎｍ以下であるのに対し、構造Ｐ１においてＶピットの累積発生率が１０％〜９０％であるときのＶピット径Ｗｖは８１ｎｍ以上１０２ｎｍ以下であった。これらのことから、構造Ｐ１では、構造Ｎに比べて、Ｖピット径Ｗｖが有意に大きいことがわかる。
【０１３６】
図５（ｂ）は図５（ａ）に示す結果に基づいてＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピット深さｄｖ（ｎｍ）との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）に示すＰ１は上記構造Ｐ１におけるＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピット深さｄｖ（ｎｍ）との関係を示し、図５（ｂ）におけるＮは上記構造ＮにおけるＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピット深さｄｖ（ｎｍ）との関係を示す。図５（ｂ）を用いて、Ｖピット径ＷｖからＶピット深さｄｖを求めた。具体的には、Ｖピット１５の始点ＶＳにおける頂点の角度（図５（ｃ）に示すθ）を５６゜とすればＶピット径（Ｗｖ）とＶピット深さ（ｄｖ）とがＷｖ／２＝ｄｖ×Ｔａｎ（５６゜／２）の関係を満たすということ（非特許文献２に記載）を用いて、Ｖピット深さｄｖを求めた。なお、この関係はＳＴＥＭによる実測値と一致している。
【０１３７】
図５（ｃ）は図５（ａ）に示す結果に基づいてＶピット発生層１０とＶピット１５の始点ＶＳとの位置関係を示す断面図であり、図５（ｃ）に示すＰ１は上記構造Ｐ１に形成されたＶピットであり、図５（ｃ）に示すＮは上記構造Ｎに形成されたＶピットである。なお、図５（ｃ）にはＶピットＰ１とＶピットＮとが同一のサンプルに形成されているように図示されているが、実際にはＶピットＰ１とＶピットＮとは同一のサンプルに形成されることはなく、別々のサンプルに形成されている。また、図５（ｃ）において、ＴＤは貫通転位（Threading  Dislocation）であり、θはＶピットの始点ＶＳにおける頂点の角度（５６゜）であり、ＶＳはＶピットの始点である。
【０１３８】
多層構造体１２１が設けられている場合には、ＶピットＰ１の始点ＶＳの大多数はＰ１10-90で表される範囲内に存在し、つまりＶピット発生層１０の上面から８０〜１０１ｎｍ程度上方に存在し、さらに別の言い方をすると超格子層１２２の厚さ方向中央よりも基板３側に存在する。一方、多層構造体１２１が設けられていない場合には、ＶピットＮの始点ＶＳの大多数はＮ10-90で表される範囲内に存在し、つまりＶピット発生層１０の上面から１１６〜１３０ｎｍ程度上方に存在する。このように多層構造体１２１が設けられている場合には、多層構造体１２１が設けられていない場合に比べてより深いＶピット１５を形成することができる。これらのことから、Ｖピット発生層１０と多層構造体１２１とを設けるとともに中間層としての超格子層１２２の厚さが４０ｎｍ以上であれば、Ｖピット１５の始点ＶＳの大多数は超格子層１２２厚さ方向中央付近よりも基板３側に存在する。超格子層１２２の厚さについては、上記第１の実施形態における［中間層（超格子層）］で示した通りである。
【０１３９】
本発明者らは、多層構造体１２１を設けた場合に窒化物半導体発光素子の特性が向上するメカニズムを以下のように推定している。Ｖピット発生層１０を設けると、Ｖピット１５の始点ＶＳの大多数が超格子層１２２の厚さ方向中央よりも基板３側となる。基板３側からＭＱＷ発光層１４の上面へ向かってＭＱＷ発光層１４を貫く貫通転位ＴＤは、発光層１４においてまたはバリア層１４Ａのうちアンドープ部分においてＶピット１５で覆われる。高温になると、ＭＱＷ発光層１４へ注入されるキャリア（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ＴＤへ到達する確率が増大する。しかし、Ｖピット発生層１０を備える窒化物半導体発光素子では、上述のようにＭＱＷ発光層１４内における貫通転位ＴＤの多くがＶピット１５で覆われるため、貫通転位ＴＤでの非発光再結合が抑制される。よって、窒化物半導体発光素子の高温特性が向上する（高温下における発光効率の低下が防止される）。これらの特性は、Ｖピット発生層１０がＭＱＷ発光層１４から離間すればするほど、向上する。
【０１４０】
また、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高温特性との関係を調べた。その結果を図６に示す。図６では、横軸にＭＱＷ発光層１４のバリア層の層数をとり、左の縦軸には８０℃環境下での駆動電流８０ｍＡにおける発光効率ηをとり、右の縦軸には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））をとっている。なお、図６中において、（Ｖｐｉｔ）はＶピット発生層１０が設けられていることを意味し、（ｒｅｆ）はＶピット発生層１０が設けられていないことを意味する。
【０１４１】
図６に示すように、Ｖピット発生層１０が設けられている構造では、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わかった。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。
【０１４２】
［ＥＳＤに起因する不良率の評価］
上記第１の比較例の構造、つまり多層構造体１２１を形成しないことを除いては上記第１の実施例と同様の方法にしたがって作製されたＶピット評価構造体に対して、ＭＱＷ発光層におけるアンドープバリア層の層数を変化させてＥＳＤに起因する不良率の低減効果を検証した。図７には、発光波長とＥＳＤに起因する不良率との関係を示す。
【０１４３】
図７に示すように、多層構造体１２１を形成しない（図７中に記載の「１２１未形成」）場合は、アンドープバリア層の層数を３層、４層および６層と増やすにつれて、ＥＳＤに起因する不良率は増加した。しかし、多層構造体１２１を形成すると（図７中に記載の「１２１形成」）、アンドープバリア層の層数が６層であっても、ＥＳＤに起因する不良率は大幅に減少した。この理由としては、ＥＳＤ時の逆バイアスが印加されるが、そのときに空乏層が広がる部分にＶピットが形成されており、したがって、Ｖピットの中心にある貫通転位とＭＱＷ発光層とが電気的に分離されているためと考えられる。なお、多層構造体１２１を形成すると、多層構造体１２１を形成しない場合に比べて、光出力は同等または少し向上し、駆動電圧は同等または少し低下した。
【０１４４】
＜第２の実施形態＞
図８は、第２の実施形態の窒化物半導体発光素子におけるｎ型窒化物半導体層９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エネルギー図である。図８の縦軸方向は本実施形態における窒化物半導体発光素子の上下方向であり、図８の横軸のＥｇは各組成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。また、図８では、ｎ型ドーパントがドープされている層には斜線を付している。
【０１４５】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、多層構造体２２１は、Ｖピット発生層１０の成長温度以下の温度で形成されたｎ型ＧａＮ層およびｎ型ＩｎＧａＮ層を１組としたときに、３組のｎ型ＧａＮ層およびｎ型ＩｎＧａＮ層を備えている。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、これ以外の点に関しては、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体素子と同一の構成を有する。この場合であっても、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体素子が奏する効果と同一の効果が得られる。
【０１４６】
以下では、本実施形態の具体的な実施例を示す。なお、本実施形態は以下に示す実施例に限定されない。
【０１４７】
［第２の実施例におけるＶピット評価構造体］
上記第１の実施例に示す方法にしたがってＶピット発生層１０を形成後、引き続き、ウエハの温度を８０１℃で、厚さ７ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ、厚さ３０ｎｍのＳｉドープＧａＮ、厚さ７ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ、厚さ３０ｎｍのＳｉドープＧａＮ、厚さ７ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ、および厚さ２０ｎｍのＳｉドープＧａＮを交互に積層して多層構造体２２１とした。多層構造体２２１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組成比は、次に成長する中間層（超格子層）１２２を構成するナローバンドギャップ層のＩｎ組成比と同じとした。
【０１４８】
それから、上記第１の実施例に記載の方法にしたがって、中間層（超格子層）１２２およびＭＱＷ発光層１４を作製した。このようにして第２の実施例のＶピット評価構造体が得られた。
【０１４９】
比較のため、多層構造体２２１を作製することなくＶピット評価構造体を作製した（このＶピット評価構造体は上記第１の比較例のＶピット評価構造体と同じである）。そして、第２の実施例のＶピット評価構造体および第１の比較例のＶピット評価構造体の各最上面をＡＦＭで観察した。図９（ａ）は、第１の比較例のＶピット評価構造体の最上面に対するＡＦＭ観察結果であり、図９（ｂ）は、第２の実施例のＶピット評価構造体の最上面に対するＡＦＭ観察結果である。なお、観察範囲は、どちらの場合も、縦および横とも１μｍの正方形で規定される範囲であった。
【０１５０】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、第１の比較例のＶピット評価構造体の最上面においても第２の実施例のＶピット評価構造体の最上面においてもＶピット（図９（ａ）および図９（ｂ）における黒い点）が観察された。また、図９（ａ）におけるＶピットのメディアン径は６１．３ｍｍであったのに対して、図９（ｂ）におけるＶピットのメディアン径は１１２．１ｍｍであった。このことから、多層構造体１２１を設けることによりＶピット径が有意に増大したことが分かる。なお、ＡＦＭ観察結果からＶピット径をそれぞれ求め、求められたＶピット径を用いてＶピットのメディアン径を求めた。
【０１５１】
図１０（ａ）はＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピットの累積発生率（％）との関係を示すグラフであり、構造Ｐ２（Ｖピット発生層１０と多層構造体２２１とを備えた構造（第２の実施例））および構造Ｎ（多層構造体１２１を備えていない構造（第１の比較例））のそれぞれにおけるＶピット径ＷｖとＶピットの累積発生率とをプロットしたものである。また、図１０（ａ）には、Ｖピットの累積発生率が１０％である点を通る縦線とこの発生率が９０％である点を通る縦線とを引いている。図１０（ａ）に示すように、構造ＮにおいてＶピットの累積発生率が１０％〜９０％であるときのＶピット径Ｗｖは５３ｎｍ以上６７ｎｍ以下であるのに対し、構造Ｐ２においてＶピットの累積発生率が１０％〜９０％であるときのＶピット径Ｗｖは９７ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であった。これらのことから、構造Ｐ２では、構造Ｎに比べて、Ｖピット径Ｗｖが有意に大きいことがわかる。
【０１５２】
図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示す結果に基づいてＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピット深さｄｖ（ｎｍ）との関係を示すグラフであり、図１０（ｂ）に示すＰ２は上記構造Ｐ２におけるＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピット深さｄｖ（ｎｍ）との関係を示し、図１０（ｂ）におけるＮは上記構造ＮにおけるＶピット径Ｗｖ（ｎｍ）とＶピット深さｄｖ（ｎｍ）との関係を示す。上記第１の実施例で記載した方法にしたがって、図１０（ｂ）を用いてＶピット径ＷｖからＶピット深さｄｖを求めた。
【０１５３】
図１０（ｃ）は図１０（ａ）に示す結果に基づいてＶピット発生層１０とＶピット１５の始点ＶＳとの位置関係を示す断面図であり、図１０（ｃ）に示すＰ２は上記構造Ｐ２に形成されたＶピットであり、図１０（ｃ）に示すＮは上記構造Ｎに形成されたＶピットである。なお、図１０（ｃ）にはＶピットＰ２とＶピットＮとが同一のサンプルに形成されているように図示されているが、実際にはＶピットＰ２とＶピットＮとは同一のサンプルに形成されることはなく、別々のサンプルに形成されている。また、図１０（ｃ）におけるＴＤ、θおよびＶＳは上記第１の実施例で示したとおりである。
【０１５４】
多層構造体２２１が設けられている場合には、ＶピットＰ２の始点ＶＳの大多数はＰ２10-90で表される範囲内に存在し、つまりＶピット発生層１０の上面から６３〜８５ｎｍ程度上方に存在し、さらに別の言い方をすると超格子層１２２の厚さ方向中央よりも基板３側に存在する。一方、多層構造体２２１が設けられていない場合には、ＶピットＮの始点ＶＳの大多数はＮ10-90で表される範囲内に存在し、つまりＶピット発生層１０の上面から１１６〜１３０ｎｍ程度上方に存在する。このように多層構造体２２１が設けられている場合には、多層構造体２２１が設けられていない場合に比べてより深いＶピット１５を形成することができる。これらのことから、Ｖピット発生層１０と多層構造体２２１とを設けるとともに中間層としての超格子層１２２の厚さが４０ｎｍ以上であれば、Ｖピット１５の始点ＶＳの大多数は超格子層１２２厚さ方向中央付近よりも基板３側に存在する。さらに、多層構造体２２１の厚さは上記第１の実施例の多層構造体１２１の厚さよりも厚いため、ＶピットＰ２の始点ＶＳの大多数は上記第１の実施例よりも基板３側に存在することとなる。なお、超格子層１２２の厚さについては、上記第１の実施形態における［中間層（超格子層）］で示した通りである。
【０１５５】
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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【０１５６】
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、８  ｎ型窒化物半導体層、９  ｎ型窒化物半導体層、１０  Ｖピット発生層、１４  ＭＱＷ発光層、１４Ａ  バリア層、１４Ｗ  井戸層、１５  Ｖピット、１６  ｐ型窒化物半導体層、１７  ｐ型窒化物半導体層、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、１２１，２２１  多層構造体、１２２  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】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図４】
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【図９】
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