(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸加工が上面に施されたサファイア基板上に成長したｎ型窒化物半導体層と、Ｖピット発生層と、超格子構造からなる中間層と、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た窒化物半導体発光素子であって、
前記Ｖピット発生層は、挿入することによってＶピットの形成をコントロールすることが可能な層であり、
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ピットの始点の平均的な位置は、前記中間層内に位置し、
前記Ｖピット発生層は、前記ｎ型窒化物半導体層と前記中間層との間に形成されており、
前記Ｖピット発生層におけるｎ型ドーピング濃度は、前記ｎ型窒化物半導体層とは異なり、且つ、５×１０１８ｃｍ−３以上であり、
前記窒化物半導体発光素子の外部量子効率の温度依存性は前記Ｖピット発生層を形成しない窒化物半導体発光素子よりも小さい、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
凹凸加工が上面に施されたサファイア基板上に成長したｎ型窒化物半導体層と、Ｖピット発生層と、超格子構造からなる中間層と、下部多重量子井戸発光層と、上部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た窒化物半導体発光素子であって、
前記上部多重量子井戸発光層は、上部バリア層と該上部バリア層よりもバンドギャップの小さい上部井戸層とを交互に積層して構成された層であり、
前記下部多重量子井戸発光層は、下部バリア層と該下部バリア層よりもバンドギャップの小さい下部井戸層とを交互に積層して構成された層であり、少なくとも前記下部バリア層には、ｎ型不純物がドーピングされており、
前記下部多重量子井戸発光層の平均的なｎ型ドーピング濃度は、前記上部多重量子井戸発光層の平均的なｎ型ドーピング濃度より高く、
前記上部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ピット発生層は、前記ｎ型窒化物半導体層と前記中間層との間に形成されており、
前記Ｖピットの始点の平均的な位置は、前記中間層内または前記下部多重量子井戸発光層内に位置し、
前記Ｖピット発生層におけるｎ型ドーピング濃度は、前記ｎ型窒化物半導体層とは異なり、且つ、５×１０１８ｃｍ−３以上であり、
前記窒化物半導体発光素子の外部量子効率の温度依存性は前記Ｖピット発生層を形成しない窒化物半導体発光素子よりも小さい、窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記Ｖピット発生層におけるｎ型ドーピング濃度は、前記ｎ型窒化物半導体層の最上面におけるｎ型ドーピング濃度の１．１倍以上である、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Ｖピット発生層におけるＩｎ組成比は、前記ｎ型窒化物半導体層の最上面におけるＩｎ組成比よりも高い、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Ｖピット発生層は、ｎ型不純物を含み、
前記Ｖピット発生層の組成は、ＩｎxＧａ1-xＮ（0.1≦ｘ≦0.2）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Ｖピット発生層の厚さは、５ｎｍ以上である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記中間層の厚さは、４０ｎｍ以上である、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】
前記中間層は、ワイドバンドギャップ層と当該ワイドバンドギャップ層よりもバンドギャップ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層である、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】
前記上部多重量子井戸発光層におけるバリア層の数は、４以上である、請求項２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（以下「窒化物半導体」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として有用である。
【０００３】
また、窒化物半導体は、窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・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、窒化物半導体は、環境を害することがほとんどなく、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。電圧が印加されると、発光層中の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、窒化物半導体構造において、Ｖピット(V pit,  V-shaped  pit)、Ｖディフェクト(V  defect)、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。例えば特許文献１にはＬＥＤチップの表面に「六方ピラミッドキャビティ」を形成した構造が開示されている。
【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、ＬＥＤの特性が向上するのではないかと考えられている。一方、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・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。
【０００８】
非特許文献２には、Ｖピットの頂点の角度(apical  angle)が、理想的な場合に５６°であると報告されている。
【０００９】
この発光層にドーピングする技術として、特許文献２には、活性層（本願における発光層に相当）が、アンドープＧａＮバリア層とｎ型不純物（本願におけるドーパントに相当）がドープされたＩｎＧａＮ量子井戸層とが順次積層されてなることが記載されている。また、このアンドープＧａＮバリア層は、上記ＩｎＧａＮ量子井戸層と接する界面に拡散防止膜を具備していることが記載されており、この拡散防止膜はＩｎＧａＮ量子井戸層よりも低濃度のｎ型不純物を含んでいることが記載されている。
【００１０】
特許文献３には、活性層がｎ型不純物を含んでいること、および活性層におけるｎ型不純物濃度はｎ層側の方がｐ層側よりも高いことが記載されており、また、活性層ではｎ型不純物濃度はｎ層側の方がｐ層側よりも高いので、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ことも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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】
【００１２】
【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】
【００１３】
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あるい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。これらのことから、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。
【００１４】
本発明は、ＭＱＷ発光層とＶピットの関係についての検討に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高温あるいは大電流での駆動時であっても、発光効率の低下が抑制され、よって、電力効率が良好な窒化物半導体発光素子を作製することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る第１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たものである。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おり、Ｖピットの始点の平均的な位置は、中間層内に位置する。
【００１６】
本発明に係る第２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、下部多重量子井戸発光層と、上部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たものである。上部多重量子井戸発光層は、上部バリア層と該上部バリア層よりもバンドギャップの小さい上部井戸層とを交互に積層して構成された層である。下部多重量子井戸発光層は、下部バリア層と該下部バリア層よりもバンドギャップの小さい下部井戸層とを交互に積層して構成された層であり、少なくとも下部バリア層には、ｎ型不純物がドーピングされている。下部多重量子井戸発光層の平均的なｎ型ドーピング濃度は、上部多重量子井戸発光層の平均的なｎ型ドーピング濃度より高い。上部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、Ｖピットの始点の平均的な位置は、中間層内または下部多重量子井戸発光層内に位置する。
【００１７】
Ｖピット発生層におけるｎ型ドーピング濃度は、ｎ型窒化物半導体層の最上面におけるｎ型ドーピング濃度よりも有意に高いことが好ましく、５×１０18ｃｍ-3以上であれば良い。
【００１８】
Ｖピット発生層におけるＩｎ組成比は、ｎ型窒化物半導体層の最上面におけるＩｎ組成比よりも高いことが好ましい。このとき、Ｖピット発生層はｎ型不純物を含むことが好ましく、Ｖピット発生層の組成はＩｎxＧａ1-xＮ（0.1≦ｘ≦0.2）であることが好ましい。
【００１９】
Ｖピット発生層の厚さは、５ｎｍ以上であることが好ましい。
中間層の厚さは、４０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
中間層は、ワイドバンドギャップ層と当該ワイドバンドギャップ層よりもバンドギャップ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層であれば良い。
【００２１】
上部多重量子井戸発光層におけるバリア層の数は、４以上であることが好ましい。
本発明に係る第１の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化物半導体層を形成する第１の工程と、ｎ型窒化物半導体層の上に、中間層を形成する第２の工程と、第１の工程の後であって第２の工程の前に、ｎ型窒化物半導体層が形成されたウエハへの原料ガスの供給を停止する一方、キャリアガスとしてＨ2ガスを有意に含むガスを当該ウエハへ供給しながら当該ウエハの温度を下げる第３の工程と、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第４の工程とを備えている。
【００２２】
Ｈ2ガスを有意に含むガスは、Ｈ2ガスを２０体積％以上８０体積％以下含むことが好ましい。
【００２３】
第３の工程は、ウエハの温度を５０℃以上低下させるというものであることが好ましい。
【００２４】
第３の工程を行なうことにより、Ｖピットが多重量子井戸発光層内に部分的に形成されることが好ましく、またＶピットの始点の平均的な位置が中間層内に位置することが好ましい。
【００２５】
多重量子井戸発光層を形成する工程は、中間層の上に、下部バリア層と該下部バリア層よりもバンドギャップの小さい下部井戸層とを交互に積層し、且つ少なくとも下部バリア層にｎ型不純物をドーピングして、下部多重量子井戸発光層を形成する工程と、下部多重量子井戸発光層の上に、上部バリア層と該上部バリア層よりもバンドギャップの小さい上部井戸層とを交互に積層して、平均的なｎ型ドーピング濃度が下部多重量子井戸発光層よりも低い上部多重量子井戸発光層を形成する工程とを有することが好ましい。第３の工程を行なうことにより、Ｖピットが多重量子井戸発光層内に部分的に形成されることが好ましく、またＶピットの始点の平均的な位置が中間層内または下部多重量子井戸発光層内に位置することが好ましい。
【００２６】
本発明に係る第２の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化物半導体層の上に、当該ｎ型窒化物半導体層よりも有意に低い温度で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、中間層、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ている。
【００２７】
Ｖピット発生層を形成する工程は、９２０℃以下の温度で当該Ｖピット発生層を形成するというものであることが好ましい。
【００２８】
Ｖピット発生層の形成により、Ｖピットが多重量子井戸発光層内に部分的に形成されることが好ましく、Ｖピットの始点の平均的な位置が中間層内に位置することが好ましい。
【００２９】
多重量子井戸発光層を形成する工程は、中間層の上に、下部バリア層と該下部バリア層よりもバンドギャップの小さい下部井戸層とを交互に積層し、且つ少なくとも下部バリア層にｎ型不純物をドーピングして、下部多重量子井戸発光層を形成する工程と、下部多重量子井戸発光層の上に、上部バリア層と該上部バリア層よりもバンドギャップの小さい上部井戸層とを交互に積層して、平均的なｎ型ドーピング濃度が下部多重量子井戸発光層よりも低い上部多重量子井戸発光層を形成する工程とを有することが好ましい。Ｖピット発生層の形成により、Ｖピットが多重量子井戸発光層内に部分的に形成されることが好ましく、またＶピットの始点の平均的な位置が中間層内または下部多重量子井戸発光層内に位置することが好ましい。
【００３０】
Ｖピット発生層を形成する工程は、厚さが５ｎｍ以上である当該Ｖピット発生層を形成するというものであることが好ましい。
【００３１】
中間層を形成する工程は、厚さが４０ｎｍ以上である当該中間層を形成するというものであることが好ましい。
【００３２】
中間層を形成する工程は、ワイドバンドギャップ層と当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当該中間層を形成するというものであることが好ましい。
【００３３】
上部多重量子井戸発光層を形成する工程は、上部バリア層の層数が４以上となるように当該上部多重量子井戸発光層を形成するというものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、高温あるいは大電流での駆動時であっても、発光効率の低下が防止され、よって、電力効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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Ｅｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。
【図４】本発明の一実施例における電流密度と外部量子効率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例におけるＡＦＭ（Atomic  Force  Microscopy）観察結果である。
【図６】本発明の一実施例におけるＶピット発生層とＶピットの始点との位置関係の検討方法を説明するための図である。
【図７】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８】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９】本発明の一実施例における上部ＭＱＷ発光層におけるバリア数と外部量子効率との関係を示すグラフである。
【図１０】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１１】本発明の一実施例におけるＡＦＭ（Atomic  Force  Microscopy）観察結果である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
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し、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」という形で井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。
【００３７】
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しているが、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。
【００３８】
また、以下では「ドーピング濃度」という言葉と、ドーピングに伴い発生する電子・ホール濃度である「キャリア濃度」という言葉を用いているが、その関係については後述する。
【００３９】
また、「キャリアガス」とは、ＩＩＩ族原料ガス・Ｖ族原料ガス・ドーパント原料ガス以外のガスであって、膜中に材料が取り込まれないもののこととを指す。
【００４０】
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。
【００４１】
＜第１の実施形態＞
図１および図２は、それぞれ、本発明の実施形態１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に示す層の上下方向であり、図３の横軸のＥｇは各組成におけるバンドギャップの大きさを模式的に表している。また、図３では、ｎ型ドーピングを行なう層には斜線を塗っている。
【００４２】
＜窒化物半導体発光素子＞
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１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、Ｖピット発生層１０とＭＱＷ発光層１４との間に位置する中間層である超格子層１２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メサ部３０が構成されている。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１２などに覆われずに露出しており、その露出部分の上には、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Ｖピット発生層１０を挿入することによってＶピット１５を後述するようにコントロールしている。
【００４３】
＜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の厚さは例えば９００μｍ〜１２００μｍであり、窒化物半導体発光素子１の基板３の厚さは１２０μｍとしたが、特に限定されず、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下であれば良い。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。
【００４４】
＜バッファ層＞
バッファ層５は、たとえばＡｌs0ＧａtoＮ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌＮ層あるいはＧａＮ層である。ただし、Ｎのごく一部（０．５〜２％）を酸素に置き換えても良い。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。
【００４５】
バッファ層５の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば良く、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００４６】
＜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）層であれば良く、好ましくはＡｌs1Ｇａt1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、ｓ１＋ｔ１≠０）層であり、より好ましくは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。
【００４７】
下地層７は、ｎ型不純物を含んでいても良い。しかし、下地層７がｎ型不純物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型不純物を含んでいないことが好ましい。
【００４８】
下地層７の厚み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の厚み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。
【００４９】
＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層８及び９は、たとえばＡｌs2Ｇａt2Ｉｎu2Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≒１）層にｎ型不純物がドーピングされた層であれば良く、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型不純物がドーピングされた層である。
【００５０】
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。
【００５１】
ｎ型窒化物半導体層８及び９におけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０19ｃｍ-3以下であれば良い。
【００５２】
ｎ型窒化物半導体層８及び９の厚みが厚い方がその抵抗が減少するため、ｎ型窒化物半導体層８及び９の厚みは厚い方が好ましい。しかし、ｎ型窒化物半導体層８及び９の厚みを厚くすると、コストアップになる。この両者の兼ね合いから、ｎ型窒化物半導体層８及び９の厚さは、実用上１μｍ以上１０μｍ以下であれば良いが、特に限定されない。
【００５３】
なお、ｎ型窒化物半導体層８及び９は、後述する実施例１においては同じｎ型ＧａＮ層を一旦中断して２つの成長工程によって形成したものであるが、ｎ型窒化物半導体層８とｎ型窒化物半導体層９とを連続して単層としても良いし、３層以上の積層構造を有していても良い。各層は、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、各層は、同一の膜厚を有していても良いし、異なる膜厚を有していても良い。
【００５４】
＜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１２）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６（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み方向で平均化して得られた位置を意味している。
【００５５】
Ｖピット発生層１０は、一例としては、厚さ２５ｎｍのハイドープｎ型ＧａＮ層である。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型ドーピング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型ドーピング濃度は、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。
【００５６】
Ｖピット発生層１０におけるｎ型ドーピング濃度を高くし過ぎると、Ｖピット発生層１０の膜質が低下し、Ｖピット発生層１０の上に形成するＭＱＷ発光層１４における発光効率が低下するおそれがある。そのため、Ｖピット発生層１０におけるｎ型ドーピング濃度はｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーピング濃度の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。
【００５７】
なお、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型ドーピング濃度が高ければ良い。
【００５８】
Ｖピット発生層１０は、別の一例として、Ａｌs3Ｇａt3Ｉｎu3Ｎ（０≦ｓ３≦１、０≦ｔ３≦１、０≦ｕ３≦１、ｓ３＋ｔ３＋ｕ３≒１）層にｎ型不純物がドーピングされた層であれば良く、好ましくは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型不純物がドーピングされた層である。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。このことは下記第２の実施形態で記す。
【００５９】
このようなＶピット発生層１０は、５ｎｍ以上の膜厚を有していることが好ましく、１０ｎｍ以上の膜厚を有していることがより好ましい。これにより、貫通転位数に対してより多くのＶピットを発生させるという効果が得られる。
【００６０】
＜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、本実施形態においては中間層は超格子層１２である。
【００６１】
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１２では、ワイドバンドギャップ層１２Ａとナローバンドギャップ層１２Ｂ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１２Ａ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１２Ｂ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１２は、ワイドバンドギャップ層１２Ａおよびナローバンドギャップ層１２Ｂ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１２Ａと、ナローバンドギャップ層１２Ｂ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１２の一周期の長さ（ワイドバンドギャップ層１２Ａの層厚とナローバンドギャップ層１２Ｂの層厚との合計）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。
【００６２】
各ワイドバンドギャップ層１２Ａは、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。
【００６３】
各ナローバンドギャップ層１２Ｂは、たとえばワイドバンドギャップ層１２Ａ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ければ良い。ナローバンドギャップ層１２Ｂは、ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａbＩｎ(1-b)Ｎ（０＜ｂ≦１）である。
【００６４】
各ワイドバンドギャップ層１２Ａおよび各ナローバンドギャップ層１２Ｂ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１２Ａとナローバンドギャップ層１２Ｂ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。
【００６５】
なお、ワイドバンドギャップ層１２Ａおよびナローバンドギャップ層１２Ｂの各層数は、図３では２０としたが、例えば２から５０であればよい。
【００６６】
超格子層１２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１２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とＭＱＷ発光層１４とを離すことができるため、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１２を設けることが好ましい。好ましくは超格子層１２の層厚が４０ｎｍ以上であり、より好ましくは超格子層１２の層厚が５０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは超格子層１２の層厚が６０ｎｍ以上である。一方、超格子層１２の層厚が厚すぎると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１２の層厚は、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは８０ｎｍ以下である。
【００６７】
＜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の上面においてＶピット１５がＡＦＭで点状に観察され、Ｖピットで覆われつくされていないことを意味する。なお、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未満程度である。
【００６８】
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１２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１２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。
【００６９】
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の厚さの和）の長さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００７０】
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が、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。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。各井戸層１４Ｗの組成は同じであることが好ましく、それにより各井戸層１４Ｗで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が狭くなるため好都合である。また、例えば上部側の各井戸層１４Ｗはドーパントを極力含まない（成長時にドーパント原料を導入しない）ことが好ましく、その場合、各井戸層１４Ｗにおける非発光再結合が起こりにくく、発光効率が良好となる。一方、下部側の各井戸層１４Ｗは、ｎ型ドーパントを含んでいても良く、それにより発光素子の駆動電圧が低下する傾向にある。
【００７１】
各井戸層１４Ｗの厚さは、限定されないが、それぞれ同じであることがさらに好ましい。各井戸層１４Ｗの厚さが同じであれば、量子準位も同じになり、各井戸層における電子とホールとの再結合により各井戸層において同じ波長で発光し、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、意図的に井戸層１４Ｗの組成あるいは厚さを異ならせることにより、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もでき、照明用など用途によってはこの方が好ましい場合がある。
【００７２】
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傾向にある。
【００７３】
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の組成は、それぞれ、各井戸層１４Ｗよりバンドギャップエネルギーが大きい方が好ましく、具体的にはＡｌfＧａgＩｎ(1-f-g)Ｎ（０≦ｆ＜１、０＜ｇ≦１）であれば良く、より好ましくはＡｌを含まないＩｎhＧａ(1-h)Ｎ（０＜ｈ≦１）、または井戸層１４Ｗと格子定数をほぼ一致させたＡｌfＧａgＩｎ(1-f-g)Ｎ（０≦ｆ＜１、０＜ｇ≦１）である。
【００７４】
各バリア層１４Ａの厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以上７ｎｍ以下がより好ましい。各バリア層１４Ａの厚さが薄いほど駆動電圧が低下するが、極端に薄くすると発光効率が低下する傾向にある。
【００７５】
最後のバリア層１４Ａ０の厚さは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましい。
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型ドーピング濃度は、特に限定されない。また、複数のバリア層１４Ａのうち、下側のバリア層１４Ａにはｎ型ドーピングを行ない、上側のバリア層１４Ａにはそれよりも低い濃度のｎ型ドーピングを行なうかアンドープとすることが好ましい。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、意図的なｎ型ドーピングを行なうこともあり、または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型ドーパントが含まれることがある。
【００７６】
井戸層１４Ｗの数としては、特に限定されないが、例えば２以上２０以下、好ましくは３以上１５以下、さらに好ましくは４以上１２以下とすることができる。
【００７７】
＜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、この構成は一例であって、一般に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ピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌs4Ｇａ1-s4Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型ドーパントをドーピングした層である。
【００７８】
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。
ｐ型窒化物半導体層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１７，１８におけるｐ型ドーピング濃度（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ＭＱＷ発光層１４に近いｐ型窒化物半導体層１６におけるｐ型ドーピング濃度はこれより低くてもよい。
【００７９】
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以下であれば良い。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、ｐ型ドーパントのＭＱＷ発光層への拡散を抑制することができる。
【００８０】
＜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）が接続されていてもよい。また、ｐ側電極２５の下部において電流の注入を止めるための絶縁層を設けても良く、それによりｐ側電極２５に遮蔽される発光の量が減少する。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れば良く、ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると１μｍ程度の厚さを有していれば良い。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れば良く、１μｍ程度の厚さを有していれば良い。ｎ側電極２１とｐ側電極２５は同一の組成であってもよい。透明電極２３は、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜からなれば良く、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有していれば良い。
【００８１】
＜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、後述の図６（ｃ）に示すＶピットＰに示すように、大部分のＶピットの始点ＶＳがＭＱＷ発光層１４内に存在しないように構成されている。つまり、図６（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６（ｂ）に示す分布Ｐ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１２内に存在していると考えられる。Ｖピット１５は貫通転位ＴＤに起因して発生すると考えられるため、貫通転位ＴＤ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はＶピット１５の内側に達することが抑制される。よって、電子およびホールが貫通転位ＴＤ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。
【００８２】
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ＴＤ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ＴＤ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ＴＤ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。
【００８３】
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、ノ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。
【００８４】
＜キャリア濃度とドーピング濃度について＞
ここで、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、または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。
【００８５】
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型ドーピング濃度とほぼ同じと考えることができる。また、ｎ型ドーピング濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）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、ドーピング濃度の相対関係（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ピング濃度で定義している。そして、測定により得られたｎ型ドーピング濃度を厚さ方向に平均すれば、平均ｎ型ドーピング濃度を得ることができる。
【００８６】
＜窒化物半導体発光素子の製造方法＞
基板３の上に、バッファ層５、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、超格子層１２、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１２、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。各層の組成および膜厚などは、上記＜窒化物半導体発光素子の構成＞で示した通りである。
【００８７】
＜Ｖピット発生層の作製方法＞
一例としては、ｎ型窒化物半導体層９よりも低い温度でＶピット発生層１０を成長するという方法が挙げられる。具体的には、成長温度の下げ幅を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、成長温度は６００℃以上、より好ましくは７００℃以上とすることが好ましい。これにより、Ｖピット発生層１０のＶピット形成効果が増大し、ＭＱＷ発光層１４にＶピット１５が形成されることとなる。
【００８８】
Ｖピット発生層１０の成長温度が低すぎると、Ｖピット発生層１０の膜質が低下するため、Ｖピット発生層１０の上に形成するＭＱＷ発光層１４における発光効率が低下するおそれがある。よって、成長温度の下げ幅を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。
【００８９】
別の一例としては、ｎ型窒化物半導体層９よりもｎ型ドーピング濃度を高くしてＶピット発生層１０を作製するという方法が挙げられる。ｎ型ドーピング濃度の上昇幅に関しては、上記＜Ｖピット発生層＞で示したとおりである。
【００９０】
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。
【００９１】
＜実施例１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＞
以下、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１と、その検討用に作成したＶピット評価構造とを製造工程に沿って記載する。Ｖピット評価構造と実施例１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。
【００９２】
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。平面内における凸部３Ａの配置は、正三角形の頂点を繰り返した位置に、間隔２μｍで配置されている。その上面上に、ＡｌＮからなるバッファ層５をスパッタ法により形成した。
【００９３】
次に、ウエハを第１のＭＯＣＶＤ装置に入れ、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮからなる下地層７を成長し、引き続きＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層８を成長した。このとき、下地層７の厚さは４μｍ、ｎ型窒化物半導体層８の厚さは３μｍであり、ｎ型窒化物半導体層８におけるｎ型ドーピング濃度は６×１０18ｃｍ-3であった。
【００９４】
第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハを、第２のＭＯＣＶＤ装置に入れ、ウエハの温度を１０５０℃（放射温度計測定値）に設定して、ｎ型窒化物半導体層９を成長した。ｎ型窒化物半導体層９はドーピング濃度が６×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＮからなり、厚さは１．５μｍである。
【００９５】
引き続きウエハの温度を８２０℃に設定して、Ｖピット発生層１０を成長した。具体的には、厚さ２５ｎｍのＳｉドープＧａＮを、ｎ型ドーピング濃度が１×１０19ｃｍ-3になるように成長した。
【００９６】
引き続きウエハの温度を８２０℃で、中間層である超格子層１２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１２ＡとＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層１２Ｂとを交互に２０周期、成長した。
【００９７】
各ワイドバンドギャップ層１２Ａの厚さは１．７５ｎｍであり、各ワイドバンドギャップ層１２Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は１×１０19ｃｍ-3であった。
【００９８】
各ナローバンドギャップ層１２Ｂの厚さは１．７５ｎｍであり、各ナローバンドギャップ層１２Ｂにおけるｎ型ドーピング濃度は１×１０19ｃｍ-3であった。また、井戸層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の組成はＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０４）であった。
【００９９】
次に、ウエハの温度を７７０℃に下げてＭＱＷ発光層１４を成長した。具体的には、図３を参照して、バリア層１４ＡとＩｎＧａＮからなる井戸層１４Ｗと交互に成長し、井戸層１４Ｗを８層成長した。
【０１００】
各バリア層１４Ａの厚さは４．６ｎｍであり、最初のバリア層１４Ａ’、バリア層１４Ａ７におけるｎ型ドーピング濃度は４．３×１０18ｃｍ-3、その他のバリア層１４Ａ６、１４Ａ５、・・・、１４Ａ１はアンドープとした。
【０１０１】
井戸層１４Ｗ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３．２５ｎｍとした。また、Ｉｎの組成ｘは、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の流量を調整して設定した。
【０１０２】
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を１０ｎｍ成長した。なお、後述するＶピット評価構造は、この時点で成長を止めて、その表面状態を評価している。
【０１０３】
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。
【０１０４】
なお、上述の各層のＭＯＣＶＤ成長におけるＩＩＩ族原料ガスであるＧａの原料ガスはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌの原料ガスはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎの原料ガスはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｖ族原料ガスであるＮの原料ガスはＮＨ３、ドーパント原料ガスであるＳｉの原料ガスはＳｉＨ４、Ｍｇの原料ガスはＣｐ２Ｍｇを用いたが、これに限定されるものでなく、ＭＯＣＶＤ用に用いられるその他の原料を用いることができる。具体的には、Ｇａの原料としてＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｌの原料ガスとしてＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎの原料ガスとしてＴＥＩ（トリエチルインジウム）、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、Ｓｉの原料ガスとしてＳｉ２Ｈ６あるいは有機Ｓｉなどを用いることができる。
【０１０５】
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１２、Ｖピット発生層１０、ｎ型窒化物半導体層９の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。
【０１０６】
ウエハを３８０×４２０μｍサイズのチップに分割して、実施例１に係る窒化物半導体発光素子が得られた。
【０１０７】
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光出力を測定した。２５℃の環境下で３０ｍＡで駆動したところ、駆動電圧３．０Ｖで光出力Ｐ（２５）＝４１．４ｍＷ（ドミナント波長４５０ｎｍ）が得られた。また、この素子を、８０℃の環境下で３０ｍＡで駆動したところ、光出力Ｐ（８０）＝４１．１ｍＷが得られた。Ｐ（８０）／Ｐ（２５）＝９９．２％となり、光出力は温度によらずほぼ一定となった。
【０１０８】
さらに、この窒化物半導体発光素子を、２５℃の環境下で８５ｍＡ（大電流）で駆動したところ、駆動電圧３．２４Ｖで光出力Ｐ（２５）＝１０１．８ｍＷ（ドミナント波長４５０ｎｍ）が得られた。また、この素子を、８０℃の環境下で８５ｍＡで駆動したところ、光出力Ｐ（８０）＝１０１．５ｍＷが得られた。Ｐ（８０）／Ｐ（２５）＝９９．７％となり、光出力は大電流駆動であっても温度によらずほぼ一定となった。
【０１０９】
比較のため、Ｖピット発生層１０を形成しない以外は実施例１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（以下では比較例１における窒化物半導体素子と記す）を作製した。比較例１における窒化物半導体発光素子と実施例１に係る窒化物半導体発光素子とについて、横軸を電流密度Ｊとし縦軸を外部量子効率ηexとしてプロットした結果を図４に示す。
【０１１０】
電流密度６４Ａ／ｃｍ２で比較すると、２５℃では、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１の外部量子効率ηex（図４中の◆、Ｌ４１）と比較例１における窒化物半導体発光素子の外部量子効率ηex（図４中の▲、Ｌ４２）との差は小さかった。一方、８０℃では、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１の外部量子効率ηex（図４中の◇、Ｌ４３）と比較例１における窒化物半導体発光素子の外部量子効率ηex（図４中の△、Ｌ４４）との差は大きかった。また、外部量子効率の温度依存性は、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１（◆対◇）の方が比較例１における窒化物半導体発光素子（▲対△）よりも小さかった。外部量子効率ηexがピークとなる電流密度における外部量子効率ηexの差についても、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１（Δηex（１））の方が比較例１における窒化物半導体発光素子（Δηex（２））よりも小さかった。
【０１１１】
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（実施例１のＶピット評価構造）を作製し、このＶピット評価構造を用いてＶピット発生層１０の有無とＶピット１５の状態とを検討した。
【０１１２】
比較用に、Ｖピット発生層１０の作製を省略したＶピット評価構造（比較例１のＶピット評価構造）を作製した。そして、実施例１のＶピット評価構造および比較例１のＶピット評価構造の各最上面をＡＦＭで観察した。図５（ａ）は、比較例１のＶピット評価構造の最上面に対するＡＦＭ観察結果であり、図５（ｂ）は、実施例１のＶピット評価構造の最上面に対する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５μｍの正方形で規定される範囲である。
【０１１３】
図５（ｂ）には、図５（ａ）に比較して黒い点が多数観察された。この黒い点がＶピット１５であり、Ｖピット発生層１０によりＶピット１５の数が有意に増加していることがわかる。
【０１１４】
本発明者らは、Ｖピット発生層１０の形成条件として、（ｉ）ｎ型窒化物半導体層９よりもｎ型ドーピング濃度を高くする（ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーピング濃度を６×１０18ｃｍ-3とし、Ｖピット発生層１０におけるｎ型ドーピング濃度を１×１０1９ｃｍ-3とする）、および（ｉｉ）ｎ型窒化物半導体層９よりも成長温度を低くする（ｎ型窒化物半導体層９の成長温度を１０５０℃とし、Ｖピット発生層１０の成長温度を８２０℃とする）の２つの施策を上記実施例１に入れている。しかし、本発明者らは、上記（ｉ）および上記（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としての効果を有することを確認している。具体的には、上記（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、上記（ｉｉ）に関しては、上記第１の実施形態における＜Ｖピット発生層の作製方法＞で記した通りである。
【０１１５】
また、本発明者らは、上記Ｖピット評価構造の表面における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にＶピット１５の始点が存在しないことを見出した。この点について、図６を用いて説明する。
【０１１６】
図６（ａ）は、横軸をＶピット径Ｗv（ｎｍ）とし、縦軸をＶピットの累積発生率（％）として、構造Ｐ（Ｖピット発生層１０を挿入した構造（実施例１））および構造Ｎ（Ｖピット発生層１０の作製を省略した構造（比較例１））のそれぞれの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６（ａ）には、Ｖピットの累積発生率が１０％である点とこの発生率が９０％である点とを通る縦線を引いている。図６（ａ）に示すように、構造ＮのＷv（Ｖピットの累積発生率１０％〜９０％）は２５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、構造ＰのＷv（Ｖピットの累積発生率１０％〜９０％）は８２ｎｍ以上９５ｎｍ以下であった。これらのことから、構造Ｐは構造Ｎに比べてＶピット径Ｗvが有意に大きいこと、および構造Ｐの方が構造Ｎに比べてＶピット径のばらつきが大幅に小さいことがわかる。
【０１１７】
さらに、図６（ｂ）を使って、Ｖピット径Ｗvを用いてＶピットの深さｄvを求めた。ここで、Ｖピットの始点部分における頂点の角度（図６（ｃ）に示すθ）を５６゜とすればＶピット径（Ｗv）とＶピットの深さ（ｄv）とは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ピットの深さ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。
【０１１８】
図６（ｂ）によって求めたｄvで表されるＶピットＰおよびＶピットＮの模式図を図６（ｃ）に示す。なお、図６（ｃ）にはＶピットＰ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Ｐ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。図６（ｃ）中のＴＤは貫通転位（Threading Dislocation）であり、θはＶピットの頂角（５６゜）であり、ＶＳはＶピットの始点であり、１２は中間層であり、１４はＭＱＷ発光層である。
【０１１９】
Ｖピット発生層１０がある場合には、ＶピットＰの始点ＶＳはＰ10-90で表される範囲内、つまりＶピット発生層１０の上面から３０〜５０ｎｍ程度上方にあり、さらに別の言い方をすると超格子層１２内に存在する。一方、Ｖピット発生層１０がない場合には、ＶピットＮの始点ＶＳはＮ10-90で表される範囲内、つまりＭＱＷ発光層１４内または超格子層１２の下面から６０〜９５ｎｍ程度上方に存在する。このようにＶピット発生層１０がある場合には、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を設けるとともに中間層としての超格子層１２の厚さが４０ｎｍ以上であれば、Ｖピット１５の始点ＶＳの平均的な位置は超格子層１２内に存在するため好ましい。超格子層１２の厚みの範囲については、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。
【０１２０】
本発明者らは、Ｖピット発生層１０を設けた場合の特性向上の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を挿入すると、Ｖピット１５の始点ＶＳが超格子層１２内、またはＭＱＷ発光層１４の下側においてｎ型不純物がドーピングされているバリア層１４Ａ内に形成される。ＭＱＷ発光層１４を下から上へ貫く貫通転位ＴＤは、発光層１４においてまたはバリア層１４Ａがアンドープである部分においてＶピット１５で覆われる。高温になると、ＭＱＷ発光層１４への注入キャリア（ホール、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を備える構造では、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、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）。
【０１２１】
なお、Ｖピット発生層１０の構成は、本実施形態における構成に限定されず、たとえば下記第２の実施形態における構成であっても良い。この場合であっても、本実施形態と同一の効果を得ることができる。
【０１２２】
また、ＭＱＷ発光層１４の構成は、本実施形態における構成に限定されず、たとえば下記第３の実施形態における構成であっても良い。この場合であっても、本実施形態と同一の効果を得ることができる。
【０１２３】
また、下記第４の実施形態で示すように、Ｖピット発生層１０を形成することなく本実施形態におけるＶピット１５をＭＱＷ発光層１４内に形成しても良い。
【０１２４】
＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子５０の概略断面図である。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。
【０１２５】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子５０は、図７に示すように、上面に凸部３Ａ及び凹部３Ｂが形成された基板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ピット発生層として機能する下部超格子層５１と、中間層として機能する上部超格子層５２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メサ部３０が構成されている。メサ部３０の外側においては、ｎ型窒化物半導体層９の上面の一部分が露出しており、その露出部分の上には、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５０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１と同様の構成部分については同じ符号を付している。
【０１２６】
Ｖピット発生層として機能する下部超格子層５１は、ワイドバンドギャップ層とナローバンドギャップ層とが交互に積層されて構成されたものである。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各組成は特に限定されず、ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーがナローバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーよりも大きければ良い。たとえば、ワイドバンドギャップ層がｎ型ＧａＮからなり、ナローバンドギャップ層がｎ型ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなれば良い。具体的には、下部超格子層５１は、ｎ型ＧａＮからなるワイドバンドギャップ層（厚さ１．７５ｎｍ）とｎ型ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（厚さ１．７５ｎｍ、ｙの値については後述）からなるナローバンドギャップ層とを交互に３周期積層したものである（ナローバンドギャップ層を３層備える）。
【０１２７】
ナローバンドギャップ層における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。これにより、下部超格子層５１がＶピット発生層として機能する作用が増大する。よって、Ｖピット１５がＭＱＷ発光層１４内に部分的に形成され、またＶピット１５の始点の平均的な位置が上部超格子層５２内に存在する。なお、下部超格子層５１のナローバンドギャップ層は、ｎ型窒化物半導体層９の最上面よりもＩｎ組成比が高ければ良い。
【０１２８】
このような下部超格子層５１の作製方法としては、ｎ型窒化物半導体層９よりも下部超格子層５１のナローバンドギャップ層におけるＩｎ組成比が高くなるようにＩｎ原料の流量を変更するという方法であっても良いし、下記に示すようにＩｎ原料の流量を変更せずにｎ型窒化物半導体層９よりも低温で形成するという方法であっても良い。
【０１２９】
なお、下部超格子層５１は複数のナローバンドギャップ層からなる層としたが、１つのナローバンドギャップ層であるＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．２）からなっても良い。
【０１３０】
また、下部超格子層５１の層厚は１．７５ｎｍ以上であればよく、５．２５ｎｍ以上であればより好ましく、８．７５ｎｍ以上であればさらに好ましい。
【０１３１】
上部超格子層５２は、ワイドバンドギャップ層とナローバンドギャップ層とが交互に積層されて構成されたものである。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各組成は特に限定されず、ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーがナローバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーよりも大きければ良い。具体的には、上部超格子層５２は、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層（厚みが１．７５ｎｍ）とＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層（厚みが１．７５ｎｍ）とを交互に１７周期積層したものである。
【０１３２】
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。
【０１３３】
＜実施例２−１〜２−２におけるＶピット評価構造＞
上記実施例１に示す方法にしたがってｎ型窒化物半導体層９を作製してから下部超格子層５１を作製した。実施例２−１、実施例２−２および比較例２では、Ｉｎ原料であるＴＭＩの流量を変更しなかったが、実施例２−１では、７５５℃で下部超格子層５１を作製し、実施例２−２では、７０５℃で下部超格子層５１を作製し、比較例２では、８３５℃で下部超格子層５１を作製した。これにより、ナローバンドギャップ層のＩｎ組成ｙは、実施例２−１においては０．２４、実施例２−２においては０．３６、比較例２においては０．０４となった。なお、ｙの値としては、Ｖピット１５を発生させるという以外に発光波長の光吸収が少ないという観点もある。その意味では、発光波長が４４０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の場合においては、上記ｙは、０．０２以上０．２以下が好ましく、０．０５以上０．１５以下がより好ましいと考えられる。
【０１３４】
それから、上記実施例１における中間層（超格子層）１２の作製方法にしたがって上部超格子層５２を作製し、上記実施例１に記載の方法にしたがってＭＱＷ発光層１４を作製した。このようにして実施例２−１、実施例２−２、および比較例２のＶピット評価構造を得、得られたＶピット評価構造の上面に対してＡＦＭ観察を行なった。
【０１３５】
その結果、比較例２では、縦および横５μｍのＡＦＭ観察領域におけるＶピット数が１６個（６．４×１０7ｃｍ-2）だったのに対し、実施例２−１（超格子層５１の成長温度が７５５℃）では、上記領域におけるＶピット数は９６個（３．８×１０8ｃｍ-2）であり、実施例２−２（超格子層５１の成長温度が７０５℃）では、上記領域におけるＶピット数は１０６個（４．２×１０8ｃｍ-2）であり、実施例２−１および実施例２−２の方が比較例２よりもＶピット１５の数密度が増大していることが確認できた。また、ＴＥＭ観察より、実施例２−１および実施例２−２では、Ｖピット１５の始点がほぼ上部超格子層５２の上部にあることが認められた。
【０１３６】
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００の概略断面図である。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。
【０１３７】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、図８に示すように、上面に凸部３Ａ及び凹部３Ｂが形成された基板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、中間層である超格子層１１２と、下部ＭＱＷ発光層１１３と、上部ＭＱＷ発光層１１４と、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８とがこの順に積層されてメサ部３０が構成されている。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１１２に覆われずに露出しており、その露出部分の上には、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１００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１と同様の構成部分については同じ符号を付している。
【０１３８】
超格子層１１２は、上記第１の実施形態で記したように、ワイドバンドギャップ層とナローバンドギャップ層とが積層されて構成されたものである。
【０１３９】
下部ＭＱＷ発光層１１３は、上部ＭＱＷ発光層１１４と比較して発光への寄与が少ないが、上部ＭＱＷ発光層１１４の結晶品質を維持するための層として機能し、下部バリア層と下部井戸層とが積層されて構成されたものである。下部バリア層および下部井戸層の各組成は特に限定されず、下部井戸層が下部バリア層よりもバンドギャップが小さければ良い。また、下部バリア層にはｎ型不純物がドーピングされていることが好ましく、下部井戸層はｎ型不純物がドーピングされて構成されていても良いし、アンドープであっても良い。さらに、下部ＭＱＷ発光層１１３の平均的なｎ型ドーピング濃度は、上部ＭＱＷ発光層１１４の平均的なｎ型ドーピング濃度よりも高いことが好ましい。
【０１４０】
上部ＭＱＷ発光層１１４は、主たる発光領域として機能し、上部バリア層と上部井戸層とが積層されて構成されている。上部バリア層および上部井戸層の各組成は特に限定されず、上部井戸層が上部バリア層よりもバンドギャップが小さければ良い。
【０１４１】
このような窒化物半導体発光素子１００では、Ｖピット発生層１０が設けられている。よって、Ｖピット１１５が上部ＭＱＷ発光層１１４内に部分的に形成され、またＶピット１１５の始点の平均的な位置が超格子層１１２内または下部ＭＱＷ発光層１１３内に存在する。したがって、上記第１の実施形態と略同一の効果を得ることができる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
＜実施例３に係るＶピット評価構造＞
上記実施例１に示す方法にしたがってＶピット発生層１０を作製してから、ｎ型ＧａＮからなるワイドバンドギャップ層（厚さ１．７５ｎｍ）とｎ型ＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層（厚さ１．７５ｎｍ）とを積層（１０周期）した。これにより、全層厚が３５ｎｍである超格子層１１２を得た。
【０１４４】
続いて、ＧａＮからなる下部バリア層（厚さ４．６ｎｍ）とＩｎＧａＮからなる下部井戸層（厚さ３．２５ｎｍ）とを積層（２周期）して、全層厚が８３ｎｍである下部ＭＱＷ発光層１１３を得た。なお、下部バリア層にはｎ型不純物をドーピングしたが、下部井戸層はアンドープ層とした。
【０１４５】
続いて、ＧａＮからなる上部バリア層（厚さ４．６ｎｍ）とＩｎＧａＮからなる上部井戸層（厚さ３．２５ｎｍ）とを積層（５周期）して、上部ＭＱＷ発光層１１４を得た。なお、上部バリア層および上部井戸層ともにアンドープ層とした。このようにして実施例３のＶピット評価構造を得、上記実施例１で記載の方法にしたがってＶピット径を測定し、得られたＶピット径からＶピット１１５の始点の平均的な位置を求めた。その結果、Ｖピット１１５の始点の平均的な位置が下部ＭＱＷ発光層１１３内にあることが認められた。
【０１４６】
さらに、上部バリア層の層数と下部バリア層の層数との合計層数、上部井戸層の層数と下部井戸層の層数との合計層数をそれぞれ一定にした条件で、上部ＭＱＷ発光層１１４のバリア層（Ｓｉノンドープバリア層）の層数を変化させ、上部ＭＱＷ発光層１１４のバリア層の層数と高温特性との関係を調べた。その結果を図９に示す。図９では、横軸には上部ＭＱＷ発光層１１４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。
【０１４７】
図９に示すように、実施例３の構造では、比較例３の構造（Ｖピット発生層１０が設けられていない構造）に比べて、上部ＭＱＷ発光層１１４のバリア層（Ｓｉノンドープバリア層）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、予想温特ライン（図９の上側の破線）を外挿することにより、上部ＭＱＷ発光層１１４のバリア層（Ｓｉノンドープバリア層）の層数が７〜９であっても、良好な温度特性が得られると推定している。
【０１４８】
＜第４の実施の形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００の概略断面図である。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。
【０１４９】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００は、図１０に示すように、Ｖピット発生層１０を設ける代わりに、ｎ型窒化物半導体層２０９の表面２１０の状態をコントロールすることによってＶピット１５を発生させている。上面に凸部３Ａ及び凹部３Ｂが形成された基板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、２０９と、中間層である超格子層１２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メサ部３０が構成されている。メサ部３０の外側においては、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面の一部分が超格子層１２に覆われずに露出しており、その露出部分の上には、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２００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１と同様の構成部分については同じ符号を付している。
【０１５０】
＜窒化物半導体発光素子の製造方法＞
基板３の上に、バッファ層５、下地層７、ｎ型窒化物半導体層８、およびｎ型窒化物半導体層２０９を順に形成してから、ｎ型窒化物半導体層２０９を作製するための原料ガスの供給を停止する。これにより、ｎ型窒化物半導体層２０９の成長が止まる。
【０１５１】
次に、ｎ型窒化物半導体層２０９などが作製されたウエハに対してキャリアガスとして水素ガスを有意に含むガスを供給しながら、当該ウエハの温度を下げる。これにより、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面２１０の表面の状態が変化する。したがって、上記第１の実施形態で示したように、始点の平均的位置が超格子層１２内に位置するＶピット１５をＭＱＷ発光層１４内に形成することができる。
【０１５２】
ここで、水素ガスを有意に含むガスは、水素ガスを１０体積％以上含むことが好ましく、より好ましくは水素ガスを２０体積％以上８０体積％以下含むことである。水素ガスが１０体積％未満しか含まれていれば、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面２１０の表面状態を十分に変化させることができないことがある。一方、水素ガスが９０体積％よりも多く含まれていれば、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面２１０の表面状態が変化しすぎ、ＭＱＷ発光層１４での発光効率が却って低下するという不具合を招くことがある。この水素ガスを有意に含むガスは、水素ガス以外に、窒素ガスおよびアルゴンなどの希ガスのうちの少なくとも一方を含んでいれば良い。
【０１５３】
また、ウエハの温度の低下幅は、５０℃以上であることが好ましく、１００℃以上であることがより好ましく、２００℃以上であることがさらに好ましい。ウエハの温度の低下幅が５０℃未満であれば、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面２１０の表面状態を十分に変化させることができないことがある。一方、ウエハの温度の低下幅が大きすぎると、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面２１０の表面状態が変化しすぎ、ＭＱＷ発光層１４での発光効率が却って低下するという不具合を招くことがある。そのため、ウエハの温度の低下幅は、４００℃以下であることが好ましく、３００℃以下であることがさらに好ましい。
【０１５４】
その後は、上記第１の実施形態に記載した方法にしたがって、超格子層１２、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を順に形成し、所定のエッチングを行なってからｎ側電極２１、透明電極２３、ｐ側電極２５、および透明保護膜２７を形成する。
【０１５５】
このように本実施形態では、ｎ型窒化物半導体層２０９を形成してから超格子層１２を形成するまでの間に、ｎ型窒化物半導体層２０９の上面２１０の結晶の品質を低下させる処理を行なう。よって、ＭＱＷ発光層１４の結晶性が低下する。したがって、Ｖピット１５がＭＱＷ発光層１４に形成され、またＶピット１５の始点の平均的な位置が超格子層１２内に位置する。これにより、Ｖピット発生層を設けることなく上記第１の実施形態で得られる効果を得ることができる。
【０１５６】
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。
【０１５７】
＜実施例４におけるＶピット評価構造＞
上記実施例１で記した方法にしたがってｎ型窒化物半導体層８を作製してから、ウエハの温度を１０５０℃（放射温度計測定値）に設定してｎ型窒化物半導体層２０９を成長した。ｎ型窒化物半導体層２０９はドーピング濃度が６．５×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＮからなり、その厚さは１．５μｍであった。ここで、キャリアガスとしてはＮ2：Ｈ2＝４２％：５８％（体積比）を用いた。
【０１５８】
ｎ型窒化物半導体層２０９を成長後、窒化物半導体発光素子２００の成長の中断と降温とを行なった。ここで、従来は、水素によるｎ型窒化物半導体層の表面へのエッチングを懸念して、水素フローを停止して窒化物半導体発光素子の成長の中断と降温とを行なっていた。それに対し、本実施例では、ｎ型窒化物半導体層２０９の原料ガスであるＴＭＧおよびＳｉＨ４の供給を中断して、ＮＨ３を流したまま、キャリアガスの成分をＮ2：Ｈ2＝５９％：４１％（降温開始時）にすると共に、ウエハの設定温度を８２０℃に降下させた。ただし、実際にウエハの温度が設定値（８２０℃）に到達するには、４５０秒程度の時間を要した。また、ウエハの温度が設定値に到達後もさらに１３５０秒保持し、トータルで１８００秒の成長中断を行った。
【０１５９】
このようにして得られたｎ型窒化物半導体層２０９の表面２１０をＡＦＭで観察した。図１１（ａ）は、水素ガスの供給を行なわずにウエハの温度を下げた場合（比較例４）の結果であり、図１１（ｂ）は、実施例４の結果である。なお、図１１（ａ）〜（ｂ）に示す結果は、ｎ型窒化物半導体層２０９の成長後、上述の条件で窒化物半導体発光素子の成長中断および降温を行なったのち、そのまま常温まで下げてＭＯＣＶＤ装置から取り出して得られた評価用サンプルの結果である。
【０１６０】
実施例４では、比較例４に比べて、良好な結晶成長の際に現れるステップ構造が消失し、Ｖピット１５の元となる穴が確認できた。
【０１６１】
また、ｎ型窒化物半導体層２０９の表面２１０の上に、中間層として機能する超格子層１２およびＭＱＷ発光層１４を成長してＶピット評価構造を作成し、Ｖピット評価構造の上面におけるＶピット１５の密度をＡＦＭ法で評価した。実施例４では縦および横５μｍのＡＦＭ観察領域におけるピット数は１３０個（５．２×１０8ｃｍ-2）であったが、比較例４では上記領域におけるピット数は１６個（６．４×１０７ｃｍ-2）であり、実施例４では比較例４に比べて有意にＶピット１５の数密度が増大した。また、Ｖピット径を測定したところ、実施例４では、Ｖピット１５の始点の平均的な位置は超格子層１２内であった。
【０１６２】
また、キャリアガス中のＨ2分圧（Ｈ2／Ｎ2＋Ｈ2）＝４１％、５８％、６５％、７０％の四水準でＶピット評価構造を作製し、ＭＱＷ発光層１４の表面におけるＶピット径を比較した。その結果、Ｈ2分圧が５８％の場合がＶピット径が一番大きかった。
【０１６３】
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】
【０１６４】
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、１２  超格子層、１２Ａ  ワイドバンドギャップ層、１２Ｂ  ナローバンドギャップ層、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、５０  窒化物半導体発光素子、５１  下部超格子層、５２  上部超格子層、１００  窒化物半導体発光素子、１１２  超格子層、１１３  下部ＭＱＷ発光層、１１４  上部ＭＱＷ発光層、１１５  Ｖピット、２００  窒化物半導体発光素子、２０９  ｎ型窒化物半導体層、２１０  表面。
【図１】
0006005346.tif 000002
【図２】
0006005346.tif 000003
【図３】
0006005346.tif 000004
【図４】
0006005346.tif 000005
【図６】
0006005346.tif 000006
【図７】
0006005346.tif 000007
【図８】
0006005346.tif 000008
【図９】
0006005346.tif 000009
【図１０】
0006005346.tif 000010
【図５】
0006005346.tif 000011
【図１１】
0006005346.tif 000012