JP5998953B2 - 半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法に関する。
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、一般に、キャリアとしての電子を生成するためのｎ型不純物を含有するｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、キャリアとしての正孔を生成するためのｐ型不純物を含有するｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層との間に、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む発光層を配置して形成されている。そして、この種の半導体発光素子では、複数の井戸層と複数の障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造にて、発光層を構成している（特許文献１参照）。
ところで、半導体発光素子の製造において、例えば、サファイア等の異種材料の基板上に窒化ガリウム系半導体を成長すると、格子不整に起因した多数の貫通転位が生じ、さらに、貫通転位に対応してＶピットが形成される。このとき、積層された単結晶膜中を貫通するような欠陥が多く存在すると、具体的には逆電流（ＩＲ）の増大等の発光素子としての発光特性が大きく劣化してしまう。
本発明は、基板上に成膜される単結晶膜中に生じる貫通転位のような欠陥の発生を許容し、良好な発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体を用いた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している。
本発明は、基板上に成膜される単結晶膜中に生じる貫通転位のような欠陥の発生を許容し、良好な発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体を用いた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している。
本発明によれば、基板上に積層されたｎ型半導体層と、障壁層およびＩｎ原子を含む井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を有し、前記発光層は、３層以上の前記井戸層と、３層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層との境界部にて当該ｎ型半導体層と接続され且つ前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層と接続される４層以上の前記障壁層とを備え、３層以上の前記井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い側から順に設けられる複数のｎ側井戸層と、前記ｐ型半導体層に近い側の１つのｐ側井戸層とからなり、前記発光層には、前記ｐ型半導体層側に開口した凹部の斜面からなるＶ字状凹部が生じており、少なくとも１層以上の前記ｎ側井戸層の当該斜面のＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であり、少なくとも１層以上の前記ｎ側井戸層の前記斜面から２５ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の９０％以下であることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
前記ｎ側井戸層の前記斜面のＩｎ原子の濃度は、前記ｐ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面と比較して前記ｎ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面で減少することが好ましい。
前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成される６層の前記井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成される７層の前記障壁層とを備えることが好ましい。
前記井戸層は、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．１＜ｙ＜０．３）から構成され、前記障壁層は、ＧａＮから構成されることが好ましい。
また、他の観点から捉えると、本発明によれば、基板上に積層されたｎ型半導体層と、障壁層およびＩｎ原子を含む井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を有し、前記発光層は、３層以上の前記井戸層と、３層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層との境界部にて当該ｎ型半導体層と接続され且つ前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層と接続される４層以上の前記障壁層とを備え、３層以上の前記井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い側から順に設けられる複数のｎ側井戸層と、前記ｐ型半導体層に近い側の１つのｐ側井戸層とからなり、前記発光層には、前記ｐ型半導体層側に開口した凹部の斜面からなるＶ字状凹部が生じており、少なくとも１層以上の前記ｎ側井戸層の当該斜面のＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であり、前記ｎ側井戸層の前記斜面のＩｎ原子の濃度は、前記ｐ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面と比較して前記ｎ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面で減少することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
前記ｎ側井戸層の前記斜面のＩｎ原子の濃度は、前記ｐ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面と比較して前記ｎ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面で減少することが好ましい。
前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成される６層の前記井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成される７層の前記障壁層とを備えることが好ましい。
前記井戸層は、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．１＜ｙ＜０．３）から構成され、前記障壁層は、ＧａＮから構成されることが好ましい。
また、他の観点から捉えると、本発明によれば、基板上に積層されたｎ型半導体層と、障壁層およびＩｎ原子を含む井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を有し、前記発光層は、３層以上の前記井戸層と、３層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層との境界部にて当該ｎ型半導体層と接続され且つ前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層と接続される４層以上の前記障壁層とを備え、３層以上の前記井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い側から順に設けられる複数のｎ側井戸層と、前記ｐ型半導体層に近い側の１つのｐ側井戸層とからなり、前記発光層には、前記ｐ型半導体層側に開口した凹部の斜面からなるＶ字状凹部が生じており、少なくとも１層以上の前記ｎ側井戸層の当該斜面のＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であり、前記ｎ側井戸層の前記斜面のＩｎ原子の濃度は、前記ｐ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面と比較して前記ｎ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面で減少することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
次に、本発明によれば、多重量子井戸構造からなる発光層を有する半導体発光素子の製造方法であって、基板上にｎ型半導体層を積層する第１の工程と、有機金属化学気相成長装置により、前記ｎ型半導体層上に、障壁層とＧａＩｎＮを含む井戸層とが交互に積層した多重量子井戸構造からなり、且つ当該ｎ型半導体層中に生じた貫通転位に起因するＶ字状凹部を有する発光層を積層する第２の工程と、前記発光層上にｐ型半導体層を積層する第３の工程と、を有し、前記第２の工程において、前記障壁層を形成する際に、前記有機金属化学気相成長装置中に原料を供給して第１の成長温度でｎ側低温障壁層を成長させ、次に、原料を供給したまま第１の成長温度より高温の第２の成長温度に昇温して前記ｎ側低温障壁層上に高温障壁層を成長させ、続いて原料の供給を停止して前記第２の成長温度より低温の第３の成長温度に降温し、原料供給の停止を継続したまま、少なくとも前記ｎ側低温障壁層の成長に要する時間の０．３倍以上の時間で当該第３の成長温度に前記基板を保持した後に、原料の供給を再開して前記高温障壁層上にｐ側低温障壁層の成長を続け、さらに、前記ｐ側低温障壁層の上に前記井戸層を成長させる操作を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
ここで、前記第２の工程において、原料の供給を停止して前記第２の成長温度より前記第３の成長温度に降温する時間と、原料の供給の停止を継続したまま当該第３の成長温度に前記基板を保持する時間の和が、前記ｎ側低温障壁層の成長に要する時間の１．８倍以上の時間であることが好ましい。
ここで、前記第２の工程において、原料の供給を停止して前記第２の成長温度より前記第３の成長温度に降温する時間と、原料の供給の停止を継続したまま当該第３の成長温度に前記基板を保持する時間の和が、前記ｎ側低温障壁層の成長に要する時間の１．８倍以上の時間であることが好ましい。
本発明によれば、基板上に成膜される単結晶膜中に生じる貫通転位のような欠陥の発生を許容し、良好な発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子及びその製造方法が得られる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。すなわち、実施の形態の例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に記載がない限り、本発明の範囲を限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。また、使用する図面は、本実施の形態を説明するための一例であり、実際の大きさを表すものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、本明細書において、「層上」等の「上」は、必ずしも上面に接触して形成される場合に限定されず、離間して上方に形成される場合や、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。
＜半導体発光素子＞
図１は、本実施の形態が適用される半導体発光素子（発光ダイオード）１の上面図の一例である。図２は、図１に示す半導体発光素子１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
半導体発光素子１は、基板１１０と、基板１１０上に積層される中間層１２０と、中間層１２０上に積層される下地層１３０とを備える。また、半導体発光素子１は、下地層１３０上に積層されるｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０上に積層される発光層１５０と、発光層１５０上に積層されるｐ型半導体層１６０とをさらに備える。
ここで、ｎ型半導体層１４０は、下地層１３０上に積層されるｎコンタクト層１４１と、ｎコンタクト層１４１上に積層されるとともに発光層１５０の積層対象となるｎクラッド層１４２とを有している。
一方、ｐ型半導体層１６０は、発光層１５０上に積層されるｐクラッド層１６１と、ｐクラッド層１６１上に積層されるｐコンタクト層１６２とを有している。尚、以下の説明では、必要に応じて、これら中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０を、まとめて積層半導体層１００と呼ぶことがある。
図１は、本実施の形態が適用される半導体発光素子（発光ダイオード）１の上面図の一例である。図２は、図１に示す半導体発光素子１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
半導体発光素子１は、基板１１０と、基板１１０上に積層される中間層１２０と、中間層１２０上に積層される下地層１３０とを備える。また、半導体発光素子１は、下地層１３０上に積層されるｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０上に積層される発光層１５０と、発光層１５０上に積層されるｐ型半導体層１６０とをさらに備える。
ここで、ｎ型半導体層１４０は、下地層１３０上に積層されるｎコンタクト層１４１と、ｎコンタクト層１４１上に積層されるとともに発光層１５０の積層対象となるｎクラッド層１４２とを有している。
一方、ｐ型半導体層１６０は、発光層１５０上に積層されるｐクラッド層１６１と、ｐクラッド層１６１上に積層されるｐコンタクト層１６２とを有している。尚、以下の説明では、必要に応じて、これら中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０を、まとめて積層半導体層１００と呼ぶことがある。
半導体発光素子１は、ｐ型半導体層１６０（より具体的にはｐコンタクト層１６２）上に積層される透明導電層１７０と、この透明導電層１７０上の一部に積層されるｐ側電極３００と、ｐ型半導体層１６０と透明導電層１７０との間に配置される透明絶縁層１９０とを有する。ここで、透明絶縁層１９０は、図２に示す断面図においてｐ側電極３００の下方に相当する位置に配置されている。また、ｐ側電極３００は、その端部から透明導電層１７０の上面に沿って線状に形成された延伸部３１０を含んでいる。
さらに、半導体発光素子１は、積層半導体層１００のうち、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部を切り欠くことによって露出した、ｎ型半導体層１４０の半導体露出面１４０ａ上の一部に積層されるｎ側電極４００を有する。尚、半導体露出面１４０ａにおいては、ｎ型半導体層１４０におけるｎコンタクト層１４１が露出している。
さらに、半導体発光素子１は、積層半導体層１００のうち、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部を切り欠くことによって露出した、ｎ型半導体層１４０の半導体露出面１４０ａ上の一部に積層されるｎ側電極４００を有する。尚、半導体露出面１４０ａにおいては、ｎ型半導体層１４０におけるｎコンタクト層１４１が露出している。
半導体発光素子１は、透明導電層１７０のうちｐ側電極３００が取り付けられていない領域およびｐ側電極３００のうちの一部を除く領域と、半導体露出面１４０ａのうちｎ側電極４００が取り付けられていない領域およびｎ側電極４００のうちの一部を除く領域とを覆うように積層される保護層１８０をさらに備えている。尚、保護層１８０は、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部を切り欠くことによって露出した、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の壁面も覆っている。
半導体発光素子１にｐ側電極３００を高電位とし且つｎ側電極４００を低電位とする電圧（順方向電圧ＶＦ）をかけると、半導体発光素子１では、ｐ側電極３００からｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０を介してｎ側電極４００に向かう電流（順方向電流ＩＦ）が流れ、発光層１５０から目標波長の光（この例では青色光）が出力される。そして、発光層１５０から出力された光は、半導体発光素子１の外部に出力される。尚、本実施の形態の半導体発光素子１は、発光層１５０から出力される光をｐ側電極３００およびｎ側電極４００が形成される側から取り出す、フェイスアップ型の発光ダイオードである。
次に、半導体発光素子１の各構成要素について説明する。尚、以下の説明において、ＩＩＩ族窒化物半導体の一例としてのＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮに関し、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
（基板１１０）
基板１１０の材料としては、特に限定されず、各種の材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ＧａＮ等が挙げられる。これらの中でも、特に、Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。基板１１０としてサファイア基板を用いる場合は、サファイアのＣ面上に中間層１２０（バッファ層）を形成することが好ましい。
基板１１０の材料としては、特に限定されず、各種の材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ＧａＮ等が挙げられる。これらの中でも、特に、Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。基板１１０としてサファイア基板を用いる場合は、サファイアのＣ面上に中間層１２０（バッファ層）を形成することが好ましい。
（積層半導体層１００）
積層半導体層１００は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層であって、図２に示すように、基板１１０上に、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の各層が、この順で積層されて構成されている。ここで、ｎ型半導体層１４０は、電子（エレクトロン）をキャリアとするものであり、ｐ型半導体層１６０は、正孔（ホール）をキャリアとするものである。
以下、積層半導体層１００を構成する各層について説明する。
積層半導体層１００は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層であって、図２に示すように、基板１１０上に、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の各層が、この順で積層されて構成されている。ここで、ｎ型半導体層１４０は、電子（エレクトロン）をキャリアとするものであり、ｐ型半導体層１６０は、正孔（ホール）をキャリアとするものである。
以下、積層半導体層１００を構成する各層について説明する。
［中間層１２０］
中間層１２０は、基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和し、特にＣ面を主面とするサファイアで基板１１０を構成した場合には、基板１１０の（０００１）面（Ｃ面）上にｃ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。中間層１２０は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。中間層１２０の厚さ１０ｎｍ〜５００ｎｍのものとすることができる。尚、中間層１２０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成すると結晶性の良いものが得られる。また、スパッタ法によっても条件を最適化することで、ＭＯＣＶＤ法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。
中間層１２０は、基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和し、特にＣ面を主面とするサファイアで基板１１０を構成した場合には、基板１１０の（０００１）面（Ｃ面）上にｃ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。中間層１２０は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。中間層１２０の厚さ１０ｎｍ〜５００ｎｍのものとすることができる。尚、中間層１２０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成すると結晶性の良いものが得られる。また、スパッタ法によっても条件を最適化することで、ＭＯＣＶＤ法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。
［下地層１３０］
下地層１３０としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いることができる。また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層１３０を形成できるため好ましい。
下地層１３０の厚さは１００ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ（１μｍ）以上が最も好ましい。
下地層１３０としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いることができる。また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層１３０を形成できるため好ましい。
下地層１３０の厚さは１００ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ（１μｍ）以上が最も好ましい。
［ｎ型半導体層１４０］
電子をキャリアとするｎ型半導体層１４０は、下地層１３０上に積層されるｎコンタクト層１４１と、ｎコンタクト層１４１上に積層されるとともに発光層１５０の積層対象となるｎクラッド層１４２とを備えている。尚、前述の下地層１３０をｎ型半導体層１４０に含めてもよい。
電子をキャリアとするｎ型半導体層１４０は、下地層１３０上に積層されるｎコンタクト層１４１と、ｎコンタクト層１４１上に積層されるとともに発光層１５０の積層対象となるｎクラッド層１４２とを備えている。尚、前述の下地層１３０をｎ型半導体層１４０に含めてもよい。
ｎコンタクト層１４１としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎコンタクト層１４１にはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、ｎ側電極４００との良好なオーミック接触を維持できる点で好ましい。ｎ型不純物としては、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられる。ｎコンタクト層１４１の膜厚は、５００ｎｍ〜５０００ｎｍ（５μｍ）とされることが好ましく、１０００ｎｍ（１μｍ）〜４０００ｎｍ（４μｍ）の範囲に設定することがより好ましい。
ｎクラッド層１４２は、発光層１５０へのキャリア（ここでは電子）の注入とキャリアの閉じ込めを行なう層であり、本実施の形態では、ｎ第１クラッド層とｎ第２クラッド層が交互に積層した超格子構造を含む層としてｎクラッド層１４２が構成されている。ｎクラッド層１４２の全体の膜厚は、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。ｎクラッド層１４２のｎ型不純物濃度は１．５×１０１７／ｃｍ３〜１．５×１０２０／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１．５×１０１８／ｃｍ３〜１．５×１０１９／ｃｍ３である。
［発光層１５０］
本実施の形態において、発光層１５０は、バンドギャップエネルギーの小さい井戸層とバンドギャップエネルギーの大きい障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有している。井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造のペア数（井戸層および障壁層の組を１ペアとする）としては、３以上、好ましくは３から５０、より好ましくは３から２０である。ペア数が過度に大きいと、通常、生産性が低下するので好ましくない。多重量子井戸構造については後述する。
本実施の形態において、発光層１５０は、バンドギャップエネルギーの小さい井戸層とバンドギャップエネルギーの大きい障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有している。井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造のペア数（井戸層および障壁層の組を１ペアとする）としては、３以上、好ましくは３から５０、より好ましくは３から２０である。ペア数が過度に大きいと、通常、生産性が低下するので好ましくない。多重量子井戸構造については後述する。
多重量子井戸構造の井戸層としては、通常、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．１＜ｙ＜０．３）からなるＩＩＩ族窒化物半導体層が用いられる。井戸層の膜厚としては、量子効果が得られる程度の膜厚であって、例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍであり、好ましくは２ｎｍ〜６ｎｍとすると発光出力の点で好ましい。
また、本実施の形態では、多重量子井戸構造の発光層１５０は、上記Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層とし、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＧａＮを障壁層とすることが好ましい。井戸層および障壁層には、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。尚、本実施の形態では、発光層１５０が、青色光（発光波長λ＝４００ｎｍ〜４６５ｎｍ程度）を出力するようになっている。
［ｐ型半導体層１６０］
正孔をキャリアとするｐ型半導体層１６０は、発光層１５０上に積層されるｐクラッド層１６１と、ｐクラッド層１６１上に積層されるとともに透明導電層１７０の積層対象となるｐコンタクト層１６２とを備えている。
ｐクラッド層１６１は、発光層１５０へのキャリア（ここでは正孔）の注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。ｐクラッド層１６１としては、好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）を用いることができる。ｐクラッド層１６１の膜厚は、好ましくは透明絶縁層１９０ｎｍ〜４００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１６１におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３である。
正孔をキャリアとするｐ型半導体層１６０は、発光層１５０上に積層されるｐクラッド層１６１と、ｐクラッド層１６１上に積層されるとともに透明導電層１７０の積層対象となるｐコンタクト層１６２とを備えている。
ｐクラッド層１６１は、発光層１５０へのキャリア（ここでは正孔）の注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。ｐクラッド層１６１としては、好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）を用いることができる。ｐクラッド層１６１の膜厚は、好ましくは透明絶縁層１９０ｎｍ〜４００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１６１におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３である。
ｐコンタクト層１６２は、透明導電層１７０を設けるための層である。ｐコンタクト層１６２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）であることが好ましい。ｐコンタクト層１６２におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３である。ｐクラッド層１６１およびｐコンタクト層１６２におけるｐ型不純物としては、例えば、Ｍｇを用いることができる。ｐコンタクト層１６２の膜厚は、特に限定されないが、１０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
（透明絶縁層１９０）
本実施の形態では、透明絶縁層１９０は、ｐ型半導体層１６０の上の一部に積層されている。図１に示すように、半導体発光素子１を平面視したときに、ｐ側電極３００の下方に位置する部分に透明絶縁層１９０を形成する。
透明絶縁層１９０を構成する材料としては、例えば、ＳｉＯ２（二酸化珪素）、ＳｉＮ（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、酸化チタン等の金属酸化物、窒化物が挙げられる。また、これらの層の多層膜にして反射率を高めた構造も好ましい。
透明絶縁層１９０の厚さは、通常、２０ｎｍ〜５００ｎｍ、より望ましくは、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
本実施の形態では、透明絶縁層１９０は、ｐ型半導体層１６０の上の一部に積層されている。図１に示すように、半導体発光素子１を平面視したときに、ｐ側電極３００の下方に位置する部分に透明絶縁層１９０を形成する。
透明絶縁層１９０を構成する材料としては、例えば、ＳｉＯ２（二酸化珪素）、ＳｉＮ（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、酸化チタン等の金属酸化物、窒化物が挙げられる。また、これらの層の多層膜にして反射率を高めた構造も好ましい。
透明絶縁層１９０の厚さは、通常、２０ｎｍ〜５００ｎｍ、より望ましくは、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
（透明導電層１７０）
本実施の形態では、透明導電層１７０（例えば、図１に破線で示す）は、ｎ側電極４００を形成するためにエッチング等の手段によって一部が除去されたｐ型半導体層１６０の上面のほぼ全面を覆うように形成されている。
透明導電層１７０は、Ｉｎを含む導電性の酸化物から構成され、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＩＧＯ（酸化インジウムガリウム（Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２Ｏ３））、ＩＣＯ（酸化インジウムセリウム（Ｉｎ２Ｏ３−ＣｅＯ２））等が挙げられる。透明導電層１７０の厚さは特に制限されないが、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である。
本実施の形態では、透明導電層１７０（例えば、図１に破線で示す）は、ｎ側電極４００を形成するためにエッチング等の手段によって一部が除去されたｐ型半導体層１６０の上面のほぼ全面を覆うように形成されている。
透明導電層１７０は、Ｉｎを含む導電性の酸化物から構成され、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＩＧＯ（酸化インジウムガリウム（Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２Ｏ３））、ＩＣＯ（酸化インジウムセリウム（Ｉｎ２Ｏ３−ＣｅＯ２））等が挙げられる。透明導電層１７０の厚さは特に制限されないが、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である。
（保護層１８０）
本実施の形態では、保護層１８０をＳｉＯ２で構成している。ただし、保護層１８０を構成する材料についてはこれに限られるものではなく、ＳｉＯ２に代えて、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等を用いることができる。
本実施の形態では、保護層１８０をＳｉＯ２で構成している。ただし、保護層１８０を構成する材料についてはこれに限られるものではなく、ＳｉＯ２に代えて、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等を用いることができる。
（ｐ側電極３００）
本実施の形態では、ｐ側電極３００は、複数種の金属層を積層して構成され、図１に示すように平面視したときに円形状を呈するようになっている。また、発光層１５０に対し均一に電流を供給するために、ｐ側電極３００に、細線形状の延伸部３１０を設けている。延伸部３１０は、発光層１５０の大きさや形状に応じて、長さ、太さ、本数など、好適な形状を設計できる。
本実施の形態では、ｐ側電極３００は、複数種の金属層を積層して構成され、図１に示すように平面視したときに円形状を呈するようになっている。また、発光層１５０に対し均一に電流を供給するために、ｐ側電極３００に、細線形状の延伸部３１０を設けている。延伸部３１０は、発光層１５０の大きさや形状に応じて、長さ、太さ、本数など、好適な形状を設計できる。
（ｎ側電極４００）
ｎ側電極４００は、ｐ側電極３００と同様に、複数種の金属層を積層して構成されている。本実施の形態のｎ側電極４００は、所謂ボンディングパッドを兼ねており、外部に露出する面に図示しないボンディングワイヤが接続される。本実施の形態では、図１に示すように平面視したときに、ｎ側電極４００がかまぼこ形状を呈するようになっているが、上述したｐ側電極３００と同様、例えば、円形状や多角形状など任意の形状を選択することができる。
ｎ側電極４００は、ｐ側電極３００と同様に、複数種の金属層を積層して構成されている。本実施の形態のｎ側電極４００は、所謂ボンディングパッドを兼ねており、外部に露出する面に図示しないボンディングワイヤが接続される。本実施の形態では、図１に示すように平面視したときに、ｎ側電極４００がかまぼこ形状を呈するようになっているが、上述したｐ側電極３００と同様、例えば、円形状や多角形状など任意の形状を選択することができる。
（多重量子井戸構造）
図３は、多重量子井戸構造からなる発光層１５０の構造を説明する断面図である。
本実施の形態において、発光層１５０は、障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。図３に示すように、発光層１５０は、ｎクラッド層１４２（より詳しくはｎ第１クラッド層）上に積層される第１障壁層１５１１と、第１障壁層１５１１上に積層される第１井戸層１５２１と、第１井戸層１５２１上に積層される第２障壁層１５１２と、第２障壁層１５１２上に積層される第２井戸層１５２２と、第２井戸層１５２２上に積層される第３障壁層１５１３と、第３障壁層１５１３上に積層される第３井戸層１５２３と、第３井戸層１５２３上に積層される第４障壁層１５１４と、第４障壁層１５１４上に積層される第４井戸層１５２４と、第４井戸層１５２４上に積層される第５障壁層１５１５と、第５障壁層１５１５上に積層される第５井戸層１５２５と、第５井戸層１５２５上に積層される第６障壁層１５１６と、第６障壁層１５１６上に積層される第６井戸層１５２６と、第６井戸層１５２６上に積層されるとともにｐクラッド層１６１の積層対象となる第７障壁層１５１７とを備えている。
図３は、多重量子井戸構造からなる発光層１５０の構造を説明する断面図である。
本実施の形態において、発光層１５０は、障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。図３に示すように、発光層１５０は、ｎクラッド層１４２（より詳しくはｎ第１クラッド層）上に積層される第１障壁層１５１１と、第１障壁層１５１１上に積層される第１井戸層１５２１と、第１井戸層１５２１上に積層される第２障壁層１５１２と、第２障壁層１５１２上に積層される第２井戸層１５２２と、第２井戸層１５２２上に積層される第３障壁層１５１３と、第３障壁層１５１３上に積層される第３井戸層１５２３と、第３井戸層１５２３上に積層される第４障壁層１５１４と、第４障壁層１５１４上に積層される第４井戸層１５２４と、第４井戸層１５２４上に積層される第５障壁層１５１５と、第５障壁層１５１５上に積層される第５井戸層１５２５と、第５井戸層１５２５上に積層される第６障壁層１５１６と、第６障壁層１５１６上に積層される第６井戸層１５２６と、第６井戸層１５２６上に積層されるとともにｐクラッド層１６１の積層対象となる第７障壁層１５１７とを備えている。
このように、本実施の形態の発光層１５０は、７つの障壁層（第１障壁層１５１１〜第７障壁層１５１７）と６つの井戸層（第１井戸層１５２１〜第６井戸層１５２６）とを含む１３層で構成されている。また、この発光層１５０は、２つの障壁層によって１つの井戸層を挟み込んだ構造となっている。そして、発光層１５０のうち、ｎ型半導体層１４０（ｎクラッド層１４２）と接する側には第１障壁層１５１１が位置し、ｐ型半導体層１６０（ｐクラッド層１６１）と接する側には第７障壁層１５１７が位置している。
そして、ｎ型半導体層１４０に近い側から順に設けられる第１井戸層１５２１〜第５井戸層１５２５が複数のｎ側井戸層の一例であり、ｐ型半導体層１６０に近い側の第６井戸層１５２６がｐ側井戸層の一例である。
そして、ｎ型半導体層１４０に近い側から順に設けられる第１井戸層１５２１〜第５井戸層１５２５が複数のｎ側井戸層の一例であり、ｐ型半導体層１６０に近い側の第６井戸層１５２６がｐ側井戸層の一例である。
尚、以下の説明においては、発光層１５０のうち、第１障壁層１５１１、第２障壁層１５１２、第３障壁層１５１３、第４障壁層１５１４、第５障壁層１５１５、第６障壁層１５１６および第７障壁層１５１７を、まとめて障壁層１５１と呼ぶことがある。また、発光層１５０のうち、第１井戸層１５２１、第２井戸層１５２２、第３井戸層１５２３、第４井戸層１５２４、第５井戸層１５２５および第６井戸層１５２６を、まとめて井戸層１５２と称することがある。
本実施の形態では、障壁層１５１を構成する７つの障壁層（第１障壁層１５１１〜第７障壁層１５１７）の各々は、ｎ型半導体層としてのｎクラッド層１４２側に、第１の温度で成長させたｎ側低温障壁層（１５１１ａ，１５１２ａ，１５１３ａ，１５１４ａ，１５１５ａ，１５１６ａ，１５１７ａ）と、第１の温度より高温の第２の温度で当該ｎ側低温障壁層上に成長させた高温障壁層（１５１１ｂ，１５１２ｂ，１５１３ｂ，１５１４ｂ，１５１５ｂ，１５１６ｂ，１５１７ｂ）と、当該第２の温度より低温の第３の温度で当該高温障壁層上に成長させたｐ側低温障壁層（１５１１ｃ，１５１２ｃ，１５１３ｃ，１５１４ｃ，１５１５ｃ，１５１６ｃ，１５１７ｃ）との３層構造を有している。障壁層１５１をこのような３層構造にすることにより、３層構造を有しない場合と比較して高い発光強度が得られる。
障壁層１５１と井戸層１５２の製造方法については後述する。
障壁層１５１と井戸層１５２の製造方法については後述する。
（Ｖ字状凹部１５０Ｖ）
図４は、発光層１５０に生じたＶ字状凹部１５０Ｖの周辺を説明する断面図である。図１〜図３と同様な箇所については同じ符号を使用し、その説明を省略する。尚、図４では保護層１８０および透明絶縁層１９０、基板１１０、中間層１２０および下地層１３０を省略している。
図４に示すように、ｎクラッド層１４２上に積層されている発光層１５０は、バンドギャップエネルギーの小さい井戸層１５２とバンドギャップエネルギーの大きい障壁層１５１を交互に積層した多重量子井戸構造を有している。本実施の形態では、発光層１５０には、ｐ型半導体層１６０のｐクラッド層１６１側に開口した凹部斜面１５３からなるＶ字状凹部１５０Ｖが生じている。
図４は、発光層１５０に生じたＶ字状凹部１５０Ｖの周辺を説明する断面図である。図１〜図３と同様な箇所については同じ符号を使用し、その説明を省略する。尚、図４では保護層１８０および透明絶縁層１９０、基板１１０、中間層１２０および下地層１３０を省略している。
図４に示すように、ｎクラッド層１４２上に積層されている発光層１５０は、バンドギャップエネルギーの小さい井戸層１５２とバンドギャップエネルギーの大きい障壁層１５１を交互に積層した多重量子井戸構造を有している。本実施の形態では、発光層１５０には、ｐ型半導体層１６０のｐクラッド層１６１側に開口した凹部斜面１５３からなるＶ字状凹部１５０Ｖが生じている。
本実施の形態では、発光層１５０に生じたＶ字状凹部１５０Ｖは、例えば、ｎ型半導体層１４０の貫通転位に起因して形成される。基板１１０としてサファイア等の六方晶系の材料を用いた場合、ＧａＮ系半導体等は、基板１１０のＣ面（０００１面）またはこの面から所望のオフ角を有する面上に成長される。このように、異種基板上にＧａＮ系半導体等のｎ型半導体層１４０を成長させると、ｎ型半導体層１４０には、格子不整に起因して多数の貫通転位１４０Ｄが形成される。そして、ｎ型半導体層１４０上に積層した発光層１５０には、下地のｎ型半導体層１４０に生じた貫通転位１４０Ｄに起因して、Ｖピットと呼ばれるＶ字状凹部１５０Ｖが形成される。
図４に示すように、井戸層１５２は５つのｎ側井戸層（第１井戸層１５２１〜第５井戸層１５２５）と１つのｐ側井戸層（第６井戸層１５２６）から構成されている。そして、少なくとも１層以上のｎ側井戸層は、ｐクラッド層１６１と接する表面近傍において、後述するように、斜面のＩｎ原子の濃度が同じ井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下となるように形成されている。
発光層にＶピットが形成された半導体発光素子では、Ｖピットの斜面で複数の井戸層の端部がｐ型半導体層と直接接触するため、Ｖピット傾斜面近傍の電気抵抗が低下する。
本実施の形態では、図４に示す半導体発光素子１において、ｎ側電極４００を高電位とし且つｐ側電極３００を低電位とする電圧（逆方向電圧）をかけた場合、ｎクラッド層１４２からｐクラッド層１６１に流れようとする逆電流（ＩＲ）が、凹部斜面１５３のＩｎ原子の濃度が井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であるｎ側井戸層を有しない場合と比較して低減する。
本実施の形態では、図４に示す半導体発光素子１において、ｎ側電極４００を高電位とし且つｐ側電極３００を低電位とする電圧（逆方向電圧）をかけた場合、ｎクラッド層１４２からｐクラッド層１６１に流れようとする逆電流（ＩＲ）が、凹部斜面１５３のＩｎ原子の濃度が井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であるｎ側井戸層を有しない場合と比較して低減する。
これは、凹部斜面１５３において井戸層１５２のＩｎ原子の濃度が５０％以下に低減すると、Ｉｎ原子が低減した井戸層１５２の端部のバンドギャップエネルギーが大きくなり、井戸層１５２からｐクラッド層１６１に流れようとする逆電流（ＩＲ）の増大を阻止していると考えられる。
本実施の形態では、井戸層１５２がｐクラッド層１６１と接する表面近傍で、特に、ｎ側井戸層である第１井戸層１５２１〜第５井戸層１５２５の凹部斜面１５３でＩｎ原子の濃度が低減した端部が、ｐ側井戸層である第６井戸層１５２６の端部と比較して、逆電流（ＩＲ）を低減させる効果が大きいと考えられる。
本実施の形態では、井戸層１５２がｐクラッド層１６１と接する表面近傍で、特に、ｎ側井戸層である第１井戸層１５２１〜第５井戸層１５２５の凹部斜面１５３でＩｎ原子の濃度が低減した端部が、ｐ側井戸層である第６井戸層１５２６の端部と比較して、逆電流（ＩＲ）を低減させる効果が大きいと考えられる。
図５は、Ｖ字状凹部１５０Ｖの周辺におけるＩｎ原子の濃度を説明するグラフと表である。図５（ａ）は、後述する製造方法（成長中断４分）により製造した発光層１５０のＶ字状凹部１５０Ｖの周辺におけるＩｎ原子の濃度を表す。横軸（Ｖピットからの距離）は、多重量子井戸構造の井戸層１５２におけるＶ字状凹部１５０Ｖの表面から内部までの基板表面に平行な方向での距離である（単位：ｎｍ）。縦軸は、前述した６つの井戸層（第１井戸層１５２１〜第６井戸層１５２６：図３参照）におけるＩｎ原子の濃度である。本実施の形態では、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度を基準（１．０）にして規格化した値を示している（Ｉｎ規格化５０ｎｍ基準）。
尚、図５（ａ）では、６つの井戸層をｐクラッド層１６１側から順に井戸層Ａ〜井戸層Ｆと表示し、井戸層Ａは第６井戸層１５２６、井戸層Ｂは第５井戸層１５２５、井戸層Ｃは第４井戸層１５２４、井戸層Ｄは第３井戸層１５２３、井戸層Ｅは第２井戸層１５２２、井戸層Ｆは第１井戸層１５２１に、それぞれ対応する。また、比較として、障壁層１５１のＩｎ原子の濃度を併せて示している（障壁層Ｇ）。
尚、障壁層１５１のＩｎ原子は、井戸層Ａ〜井戸層Ｆの５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子濃度の平均値で規格化した値を示している。障壁層１５１がＩｎを含まないＧａＮで形成された場合でも、隣接する井戸層１５２のＩｎが拡散するため規格化した値で数％程度のＩｎ原子濃度となると考えられる。
図５（ａ）に示すように、多重量子井戸構造の井戸層１５２を構成する６つの井戸層Ａ〜井戸層Ｆの内、ｎ側井戸層である井戸層Ｂ〜井戸層Ｆのすべての層で、Ｖ字状凹部１５０Ｖの斜面の部分（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）に存在するＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の５０％以下（規格値０．５以下）となっている。また、ｎ側井戸層のうち井戸層Ｂ、井戸層Ｄ、井戸層Ｅ、井戸層Ｆの４つの層で、斜面の部分（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）のＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の４５％以下（規格値０．４５以下）となっている。さらに、ｎ側井戸層のうち井戸層Ｅ、井戸層Ｆの２つの層で、斜面の部分（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）のＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の４０％以下（規格値０．４以下）となっている。
また、ｎ側井戸層のうち井戸層Ｃ〜井戸層Ｆの４つの層で、斜面から２５ｎｍの部位（Ｖピット表面からの距離２５ｎｍ）に存在するＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の９０％以下（規格値０．９以下）となっている。
一方、図５（ｂ）は、いずれのｎ側井戸層も、斜面の部分（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）のＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の５０％以下（規格値０．５以下）となっていない場合のＶ字状凹部１５０Ｖの周辺におけるＩｎ原子の濃度を表す。図５（ａ）と同様な構成には同じ符号を付している。
図５（ｂ）に示すように、多重量子井戸構造の井戸層１５２を構成する６つの井戸層Ａ〜井戸層Ｆのうちｎ側井戸層である井戸層Ｂ〜井戸層Ｆは、Ｖ字状凹部１５０Ｖの斜面の部分（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）に存在するＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の５０％（規格値０．５）より大きな値に止まることが分かる。この場合、半導体発光素子１に逆方向電圧をかけると、逆電流（ＩＲ）が増大する。
図６は、貫通転位に起因するＶ字状凹部における逆電流（ＩＲ）発生のメカニズムを説明する図である。図６に示す半導体発光素子は、図１及び図２に示した半導体発光素子１と同様に、図示しない基板、中間層および下地層上に積層されたｎ−ＧａＮ（ｎコンタクト層１４１）とＮクラッド層（ｎクラッド層１４２）、井戸層１５２と障壁層１５１を交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ層）からなる発光層１５０、発光層１５０に積層されるＰ−ＡｌＧａＮからなるＰクラッド層（ｐクラッド層１６１）とＰ−ＧａＮ（ｐコンタクト層１６２）が積層され、半導体発光素子の上部に取り付けられたＰ電極（ｐ側電極３００）とｎ−ＧａＮ（ｎコンタクト層１４１）の一部に積層されるＮ電極（ｎ側電極４００）を有する。図６に示すように、ＭＱＷ層からなる発光層１５０には、ｎ−ＧａＮ（ｎコンタクト層１４１）およびＮクラッド層（ｎクラッド層１４２）の貫通転位に起因したＶピットが生じている。
図６に示す半導体発光素子において、Ｎ電極を高電位とし且つＰ電極を低電位とする電圧（逆方向電圧：２０Ｖ印加）をかけた場合、ＶピットにおいてＭＱＷ層の井戸層からＰクラッド層に逆電流（ＩＲ）が流れやすい。
これは、ＭＱＷ層の井戸層の端部が、Ｖピットを埋めたＰクラッド層に露出して井戸層とＰクラッド層が接するため、井戸層からＰクラッド層に逆電流（ＩＲ）が流れるためと考えられる。逆電流は、Ｎクラッド層に近い井戸層から特に流れやすい傾向がある。
これは、ＭＱＷ層の井戸層の端部が、Ｖピットを埋めたＰクラッド層に露出して井戸層とＰクラッド層が接するため、井戸層からＰクラッド層に逆電流（ＩＲ）が流れるためと考えられる。逆電流は、Ｎクラッド層に近い井戸層から特に流れやすい傾向がある。
＜半導体発光素子の製造方法＞
次に、半導体発光素子１の製造方法について説明する。
多重量子井戸構造からなる発光層１５０を有する半導体発光素子の製造方法は、基板１１０上にｎ型半導体層１４０を積層する第１の工程と、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ｎ型半導体層１４０上に、障壁層１５１とＧａＩｎＮを含む井戸層１５２とが交互に積層した多重量子井戸構造からなり、且つｎ型半導体層１４０中に生じた貫通転位１４０Ｄに起因するＶ字状凹部１５０Ｖを有する発光層１５０を積層する第２の工程と、発光層１５０上にｐ型半導体層１６０を積層する第３の工程と、を有している。
次に、半導体発光素子１の製造方法について説明する。
多重量子井戸構造からなる発光層１５０を有する半導体発光素子の製造方法は、基板１１０上にｎ型半導体層１４０を積層する第１の工程と、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ｎ型半導体層１４０上に、障壁層１５１とＧａＩｎＮを含む井戸層１５２とが交互に積層した多重量子井戸構造からなり、且つｎ型半導体層１４０中に生じた貫通転位１４０Ｄに起因するＶ字状凹部１５０Ｖを有する発光層１５０を積層する第２の工程と、発光層１５０上にｐ型半導体層１６０を積層する第３の工程と、を有している。
（第１の工程）
まず、サファイア等からなる基板１１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、中間層１２０、下地層１３０を順次積層する。次いで、下地層１３０上に、ｎ型半導体層１４０のｎコンタクト層１４１とｎクラッド層１４２を積層する。ｎ型半導体層１４０を成長させる際には、水素雰囲気で、基板１１０の温度を９００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。ｎコンタクト層１４１を成長させる原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等のＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用いる。ＭＯＣＶＤ法における圧力は１５ｋＰａ〜８０ｋＰａとすることが好ましく、１５〜６０ｋＰａとすることがより好ましい。キャリアガスは窒素ガス、水素ガス、または水素ガスと窒素ガスとの混合ガスが使用される。
まず、サファイア等からなる基板１１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、中間層１２０、下地層１３０を順次積層する。次いで、下地層１３０上に、ｎ型半導体層１４０のｎコンタクト層１４１とｎクラッド層１４２を積層する。ｎ型半導体層１４０を成長させる際には、水素雰囲気で、基板１１０の温度を９００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。ｎコンタクト層１４１を成長させる原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等のＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用いる。ＭＯＣＶＤ法における圧力は１５ｋＰａ〜８０ｋＰａとすることが好ましく、１５〜６０ｋＰａとすることがより好ましい。キャリアガスは窒素ガス、水素ガス、または水素ガスと窒素ガスとの混合ガスが使用される。
（第２の工程）
続いて、ｎ型半導体層１４０上に発光層１５０を積層する。本実施の形態では、障壁層１５１と井戸層１５２とを交互に繰返し積層し、発光層１５０を形成する。このとき、障壁層１５１は、ｎ型半導体層１４０側及びｐ型半導体層１６０側に配されるように積層することが好ましい。
本実施の形態では、前述した第１の工程において、サファイア等からなる基板１１０上にＧａＮ系半導体等のｎ型半導体層１４０を成長させることにより、格子不整に起因して多数の貫通転位１４０Ｄが形成される（図４参照）。そして、ｎ型半導体層１４０上に積層する発光層１５０には、下地のｎ型半導体層１４０に生じた貫通転位１４０Ｄに起因して、Ｖピットと呼ばれるＶ字状凹部１５０Ｖが形成される（図４参照）。
続いて、ｎ型半導体層１４０上に発光層１５０を積層する。本実施の形態では、障壁層１５１と井戸層１５２とを交互に繰返し積層し、発光層１５０を形成する。このとき、障壁層１５１は、ｎ型半導体層１４０側及びｐ型半導体層１６０側に配されるように積層することが好ましい。
本実施の形態では、前述した第１の工程において、サファイア等からなる基板１１０上にＧａＮ系半導体等のｎ型半導体層１４０を成長させることにより、格子不整に起因して多数の貫通転位１４０Ｄが形成される（図４参照）。そして、ｎ型半導体層１４０上に積層する発光層１５０には、下地のｎ型半導体層１４０に生じた貫通転位１４０Ｄに起因して、Ｖピットと呼ばれるＶ字状凹部１５０Ｖが形成される（図４参照）。
本実施の形態では、多重量子井戸構造の井戸層１５２としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．２）なる組成のＩＩＩ族窒化物半導体が用いられる。また、緑色発光を呈する井戸層１５２の場合には、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．１＜ｙ＜０．３０）等、インジウムの組成が高められたものが用いられる。尚、障壁層１５１および井戸層１５２の組成や膜厚は、所定の発光波長になるように適宜設定することができる。また、発光層１５０の成長の際、キャリアガスとして窒素ガスを用いることができる。
本実施の形態では、多重量子井戸構造の発光層１５０の場合、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層１５２とし、井戸層１５２よりバンドギャップエネルギーが大きいＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．３）を障壁層１５１とすることが好ましい。また、障壁層１５１及び井戸層１５２には、不純物をドープしても良いし、あるいは、しなくてもよい。
本実施の形態では、多重量子井戸構造の発光層１５０の場合、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層１５２とし、井戸層１５２よりバンドギャップエネルギーが大きいＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．３）を障壁層１５１とすることが好ましい。また、障壁層１５１及び井戸層１５２には、不純物をドープしても良いし、あるいは、しなくてもよい。
図７は、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法において、発光層１５０を形成する際の基板温度を説明するグラフである。図７には、発光層１５０（障壁層１５１および井戸層１５２）の成長温度と成長時間および供給するガスの条件の一例が示されている。縦軸は、発光層１５０の各層を形成する際の成長温度（Ｔｅｍｐ）である。横軸は、発光層１５０の各層を形成する際の成長時間（Ｔｉｍｅ）である。図７のグラフでは、原料を供給する場合を実線で表し、原料の供給を停止する場合を破線で表している。
図７に示すように、本実施形態では、まず、障壁層１５１を形成する際に、有機金属化学気相成長装置（以下、「ＭＯＣＶＤ装置」と記す）中に原料を供給して第１の成長温度（Ｔ１）でｎ側低温障壁層（ｎＬＴＢ）を成長させる。次に、ＭＯＣＶＤ装置中に原料を供給したまま、第１の成長温度（Ｔ１）より高温の第２の成長温度（Ｔ２）に昇温して、ｎ側低温障壁層（ｎＬＴＢ）上に高温障壁層（ＨＴＢ）を成長させる。
続いて、ＭＯＣＶＤ装置中への原料の供給を停止し、前述した第２の成長温度（Ｔ２）より低温の第３の成長温度（Ｔ３）に降温する。本実施の形態では、第１の成長温度（Ｔ１）と第３の成長温度（Ｔ３）を同一にしている。第３の成長温度（Ｔ３）に降温した後、さらに、原料の供給を停止したまま、少なくともｎ側低温障壁層（ｎＬＴＢ）の成長に要する時間の０．３倍以上の時間で、第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持し、障壁層１５１の成長を中断させる（中断）。そしてその後に、ＭＯＣＶＤ装置中への原料の供給を再開し、高温障壁層（ＨＴＢ）上にｐ側低温障壁層（ｐＬＴＢ）の成長を続け、３層構造を有する障壁層１５１を形成する。
その後、原料の供給を停止し第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持した後、原料の供給を再開しｐ側低温障壁層（ｐＬＴＢ）の上に井戸層（Ｗｅｌｌ）を成長させ、さらにその後、井戸層（Ｗｅｌｌ）上に障壁層（ｎＬＴＢ／ＨＴＢ／ｐＬＴＢ）を積層する操作を繰り返し、多重量子井戸構造の発光層１５０を形成する。
その後、原料の供給を停止し第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持した後、原料の供給を再開しｐ側低温障壁層（ｐＬＴＢ）の上に井戸層（Ｗｅｌｌ）を成長させ、さらにその後、井戸層（Ｗｅｌｌ）上に障壁層（ｎＬＴＢ／ＨＴＢ／ｐＬＴＢ）を積層する操作を繰り返し、多重量子井戸構造の発光層１５０を形成する。
このとき、第１の成長温度（Ｔ１：基板温度）は６００℃〜８００℃の範囲とすると、井戸層１５２内のインジウム（Ｉｎ）の過剰な昇華が防止できるので好ましい。第１の成長温度（Ｔ１）が過度に低いと障壁層１５１の結晶性が低下し、発光特性が低下する傾向がある。また、第１の成長温度（Ｔ１）が過度に高いと、障壁層１５１の下側の井戸層１５２中のインジウム（Ｉｎ）が過剰に昇華し、表面の平坦性が低下する傾向がある。
第２の成長温度（Ｔ２）は、８００℃〜１０００℃の範囲とすることが好ましい。第２の成長温度（Ｔ２）が過度に低いと、障壁層１５１の下側の井戸層１５２中の余剰なインジウムが昇華せず、半導体発光素子１の電気特性が不十分となる傾向がある。また、第２の成長温度（Ｔ２）が過度に高いと、障壁層１５１の下側の井戸層１５２中のインジウムが過剰に昇華し、そのため半導体発光素子１の出力が不十分となる傾向がある。
尚、本実施の形態では、ＩＩＩ族原料を供給したまま、基板温度を第１の成長温度（Ｔ１）から第２の成長温度（Ｔ２）に昇温している。これにより発光強度が高まる傾向がある。
尚、本実施の形態では、ＩＩＩ族原料を供給したまま、基板温度を第１の成長温度（Ｔ１）から第２の成長温度（Ｔ２）に昇温している。これにより発光強度が高まる傾向がある。
第３の成長温度（Ｔ３）は、６００℃〜１０００℃の範囲とすることが好ましく、また、第２の成長温度（Ｔ２）より１００℃以上低いことがより好ましい。第３の成長温度（Ｔ３）が過度に低いと、障壁層１５１の結晶性が低下し、発光特性が低下する傾向がある。第３の成長温度（Ｔ３）が過度に高いと、障壁層１５１の表面の平坦性が低下する傾向がある。また、第３の成長温度（Ｔ３）は、井戸層１５２を成長させる際の温度の安定化を図る観点から、井戸層１５２を形成する温度に近い７００℃〜８００℃の範囲が特に好ましい。
本実施の形態では、障壁層１５１の成長時には、原料として、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等のＩＩＩ族金属の有機金属原料を供給する。また、同時に、アンモニア（ＮＨ３）及び窒素（Ｎ２）原料ガスを供給する。Ｓｉ等をドーピングするためモノシラン（ＳｉＨ４）等の原料ガスを供給する場合もある。また、井戸層１５２の成長時には、原料として、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を、アンモニア（ＮＨ３）及び窒素（Ｎ２）ガスとともに供給する。
前述したように、本実施の形態では、第２の成長温度（Ｔ２）において高温障壁層（ＨＴＢ）を成長させた後、原料（Ｎ２，ＮＨ２，ＳｉＨ４，ＴＥＧ，ＴＭＩ）の供給を停止し、第２の成長温度（Ｔ２）より低温の第３の成長温度（Ｔ３）に降温する。そして、さらに、原料の供給を停止したまま、少なくともｎ側低温障壁層（ｎＬＴＢ）の成長に要する時間の０．３倍以上の時間で、第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持して、障壁層１５１の成長を中断させている（中断）。
その後、原料の供給を停止し第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持した後、原料の供給を再開しｐ側低温障壁層（ｐＬＴＢ）の上に井戸層（Ｗｅｌｌ）を成長させる。
これにより、発光層１５０のＶ字状凹部１５０Ｖ（図４参照）の表面に露出した井戸層１５２の端部からインジウムが昇華し、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面近傍に、Ｉｎ原子の濃度が低減した凹部斜面１５３が形成されると考えられる。
その後、原料の供給を停止し第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持した後、原料の供給を再開しｐ側低温障壁層（ｐＬＴＢ）の上に井戸層（Ｗｅｌｌ）を成長させる。
これにより、発光層１５０のＶ字状凹部１５０Ｖ（図４参照）の表面に露出した井戸層１５２の端部からインジウムが昇華し、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面近傍に、Ｉｎ原子の濃度が低減した凹部斜面１５３が形成されると考えられる。
第１の成長温度（Ｔ１）でｎ側低温障壁層（ｎＬＴＢ）を成長させる時間（ｔ１）、第２の成長温度（Ｔ２）に昇温し、且つｎ側低温障壁層（ｎＬＴＢ）上に高温障壁層（ＨＴＢ）を成長させる時間（ｔ２）、原料供給を停止して第２の成長温度（Ｔ２）より第３の成長温度（Ｔ３）に降温する時間（ｔ３）、原料供給の停止を継続したまま障壁層１５１の成長を中断させる時間（ｔ４）、原料の供給を再開して第３の成長温度（Ｔ３）において高温障壁層（ＨＴＢ）上にｐ側低温障壁層（ｐＬＴＢ）を成長させる時間（ｔ５）、および原料の供給を停止し第３の成長温度（Ｔ３）に基板１１０を保持する時間（ｔ６）は、障壁層１５１の厚さ、成長温度等により適宜決定され特に限定されない。
本実施の形態では、ｔ４が、ｔ１の０．３倍以上の条件（ｔ４／ｔ１≧０．３）の場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が特に優れるので好ましく、さらに、０．８倍以上であることがより好ましい。ｔ４が、ｔ１と比べて過度に小さい場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。
また、保持時間であるｔ３とｔ４の和（ｔ３＋ｔ４）が、ｔ１の１．８倍以上の条件（（ｔ３＋ｔ４）／ｔ１≧１．８）である場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が特に優れるので好ましく、さらに５倍以上であることがより好ましい。ｔ３とｔ４の和（ｔ３＋ｔ４）が、ｔ１と比べて過度に小さい場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。
本実施の形態では、ｔ１は、１０秒〜１２０秒の範囲が好ましい。ｔ１が過度に短い場合、井戸層と障壁層の界面での相互拡散が顕著となり界面の急峻性が悪化して発光出力が低下する傾向があるので好ましくない。また、ｔ１が過度に長い場合、生産性が低下する傾向があるので好ましくない。
ｔ３は、６０秒〜１８０秒の範囲が好ましい。ｔ３が過度に短い場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。また、ｔ３が過度に長い場合、生産性が低下する傾向があるので好ましくない。
ｔ４は、３０秒〜６００秒の範囲が好ましい。ｔ４が過度に短い場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。また、ｔ４が過度に長い場合、素子の特性に問題はないが、生産性が低下する傾向があるので好ましくない。
また、保持時間であるｔ３とｔ４の和（ｔ３＋ｔ４）が、ｔ１の１．８倍以上の条件（（ｔ３＋ｔ４）／ｔ１≧１．８）である場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が特に優れるので好ましく、さらに５倍以上であることがより好ましい。ｔ３とｔ４の和（ｔ３＋ｔ４）が、ｔ１と比べて過度に小さい場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。
本実施の形態では、ｔ１は、１０秒〜１２０秒の範囲が好ましい。ｔ１が過度に短い場合、井戸層と障壁層の界面での相互拡散が顕著となり界面の急峻性が悪化して発光出力が低下する傾向があるので好ましくない。また、ｔ１が過度に長い場合、生産性が低下する傾向があるので好ましくない。
ｔ３は、６０秒〜１８０秒の範囲が好ましい。ｔ３が過度に短い場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。また、ｔ３が過度に長い場合、生産性が低下する傾向があるので好ましくない。
ｔ４は、３０秒〜６００秒の範囲が好ましい。ｔ４が過度に短い場合、逆電流（ＩＲ）の低減効果が低下する傾向があるので好ましくない。また、ｔ４が過度に長い場合、素子の特性に問題はないが、生産性が低下する傾向があるので好ましくない。
（第３の工程）
次に、発光層１５０上にｐ型半導体層１６０を形成する。ｐ型半導体層１６０は、ｐクラッド層１６１と、ｐコンタクト層１６２とを順次積層する。
その後、積層半導体層１００のｐ型半導体層１６０の上の一部に透明絶縁層１９０を積層する。さらに、ｎ側電極４００を形成するためにエッチング等の手段によって一部が除去されたｐ型半導体層１６０の上面のほぼ全面を覆うように、透明導電層１７０を形成する。続いて、ｐ側電極３００を積層し、例えば、フォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の部分を除去する。続いて、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングを行い、所定の領域の積層半導体層１００の一部をエッチングし、ｎコンタクト層１４１の一部を露出させ、半導体露出面１４０ａを形成する。次いで、その半導体露出面１４０ａ上にｎ側電極４００を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
次に、発光層１５０上にｐ型半導体層１６０を形成する。ｐ型半導体層１６０は、ｐクラッド層１６１と、ｐコンタクト層１６２とを順次積層する。
その後、積層半導体層１００のｐ型半導体層１６０の上の一部に透明絶縁層１９０を積層する。さらに、ｎ側電極４００を形成するためにエッチング等の手段によって一部が除去されたｐ型半導体層１６０の上面のほぼ全面を覆うように、透明導電層１７０を形成する。続いて、ｐ側電極３００を積層し、例えば、フォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の部分を除去する。続いて、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングを行い、所定の領域の積層半導体層１００の一部をエッチングし、ｎコンタクト層１４１の一部を露出させ、半導体露出面１４０ａを形成する。次いで、その半導体露出面１４０ａ上にｎ側電極４００を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜実施例９、比較例１〜比較例２）
Ｃ面を主面とするサファイアからなる基板１１０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮからなる中間層１２０、ＧａＮからなる下地層１３０、次いで、下地層１３０上に、Ｓｉをｎ型不純物とするｎ−ＧａＮからなるｎコンタクト層１４１とｎクラッド層１４２を積層した。
Ｃ面を主面とするサファイアからなる基板１１０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮからなる中間層１２０、ＧａＮからなる下地層１３０、次いで、下地層１３０上に、Ｓｉをｎ型不純物とするｎ−ＧａＮからなるｎコンタクト層１４１とｎクラッド層１４２を積層した。
続いて、ｎクラッド層１４２上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮからなる障壁層１５１とＧａＩｎＮからなる井戸層１５２とを交互に繰返し積層し、７つの障壁層１５１と６つの井戸層１５２とを含む１３層で構成されている発光層１５０を積層した。７つの障壁層１５１の各々は、ｎ側低温障壁層、高温障壁層、ｐ側低温障壁層が順次積層された３層構造とした。障壁層１５１を形成する際の成長時間（ｔ１、ｔ２、ｔ４）及び保持時間（ｔ３、ｔ４、ｔ６）は表１に示す条件とした。なお、第１の成長温度（Ｔ１）を７００℃、第２の成長温度（Ｔ２）を９００℃、第３の成長温度（Ｔ３）は、第１の成長温度（Ｔ１）と同じ７００℃とした。
次に、ＭＯＣＶＤ法により、第７障壁層１５１７上に、Ｍｇをｐ型不純物とするＰ−ＡｌＧａＮからなるｐクラッド層１６１と、Ｍｇをｐ型不純物とするＰ−ＧａＮからなるｐコンタクト層１６２とを順次積層した。続いて、ｐコンタクト層１６２の上の一部にＳｉＯ２からなる透明絶縁層１９０を積層し、さらに、ｎ側電極４００を形成するためにエッチングによって一部が除去されたｐコンタクト層１６２の上面のほぼ全面を覆うように、ＩＺＯからなる透明導電層１７０を形成した。
続いて、ｐ側電極３００を積層し、フォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の部分を除去した。さらに、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングを行い、所定の領域の積層半導体層１００の一部をエッチングし、ｎコンタクト層１４１の一部を露出させ、半導体露出面１４０ａが形成し、その半導体露出面１４０ａ上にｎ側電極４００を形成した。以上のようにして、障壁層１５１が異なる各種の半導体発光素子を作製した。
なお、表１に示す実施例１〜実施例９、比較例１〜比較例２中のそれぞれの半導体発光素子において、基板１１０、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、ｐ型半導体層１６０、透明導電層１７０、保護層１８０、透明絶縁層１９０、ｐ側電極３００およびｎ側電極４００の構成は、共通なものとした。
また、上記実施の形態で説明した図５（ａ）の表に示す半導体発光素子は、実施例１に対応し、図５（ａ）の表と比較した図５（ｂ）の表に示す半導体発光素子は、比較例１に対応している。尚、実施例１及び比較例１では、第１障壁層１５１１〜第６障壁層１５１６の膜厚は２．５ｎｍ、第７障壁層１５１７の膜厚は４．５ｎｍとし、また井戸層Ｂ〜井戸層Ｆの膜厚は３．５ｎｍ、井戸層Ａの膜厚は４．４ｎｍである。井戸層を構成するＧａＩｎＮのＩｎ組成は、発光波長が４６０ｎｍとなるように調整した。
また、上記実施の形態で説明した図５（ａ）の表に示す半導体発光素子は、実施例１に対応し、図５（ａ）の表と比較した図５（ｂ）の表に示す半導体発光素子は、比較例１に対応している。尚、実施例１及び比較例１では、第１障壁層１５１１〜第６障壁層１５１６の膜厚は２．５ｎｍ、第７障壁層１５１７の膜厚は４．５ｎｍとし、また井戸層Ｂ〜井戸層Ｆの膜厚は３．５ｎｍ、井戸層Ａの膜厚は４．４ｎｍである。井戸層を構成するＧａＩｎＮのＩｎ組成は、発光波長が４６０ｎｍとなるように調整した。
実施例１〜実施例９、比較例１〜比較例２の半導体発光素子に２０Ｖの逆方向電圧を加え、逆電流（ＩＲ）を測定した。これらの結果を表１に示す。
実施例１〜実施例９及び比較例１〜比較例２のすべての発光層１５０には、Ｖ字状凹部１５０Ｖが同程度の面密度で生じていた。これは、Ｖピットの主たる発生原因がｎ型半導体層１４０に生じた貫通転位１４０Ｄによるためである。実施例１と比較例１のｎ側井戸層のＶ字状凹部１５０Ｖの斜面の部位（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）に存在するＩｎ原子の規格化濃度、および、斜面から２５ｎｍの部位（Ｖピット表面からの距離２５ｎｍ）に存在するＩｎ原子の規格化濃度は、それぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）の通りである。
実施例２〜実施例９においても、ｎ側井戸層のＩｎ原子の濃度分布は実施例１と同様の傾向であり、少なくとも１層以上のｎ側井戸層は、該斜面のＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であり、また、斜面から２５ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度がｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の９０％以下であった。
一方、比較例２のｎ側井戸層のＩｎ原子の濃度分布は比較例１と同様の傾向であり、いずれのｎ側井戸層も、斜面の部分（Ｖピット表面からの距離０ｎｍ）のＩｎ原子の濃度が、Ｖ字状凹部１５０Ｖの表面から５０ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度の５０％（規格値０．５）より高く、また、斜面から２５ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度もｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の９０％（規格値０．９）より高かった。
実施例１の逆電流（ＩＲ）は１．３μＡであり、比較例１の２０μＡの１０分の１以下に低減しており、逆電流特性が著しく優れることが分かる。実施例２〜実施例９も、逆電流（ＩＲ）はすべて５μＡより小さく、良好な逆電流特性を持つことが分かる。一方、比較例２の逆電流（ＩＲ）は７．２μＡで、５μＡより大きく、いずれの実施例と比べても、逆電流特性が劣っていることが分かる。
１…半導体発光素子、１１０…基板、１２０…中間層、１３０…下地層、１４０…ｎ型半導体層、１４１…ｎコンタクト層、１４２…ｎクラッド層、１５０…発光層、１５０Ｖ…Ｖ字状凹部、１５１…障壁層、１５１１…第１障壁層、１５１２…第２障壁層、１５１３…第３障壁層、１５１４…第４障壁層、１５１５…第５障壁層、１５１６…第６障壁層、１５１７…第７障壁層、１５２…井戸層、１５２１…第１井戸層、１５２２…第２井戸層、１５２３…第３井戸層、１５２４…第４井戸層、１５２５…第５井戸層、１５２６…第６井戸層、１５３…凹部斜面、１６０…ｐ型半導体層、１６１…ｐクラッド層、１６２…ｐコンタクト層、１７０…透明導電層、１８０…保護層、１９０…透明絶縁層、３００…ｐ側電極、３１０…延伸部、４００…ｎ側電極
Claims (7)
- 基板上に積層されたｎ型半導体層と、障壁層およびＩｎ原子を含む井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を有し、
前記発光層は、３層以上の前記井戸層と、３層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層との境界部にて当該ｎ型半導体層と接続され且つ前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層と接続される４層以上の前記障壁層とを備え、
３層以上の前記井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い側から順に設けられる複数のｎ側井戸層と、前記ｐ型半導体層に近い側の１つのｐ側井戸層とからなり、
前記発光層には、前記ｐ型半導体層側に開口した凹部の斜面からなるＶ字状凹部が生じており、少なくとも１層以上の前記ｎ側井戸層の当該斜面のＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であり、少なくとも１層以上の当該ｎ側井戸層の当該斜面から２５ｎｍの部位におけるＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の９０％以下である
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記ｎ側井戸層の前記斜面のＩｎ原子の濃度は、前記ｐ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面と比較して前記ｎ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面で減少することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成される６層の前記井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成される７層の前記障壁層とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
- 前記井戸層は、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．１＜ｙ＜０．３）から構成され、前記障壁層は、ＧａＮから構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 基板上に積層されたｎ型半導体層と、障壁層およびＩｎ原子を含む井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を有し、
前記発光層は、３層以上の前記井戸層と、３層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層との境界部にて当該ｎ型半導体層と接続され且つ前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層と接続される４層以上の前記障壁層とを備え、
３層以上の前記井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い側から順に設けられる複数のｎ側井戸層と、前記ｐ型半導体層に近い側の１つのｐ側井戸層とからなり、
前記発光層には、前記ｐ型半導体層側に開口した凹部の斜面からなるＶ字状凹部が生じており、少なくとも１層以上の前記ｎ側井戸層の当該斜面のＩｎ原子の濃度が当該ｎ側井戸層内に存在するＩｎ原子の濃度の５０％以下であり、
前記ｎ側井戸層の前記斜面のＩｎ原子の濃度は、前記ｐ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面と比較して前記ｎ型半導体層に最も近い当該ｎ側井戸層の当該斜面で減少することを特徴とする半導体発光素子。 - 多重量子井戸構造からなる発光層を有する半導体発光素子の製造方法であって、
基板上にｎ型半導体層を積層する第１の工程と、
有機金属化学気相成長装置により、前記ｎ型半導体層上に、障壁層とＧａＩｎＮを含む井戸層とが交互に積層した多重量子井戸構造からなり、且つ当該ｎ型半導体層中に生じた貫通転位に起因するＶ字状凹部を有する発光層を積層する第２の工程と、
前記発光層上にｐ型半導体層を積層する第３の工程と、を有し、
前記第２の工程において、前記障壁層を形成する際に、前記有機金属化学気相成長装置中に原料を供給して第１の成長温度でｎ側低温障壁層を成長させ、
次に、原料を供給したまま第１の成長温度より高温の第２の成長温度に昇温して前記ｎ側低温障壁層上に高温障壁層を成長させ、
続いて原料の供給を停止して前記第２の成長温度より低温の第３の成長温度に降温し、原料供給の停止を継続したまま、少なくとも前記ｎ側低温障壁層の成長に要する時間の０．３倍以上の時間で当該第３の成長温度に前記基板を保持した後に、原料の供給を再開して前記高温障壁層上にｐ側低温障壁層の成長を続け、
さらに、前記ｐ側低温障壁層の上に前記井戸層を成長させる操作を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第２の工程において、原料の供給を停止して前記第２の成長温度より前記第３の成長温度に降温する時間と、原料の供給の停止を継続したまま当該第３の成長温度に前記基板を保持する時間の和が、前記ｎ側低温障壁層の成長に要する時間の１．８倍以上の時間であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
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