JP6482388B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）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エネルギーを有する。そのため、ＩＩＩ族窒化物半導体は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発する発光素子の材料として、または、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を受ける受光素子の材料として、有用である。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体では、ＩＩＩ族窒化物半導体を構成する原子間の結合力が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きい。これらのことから、ＩＩＩ族窒化物半導体は、耐高温且つ高出力な高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体は、環境を害することが殆どないので、取り扱い易い材料としても注目されている。

このようなＩＩＩ族窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子では、基板上にｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層が順にエピタキシャル成長される。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、発光層を構成する量子井戸層において、ｎ型窒化物半導体層から注入される電子とｐ型窒化物半導体層から注入されるホールとが再結合することで光が発生する。発光層は、一般に量子井戸層と障壁層（バリア層）とが交互に積層された多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造が一般的に採用されている。

発光層では、量子井戸層としてＩｎＧａＮ層を用い、障壁層としてＧａＮ層を用いるのが一般的である。これにより、たとえば、発光ピーク波長が約４５０ｎｍの青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）を作製でき、この青色ＬＥＤを蛍光体と組み合わせて白色ＬＥＤを作製することもできる。障壁層としてＡｌＧａＮ層を用いた場合には、障壁層と量子井戸層とのバンドギャップエネルギー差が増大するため発光効率が増すと考えられるが、ＧａＮに比べてＡｌＧａＮの方が良質な結晶が得られにくいという問題も存在している。

多重量子井戸層を構成する量子井戸層、障壁層は、通常、一定の層厚保で繰り返し積層される場合が一般的である。これに対して、発光効率の向上のため、量子井戸層、障壁層の層厚を多重量子井戸層内で変動させる技術が提案されている。

たとえば、特許第５０１１６９９号公報（特許文献１）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ型窒化物半導体層側には量子井戸構造の第１の井戸層（組成：Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ、３ｎｍ厚）が配置され、ｐ型窒化物半導体層側には第２の井戸層（組成：Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ、５ｎｍ厚）が配置されている。障壁層は組成：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎであり、層厚は１５ｎｍと一定である。第１の井戸層からの光の波長が第２の井戸層からの光の波長とほぼ一致するように、第１の井戸層の組成および厚み、ならびに、第２の井戸層の組成および厚みが調整されている。特許文献１には、薄い第１の井戸層は低い電流密度において効率良く発光し、厚い第２の井戸層は高い電流密度において効率良く発光し、電流密度に対する発光効率の依存性を調整できることが記載されている。

特許第５０６０６３７号公報（特許文献２）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ型窒化物半導体層側には第１から第７の井戸層としてＩｎＧａＮ層（厚さ：３ｎｍ、Ｉｎ組成比：０．１５）が配置され、ｐ型窒化物半導体層側井戸層（第８井戸層）となるＩｎＧａＮ層（厚さ：５ｎｍ、Ｉｎ組成比：０．１４）が配置されている。障壁層は厚さ５ｎｍのＧａＮ層である。特許文献２には、この構成により広い電流密度範囲で高い発光効率が得られると記載されている。

米国特許出願公開第２０１１／０１８７２９４号明細書（特許文献３）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ型窒化物半導体層側には厚さｔ１の薄い井戸層が配置され、ｐ型窒化物半導体層側（以下「ｐ層側」と省略）には厚さｔ２の厚い井戸層が配置され、ｎ型窒化物半導体層側（以下「ｎ層側」と省略）からｐ層側に向けて、井戸層の層厚が徐々に変化する構造が開示されている。厚さｔ１は１．５ｎｍから２．５ｎｍであり、厚さｔ２は２．０ｎｍから３．５ｎｍであり、厚さｔ１より大きい。井戸層の厚さに応じて、Ｉｎ組成を変更する点も記載されている。障壁層の厚さとしては、厚さｔ３から厚さｔ４の間で変化する場合や一定の場合が記載されている。具体的な厚さは５ｎｍから２５ｎｍの範囲とされ、厚さｔ３は５ｎｍ、厚さｔ４は１５ｎｍが例示されている。特許文献３には、ｎ層側に同じ厚さの５層の薄い井戸層を配置し、その上に同じ厚さの５層の厚い井戸層を配置した構造（Ｂ）が大電流で光出力を大きくできると記載されている。

特開２００９−９９８９３号公報（特許文献４）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ層側に層厚８ｎｍのｎ型ＧａＮ層からなる障壁層と層厚２ｎｍのｎ型Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層からなる井戸層を２周期堆積した上に、層厚６ｎｍのｎ型ＧａＮ層からなる障壁層と層厚２ｎｍのｎ型Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層からなる井戸層を３周期堆積した発光層構造が開示されている。特許文献４には、多波長発光が可能なＬＥＤ素子を実現できることが記載されている。

特許第５６７１２４４号公報（特許文献５）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ層側に各層の厚みが略等しい複数の第一障壁層を配置し、その上に第一障壁層より薄く、各層の厚みが略等しい複数の第二障壁層を配置した発光層が開示されている。井戸層は全て同じ厚さを有し、３ｎｍのアンドープのＩｎ_０．５７Ｇａ_０．４３Ｎよりなり、障壁層はＧａＮ層によって構成され、第一障壁層は１５ｎｍ、第二障壁層は１０ｎｍである。第一障壁層が９層、第二障壁層が３層の組合せが、光出力が最も高く、印加電圧も低いと記載されている。特許文献５には、順方向電圧を低下して発光効率を改善できると記載されている。

国際公開第２０１４／０６１６９２号（特許文献６）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ層側に層厚３．３８ｎｍのＩｎ_０．２０Ｇａ_０．７５Ｎ層からなる井戸層と、層厚４．５２ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる障壁層を６周期配置し、その上に層厚４．２４ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる井戸層を２層、間に層厚４．５２ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる障壁層を挟んで堆積した発光層構造が開示されている。なお、ｎ層側の障壁層の一部はｎ型ドーピングされている。特許文献６では、発光効率を数％から十数％改善できることが記載されている。

特開２０１３−１２６８４号公報（特許文献７）に記載された窒化物半導体発光素子では、ｎ層側に層厚３．９ｎｍのｎ型Ｉｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ層からなる井戸層と、層厚６．５ｎｍのｎ型ＧａＮ層からなる障壁層を３周期配置し、その上に層厚３．９ｎｍのアンドープＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ層からなる井戸層を３層、間に層厚４．０ｎｍのＧａＮ層からなる障壁層を挟んで堆積した発光層構造が開示されている。特許文献７では、動作電圧の上昇を防ぎ、発光効率を向上できることが記載されている。

特許第５０１１６９９号公報 特許第５０６０６３７号公報 米国特許出願公開第２０１１／０１８７２９４号明細書 特開２００９−９９８９３号公報 特許第５６７１２４４号公報 国際公開第２０１４／０６１６９２号 特開２０１３−１２６８４号公報

窒化物半導体発光素子の発光層に関しては、ｐ層側の量子井戸層を厚くすることで大電流での出力低下を防ぎ、実使用電流域での発光効率を上げる、或いはｐ層側の障壁層を薄くすることで、ｎ層側に配置された井戸層へも正孔を到達させ、発光効率を一層高めるといった改善が進められてきた。しかしいずれの改善も、量子井戸層の層厚に対して障壁層の層厚が大幅に大きい構造を用いていたため、得られる効果が少なく、且つ、動作温度の上昇と共に光出力が急速に低下するという課題を抱えていた。実際に市販の窒化物半導体発光素子では室温に比べて、８０℃では発光効率が７％から１０％程度低下することが一般的である。実際の窒化物半導体発光素子の動作では、このような温度上昇は珍しくなく、大きな課題となっている。良好な温度特性（８０℃での発光効率／室温の発光効率と定義する）を有し、且つ、発光効率の優れた窒化物半導体発光素子が必要とされている。

一般に窒化物半導体では正孔の移動度が低いため、ｐ型窒化物半導体層から発光層に注入された正孔が、ｐ層側の量子井戸層に滞留する傾向が強く、ｐ層側の量子井戸層ではキャリア濃度が高くなる。その結果、一般に窒化物半導体発光素子が使われる電流注入領域（１０Ａ／ｃｍ^２以上）では、オージェ効果などによる非発光再結合が増加し、発光効率が低下する傾向となる。したがって、ｐ層側の量子井戸層の層厚を増すことは、量子井戸層内のキャリア濃度を下げる効果が有り、有効な改善手段である。また、ｐ層側の障壁層を薄くすることは、正孔のｎ層側の量子井戸層への移動を増やし、ｐ層側の量子井戸層内のキャリア濃度を下げると共に、ｎ層側の量子井戸層にも正孔を供給し、発光を増加させる効果があり（キャリア分布の均一化）、有効な手段である。しかし量子井戸層を厚くすることや障壁層を薄くすることは、量子井戸層に結晶欠陥が生じ易くするため、欠陥による非発光再結合を増加させ、発光効率の低下を招く虞がある。これは量子井戸層が原子半径の大きなＩｎ原子を多量に含むため、障壁層を構成するＧａＮ層との格子不整合が増加するためである。

温度が上昇すると一般に非発光再結合が活性化され、発光効率は低下する。障壁層が厚い場合、キャリアは量子井戸層に閉じ込められるため、この温度上昇による発光効率の低下が顕著に現れると考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、温度特性に優れ、発光効率がさらに改善された窒化物半導体発光素子を提供することである。

本発明者らは、発光層において多重量子井戸を構成する障壁層の平均層厚を４ｎｍ以下とし、同時に多重量子井戸を構成する量子井戸層の平均層厚より小さくすることで、良好な温度特性を保ちながら発光効率を高められることを見出した。また、多重量子井戸を構成する量子井戸層のうち、ｐ層側に位置する量子井戸層の層厚をｎ層側の量子井戸層より大きいかまたは等しくすることで、光出力を更に向上できることを見出した。

障壁層を薄くすることで、正孔がより下層の量子井戸層まで分布し、上層の量子井戸層内でのキャリア密度が下がり、発光効率が向上する。前述のように、温度が上昇すると発光効率は低下するが、障壁層が薄い場合には、発光層を構成する量子井戸層間の正孔の分布が温度上昇により均一化するため、温度上昇による発光効率の低下をキャリア分布の均一化による発光効率の改善効果がある程度打消し、温度特性を改善することができると考えられる。

本発明は、基板と、当該基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを少なくとも備える窒化物半導体発光素子であって、前記発光層は多重量子井戸層より構成され、前記多重量子井戸層はアンドープであるか、ｎ型またはｐ型不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、前記多重量子井戸層を構成する複数の障壁層はＡｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）からなり、平均層厚が４ｎｍ以下であり、前記多重量子井戸層を構成する複数の量子井戸層はＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなり、前記複数の量子井戸層の平均層厚が前記障壁層の平均層厚より大きいかまたは等しいことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体発光素子は、前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｐ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の最大層厚が、前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きいことが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子は、前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｐ型窒化物半導体層側に位置する複数の量子井戸層の各層が、前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きい層厚を有することが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記障壁層は、全て略同じ層厚であることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子は、前記多重量子井戸層を構成する量子井戸層のうち最も層厚が大きい量子井戸層のＩｎ含有率は、前記多重量子井戸層の中央より前記ｎ型窒化物半導体層までの間に存在する量子井戸層のＩｎ含有率の平均値より少ないことが好ましい。

本発明では、窒化物半導体発光素子の温度特性を改善すると共に、発光効率を更に改善できる。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。 図２（ａ）は、図１に示した窒化物半導体発光素子の発光層の拡大図であり、図２（ｂ）は、本発明における多重量子井戸層の一例の透過電子顕微鏡写真である。 図１に示した窒化物半導体発光素子の平面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光層を積層する直前の面に対してＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）による観察を行った結果を示す画像である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の中間層を積層した直後の面に対してＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）による観察を行った結果を示す画像である。 実施例１の窒化物半導体発光素子の特性比較を示すグラフであり、図６（ａ）において縦軸は１２０ｍＡでの光出力（ｍＡ）、横軸は障壁層の層厚（ｎｍ）であり、図６（ｂ）において縦軸は温度特性、横軸は障壁層の層厚（ｎｍ）である。 実施例２の窒化物半導体発光素子の特性比較を示すグラフであり、図７（ａ）において縦軸は１２０ｍＡでの光出力（ｍＡ）、横軸は第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚（ｎｍ）であり、図７（ｂ）において縦軸は温度特性、横軸は第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚（ｎｍ）である。 実施例３、４の窒化物半導体発光素子の特性比較を示すグラフであり、左側の縦軸は１２０ｍＡでの光出力（ｍＡ）、右側の縦軸は温度特性である。 実施例６の窒化物半導体発光素子の発光層を積層する直前の面に対してＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）による観察を行った結果を示す画像である。

以下、本発明の窒化物半導体発光素子について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、層厚、深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。

以下では、位置関係を表すために、図１の下側に記載した部分を「下」と表現し、図１の上側に記載した部分を「上」と表現することがある。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」及び「下」とは異なる。

発光層を構成する多重量子井戸層について、ｎ型窒化物半導体層側から順にＱＷ１、ＱＷ２、…と記号付けし、最もｐ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層をＬＱＷと記す。本明細書では、ＱＷ１からＬＱＷまでを発光層と定義する。発光層内の障壁層はｎ型窒化物半導体層側から順にＱＢ１、ＱＢ２、…と記号付ける。発光層の最上層であるＬＱＷとｐ型窒化物半導体層の間に、中間層（ＩＭ）を配置している。

以下では、「不純物濃度」と、ｎ型不純物のドープに伴い発生する電子の濃度またはｐ型不純物のドープに伴い発生する正孔の濃度である「キャリア濃度」とを用いている。ここで、「キャリアガス」とは、ＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガスおよび不純物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。

「ｎ型窒化物半導体層」は、電子の流れを実用上妨げない程度の層厚の低キャリア濃度のｎ型層またはアンドープ層を含んでいてもよい。「ｐ型窒化物半導体層」は、ホールの流れを実用上妨げない程度の層厚の低キャリア濃度のｐ型層またはアンドープ層を含んでいてもよい。「実用上妨げない」とは、窒化物半導体発光素子の動作電圧が実用的なレベルであることをいう。

＜窒化物半導体発光素子の構造＞
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図であり、図３に示すＩ−Ｉ線における断面図に相当する。図２（ａ）は、図１に示す窒化物半導体発光素子１の発光層の拡大図である。図３は、窒化物半導体発光素子１の平面図である。

図１に示す窒化物半導体発光素子１は、基板３と、バッファ層５と、下地層７と、ｎ型コンタクト層８と、ｎ型バッファ層１１と、発光層１４と、中間層１５、ｐ型窒化物半導体層１９とを備える。ｎ型バッファ層１１は通常低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット２０の発生層）９と多層構造体１０などの複数の構造よりなるが、本発明の主題では無いので、詳述はしない。ｐ型窒化物半導体層１９は、通常、下側からｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７、ｐ型コンタクト層１８の積層構造からなるが、本発明の主題では無いので、詳述はしないが、従来公知の適宜の構成を特に制限なく適用することができる。

ｎ型コンタクト層８の一部とｎ型バッファ層１１と発光層１４とｐ型窒化物半導体層１９（ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８）とは、エッチングされてメサ部３０を構成している。ｐ型コンタクト層１８の上面には、透明電極２３を介してｐ側電極２５が設けられている。メサ部３０の外側（図１における右側）では、ｎ型コンタクト層８の露出面にはｎ側電極２１が設けられている。透明保護膜２７は、透明電極２３とエッチングにより露出した各層の側面とを覆っており、ｎ側電極２１とｐ側電極２５とは、透明保護膜２７から露出している。

基板３、バッファ層５、下地層７、ｎ型コンタクト層８については、公知の技術によって構成されており、本発明とは直接関係無いため、詳細な説明は割愛する。その材質、組成、形成方法、形成条件、層厚、不純物濃度など、種々の組み合わせが可能である。なお、近紫外線から紫外線を発光する窒化物半導体素子では、下地層７およびｎ型コンタクト層８がいずれもＡｌＧａＮ層で構成されることが好ましい。

また、図３の窒化物半導体発光素子１の平面図に関しても、本発明とは直接関係無いため、詳細な説明は割愛する。種々の平面配置が可能であると共に、フリップチップ構成のチップに対しても、本発明は適用可能である。

本発明の多重量子井戸層は極めて薄い障壁層によって構成されており、多重量子井戸層をエピタキシャル成長させる下地構造の結晶性に乱れが多いと、量子井戸層に結晶欠陥が発生し、発光素子の特性は悪化する。ここで、図４は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光層を積層する直前の面に対してＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：原子間力顕微鏡）による観察を行った結果を示す画像である。本発明者らの検討結果によれば、図４に示す発光層１４形成直前の状態のウエハ表面をＡＦＭで観察した像に見られる黒い六角形状のパターンの密度が重要であることが判明した。前記黒い六角形状のパターンはＶピットと呼ばれており、下層から伸びて来た転位がｎ型バッファ層１１を経て、六角錐状の穴として顕在化した物と考えられている。したがって、Ｖピットの密度は転位密度に対応していると考えられ、Ｖピット密度は低いほど、転位密度も低く、良好な結晶性を実現できていると考えられる。実際に、Ｖピット密度が２．５×１０^８ｃｍ^−２以下であれば、４ｎｍ以下の層厚の障壁層を有する多重量子井戸層においても、発光特性の劣化が生じないことが分かった。因みに、市場で得られる多くの青色ＬＥＤ素子では、少なくともこの２倍以上のＶピット密度を有している。

更に、Ｖピットサイズも発光特性や歩留りを向上する上で重要である。発光層１４形成直前状態でのＶピットサイズを６０ｎｍから１００ｎｍに制御することが好ましい。Ｖピットは多重量子井戸内のキャリアがＶピット内を通る転移に流れ込む障壁の役割を担っており、Ｖピットが小さ過ぎると、障壁効果が不十分となり、キャリアがＶピット内に流れ込み、発光効率が低下すると考えられる。逆に大き過ぎると、Ｖピット底部に存在するｎ型窒化物半導体層と後にＶピット底部まで埋め込まれるｐ型窒化物半導体層の距離が短くなり、リーク系不良やＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：静電気放電）不良の増加による歩留りの低下を招く。

以下では本発明の発光層を実現する上で必要な発光層の下地構造であるｎ型バッファ層１１の形成方法について記述する。

（低温ｎ型窒化物半導体層）
ｎ型バッファ層１１は低温ｎ型窒化物半導体層９と多層構造体１０より構成している。ｎ型コンタクト層８までの下部構造は非常に厚いため、一定の結晶性を担保しつつ、できるだけ短時間で成長させる必要上、形成温度は一般に発光層の形成温度に比べ数百℃高くなっている。ｎ型バッファ層１１は、前記下部構造の成長から発光層の成長に移行していくためのバッファ層の役割を果たし、その成長温度はｎ型コンタクト層８と発光層の成長温度の中間的な温度となっている。ｎ型バッファ層１１の最初の層は低温ｎ型窒化物半導体層９である。ｎ型コンタクト層８の成長温度から温度を下げることで、Ｖピット２０が発生し始めることが知られている。

低温ｎ型窒化物半導体層９は、たとえば層厚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ｎ型ドーパント濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが好ましい。一方、低温ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーパント濃度が高くなり過ぎると、低温ｎ型窒化物半導体層９の上に形成される発光層１４での発光効率の低下を招くことがある。そのため、低温ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーパント濃度は１．１×１０^１９／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）９はＡｌ_ｓ３Ｇａ_ｔ３Ｉｎ_ｕ３Ｎ（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、Ｉｎ_ｕ３Ｇａ_１−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。

このような低温ｎ型窒化物半導体層９は５ｎｍ以上の層厚を有していることが好ましく、１０ｎｍ以上の層厚を有していることがより好ましい。

（多層構造体）
低温ｎ型窒化物半導体層９と発光層１４との間には多層構造体１０が設けられている。多層構造体１０の主たる働きは低温ｎ型窒化物半導体層９と発光層１４との間に所定の距離を置き、発光層成長開始時の成長表面構造をできる限り平坦で滑らかにすると共に、Ｖピットを一定以上の大きさに拡大することである。図４に示したＡＦＭ像では、ほぼ等間隔の縞模様が大きく湾曲することなく上下方向に走っている。これは基板結晶面の傾斜を反映して、原子レベルのステップがエピタキシャル成長面に形成されていることを示しており、非常に薄い障壁層を成長させる上で、重要な要件となっている。一般に多層構造体の膜厚に応じて、Ｖピットサイズは拡大する。また、多層構造体の成長過程で、新たなＶピットが発生しないようにすることも重要である。

多層構造体１０としては、１０ｎｍ以下の非常に薄い組成が異なる結晶層を交互に積層する超格子層が一般に用いられるが、好適な具体例として、上述のエピタキシャル成長面の平坦性を実現するために、より厚い多層膜を用いた場合が挙げられる。

多層膜は、たとえば層厚１２ｎｍのナローギャップ層（Ａ）と同じく層厚１２ｎｍのワイドバンドギャップ層（Ｂ）を交互に９層積層する。ここではナローギャップ層（Ａ）で始まり、ナローギャップ層（Ａ）で終わる構造としている。ナローバンドギャップ層（Ａ）は、Ａｌ_ａ１Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{（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Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{（１−ｂ１）}Ｎ（０＜ｂ１＜１）層である。ワイドバンドギャップ層（Ｂ）は、Ａｌ_ａ２Ｉｎ_ｂ２Ｇａ_{（１−ａ２−ｂ２）}Ｎ（０≦ａ２＜１、０≦ｂ２＜１）層であることが好ましく、より好ましくはＧａＮ層である。各ナローバンドギャップ層（Ａ）は、各ワイドバンドギャップ層（Ｂ）よりもバンドギャップが小さく、且つ後述する各量子井戸層ＱＷｉよりもバンドギャップが大きいことが好ましい。各層厚は１０ｎｍより大きいことが好ましく、ナローギャップ層（Ａ）の総数は２層以上であることが好ましい。これにより、エピタキシャル成長面の平坦性が改善され、発光特性を改善することができる。

各ナローバンドギャップ層（Ａ）および各ワイドバンドギャップ層（Ｂ）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（Ａ）とナローバンドギャップ層（Ｂ）との両方がアンドープであると、駆動電圧が上昇するためである。この場合のｎ型ドーパント濃度は、たとえば１×１０^１８ｃｍ^−３以上とすることができる。また、下層から上層にわたって、同じようにドーピングしてもよいし、一部のみをドーピングしてもよい。たとえば上記計９層の場合、下層４層をアンドーピングにして、上層５層をドーピングしてもよい。ｎ型ドーパントとしては、特に限定されないがＳｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであればよく、好ましくはＳｉである。さらに、各ナローバンドギャップ層（Ａ）および各ワイドバンドギャップ層（Ｂ）の両方がｎ型ドーパントを含んでいることが好ましい。これにより、発光層１４に注入される電子数を増やすことができる。したがって、光出力が向上し、また電圧低減効果が発揮される。

ナローバンドギャップ層（Ａ）およびワイドバンドギャップ層（Ｂ）の層厚は同じである必要は無く、たとえば、ナローバンドギャップ層（Ａ）に対して、ワイドバンドギャップ層（Ｂ）が５０％厚くてもよいし、逆でもよい。各層毎に変更してもよい。

多層構造体として、一般に使われる超格子層を用いてもよい。超格子層は１０ｎｍ以下の非常に薄い、組成が異なる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。一般に構成層はバンドギャップエネルギーが相対的に小さなナローバンドギャップ層（Ａ）とバンドギャップエネルギーが相対的に大きなワイドバンドギャップ層（Ｂ）とを交互に積層して超格子構造を構成している。ナローバンドギャップ層（Ａ）およびワイドバンドギャップ層（Ｂ）を１組としたとき、多層構造体１０は数組から２０組程度のナローバンドギャップ層（Ａ）およびワイドバンドギャップ層（Ｂ）を有することが好ましい。

窒化物半導体発光素子１は、図１に示す例のように、低温ｎ型窒化物半導体層９と発光層１４との間に多層構造体１０を設けることが好ましい。好ましくは多層構造体１０の層厚が３０ｎｍ以上であり、より好ましくは多層構造体１０の層厚が５０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは多層構造体１０の層厚が１００ｎｍ以上である。一方、多層構造体１０の層厚が大きすぎると発光層１４の品質の劣化を招くおそれがあるため、多層構造体１０の層厚は、好ましくは２００ｎｍ以下であり、より好ましくは１５０ｎｍ以下である。

以上では、現在一般に使用されているサファイア基板やＳｉＣ基板のような異種基板上に窒化物半導体発光素子を形成する場合について記述したが、窒化ガリウム単結晶などよりなる窒化物半導体基板では、これまで記載したｎ型バッファ層１１をはじめとする下地構造はより簡略化できる。異種基板と窒化物半導体の間の格子不整合による結晶欠陥発生が少ないため、図３に示すような良好な結晶面を実現することがより容易になるからである。

（発光層（多重量子井戸層（ＭＱＷ）））
図５は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の中間層を積層した直後の面に対してＡＦＭによる観察を行った結果を示す画像である。発光層１４には部分的にＶピット２０が形成されている。ここで、「部分的にＶピット２０が形成されている」とは、発光層１４の上面をＡＦＭで観察したときに、図５に示すように、Ｖピット２０が発光層１４の上面において点状に観察されることを意味する。発光層１４の成長前後のＡＦＭ像を示す図４と図５との相違点は、Ｖピットの径である。多重量子井戸層の成長後に、Ｖピット径が大きくなっている。密度は図４が１．６Ｅ８／ｃｍ^２であるのに対して、図５が１．５Ｅ８／ｃｍ^２であり、両者はバラツキの範囲内で等しい（Ｖピット密度の測定バラツキは一般に大きく、個別の測定データに対しては、最大±５０％程度のバラツキが生じ得る）。これは多重量子井戸層の成長では、新たにＶピットが発生せず、ｎ型バッファ層１１形成後に存在するＶピットが拡大していることを示している。

発光層１４は、複数の障壁層（ＱＢ１、ＱＢ２、…、ＱＢｅ）が複数の量子井戸層（ＱＷ１、ＱＷ２、…、ＱＷｆ、ｆ＝ｅ＋１、ｆは量子井戸層の総数）に挟まれ、障壁層と量子井戸層とが交互に積層されることにより形成される。多層構造体１０のすぐ上側には最初の量子井戸層（第１量子井戸層）ＱＷ１が設けられる。量子井戸層のうち最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する量子井戸層ＱＷｆの上に、発光層とｐ型窒化物半導体層を区切る中間層１５（ＩＭ）が設けられる。図２（ａ）には、一例として、ｎ型バッファ層側からｐ型窒化物半導体層側に向かって順に、第１量子井戸層（ＱＷ１）４１、第１障壁層（ＱＢ１）５１、第２量子井戸層（ＱＷ２）４２、第２障壁層（ＱＢ２）５２、第３量子井戸層（ＱＷ３）４３、第３障壁層（ＱＢ３）５３、第４量子井戸層（ＱＷ４）４４、第４障壁層（ＱＢ４）５４、第５量子井戸層（ＱＷ５）４５、第５障壁層（ＱＢ５）５５、第６量子井戸層（ＱＷ６）４６、第６障壁層（ＱＢ６）５６、第７量子井戸層（ＱＷ７）４７、第７障壁層（ＱＢ７）５７、第８量子井戸層（ＱＷ８）４８、中間層（ＩＭ）１５が順に積層された場合が模式的に示されている。このように、本明細書においては、各障壁層および各量子井戸層を識別するために、多層構造体１０からｐ型窒化物半導体層１６へ向かって番号を付して表記することとする。一方、各障壁層および各量子井戸層は特に個々を限定する場合を除き、総じて障壁層ＱＢｉおよび井戸層ＱＷｉ（ｉは番号を代表する）と表記することがある。

また、本発明における多重量子井戸層の一例の透過電子顕微鏡写真を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示す例において、各層の膜厚設定は、
ＱＢ１〜ＱＢ７：３．６ｎｍ
ＱＷ１〜ＱＷ７：３．６ｎｍ
ＱＷ８：５．０ｎｍ
とした。表１には、実際に測定された各層の層厚を示す。

このように薄い多重量子井戸層について、量子井戸層の層厚と障壁層の層厚を精度良く測定することは容易ではなく、ある程度の測定誤差を許容して、平均的な層厚を基に判断しなければならない。たとえば図２（ｂ）の写真から測定した各層の層厚について、ＱＷ７、ＱＷ５、ＱＷ２、ＱＷ１はＱＢ１やＱＢ３より薄いが、ＱＢ１〜ＱＢ７の平均的膜厚とＱＷ１〜ＱＷ７の平均的膜厚は、設定値通りほぼ等しい。

本発明の窒化物半導体発光素子において、多重量子井戸層を構成する複数の障壁層の平均層厚は４ｎｍ以下であり、好ましくは３．０〜３．８ｎｍである。障壁層の平均層厚が４ｎｍを超える場合には、光出力が低下するというような不具合がある。

また本発明の窒化物半導体発光素子における発光層では、障壁層ＱＢｉの層厚が量子井戸層ＱＷｉの層厚より薄いか、または等しく構成されている。これは全ての障壁層の層厚の平均値（平均層厚）が、全ての量子井戸層の層厚の平均値（平均層厚）以下であることを意味する（すなわち、複数の量子井戸層の平均層厚が障壁層の平均層厚より大きいかまたは等しい）。このようにすることで、ｐ層側から注入された正孔がｎ層側の量子井戸層まで広く分布し、室温での光出力が向上し、動作電圧が低下すると共に、温度特性も向上する。

この場合、多重量子井戸層の中央の層よりｐ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の最大層厚が、多重量子井戸層の中央の層よりｎ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きいことが好ましい。さらには、多重量子井戸層の中央の層よりｐ型窒化物半導体層側に位置する複数の量子井戸層の各層が、多重量子井戸層の中央の層よりｎ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きい層厚を有することがより好ましい。このようにｎ層側の量子井戸層に比べて厚い量子井戸層がｐ層側に複数あることで、一層光出力を向上できる。

本発明の窒化物半導体発光素子においては、発光層を構成する多重量子井戸層は、アンドープであるか、ｎ型またはｐ型不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である。ｐ型不純物濃度が１×１０^１７／ｃｍ^−３を超えると、非発光再結合中心が増加し、光出力が低下する。また、ｎ型不純物濃度が１×１０^１７／ｃｍ^−３を超えると、正孔の下層井戸層への流れを阻害し、光出力が低下する。また本発明の窒化物半導体発光素子において、多重量子井戸層を構成する複数の障壁層は、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）からなり、多重量子井戸層を構成する複数の量子井戸層はＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなる。

本発明の窒化物半導体発光素子において、障壁層ＱＢｉは全て略同じ層厚であることが好ましい。ここで、「略同じ層厚」であるとは、全ての障壁層における層厚の差が０．６ｎｍ以下であることを意味する。障壁層の層厚は量子井戸層の結晶欠陥を増加させない範囲で、できる限り薄くすることが好ましく、多重量子井戸層が形成される下地構造の結晶性とｎ層側に配置される量子井戸層の層厚によって、下限が決まってくる。その下限膜厚に近づけることで、最高の光出力と最小の動作電圧を達成できる。

量子井戸層の層厚が大きくなると、薄い量子井戸層に比べ、発光波長が長波長化するため、そのままでは発光スペクトル幅が拡大する。これを防ぐためには厚い量子井戸層のＩｎ組成を減らし、発光波長を短波長側に戻すことが好ましい。Ｉｎ組成を減らすことで、量子井戸層／障壁層間の障壁高さを低減できるため、正孔の下層への流動を加速し、光出力を向上する効果がある。

量子井戸層の層厚はＱＷｆが一番大きく、次いでＱＷｆ−１、更に次いでＱＷｆ−２と徐々に薄くすることが好ましく、ＱＷｆ−３からＱＷ１までは略同じ層厚とすることがより好ましい。障壁層の層厚を薄くすることで量子井戸層間の正孔分布は均一化する方向に向かうが、それでも完全に均一化できる訳ではなく、ｐ層側からｎ層側へ向けて正孔濃度は低下する分布を示すことから、ＱＷｆを一番厚くすることで、量子井戸層内の平均キャリア濃度を下げることで、オージェ効果などによる非発光再結合を低減し、最大の発光効率を実現できる。

また本発明の窒化物半導体発光素子は、多重量子井戸層を構成する量子井戸層のうち最も層厚が大きい量子井戸層のＩｎ含有率は、多重量子井戸層の中央よりｎ型窒化物半導体層までの間に存在する量子井戸層のＩｎ含有率の平均値より少ないことが好ましい。このような構成を採ることで、発光波長分布をより狭くすると共に、光出力向上効果を高めるという利点がある。上述した場合、多重量子井戸層を構成する量子井戸層のうち最も層厚が大きい量子井戸層のＩｎ含有率は、０．１１〜０．１８の範囲内であることが好ましく、０．１２〜０．１７の範囲内であることがより好ましい。またこの場合、多重量子井戸層の中央よりｎ型窒化物半導体層までの間に存在する量子井戸層のＩｎ含有率の平均値は、０．１８〜０．２２の範囲内であることが好ましく、０．１９〜０．２１の範囲内であることがより好ましい。

（中間層）
中間層１５は発光層１４とｐ型窒化物半導体層１６を区切る層である。ｐ型ドーパントであるＭｇ（マグネシウム）が量子井戸層に入ると、発光効率が低下するため、発光層１４へのＭｇの拡散を防止する役割を担っている。中間層１５の生成はＡｌ_ｃＧａ_ｄＩｎ_{（１−ｃ−ｄ）}Ｎ（０≦ｃ＜１、０＜ｄ≦１）であればよく、好ましくはＩｎを含まないＡｌ_ｃＧａ_{（１−ｅ）}Ｎ（０＜ｅ≦１）層である。中間層１５の層厚は特に限定されないが、多重量子井戸層を構成する障壁層の層厚と同等かそれ以下であることが好ましい。中間層１５の層厚は１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であることがより好ましい。薄くなりすぎるとＭｇの拡散を防止できず、厚くなりすぎると、発光層へのホール注入効率が低下し、発光効率が低下する。

（ｐ側窒化物半導体層）
図１に示す例の窒化物半導体発光素子１は、ｐ型窒化物半導体層１９を、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７および高濃度ｐ型ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）１８の３層構造としている。しかしながら、この構成はｐ側窒化物半導体層の一例に過ぎない。ｐ型窒化物半導体層１９は、たとえばＡｌ_ｓ４Ｇａ_ｔ４Ｉｎ_ｕ４Ｎ（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ってもよく、Ａｌ_ｓ４Ｇａ_{（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ってもよい。

ｐ型ドーパントは特に限定されないが、好ましい例としてＭｇが挙げられる。ｐ型窒化物半導体層１９（ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８）におけるキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−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１９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１×１０^１９ｃｍ^−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１９のうち、発光層１４側に位置する部分（図１に示す例ではｐ型ＡｌＧａＮ層１６）におけるｐ型ドーパント濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３未満であってもよい。

ｐ型窒化物半導体層１９の層厚（ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８の層厚の総計）は特に限定されないが、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１９の層厚を小さくすることにより、その成長時における加熱時間を短くすることができる。これにより、ｐ型ドーパントの発光層１４への拡散を抑制することができる。

（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３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よい。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。

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の層厚は１μｍ以上であることが好ましい。また、メサ部側壁から放出される光の吸収を低減するためには、薄い方が好ましく、ｎ側電極２１の層厚は２μｍ以下であることが好ましい。

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よい。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の層厚は１μｍ以上であることが好ましい。また、電極の直列抵抗を低減し、駆動電圧を下げるために、層厚は厚い方が好ましいが、厚くすることでコストアップとなるため、ｐ側電極２５の層厚は２μｍ以下であることが好ましい。

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以下の層厚を有していることが好ましい。

＜窒化物半導体発光素子の製造方法＞
続いて、窒化物半導体発光素子１の製造方法を説明する。

まず、サファイアなどの異種基板からなる基板３の表面に複数の凸形状３ａを形成し、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（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）などにより、バッファ層５の上に下地層７、ｎ型コンタクト層８、低温ｎ型窒化物半導体層９、多層構造体１０、発光層１４、中間層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７および高濃度ｐ型ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）１８を順に形成する。

次に、ｎ型コンタクト層８の一部分が露出するように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７、高濃度ｐ型ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）１８、中間層１５、発光層１４、多層構造体１０、低温ｎ型窒化物半導体層９およびｎ型コンタクト層８の一部をエッチングする。このエッチングにより露出したｎ型コンタクト層８の上面にｎ側電極２１を形成する。

また、ｐ型コンタクト層１８の上面に透明電極２３とｐ側電極２５とを順に積層する。その後、透明電極２３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１が得られる。なお、各層の組成および層厚などは＜窒化物半導体発光素子の構造＞の項目で上述したとおりである。

下地層７はバッファ層５が形成された基板３を第１ＭＯＣＶＤ装置に入れ、好ましくは８００℃以上１２５０℃以下で、より好ましくは９００℃以上１１５０℃以下で成長させる。これにより、結晶欠陥が少なく且つ結晶品質に優れた下地層７を形成できる。下地層７の成長には、ファセット成長モードで斜めファセット面を形成し、次いで埋込成長モードにより、ファセット間を埋込み、平坦面を形成していく成長方法が好ましい。これにより結晶欠陥が少なく且つ結晶品質に優れた下地層７を形成できる。

一般にファセット成長モードは埋込成長モードに対して、成長圧力が高く、成長温度は低い。たとえば、ファセット成長モードの圧力を５００Ｔｏｒｒ、温度を９９０℃として、埋込成長モードの圧力を２００Ｔｏｒｒ、温度を１０８０℃として下地層７を成長させることができる。

ｎ型コンタクト層の成長は、たとえばＭＯＣＶＤ法などにより下地層７の上面に、好ましくは８００℃以上１２５０℃以下で、より好ましくは９００℃以上１１５０℃以下で成長させる。これにより、結晶欠陥が少なく且つ結晶品質に優れたｎ型コンタクト層８を形成できる。

低温ｎ型窒化物半導体層９はｎ型コンタクト層８の成長温度よりも低い温度で成長させることが好ましい。具体的には、低温ｎ型窒化物半導体層９の成長温度は、９５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは７００℃以上であり、更に好ましくは７５０℃以上である。低温ｎ型窒化物半導体層９の成長温度が７００℃以上であれば、発光層１４での発光効率を高く維持できる。

多層構造体１０の成長温度は、低温ｎ型窒化物半導体層９の成長温度以下であることが好ましい。これにより、Ｖピット２０の大きさが大きくなるので、転移のシールド効果が大きくなり、発光効率を向上できる。この効果を有効に得るためには、多層構造体１０を６００℃以上で成長させることが好ましく、７００℃以上で成長させることがより好ましい。なお、低温ｎ型窒化物半導体層９と多層構造体１０とを同一の成長温度で成長させてもよい。

なお、ＭＯＣＶＤ法による各層の結晶成長では、次に示す原料ガスを用いることができる。Ｇａの原料ガスとしては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ａｌの原料ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）を用いることができる。Ｉｎの原料ガスとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）またはＴＥＩ（トリエチルインジウム）を用いることができる。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ_３またはＤＭＨ_ｙ（ジメチルヒドラジン）を用いることができる。ｎ型不純物であるＳｉの原料ガスとしては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６または有機Ｓｉを用いることができる。ｐ型不純物であるＭｇの原料ガスとしては、Ｃｐ_２Ｍｇを用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下に限定されない。
＜実施例１＞
［製造工程］
実施例１の窒化物半導体発光素子１（図１参照）の製造工程は以下のとおりである。

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１５０ｍｍ径のサファイアからなる基板３を準備した。凸部３ａは平面視略円形をなし、隣り合う３個の凸部３ａが平面視略正三角形の頂点に位置するように配置されている。隣り合う凸部３ａの頂点の間隔は２μｍである。凸部３ａの底面における平面形状である円の直径は１．２μｍ程度であり、凸部３ａの高さは０．６μｍ程度であった。さらに、基板３の表面の凸部３ａおよび凹部３ｂはそれぞれ図１に示す断面を有しており、凸部は先端部を有していた。

凸部３ａおよび凹部３ｂの形成後の基板３の表面に対してＲＣＡ洗浄を行った。そして、チャンバーにＲＣＡ洗浄後の基板３を設置し、基板３を加熱し、Ａｌターゲットに窒素を含むアルゴン雰囲気下でスパッタする反応性スパッタ法により、凸部３ａおよび凹部３ｂを有する基板３の表面上に、基板３の表面にＡｌＮ結晶からなる層厚２５ｎｍのバッファ層５を形成した。

バッファ層５が形成された基板３をＭＯＣＶＤ装置内に収容した。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の上面上に成長させ、引き続いてＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層８を下地層７上に成長させた。このとき、下地層７全体の層厚を６μｍとし、ｎ型コンタクト層８の層厚を３μｍ、ｎ型ドーパント濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３とした。

次に、基板温度を８０１℃に下げ、ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）９をｎ型コンタクト層８の上面上に成長させた。具体的には、ｎ型ドーパント濃度が９×１０^１９ｃｍ^−３になるように、層厚３０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を成長させた。

引き続き、基板の温度を８０１℃に保持した状態で、多層構造体１０を成長させた。具体的には、まずＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層を堆積し、次いでＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層を堆積し、この動作をさらに３周期繰り返した後、最後にナローバンドギャップ層を堆積し、合計９層を成長させた。各ワイドバンドギャップ層の層厚は１２ｎｍであった。各ナローバンドギャップ層の層厚は１２ｎｍであった。多層構造体１０におけるｎ型ドーパント濃度をいずれの層においても７×１０^１８ｃｍ^−３とした。各ナローバンドギャップ層の組成はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＝０．０４）であった。この状態で成長を中断して、即座に基板の温度を下げ、その基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、即座にＡＦＭ装置を用いて基板の結晶表面を観察した。ＡＦＭにて測定した結果を図４に示す。この表面には、Ｖピット構造が面密度１．６×１０^８／ｃｍ^２で形成されていることを確認した。

次に、基板温度を６７２℃に下げて、発光層１４を成長させた。具体的には、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層ＱＷｉとＧａＮよりなる障壁層ＱＢｉを交互に成長させ、量子井戸層は８層、障壁層は７層を成長した。量子井戸層、障壁層は全てアンドープとした。量子井戸層、障壁層の層厚に関しては、比較のために、以下の構造を作製し、評価した。

（Ａ１〜Ａ５）
量子井戸層の層厚：３．４ｎｍ（全層同一）
障壁層の層厚：全層同一で４．５ｎｍ、４．０ｎｍ、３．６ｎｍ、３．２ｎｍ、３．０ｎｍまで変更した。

次に、最上層の量子井戸層（第８量子井戸層）ＱＷ８の上に、アンドープのＧａＮ層からなる中間層１５（層厚：３ｎｍ）を成長させた。

基板温度を１０００℃に上げて、中間層１５の上面上に、それぞれｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８を成長させた。

そして、ｎ型コンタクト層８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、中間層１５、発光層１４、多層構造体１０、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）９およびｎ型コンタクト層８の各一部をエッチングした。このエッチングにより露出した下部ｎ型コンタクト層８の上面上にＡｕ他からなる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他からなる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、ＳｉＯ_２からなる透明保護膜２７を形成した。

次に、基板を６２０×６８０μｍサイズのチップに分割した。これにより、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１が得られた。

［評価］
上記製造方法で得た窒化物半導体発光素子１に対して、ＴＯ−１８型ステムにマウントし、樹脂封止を行なわずに窒化物半導体発光素子１の１２０ｍＡでの光出力特性を２５℃の環境下と８０℃環境下において測定した。２５℃の環境下における光出力ＰをＰ（２５）と表記し、８０℃の環境下における光出力ＰをＰ（８０）と表記し、光出力Ｐに係る温度特性Ｐ（８０）／Ｐ（２５）も比較した。測定はウエハ上で１２５チップについて行なったが、以下では中心値のみを記載する。光出力のバラツキは±３ｍＷ程度、温度特性のバラツキは±０．５％程度あったが、サンプル間では大きな相違は無かった。

本実施例に沿って試作したＬＥＤチップの光出力と温度特性を図６（ａ）と図６（ｂ）に示す。ここで、図６は、実施例１の窒化物半導体発光素子の特性比較を示すグラフであり、図６（ａ）において縦軸は１２０ｍＡでの光出力（ｍＡ）、横軸は障壁層の層厚（ｎｍ）であり、図６（ｂ）において縦軸は温度特性、横軸は障壁層の層厚（ｎｍ）である。光出力は障壁層の層厚を小さくするに従い上昇し、３．２ｎｍ付近でピークを示した。これより薄い領域では、量子井戸層の結晶性が悪化し、非発光再結合中心が増えたものと推測している。温度特性は障壁層の層厚の減少と共に、僅かに減少する傾向を示すが、障壁層の層厚３．２ｎｍでは９７％以上を保っている。

なお、上記条件におけるＶピットの状況を確認するため、チップ作製する基板３とは別バッチで、上述の方法にしたがって発光層を成長させた後、即座に基板の温度を下げ、その基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、即座にＡＦＭ装置を用いて基板の結晶表面を観察した。その結果を図５に示す。この表面には、Ｖピット構造が面密度１．５×１０^８／ｃｍ^２で形成されていることを確認した。

比較例として、多重量子井戸の周期数を増減させる検討も行なった。ｎ層側に量子井戸層を１層、障壁層を１層追加しても、各２層追加しても、光出力や温度特性はほぼ変化が無かった。逆に各１層を減らすと、バラツキが増加したため、本実験では８層の量子井戸層を用いた。

また、多重量子井戸層を形成する前の多層構造体の影響を評価するために、Ｖピット密度を上げる比較を行った。具体的には形成温度を下げることで、Ｖピット密度を増加させた。図５と同様の評価を行ったところ、Ｖピット密度は２．３×１０^８／ｃｍ^２であった。光出力の障壁層の層厚への依存性を調べた結果も図６（ａ），（ｂ）に示した。この条件下でも、ほぼ量子井戸層の層厚に等しい層厚まで、光出力の向上が見られる。また、Ｖピット密度が小さな条件では、より薄い障壁層まで特性向上が続くことが分かる。このことから、Ｖピット密度は２．５×１０^８／ｃｍ^２以下であることが好ましく、２．０×１０^８／ｃｍ^２以下であることがより好ましい。

＜実施例２＞
本実施例は素子構造としては実施例１の窒化物半導体発光素子１（図１参照）に対して第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚を変更した。具体的には多重量子井戸層の各層厚を下記のように変更する試料を試作した。

（Ｂ１〜Ｂ４）
第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚を３．４ｎｍ、５．１ｎｍ、６．８ｎｍ、８．５ｎｍと変更した。他の量子井戸層の層厚は３．４ｎｍに固定し、障壁層は全層３．２ｎｍに固定した（Ｂ１＝Ａ３である）。

第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚を変更すると、結晶成長温度やガス組成などの成長条件がそのままであると、発光スペクトル幅が拡大するため、第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚を変える毎に量子井戸層の成長温度を調整することで、発光スペクトル幅を一定に保つようにした。第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚が大きい程、Ｉｎ組成は低減されている。第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚とＩｎ組成の関係を表２に示す。ただし、表２に示す数値には、成膜条件をもとにした推定値であり、±１．２％程度のバラつきがある。

［評価］
本実施例に沿って試作したＬＥＤチップの光出力と温度特性を図７（ａ）と図７（ｂ）に示す。図７は、実施例２の窒化物半導体発光素子の特性比較を示すグラフであり、図７（ａ）において縦軸は１２０ｍＡでの光出力（ｍＡ）、横軸は第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚（ｎｍ）であり、図７（ｂ）において縦軸は温度特性、横軸は第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚（ｎｍ）である。光出力はＱＷ８の層厚を大きくするに従い上昇し、６．８ｎｍ付近でピークを示した。これより厚い領域では、量子井戸層の結晶性が悪化し、非発光再結合中心が増えたものと推測している。温度特性は量子井戸層の層厚の増加と共に、僅かに減少する傾向を示すが、いずれの条件に置いても９６％以上を保っている。

＜実施例３、４＞
本実施例は素子構造としては実施例２の窒化物半導体発光素子１（Ｂ３）に対して、以下の変更を行なった。

（Ｃ）
第７量子井戸層（ＱＷ７）の層厚を５ｎｍに増加した、第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚は６．８ｎｍ、第１量子井戸層（ＱＷ１）から第６量子井戸層（ＱＷ６）の層厚は３．４ｎｍ、障壁層の層厚は全て３．２ｎｍである。第７量子井戸層（ＱＷ７）と第８量子井戸層（ＱＷ８）のＩｎ組成は、実施例２において記載したように、層厚の変更に伴いそれぞれ変更した。

（Ｄ）
第６量子井戸層（ＱＷ６）の層厚を４ｎｍへ増加した。第７量子井戸層（ＱＷ７）の層厚は５ｎｍ、第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚は６．８ｎｍ、第１量子井戸層（ＱＷ１）から第６量子井戸層（ＱＷ６）の層厚は３．４ｎｍ、障壁層の層厚は全て３．２ｎｍである。第６量子井戸層（ＱＷ６）、第７量子井戸層（ＱＷ７）と第８量子井戸層（ＱＷ８）のＩｎ組成は、実施例２において記載したように、層厚の変更に伴いそれぞれ変更した。

［評価］
本実施例に沿って試作したＬＥＤチップの光出力と温度特性を図８に示す。光出力は第７量子井戸層（ＱＷ７）の層厚を大きくすると上昇し、更に第６量子井戸層（ＱＷ６）を増加することによっても、光出力を増加することができた。温度特性は若干低下したが、９６％以上を保っている。ＬＥＤは用途によって、室温に近い状態で光出力が求められるものと高温で高い出力が求められるものがあり、用途によって条件を使い分けることができる。

比較例として、（Ｃ）に対して、第７量子井戸層（ＱＷ７）の層厚を６ｎｍに増加させたサンプルも作製したが、光出力は僅かに低下した。また（Ｄ）に対して、第６量子井戸層（ＱＷ６）の層厚を５ｎｍに増加したサンプルを作成したが、やはり光出力は向上しなかった。

＜実施例５＞
本実施例は素子構造としては実施例２の窒化物半導体発光素子１（Ｂ３）に対して、第８量子井戸層（ＱＷ８）の上に障壁層１層と第９量子井戸層（ＱＷ９）を追加した。障壁層は全て３．２ｎｍである。第９量子井戸層（ＱＷ９）の層厚は３．４ｎｍとし、第８量子井戸層（ＱＷ８）と同じ形成条件にて成長させた。第１量子井戸層（ＱＷ１）から第７量子井戸層（ＱＷ７）の層厚は実施例２と同じく、３．４ｎｍである。それ以外の条件は一切変更していない。

［評価］
本実施例に沿って試作したＬＥＤチップの光出力と温度特性はＢ３構造とほぼ一致した。但し、発光スペクトルの半値幅がＢ３構造の２０．６ｎｍに対して２２．４ｎｍへ拡大した。この結果は、最もｐ層側に近い量子井戸層の層厚が必ずしも最大値である必要が無いことを意味している。

＜実施例６＞
本実施例では、実施例２の窒化物半導体発光素子１（Ｂ３）に対して、多層構造体１０を通常の超格子構造に変更した。

低温ｎ型窒化物半導体層９形成後、基板の温度を８０１℃に保持した状態で、多層構造体１０を成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層とＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層を交互に２０周期成長させた。各ワイドバンドギャップ層の層厚は１．５５ｎｍであった。各ナローバンドギャップ層の層厚は１．５５ｎｍであった。多層構造体１０におけるｎ型ドーパント濃度をいずれの層においても７×１０^１８ｃｍ^−３とした。各ナローバンドギャップ層の組成はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＝０．０４）であった。この状態で成長を中断して、ＡＦＭ装置を用いて基板の結晶表面を観察して得たＶピット密度は２．５×１０^８／ｃｍ^２であった（ＡＦＭ測定結果を図９に示す。）比較例として、前記超格子構造上に、実施例１において示したＡ１構造（全ての量子井戸層の層厚が３．４ｎｍ、全ての障壁層の層厚が４．５ｎｍ）を発光層として形成した。

［評価］
本実施例に沿って試作したＬＥＤチップの光出力は１６６ｍＷ、温度特性は９６．０％と、実施例２のＢ３より若干劣った。また、比較例の光出力１６０ｍＷであり、温度特性は９７．７％であり、実施例１のＡ１構造とほぼ同等であった。比較例に対して、障壁層を量子井戸層より薄くすると共に、最上層の量子井戸層を厚くすることで、特性が向上していることが分かる。このことから、多層構造体の詳細な構造に関わらず、ＡＦＭ測定によって得られるＶピット密度や平坦性が同等であれば、発光特性としては同等の物が得られることが分かる。

＜実施例７＞
本実施例は素子構造としては図２に示した構造であり、実施例２の窒化物半導体発光素子１（Ｂ３）と類似の構造であるが、以下の変更を行なった。

第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚を５．０ｎｍ、他の量子井戸層の層厚は３．６ｎｍに固定し、障壁層は全層３．６ｎｍに固定した。また、比較例として第８量子井戸層（ＱＷ８）の層厚を３．６ｎｍとしたサンプルも形成した。その他の点は、実施例２と同じである。

［評価］
本実施例に沿って試作したＬＥＤチップの光出力は１６５ｍＷ、温度特性は９７．０％と、実施例２のＢ３よりも特性では劣った。しかし、比較例の光出力１６２ｍＷであり、温度特性は９７．３％であった。多重量子井戸の構造は異なっているが、実施例２と同様に、最上層の量子井戸層を厚くすることで、特性が向上していることが分かる。

今回開示された実施の形態及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及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。

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型コンタクト層（ｎ型窒化物半導体層）、９ 低温ｎ型窒化物半導体層、１０ 多層構造体、１１ ｎ型バッファ層、１４ 発光層、１４Ａ 障壁層、１４Ｗ 井戸層、１５ 中間層、１６ ｐ型ＡｌＧａＮ層、１７ ｐ型ＧａＮ層、１８ ｐ型コンタクト層、１９ ｐ型窒化物半導体層、２０ Ｖピット、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。

Claims (5)

1. 基板と、当該基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを少なくとも備える窒化物半導体発光素子であって、
   前記発光層は多重量子井戸層より構成され、前記多重量子井戸層はアンドープであるか、ｎ型またはｐ型不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
   前記多重量子井戸層を構成する複数の障壁層はＡｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）からなり、平均層厚が４ｎｍ以下であり、
   前記多重量子井戸層を構成する複数の量子井戸層はＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなり、
   前記複数の量子井戸層の平均層厚が前記障壁層の平均層厚より大きいかまたは等しく、
   前記発光層にはＶピットが形成されており、Ｖピット密度が２．５×１０ ^８ ｃｍ ^−２ 以下であり、
   転位密度が２．５×１０ ^８ ｃｍ ^−２ 以下であり、かつ、障壁層の層厚が３ｎｍ以上である、窒化物半導体発光素子。
2. 前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｐ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の最大層厚が、前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｐ型窒化物半導体層側に位置する複数の量子井戸層の各層が、前記多重量子井戸層の中央の層より前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する量子井戸層の平均層厚より大きい層厚を有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記障壁層は、全て略同じ層厚であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記多重量子井戸層を構成する量子井戸層のうち最も層厚が大きい量子井戸層のＩｎ含有率は、前記多重量子井戸層の中央より前記ｎ型窒化物半導体層までの間に存在する量子井戸層のＩｎ含有率の平均値より少ないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。