(57)【要約】【課題】従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持しつつ、従来よりもコスト低減を図り得る発光材料、発光材料の製造方法、発光素子、及び発光デバイスを提供する。【解決手段】従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子の利点を維持し得るとともに、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。【選択図】図１
2015163693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている
ことを特徴とする発光材料。
【請求項２】
前記III-V族半導体は、GaAs、InAs、AlAs、GaSb、InSb、AlSb、GaP、InP、AlP及びこれらの混晶のうちいずれかであり、
前記IV族半導体は、Si、Ge、SiC、及びこれらの混晶のうちいずれかであり、
前記遷移金属は、3d軌道が10電子で満たされていない遷移金属であり、
前記希土類元素は、4f軌道が14電子で満たされていない希土類元素である
ことを特徴とする請求項1記載の発光材料。
【請求項３】
III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料を400［℃］未満で結晶成長させた後、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素を前記母体材料にドーピングすることにより発光材料を製造する
ことを特徴とする発光材料の製造方法。
【請求項４】
請求項1又は2に記載の発光材料と、
前記発光材料に隣接し、キャリアを加速させる加速層とを備え、
前記発光材料はキャリア濃度が1018［cm-3］以上であり、
前記加速層はドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上低く、高電界によりキャリアを加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアによって該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起して発光させる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
前記加速層の両端に前記発光材料が隣接されている
ことを特徴とする請求項4記載の発光素子。
【請求項６】
エミッターとベースとコレクターとを備えたバイポーラトランジスタ構造を有した発光素子であって、
前記エミッター又は前記コレクターのうち少なくともいずれか一方が請求項1又は2に記載の発光材料からなり、
前記発光材料はキャリア濃度が1018［cm-3］以上であり、
前記ベースはドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上低く、注入されたキャリアを高電界により加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアによって該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起し発光させる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
前記エミッター及び前記コレクターのいずれもが前記発光材料でなる
ことを特徴とする請求項6記載の発光素子。
【請求項８】
n型電極とp型電極との間に、請求項1又は2に記載の発光材料が配置された構成を有し、
前記n型電極及び前記p型電極はドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上高く、
前記発光材料は、キャリア濃度が1018［cm-3］未満であり、前記n型電極又は前記p型電極から注入されたキャリアを高電界により加速させ、前記キャリアにより前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起し発光させる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項９】
エミッターとベースとコレクターとを備えたバイポーラトランジスタ構造を有した発光素子であって、
前記ベースが請求項1又は2に記載の発光材料からなり、
前記エミッター及び前記コレクターはドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上高く、
前記発光材料は、キャリア濃度が1018［cm-3］未満であり、前記エミッター又は前記コレクターから注入されたキャリアを高電界により加速させ、前記キャリアが前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起し発光させる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
一の電極と他の電極との間にトンネル障壁が配置されたトンネル接合構造を有した発光素子であって、
前記一の電極及び前記他の電極の少なくともいずれかが請求項1又は2に記載の発光材料からなり、
前記トンネル障壁は、高電界によりキャリアを加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアが該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起して発光させる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項１１】
前記一の電極及び前記他の電極のいずれもが前記発光材料でなる
ことを特徴とする請求項10記載の発光素子。
【請求項１２】
金属電極と半導体電極との間に絶縁層が配置されたMIS構造を有した発光素子であって、
前記半導体電極が請求項1又は2に記載の発光材料からなり、
前記絶縁層は、高電界によりキャリアを加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアが該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起して発光させる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
請求項4〜12のうちいずれか1項記載の発光素子が連接した構成を有し、各前記発光素子が発光し複数の発光領域を有する
ことを特徴とする発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光材料、発光材料の製造方法、発光素子、及び発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子では、絶縁性が高い母体材料に、遷移金属(以下、TMとも呼ぶ)又は希土類(以下、REとも呼ぶ)元素がドーピングされた発光材料を用いている。かかる構成でなる発光素子は、高電界が印加されることにより、高速電子又は高速正孔を作り出し、母体材料にドープした原子に衝突させて、原子軌道（遷移金属（TM）のd軌道、又は希土類元素（RE）のf軌道）の電子を励起し得る。
【０００３】
そして、発光素子では、電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)、発光し得る。このような発光原理は蛍光灯における気体原子の発光原理と同じであり、かかる原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子は、母体材料を変えることなく、ドーピングした原子の種類を変えるだけで、様々な波長（色）を有した光を発し得るという利点を有している。また、異なる種類の原子を同時にドーピングすれば、同じ母体材料でも異なる波長の光を同時に出力させることもできる。
【０００４】
また、この種の発光素子は、他の利点として、発光は間接遷移半導体でも可能であるという利点を有しており、さらに、他の利点としては、固体素子であるため、寿命はバンド間遷移による発光を利用した発光素子と同じく数万時間と長いという利点もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y. A. Ono, Electroluminescent Displays (Word Scientific, Singapore, 1995).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、かかる原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子では、母体材料が高電界（105〜106［V/cm］）を印加できる絶縁体により形成されている必要があることから、例えば、3［eV］以下の小さいバンドギャップを持つIII-V族半導体やIV族半導体にTMやREをドープすると、ほとんどの場合、絶縁体でないため高電界を印加できない。例えば、III-V族半導体であるGaAsにMnをドープしたGaAs:Mnでは、正孔濃度が1019〜1021［cm-3］と高く、抵抗率が10-1〜10-3［Ωcm］と極めて低いため、高電界を印加することができず、発光材料として用いることができないという問題があった。
【０００７】
その逆に、バンドギャップが6［eV］以上の絶縁性が極めて高い材料の場合でも、電流を流すことができないため、発光材料として用いることができない。従って、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子では、高電界発光用の母体材料のバンドギャップがほとんど3〜5［eV］の材料に限られていた。実際に、原子軌道間遷移による発光を利用した発光材料としては、TM又はREをドープしたII-VI族半導体（例えば、ZnS:Mn）や、GaN(例えばGaN:Eu)に限られてしまい、より普及しているコストの安いIII-V族半導体やIV族半導体を利用することができない。
【０００８】
また、例えばREのうち例えばErをIII-V族半導体やIV族半導体に対してドープした場合には、最高で1×1019［cm-3］（濃度換算0.02［%］)しかドープできず、それ以上ドープしようとすると、結晶性が壊れてしまうという問題があった。その一方で、近年では、コストの安いIII-V族半導体やIV族半導体を発光材料の母体材料として利用することで、発光材料のコストを大幅に低減させることが望まれている。
【０００９】
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持しつつ、従来よりもコスト低減を図り得る発光材料、発光材料の製造方法、発光素子、及び発光デバイスを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため本発明による請求項1の発光材料では、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項3の発光材料の製造方法では、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料を400［℃］未満で結晶成長させた後、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素を前記母体材料にドーピングすることにより発光材料を製造することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項4の発光素子では、請求項1又は2に記載の発光材料と、前記発光材料に隣接し、キャリアを加速させる加速層とを備え、前記発光材料はキャリア濃度が1018［cm-3］以上であり、前記加速層はドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上低く、高電界によりキャリアを加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアによって該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起して発光させることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項6の発光素子では、エミッターとベースとコレクターとを備えたバイポーラトランジスタ構造を有した発光素子であって、前記エミッター又は前記コレクターのうち少なくともいずれか一方が請求項1又は2に記載の発光材料からなり、前記発光材料はキャリア濃度が1018［cm-3］以上であり、前記ベースはドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上低く、注入されたキャリアを高電界により加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアによって該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起し発光させることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項8の発光素子では、n型電極とp型電極との間に、請求項1又は2に記載の発光材料が配置された構成を有し、前記n型電極及び前記p型電極はドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上高く、前記発光材料は、キャリア濃度が1018［cm-3］未満であり、前記n型電極又は前記p型電極から注入されたキャリアを高電界により加速させ、前記キャリアにより前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起し発光させることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項9の発光素子では、エミッターとベースとコレクターとを備えたバイポーラトランジスタ構造を有した発光素子であって、前記ベースが請求項1又は2に記載の発光材料からなり、前記エミッター及び前記コレクターはドーピング濃度が前記発光材料より一桁以上高く、前記発光材料は、キャリア濃度が1018［cm-3］未満であり、前記エミッター又は前記コレクターから注入されたキャリアを高電界により加速させ、前記キャリアが前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起し発光させることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項10の発光素子では、一の電極と他の電極との間にトンネル障壁が配置されたトンネル接合構造を有した発光素子であって、前記一の電極及び前記他の電極の少なくともいずれかが請求項1又は2に記載の発光材料からなり、トンネル障壁は、高電界によりキャリアを加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアが該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起して発光させることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項12の発光素子では、金属電極と半導体電極との間に絶縁層が配置されたMIS構造を有した発光素子であって、前記半導体電極が請求項1又は2に記載の発光材料からなり、前記絶縁層は、高電界によりキャリアを加速させ、前記発光材料に到達した前記キャリアが該発光材料内の前記遷移金属又は前記希土類元素の電子を励起して発光させることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項13の発光デバイスでは、請求項4〜12のうちいずれか1項記載の発光素子が連接した構成を有し、各前記発光素子が発光し複数の発光領域を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持しつつ、従来よりもコスト低減を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態による発光素子の構成と、バンド構造と、発光デバイスの構成とを示す概略図である。
【図２】第２の実施の形態による発光素子の構成と、バンド構造と、発光デバイスの構成とを示す概略図である。
【図３】第３の実施の形態による発光素子の構成と、バンド構造と、発光デバイスの構成とを示す概略図である。
【図４】第４の実施の形態による発光素子の構成と、バンド構造と、発光デバイスの構成とを示す概略図である。
【図５】第５の実施の形態による発光素子の構成と、バンド構造と、発光デバイスの構成とを示す概略図である。
【図６】第６の実施の形態による発光素子の構成と、バンド構造と、発光デバイスの構成とを示す概略図である。
【図７】検証試験に用いた発光素子の構成を示す概略図である。
【図８】電流電圧特性を示すグラフである。
【図９】発光スペクトルの測定結果（１）を示すグラフである。
【図１０】発光スペクトルの測定結果（２）を示すグラフである。
【図１１】発光スペクトルの測定結果（３）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。本実施の形態では、発光材料と、これを用いた発光素子について下記の順に説明する。
（１）本発明の発光材料の概要
（２）III-V族半導体又はIV族半導体に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］以上の発光材料について
（２‐１）第１の実施の形態
（２‐２）第２の実施の形態
（３）III-V族半導体又はIV族半導体に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］未満の発光材料について
（３‐１）第３の実施の形態
（３‐２）第４の実施の形態
（４）トンネル接合による高速キャリア注入を利用した発光素子について
（５）MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造を用いたトンネル接合による高速キャリア注入を利用した発光素子について
（６）実施例
【００２２】
（１）本発明の発光材料の概要
本発明による発光材料は、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下、より好ましくは0.5［％］以上5［％］以下のドーピング濃度で遷移金属（TMとも呼ぶ）又は希土類元素（REとも呼ぶ）がドーピングされた構成を有している。
【００２３】
なお、0.1［％］未満となると、十分な発光強度が得られなくなり、一方、10［％］を超えると、結晶品質が劣化するため、発光強度が低下することになるため、0.1［％］以上10［％］以下が望ましい。
【００２４】
ここで、III-V族半導体は、GaAs、InAs、AlAs、GaSb、InSb、AlSb、GaP、InP、AlP及びこれらの混晶のうちいずれかである。III-V族半導体の混晶としては、(Ga,In)As、(Al,Ga)As、(Al,Ga)Sb、Ga(As,P) などである。
【００２５】
IV族半導体は、Si、Ge、SiC、及びこれらの混晶のうちいずれかである。IV族半導体の混晶としては、SiGe、SiCGeである。遷移金属は、3d軌道が10電子で満たされていない開殻の遷移金属であり、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuである。希土類元素は、4f軌道が14電子で満たされていない開殻の希土類元素であり、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybである。
【００２６】
ここで、従来のドーピング法（拡散およびイオン注入によるドーピング）を用いた製造方法によっては、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした場合、体積中0.1［％］以上のドーピング濃度にすることができず、当該0.1［％］以上のドーピング濃度に達する前に結晶性が破壊してしまうという問題があった。従来の結晶成長法を用いた製造方法では、例えばIV族半導体に対してErをドープした場合、最高で1×1019［cm-3］（ドーピング濃度換算0.02［%］)しかドープすることができず、それ以上ドープしようとすると、結晶が壊れてしまう。
【００２７】
これに対して本発明では、従来の半導体の結晶成長条件よりも温度が低い400［℃］未満で、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料を結晶成長させた後、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素を母体材料にドーピングすることにより、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素をドーピングさせた発光材料を製造し得る。具体的には、低温分子線エピキタシー法によって150[℃]〜350[℃]（例えば330［℃］）でGaAs:Mn (Mn 1［%］)の発光材料を製造することができる。
【００２８】
遷移金属又は希土類元素をドーピングするIII-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料を加熱する温度は、400［℃］以上にすると、遷移金属又は希土類元素あるいはその化合物による第二相が偏析することから、400［℃］未満にすることが好ましい。因みに、結晶成長法としては、低温分子線エピタキシャル法、電子線蒸着法、スパッター法、プラズマエンハンス化学気相成長法のいずれか或いはその組み合わせを用いることができる。
【００２９】
なお、以下説明する第１の実施の形態から第６の実施の形態において用いる、波長400〜800[nm]の可視光領域で光を発光する発光材料は、全て上述した発光材料であるため、各実施の形態においてその説明は省略する。特に、下記実施の形態における各発光材料では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下、好ましくは0.5%以上5%以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素をドーピングしている点は言うまでもない。
【００３０】
なお、一般に希土類元素のf軌道遷移を用いた発光材料では、励起状態の寿命が非常に長い。これは、f軌道間遷移確率と関係するf軌道-p軌道の混成が弱いからである。例えば、希土類元素のうちErの場合、発光寿命が10［μs］以上と長い。従って、Si:Erでなる発光材料を用いた後述する発光素子1,11,21,31,41,51,61を、光通信デバイスとして用いる時には、直接変調速度が100［KHz］が限界である。
【００３１】
それに対して、遷移金属はd軌道が原子外殻にあるために、半導体のp軌道との混成が強い。従って、d軌道間遷移確率が大きくなり得る。例えば、遷移金属のうちd軌道のMnをドープした本発明の発光材料では、発光寿命が20［ns］又はそれ以下となり、後述する本発明の発光素子1,11,21,31,41,51,61を光通信デバイスとして用いる場合、高速に直接変調することができる。
【００３２】
（２）III-V族半導体又はIV族半導体に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］以上の発光材料について
III-V族半導体のうち例えばGaAsに遷移金属であるMnを1［%］ドープしたGaAs:Mnからなる発光材料では、Mn自体がアクセプターになるため、正孔濃度が一般に1019〜1021［cm-3］と非常に高くなり、GaAs:Mnが常にp+半導体となるため抵抗が低くなり、直接高電界を印加できない。また、GaAsに遷移金属としてFeをドープしたGaAs:Feでも、FeがドナーやアクセプターにならずFeによるキャリアが発生しないが、他の結晶欠陥（例えばAsのアンチサイト欠陥）によって、電子濃度が1018［cm-3］以上となり、n+半導体となるため抵抗が低くなり、高電界を印加できない。また、IV族半導体のうち例えばGeに遷移金属としてFeをドープしたGe:Feの場合では、Feによるキャリアが発生しなくても、やはり正孔濃度が1018［cm-3］もあり、高電界を印加できない。
【００３３】
そこで、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］以上ある発光材料を用いた発光素子では、例えば、キャリアを加速させる加速層を、発光材料から切り離して連接させることによって、高エネルギーのキャリアを発光材料に注入することができる。よって、この発光素子では、発光材料に直接的に高電界を印加できなくても、発光材料内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起し得、波長400〜800[nm]の可視光領域の光で当該発光材料を発光させることができる。なお、下記に示す実施の形態では、III-V族半導体として例えばGaAsに遷移金属として例えばMn又はFeをドープしたGaAs:Mnと、GaAs:Feとを用いて説明することもあるが、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料であって、キャリア濃度が1018［cm-3］以上ある発光材料であれば、上述の「（１）本発明の発光材料の概要」にて説明した他の遷移金属、希土類元素、III-V族半導体、及びIV族半導体でも、同じ原理によって、波長400〜800[nm]の可視光領域の光で発光させることができる。
【００３４】
（２‐１）第１の実施の形態
図１Ａにおいて、1は、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］以上の発光材料を用いたときの発光素子を示す。この発光素子1は、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた本発明の発光材料からなるn+電極2と、中間層3と、n+電極2と同様に、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた本発明の発光材料からなるp+電極4とで構成されており、n+電極2、中間層3及びp+電極4の順に連接したp-n接合構造を有している。
【００３５】
因みに、図１Ａに示す実施の形態においては、n+電極2及びp+電極4の両方を本発明の発光材料とした場合について述べるが、本発明はこれに限らず、n+電極2及びp+電極4のうちいずれか一方のみを本発明による発光材料としてもよい。
【００３６】
具体的に、n+電極2及びp+電極4の両方が、例えばIII-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料とした場合、発光素子1の一例としては、GaAs:Feからなるn+電極2と、n-GaAs:Siからなる中間層3と、GaAs:Mnからなるp+電極4とから構成され得る。なお、n+電極2及びp+電極4のうちp+電極4だけをIII-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料とした場合、n+電極2としては例えばGaAs:Siを適用できる。またn+電極2及びp+電極4のうちn+電極2だけをIII-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料とした場合、p+電極2としては例えばGaAs:Beを適用できる。
【００３７】
中間層3は、ドナー（或いはアクセプタ）がドープされていない構成、又はドナー（或いはアクセプタ）が軽くドープされた構成を有しており、ドーピング濃度がn+電極2及びp+電極4より一桁以上低くなっている。発光素子1には、n+電極2及びp+電極4間に電源5が設けられており、当該電源5によって、n+電極2がp+電極4に対して正の電圧となっており、p-n接合構造の発光素子1に対して逆バイアスで電圧を印加し得るようになされている。
【００３８】
ここで、図１Ｂにp-n接合構造の発光素子1に逆バイアスを印加したときのバンド構造を示す。図１Ｂでは、中間層3のキャリア濃度がn+電極2及びp+電極4と比べて、少なくとも一桁以上キャリア濃度が低いため、中間層3のほとんどに空乏層が広がる。従って、発光素子1では、n+電極2及びp+電極4に電界がかからずに、電界のほとんどが中間層3にかかった状態となり得る。
【００３９】
この状態で、キャリアとしての正孔HOは、n+電極2の価電子帯の少数キャリアの拡散、又はn+電極2の伝導帯からバンド間トンネルによって、中間層3の空乏層に注入され得る（図１Ｂ中、（i））。同様にして、キャリアとしての電子ELは、p+電極4の伝導帯にある少数キャリアの拡散、又はp+電極4の価電子帯からバンド間トンネルによって、中間層3の空乏層に注入され得る（図１Ｂ中、（i））。
【００４０】
注入された正孔HO及び電子ELは空乏層となった中間層3の高電界によって加速される（図１Ｂ中、（ii））。最終的には、高速な電子ELがn+電極2に到達するとともに、高速な正孔がp+電極4に到着する。これにより、発光素子1は、高速な電子ELがn+電極2（発光材料）内のの遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図１Ｂ中、（iii））するとともに、高速な正孔HOがp+電極（発光材料）内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図１Ｂ中、（iii））し、遷移金属又は希土類元素の電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)発光し得る（図１Ｂ中、（iV））。
【００４１】
例えば、GaAs:Feからなるn+電極2と、GaAs:Mnからなるp+電極4とを用いた発光素子では、n+電極2においてFeの電子が励起し、当該Feの電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに発光し、p+電極4においてもMnの電子が励起し、当該Mnの電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに発光し得る。かくして、この発光素子1は、中間層3がキャリアを加速させる加速層として機能し、本発明の発光材料でなるn+電極2及びp+電極4が発光層となり発光し得る。
【００４２】
因みに、p+電極4だけを、400［℃］未満で結晶成長させたIII-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料により形成（n+電極2を例えばSiをドープしたGaAs:Siにより形成）した発光素子では、III-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料からなるp+電極4だけが発光し得、当該p+電極4だけが発光層となり得る。また、n+電極2だけを、400［℃］未満で結晶成長させたIII-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料により形成（p+電極4を例えばBeをドープしたGaAs:Beにより形成）した発光素子では、III-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料からなるn+電極2だけが発光し得、当該n+電極2だけが発光層となり得る。
【００４３】
因みに、発光に必要なバイアス電圧は、空乏層となる中間層3の幅と、中間層3のドーピング濃度とによって設計できる。例えば、n+電極2/中間層3/p+電極4が、n+GaAs:Si/n-GaAs:Si/p+GaAs:Mn構造の場合、中間層3に1×1018[cm-3]のSiをドープして、p+GaAs:Mnのp+電極4を発光させるには、発光素子1のn+電極2及びp+電極4間に約6[V]の電圧を印加する必要がある。その時の空乏層の幅は約100[nm]である。また、中間層3に2×1018［cm-3］のSiをドープした場合、発光に必要なバイアスは約4[V]であり、空乏層は約60[nm]となる。中間層3の幅は、発光するときの空乏層と同じか、当該空乏層よりも狭く設計すると良い。
【００４４】
以上の構成において、第１の実施の形態による発光素子1では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている発光材料をn+電極2及びp+電極4に用いるようにした。
【００４５】
実際上、この発光素子1では、キャリア濃度が1018［cm-3］以上でなる発光材料によりn+電極2及びp+電極4を形成しても、ドーピング濃度が発光材料（n+電極2及びp+電極4）より一桁以上少ない中間層3を加速層としてこれらn+電極2及びp+電極4に隣接するように設けたことにより、中間層3によって高電界でキャリア（正孔HO及び電子EL）を加速させ、発光材料であるn+電極2及びp+電極4に到達したキャリアによって当該n+電極2内及びp+電極4内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して可視光領域で発光させることができる。このように発光素子1では、III-V族半導体又はIV族半導体に遷移金属又は希土類元素をドープしたn+電極2及びp+電極4に電界が全くかからなくても、空乏層となった中間層3により加速されたキャリアを注入することによって、遷移金属又は希土類元素の電子を励起し得、発光させることができる。
【００４６】
このような発光素子1では、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子と同様に、母体材料を変えることなく、ドーピングする遷移金属又は希土類元素の種類を変えるだけで、様々な波長（色）を有した可視光領域の光を発することができ、また、発光が間接遷移半導体でも可能であり、さらに、固体素子であるため、バンド間遷移による発光を利用した発光素子と同じく数万時間と長い寿命なり得、従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持し得る。
【００４７】
また、この発光素子1では、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。
【００４８】
ここで、図１Ｃは、上述した発光素子1と同一構成を有した複数の発光素子1a,1b,…を直列に連接させた発光デバイス7を示す。図１Ｃに示すように、この発光デバイス7では、例えば発光素子1aがn+電極2a、中間層3a及びp+電極4aの順に連接した構成を有し、発光素子1bもn+電極2b、中間層3b及びp+電極4bの順に連接した構成を有しており、発光素子1aのp+電極4aと、隣接する発光素子1bのn+電極2bとが連接している。
【００４９】
この実施の形態の場合、これら発光素子1a,1bは、n+電極2a,2b及びp+電極4a,4bが、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料からなり、上述した実施の形態と同様の原理により、各中間層3a,3b毎に高電界でキャリア（正孔HO及び電子EL）を加速し、発光材料でなるn+電極2a,2b及びp+電極4a,4bに到達したキャリアによって当該n+電極2a,2b内及びp+電極4a,4b内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して発光させ得る。これにより、発光デバイス7では、各n+電極2a,2b及びp+電極4a,4bを発光層として可視光領域で発光させることができ、複数の箇所を同時に発光させることで発光強度を向上し得る。この場合、発光デバイス7は、全体に印加すべきバイアスが各発光素子1a,1b,…の発光に必要なバイアスの総和となる。
【００５０】
そして、このような発光デバイス7でも、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子の利点を維持し得るとともに、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。因みに、この実施の形態による発光素子1,1a,1bは、p-n接合を逆バイアスにする必要があるため、直流のみで駆動できる。
【００５１】
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えばn+電極2,2a,2b及びp+電極4,4a,4bをn-電極及びp-電極としてもよい。
【００５２】
（２‐２）第２の実施の形態
図２Ａにおいて、11は、第２の実施の形態による発光素子を示しており、上述した第１の実施の形態と同様に、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］以上の発光材料を用いたときの発光素子を示す。この発光素子11は、p+エミッター12とn-ベース13とp+コレクター14とを備えたバイポーラトランジスタ構造を有しており、例えばp+コレクター14が、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料により形成され、p+コレクター14が発光層となり得る。
【００５３】
ここで、上述した第１の実施の形態による発光素子1（図１Ａ）において発光強度を増加させる場合には、発光素子1に供給する電流を増やす必要があることから、発光素子1に印加する電圧についても増やす必要がある。しなしながら、発光素子1に印加する電圧を増やし過ぎると、中間層3に形成される空乏層が絶縁破壊されてしまう虞がある。
【００５４】
これに対して、第２の実施の形態による発光素子11は、バイポーラトランジスタ構造でなることから、空乏層となるn-ベース13の電界を増加させることなく、発光素子11に供給する電流だけを増加させることができるので、電流を増加させつつn-ベース13に形成される空乏層の絶縁破壊を防止し得る。
【００５５】
なお、この実施の形態においては、図２Ａに示すように、p-n-pのバイポーラトランジスタ構造でなる発光素子11について述べるが、本発明はこれに限らず、nとpを逆にしたn-p-nのバイポーラトランジスタ構造でなる発光素子としてもよい。この場合、例えば、n+エミッターとp-ベースとn+コレクターとを備えたバイポーラトランジスタ構造の発光素子となり、例えばn+コレクターを、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた構成とすることで、これらn+コレクターを発光層とし機能させ得る。
【００５６】
実際上、図２Ａに示す発光素子11は、直流電流を供給する電源15bがp+エミッター12及びp+コレクター14間に接続されており、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた、キャリア（正孔）濃度が1018[cm-3]以上の発光材料で形成したp+コレクター14を、発光させ得るようになされている。
【００５７】
なお、直流電源を用いてp+コレクター14のみを発光層として機能させる場合、p+エミッター12は、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に遷移金属又は希土類元素がドープされていない、キャリア（正孔）濃度が1018[cm-3]以上の通常のp+半導体により形成され得る。
【００５８】
n-ベース13は、p+エミッター12及びp+コレクター14よりも少なくとも１桁ドーピング濃度が低い通常のn型の半導体からなる。この場合、n-ベース13と+コレクター14との間には、電源15aによって正バイアスVBCが印加され得る。これにより、n-ベース13とp+コレクター14との間は、逆バイアスされていて、n-ベース13とp+コレクター14との間に高電界の空乏層が発生し得る。
【００５９】
また、n-ベース13のドーピング濃度がp+コレクター14よりも少なくても１桁以上低いので、空乏層がほとんどn-ベース13に広がる。一方、p+エミッター12及びp+コレクター14間には電源15bにより正バイアスVECが印加され得る。この際、電源15a,15bは、正バイアスVEC＞VBCに設定されていることによって、p+エミッター12及びn-ベース13間のp-n接合は順バイアスにされる。
【００６０】
図２Ｂは、電源15a,15bによってVEC＞VBCの正バイアスが印加されたときのバンド構造を示す。p+エミッター12及びn-ベース13間は順バイアスになっているため、p+エミッター12からn-ベース13の拡散層に大量の正孔HOを注入できる（図２Ｂ中、（i））。n-ベース13に注入された正孔HOのほとんどはn-ベース13及びp+コレクター14の空乏層まで拡散する。空乏層に拡散した正孔HOは空乏層の高電界によって加速される（図２Ｂ中、（ii））。高エネルギーの正孔HOは、p+コレクター14に到達すると、p+コレクター14にドープされた遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図２Ｂ中、（iii））する。これによりp+コレクター14は、遷移金属又は希土類元素の電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)発光し得る（図２Ｂ中、（iV））。
【００６１】
以上の構成において、第２の実施の形態による発光素子11では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている発光材料をp+コレクター14に用いるようにした。
【００６２】
実際上、この発光素子11では、キャリア濃度が1018［cm-3］以上でなる発光材料によりp+コレクター14を形成しても、ドーピング濃度が発光材料（p+エミッター12及びp+コレクター14）より一桁以上少ないn-ベース13を加速層としてp+コレクター14に隣接するように設けたことで、n-ベース13によって高電界でキャリア（正孔HO）を加速させ、発光材料でなるp+コレクター14に到達したキャリアによって当該p+コレクター14内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して可視光領域で発光させることができる。
【００６３】
また、この発光素子11では、バイポーラトランジスタ構造でなることから、p+エミッター12からn-ベース13に大量の正孔HOを注入でき、上述した第１の実施の形態による発光素子1と比べて、より多くの正孔HOをp+コレクター14に注入することができる。さらに、この発光素子11では、n-ベース13及びp+コレクター14間のVBCを固定したまま、p+エミッター12及びp+コレクター14間のVECを増加させることで、n-ベース13及びp+コレクター14間の空乏層の電界を増やすことなく、電流を増やすことができ、かくして空乏層の絶縁破壊を防止しつつ発光強度を増加し得る。
【００６４】
なお、上述した実施の形態における発光素子11は、３端子駆動する構成について説明したが、本発明はこれに限らず、同じ発光素子11の構造でも２端子駆動させることができる。実際上、この場合には、n-ベース13及びp+コレクター14間のVBCをオープンにして、p+エミッター12及びp+コレクター14間にVECを印加しても、３端子駆動と同様にp+エミッター12及びp+コレクター14を可視光領域で発光させることができる。
【００６５】
この際、p+エミッター12及びn-ベース13が順バイアスされるのに対して、n-ベース13及びp+コレクター14は逆バイアスされているため、電圧降下がほとんどn-ベース13及びp+コレクター14間に起こっている。従って、２端子駆動の発光素子では、p+エミッター12及びp+コレクター14間にVECを印加することで、自動的にn-ベース13及びp+コレクター14間にVBCが印加されるようになる。また、n-ベース13及びp+コレクター14間のVBCをオープンにしても、n-ベース13の電位が浮いているため、p+エミッター12及びn-ベース13間は、ある程度順バイアスされている。なお、p+エミッター12及びp+コレクター14間のVECをある程度大きくすると、コレクター電流がVECに対して、指数的に増えるので、電流が増加しても電圧があまり増加しない。このような２端子駆動とすることにより、発光素子の回路構成を簡単化できる。
【００６６】
以上のように、バイポーラトランジスタ構造の発光素子を３端子又は２端子で駆動させる場合、n-ベース13及びp+コレクター14間の空乏層の電界をあまり増加させずに、電流を増やすことができ、電流マージンを多くとることができる。
【００６７】
また、上述した実施の形態においては、p+コレクター14を本発明の発光材料にて形成し、直流電流を用いてp+コレクター14を発光させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、p+コレクター14だけでなく、p+エミッター12も本発明による発光材料にて形成し、交流電流を用いてp+エミッター12及びp+コレクター14を発光させるようにしてもよい。
【００６８】
さらに、複数の発光素子11を直列に連接するようにしてよい。ここで、図２Ｃは、上述した発光素子11と同一構成を有したバイポーラトランジスタ構造でなる複数の発光素子11a,11b,…を直列に連接させた発光デバイス17を示す。図２Ｃに示すように、この発光デバイス17では、例えばp+エミッター12aとn-ベース13aとp+コレクター14aとでなるバイポーラトランジスタ構造の発光素子11aと、p+エミッター12bとn-ベース13bとp+コレクター14bとでなるバイポーラトランジスタ構造の発光素子11bとを有しており、発光素子11aのp+コレクター14aと、発光素子11bのp+エミッター12bとが連接している。
【００６９】
この実施の形態の場合、これら発光素子11a,11bは、例えばp+コレクター14a,14bが、400［℃］未満で結晶成長させたｍIII-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料により形成されており、上述した実施の形態と同様の原理により、各n-ベース13a,13b毎に高電界でキャリア（正孔HO）を加速させ、発光材料でなるp+コレクター14a,14bに到達させたキャリアによって当該p+コレクター14a,14b内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して可視光領域で発光させる。
【００７０】
これにより、発光デバイス17では、各p+コレクター14a,14bを発光層として発光させることができ、複数の箇所を同時に発光させることで発光強度を向上し得る。なお、この場合、発光デバイス17は、全体に印加すべきバイアスが各発光素子11a,11b,…の発光に必要なバイアスの総和となる。因みに、発光デバイス17は、p+エミッター12a,12bを通常の半導体とし、直流の電源を用いることでp+コレクター14a,14bを可視光領域で発光させることができる。
【００７１】
（３）III-V族半導体又はIV族半導体に遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］未満の発光材料について
IV族半導体のうち例えばSiに遷移金属であるMnやFeをドープしたSi:MnやSi:Feからなる発光材料は、キャリア（電子）濃度が1016〜1017［cm-3］と低い場合がある。その時には以下の第３の実施の形態及び第４の実施の形態による発光素子の構成を採用することができる。以下、第３の実施の形態及び第４の実施の形態について順番に説明する。
【００７２】
（３‐１）第３の実施の形態
図３Ａにおいて、21は、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］未満の発光材料を用いたときの発光素子を示す。この発光素子21は、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料からなる中間層23と、n+電極22と、p+電極24とで構成されており、n+電極22、中間層23及びp+電極24の順に連接したp-n接合構造を有している。
【００７３】
この場合、n+電極22及びp+電極24は、中間層23よりも少なくとも一桁高いドーピング濃度を持った半導体である。実際上、この発光素子21は、例えばSiにSbをドープしたSi:Sbからなるn+電極22と、本発明の発光材料として400［℃］未満で結晶成長させたIV族半導体のSiに遷移金属としてMnをドープしたn-Si:Mnからなる中間層23と、SiにBをドープしたSi:Bからなるp+電極24とを適用できる。
【００７４】
発光素子21には、n+電極22及びp+電極24間に電源25が設けられており、当該電源25によってn+電極22がp+電極24に対して正の電圧となっており、p-n接合構造の発光素子21に対して逆バイアスで電圧を印加し得るようになされている。中間層23のキャリア濃度がn+電極22及びp+電極24と比べて、少なくとも一桁以上キャリア濃度が低いため、中間層23のほとんどに空乏層が広がる。なお、中間層23の幅を、発光するときの空乏層幅よりも広く設定する。
【００７５】
ここで、図３Ｂは、n-型の半導体でなる中間層23のバンド構造を示す。図３Ｂに示すように、電子ELがp+電極24から空乏層を含む中間層23に注入（図２Ｂ中、（i））されるとともに、正孔HOがn+電極22から空乏層を含む中間層23に注入（図２Ｂ中、（i））される。中間層23に注入された電子EL及び正孔HOが空乏層の高電界によって加速（図２Ｂ中、（ii））される。
【００７６】
高エネルギーになった電子ELと正孔HOは空乏層内にある遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図２Ｂ中、（iii））し、遷移金属又は希土類元素の電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)発光し得る（図２Ｂ中、（iV））。発光素子21は、この過程（図２Ｂ中、（i）〜（iV））が何度も繰り返され、空乏層となっている中間層23が発光し得る。最後に空乏層たる中間層23を通過した電子ELや正孔HOは中間層23の中性領域にいる遷移金属又は希土類元素の電子も励起して発光させ得る。
【００７７】
例えば、Si:Sbからなるn+電極22と、n-Si:Mnからなる中間層23と、Si:Bからなるp+電極24とからなる発光素子21では、中間層23においてMnの電子が励起し、当該Mnの電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに発光し、中間層23が加速層及び発光層となり得る。
【００７８】
以上の構成において、第３の実施の形態による発光素子21では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている発光材料を中間層23に用いるようにした。
【００７９】
実際上、この発光素子21では、キャリア濃度が1018［cm-3］未満でなる発光材料により中間層23を形成しても、ドーピング濃度が中間層23よりも一桁以上高いn+電極22及びp+電極24を中間層23に隣接するように設けたことにより、中間層23によって高電界でキャリア（正孔HO及び電子EL）を加速させるとともに、加速させたキャリアによって中間層23内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して可視光領域で発光させることができる。
【００８０】
このような発光素子21では、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子と同様に、母体材料を変えることなく、ドーピングする遷移金属又は希土類元素の種類を変えるだけで、様々な波長（色）を有した光を発することができ、また、発光が間接遷移半導体でも可能であり、さらに、固体素子であるため、バンド間遷移による発光を利用した発光素子と同じく数万時間と長い寿命なり得、従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持し得る。
【００８１】
また、この発光素子21では、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。
【００８２】
ここで、図３Ｃは、上述した発光素子21と同一構成を有した複数の発光素子21a,21b,…を直列に連接させた発光デバイス27を示す。図３Ｃに示すように、この発光デバイス27では、例えば発光素子21aがn+電極22a、中間層23a及びp+電極24aの順に連接した構成を有し、発光素子21bもn+電極22b、中間層23b及びp+電極24bの順に連接した構成を有しており、発光素子21aのp+電極24aと、発光素子21bのn+電極22bとが連接している。
【００８３】
この実施の形態の場合、これら発光素子21a,21bは、中間層23a,23bが、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料により形成されており、上述した実施の形態と同様の原理により、各中間層23a,23b毎に高電界でキャリア（正孔HO及び電子EL）を加速させるとともに、これら中間層23a,23ｂ内でキャリアにより遷移金属又は希土類元素の電子を励起して発光させる。これにより、発光デバイス27では、各中間層23a,23b内で加速したキャリアが、各中間層23a,23b内で遷移金属又は希土類元素の電子を励起して発光させることから、加速層及び発光層として各中間層23a,23bが機能し、複数の箇所を同時に発光させることで発光強度を向上し得る。
【００８４】
なお、この場合、発光デバイス27は、全体に印加すべきバイアスが各発光素子21a,21b,…の発光に必要なバイアスの総和となる。因みに、この発光素子21,21a,21bは、p-n接合を逆バイアスにする必要があるため、直流のみで駆動できる。
【００８５】
そして、このような発光デバイス27でも、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子の利点を維持し得るとともに、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、全体として従来よりもコスト低減を図り得る。
【００８６】
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えばn+電極22,22a,22b及びp+電極24,24a,24bを、ドーピング濃度が低いn-電極及びp-電極としてもよい。
【００８７】
他の実施の形態としては、発光素子21,21a,21bにおいて、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープさせた、キャリア濃度が1018［cm-3］以上の発光材料でn+電極22,22a,22b及びp+電極24,24a,24bを形成してもよい。この場合、上述した第１の実施の形態と同様の原理により、中間層23,23a,23bにて高電界で加速させたキャリア（正孔HO及び電子EL）のうち、中間層23,23a,23bを通過してn+電極22,22a,22b及びp+電極24,24a,24bまで到達した高エネルギーのキャリアが、当該n+電極22,22a,22b内及びp+電極24,24a,24b内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起し得、n+電極22,22a,22b及びp+電極24,24a,24bを可視光領域で発光させることができる。これにより、この発光デバイスでは、中間層23,23a,23bだけでなく、第１の実施の形態と同様に、各n+電極22,22a,22b及びp+電極24,24a,24bも発光層として発光させることができ、その分、発光強度を向上し得る。
【００８８】
（３‐２）第４の実施の形態
図４Ａにおいて、31は、第４の実施の形態による発光素子を示しており、上述した第３の実施の形態と同様に、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料のうち、キャリア濃度が1018［cm-3］未満の発光材料を用いたときの発光素子を示す。この発光素子31は、p+エミッター32とn-ベース33とp+コレクター34とを備えたバイポーラトランジスタ構造を有しており、n-ベース33が、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料により形成され発光層となり得る。
【００８９】
ここで、上述した第３の実施の形態による発光素子21（図３Ａ）において発光強度を増加させる場合には、発光素子21に供給する電流を増やす必要があることから、発光素子21に印加する電圧を増やす必要がある。しなしながら、発光素子21に印加する電圧を増やし過ぎると、中間層23に形成される空乏層が絶縁破壊されてしまう虞がある。
【００９０】
これに対して、第４の実施の形態による発光素子31は、バイポーラトランジスタ構造でなることから、空乏層となるn-ベース33の電界を増加させることなく、発光素子31に供給する電流だけを増加させることができるので、電流を増加させつつn-ベース33に形成される空乏層の絶縁破壊を防止し得る。
【００９１】
なお、この実施の形態においては、図４Ａに示すように、p-n-pのバイポーラトランジスタ構造でなる発光素子31について述べるが、本発明はこれに限らず、nとpを逆にしたn-p-nのバイポーラトランジスタ構造でなる発光素子としてもよい。この場合、例えば、n+エミッターとp-ベースとn+コレクターとを備えたバイポーラトランジスタ構造の発光素子となり、p-ベースを、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料により形成することで、p-ベースが発光層となり得る。
【００９２】
実際上、図４Ａに示す発光素子31は、直流電流を供給する電源35bがp+エミッター32及びp+コレクター34間に接続されており、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた、キャリア（正孔）濃度が1018[cm-3]未満の発光材料で形成したn-ベース33を発光させ得るようになされている。発光素子31は、p+エミッター32及びp+コレクター34のドーピング濃度がn-ベース33よりも少なくとも１桁高くなっており、電源35aによりn-ベース33及びp+コレクター34間に対して正バイアスVBCが印加され得る。
【００９３】
従って、n-ベース33及びp+コレクター34間は逆バイアスされていて、n-ベース33及びp+コレクター34間に高電界の空乏層が発生する。この場合、n-ベース33のドーピング濃度がp+コレクター34よりも少なくても１桁以上低いので、空乏層がほとんどn-ベース33に広がる。一方、p+エミッター32及びp+コレクター34間には、電源35bによって正バイアスVECが印加され得る。この際、電源35a,35bは、正バイアスVEC＞VBCに設定されていることによって、p+エミッター32及びn-ベース33間のp-n接合は順バイアスにされ得る。
【００９４】
図４Ｂは、電源35a,35bによってVEC＞VBCの正バイアスが印加されたときのバンド構造を示す。p+エミッター32及びn-ベース33間は順バイアスされているため、p+エミッター32からn-ベース33に大量の正孔HOを注入できる（図４Ｂ中、（i））。n-ベース33に注入された正孔HOのほとんどはn-ベース33及びp+コレクター34間の空乏層まで拡散する。n-ベース33の空乏層に拡散した正孔HOは空乏層の高電界によって加速される（図４Ｂ中、（ii））。高いエネルギーの正孔HOは空乏層中にある遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図４Ｂ中、（iii））し、遷移金属又は希土類元素の電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)発光し得る（図４Ｂ中、（iV））。
【００９５】
以上の構成において、第４の実施の形態による発光素子31では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている発光材料をn-ベース33に用いるようにした。
【００９６】
実際上、この発光素子31では、キャリア濃度が1018［cm-3］未満でなる発光材料によりn-ベース33を形成しても、ドーピング濃度が発光材料でなるn-ベース33より一桁以上高いp+エミッター32及びp+コレクター34を設けたバイポーラトランジスタ構造とすることにより、n-ベース33が加速層及び発光層として機能し得、n-ベース33内において高電界でキャリア（正孔HO）を加速させ、当該n-ベース33内でキャリアにより遷移金属又は希土類元素の電子を励起して、可視光領域で発光させることができる。
【００９７】
また、この発光素子31では、バイポーラトランジスタ構造でなることから、上述した第３の実施の形態による発光素子21と比べて、より多くの正孔HOをn-ベース33内の空乏層に注入することができる。さらに、この発光素子31では、n-ベース33及びp+コレクター34間のVBCを固定したまま、p+エミッター32及びp+コレクター34間のVECを増加させることで、n-ベース33及びp+コレクター34間の空乏層の電界を増やすことなく、電流を増やすことができ、かくして空乏層の絶縁破壊を防止しつつ発光強度を増加し得る。
【００９８】
なお、上述した実施の形態における発光素子31は、３端子駆動する構成について説明したが、本発明はこれに限らず、同じ発光素子の構造でも２端子駆動させることができる。実際上、この場合には、n-ベース33及びp+コレクター34間のVBCをオープンにして、p+エミッター32及びp+コレクター34間にVECを印加しても、３端子駆動と同様にp+エミッター32及びp+コレクター34を、可視光領域で発光させることができる。
【００９９】
この際、p+エミッター32及びn-ベース33が順バイアスされるのに対して、n-ベース33及びp+コレクター34は逆バイアスされているため、電圧降下がほとんどn-ベース33及びp+コレクター34間に起こっている。従って、２端子駆動の発光素子では、p+エミッター32及びp+コレクター34間にVECを印加することで、自動的にn-ベース33及びp+コレクター34間にVBCが印加されるようになる。また、n-ベース33及びp+コレクター34間のVBCをオープンにしても、n-ベース33の電位が浮いているため、p+エミッター32及びn-ベース33間は、ある程度順バイアスされている。なお、p+エミッター32及びp+コレクター34間のVECをある程度大きくすると、コレクター電流がVECに対して、指数的に増えるので、電流が増加しても電圧があまり増加しない。このようにn-ベース33をオープンにしている場合には、VECの電源の替わりにエミッタコレクタ電流IECを電流源として利用でき、２端子駆動で発光素子の回路構成を簡単化できる。
【０１００】
以上のように、バイポーラトランジスタ構造の発光素子を３端子又は２端子で駆動させる場合、n-ベース33及びp+コレクター34間の空乏層の電界をあまり増加させずに、電流を増やすことができ、電流マージンを多くとることができる。
【０１０１】
ここで、図４Ｃは、上述した発光素子31と同一構成を有したバイポーラトランジスタ構造でなる複数の発光素子31a,31b,…を直列に連接させた発光デバイス37を示す。図４Ｃに示すように、この発光デバイス37では、例えばp+エミッター32aとn-ベース33aとp+コレクター34aとでなるバイポーラトランジスタ構造の発光素子31aと、p+エミッター32bとn-ベース33bとp+コレクター34bとでなるバイポーラトランジスタ構造の発光素子31bとを有しており、発光素子31aのp+コレクター34aと、発光素子31bのp+エミッター32bとが連接している。
【０１０２】
この実施の形態の場合、これら発光素子31a,31bは、n-ベース33a,33bが、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料（キャリア濃度が1018［cm-3］未満）により形成されており、上述した実施の形態と同様の原理により、各n-ベース33a,33b毎に高電界でキャリア（正孔HO）を加速させ、n-ベース33a,33b内でキャリアにより遷移金属又は希土類元素の電子を励起して発光させ得る。これにより、発光デバイス37では、各n-ベース33a,33bをそれぞれ発光層として可視光領域で発光させることができ、複数の箇所を同時に発光し得る分、発光強度を向上し得る。なお、この場合、発光デバイス37は、全体に印加すべきバイアスが各発光素子31a,31b,…の発光に必要なバイアスの総和となる。
【０１０３】
他の実施の形態としては、発光素子31,31a,31bにおいて、n-ベース33,33a,33bに加えて、p+コレクター34,34a,34bについて、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に遷移金属又は希土類元素をドープさせた、キャリア濃度が1018［cm-3］以上の発光材料により形成してもよい。この場合、上述した第２の実施の形態と同様の原理により、n-ベース33,33a,33bにて高電界で加速させたキャリア（正孔HO）のうち、n-ベース33,33a,33bを通過して、例えばp+コレクター34,34a,34bまで到達した高エネルギーのキャリアが、当該p+コレクター34,34a,34b内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起し得、p+コレクター34,34a,34bを可視光領域で発光させることができる。これにより、この発光デバイスでは、n-ベース33,33a,33bだけでなく、第１の実施の形態と同様に、p+コレクター34,34a,34bも発光層として発光させることができ、その分、発光強度を向上し得る。
【０１０４】
なお、発光素子31,31a,31bでは、交流の電源を用いても、上述した実施の形態と同様の原理により、n-ベース33,33a,33b毎に高電界でキャリア（正孔HO）を加速させ、n-ベース33,33a,33b内でキャリアにより遷移金属又は希土類元素の電子を励起して発光させ得る。
【０１０５】
（４）トンネル接合による高速キャリア注入を利用した発光素子について
図５Ａにおいて、41は、発光材料のキャリア濃度に依存せずに本発明の発光材料を用いることができる第５の実施の形態による発光素子を示す。この発光素子41は、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料により形成された半導体電極42,44を備えており、これら半導体電極42,44間にトンネル障壁43が設けられた構成を有する。このような発光素子41は、半導体電極42,44を形成する発光材料として、キャリア濃度が1018［cm-3］以上及び1018［cm-3］未満のいずれの発光材料についても用いることができる。
【０１０６】
発光素子41は、トンネル接合構造からなり、n型又はp型の発光材料からなる半導体電極42と、半導体からなるトンネル障壁43と、n型又はp型の発光材料からなる半導体電極44とを備えた三層構造からなり、半導体電極42、トンネル障壁43及び半導体電極44の順に連接している。
【０１０７】
因みに、図５Ａに示す実施の形態においては、一方の半導体電極42及び他方の半導体電極44の両方を、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料により形成した場合について述べるが、本発明はこれに限らず、半導体電極42及び半導体電極44のうちいずれか一方のみを、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料により形成してもよい。
【０１０８】
具体的に、一方の半導体電極44だけを、400［℃］未満で結晶成長させたIII-V族半導体に遷移金属をドープした発光材料により形成した発光素子としては、例えば一方の半導体電極44を本発明の発光材料たるp+GaAs:Mnにより形成し、他方の半導体電極42をp+GaAs:Beにより形成し、トンネル障壁43をAl0.7Ga0.3Asにより形成した発光素子がある。この場合、発光素子41には、半導体電極42,44間に設けられた電源45により電流が供給されることにより、本発明の発光材料（p+GaAs:Mn）により形成された半導体電極44のみが発光し得る。
【０１０９】
なお、その他の例としては、一方の半導体電極44だけを、400［℃］未満で結晶成長させたIV族半導体に遷移金属をドープした発光材料により形成した発光素子として、例えば一方の半導体電極44を本発明の発光材料たるn-Si:Mnにより形成し、他方の半導体電極42をn-Si:Sbにより形成し、トンネル障壁43をCaFにより形成した発光素子がある。この場合も、発光素子41は、半導体電極42,44間に設けられた電源45により電流が供給されることにより、本発明の発光材料（n-Si:Mn）により形成された半導体電極44のみが発光し得る。
【０１１０】
ここで、図５Ｂは、トンネル接合構造でなる発光素子41にバイアスを印加したときのバンド構造を示す。なお、図５Ａ及び図５Ｂは、半導体電極42,44が両方ともp+半導体の発光材料を適用した場合について説明しているがn+半導体等の発光材料を用いても同様の原理で動作させることができる。
【０１１１】
この場合、電界のほとんどはバンドギャップが大きいトンネル障壁43にかかっている。高電界によって、トンネル障壁43の幅が狭くなり、電子ELが陰極である半導体電極44からトンネル障壁43の伝導帯にトンネルするとともに、正孔HOが陽極である半導体電極42からトンネル障壁43の価電子帯にトンネルする（図５Ｂ中、（i））。トンネル障壁43中の高電界によって、電子ELや正孔HOが加速される（図５Ｂ中、（ii））。高エネルギーになった電子ELと正孔HOとが、それぞれ半導体電極42,44に到着した際に、半導体電極42,44内にある遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図５Ｂ中、（iii））し、遷移金属又は希土類元素の電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)発光し得る（図５Ｂ中、（iv））。
【０１１２】
以上の構成において、第５の実施の形態による発光素子41では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている発光材料を半導体電極42,44に用いるようにした。
【０１１３】
実際上、この発光素子41では、キャリア濃度が1018［cm-3］以上及び1018［cm-3］未満のいずれの発光材料を用いることができ、当該発光材料でなる半導体電極42,44間に加速層となるトンネル障壁43を設けたことにより、トンネル障壁43によって高電界でキャリア（正孔HO及び電子EL）を加速させ、発光材料でなる半導体電極42,44に到達したキャリアによって当該半導体電極42,44内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して、可視光領域で発光させることができる。
【０１１４】
このような発光素子41でも、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子と同様に、母体材料を変えることなく、ドーピングする遷移金属又は希土類元素の種類を変えるだけで、様々な波長（色）を有した光を発することができ、また、発光が間接遷移半導体でも可能であり、さらに、固体素子であるため、バンド間遷移による発光を利用した発光素子と同じく数万時間と長い寿命なり得、従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持し得る。
【０１１５】
また、この発光素子41では、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。
【０１１６】
ここで、図５Ｃは、上述した発光素子41と同一構成を有した複数の発光素子41a,41b,…を直列に連接させた発光デバイス47を示す。図５Ｃに示すように、この発光デバイス47では、例えば半導体電極42a、トンネル障壁43a及び半導体電極44aの順に連接した発光素子41aと、同じく半導体電極42b、トンネル障壁43b及び半導体電極44bの順に連接した発光素子41bとを有しており、発光素子41aの他方の半導体電極44aと、発光素子41bの一方の半導体電極42bとが連接している。
【０１１７】
この実施の形態の場合、これら発光素子41a,41bは、半導体電極42a,42b及び半導体電極44a,44bが、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に、遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料からなり、上述した実施の形態と同様の原理により、各トンネル障壁43a,43bにて高電界でキャリア（正孔HO及び電子EL）を加速させ、発光材料でなる半導体電極42a,42b及び半導体電極44a,44bに到達したキャリアによって、当該半導体電極42a,42b内及び半導体電極44a,44b内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して、可視光領域で発光させる。これにより、発光デバイス47では、半導体電極42a,42b及び半導体電極44a,44bを発光層として発光させることができ、複数の箇所を同時に発光させることで発光強度を向上し得る。なお、発光デバイス47は、全体に印加すべきバイアスが各発光素子41a,41b,…の発光に必要なバイアスの総和となる。
【０１１８】
そして、このような発光デバイス47でも、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子の利点を維持し得るとともに、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。
【０１１９】
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば交流の電源を用いることもできるので、駆動電圧を調整することにより交流の商用電源をそのまま利用することができる。この場合、交流電流から直流電流への変換回路も不要となり、その分、回路構成の簡略化及びコスト低減を図ることができる。
【０１２０】
また、この実施の形態による発光素子としては、半導体電極42,42a,42b及び半導体電極44,44a,44bのいずれか一方だけを、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料としてもよい。
【０１２１】
（５）MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造を用いたトンネル接合による高速キャリア注入を利用した発光素子について
図６Ａにおいて、51は、発光材料のキャリア濃度に依存せずに本発明の発光材料を用いることができる第６の実施の形態による発光素子を示す。この発光素子51は、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体でなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素をドープした発光材料により形成された半導体電極52と、絶縁層53と、金属電極54とを備えており、半導体電極52、絶縁層53及び金属電極54の順に連接した三層構造のトンネル接合構造を有している。このような発光素子51は、半導体電極52を形成する発光材料として、キャリア濃度が1018［cm-3］以上及び1018［cm-3］未満のいずれの発光材料についても用いることができる。
【０１２２】
この実施の形態の場合、発光素子51は、例えば400［℃］未満で結晶成長させたIII-V族半導体であるp+GaAsに遷移金属であるMnをドープしたp+GaAs:Mnからなる半導体電極52と、GaOxからなる絶縁層と、Alからなる金属電極とを適用することができる。また、他の実施の形態としては、例えば400［℃］未満で結晶成長させたIV族半導体であるn-Siに遷移金属であるMnをドープしたn-Si:Mnからなる半導体電極52と、SiO2からなる絶縁層と、Alからなる金属電極とを適用することができる。この場合、発光素子51には、半導体電極52及び金属電極54間に設けられた電源55により電流が供給されることにより、本発明の発光材料（p+GaAs:Mn、又はn-Si:Mn）により形成された半導体電極52のみが可視光領域で発光し得る。
【０１２３】
図６Ｂは、トンネル接合構造の発光素子51にバイアスを印加した時のバンド構造を示す。なお、図６Ｂでは、n-型の半導体電極52を適用した場合について述べるが、p+型等その他種々の半導体電極52であっても同様な原理で動作させることができる。この場合、半導体電極52及び金属電極54間には電源55が設けられ、半導体電極52から金属電極54に電流が供給される。この際、発光素子51では、電界のほとんどが絶縁層53にかかっている。高電界によって、絶縁層53におけるトンネル障壁の幅が狭くなり、電子EL（図６Ｂ中、（i））が金属電極54から絶縁層53のトンネル障壁をトンネルして、半導体電極52の伝導帯に入ってくる（図６Ｂ中、（ii））。トンネル障壁をトンネルした電子ELが高エネルギーを持つため、半導体電極52内にある遷移金属又は希土類元素の電子を励起（図６Ｂ中、（iii））し、遷移金属又は希土類元素の電子が励起軌道から基底軌道に戻るときに(d-d遷移、又はf-f遷移)発光し得る（図６Ｂ中、（iV））。
【０１２４】
以上の構成において、第６の実施の形態による発光素子51では、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体からなる母体材料に、体積中0.1［％］以上10［％］以下のドーピング濃度で遷移金属又は希土類元素がドーピングされている発光材料を半導体電極52に用いるようにした。
【０１２５】
実際上、この発光素子51では、キャリア濃度が1018［cm-3］以上及び1018［cm-3］未満のいずれの発光材料も用いることができ、当該発光材料でなる半導体電極52に連接するように加速層として絶縁層53を設けるとともに、当該絶縁層53と連接するように金属電極54を設けるようにした。これにより、発光素子51では、絶縁層53にてトンネル障壁により高電界でキャリアを加速させ、発光材料でなる半導体電極52に到達したキャリアによって当該半導体電極52内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して、可視光領域で発光させることができる。
【０１２６】
このような発光素子51でも、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子と同様に、母体材料を変えることなく、ドーピングする遷移金属又は希土類元素の種類を変えるだけで、様々な波長（色）を有した光を発することができ、また、発光が間接遷移半導体でも可能であり、さらに、固体素子であるため、バンド間遷移による発光を利用した発光素子と同じく数万時間と長い寿命なり得、従来の原子軌道間遷移を利用した発光材料の利点を維持し得る。
【０１２７】
また、この発光素子51では、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。
【０１２８】
ここで、図６Ｃは、上述した発光素子51と同一構成を有した複数の発光素子51a,51b,…を直列に連接させた発光デバイス57を示す。図６Ｃに示すように、この発光デバイス57では、例えば半導体電極52a、絶縁層53a及び金属電極54aの順に連接した発光素子51aと、半導体電極52b、絶縁層53b及び金属電極54bの順に連接した発光素子51bとを有しており、発光素子51aの金属電極54aと、発光素子51bの半導体電極52bとが連接している。
【０１２９】
この実施の形態の場合、これら発光素子51a,51bは、半導体電極52a,52bが、400［℃］未満で結晶成長させた、III-V族半導体又はIV族半導体の母体材料に、遷移金属又は希土類元素がドープされた発光材料からなり、上述した実施の形態と同様の原理により、各絶縁層53a,53bにおけるトンネル障壁にて高電界でキャリア（電子EL）を加速させ、発光材料でなる半導体電極52a,52bに到達したキャリアが当該半導体電極52a,52b内の遷移金属又は希土類元素の電子を励起して発光させる。これにより、発光デバイス57では、半導体電極52a,52bを発光層として可視光領域で発光させることができ、複数の箇所を同時に発光させることで発光強度を向上し得る。なおこの場合、発光デバイス57は、全体に印加すべきバイアスが各発光素子51a,51b,…の発光に必要なバイアスの総和となる。
【０１３０】
そして、このような発光デバイス57でも、従来の原子軌道間遷移による発光を利用した発光素子の利点を維持し得るとともに、バンド間遷移を利用した従来の発光材料として用いられているGaN等の窒化物半導体と比べて材料コストが格段的に低いIII-V族半導体又はIV族半導体を発光材料の母体材料として用いることができることから、従来よりもコスト低減を図り得る。
【０１３１】
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば半導体電極52のキャリア濃度が低い（1017［cm-3］以下）場合、絶縁層53を設けることなく、金属電極54と半導体電極52とを直接接続させて、金属電極54と半導体電極52との間に形成されるショットキー障壁を使用しても良い。
【０１３２】
(６)実施例
次に、図７に示すような本発明による発光素子61を製造して、各種検証試験を行った。ここで、発光素子61は、上述した「（４）トンネル接合による高速キャリア注入を利用した発光素子について」にて説明したトンネル接合型の発光ダイオードである。この発光素子61は、GaAsからなる基板62の上面の枠に沿って幅20[nm]のGaAs:Be (7×1018 cm-3)でなる電極65を設けるとともに、電極65と所定の隙間を設けて基板62上の中心にAl0.7Ga0.3Asでなる四辺状のトンネル障壁68を設けた。これに加えて、トンネル障壁68の上面には、400［℃］未満で結晶成長させたIII-V族半導体からなる母体材料に遷移金属をドープした発光材料として、GaAsにMnをドープしたGaAs:Mn(Mnドーピング濃度1［%］)からなる2［mm］×2［mm］の発光型半導体電極67を設けた。
【０１３３】
これら電極65と発光型半導体電極67との間に電源70を設け、電流電圧特性及び発光スペクトルについて調べたところ、図８及び図９に示すような結果が得らえた。図８では、約5［eV］から電流が急激に増えることが分かった。これはGaAs:Beでなる電極65から高エネルギーの電子がAl0.7Ga0.3Asでなるトンネル障壁68の伝導帯にトンネルするためである。
【０１３４】
図９は電圧6.3［V］を印加したときの発光スペクトルである。まず、1.40［eV］付近に大きいな発光ピークがあった。このピークはGaAs:Mnでなる発光型半導体電極67側の高エネルギー電子によって生成された電子・正孔のペアの再結合によるバンド間発光である。この発光は赤外領域であるため、目には見えなかった。それより高エネルギー側に1.92［eV］及び2.17［eV］を中心とした可視光発光が見られた。この発光はMnのd-d遷移による発光であり、目には赤く見えた。このように、従来では赤外しか発光しないGaAsでもMnのd-d遷移を利用することで、可視光領域で発光できたことを確認した。なお、d-d遷移の発光強度はバンド発光の1/10ほど大きい。これはSiの間接遷移の発光強度よりも約100〜1000倍強い。
【０１３５】
次に、n+Si / 50［nm］Si:Mn(Mnのドーピング濃度1.6［%］) / 50［nm］p+Si:B (p〜2×1019［cm-3］)の三層構造からなるp-n接合の発光素子に、逆バイアス(6.5［V］,0.43［A］)を印加したときの発光スペクトルを室温にて調べたところ、図１０に示すような結果が得られた。ここで、従来、Siは間接遷移のバンド構造を持つため、バンドギャップ発光(1.12［eV］,1110［nm］)しない。しかし、図１０から、本発明の発光材料を用いた発光素子は、空乏層中のSi:Mnのd-d遷移により可視光領域の光を発していることが確認できた。
【０１３６】
次に、n+Si / 50［nm］p+Si:Mn:B(Mnのドーピング濃度1.6［%］,p〜2×1019［cm-3］)のp-n接合でなる発光素子に逆バイアス(6.4［V］,0.245［A］)を印加したときの発光スペクトルを室温にて調べたところ、図１１に示すような結果が得られた。この発光素子ではMnがp-n接合の空乏層ではなく、p型電極にドープされているため、より高エネルギーの正孔を注入でき、図１０の結果を得た発光素子よりも半分ぐらいの電流で約10倍の発光強度を得ることができた。これは、空乏層を通過した正孔が高いエネルギーを持つため、効率よくMnの電子を励起できると考えられる。
【符号の説明】
【０１３７】
1、11、21、31、41、51、61  発光素子
2、22  n+電極（n型電極）
3、23  中間層
4、24  p+電極（p型電極）
7、17、27、37、47、57  発光デバイス
12、32  p+エミッター
13、33  n-ベース
14、34  p+コレクター
42、44、52  半導体電極
43  トンネル障壁
53  絶縁層
54  金属電極
【図１】
2015163693.tif 000003
【図２】
2015163693.tif 000004
【図３】
2015163693.tif 000005
【図４】
2015163693.tif 000006
【図５】
2015163693.tif 000007
【図６】
2015163693.tif 000008
【図７】
2015163693.tif 000009
【図８】
2015163693.tif 000010
【図９】
2015163693.tif 000011
【図１０】
2015163693.tif 000012
【図１１】
2015163693.tif 000013