(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１導電型の窒化物半導体もしくは第１導電型のダイヤモンドから構成された第１半導体層と、
ダイヤモンドから構成されて前記第１半導体層の上に接して形成された発光層と、
第２導電型の窒化物半導体から構成されて前記発光層の上に接して形成された第２半導体層と
を備え、
前記窒化物半導体は、Ｂを構成元素として含み、
Ｍｇ，Ｂｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｃａの少なくとも１つをアクセプタとし、
Ｓｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅの少なくとも１つをドナーとし、
前記窒化物半導体は、ウルツ鉱構造とされていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の発光素子において、
前記窒化物半導体は、バンドギャップエネルギーが５．５ｅＶ以上とされていることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の発光素子において、
前記発光層は、
ダイヤモンド格子中の炭素と置換して入った窒素と、この置換窒素に隣接する格子位置から炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶセンターを備え、
前記発光層におけるＮＶセンターの密度は、１０4〜１０9ｃｍ-2とされている
ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子において、
ダイヤモンドからなる層の接合面は、面方位が（１１１）とされ、
窒化物半導体からなる層のダイヤモンドからなる層との接合面は、面方位が（０００１）とされている
ことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンドを用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、５．５ｅＶの大きなバンドギャップエネルギーを有しており、発光波長２３５ｎｍの紫外域で発光することから、紫外発光デバイスへの応用が期待されている。また、ＮＶセンター（nitrogen-vacancy center）を有するダイヤモンドから構成した発光層を備える発光デバイスは、単一光子源として利用できる。なお、ＮＶセンターは、ダイヤモンド格子中の炭素と置換して入った窒素と、この置換窒素に隣接する格子位置から炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥である。
【０００３】
しかしながら、従来のｐ型ダイヤモンド、ダイヤモンド発光層（ｉ層）、ｎ型ダイヤモンドからなるｐ−ｉ−ｎ接合ダイヤモンド発光ダイオードの紫外発光およびＮＶセンターの発光強度と発光効率は低い。この低い発光強度と発光効率は、次のことに起因している。まず、第１に、ｐ型ダイヤモンドの正孔濃度とｎ型ダイヤモンドの電子濃度が低い。第２に、ダイヤモンド発光層への電子と正孔、すなわちキャリアの閉じ込めができないホモ接合構造である。第３に、高効率に光の取り出しができない素子構造である。
【０００４】
またこれまでは、発光層に十分な量のキャリアを供給するために大きな順方向電圧を印加する必要があり、低電圧動作ができなかった。
【０００５】
以下、現在報告されているダイヤモンド発光ダイオードについて説明する。現在、次に示す３つのダイヤモンド発光ダイオードが提案されている。
【０００６】
まず、ｎ型のダイヤモンド層とｐ型のダイヤモンド層とでアンドープのダイヤモンド層を挟んだ構造のダイヤモンド発光ダイオードがある（非特許文献１参照）。この発光ダイオードは、図９に示すように、ホウ素（Ｂ）をドープすることでｐ型としたｐ型ダイヤモンド層５０１と、アンドープのｉ型ダイヤモンドからなる発光層５０２と、リンをドープすることでｎ型としたｎ型ダイヤモンド層５０３とを備える。また、ｐ型ダイヤモンド層５０１にｐ電極５０４がオーミック接続し、ｎ型ダイヤモンド層５０３にはｎ電極５０５がオーミック接続している。ｐ型ダイヤモンド層５０１とｎ型ダイヤモンド層５０３から発光層５０２に注入されたキャリアが、発光再結合することによってダイヤモンド発光ダイオードは波長２３５ｎｍを中心とした紫外線発光を示す。
【０００７】
ところで、ダイヤモンドのアクセプタおよびドナーのイオン化エネルギーは大きいため、上述した発光においては、ｐ型ダイヤモンド層５０１およびｎ型ダイヤモンド層５０３に、高濃度にアクセプタおよびドナー不純物がドーピングされていることが必要となる。例えば、ｐ型ダイヤモンド層５０１の正孔濃度、およびｎ型ダイヤモンド層の電子濃度を１０15ｃｍ-3以上に高くするためには、アクセプタ濃度およびドナー濃度を１０18ｃｍ-3以上にする必要があるが、高濃度ドーピングに伴う結晶欠陥が発生しやすく、ダイヤモンドの結晶性が劣化する。この結晶性の劣化により発光効率は低下するため、上述したダイヤモンド発光ダイオードでは、正孔濃度および電子濃度を１０15ｃｍ-3以上に高くしても発光強度は増加しない。
【０００８】
また、ｐ型ダイヤモンド層５０１の正孔濃度およびｎ型ダイヤモンド層５０３の電子濃度が低いことにより素子抵抗が高くなり、上述したダイヤモンド発光ダイオードでは、波長２３５ｎｍの発光を得るために、２０Ｖ以上の大きな順方向電圧を印加する必要がある。さらに、上述した発光ダイオードは、ｐ−ｉ−ｎ接合が発光層にキャリアを閉じ込めることのできないホモ接合構造であり、発光再結合確率が低く、この点でも発光効率が悪い。また、上述したダイヤモンド発光ダイオードでは、発光層５０２で生じた光のほとんどが、ｐ電極５０４，ｎ電極５０５によって反射・吸収されており、効率的に光を取り出すことができない。
【０００９】
次に、ｐ型のダイヤモンド層とｎ型の窒化アルミニウム層とによるダイヤモンド発光ダイオードがある（非特許文献２参照）。この発光ダイオードは、図１０に示すように、Ｂをドープすることでｐ型としたｐ型ダイヤモンド層６０１と、シリコン（Ｓｉ）をドープすることでｎ型としたｎ型ＡｌＮ層６０２とを備える。また、ｐ型ダイヤモンド層６０１にｐ電極６０３がオーミック接続し、ｎ型ＡｌＮ層６０２にはｎ電極６０４がオーミック接続している。
【００１０】
このダイヤモンド発光ダイオードは、ｐ型ダイヤモンド層６０１が発光層の役割を兼ねている。ｎ型ＡｌＮ層６０２は、ｎ型ダイヤモンドよりもドナー不純物のイオン化エネルギーが小さいため、ｎ型ダイヤモンドを用いた場合と比べて、より高濃度の電子を発光層となるｐ型ダイヤモンド層６０１に供給することができる。
【００１１】
しかしその一方、ＡｌＮとダイヤモンドの格子不整合が大きいため、ｐ型ダイヤモンド層６０１の上に成長したｎ型ＡｌＮ層６０２の結晶性が悪い。このため、結晶性が良く、発光強度・発光効率の高い上記構造のヘテロ接合ダイヤモンド発光ダイオードは、これまで作製されていない。
【００１２】
次に、ｎ型のダイヤモンド層とｐ型のダイヤモンド層とで、ＮＶセンターを有するダイヤモンド層を挟んだ構造のダイヤモンド発光ダイオードがある（非特許文献３参照）。この発光ダイオードは、図１１に示すように、Ｂをドープすることでｐ型としたｐ型ダイヤモンド層７０１と、ＮＶセンターを含むダイヤモンドからなる発光層７０２と、リンをドープすることでｎ型としたｎ型ダイヤモンド層７０３とを備える。ダイヤモンドに窒素をイオン注入した後、加熱処理をすることで、ＮＶセンターを形成することができる。また、ｐ型ダイヤモンド層７０１にｐ電極７０４がオーミック接続し、ｎ型ダイヤモンド層７０３にはｎ電極７０５がオーミック接続している。
【００１３】
しかし、非特許文献１の素子と同様に、ｐ型ダイヤモンド層７０１の正孔濃度が１×１０16ｃｍ-3以下、ｎ型ダイヤモンド層７０３の電子濃度が１×１０15ｃｍ-3以下と低いことに加えて、効率的な発光層７０２へのキャリアの閉じ込め、および発光層７０２からの効率的な光の取り出しができないため、ＮＶセンターを持つダイヤモンド発光ダイオードにおいても、発光強度と発光効率は低い。また、この構造では、発光層７０２に十分な量のキャリアを供給するためには、ｐ型ダイヤモンド層７０１およびｎ型ダイヤモンド層７０３に、３０Ｖ以上の大きな順方向電圧を印加する必要があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】T. Makino, K. Yoshino, N. Sakai, K. Uchida, S. Koizumi, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, K. Oyama, T. Matsumoto, H. Okushi, and S. Yamasaki, "Enhancement in emission efficiency of diamond deep-ultraviolet light emitting diode", Appl. Phys. Lett., vol.99, 061110, 2011.
【非特許文献２】K. Hirama, Y. Taniyasu, and M. Kasu, "Electroluminescence and capacitance-voltage characteristics of single-crystal n-type AlN （0001)/p-type diamond （111) heterojunction diodes", Appl. Phys. Lett., vol.98, 011908, 2011.
【非特許文献３】N. Mizuochi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, M. Nothaft, P. Neumann, A. Gali, F. Jelezko, J. Wrachtrup and S. Yamasaki, "Electrically driven single-photon source at room temperature in diamond", Nature Photonics, vol.6, pp.299-303,2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上に説明したように、従来のダイヤモンド発光素子は、発光強度および発光効率があまり高くできないという問題があった。
【００１６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ダイヤモンドから構成した発光層による発光素子の発光強度および発光効率を、より高くできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る発光素子は、基板の上に形成された第１導電型の窒化物半導体もしくは第１導電型のダイヤモンドから構成された第１半導体層と、ダイヤモンドから構成されて第１半導体層の上に接して形成された発光層と、第２導電型の窒化物半導体から構成されて発光層の上に接して形成された第２半導体層とを備える。
【００１８】
上記発光素子において、窒化物半導体は、バンドギャップエネルギーが５．５ｅＶ以上とされていればよい。
【００１９】
上記発光素子において、発光層は、ダイヤモンド格子中の炭素と置換して入った窒素と、この置換窒素に隣接する格子位置から炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶセンターを備え、発光層におけるＮＶセンターの密度は、１０4〜１０9ｃｍ-2とされていればよい。
【００２０】
上記発光素子において、窒化物半導体は、Ｂを構成元素として含み、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｃａの少なくとも１つをアクセプタとし、Ｓｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅの少なくとも１つをドナーとしている。
【００２１】
なお、窒化物半導体は、閃亜鉛鉱構造とされている場合もあり、第１半導体層、発光層、および第２半導体層の互いの接合面は、面方位が（００１），（１１０），（１１３），（１１１）のいずれかとされている場合もある。
【００２２】
上記発光素子において、窒化物半導体は、ウルツ鉱構造とされていている。この場合、ダイヤモンドからなる層の接合面は、面方位が（１１１）とされ、窒化物半導体からなる層のダイヤモンドからなる層との接合面は、面方位が（０００１）とされていればよい。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したことにより、本発明によれば、ダイヤモンドから構成した発光層による発光素子の発光強度および発光効率が、より高くできるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における発光素子の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態１における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態１における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態１における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態１における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における発光素子の構成を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態２における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態２における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態２における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の実施の形態２における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本発明の実施の形態２における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３における発光素子の構成を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明の実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、本発明の実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４における発光素子の構成を示す断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、本発明の実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、本発明の実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【図９】図９は、非特許文献１に示されたダイヤモンドを用いる発光ダイオードの構成を示す構成図である。
【図１０】図１０は、非特許文献２に示されたダイヤモンドを用いる発光ダイオードの構成を示す構成図である。
【図１１】図１１は、非特許文献３に示されたダイヤモンドを用いる発光ダイオードの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２６】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における発光素子の構成を示す断面図である。この発光素子は、基板１０１の上に形成された第１導電型の窒化物半導体から構成された第１半導体層１０２と、ダイヤモンドから構成されて第１半導体層１０２の上に接して形成された発光層１０３と、第２導電型の窒化物半導体から構成されて発光層１０３の上に接して形成された第２半導体層１０４とを備える。また、基板１０１に、第１電極１０５が接続し、第２半導体層１０４に、第２電極１０６が接続している。
【００２７】
基板１０１は、例えば、Ｂをドープすることでｐ型としたダイヤモンドから構成され、主表面の面方位が（００１）とされている。また、第１半導体層１０２は、例えば、アクセプタとしてマグネシウム（Ｍｇ）をドープすることでｐ型とした、閃亜鉛鉱構造の立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）から構成されている。また、第２半導体層１０４は、例えばドナーとしてＳｉをドープすることでｎ型とした、ｃ−ＢＮから構成されている。ｃ−ＢＮは、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶである。この場合、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型となる。
【００２８】
次に、実施の形態１における発光素子の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、実施の形態１における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【００２９】
まず、図２Ａに示すように、主表面の面方位を（００１）としたダイヤモンドからなる基板１２１を用意する。基板１２１は、Ｂがドープされたｐ型とされている。このように構成した基板１２１の上に、Ｍｇをドープしたｐ型ｃ−ＢＮ層１２２を形成する。例えば、イオンビームアシスト分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、ｐ型ｃ−ＢＮ層１２２を結晶成長させれば良い。アクセプタ濃度は１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、正孔濃度は、１×１０16ｃｍ-3となる。また、ｐ型ｃ−ＢＮ層１２２は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００３０】
次に、図２Ｂに示すように、ｐ型ｃ−ＢＮ層１２２の上に、ダイヤモンド層１２３を形成する。例えば、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法により、主表面の面方位を（００１）とした状態でアンドープのダイヤモンドを成膜すれば良い。原料ガスとして、メタンガス（３ｓｃｃｍ）と水素ガス（２９７ｓｃｃｍ）を用いれば良い。なお、ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ3流れることを示す。また、残留不純物濃度を減らすために、成長中に酸素ガス（０．３ｓｃｃｍ）を添加する。また、ダイヤモンド層１２３は、層厚１０００ｎｍ程度に成膜すれば良い。
【００３１】
次に、図２Ｃに示すように、ダイヤモンド層１２３の上に、Ｓｉをドープしたｎ型ｃ−ＢＮ層１２４を形成する。例えば、イオンビームアシストＭＢＥ法により、ｎ型ｃ−ＢＮ層１２４を結晶成長させれば良い。ドナー濃度は、１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、電子濃度は、１×１０16ｃｍ-3となる。また、ｎ型ｃ−ＢＮ層１２４は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００３２】
次に、上述したことにより積層したｐ型ｃ−ＢＮ層１２２，ダイヤモンド層１２３，ｎ型ｃ−ＢＮ層１２４をパターニングし、図２Ｄに示すように、素子部となるメサ構造の第１半導体層１０２，発光層１０３，第２半導体層１０４を形成する。例えば、公知のリソグラフィー技術により、素子部となる部分を覆うレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし、酸素ガスを用いたドライエッチング技術により、ｐ型ｃ−ＢＮ層１２２，ダイヤモンド層１２３，ｎ型ｃ−ＢＮ層１２４を選択的にエッチングすれば良い。このパターニングにより、上記素子部の側方においては、基板１２１の上面が露出する。
【００３３】
次に、図２Ｅに示すように、第１半導体層１０２，発光層１０３，第２半導体層１０４からなる素子部の側方に露出する基板１２１の表面に、オーミック接続する第１電極１２５を形成する。また、第２半導体層１０４の上面に、オーミック接続する第２電極１０６を形成する。例えば、電極形成領域に開口を有するリフトオフマスクを形成し、この上より、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉを電子線蒸着法により堆積する。次いで、リフトオフマスクを除去することで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕによる第１電極１２５，第２電極１０６を形成する（リフトオフ法）。この後、窒素雰囲気で７５０℃・１０分間の条件で加熱処理し、形成した第１電極１２５、第２電極１０６をオーミック接続した状態とする。
【００３４】
上述した実施の形態１における発光素子は、各電極を介した電流注入により、波長２３５ｎｍを中心とする紫外線発光を示した。第１半導体層１０２および第２半導体層１０４を構成するｃ−ＢＮは、ダイヤモンドよりも大きなバンドギャップエネルギーを有しているため、アンドープのダイヤモンドからなる発光層１０３にキャリアが閉じ込められるようになり、効率的に発光再結合が起こるようになる。
【００３５】
また、図２Ｅを用いて説明した発光素子では、発光層１０３で発生した光の一部は、発光層１０３の上部の第２電極１０６で反射・吸収されるが、発光層１０３の直下には電極がないため、効率的な光の取り出しが可能となる。さらに、窒化物半導体から構成した第１半導体層１０２および第２半導体層１０４は、キャリアの濃度を高くすることができる。このため、例えば、非特許文献１の素子に比較して、より低い動作電圧で動作可能となり、高い発光強度と発光効率が得られるようになる。
【００３６】
また、実施の形態１における発光素子では、第１半導体層１０２および第２半導体層１０４を構成するｃ−ＢＮと、発光層１０３を構成するダイヤモンドとの間の格子定数差が小さいので、結晶性の良いヘテロ接合が形成できる。この結果、実施の形態１の発光素子は、非特許文献２に示された発光ダイオードよりも、高い発光強度および高い発光効率が得られる。
【００３７】
ところで、図１を用いて説明した実施の形態１における基本的な構造の発光素子では、発光層１０３から見て基板側にも、第１電極１０５が形成され、ここにおいても反射・吸収が発生する構成となっている。この構成では、図２Ｅを用いて説明した発光素子に比較すると、発光強度は低下するが、非特許文献１のダイヤモンド発光ダイオードに比較すれば、より低い動作電圧で動作し、また、高い発光強度および高い発光効率が得られる。
【００３８】
なお、上述した実施の形態１では、第１半導体層１０２の正孔濃度を１×１０16ｃｍ-3とし、第２半導体層１０４の電子濃度を１×１０16ｃｍ-3としたが、これに限るものではない。各濃度が、１×１０14〜１×１０20ｃｍ-3の範囲であればよい。この濃度範囲では、正孔濃度および電子濃度が各々高いほど、高い発光強度と発光効率が得られる。また、動作電圧は、正孔濃度および電子濃度が各々高いほど低い。第１半導体層１０２の正孔濃度が１×１０16ｃｍ-3以上、かつ第２半導体層１０４の電子濃度が１×１０15ｃｍ-3以上の場合、非特許文献１のダイヤモンド発光ダイオードに比較して、より高い発光強度と発光効率、低い動作電圧動作が得られた。
【００３９】
なお、第１半導体層１０２，発光層１０３，第２半導体層１０４の、各接合面における面方位は、（００１），（１１０），（１１３），（１１１）のいずれかとされていれば良い。ただし、接合面における面方位を、（１１０）、（１１３）、（１１１）とした場合は、（００１）とした場合と比べて発光強度と発光効率が減少した。これは、（００１）以外の面方位では、閃亜鉛鉱構造の極性に由来する分極の影響により、ダイヤモンドからなる発光層１０３でのキャリアの再結合確率が減少するためと考えられる。
【００４０】
また、上述した実施の形態１では、窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＢＮ層を用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＡｌＢＮ、ｃ−ＧａＢＮ、ｃ−ＡｌＧａＢＮを用いた場合も、バンドギャップエネルギーが５．５ｅＶ以上となる組成を持つ場合は同様の結果が得られる。
【００４１】
また、窒化物半導体層としてウルツ鉱構造の六方晶ＢＮ、ＡｌＢＮ、ＧａＢＮ、ＡｌＧａＢＮを用いる場合は、発光層との接合面における面方位を（０００１）面とし、発光層においては、接合面における面方位を（１１１）面とすればよい。ただし、ウルツ鉱構造の極性に由来する分極の影響により、発光層でのキャリアの再結合確率が減少し、ウルツ鉱構造の窒化物半導体を用いた場合は、閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体層と比べて低い発光効率になるものと考えられる。
【００４２】
また、ここでは、窒化物半導体層のアクセプタとしてＭｇ、ドナーとしてＳｉを用いた場合を例にして説明したが、アクセプタとしてＢｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｃａ、ドナーとしてＳｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅを用いるようにしても良いことは、言うまでもない。
【００４３】
また、第１半導体層１０２，第２半導体層１０４の層厚２００ｎｍとし、発光層１０３の層厚を１０００ｎｍとして説明したが、これに限るものではない。第１半導体層１０２，第２半導体層１０４の層厚が１０ｎｍ以上とされ、発光層１０３の層厚が１０００ｎｍ以下とされていれば、キャリアを発光層１０３内に効率的に閉じ込めることができる。
【００４４】
また窒化物半導体の成長方法としてイオンビームアシストＭＢＥ法、ダイヤモンドの成長方法としてプラズマＣＶＤを用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。例えば、窒化物半導体の成長方法として、窒素プラズマＭＢＥ、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、プラズマＣＶＤやイオンビームアシストパルスレーザー成長法(ＰＬＤ）を用いるようにしてもよい。また、ダイヤモンドの成長方法として、ホットフィラメントＣＶＤを用いることもできる。
【００４５】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における発光素子の構成を示す断面図である。この発光素子は、基板２０１の上に形成された第１導電型のダイヤモンドから構成された第１半導体層２０２と、ダイヤモンドから構成されて第１半導体層２０２の上に接して形成された発光層２０３と、第２導電型の窒化物半導体から構成されて発光層２０３の上に接して形成された第２半導体層２０４とを備える。また、基板２０１に、第１電極２０５が接続し、第２半導体層２０４に、第２電極２０６が接続している。
【００４６】
基板２０１は、例えば、Ｂを高濃度にドープすることでｐ型としたダイヤモンドから構成され、主表面の面方位が（００１）とされている。また、第１半導体層２０２は、例えば、Ｂをドープすることでｐ型としたダイヤモンドから構成されている。また、第２半導体層２０４は、例えばドナーとしてＳｉをドープすることでｎ型とした、ｃ−ＢＮから構成されている。ｃ−ＢＮは、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶである。この場合、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型となる。
【００４７】
次に、実施の形態２における発光素子の製造方法について、図４Ａ〜図４Ｅを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｅは、実施の形態２における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【００４８】
まず、図４Ａに示すように、主表面の面方位を（００１）としたダイヤモンドからなる基板２２１を用意する。基板２２１は、Ｂが高濃度にドープされたｐ型とされている。このように構成した基板２２１の上に、Ｂをドープしたｐ型ダイヤモンド層２２２を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法によりｐ型ダイヤモンド層２２２を結晶成長させれば良い。アクセプタ濃度は１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、正孔濃度は、１×１０15ｃｍ-3となる。また、ｐ型ダイヤモンド層２２２は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００４９】
次に、図４Ｂに示すように、ｐ型ダイヤモンド層２２２の上に、ダイヤモンド層２２３を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、主表面の面方位を（００１）とした状態でアンドープのダイヤモンドを成膜すれば良い。原料ガスとして、メタンガス（３ｓｃｃｍ）と水素ガス（２９７ｓｃｃｍ）を用いれば良い。また、残留不純物濃度を減らすために、成長中に酸素ガス（０．３ｓｃｃｍ）を添加する。また、ダイヤモンド層２２３は、層厚１０００ｎｍ程度に成膜すれば良い。
【００５０】
次に、図４Ｃに示すように、ダイヤモンド層２２３の上に、Ｓｉをドープしたｎ型ｃ−ＢＮ層２２４を形成する。例えば、イオンビームアシストＭＢＥ法により、ｎ型ｃ−ＢＮ層２２４を結晶成長させれば良い。ドナー濃度は、１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、電子濃度は、１×１０16ｃｍ-3となる。また、ｎ型ｃ−ＢＮ層２２４は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００５１】
次に、上述したことにより積層したｐ型ダイヤモンド層２２２，ダイヤモンド層２２３，ｎ型ｃ−ＢＮ層２２４をパターニングし、図４Ｄに示すように、素子部となるメサ構造の第１半導体層２０２，発光層２０３，第２半導体層２０４を形成する。例えば、公知のリソグラフィー技術により、素子部となる部分を覆うレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし、酸素ガスを用いたドライエッチング技術により、ｐ型ダイヤモンド層２２２，ダイヤモンド層２２３，ｎ型ｃ−ＢＮ層２２４を選択的にエッチングすれば良い。このパターニングにより、上記素子部の側方においては、基板２２１の上面が露出する。
【００５２】
次に、図４Ｅに示すように、第１半導体層２０２，発光層２０３，第２半導体層２０４からなる素子部の側方に露出する基板２２１の表面に、オーミック接続する第１電極２２５を形成する。また、第２半導体層２０４の上面に、オーミック接続する第２電極２０６を形成する。例えば、電極形成領域に開口を有するリフトオフマスクを形成し、この上より、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉを電子線蒸着法により堆積する。次いで、リフトオフマスクを除去することで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕによる第１電極２２５，第２電極２０６を形成する（リフトオフ法）。この後、窒素雰囲気で７５０℃・１０分間の条件で加熱処理し、形成した第１電極２２５、第２電極２０６をオーミック接続した状態とする。
【００５３】
上述した実施の形態２における発光素子は、各電極を介した電流注入により、波長２３５ｎｍを中心とする紫外線発光を示した。実施の形態２によれば、窒化物半導体から構成した第２半導体層２０４は、キャリアの濃度を高くすることができる。このため、例えば、非特許文献１の素子に比較して、より低い動作電圧で動作可能となり、高い発光強度と発光効率が得られるようになる。
【００５４】
また、図４Ｅを用いて説明した発光素子では、発光層２０３で発生した光の一部は、発光層２０３の上部の第２電極２０６で反射・吸収されるが、発光層２０３の直下には電極がないため、効率的な光の取り出しが可能となる。
【００５５】
ところで、図３を用いて説明した実施の形態２における基本的な構造の発光素子では、発光層２０３から見て基板側にも、第１電極２０５が形成され、ここにおいても反射・吸収が発生する構成となっている。この構成では、図４Ｅを用いて説明した発光素子に比較すると、発光強度は低下するが、非特許文献１のダイヤモンド発光ダイオードに比較すれば、より低い動作電圧で動作し、また、高い発光強度および高い発光効率が得られる。
【００５６】
なお、上述した実施の形態２では、第２半導体層２０４の電子濃度を１×１０16ｃｍ-3としたが、これに限るものではない。電子濃度が、１×１０14〜１×１０20ｃｍ-3の範囲であればよい。この濃度範囲では、電子濃度が各々高いほど、高い発光強度と発光効率が得られる。また、動作電圧は、電子濃度が各々高いほど低い。第２半導体層２０４の電子濃度が１×１０15ｃｍ-3以上の場合、非特許文献１のダイヤモンド発光ダイオードに比較して、より高い発光強度と発光効率、低い動作電圧動作が得られた。
【００５７】
なお、第１半導体層２０２，発光層２０３，第２半導体層２０４の、各接合面における面方位は、（００１），（１１０），（１１３），（１１１）のいずれかとされていれば良い。ただし、接合面における面方位を、（１１０）、（１１３）、（１１１）とした場合は、（００１）とした場合と比べて発光強度と発光効率が減少した。これは、（００１）以外の面方位では、閃亜鉛鉱構造の極性に由来する分極の影響により、ダイヤモンドからなる発光層２０３でのキャリアの再結合確率が減少するためと考えられる。
【００５８】
また、上述した実施の形態２では、窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＢＮ層を用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＡｌＢＮ、ｃ−ＧａＢＮ、ｃ−ＡｌＧａＢＮを用いた場合も、バンドギャップエネルギーが５．５ｅＶ以上となる組成を持つ場合は同様の結果が得られる。
【００５９】
また、窒化物半導体層としてウルツ鉱構造の六方晶ＢＮ、ＡｌＢＮ、ＧａＢＮ、ＡｌＧａＢＮを用いる場合は、第２半導体層の発光層との接合面における面方位を（０００１）面とし、発光層および第１半導体層においては、接合面における面方位を（１１１）面とすればよい。ただし、ウルツ鉱構造の極性に由来する分極の影響により、発光層でのキャリアの再結合確率が減少し、ウルツ鉱構造の窒化物半導体を用いた場合は、閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体層と比べて低い発光効率になるものと考えられる。
【００６０】
また、ここでは、窒化物半導体層のアクセプタとしてＭｇ、ドナーとしてＳｉを用いた場合を例にして説明したが、アクセプタとしてＢｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｃａ、ドナーとしてＳｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅを用いるようにしても良いことは、言うまでもない。
【００６１】
また、第２半導体層２０４の層厚２００ｎｍとし、発光層２０３の層厚を１０００ｎｍとして説明したが、これに限るものではない。第２半導体層２０４の層厚が１０ｎｍ以上とされ、発光層２０３の層厚が１０００ｎｍ以下とされていれば、キャリアを発光層２０３内に効率的に閉じ込めることができる。
【００６２】
また窒化物半導体の成長方法としてイオンビームアシストＭＢＥ法、ダイヤモンドの成長方法としてプラズマＣＶＤを用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。例えば、窒化物半導体の成長方法として、窒素プラズマＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、プラズマＣＶＤやイオンビームアシストＰＬＤを用いるようにしてもよい。また、ダイヤモンドの成長方法として、ホットフィラメントＣＶＤを用いることもできる。
【００６３】
また、基板の側から見て、発光層の下側にｐ型窒化物半導体から構成された第２半導体層が配置され、発光層の上側に、ｎ型のダイヤモンドから構成された第１半導体層が配置されていても良い。
【００６４】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３における発光素子の構成を示す断面図である。この発光素子は、基板３０１の上に形成された第１導電型の窒化物半導体から構成された第１半導体層３０２と、ダイヤモンドから構成されて第１半導体層３０２の上に接して形成された発光層３０３と、第２導電型の窒化物半導体から構成されて発光層３０３の上に接して形成された第２半導体層３０４とを備える。また、基板３０１に、第１電極３０５が接続し、第２半導体層３０４に、第２電極３０６が接続している。
【００６５】
また、実施の形態３では、発光層３０３を構成するダイヤモンドは、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶセンターを備える。また、このＮＶセンターの密度が、１０4〜１０9ｃｍ-2とされている。
【００６６】
基板３０１は、例えば、Ｂをドープすることでｐ型としたダイヤモンドから構成され、主表面の面方位が（００１）とされている。また、第１半導体層３０２は、例えば、アクセプタとしてマグネシウム（Ｍｇ）をドープすることでｐ型とした、閃亜鉛鉱構造の立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）から構成されている。また、第２半導体層３０４は、例えばドナーとしてＳｉをドープすることでｎ型とした、ｃ−ＢＮから構成されている。ｃ−ＢＮは、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶである。この場合、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型となる。
【００６７】
次に、実施の形態３における発光素子の製造方法について、図６Ａ〜図６Ｆを用いて説明する。図６Ａ〜図６Ｆは、実施の形態３における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【００６８】
まず、図６Ａに示すように、主表面の面方位を（００１）としたダイヤモンドからなる基板３２１を用意する。基板３２１は、Ｂがドープされたｐ型とされている。このように構成した基板３２１の上に、Ｍｇをドープしたｐ型ｃ−ＢＮ層３２２を形成する。例えば、イオンビームアシストＭＢＥ法により、ｐ型ｃ−ＢＮ層３２２を結晶成長させれば良い。アクセプタ濃度は１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、正孔濃度は、１×１０16ｃｍ-3となる。また、ｐ型ｃ−ＢＮ層３２２は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００６９】
次に、図６Ｂに示すように、ｐ型ｃ−ＢＮ層３２２の上に、ダイヤモンド層３２３を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、主表面の面方位を（００１）とした状態でアンドープのダイヤモンドを成膜すれば良い。原料ガスとして、メタンガス（３ｓｃｃｍ）と水素ガス（２９７ｓｃｃｍ）を用いれば良い。また、残留不純物濃度を減らすために、成長中に酸素ガス（０．３ｓｃｃｍ）を添加する。また、ダイヤモンド層３２３は、層厚１０００ｎｍ程度に成膜すれば良い。
【００７０】
次いで、ダイヤモンド層３２３に窒素をイオン注入することで、図６Ｃに示すように、ＮＶセンターを有するダイヤモンド層３２３ａを形成する。例えば、加速電圧２０ＫｅＶでＮをイオン注入し、真空中で９００℃・１時間の条件で加熱処理することで、ダイヤモンド層３２３ａにおけるＮＶセンターの密度を、１×１０6ｃｍ-2とすることができる。
【００７１】
次に、図６Ｄに示すように、ダイヤモンド層３２３ａの上に、Ｓｉをドープしたｎ型ｃ−ＢＮ層３２４を形成する。例えば、イオンビームアシストＭＢＥ法により、ｎ型ｃ−ＢＮ層３２４を結晶成長させれば良い。ドナー濃度は、１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、電子濃度は、１×１０16ｃｍ-3となる。また、ｎ型ｃ−ＢＮ層３２４は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００７２】
次に、上述したことにより積層したｐ型ｃ−ＢＮ層３２２，ダイヤモンド層３２３ａ，ｎ型ｃ−ＢＮ層３２４をパターニングし、図６Ｅに示すように、素子部となるメサ構造の第１半導体層３０２，発光層３０３，第２半導体層３０４を形成する。例えば、公知のリソグラフィー技術により、素子部となる部分を覆うレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし、酸素ガスを用いたドライエッチング技術により、ｐ型ｃ−ＢＮ層３２２，ダイヤモンド層３２３ａ，ｎ型ｃ−ＢＮ層３２４を選択的にエッチングすれば良い。このパターニングにより、上記素子部の側方においては、基板３２１の上面が露出する。
【００７３】
次に、図６Ｆに示すように、第１半導体層３０２，発光層３０３，第２半導体層３０４からなる素子部の側方に露出する基板３２１の表面に、オーミック接続する第１電極３２５を形成する。また、第２半導体層３０４の上面に、オーミック接続する第２電極３０６を形成する。例えば、電極形成領域に開口を有するリフトオフマスクを形成し、この上より、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉを電子線蒸着法により堆積する。次いで、リフトオフマスクを除去することで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕによる第１電極３２５，第２電極３０６を形成する（リフトオフ法）。この後、窒素雰囲気で７５０℃・１０分間の条件で加熱処理し、形成した第１電極３２５、第２電極３０６をオーミック接続した状態とする。
【００７４】
上述した実施の形態３における発光素子は、各電極を介した電流注入により、中性の状態のＮＶセンター（ＮＶ０）のゼロフォノンラインに対応する波長５７５ｎｍの発光を示した。
【００７５】
実施の形態３における発光素子は、窒化物半導体から構成した第１半導体層３０２および第２半導体層３０４におけるキャリアの濃度を高くすることができる。このため、例えば、非特許文献３の素子に比較して、より低い動作電圧で動作可能となる。また、この低動作電圧化により素子の発熱を抑制できるため、高い発光強度と発光効率が得られるようになる。
【００７６】
また、第１半導体層３０２および第２半導体層３０４を構成するｃ−ＢＮは、ダイヤモンドよりも大きなバンドギャップエネルギーを有しているため、発光層３０３にキャリアが閉じ込められるようになり、効率的に発光再結合が起こるようになる。
【００７７】
また、図６Ｆを用いて説明した発光素子では、発光層３０３で発生した光の一部は、発光層３０３の上部の第２電極３０６で反射・吸収されるが、発光層３０３の直下には電極がないため、効率的な光の取り出しが可能となる。
【００７８】
また、実施の形態３における発光素子では、第１半導体層３０２および第２半導体層３０４を構成するｃ−ＢＮと、発光層３０３を構成するダイヤモンドとの間の格子定数差が小さいので、結晶性の良いヘテロ接合が形成できる。この結果、実施の形態３の発光素子は、非特許文献２に示された発光ダイオードよりも、高い発光強度および高い発光効率が得られる。
【００７９】
ところで、図５を用いて説明した実施の形態３における基本的な構造の発光素子では、発光層３０３から見て基板側にも、第１電極３０５が形成され、ここにおいても反射・吸収が発生する構成となっている。この構成では、図６Ｆを用いて説明した発光素子に比較すると、発光強度は低下するが、非特許文献１のダイヤモンド発光ダイオードに比較すれば、より低い動作電圧で動作し、また、高い発光強度および高い発光効率が得られる。
【００８０】
なお、上述した実施の形態３では、第１半導体層３０２の正孔濃度を１×１０16ｃｍ-3とし、第２半導体層３０４の電子濃度を１×１０16ｃｍ-3としたが、これに限るものではない。各濃度が、１×１０14〜１×１０20ｃｍ-3の範囲であればよい。この濃度範囲では、正孔濃度および電子濃度が各々高いほど、高い発光強度と発光効率が得られる。また、動作電圧は、正孔濃度および電子濃度が各々高いほど低い。第１半導体層３０２の正孔濃度が１×１０16ｃｍ-3以上、かつ第２半導体層３０４の電子濃度が１×１０15ｃｍ-3以上の場合、非特許文献１のダイヤモンド発光ダイオードに比較して、より高い発光強度と発光効率、低い動作電圧動作が得られた。
【００８１】
また、主に、発光層３０３におけるＮＶセンター密度を１×１０6ｃｍ-2とした場合を例にして説明したが、１０4−１０9ｃｍ-2の範囲では、ＮＶセンター密度が高いほど、高い発光強度と発光効率が得られた。
【００８２】
なお、第１半導体層３０２，発光層３０３，第２半導体層３０４の、各接合面における面方位は、（００１），（１１０），（１１３），（１１１）のいずれかとされていれば良い。ただし、接合面における面方位を、（１１０）、（１１３）、（１１１）とした場合は、（００１）とした場合と比べて発光強度と発光効率が減少した。これは、（００１）以外の面方位では、閃亜鉛鉱構造の極性に由来する分極の影響により、ダイヤモンドからなる発光層３０３でのキャリアの再結合確率が減少するためと考えられる。
【００８３】
また、上述した実施の形態３では、窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＢＮ層を用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＡｌＢＮ、ｃ−ＧａＢＮ、ｃ−ＡｌＧａＢＮを用いた場合も、バンドギャップエネルギーが５．５ｅＶ以上となる組成を持つ場合は同様の結果が得られる。
【００８４】
また、窒化物半導体層としてウルツ鉱構造の六方晶ＢＮ、ＡｌＢＮ、ＧａＢＮ、ＡｌＧａＢＮを用いる場合は、発光層との接合面における面方位を（０００１）面とし、発光層においては、接合面における面方位を（１１１）面とすればよい。ただし、ウルツ鉱構造の極性に由来する分極の影響により、発光層でのキャリアの再結合確率が減少し、ウルツ鉱構造の窒化物半導体を用いた場合は、閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体層と比べて低い発光効率になるものと考えられる。
【００８５】
また、ここでは、窒化物半導体層のアクセプタとしてＭｇ、ドナーとしてＳｉを用いた場合を例にして説明したが、アクセプタとしてＢｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｃａ、ドナーとしてＳｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅを用いるようにしても良いことは、言うまでもない。
【００８６】
また、第１半導体層３０２，第２半導体層３０４の層厚２００ｎｍとし、発光層３０３の層厚を１０００ｎｍとして説明したが、これに限るものではない。第１半導体層３０２，第２半導体層３０４の層厚が１０ｎｍ以上とされ、発光層３０３の層厚が１０００ｎｍ以下とされていれば、キャリアを発光層３０３内に効率的に閉じ込めることができる。
【００８７】
また窒化物半導体の成長方法としてイオンビームアシストＭＢＥ法、ダイヤモンドの成長方法としてプラズマＣＶＤを用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。例えば、窒化物半導体の成長方法として、窒素プラズマＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、プラズマＣＶＤやイオンビームアシストＰＬＤを用いるようにしてもよい。また、ダイヤモンドの成長方法として、ホットフィラメントＣＶＤを用いることもできる。
【００８８】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態４における発光素子の構成を示す断面図である。この発光素子は、基板４０１の上に形成された第１導電型のダイヤモンドから構成された第１半導体層４０２と、ダイヤモンドから構成されて第１半導体層４０２の上に接して形成された発光層４０３と、第２導電型の窒化物半導体から構成されて発光層４０３の上に接して形成された第２半導体層４０４とを備える。また、基板４０１に、第１電極４０５が接続し、第２半導体層４０４に、第２電極４０６が接続している。
【００８９】
また、実施の形態４では、発光層４０３を構成するダイヤモンドは、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶセンターを備える。また、このＮＶセンターの密度が、１０4〜１０9ｃｍ-2とされている。
【００９０】
基板４０１は、例えば、Ｂを高濃度にドープすることでｐ型としたダイヤモンドから構成され、主表面の面方位が（００１）とされている。また、第１半導体層４０２は、例えば、Ｂをドープすることでｐ型としたダイヤモンドから構成されている。また、第２半導体層４０４は、例えばドナーとしてＳｉをドープすることでｎ型とした、ｃ−ＢＮから構成されている。ｃ−ＢＮは、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶである。この場合、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型となる。
【００９１】
次に、実施の形態４における発光素子の製造方法について、図８Ａ〜図８Ｆを用いて説明する。図８Ａ〜図８Ｆは、実施の形態４における発光素子の製造方法を説明する各工程における断面を示す断面図である。
【００９２】
まず、図８Ａに示すように、主表面の面方位を（００１）としたダイヤモンドからなる基板４２１を用意する。基板４２１は、Ｂが高濃度にドープされたｐ型とされている。このように構成した基板４２１の上に、Ｂをドープしたｐ型ダイヤモンド層４２２を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法によりｐ型ダイヤモンド層４２２を結晶成長させれば良い。アクセプタ濃度は１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、正孔濃度は、１×１０15ｃｍ-3となる。また、ｐ型ダイヤモンド層４２２は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００９３】
次に、図８Ｂに示すように、ｐ型ダイヤモンド層４２２の上に、ダイヤモンド層４２３を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、主表面の面方位を（００１）とした状態でアンドープのダイヤモンドを成膜すれば良い。原料ガスとして、メタンガス（３ｓｃｃｍ）と水素ガス（２９７ｓｃｃｍ）を用いれば良い。また、残留不純物濃度を減らすために、成長中に酸素ガス（０．３ｓｃｃｍ）を添加する。また、ダイヤモンド層４２３は、層厚１０００ｎｍ程度に成膜すれば良い。
【００９４】
次いで、ダイヤモンド層４２３に窒素をイオン注入することで、図８Ｃに示すように、ＮＶセンターを有するダイヤモンド層４２３ａを形成する。例えば、加速電圧２０ＫｅＶでＮをイオン注入し、真空中で９００℃・１時間の条件で加熱処理することで、ダイヤモンド層４２３ａにおけるＮＶセンターの密度を、１×１０6ｃｍ-2とすることができる。
【００９５】
次に、図８Ｄに示すように、ダイヤモンド層４２３ａの上に、Ｓｉをドープしたｎ型ｃ−ＢＮ層４２４を形成する。例えば、イオンビームアシストＭＢＥ法により、ｎ型ｃ−ＢＮ層４２４を結晶成長させれば良い。ドナー濃度は、１×１０18ｃｍ-3とすれば良い。この場合、電子濃度は、１×１０16ｃｍ-3となる。また、ｎ型ｃ−ＢＮ層４２４は、層厚２００ｎｍ程度に成長させれば良い。
【００９６】
次に、上述したことにより積層したｐ型ダイヤモンド層４２２，ダイヤモンド層４２３ａ，ｎ型ｃ−ＢＮ層４２４をパターニングし、図８Ｅに示すように、素子部となるメサ構造の第１半導体層４０２，発光層４０３，第２半導体層４０４を形成する。例えば、公知のリソグラフィー技術により、素子部となる部分を覆うレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして公知のドライエッチング技術により、ｐ型ダイヤモンド層４２２，ダイヤモンド層４２３ａ，ｎ型ｃ−ＢＮ層４２４を選択的にエッチングすれば良い。このパターニングにより、上記素子部の側方においては、基板４２１の上面が露出する。
【００９７】
次に、図８Ｆに示すように、第１半導体層４０２，発光層４０３，第２半導体層４０４からなる素子部の側方に露出する基板４２１の表面に、オーミック接続する第１電極４２５を形成する。また、第２半導体層４０４の上面に、オーミック接続する第２電極４０６を形成する。例えば、電極形成領域に開口を有するリフトオフマスクを形成し、この上より、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉを電子線蒸着法により堆積する。次いで、リフトオフマスクを除去することで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕによる第１電極４２５，第２電極４０６を形成する（リフトオフ法）。この後、窒素雰囲気で７５０℃・２０分間の条件で加熱処理し、形成した第１電極４２５、第２電極４０６をオーミック接続した状態とする。
【００９８】
上述した実施の形態３における発光素子は、各電極を介した電流注入により、中性の状態のＮＶセンター（ＮＶ０）のゼロフォノンラインに対応する波長５７５ｎｍの発光を示した。実施の形態４によれば、窒化物半導体から構成した第２半導体層４０４は、キャリアの濃度を高くすることができる。このため、例えば、非特許文献３の素子に比較して、より低い動作電圧で動作可能となる。また、この低動作電圧化により素子の発熱を抑制できるため、高い発光強度と発光効率が得られるようになる。
【００９９】
また、図８Ｆを用いて説明した発光素子では、発光層４０３で発生した光の一部は、発光層４０３の上部の第２電極４０６で反射・吸収されるが、発光層４０３の直下には電極がないため、効率的な光の取り出しが可能となる。
【０１００】
ところで、図７を用いて説明した実施の形態４における基本的な構造の発光素子では、発光層４０３から見て基板側にも、第１電極４０５が形成され、ここにおいても反射・吸収が発生する構成となっている。この構成では、図８Ｆを用いて説明した発光素子に比較すると、発光強度は低下するが、非特許文献３のダイヤモンド発光ダイオードに比較すれば、より低い動作電圧で動作可能となる。この低動作電圧化により素子の発熱を抑制できるため、高い発光強度と発光効率が得られるようになる。
【０１０１】
なお、上述した実施の形態４では、第２半導体層４０４の電子濃度を１×１０16ｃｍ-3としたが、これに限るものではない。電子濃度が、１×１０14〜１×１０20ｃｍ-3の範囲であればよい。この濃度範囲では、電子濃度が各々高いほど、高い発光強度と発光効率が得られる。また、動作電圧は、電子濃度が各々高いほど低い。第２半導体層４０４の電子濃度が１×１０15ｃｍ-3以上の場合、非特許文献３のダイヤモンド発光ダイオードに比較して、より高い発光強度と発光効率、低い動作電圧動作が得られた。また、主に、発光層４０３におけるＮＶセンター密度を１×１０6ｃｍ-2とした場合を例にして説明したが、１０4−１０9ｃｍ-2の範囲では、ＮＶセンター密度が高いほど、高い発光強度と発光効率が得られた。
【０１０２】
なお、第１半導体層４０２，発光層４０３，第２半導体層４０４の、各接合面における面方位は、（００１），（１１０），（１１３），（１１１）のいずれかとされていれば良い。ただし、接合面における面方位を、（１１０）、（１１３）、（１１１）とした場合は、（００１）とした場合と比べて発光強度と発光効率が減少した。これは、（００１）以外の面方位では、閃亜鉛鉱構造の極性に由来する分極の影響により、ダイヤモンドからなる発光層４０３でのキャリアの再結合確率が減少するためと考えられる。
【０１０３】
また、上述した実施の形態４では、窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＢＮ層を用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。窒化物半導体層として閃亜鉛鉱構造のｃ−ＡｌＢＮ、ｃ−ＧａＢＮ、ｃ−ＡｌＧａＢＮを用いた場合も、バンドギャップエネルギーが５．５ｅＶ以上となる組成を持つ場合は同様の結果が得られる。
【０１０４】
また、窒化物半導体層としてウルツ鉱構造の六方晶ＢＮ、ＡｌＢＮ、ＧａＢＮ、ＡｌＧａＢＮを用いる場合は、第２半導体層の発光層との接合面における面方位を（０００１）面とし、発光層および第１半導体層においては、接合面における面方位を（１１１）面とすればよい。ただし、ウルツ鉱構造の極性に由来する分極の影響により、発光層でのキャリアの再結合確率が減少し、ウルツ鉱構造の窒化物半導体を用いた場合は、閃亜鉛鉱構造の窒化物半導体層と比べて低い発光効率になるものと考えられる。
【０１０５】
また、ここでは、窒化物半導体層のアクセプタとしてＭｇ、ドナーとしてＳｉを用いた場合を例にして説明したが、アクセプタとしてＢｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｃａ、ドナーとしてＳｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅを用いるようにしても良いことは、言うまでもない。
【０１０６】
また、第２半導体層４０４の層厚２００ｎｍとし、発光層４０３の層厚を１０００ｎｍとして説明したが、これに限るものではない。第２半導体層４０４の層厚が１０ｎｍ以上とされ、発光層４０３の層厚が１０００ｎｍ以下とされていれば、キャリアを発光層４０３内に効率的に閉じ込めることができる。
【０１０７】
また窒化物半導体の成長方法としてイオンビームアシストＭＢＥ法、ダイヤモンドの成長方法としてプラズマＣＶＤを用いた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。例えば、窒化物半導体の成長方法として、窒素プラズマＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、プラズマＣＶＤやイオンビームアシストＰＬＤを用いるようにしてもよい。また、ダイヤモンドの成長方法として、ホットフィラメントＣＶＤを用いることもできる。
【０１０８】
また、基板の側から見て、発光層の下側にｐ型窒化物半導体から構成された第２半導体層が配置され、発光層の上側に、ｎ型のダイヤモンドから構成された第１半導体層が配置されていても良い。
【０１０９】
以上に説明したように、本発明では、ダイヤモンドから構成され発光層の一方には窒化物半導体またはダイヤモンドからなる第１半導体層を接して設け、他方には、窒化物半導体からなる第２半導体層に接して設けるようにした。この結果、本発明によれば、ダイヤモンドから構成した発光層による発光素子の発光強度および発光効率を、より高くできるようになる。
【０１１０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…発光層、１０４…第２半導体層、１０５…第１電極、１０６…第２電極。
【図１】
0006346107.tif 000002
【図２Ａ】
0006346107.tif 000003
【図２Ｂ】
0006346107.tif 000004
【図２Ｃ】
0006346107.tif 000005
【図２Ｄ】
0006346107.tif 000006
【図２Ｅ】
0006346107.tif 000007
【図３】
0006346107.tif 000008
【図４Ａ】
0006346107.tif 000009
【図４Ｂ】
0006346107.tif 000010
【図４Ｃ】
0006346107.tif 000011
【図４Ｄ】
0006346107.tif 000012
【図４Ｅ】
0006346107.tif 000013
【図５】
0006346107.tif 000014
【図６Ａ】
0006346107.tif 000015
【図６Ｂ】
0006346107.tif 000016
【図６Ｃ】
0006346107.tif 000017
【図６Ｄ】
0006346107.tif 000018
【図６Ｅ】
0006346107.tif 000019
【図６Ｆ】
0006346107.tif 000020
【図７】
0006346107.tif 000021
【図８Ａ】
0006346107.tif 000022
【図８Ｂ】
0006346107.tif 000023
【図８Ｃ】
0006346107.tif 000024
【図８Ｄ】
0006346107.tif 000025
【図８Ｅ】
0006346107.tif 000026
【図８Ｆ】
0006346107.tif 000027
【図９】
0006346107.tif 000028
【図１０】
0006346107.tif 000029
【図１１】
0006346107.tif 000030