(57)【要約】【課題】  紫外光の放出、又は、紫外光及び近赤外光の両方の光を放出できる発光材料及びこれを用いた光素子を提供する。【解決手段】  本発光材料は、ＡｌＮ含有部とＺｎＯ含有部とを有し、ＡｌＮ含有部にＺｎＯ含有部が挟まれてなる。また、ＺｎＯ含有部中にＥｒがドープされ、Ｅｒの含有量はＺｎＯ含有部内で偏在してなる。更に、本光素子（２）は、本発光材料からなる発光部（２１）を有する。これによると、紫外光の放出、又は、紫外光及び近赤外光の両方の光を放出できるだけでなく、バンド不連続が大きく、安定してＺｎＯ内にキャリアを閉じこめることができ、高温においても安定して発光させることができる。また、特に、量子井戸構造を形成した場合には発光波長を広く制御できる。更に、これら発光材料を用いることで、非常に小さい共振構造を得ることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＮ含有部とＺｎＯ含有部とを有し、該ＡｌＮ含有部に該ＺｎＯ含有部が挟まれてなることを特徴とする発光材料。
【請求項２】
上記ＡｌＮ含有部と上記ＺｎＯ含有部とにより量子井戸構造が形成されている請求項１記載の発光材料。
【請求項３】
上記ＡｌＮ含有部及び上記ＺｎＯ含有部は各々層形状であり、該ＡｌＮ含有部である層に該ＺｎＯ含有部である層が挟まれてなる多層構造である請求項１又は２に記載の発光材料。
【請求項４】
上記ＡｌＮ含有部が母材となり、該母材内に上記ＺｎＯ含有部が点在してなる請求項１又は２に記載の発光材料。
【請求項５】
上記ＡｌＮ含有部が母材となり、該母材内に上記ＺｎＯ含有部が線状に配置されてなる請求項１又は２に記載の発光材料。
【請求項６】
全ての又は一部の上記ＺｎＯ含有部にＥｒがドープされている請求項１乃至５のうちのいずれかに記載の発光材料。
【請求項７】
ＺｎＯ含有部中にＥｒがドープされ、該Ｅｒの含有量は該ＺｎＯ含有部内で偏在していることを特徴とする発光材料。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の発光材料からなる発光部を有することを特徴とする光素子。
【請求項９】
基体を備え、該基体上に上記発光部が積層されてなる請求項８に記載の光素子。
【請求項１０】
基体を備え、該基体上に上記発光部が点在されてなる請求項８に記載の光素子。
【請求項１１】
凹部及び貫通部のうちの少なくとも一方を有する基体を備え、上記発光部は、該凹部内及び該貫通部内に上記発光材料が埋め込まれてなる請求項８に記載の光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は発光材料及びこれを用いた光素子に関する。更に詳しくは、紫外光の放出、又は、紫外光及び近赤外光の両方の光を放出できる発光材料及びこれを用いた光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】  高密度光記録等における要請から紫外光利用の必要性が高まっている。一方、光通信等においては、より低損失である近赤外光が優れており、従来より、近赤外光が多く利用されている。
紫外光発光素子としては、Ａｌ２Ｏ３（サファイヤｃ面基体）上にＺｎＯを添加した薄膜を成長させてなる光半導体素子が下記特許文献１に開示されている。また、ＭｇをＺｎＯに固溶させてバンドギャップを広げたＭｇｘＺｎ１−ｘＯを用い、ＺｎＯの粒界を利用してレーザー共振器のミラーとした光半導体素子、及び、ＺｎＯとＭｇｘＺｎ１−ｘＯとからなるダブルヘテロ構造を有する光半導体素子が下記特許文献２に開示されている。
一方、近赤外光発光素子としては、ＩｎＧａＡｓＰ及びＥｒドープガラス等の材料を用いた素子が知られている。【０００３】
【特許文献１】  特開平１０−２５６６７３号公報
【特許文献２】  特開平１０−２７０７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  上記特許文献１に開示された光半導体素子は、励起子発光を利用してレーザー発振を可能にしたものである。しかし、励起子発光は結合エネルギーによって発光波長が決まってしまい、発振波長を変えることは困難である。即ち、紫外光と近赤外光との両方を発することはできない。
また、上記特許文献２に開示された光半導体素子のうちの前者は、Ｍｇの固溶量を変えることでバンドギャップを３．２５〜４．０２ｅＶまで変化させることができる。このため、発光波長はこの範囲内においては可変となるが、近赤外線を放出することは困難である。更に、上記特許文献２に開示された光半導体素子のうちの後者は、ダブルヘテロ構造を利用してキャリアをＺｎＯに閉じ込めることが可能であるため、紫外光の発光強度が大きいが、バンド不連続が小さい。このため、装置温度が過度に上昇した場合等はキャリアを効率よくＺｎＯ内に閉じこめることができず、発光強度が急激に低下する等、室温での安定性に問題がある。
一方、上記近赤外光発光素子を構成する材料からは紫外光を放出することができない。【０００５】  本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、紫外光を放出できる発光材料及びこれを用いた光素子、並びに、紫外光と近赤外光の両方を放出できる発光材料及びこれを用いた光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明者らは、紫外線発光特性を有するＺｎＯについて検討するなかで、ＺｎＯに対して伝導体側で２．４ｅＶと大きなバンド不連続を有し、且つ、格子定数が近い材料としてＡｌＮを見知した。そして、ＺｎＯとＡｌＮと積層等すると、ＺｎＯとＡｌＮとの界面でバンド不連続が大きくなり、エネルギー準位においてＺｎＯの伝導体はＡｌＮの伝導体よりも２．４ｅＶ低くなる。このため安定してＺｎＯ内にキャリアを閉じこめることができ、高温においても安定して発光させることができることが分かった。また、特に、これらの材料を用いて量子井戸構造（図１６参照）を形成した場合には発光波長を広く制御できることが分かった。更に、これらＺｎＯとＡｌＮとを用いた発光材料を用いることで、非常に小さい共振構造を得ることができ素子を飛躍的に小さくできる。また、紫外光及び近赤外光の両方を放出させることもでき、これらの性能を同時に要する微細な素子を得ることができる。これら多くの知見に基づき本発明を完成させた。【０００７】  即ち、本発明は以下に示す通りである。
（１）ＡｌＮ含有部とＺｎＯ含有部とを有し、該ＡｌＮ含有部に該ＺｎＯ含有部が挟まれてなることを特徴とする発光材料。
（２）上記ＡｌＮ含有部と上記ＺｎＯ含有部とにより量子井戸構造が形成されている上記（１）に記載の発光材料。
（３）上記ＡｌＮ含有部及び上記ＺｎＯ含有部は各々層形状であり、該ＡｌＮ含有部である層に該ＺｎＯ含有部である層が挟まれてなる多層構造である上記（１）又は（２）に記載の発光材料。
（４）上記ＡｌＮ含有部が母材となり、該母材内に上記ＺｎＯ含有部が点在してなる上記（１）又は（２）に記載の発光材料。
（５）上記ＡｌＮ含有部が母材となり、該母材内に上記ＺｎＯ含有部が線状に配置されてなる上記（１）又は（２）に記載の発光材料。
（６）全ての又は一部の上記ＺｎＯ含有部にＥｒがドープされている上記（１）乃至（５）のうちのいずれかに記載の発光材料。
（７）ＺｎＯ含有部中にＥｒがドープされ、該Ｅｒの含有量は該ＺｎＯ含有部内で偏在していることを特徴とする発光材料。
（８）上記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の発光材料からなる発光部を有することを特徴とする光素子。
（９）基体を備え、該基体上に上記発光部が積層されてなる上記（８）に記載の光素子。
（１０）基体を備え、該基体上に上記発光部が点在されてなる上記（８）に記載の光素子。
（１１）凹部及び貫通部のうちの少なくとも一方を有する基体を備え、上記発光部は、該凹部内及び該貫通部内に上記発光材料が埋め込まれてなる上記（８）に記載の光素子。
【発明の効果】
【０００８】  本第１観点に係る発光材料によると強い紫外発光を効率良く得ることができる。更に、高温においても安定して発光させることができる。また、低閾値で発光させることができる。更に、得られる光素子の大きさを小さくすることができる。
ＡｌＮ含有部と上記ＺｎＯ含有部とにより量子井戸構造が形成されている場合は、発光波長を幅広く制御できる。
ＡｌＮ含有部にＺｎＯ含有部が挟まれてなる場合、多層構造である場合、母材（ＡｌＮ含有部）内にＺｎＯ含有部が点在してなる場合、及び、母材（ＡｌＮ含有部）内にＺｎＯ含有部が線状に配置されてなる場合は、各々同様に、強い紫外発光を効率良く得ることができる。また、発光波長を幅広く制御できる。更に、高温においても安定して発光させることができる。また、低閾値で発光させることができる。更に、得られる光素子の大きさを小さくすることができる。
全ての又は一部のＺｎＯ含有部にＥｒがドープされている場合は、加えて、紫外光と近赤外光との両方を放出させることができ、また、両波長域ともにおいて強い発光を効率良く得ることができる。
本第２観点に係るＺｎＯ中にＥｒが偏在ドープされた発光材料によると、紫外光と近赤外光との両方を放出させることができ、また、両波長域ともにおいて強い発光を効率良く得ることができる。更に、紫外光域の発光波長は幅広く制御できる。また、高温においても安定して発光させることができる。更に、低閾値で発光させることができる。また、得られる光素子の大きさを小さくすることができる。
本発明の光素子によると、強い紫外発光を効率良く得ることができる。また、幅広い発光波長を得ることができる。更に、高温においても安定して発光させることができる。また、低閾値で発光させることができる。更に、光増幅機能を発揮させることができる。また、小型化できる。
基体上に発光部が積層されてなる場合、基体上に発光部が点在されてなる場合、及び、発光部が基体の凹部内及び貫通部内に発光材料が埋め込まれてなる場合は、同様に、強い紫外発光を効率良く得ることができる。また、幅広い発光波長を得ることができる。更に、高温においても安定して発光させることができる。また、低閾値で発光させることができる。更に、光増幅機能を発揮させることができる。また、小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】  本発明について、以下詳細に説明する。
［１］本第１観点に係る発光材料
本第１観点に係る発光材料は、ＡｌＮ含有部とＺｎＯ含有部とを有し、該ＡｌＮ含有部に該ＺｎＯ含有部が挟まれてなることを特徴とする。
上記「ＡｌＮ含有部」は、ＡｌＮを主成分とする部分であり、通常、ＡｌＮを９０質量％以上含有する部分である。ＡｌＮ含有部には、本発光材料内における効果を発揮できる範囲においてＡｌ及びＮ以外の他の元素を含有してもよい。他の元素としては、Ｚｎ及びＯ等が挙げられる。これらの他の元素は、１種のみが含有されてもよく２種以上が含有されてもよい。
また、ＡｌＮ含有部は、単結晶、多結晶及び非晶質等のいずれの状態であってもよいが、単結晶又は多結晶であることが好ましく、より単結晶に近いものであることが更に好ましい。これにより、得られる光素子の発光強度を向上させることができるからである。【００１０】  上記「ＺｎＯ含有部」は、ＺｎＯを主成分とする部分であり、通常、ＺｎＯを９０質量％以上含有する部分である。ＺｎＯは半導体材料であり、更に、優れた紫外発光材及び紫外線吸収材でもある。このＺｎＯ含有部には、Ｅｒがドープされていてもよい。このＥｒがドープされることにより１．５４μｍ近傍で発光材料を発光させることができる。
上記「Ｅｒがドープされ」とは、少なくともＥｒがドーピングされていることを意味する。即ち、例えば、スパッタリング法を用いて本発明の発光材料を得ようとする場合等に、ターゲット材として、Ｅｒ酸化物を用いた場合にはＥｒとＯとが共ドープされる。また、単体金属Ｅｒを用いた場合にはＥｒのみのドープとなる。更に、その他のＥｒ化合物を用いた場合にはＥｒとＥｒ化合物中に共存する元素が共ドーピングされることとなる。これらのいずれの場合も含むものである。
また、ＥｒのドープによるＺｎＯ含有部内のＥｒ含有は特に限定されないが２ａｔｏｍ％以下（より好ましくは０．６ａｔｏｍ％以下、更に好ましくは０．３５ａｔｏｍ％以下、通常０．０１ａｔｏｍ％以上）とすることが好ましい。【００１１】  また、ＺｎＯ含有部は、Ｅｒ以外にも他の元素を、本発光材料内における効果を発揮できる範囲において含有できる。他の元素としては、ｎ型半導体にするためのＧａ、Ｂ及びＡｌ等の各元素、及び、ｐ型半導体とするためのＮ、及び、ＧａとＮ等の各元素を挙げることができる。更に、ＺｎＯの蛍光色を変化させるためのＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｃｅ及びＭｎ等の各元素を挙げることができる。これらｎ型半導体にするための成分、ｐ型半導体にするための成分、及び、蛍光色を変化させるための成分は１種のみが含有されてもよく、２種以上が含有されてもよい。【００１２】  更に、このＺｎＯ含有部は、単結晶、多結晶及び非晶質等のいずれの状態であってもよいが、単結晶又は多結晶であることが好ましく、特に単結晶であることが好ましい。これにより発光強度が向上するからである。
このＺｎＯ含有部における単結晶とは、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸のいずれの方向においても高配向である酸化亜鉛の結晶をいう。この結晶の配向性は高い程好ましい。例えば、ｃ軸方向においては、Ｘ線回折測定（θ−θ２法）から得られる測定結果において、ＺｎＯの（０００２）面のピーク強度を「Ｉ（０００２）」とし、（０００ｎ）系列のピークを除く他のＺｎＯのよるピークの合計ピーク強度を「Ｉｅ」とした場合に、Ｉｅ／Ｉ（０００２）≦０．０００５（より好ましくはＩｅ／Ｉ（０００２）≦０．０００３、更に好ましくはＩｅ／Ｉ（０００２）≦０．０００２）であることが好ましい。
尚、上記Ｘ線回折測定におけるθ−２θ法は、測定対象の周囲に配したＸ線源と検出器とが測定対象面に対してそれぞれ角度θ及び角度２θとなるように移動しながら測定を行う方法である。【００１３】  また、ａ軸方向及びｂ軸方向においては、ａ軸方向及びｂ軸方向の反射高速電子線回折パターンを観察した場合に、任意に取り出した所望の第１位置における回折パターンと、この測定角度からｃ軸を回転軸として３０°ずらした第２位置における回折パターンと、第２位置から更に同方向へ３０°ずらした第３位置における回折パターンとのいずれの回折パターンにおいても高い配向性が示されていることであることが好ましい。更には、第１位置の回折パターンと、第３位置の回折パターンとがほぼ同じであることがより好ましい。【００１４】  上記「挟まれた構造」は、ＡｌＮ含有部によりＺｎＯ含有部が少なくとも挟まれていることを意味する。従って、ＡｌＮ含有部によりＺｎＯ含有部が取り囲まれている構造等も含まれる。この挟まれた構造を有する発光材料としては、例えば、下記（１）〜（４）が挙げられる。
（１）ＡｌＮ含有部及びＺｎＯ含有部は各々層形状であり、ＡｌＮ含有部である層にＺｎＯ含有部である層が挟まれてなる多層構造である発光材料（以下、単に「層配置型」という。図２参照）、
（２）ＡｌＮ含有部が母材となり、この母材内にＺｎＯ含有部が点在してなる発光材料（以下、単に「ドット配置型」という。図３及び図４参照）、
（３）ＡｌＮ含有部が母材となり、この母材内にＺｎＯ含有部が線状に配置されてなる発光材料（以下、単に「ライン配置型」という。図５及び図６参照）、
（４）ＡｌＮ含有部とＺｎＯ含有部とが立体的に交互に配置されてなる発光材料（以下、単に「格子配置型」という。図７及び図８参照）等が挙げられる。【００１５】  尚、図２〜８は、各発光材料（図中１）を直方体形状（二点斜線で示した）に切り出した状態を示している。更に、ＡｌＮ含有部（図中１２）をマトリックスとして考え、このマトリックス中に配置されたＺｎＯ含有部（実線で示した。図中１１等）の配置を視認し易くするために、ＡｌＮ含有部（図中１２）が図示していない。【００１６】  上記（１）の層配置型の構造を有する発光材料では、各層の形状は特に限定されず、例えば、平板状（図２は平板状を例示）及び波板状等とすることができる。更に、この各層の大きさ（厚さ及びキャビティ長等、波長及びその強度を変化させることができる大きさに関するパラメータ全てを含む。以下同様。）も特に限定されないが、通常、ＺｎＯ含有部は０．５ｎｍ以上（より好ましくは０．５ｎｍ〜１０μｍ、更に好ましくは０．５ｎｍ〜５μｍ、特に好ましくは０．５ｎｍ〜１μｍ、通常１０μｍ以下）とし、ＡｌＮ含有部は１ｎｍ以上（但し、通常５０μｍ以下）とすることが好ましい。これらの範囲であれば、効率よくキャリアをＺｎＯ内に閉じこめることができ、このため発光強度を向上させることができる。また、このうちＺｎＯ含有部の大きさを変化させることで量子井戸構造における井戸幅を変化させることができる。即ち、ＺｎＯ含有部の大きさ変化させることにより発光波長を変化させることができる。
また、各層の大きさ（例えば、厚さ等）は均一にしてもよく、非均一にしてもよい。層の大きさ（例えば、厚さ等）が均一であれば所望の波長の強度を特に強く得ることができる。一方、非均一であれば幅広い波長の光を得ることができ、所望の波長の光を必要に応じて取り出すことができる。尚、以下において説明するドット配置型におけるドット状部分の大きさ、ライン状配置型におけるライン状部分の大きさ、格子配置型における各種柱状部分等の大きさ、についても同様である。【００１７】  上記（２）のドット配置型の構造を有する発光材料では、ドット状部分がＺｎＯ含有部であり、その他の部分がＡｌＮ含有部である。ドット状部分であるＺｎＯ含有部は、ＡｌＮ含有部内に配置されている。各ドット状部分は、制御された配置（図３参照）としてもよく、制御されていない配置（図４参照）としてもよい。制御された配置とは、例えば、各ドット状部分を等間隔に配置する場合などを含む意味である。ドット状部分を制御して配置することで光の伝播を制御（例えば、指向性を持たせる等）することができる。一方、制御せず、例えば、分散して配置されている場合には、例えば、異方性のない光源として利用することができる。【００１８】  また、各ドット状部分の形状は特に限定されず、例えば、多角形粒状（図３参照、即ち、例えば、ＺｎＯ含有部固有の各種結晶形状等）及び球状（図４参照）とすることができる。更に、各ドット状部分の大きさ（各ドット状部分の最大長）も特に限定されないが、通常、０．５ｎｍ以上（但し、通常２０ｎｍ以下）であり、各ドット状部分の上下平面同士はＡｌＮ含有部により、１ｎｍ以上（但し、通常５０μｍ以下）隔てられていることが好ましい。これらの範囲であれば、発光させるのに十分な量子井戸幅を形成することができるからである。また、このうちドット状部分（ＺｎＯ含有部）の大きさを変化させることで量子井戸構造における井戸幅を変化させることができる。即ち、ＺｎＯ含有部の大きさを変化させることにより発光波長を変化させることができる。
尚、各ドット状部分の隔てられる距離は、５ｎｍ以下にした場合には、トンネル効果によりキャリアが所定のドット状部分から他のドット状部分へ伝播し、所定の大きさのドット状部分のみを発光させることができる。【００１９】  上記（３）のライン配置型の構造を有する発光材料では、ライン状部分がＺｎＯ含有部であり、その他の部分がＡｌＮ含有部である。ライン状部分であるＺｎＯ含有部は、ＡｌＮ含有部内に配置されている。各ライン状部分は、制御された配置（図５及び図６参照）としてもよく、制御されていない配置としてもよい。制御された配置とは、例えば、各ライン状部分を等間隔に配置する場合などを含む意味である。【００２０】  また、各ライン状部分の形状は特に限定されず、例えば、四角柱状（図５及び図６参照）、円柱状及び四角以外の他の多角柱状とすることもできる。更に、断面（長手方向に垂直な断面）が四角形である曲線状、断面が円形である曲線状及び断面が四角形以外の他の多角形である曲線状等とすることができる。また、ライン状部分が層状に配置されている場合には、各層毎に異なる方向を向いたライン状部分により構成されていてもよい（図６参照）。
更に、各ライン状部分の大きさ（例えば、断面の径）も特に限定されないが、通常、０．５ｎｍ以上（但し、通常２０ｎｍ以下）であり、各ライン状部分の上下平面同士はＡｌＮ含有部により、１．０ｎｍ以上（但し、通常５０μｍ以下）隔てられていることが好ましい。これらの範囲であれば、発光させるのに十分な量子井戸幅を形成することができるからである。また、このうちライン状部分（ＺｎＯ含有部）の大きさを変化させることで量子井戸構造における井戸幅を変化させることができる。即ち、ＺｎＯ含有部の大きさを変化させることにより発光波長を変化させることができる。【００２１】  上記（４）の格子配置型の構造を有する発光材料では、ドット状部分（図７参照）及びライン状部分（図８参照）がＺｎＯ含有部であり、その他の部分がＡｌＮ含有部である。各ドット状部分及び各ライン状部分の配置、形状及び大きさ等については、上記（２）及び上記（３）における各々と同様である。【００２２】  これらの本第１観点に係る発光材料を発光させる方法は特に限定されない。即ち、例えば、＜１＞発光材料の一部をｎ型半導体として形成し、他部をｐ型半導体として形成して電気的手段を用いて発光させることができる。また、＜２＞３００〜３８０ｎｍの波長を中心波長とする光を照射することにより発光させることができる。更に、＜３＞電子線を照射することにより発光させることができる。【００２３】  また、これら本第１観点に係る発光材料を得る方法は特に限定されないが、通常、本発光材料をエピタキシャル成長できる方法を用いる。即ち、例えば、気相成長法（各種ＣＶＤ法、各種ＭＢＥ法及び各種スパッタ法等）及び液相成長法等を用いることができる。なかでも気相成長法を用いて形成することが好ましい。結晶性の高い単結晶が得られ易いからである。また、Ｅｒをドープする場合はその含有量の制御性がよく、意図しない不可避不純物が含有され難い。【００２４】  また、気相成長法では、ＡｌＮ源としては、単体金属アルミニウム、窒化アルミニウ厶（焼結体等）、有機アルミニウム化合物、窒素ガス及び各種窒素含有化合物等から、各々の方法において適した材料を適宜選択することが好ましい。一方、Ｚｎ源としては、単体金属亜鉛、無機亜鉛化合物、有機亜鉛化合物、酸素ガス、各種酸素含有化合物等から、各々の方法において適した材料を適宜選択することが好ましい。尚、各単体金属亜鉛を用いる場合、このＺｎ源は純度が高い程好ましい（通常３Ｎ以上であり、好ましくは４Ｎ以上、更に好ましくは５Ｎ以上）。また、Ｅｒをドープする場合、Ｅｒ源としては、酸化物エルビウム、単体金属エルビウム、その他の無機エルビウム化合物、有機エルビウム化合物、酸素ガス、各種酸素含有化合物等から、各々の方法において適した材料を適宜選択することが好ましい。尚、単体金属エルビウムを用いる場合、このＥｒ源は純度が高いもの程好ましい（通常３Ｎ以上であり、好ましくは３．５Ｎ以上、更に好ましくは４Ｎ以上）。【００２５】  また、本第１観点に係る発光材料では、ＡｌＮ含有部と上記ＺｎＯ含有部とにより量子井戸構造が形成することができる。
上記「量子井戸構造」は、ＡｌＮとＺｎＯとによるバンドギャップを利用して形成できる。この量子井戸をどのようにして得るかは特に限定されない。例えば、上記のＺｎＯ含有部がＡｌＮ含有部に挟まれた構造を形成し、且つ、ＺｎＯ含有部により隔てられたＡｌＮ含有部間の距離を２０ｎｍ以下（特に１〜２０ｎｍの範囲で制御性に優れる）とすることにより得ることができる。
この量子井戸構造を有することで、量子井戸内にキャリア（正孔又は電子）が閉じ込められ、井戸幅に応じた準位を形成できる。従って、井戸幅を制御することで、励起子発光波長から量子準位間発光波長までの広い波長範囲で波長を変化させることができる。【００２６】［２］本第２観点に係る発光材料
本第２観点に係る発光材料は、ＺｎＯ含有部中にＥｒがドープされ、Ｅｒの含有量はＺｎＯ含有部内で偏在していることを特徴とする。
上記「ＺｎＯ含有部」は、Ｅｒがドープされていること以外、前記第１観点に係る発光材料におけるＺｎＯ含有部をそのまま適用できる。また、ＥｒのドープによるＺｎＯ含有部内のＥｒ含有は特に限定されないが２ａｔｏｍ％以下（通常０．０１ａｔｏｍ％以上）の範囲であることが好ましい。
上記「偏在」とは、ＺｎＯ含有部内においてＥｒ含有量が相対的に多い領域と、相対的に少ない領域とを備えることを意味する。このＥｒ含有量の多い領域と少ない領域とは、Ｅｒ含有量が連続的に変化してなってもよく、非連続的であってもよい。更に、ＺｎＯ含有部内には、Ｅｒが全く含有されない領域を有していてもよい。
Ｅｒが偏在して含有された発光材料を励起するとＺｎＯにより吸収されたキャリアはＥｒに伝えられ、高効率にＥｒが励起されて１．５４μｍ近傍の波長における発光効率を向上させることができる。特にＥｒを高濃度に含有する領域ではこの近赤外線域の発光を強くできる。一方、ＺｎＯが本来有する紫外発光特性は、ＥｒのドープによりＺｎＯの結晶性が乱れるため発光効率が落ちる場合がある。しかし、発光材料内にＥｒを含有しない領域又はＥｒの含有量が少ない領域を有することにより、優れた紫外発光特性を保持できる。従って、Ｅｒ含有量が偏在した発光材料では、優れた紫外発光特性と優れた近赤外発光特性とを併せ有するものとなる。【００２７】  Ｅｒ含有量の偏在の形態は特に限定されないが、例えば、以下のものとすることができる。即ち、例えば、図１４に示すように、Ｅｒにより放出される近赤外線の定在波の腹が位置する部分に向かってＥｒ濃度が次第に高くなるようにＥｒを含有させることができる。これにより、ＺｎＯにより放出される紫外線定在波の腹の位置でのＥｒ濃度が高い領域を小さく限定できるので紫外線の発光効率を落とすことなく近赤外線の発光効率を特に向上させることができる。【００２８】  更に、図１７に示すように、ＡｌＮ含有部に挟まれたＺｎＯ含有部では、ＡｌＮ含有部に接するいずれかの側のエネルギー準位を低下させることができる（例えば、分極させる等により）。この場合、キャリアはエネルギー準位の低下した側へ集中することとなる。従って、このエネルギー準位を低下させる側（部分）に予めＥｒを高濃度にドープしておけば、近赤外線の発光効率を向上させることができる。【００２９】  これらの本第２観点に係る発光材料を発光させる方法は特に限定されず、発光材料を励起させることができればよい。励起させる方法としては、電子を照射する方法、光を照射する方法、及び、電流を注入する方法等が挙げられる。
また、本発明の発光材料を得る方法は特に限定されないが、通常、本発光材料をエピタキシャル成長できる方法を用いる。即ち、例えば、気相成長法（各種ＣＶＤ法、各種ＭＢＥ法及び各種スパッタ法等）及び液相成長法等を用いることができる。なかでも気相成長法を用いて形成することが好ましい。結晶性の高い単結晶が得られ易いからである。また、Ｅｒの含有量の制御性がよく、意図しない不可避不純物が含有され難い。
また、気相成長法を用いる際のＺｎ源、及び、Ｅｒ源については、本第１観点に係る発光材料と同様である。【００３０】［３］本発明の光素子
本発明の光素子は、前記第１観点に係る発光材料及び前記第２観点に係る発光材料のうちのいずれかの発光材料からなる発光部を有することを特徴とする。【００３１】  上記「発光材料」は、各々前述の各発光材料をそのまま適用できる。また、この発光材料からなる上記「発光部」は、その形状及び大きさ等は特に限定されない。
但し、発光部から放出された光を発光部内で閉じこめる場合、即ち、例えば、光を増幅する場合等には、発光部のキャビティ長を放出される波長の整数倍とすることが好ましい。発光部に接して発光部外に配置される他部は、発光部を構成するＺｎＯ含有部及びＡｌＮ含有部と屈折率の異なる材料から形成されていればよく、他部を構成する材料は限定されない。
更に、発光強度を向上させる目的においては、発光部のキャビティ長を放出される波長の１〜１０倍（更に好ましくは１〜５倍）とすることが好ましい。これにより、発光部から取り出せる波長の選択範囲を狭くでき、強度の強い発光を得ることができる。尚、取り出す光の波長の選択範囲を広げ、特に強い発光を得なくてもよい場合には、キャビティ長は上記の範囲を超えるものであってもよい。【００３２】  本光素子は、上記発光部以外に、他部を備えることができる。他部としては、基体が挙げられる。上記「基体」は発光部を支持する部位である。この基体は１つのみを有していてもよく、２つ以上を有していてもよい（即ち、例えば、発光部の上下面を基体が挟む構造等）。また、基体の厚さ及び大きさ（平面積）等は特に限定されない。【００３３】  更に、この基体を構成する材料は限定されず、例えば、絶縁体材料及び／又は半導体材料とすることができる。絶縁材料としてはＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ２及びＭｇＯ等が挙げられ、半導体材料としてはＳｉ、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＳｉＣ等が挙げられる。
絶縁体上に発光部を形成した場合は、面内分離するだけで絶縁分離でき、光素子の構造を簡便且つ高密度化できる。更に、発生した電子を効率よく発光部に集められ発光効率を向上させることができる。
一方、半導体上に発光部を形成した場合は、半導体と発光部を構成するＺｎＯとの界面のバンドが不連続であることを利用して、光素子を電圧で制御できる。また、電極を発光部の一面側に形成した平面型デバイスとすることができる。更に、発光部と基体とを挟むように電極を形成した縦型デバイスとすることもできる。また、半導体上には、発光部に加えて、配線パターン等を同時形成でき、光素子自体をより簡便な構造とすることができる。特に基体として単結晶シリコンを用いた場合は汎用のシリコンプロセス技術を用いて効率よく光素子を製造できる。【００３４】  これらの基板を構成する各種材料のうち、発光部と接する部分に適した材料としてはＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＡｌＮ及びＳｉＯ２等が挙げられる。これらのうち、例えば、ＳｉＣ及びＡｌＮは、発光部を構成するＺｎＯ及びＡｌＮと格子定数が近いため、結晶性の高いＺｎＯ含有部を得易い。従って、発光強度を向上させることができる。また、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２は、ＺｎＯ及びＡｌＮより屈折率が小さいため光を反射させることができる。従って、発光部内に光を閉じ込めて光を増幅すること等ができる。
これらの基体を構成する材料は１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。【００３５】  更に、基体を構成する材料は、単結晶でもよく、多結晶でもよく、非晶質でもよい。但し、前述のように発光部を構成する材料は、単結晶又は多結晶であることが好ましく、更には単結晶であることが好ましい。このため、結晶質の発光部を得る場合には、基体の少なくとも発光部と接する側の表層部を構成する材料は単結晶又は多結晶であることが好ましく、単結晶であることがより好ましい。これにより、得られる発光部の結晶性を向上させることができ、光素子の発光強度を向上させることができる。【００３６】  また、基体の構成は、単層構造であってもよく、複層構造であってもく、傾斜構造であってもよい。即ち、下記（１）〜（６）等が挙げられる。
（１）単層構造
アルミナからなる基体（サファイア基体を含む）、炭化ケイ素からなる基体、窒化アルミニウムからなる基体、ケイ素からなる基体、及び、非晶質酸化ケイ素からなる基体等である。
（２）複層構造（格子定数近似化型）
発光部の主構成成分であるＺｎＯ又はＡｌＮの結晶格子との整合をよりよくするために、基体の他面側から発光部側へ向けて次第に結晶格子の格子定数がＺｎＯ又はＡｌＮに近似するように各種材料が複層化された基体等である。【００３７】  （３）複層構造（半導体層表面型）
最表層に半導体層が配置された基板である。即ち、ＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板として知られる基板が挙げられる。例えば、絶縁層（ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３等）上にＳｉ層が形成されている基板、絶縁層（ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３等）上にＳｉＣ層が形成されている基板、及び、絶縁層（ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３等）上にＡｌＮ層が形成されている基板等である。
（４）複層構造（反射能型）
発光材料から放出された光を反射する反射能を有する基体。即ち、例えば、屈折率の異なる複数の層が積層された基体、及び、屈折率がＺｎＯ含有部に比較して低い基体等が挙げられる。【００３８】  （５）複層構造（絶縁体層表面型）
最表層に絶縁層が配置された基板が挙げられる。即ち、例えば、Ｓｉ層上にＳｉＯ２層が形成された基板、Ｓｉ層上にＡｌ２Ｏ３層が形成された基板、ＳｉＣ層上にＳｉＯ２層が形成された基板、ＳｉＣ層上にＡｌ２Ｏ３層が形成された基板、ＡｌＮ層上にＳｉＯ２層が形成された基板、及び、ＡｌＮ層上にＡｌ２Ｏ３層が形成された基板等が挙げられる。
（６）傾斜構造
傾斜構造の基体とは、基体を構成する構成成分及び／又は構成成分の状態等が傾斜的である基板である。即ち、例えば、発光部と接する面を表面とした場合に、裏面側が非晶質であって、表面側へ向かうに従い結晶度が高まり、表層部は単結晶からなる基体が挙げられる。【００３９】  上記（１）〜（６）のうち上記（３）の反射型の基体を備える場合は、発光部から放出された光を反射させることで特定の方向への強い発光を得ること、及び、光の増幅等を行うことができる。上記（３）の場合に用いることができる基体としては、例えば、発光波長をλとし、基体の各層を構成する各材料の屈折率をｎとした場合に、λ／４ｎを充足するように異なる材料からなる層を交互に積層して得られる基体が挙げられる。この基体の反射率は特に限定されないが、例えば、９５％とすることもできる。このため、発光部から発せられた光は基体で反射され、発光部単独で得られるよりも更に優れた発光強度を得ることができる。上記のλ／４ｎの関係を充足できる材料の組合せとしては、ＳｉとＳｉＯ２、ＳｉＣとＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２、ＳｉとＳｉＧｅ、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＯ２、及び、ＭｇＯとＴｉＯ２等の組合せを挙げることができる。【００４０】  また、基体は、構成成分及びその構造（単層構造、複層構造及び傾斜構造等）等に関わらず、発光部から発せられる光を透過しないものであってもよいが、透過できるものであってもよい。発光部から発せされた光を透過できる基体を備える光素子は、電極等により光路を妨げられることなく広い面積にわたって発光させることができる。このような光を透過し易い基体を構成する材料としては、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２等が挙げられる。【００４１】  また、基体の形状は特に限定されない。即ち、例えば、その平面形状は四角形、円形及びその他の多角形等とすることができる。また、立体形状も特に限定されず、板状であってもよく、柱状であってもよい。更に、平板状であってもよく、凹凸を有するものであってもよく、切り欠き及び／又は貫通孔等を有するものであってもよい。【００４２】  発光部を形成される面が平面状である基体では、この面にエピタキシャル成長により発光部を形成することができる。このため、発光部の表面も平面状となり、この発光部上に、更に、他のデバイス等を容易に形成することができる。例えば、他のデバイスとして、受光素子を形成した場合には、光素子の発光を受光して電気信号へと変化することができる素子を一体的に小型に形成することができる。【００４３】  また、発光部が形成される面に凹部、凸部、切り欠き部及び貫通部等を有する基体では、微少共振器及び光導波路構造等を簡便に得ることができる。このため、これらの光素子では、発光効率を向上させることができる。また、レーザー発振を行うことができる。更に、入力光の増幅を行うことができる。また、光の変調を行うことができる。
ここでいう、凹部、凸部、切り欠き及び貫通部等の形状は特に限定されない。例えば、円柱状、角柱状及びライン状（直線状及び曲線状等を含む）などの各部が挙げられる。更に、ライン状においては、離散したラインが一体的に集合するように配置すること、及び、一体的に集合された部分から他部へ向かってラインが離散するように配置すること、ができる。
これらの凹部、凸部、切り欠き及び貫通部等の大きさは特に限定されない。例えば、凹部、切り欠き及び貫通部等の内部に発光部が配置される場合には、前記発光部の好ましい大きさとすることが好ましい。また、凸部の場合は、発光部より大きくてもよく、小さくてもよい。【００４４】  これまでに述べた基体と、発光部とは、どのように配置してもよい。即ち、下記（１）〜（４）等のような関係で配置された光素子とすることができる。
（１）基体（図中２２）上に発光部（図中２１）が積層されてなる光素子（図中２）とすることができる（図１及び図９参照）。この「積層」では、発光部は基体に直接接して積層されてもよく、基体以外の他層を介して積層されてもよい。また、図１は、各々発光部（図中２１）が層状のＡｌＮ含有部（図中１２）と層状のＺｎＯ含有部（図中１１）とが基体に対して水平に積層されたものであるが、各層（ＡｌＮ含有部及びＺｎＯ含有部）が基体に対して垂直になるように積層されていてもよい。【００４５】  （２）基体上に発光部が点在されてなる光素子とすることができる。この「点在」は、発光部は制御されて配置されてもよく、制御されずに配置されてもよい。制御されて配置とは、例えば、各発光部を等間隔に配置する場合などを含む意味である。
（３）凹部及び貫通部のうちの少なくとも一方を有する基体を備え、発光部は、凹部内及び貫通部内に発光材料が埋め込まれてなる光素子とすることができる。この「凹部及び貫通部」の形状及び大きさ等は特に限定されない。また、この「埋め込み」では、凹部及び貫通部の全部分が完全に充填されるように埋め込まれてもよく、凹部及び貫通部内の一部が埋め込まれていてもよい。
（４）発光部（図中２１）が複数の基体（図中２２）に挟まれて配置された光素子（図１０参照、図中２）とすることができる。更に、この発光部が複数の基体に挟まれて配置された構造のものを積層してなる光素子（図１１参照、図中２）とすることもできる。【００４６】  本発明の光素子は、発光部及び基体以外にも他部を備えることができる。例えば、電圧を印加するための配線を設けることができる。また、前記本第１観点及び第２観点に係る発光材料以外の材料からなる発光部を設けることもできる。【００４７】  以下、図１５を用いて本発明の光素子の一例を説明する。
図１５は、基体（図中２２）と、発光部（図中２１）と、反射層（図中２３）とを備える光素子（図中２）である。
また、基体（図中２２）は、Ｓｉウエハーからなる基体基部（図中２２１）と、基体基部上に、発光波長（例えば、０．３８μｍ）の１／４ｎ倍（但し、ｎは屈折率）の厚さのＳｉ層とＳｉＯ２層とが交互にエピタキシャル成長により積層された反射能を有する基体反射層部（図中２２２）と、基体反射層部上にエピタキシャル成長により積層され、基体反射層部と発光部を構成する材料との格子定数差を補正するための基体補正層部（図中２２３）とを備える。
更に、発光部（図中２１）は、ＺｎＯ含有部（図中２１１）とＡｌＮ含有部（図中２１２）とを備える。また、基体補正層部（図中２２３）上に接して形成され、ＡｌＮ含有部と、ＺｎＯ含有部とが交互にエピタキシャル成長により積層された部分である。
反射層（図中２３）は、前記基体反射層部と同様に、発光部（図中２１）上に、発光波長（例えば、０．３８μｍ）の１／４ｎ倍（但し、ｎは屈折率）の厚さのＳｉ層とＳｉＯ２層とが交互にエピタキシャル成長により積層された反射能を有する層である。【００４８】  この光素子（図中２）を発光させた場合、発光部（図中２１）から放出された光は、基体反射層部（図中２２２）と反射層（図中２３）との間で反射されて増幅されることとなる。
また、反射層（図中２３）の反射率を基体反射層部（図中２２２）よりも低くする（例えば、反射層の反射率を約９９％とし、基体反射層部の反射率を約１００％とする）ことにより、積層方向に対して垂直に基体と反対方向へ増幅させた光を放出させることが可能であり、特にレーザー発振させることができる。即ち、例えば、面発光素子として利用できる。更に、発光部の大きさ（キャビティ長）を発光波長の整数倍（１〜１０倍が好ましく、１〜５倍が特に好ましい）とすることにより、発光強度を向上させることができる。
【実施例】
【００４９】  以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例１
［１］光素子１（本発明品）の作製
（１）第１ＡｌＮ含有部の形成
Ａｌ２Ｏ３単結晶（０００１）基体（透明性を有するいわゆるサファイア基体である）を、脱脂処理（アセトン超音波洗浄１０分、エタノール超音波洗浄１０分、純水超音波洗浄１０分をこの順で）した後、純水を用いて流水洗浄し、次いで、窒素ガスを噴きつけて乾燥させた。その後、洗浄乾燥したこの基体をマグネトロンスパッタリング装置（ユニバーサルシステムズ社製、形式「ＵＰＳ−Ｓ３０型」）の基体ホルダーに固定した。また、ターゲット材として、純度５ＮのＡｌを用い、これをターゲットホルダーに固定した。
その後、基体を６００℃に加熱し、チャンバー内に純度６Ｎのアルゴンを１１ｃｍ３／分、純度６Ｎの窒素を７ｃｍ３／分の流速で各々導入した。この時のチャンバー内の圧力は３．５Ｐａであった。また、Ａｌには１００Ｗの高周波放電電力を加えてプラズマを発生させた。プラズマが安定したことを確認した後、基体とターゲット材との間を隔てるシャッターを開き製膜を開始した。この状態を２時間保持したのち製膜を終え、基体の温度を室温まで下げた後、チャンバー内から第１ＡｌＮ含有部が形成された基体を取り出した。得られた基体上に形成された第１ＡｌＮ含有部の厚さは１００ｎｍであった。【００５０】  （２）第１ＺｎＯ含有部の形成
上記（１）で得られた第１ＡｌＮ含有部の形成にひきつづいてＺｎＯの成長をおこなう。された基体の第１ＡｌＮ含有部を表にして、上記（１）と同様にマグネトロンスパッタリング装置の基体ホルダーに固定した。また、ターゲット材として、純度５ＮのＺｎを用い、これをターゲットホルダーに固定した。
その後、基体を６００℃に加熱し、チャンバー内にアルゴンを１６ｃｍ３／分、酸素を４ｃｍ３／分の流速で各々導入した。この時のチャンバー内の圧力は４Ｐａであった。また、Ｚｎには１００Ｗの高周波放電電力を加えてプラズマを発生させた。プラズマが安定したことを確認した後、第１ＡｌＮ含有部表面とターゲット材との間を隔てるシャッターを開き製膜を開始した。この状態を２秒間保持したのち製膜を終え、基体の温度を室温まで下げた後、チャンバー内から第１ＺｎＯ含有部が形成された基体を取り出した。得られた基体の第１ＡｌＮ含有部上に形成された第１ＺｎＯ含有部の厚さは３ｎｍであった。【００５１】  （３）多層化工程
上記（２）で形成された第１ＺｎＯ含有部上に、上記（１）と同様にして第２ＡｌＮ含有部を厚さが１９ｎｍとなるように製膜した。
次いで、得られた第２ＡｌＮ含有部上に上記（２）と同様にして第２ＺｎＯ含有部を厚さが３ｎｍとなるように製膜した。
その後、得られた第２ＺｎＯ含有部上に上記（１）と同様にして第３ＡｌＮ含有部を厚さが１９ｎｍとなるように製膜した。
次いで、得られた第３ＡｌＮ含有部上に上記（１）と同様にして第３ＺｎＯ含有部を厚さが３ｎｍとなるように製膜した。
その後、得られた第３ＺｎＯ含有部上に上記（１）と同様にして第４ＡｌＮ含有部を厚さが１００ｎｍとなるように製膜した。
このようにして、層状のＡｌＮ含有部に３ｎｍの厚さのＺｎＯ含有部がＡｌＮ含有部１９ｎｍの厚さを介して積層された光素子１を得た。
即ち、光素子１は下記順で各層を備える多層構造を呈する。
光素子１  ：  ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
ＺｎＯ    （３ｎｍ）
ＡｌＮ    （１９ｎｍ）
ＺｎＯ    （３ｎｍ）
ＡｌＮ    （１９ｎｍ）
ＺｎＯ    （３ｎｍ）
ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
サファイア基体【００５２】［２］光素子２、光素子３及び光素子４の作製（本発明品）
上記［１］と同じ要領により、下記順で各層を備える多層構造を呈する光素子２〜４を得た。
光素子２  ：  ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
ＺｎＯ        （４ｎｍ）
ＡｌＮ      （１７ｎｍ）
ＺｎＯ        （４ｎｍ）
ＡｌＮ      （１７ｎｍ）
ＺｎＯ        （４ｎｍ）
ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
サファイア基体【００５３】  光素子３  ：  ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
ＺｎＯ        （５ｎｍ）
ＡｌＮ      （１６ｎｍ）
ＺｎＯ        （５ｎｍ）
ＡｌＮ      （１６ｎｍ）
ＺｎＯ        （５ｎｍ）
ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
サファイア基体【００５４】  光素子４  ：  ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
ＺｎＯ        （６ｎｍ）
ＡｌＮ      （１５ｎｍ）
ＺｎＯ        （６ｎｍ）
ＡｌＮ      （１５ｎｍ）
ＺｎＯ        （６ｎｍ）
ＡｌＮ    （１００ｎｍ）
サファイア基体【００５５】［３］ＺｎＯのバンド端発光スペクトルによるピーク波長の評価
上記［１］及び上記［２］で得られた光素子１〜４の各々に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの２６６ｎｍの光を１０ｍＷの強さで照射してＺｎＯのバンド端発光スペクトルを観察した。この発光の各光素子によるピーク波長を読み取った。その結果、各光素子から得られたピーク波長は以下の通りであった。
光素子１（ＺｎＯ含有部３ｎｍ）のピーク波長３０２ｎｍ
光素子２（ＺｎＯ含有部４ｎｍ）のピーク波長３３０ｎｍ
光素子３（ＺｎＯ含有部５ｎｍ）のピーク波長３４４ｎｍ
光素子４（ＺｎＯ含有部６ｎｍ）のピーク波長３５４ｎｍ
理論計算から得られたＺｎＯ含有部の幅と量子間準位エネルギーとの相関を図１２に点線でプロットした。更に、上記光素子１〜４の発光による各ピーク波長をエネルギーに換算（１２４０／波長ｎｍ）して図１２に、実線により示した。この結果より、ＺｎＯ含有部の厚さを変化させることでピーク波長を変化させることができることが分かる。また、そのピーク波長は理論計算値と非常に近似されていることが分かる。即ち、励起子発光波長から量子準位間発光波長までの広い波長範囲の間で所望の波長を得ることができることとなる。【００５６】  尚、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは集光照射した。また、各光素子から発せられた光は、集光した後、回折格子分光器（日本分光株式会社製、形式「Ｇ−２５Ｃ型」）に導入し、この分光器を通した光を紫外光用検出器（浜松ホトニクス株式会社製、形式「ホトマルチメータＲ３８９６」）で検出して得られた電圧をロックインアンプに導入して増幅した。【００５７】  実施例２
［１］光素子５（本発明品）の作製
（１）第１ＡｌＮ含有部の形成
ＳｉＯ２からなる絶縁層上にＳｉＣ層が形成されたＳｉＣ−ＯＩ基体を、実施例１における［１］と同様に脱脂・洗浄・乾燥させた。その後、この基体のＳｉＣ層を表にしてマグネトロンスパッタリング装置（ユニバーサルシステムズ社製、形式「ＵＰＳ−Ｓ３０型」）の基体ホルダーに固定した。
その後、実施例１における［１］（１）と同様にして厚さ２９５ｎｍの第１ＡｌＮ含有部を製膜した。【００５８】  （２）Ｅｒをドープした第１ＺｎＯ含有部の形成
上記（１）で得られた第１ＡｌＮ含有部が形成された基体の第１ＡｌＮ含有部を表にして、上記（１）と同様にマグネトロンスパッタリング装置の基体ホルダーに固定した。また、ターゲット材として、純度５ＮのＺｎ及び純度４ＮのＥｒ２Ｏ３を用い、各々をターゲットホルダーに固定した。
その後、基体を６００℃に加熱し、チャンバー内にアルゴンを１６ｃｍ３／分、酸素を４ｃｍ３／分の流速で各々導入した。この時のチャンバー内の圧力は４Ｐａであった。また、Ｚｎには１００Ｗの高周波放電電力を加え、Ｅｒ２Ｏ３には２４Ｗの高周波放電電力を加えてプラズマを発生させた。プラズマが安定したことを確認した後、第１ＡｌＮ含有部と各ターゲット材との間を隔てるシャッターを開き製膜を開始した。この状態を１２秒間保持したのち製膜を終え、基体の温度を室温まで下げた後、チャンバー内から基体を取り出した。得られた基体上に形成された第１ＺｎＯ含有部の厚さは２０ｎｍであり、Ｅｒ含有量は０．２ａｔｍ％であった。【００５９】  （３）多層化工程
上記（２）で形成された第１ＺｎＯ含有部上に、上記（１）と同様にして第２ＡｌＮ含有部を厚さが２０ｎｍとなるように製膜した。
その後、この各々２０ｎｍの厚さのＺｎＯ含有部とＡｌＮ含有部とを繰り返し５回積層した。次いで、上記（１）と同様にして厚さ２９５ｎｍのＡｌＮ含有部を製膜した。
このようにして、層状のＡｌＮ含有部に２０ｎｍの厚さのＺｎＯ含有部がＡｌＮ含有部２０ｎｍの厚さを介して積層された光素子５を得た。
即ち、光素子５は、下記順で各層を備える多層構造を呈する。
光素子５  ：  ＡｌＮ        （２９５ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ    （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ    （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ    （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ    （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ    （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ    （２０ｎｍ）
ＡｌＮ        （２９５ｎｍ）
ＳｉＣ−ＯＩ基体【００６０】［２］光素子６（比較品）の作製
Ａｌ２Ｏ３単結晶（０００１）基体（透明性を有するいわゆるサファイア基体である）を、実施例１における［１］と同様に脱脂・洗浄・乾燥させた。その後、この基体をマグネトロンスパッタリング装置（ユニバーサルシステムズ社製、形式「ＵＰＳ−Ｓ３０型」）の基体ホルダーに固定した。また、上記（２）と同様にしてＥｒをドープしたＺｎＯ含有部を製膜して、下記順で各層を備える多層構造を呈する光素子６を得た。得られた基体上に形成されたＺｎＯ含有部のＥｒ含有量は０．２ａｔｍ％であった。
光素子６  ：  ＺｎＯ／Ｅｒ  （１２０ｎｍ）
Ｓサファイア基体【００６１】［３］Ｅｒの内殻遷移発光スペクトルによる発光強度の比較
上記［１］で得られた光素子５と、上記［２］で得られた光素子６とを用い、Ａｒレーザーの３５４．１ｎｍの光を７ｍＷの強さで照射してＥｒの内殻遷移発光スペクトルによる発光強度を比較した。
その結果、光素子５による波長１．５４μｍの光の発光強度は、光素子６のそれの約１０倍の強度であった。この結果より、本発明品によると、ＡｌＮとＺｎＯにより形成される大きなバンド不連続を利用することで、これを用いない場合の１０倍以上大きな近赤外線発光強度を得ることが可能であることが分かる。
尚、Ａｒレーザーは、励起光を１３Ｈｚのチョッパーでチョッピングした後、集光照射した。また、各光素子から発せられた光は、集光した後、光学フィルターＬ３７を通過させてから回折格子分光器（日本分光株式会社製、形式「Ｇ−２５Ｃ型」）に導入し、この分光器を通した光を赤外線用検出器｛ＡＰＰＬＩＥＤ  ＤＥＴＥＣＴＯＲ社製、品名「ＩＲ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（Ｇｅディテクター）ｍｏｄｅｌ  ４０３Ｌ」｝で検出して得られた電圧をロックインアンプに導入して増幅した。【００６２】  実施例３
［１］光素子７（本発明品）の作製
発光波長０．３８μｍの１／４ｎ倍（但し、ｎは屈折率）の厚さのＳｉ層（０．０２５μｍ）とＳｉＯ２層（０．０６２μｍ）とが交互に、１０層積層された反射能を有する基体を、実施例１における［１］と同様に脱脂・洗浄・乾燥させた。その後、この基体のＳｉ層を表としてマグネトロンスパッタリング装置（ユニバーサルシステムズ社製、形式「ＵＰＳ−Ｓ３０型」）の基体ホルダーに固定した。
その後、実施例１等において用いたＡｌＮ含有部（図中１２）、ＥｒがドープされたＺｎＯ含有部（図中１１ｂ）、及び、ＥｒがドープされていないＺｎＯ含有部（図中１１ａ）の各々を製膜し、下記順で各層を備える多層構造を呈する光素子７（図１３参照、図中２）を得た。【００６３】  光素子７  ：  ＡｌＮ        （１７５ｎｍ）
ＺｎＯ          （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ          （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ／Ｅｒ  （２００ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ          （２０ｎｍ）
ＡｌＮ          （２０ｎｍ）
ＺｎＯ          （２０ｎｍ）
ＡｌＮ        （１７５ｎｍ）
反射能を有する基体【００６４】［２］光素子８（比較品）の作製
Ａｌ２Ｏ３単結晶（０００１）基体（透明性を有するいわゆるサファイア基体である）を、実施例１における［１］と同様に脱脂・洗浄・乾燥させた。その後、この基体をマグネトロンスパッタリング装置（ユニバーサルシステムズ社製、形式「ＵＰＳ−Ｓ３０型」）の基体ホルダーに固定した。また、上記（２）と同様にしてＥｒをドープせずＺｎＯ含有部を製膜して、下記順で各層を備える光素子８を得た。
光素子８  ：  ＺｎＯ（２８０ｎｍ）
サファイア基体【００６５】［３］ＺｎＯのバンド端発光スペクトル及びＥｒの内殻遷移発光スペクトルによる発光強度の比較
上記［１］で得られた光素子７と、前記実施例２で得られた光素子６、及び、上記［２］で得られた光素子８とを用い、実施例２の［３］と同様にＡｒレーザーの３５４．１ｎｍの光を７ｍＷの強さで照射して、ＺｎＯのバンド端発光スペクトル及びＥｒの内殻遷移発光スペクトルによる発光強度を比較した。尚、発光強度の測定に際しては紫外線は前記実施例１と同様の方法で測定し、近赤外線は実施例２と同様の方法で測定した。
その結果、光素子７による波長３８０ｎｍの発光強度は、光素子８の３倍の発光強度が得られた。一方、波長１．５４μｍの発光強度は、光素子６の５倍の発光強度が得られた。【００６６】  即ち、ＥｒをドープしたＺｎＯ含有部とＥｒをドープしていないＺｎＯ含有部との両方を、ひとつの光素子内に形成することで、紫外光と近赤外光の両方を強く発光させられることが分かる。更に、基体が反射能を有する一方、光素子７の外部は屈折率の小さい空気に満たされているため、基体を下部ミラー、空気を上部ミラーとして機能させて、光を閉じ込めることができる。更に、本発光材料は優れたＺｎＯへの電子の閉じ込め効果を有する。これらの相乗により、発光強度はサファイア基板にＺｎＯを積層しただけの光素子６及び８に比べると、強い発光が得られることが分かる。【００６７】［５］発光強度の角度依存性の評価
光素子７及び励起光源（Ａｒレーザー）を治具に固定し、光素子７と励起光源との角度を保持した。次いで、実施例２の［３］と同様にＡｒレーザーの３５４．１ｎｍの光を７ｍＷの強さで照射しながら、光素子７と各検出器（紫外線は前記実施例１で用いた紫外線用検出器、近赤外線は実施例２で用いた赤外線用検出器を使用）とのなす角度を変化させて、光素子７から発光されている波長３８０ｎｍ及び波長１．５４μｍの各々の光の発光強度が最も強くなる角度を測定した。
その結果、波長３８０ｎｍの紫外線は、ＺｎＯ含有部の積層方向に対して垂直な方向において極大となることが分かった。一方、波長１．５４μｍの近赤外線は、ＺｎＯ含有部の積層方向に対して７５．７度傾いた方向において極大となることが分かった。【００６８】  この結果から、キャビティ長（即ち、本素子でいう発光部の積層方向の厚さ）を得られる紫外線の波長の整数倍にすることで、１つの光素子から効率よく紫外線と近赤外線との両方を得ることができることが分かった。即ち、ＺｎＯ含有部の積層方向に対して垂直な方向では強い紫外線発光を得ることができ、紫外線の最も強く得られる角度に対して約±７６度の方向からは強い近赤外線発光を得ることができる。【００６９】  実施例４
［１］光素子９（本発明品）の作製
一辺が４００ｎｍ（波長３８０ｎｍの２波長分／ｎ）。但し、ｎは屈折率であり、ＺｎＯ及びＡｌＮの屈折率であるｎ＝１．９である）の正方形凸部を有するＳＯＩ基体（ＳｉＯ２上にＳｉが積層されている基体）を、実施例１における［１］と同様に脱脂・洗浄・乾燥させた。その後、この基体の凸面である単結晶Ｓｉからなる（凸面を補充頂きましたが、材料名も補充下さい。下層の材料種により結晶性が変化し、発光特性も変化すると思いますので、決定した法が良いと思います。折角示すデータが意味のないものになってしまうので）面を表にしてマグネトロンスパッタリング装置（ユニバーサルシステムズ社製、形式「ＵＰＳ−Ｓ３０型」）の基体ホルダーに固定した。また、ターゲット材として、純度５ＮのＺｎ及び純度４ＮのＥｒ２Ｏ３を用い、各々をターゲットホルダーに固定した。【００７０】  その後、基体を６００℃に加熱し、チャンバー内にアルゴンを１６ｃｍ３／分、酸素を４ｃｍ３／分の流速で各々導入した。この時のチャンバー内の圧力は４Ｐａであった。そして、先ずＺｎに１００Ｗの高周波放電電力を加えてプラズマを発生させた。プラズマが安定したことを確認した後、ＳＯＩ基体の表面とターゲット材との間を隔てるシャッターを開き２５分間製膜を行った。その後、ＺｎＯのスパッタリングは続行しながら、Ｅｒ２Ｏ３にも２４Ｗの高周波放電電力を加えてＥｒを１０分間ドープした。１０分経過後、Ｅｒのスパッタリングを停止し、Ｚｎは更に２５分間スパッタリングした後停止した。
この結果、８１０ｎｍのＺｎＯ含有部の中心部１３５ｎｍの範囲にはＥｒがドープされた光素子９（図１４参照、図中２）を得た。【００７１】［２］ＺｎＯのバンド端発光スペクトル及びＥｒの内殻遷移発光スペクトルによる発光強度の比較
上記［１］で得られた光素子９と、前記実施例２で得られた光素子６、及び、前記実施例３で得られた光素子８とを用い、実施例２の［３］と同様にＡｒレーザーの３５４．１ｎｍの光を７ｍＷの強さで照射して、ＺｎＯのバンド端発光スペクトル及びＥｒの内殻遷移発光スペクトルによる発光強度を比較した。尚、発光強度の測定に際しては紫外線は前記実施例１と同様の方法で測定し、近赤外線は実施例２と同様の方法で測定した。
その結果、光素子９による波長３８０ｎｍの発光強度は、光素子８の約３倍であった。一方、波長１．５４μｍの発光強度は、光素子６の約２倍であった。即ち、１つのＺｎＯ含有部中でＥｒが偏在していることにより、紫外光及び近赤外光の両方の光を発することができることが分かる。更に、ＺｎＯ含有部のキャビティ長を制御することで発光強度が強くなることが分かる。【００７２】［３］発光強度の角度依存性の評価
積層方向に対して垂直な方向では、波長３８０ｎｍの紫外線の発光強度に対して波長１．５４μｍの近赤外線の発光強度は３倍であった。即ち、積層方向に対して垂直な方向では波長１．５４ｕｍの近赤外線発光が支配的であった。
一方、積層方向に対して水平な方向では、波長１．５４μｍの近赤外線の発光強度に対して波長３８０ｎｍの紫外線の発光強度は１０倍であった。即ち、積層方向に対して水平な方向では波長３８０ｎｍの紫外線発光が支配的であった。【００７３】  これらの結果から、発光部の横方向の軸長を「紫外光１波長の整数倍／屈折率」にあたる長さにし、積層厚を「近赤外光１波長の整数倍／屈折率」にあたる長さにすることで、ＺｎＯ含有部の積層方向に対して垂直な方向からは強い近赤外線発光を得ることができることが分かる。一方、ＺｎＯ含有部の積層方向に対して水平な方向からは強い近赤外線発光を得ることができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】  本発明の光素子は、光関連分野に広く利用される。例えば、変調素子及び増幅素子等として利用される。これらの変調素子及び増幅素子は、例えば、光通信、光変換（紫外光を近赤外光へ変換、近赤外光を紫外光へ変換等）及び光演算等に用いることができる。また、発光ダイオード用光素子、レーザー発振器用光素子及び共振器用光素子等として利用される。これら各光素子は、例えば、光通信、光記録（読み取り・書き込みを含む）及び光表示（自身の発光及び蛍光体の励起源等として利用）等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】  本発明の発光材料の一例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図２】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図３】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図４】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図５】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図６】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図７】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図８】  本発明の発光材料の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図９】  本発明の光素子の一例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図１０】  本発明の光素子の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図１１】  本発明の光素子の他例を、模式的に透過斜視した説明図である。
【図１２】  実施例１で得られた量子間準位エネルギーとＺｎＯ含有部の厚さ（井戸幅）との相関を示すグラフである。
【図１３】  実施例３で得られた光素子７の断面と、発光方向とを模式的に示す説明図である。
【図１４】  実施例４で得られた光素子９の断面と、発光方向とを模式的に示す説明図である。
【図１５】  本発明の光素子の他例の断面を模式的に示した説明図である。
【図１６】  励起子発光と量子井戸構造による量子準位間発光とを説明する説明図である。
【図１７】  本第２観点に係る発光材料に関する説明図である。
【符号の説明】
【００７６】  １；発光材料、１１；ＺｎＯ含有部、１２；ＡｌＮ含有部、２；光素子、２１；発光部、２１１；ＺｎＯ含有部、２１２；ＡｌＮ含有部、２２；基体、２２１；基体基部、２２２；基体反射層部、２２３；基体補正層部、２３；反射層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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