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JP2016157740A - Light emission element - Google Patents

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JP2016157740A JP2015032976A JP2015032976A JP2016157740A JP 2016157740 A JP2016157740 A JP 2016157740A JP 2015032976 A JP2015032976 A JP 2015032976A JP 2015032976 A JP2015032976 A JP 2015032976A JP 2016157740 A JP2016157740 A JP 2016157740A
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一行 平間
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芳孝 谷保
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慎一 狩元
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To more greatly enhance the light emission intensity and the light emission efficiency of a light emission element based on a light emission layer configured by diamond.SOLUTION: A light emission element includes a first semiconductor layer 102 which is formed on a substrate 101 and comprises a first conduction type nitride semiconductor, a light emission layer 103 which comprises a diamond and is formed in contact with the first semiconductor layer 102, and a second semiconductor layer 104 which comprises a second conduction type nitride semiconductor and is formed in contact with the light emission layer 103. The first semiconductor layer 102 comprises c-BN which is set to a p-type by doping Mg as an acceptor. The second semiconductor layer 104 comprises c-BN which is set to an n-type by doping Si as a donor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ダイヤモンドを用いた発光素子に関する。   The present invention relates to a light emitting element using diamond.

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。   Diamond has a large band gap energy of 5.5 eV, and emits light in the ultraviolet region having an emission wavelength of 235 nm, so that it is expected to be applied to an ultraviolet light emitting device. In addition, a light-emitting device including a light-emitting layer made of diamond having an NV center (nitrogen-vacancy center) can be used as a single photon source. The NV center is a complex impurity defect composed of a pair of nitrogen substituted for carbon in the diamond lattice and vacancies in which carbon atoms are removed from lattice positions adjacent to the substituted nitrogen.

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。   However, the conventional p-type diamond, diamond light-emitting layer (i-layer), and p-i-n diamond light-emitting diode composed of n-type diamond have low ultraviolet emission and NV center emission intensity and emission efficiency. This low light emission intensity and light emission efficiency are caused by the following. First, the hole concentration of p-type diamond and the electron concentration of n-type diamond are low. The second is a homojunction structure in which electrons and holes, that is, carriers cannot be confined in the diamond light emitting layer. Third, there is an element structure in which light cannot be extracted with high efficiency.

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。   In the past, it was necessary to apply a large forward voltage in order to supply a sufficient amount of carriers to the light emitting layer, and low voltage operation was not possible.

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。   Hereinafter, diamond light emitting diodes currently reported will be described. Currently, the following three diamond light emitting diodes have been proposed.

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。   First, there is a diamond light emitting diode having a structure in which an undoped diamond layer is sandwiched between an n-type diamond layer and a p-type diamond layer (see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 9, this light-emitting diode is doped with boron (B) to be p-type diamond layer 501, light-emitting layer 502 made of undoped i-type diamond, and phosphorus. and an n-type diamond layer 503 having an n-type. A p-electrode 504 is ohmically connected to the p-type diamond layer 501, and an n-electrode 505 is ohmically connected to the n-type diamond layer 503. When the carriers injected from the p-type diamond layer 501 and the n-type diamond layer 503 into the light-emitting layer 502 are recombined by light emission, the diamond light-emitting diode emits ultraviolet light centering on a wavelength of 235 nm.

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。 By the way, since the ionization energy of the acceptor and donor of diamond is large, the above-described light emission requires that the p-type diamond layer 501 and the n-type diamond layer 503 are doped with acceptor and donor impurities at a high concentration. . For example, in order to increase the hole concentration of the p-type diamond layer 501 and the electron concentration of the n-type diamond layer to 10 15 cm −3 or more, it is necessary to set the acceptor concentration and the donor concentration to 10 18 cm −3 or more. However, crystal defects associated with high concentration doping tend to occur, and the crystallinity of diamond deteriorates. Since the luminous efficiency is lowered due to the deterioration of the crystallinity, in the diamond light emitting diode described above, the emission intensity does not increase even if the hole concentration and the electron concentration are increased to 10 15 cm −3 or more.

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。   In addition, since the hole concentration of the p-type diamond layer 501 and the electron concentration of the n-type diamond layer 503 are low, the element resistance is increased. In the above-described diamond light-emitting diode, in order to obtain light emission at a wavelength of 235 nm, It is necessary to apply a forward voltage. Further, the above-described light emitting diode has a homojunction structure in which the p-i-n junction cannot confine carriers in the light emitting layer, has a low light emission recombination probability, and also has low light emission efficiency. In the above-described diamond light emitting diode, most of the light generated in the light emitting layer 502 is reflected and absorbed by the p electrode 504 and the n electrode 505, and light cannot be extracted efficiently.

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。   Next, there is a diamond light emitting diode including a p-type diamond layer and an n-type aluminum nitride layer (see Non-Patent Document 2). As shown in FIG. 10, this light-emitting diode includes a p-type diamond layer 601 made p-type by doping B and an n-type AlN layer 602 made n-type by doping silicon (Si). . A p-electrode 603 is ohmically connected to the p-type diamond layer 601, and an n-electrode 604 is ohmically connected to the n-type AlN layer 602.

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。   In this diamond light emitting diode, the p-type diamond layer 601 also serves as a light emitting layer. The n-type AlN layer 602 supplies a higher concentration of electrons to the p-type diamond layer 601 serving as a light-emitting layer than the case where n-type diamond is used because the ionization energy of donor impurities is smaller than that of n-type diamond. be able to.

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。   However, since the lattice mismatch between AlN and diamond is large, the n-type AlN layer 602 grown on the p-type diamond layer 601 has poor crystallinity. For this reason, a heterojunction diamond light emitting diode having the above structure with good crystallinity and high light emission intensity and light emission efficiency has not been produced so far.

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。   Next, there is a diamond light emitting diode having a structure in which a diamond layer having an NV center is sandwiched between an n-type diamond layer and a p-type diamond layer (see Non-Patent Document 3). As shown in FIG. 11, this light-emitting diode has a p-type diamond layer 701 made p-type by doping B, a light-emitting layer 702 made of diamond containing an NV center, and an n-type by doping phosphorus. N-type diamond layer 703. An NV center can be formed by performing heat treatment after ion implantation of nitrogen into diamond. A p-electrode 704 is ohmically connected to the p-type diamond layer 701, and an n-electrode 705 is ohmically connected to the n-type diamond layer 703.

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。 However, like the element of Non-Patent Document 1, the hole concentration of the p-type diamond layer 701 is as low as 1 × 10 16 cm −3 or less, and the electron concentration of the n-type diamond layer 703 is as low as 1 × 10 15 cm −3 or less. In addition, since it is impossible to efficiently confine carriers in the light emitting layer 702 and to efficiently extract light from the light emitting layer 702, even in a diamond light emitting diode having an NV center, light emission intensity and light emission efficiency are low. . In this structure, in order to supply a sufficient amount of carriers to the light emitting layer 702, it is necessary to apply a large forward voltage of 30 V or more to the p-type diamond layer 701 and the n-type diamond layer 703.

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.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. 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.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. 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.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.

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。   As described above, the conventional diamond light emitting device has a problem that the light emission intensity and the light emission efficiency cannot be increased so much.

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。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to further increase the light emission intensity and light emission efficiency of a light-emitting element using a light-emitting layer made of diamond.

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。   The light emitting device according to the present invention includes a first semiconductor layer formed on a substrate and made of a first conductive type nitride semiconductor or a first conductive type diamond, and a first semiconductor layer made of diamond. A light emitting layer formed in contact with the upper surface; and a second semiconductor layer formed of a second conductivity type nitride semiconductor and formed in contact with the light emitting layer.

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。   In the light-emitting element, the nitride semiconductor may have a band gap energy of 5.5 eV or more.

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。 In the light-emitting element, the light-emitting layer is a composite impurity defect NV consisting of a pair of nitrogen substituted for carbon in the diamond lattice and vacancies in which carbon atoms are removed from lattice positions adjacent to the substituted nitrogen. The center may be provided, and the density of the NV center in the light emitting layer may be 10 4 to 10 9 cm −2 .

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ればよい。   In the above light-emitting element, the nitride semiconductor may include B as a constituent element, at least one of Mg, Be, C, Zn, and Ca as an acceptor and at least one of Si, O, S, and Se as a donor. Good.

上記発光素子において、窒化物半導体は、閃亜鉛鉱構造とされていればよい。また、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ればよい。   In the light emitting element, the nitride semiconductor may have a zinc blende structure. In addition, the bonding directions of the first semiconductor layer, the light emitting layer, and the second semiconductor layer may be any one of (001), (110), (113), and (111).

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も良い。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。   In the light emitting device, the nitride semiconductor may have a wurtzite structure. In this case, the bonding surface of the layer made of diamond may have a plane orientation of (111), and the bonding surface of the nitride semiconductor layer with the layer of diamond may have a plane orientation of (0001). .

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。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that the light emission intensity and the light emission efficiency of the light emitting element by the light emitting layer composed of diamond can be further increased.

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。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 2B is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 2C is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 2D is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 2E is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 2 of the present invention. 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。FIG. 4A is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining a method for manufacturing a light-emitting element in Embodiment 2 of the present invention. 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。FIG. 4B is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 2 of the present invention. 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。FIG. 4C is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 2 of the present invention. 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。FIG. 4D is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light emitting element in the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4E is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 2 of the present invention. 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。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 6A is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining a method for manufacturing a light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 6B is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 6C is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 6D is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 6E is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 6F is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 8A is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining a method for manufacturing a light-emitting element in Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 8B is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 8C is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 8D is a cross-sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 8E is a cross-sectional view showing a cross-section in each step for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 8F is a cross sectional view showing a cross section in each step for explaining the method for manufacturing the light emitting element in Embodiment 4 of the present invention. 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。FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a light-emitting diode using diamond disclosed in Non-Patent Document 1. 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。FIG. 10 is a configuration diagram showing a configuration of a light-emitting diode using diamond shown in Non-Patent Document 2. 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。FIG. 11 is a configuration diagram showing a configuration of a light-emitting diode using diamond shown in Non-Patent Document 3.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

［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。 [Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention. The light emitting element is formed of a first semiconductor layer 102 made of a first conductivity type nitride semiconductor formed on a substrate 101 and a diamond made of and in contact with the first semiconductor layer 102. The light emitting layer 103 and a second semiconductor layer 104 made of a second conductivity type nitride semiconductor and formed on and in contact with the light emitting layer 103 are provided. The first electrode 105 is connected to the substrate 101, and the second electrode 106 is connected to the second semiconductor layer 104.

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。   The substrate 101 is made of, for example, p-type diamond doped with B, and the surface orientation of the main surface is (001). The first semiconductor layer 102 is made of, for example, cubic boron nitride (c-BN) having a zinc blende structure that is p-type by doping magnesium (Mg) as an acceptor. The second semiconductor layer 104 is made of c-BN, for example, which is made n-type by doping Si as a donor. c-BN has a band gap energy of 6.2 eV. In this case, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.

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。   Next, a method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating cross-sections in respective steps for describing the method for manufacturing the light-emitting element in the first embodiment.

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。 First, as shown in FIG. 2A, a substrate 121 made of diamond having a main surface with a plane orientation of (001) is prepared. The substrate 121 is a p-type doped with B. On the substrate 121 configured as described above, a p-type c-BN layer 122 doped with Mg is formed. For example, the p-type c-BN layer 122 may be grown by ion beam assisted molecular beam epitaxy (MBE). The acceptor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the hole concentration is 1 × 10 16 cm −3 . The p-type c-BN layer 122 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。 Next, as illustrated in FIG. 2B, a diamond layer 123 is formed on the p-type c-BN layer 122. For example, an undoped diamond may be formed by a plasma chemical vapor deposition (CVD) method with the surface orientation of the main surface being (001). As the source gas, methane gas (3 sccm) and hydrogen gas (297 sccm) may be used. Note that sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1013 hPa flows 1 cm 3 per minute. Further, oxygen gas (0.3 sccm) is added during growth in order to reduce the residual impurity concentration. The diamond layer 123 may be formed to a thickness of about 1000 nm.

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。 Next, as shown in FIG. 2C, an n-type c-BN layer 124 doped with Si is formed on the diamond layer 123. For example, the n-type c-BN layer 124 may be grown by ion beam assisted MBE. The donor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the electron concentration is 1 × 10 16 cm −3 . The n-type c-BN layer 124 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, the p-type c-BN layer 122, the diamond layer 123, and the n-type c-BN layer 124 stacked as described above are patterned, and as shown in FIG. 2D, a first semiconductor layer having a mesa structure as an element portion 102, a light emitting layer 103, and a second semiconductor layer 104 are formed. For example, a resist pattern covering a portion to be an element portion is formed by a known lithography technique, and the p-type c-BN layer 122 and the diamond layer 123 are formed by a dry etching technique using oxygen gas using the formed resist pattern as a mask. The n-type c-BN layer 124 may be selectively etched. By this patterning, the upper surface of the substrate 121 is exposed on the side of the element portion.

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。   Next, as shown in FIG. 2E, a first electrode 125 that is ohmically connected is formed on the surface of the substrate 121 exposed to the side of the element portion including the first semiconductor layer 102, the light emitting layer 103, and the second semiconductor layer 104. To do. In addition, the second electrode 106 that is in ohmic contact is formed on the upper surface of the second semiconductor layer 104. For example, a lift-off mask having an opening is formed in the electrode formation region, and Au, Pt, and Ti are deposited thereon by electron beam evaporation. Next, the lift-off mask is removed to form the first electrode 125 and the second electrode 106 made of Ti / Pt / Au (lift-off method). Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. for 10 minutes, so that the formed first electrode 125 and second electrode 106 are in ohmic contact.

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。   The light emitting element in Embodiment 1 described above exhibited ultraviolet light emission centered on a wavelength of 235 nm by current injection through each electrode. Since c-BN constituting the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 has a larger band gap energy than diamond, carriers are confined in the light emitting layer 103 made of undoped diamond, Emission recombination occurs efficiently.

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。   In the light-emitting element described with reference to FIG. 2E, part of the light generated in the light-emitting layer 103 is reflected and absorbed by the second electrode 106 above the light-emitting layer 103, but immediately below the light-emitting layer 103. Since there is no electrode, it is possible to extract light efficiently. Further, the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 made of a nitride semiconductor can increase the carrier concentration. For this reason, for example, compared with the element of nonpatent literature 1, it becomes possible to operate at a lower operating voltage, and high luminous intensity and luminous efficiency can be obtained.

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。   In the light-emitting element in Embodiment 1, since the lattice constant difference between c-BN forming the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 and diamond forming the light-emitting layer 103 is small, the crystallinity A good heterojunction can be formed. As a result, the light emitting element of Embodiment 1 can obtain higher light emission intensity and higher light emission efficiency than the light emitting diode shown in Non-Patent Document 2.

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。   By the way, in the light-emitting element having the basic structure in Embodiment 1 described with reference to FIG. 1, the first electrode 105 is formed on the substrate side as viewed from the light-emitting layer 103, and reflection and absorption are also generated here. It is the composition to do. In this configuration, the light emission intensity is lower than that of the light-emitting element described with reference to FIG. 2E, but it operates at a lower operating voltage and has a higher light emission intensity than the diamond light-emitting diode of Non-Patent Document 1. And high luminous efficiency can be obtained.

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。 In the first embodiment described above, the hole concentration of the first semiconductor layer 102 is 1 × 10 16 cm −3 and the electron concentration of the second semiconductor layer 104 is 1 × 10 16 cm −3. It is not limited to. Each concentration may be in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 20 cm −3 . In this concentration range, the higher the hole concentration and the electron concentration, the higher the light emission intensity and the light emission efficiency. The operating voltage is lower as the hole concentration and the electron concentration are higher. When the hole concentration of the first semiconductor layer 102 is 1 × 10 16 cm −3 or more and the electron concentration of the second semiconductor layer 104 is 1 × 10 15 cm −3 or more, it is compared with the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 1. As a result, higher luminous intensity and luminous efficiency, and lower operating voltage operation were obtained.

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。   It should be noted that the plane orientations of the first semiconductor layer 102, the light emitting layer 103, and the second semiconductor layer 104 at the respective joint surfaces may be any one of (001), (110), (113), and (111). . However, when the surface orientation on the bonding surface was (110), (113), or (111), the emission intensity and the light emission efficiency were reduced as compared to the case of (001). This is considered to be because, in plane orientations other than (001), the recombination probability of carriers in the light emitting layer 103 made of diamond decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the zinc blende structure.

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。   In the first embodiment described above, the case where the zinc-blende c-BN layer is used as the nitride semiconductor layer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. Even when c-AlBN, c-GaBN, or c-AlGaBN having a zinc blende structure is used as the nitride semiconductor layer, similar results are obtained when the band gap energy is 5.5 eV or more.

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。   Further, when hexagonal BN, AlBN, GaBN, or AlGaBN having a wurtzite structure is used as the nitride semiconductor layer, the plane orientation at the bonding surface with the light emitting layer is the (0001) plane, and the light emitting layer has a surface at the bonding surface. The orientation may be the (111) plane. However, the recombination probability of carriers in the light-emitting layer decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the wurtzite structure. When a wurtzite nitride semiconductor is used, the zinc-blende nitride semiconductor layer It is thought that it becomes low luminous efficiency compared with.

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。   Here, the case where Mg is used as the acceptor of the nitride semiconductor layer and Si is used as the donor has been described as an example. However, Be, C, Zn, and Ca are used as the acceptor, and Si, O, S, and Se are used as the acceptor. Needless to say, you can do this.

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。   Further, the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 have been described as having a thickness of 200 nm and the light emitting layer 103 has a thickness of 1000 nm. However, the present invention is not limited to this. When the thicknesses of the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 are 10 nm or more and the thickness of the light emitting layer 103 is 1000 nm or less, carriers can be efficiently confined in the light emitting layer 103.

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。   Further, although an example has been described in which the ion beam assisted MBE method is used as a nitride semiconductor growth method and plasma CVD is used as a diamond growth method, the present invention is not limited to this. For example, nitrogen plasma MBE, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), plasma CVD, or ion beam assisted pulse laser growth (PLD) may be used as a nitride semiconductor growth method. Moreover, hot filament CVD can also be used as a diamond growth method.

［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。 [Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 2 of the present invention. The light emitting element includes a first semiconductor layer 202 made of diamond of a first conductivity type formed on a substrate 201, and a light emitting layer made of diamond and formed on and in contact with the first semiconductor layer 202. 203 and a second semiconductor layer 204 made of a second conductivity type nitride semiconductor and formed on and in contact with the light emitting layer 203. In addition, the first electrode 205 is connected to the substrate 201, and the second electrode 206 is connected to the second semiconductor layer 204.

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。   The substrate 201 is made of, for example, p-type diamond doped with B at a high concentration, and the main surface has a plane orientation of (001). The first semiconductor layer 202 is made of, for example, diamond that is p-type doped with B. The second semiconductor layer 204 is made of c-BN, for example, which is made n-type by doping Si as a donor. c-BN has a band gap energy of 6.2 eV. In this case, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.

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。   Next, a method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views illustrating cross sections in respective steps for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in the second embodiment.

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。 First, as shown in FIG. 4A, a substrate 221 made of diamond having a main surface with a plane orientation of (001) is prepared. The substrate 221 is a p-type doped with B at a high concentration. A p-type diamond layer 222 doped with B is formed on the substrate 221 thus configured. For example, the p-type diamond layer 222 may be grown by plasma CVD. The acceptor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the hole concentration is 1 × 10 15 cm −3 . The p-type diamond layer 222 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, as shown in FIG. 4B, a diamond layer 223 is formed on the p-type diamond layer 222. For example, an undoped diamond may be deposited by plasma CVD with the surface orientation of the main surface being (001). As the source gas, methane gas (3 sccm) and hydrogen gas (297 sccm) may be used. Further, oxygen gas (0.3 sccm) is added during growth in order to reduce the residual impurity concentration. The diamond layer 223 may be formed to a thickness of about 1000 nm.

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。 Next, as shown in FIG. 4C, an n-type c-BN layer 224 doped with Si is formed on the diamond layer 223. For example, the n-type c-BN layer 224 may be crystal grown by ion beam assisted MBE. The donor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the electron concentration is 1 × 10 16 cm −3 . The n-type c-BN layer 224 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, the p-type diamond layer 222, the diamond layer 223, and the n-type c-BN layer 224 stacked as described above are patterned, and as shown in FIG. 4D, the first semiconductor layer 202 having a mesa structure as an element portion, A light emitting layer 203 and a second semiconductor layer 204 are formed. For example, a resist pattern that covers a portion to be an element portion is formed by a known lithography technique, and the p-type diamond layer 222, diamond layers 223, n are formed by a dry etching technique using oxygen gas using the formed resist pattern as a mask. The type c-BN layer 224 may be selectively etched. By this patterning, the upper surface of the substrate 221 is exposed at the side of the element portion.

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。   Next, as shown in FIG. 4E, a first electrode 225 that is ohmically connected is formed on the surface of the substrate 221 that is exposed to the side of the element portion including the first semiconductor layer 202, the light emitting layer 203, and the second semiconductor layer 204. To do. Further, the second electrode 206 that is in ohmic contact is formed on the upper surface of the second semiconductor layer 204. For example, a lift-off mask having an opening is formed in the electrode formation region, and Au, Pt, and Ti are deposited thereon by electron beam evaporation. Next, by removing the lift-off mask, the first electrode 225 and the second electrode 206 made of Ti / Pt / Au are formed (lift-off method). Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. for 10 minutes, so that the formed first electrode 225 and second electrode 206 are in ohmic contact.

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。   The light emitting element in Embodiment 2 described above exhibited ultraviolet light emission centered on a wavelength of 235 nm by current injection through each electrode. According to the second embodiment, the second semiconductor layer 204 made of a nitride semiconductor can increase the carrier concentration. For this reason, for example, compared with the element of nonpatent literature 1, it becomes possible to operate at a lower operating voltage, and high luminous intensity and luminous efficiency can be obtained.

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。   In the light-emitting element described with reference to FIG. 4E, part of the light generated in the light-emitting layer 203 is reflected and absorbed by the second electrode 206 above the light-emitting layer 203, but directly below the light-emitting layer 203. Since there is no electrode, it is possible to extract light efficiently.

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。   By the way, in the light emitting element having the basic structure according to Embodiment 2 described with reference to FIG. 3, the first electrode 205 is formed also on the substrate side when viewed from the light emitting layer 203, and reflection and absorption are also generated here. It is the composition to do. In this configuration, the light emission intensity is lower than that of the light emitting element described with reference to FIG. 4E, but it operates at a lower operating voltage and has a higher light emission intensity than the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 1. And high luminous efficiency can be obtained.

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。 In the second embodiment described above, the electron concentration of the second semiconductor layer 204 is 1 × 10 16 cm −3 , but is not limited thereto. The electron concentration may be in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 20 cm −3 . In this concentration range, the higher the electron concentration, the higher the light emission intensity and the light emission efficiency. The operating voltage is lower as the electron concentration is higher. When the electron concentration of the second semiconductor layer 204 was 1 × 10 15 cm −3 or more, higher light emission intensity, light emission efficiency, and lower operation voltage operation were obtained compared to the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 1.

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。   It should be noted that the plane orientations of the first semiconductor layer 202, the light emitting layer 203, and the second semiconductor layer 204 at each bonding surface may be any one of (001), (110), (113), and (111). . However, when the surface orientation on the bonding surface was (110), (113), or (111), the emission intensity and the light emission efficiency were reduced as compared to the case of (001). This is presumably because, in a plane orientation other than (001), the recombination probability of carriers in the light emitting layer 203 made of diamond decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the zinc blende structure.

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。   In the above-described second embodiment, the case where the zinc-blende c-BN layer is used as the nitride semiconductor layer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. Even when c-AlBN, c-GaBN, or c-AlGaBN having a zinc blende structure is used as the nitride semiconductor layer, similar results are obtained when the band gap energy is 5.5 eV or more.

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。   Further, when hexagonal BN, AlBN, GaBN, or AlGaBN having a wurtzite structure is used as the nitride semiconductor layer, the plane orientation at the bonding surface with the light emitting layer of the second semiconductor layer is the (0001) plane, In one semiconductor layer, the plane orientation at the bonding surface may be the (111) plane. However, the recombination probability of carriers in the light-emitting layer decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the wurtzite structure. When a wurtzite nitride semiconductor is used, the zinc-blende nitride semiconductor layer It is thought that it becomes low luminous efficiency compared with.

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。   Here, the case where Mg is used as the acceptor of the nitride semiconductor layer and Si is used as the donor has been described as an example. However, Be, C, Zn, and Ca are used as the acceptor, and Si, O, S, and Se are used as the acceptor. Needless to say, you can do this.

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。   In addition, the second semiconductor layer 204 has been described as having a thickness of 200 nm and the light emitting layer 203 has a thickness of 1000 nm, but is not limited thereto. When the thickness of the second semiconductor layer 204 is 10 nm or more and the thickness of the light emitting layer 203 is 1000 nm or less, carriers can be efficiently confined in the light emitting layer 203.

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。   Further, although an example has been described in which the ion beam assisted MBE method is used as a nitride semiconductor growth method and plasma CVD is used as a diamond growth method, the present invention is not limited to this. For example, nitrogen plasma MBE, MOCVD, plasma CVD, or ion beam assisted PLD may be used as a nitride semiconductor growth method. Moreover, hot filament CVD can also be used as a diamond growth method.

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。   A second semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor is disposed below the light emitting layer as viewed from the substrate side, and a first semiconductor layer made of n-type diamond is placed above the light emitting layer. May be arranged.

［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。 [Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 3 of the present invention. The light emitting element is formed of a first semiconductor layer 302 made of a first conductivity type nitride semiconductor formed on a substrate 301 and a diamond made of and in contact with the first semiconductor layer 302. A light emitting layer 303 and a second semiconductor layer 304 made of a second conductivity type nitride semiconductor and formed on and in contact with the light emitting layer 303 are provided. The first electrode 305 is connected to the substrate 301, and the second electrode 306 is connected to the second semiconductor layer 304.

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。 In Embodiment 3, the diamond constituting the light-emitting layer 303 is a composite composed of a pair of nitrogen that has entered a substitution position of carbon in the diamond lattice and a vacancy from which a carbon atom adjacent to the substitution nitrogen has been removed. An NV center which is an impurity defect is provided. Further, the density of the NV center is set to 10 4 to 10 9 cm −2 .

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。   The substrate 301 is made of, for example, p-type diamond doped with B, and the surface orientation of the main surface is (001). Further, the first semiconductor layer 302 is made of, for example, cubic boron nitride (c-BN) having a zinc blende structure which is made p-type by doping magnesium (Mg) as an acceptor. The second semiconductor layer 304 is made of c-BN, for example, which is made n-type by doping Si as a donor. c-BN has a band gap energy of 6.2 eV. In this case, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.

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。   Next, a method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 3 will be described with reference to FIGS. 6A to 6F. 6A to 6F are cross-sectional views illustrating cross-sections in respective steps for explaining a method for manufacturing a light-emitting element in Embodiment 3.

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。 First, as shown in FIG. 6A, a substrate 321 made of diamond is prepared with the surface orientation of the main surface being (001). The substrate 321 is p-type doped with B. On the substrate 321 configured in this manner, a p-type c-BN layer 322 doped with Mg is formed. For example, the p-type c-BN layer 322 may be grown by ion beam assisted MBE. The acceptor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the hole concentration is 1 × 10 16 cm −3 . The p-type c-BN layer 322 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, as illustrated in FIG. 6B, a diamond layer 323 is formed on the p-type c-BN layer 322. For example, an undoped diamond may be deposited by plasma CVD with the surface orientation of the main surface being (001). As the source gas, methane gas (3 sccm) and hydrogen gas (297 sccm) may be used. Further, oxygen gas (0.3 sccm) is added during growth in order to reduce the residual impurity concentration. The diamond layer 323 may be formed to a thickness of about 1000 nm.

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。 Next, nitrogen is ion-implanted into the diamond layer 323 to form a diamond layer 323a having an NV center as shown in FIG. 6C. For example, the density of the NV center in the diamond layer 323a can be set to 1 × 10 6 cm −2 by ion implantation of N at an acceleration voltage of 20 KeV and heat treatment in a vacuum at 900 ° C. for 1 hour. it can.

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。 Next, as shown in FIG. 6D, an n-type c-BN layer 324 doped with Si is formed on the diamond layer 323a. For example, the n-type c-BN layer 324 may be grown by ion beam assisted MBE. The donor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the electron concentration is 1 × 10 16 cm −3 . The n-type c-BN layer 324 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, the p-type c-BN layer 322, the diamond layer 323a, and the n-type c-BN layer 324 stacked as described above are patterned, and as shown in FIG. 6E, a first semiconductor layer having a mesa structure as an element portion 302, a light emitting layer 303, and a second semiconductor layer 304 are formed. For example, a resist pattern covering a portion to be an element portion is formed by a known lithography technique, and the p-type c-BN layer 322 and the diamond layer 323a are formed by a dry etching technique using oxygen gas using the formed resist pattern as a mask. The n-type c-BN layer 324 may be selectively etched. By this patterning, the upper surface of the substrate 321 is exposed at the side of the element portion.

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。   Next, as illustrated in FIG. 6F, the first electrode 325 that is in ohmic contact is formed on the surface of the substrate 321 exposed to the side of the element portion including the first semiconductor layer 302, the light emitting layer 303, and the second semiconductor layer 304. To do. A second electrode 306 that is in ohmic contact is formed on the upper surface of the second semiconductor layer 304. For example, a lift-off mask having an opening is formed in the electrode formation region, and Au, Pt, and Ti are deposited thereon by electron beam evaporation. Next, the first electrode 325 and the second electrode 306 made of Ti / Pt / Au are formed by removing the lift-off mask (lift-off method). Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. for 10 minutes, so that the formed first electrode 325 and second electrode 306 are in ohmic contact.

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。   The light-emitting element in Embodiment 3 described above emitted light having a wavelength of 575 nm corresponding to the zero phonon line of the neutral NV center (NV0) by current injection through each electrode.

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。   In the light-emitting element in Embodiment 3, the carrier concentration in the first semiconductor layer 302 and the second semiconductor layer 304 made of a nitride semiconductor can be increased. For this reason, for example, compared with the element of nonpatent literature 3, it becomes possible to operate with a lower operating voltage. Moreover, since the heat generation of the element can be suppressed by this reduction in operating voltage, high light emission intensity and light emission efficiency can be obtained.

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。   In addition, since c-BN constituting the first semiconductor layer 302 and the second semiconductor layer 304 has a band gap energy larger than that of diamond, carriers are confined in the light emitting layer 303, which is efficient. Luminescent recombination occurs.

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。   In the light-emitting element described with reference to FIG. 6F, part of the light generated in the light-emitting layer 303 is reflected and absorbed by the second electrode 306 above the light-emitting layer 303, but immediately below the light-emitting layer 303. Since there is no electrode, it is possible to extract light efficiently.

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。   In the light-emitting element in Embodiment 3, since the lattice constant difference between c-BN forming the first semiconductor layer 302 and the second semiconductor layer 304 and diamond forming the light-emitting layer 303 is small, the crystallinity A good heterojunction can be formed. As a result, the light emitting element of Embodiment 3 can obtain higher light emission intensity and higher light emission efficiency than the light emitting diode shown in Non-Patent Document 2.

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。   By the way, in the light emitting element having the basic structure in Embodiment 3 described with reference to FIG. 5, the first electrode 305 is formed on the substrate side as seen from the light emitting layer 303, and reflection and absorption are also generated here. It is the composition to do. In this configuration, the light emission intensity is lower than that of the light emitting element described with reference to FIG. 6F, but it operates at a lower operating voltage and has a higher light emission intensity than the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 1. And high luminous efficiency can be obtained.

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。 In the third embodiment described above, the hole concentration of the first semiconductor layer 302 is 1 × 10 16 cm −3 and the electron concentration of the second semiconductor layer 304 is 1 × 10 16 cm −3. It is not limited to. Each concentration may be in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 20 cm −3 . In this concentration range, the higher the hole concentration and the electron concentration, the higher the light emission intensity and the light emission efficiency. The operating voltage is lower as the hole concentration and the electron concentration are higher. When the hole concentration of the first semiconductor layer 302 is 1 × 10 16 cm −3 or more and the electron concentration of the second semiconductor layer 304 is 1 × 10 15 cm −3 or more, it is compared with the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 1. As a result, higher luminous intensity and luminous efficiency, and lower operating voltage operation were obtained.

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。 In addition, mainly, the case where the NV center density in the light emitting layer 303 is 1 × 10 6 cm −2 has been described as an example, but in the range of 10 4 −10 9 cm −2 , the higher the NV center density, High luminous intensity and luminous efficiency were obtained.

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。   Note that the plane orientations of the first semiconductor layer 302, the light emitting layer 303, and the second semiconductor layer 304 at the respective joint surfaces may be any one of (001), (110), (113), and (111). . However, when the surface orientation on the bonding surface was (110), (113), or (111), the emission intensity and the light emission efficiency were reduced as compared to the case of (001). This is presumably because, in the plane orientation other than (001), the recombination probability of carriers in the light emitting layer 303 made of diamond decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the zinc blende structure.

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。   In the third embodiment described above, the case where the c-BN layer having a zinc blende structure is used as the nitride semiconductor layer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. Even when c-AlBN, c-GaBN, or c-AlGaBN having a zinc blende structure is used as the nitride semiconductor layer, similar results are obtained when the band gap energy is 5.5 eV or more.

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。   Further, when hexagonal BN, AlBN, GaBN, or AlGaBN having a wurtzite structure is used as the nitride semiconductor layer, the plane orientation at the bonding surface with the light emitting layer is the (0001) plane, and the light emitting layer has a surface at the bonding surface. The orientation may be the (111) plane. However, the recombination probability of carriers in the light-emitting layer decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the wurtzite structure. When a wurtzite nitride semiconductor is used, the zinc-blende nitride semiconductor layer It is thought that it becomes low luminous efficiency compared with.

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。   Here, the case where Mg is used as the acceptor of the nitride semiconductor layer and Si is used as the donor has been described as an example. However, Be, C, Zn, and Ca are used as the acceptor, and Si, O, S, and Se are used as the acceptor. Needless to say, you can do this.

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。   Further, the first semiconductor layer 302 and the second semiconductor layer 304 have been described as having a thickness of 200 nm, and the light emitting layer 303 has a thickness of 1000 nm. However, the present invention is not limited to this. When the thicknesses of the first semiconductor layer 302 and the second semiconductor layer 304 are 10 nm or more and the thickness of the light emitting layer 303 is 1000 nm or less, carriers can be efficiently confined in the light emitting layer 303.

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。   Further, although an example has been described in which the ion beam assisted MBE method is used as a nitride semiconductor growth method and plasma CVD is used as a diamond growth method, the present invention is not limited to this. For example, nitrogen plasma MBE, MOCVD, plasma CVD, or ion beam assisted PLD may be used as a nitride semiconductor growth method. Moreover, hot filament CVD can also be used as a diamond growth method.

［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。 [Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the light-emitting element according to Embodiment 4 of the present invention. The light emitting element includes a first semiconductor layer 402 made of diamond of a first conductivity type formed on a substrate 401, and a light emitting layer made of diamond and formed on and in contact with the first semiconductor layer 402. 403 and a second semiconductor layer 404 made of a second conductivity type nitride semiconductor and formed on and in contact with the light emitting layer 403. The first electrode 405 is connected to the substrate 401, and the second electrode 406 is connected to the second semiconductor layer 404.

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。 In Embodiment 4, the diamond constituting the light-emitting layer 403 is a composite composed of a pair of nitrogen that has entered a substitution position of carbon in the diamond lattice and a vacancy from which a carbon atom adjacent to the substitution nitrogen has been removed. An NV center which is an impurity defect is provided. Further, the density of the NV center is set to 10 4 to 10 9 cm −2 .

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。   The substrate 401 is made of, for example, p-type diamond doped with B at a high concentration, and the surface orientation of the main surface is (001). The first semiconductor layer 402 is made of, for example, diamond that is p-type doped with B. The second semiconductor layer 404 is made of c-BN, for example, which is made n-type by doping Si as a donor. c-BN has a band gap energy of 6.2 eV. In this case, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.

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。   Next, a method for manufacturing the light-emitting element in Embodiment 4 will be described with reference to FIGS. 8A to 8F are cross-sectional views illustrating cross sections in respective steps for explaining the method for manufacturing the light-emitting element in the fourth embodiment.

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。 First, as shown in FIG. 8A, a substrate 421 made of diamond having a main surface with a plane orientation of (001) is prepared. The substrate 421 is a p-type doped with B at a high concentration. A p-type diamond layer 422 doped with B is formed on the substrate 421 thus configured. For example, the p-type diamond layer 422 may be grown by plasma CVD. The acceptor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the hole concentration is 1 × 10 15 cm −3 . The p-type diamond layer 422 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, as shown in FIG. 8B, a diamond layer 423 is formed on the p-type diamond layer 422. For example, an undoped diamond may be deposited by plasma CVD with the surface orientation of the main surface being (001). As the source gas, methane gas (3 sccm) and hydrogen gas (297 sccm) may be used. Further, oxygen gas (0.3 sccm) is added during growth in order to reduce the residual impurity concentration. The diamond layer 423 may be formed to a thickness of about 1000 nm.

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。 Next, nitrogen is ion-implanted into the diamond layer 423 to form a diamond layer 423a having an NV center as shown in FIG. 8C. For example, the density of the NV center in the diamond layer 423a can be set to 1 × 10 6 cm −2 by ion implantation of N at an acceleration voltage of 20 KeV and heat treatment in a vacuum at 900 ° C. for 1 hour. it can.

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。 Next, as shown in FIG. 8D, an n-type c-BN layer 424 doped with Si is formed on the diamond layer 423a. For example, the n-type c-BN layer 424 may be grown by ion beam assisted MBE. The donor concentration may be 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the electron concentration is 1 × 10 16 cm −3 . The n-type c-BN layer 424 may be grown to a thickness of about 200 nm.

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。   Next, the p-type diamond layer 422, the diamond layer 423a, and the n-type c-BN layer 424 stacked as described above are patterned, and as shown in FIG. 8E, the first semiconductor layer 402 having a mesa structure as an element portion, A light emitting layer 403 and a second semiconductor layer 404 are formed. For example, a resist pattern that covers a portion to be an element portion is formed by a known lithography technique, and a p-type diamond layer 422, a diamond layer 423a, and an n-type c-BN are formed by a known dry etching technique using the formed resist pattern as a mask. The layer 424 may be selectively etched. By this patterning, the upper surface of the substrate 421 is exposed on the side of the element portion.

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。   Next, as shown in FIG. 8F, a first electrode 425 that is in ohmic contact is formed on the surface of the substrate 421 that is exposed to the side of the element portion including the first semiconductor layer 402, the light emitting layer 403, and the second semiconductor layer 404. To do. A second electrode 406 that is in ohmic contact is formed on the upper surface of the second semiconductor layer 404. For example, a lift-off mask having an opening is formed in the electrode formation region, and Au, Pt, and Ti are deposited thereon by electron beam evaporation. Next, the first electrode 425 and the second electrode 406 made of Ti / Pt / Au are formed by removing the lift-off mask (lift-off method). Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. for 20 minutes, so that the formed first electrode 425 and second electrode 406 are in ohmic contact.

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。   The light-emitting element in Embodiment 3 described above emitted light having a wavelength of 575 nm corresponding to the zero phonon line of the neutral NV center (NV0) by current injection through each electrode. According to the fourth embodiment, the second semiconductor layer 404 made of a nitride semiconductor can increase the carrier concentration. For this reason, for example, compared with the element of nonpatent literature 3, it becomes possible to operate with a lower operating voltage. Moreover, since the heat generation of the element can be suppressed by this reduction in operating voltage, high light emission intensity and light emission efficiency can be obtained.

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。   In the light-emitting element described with reference to FIG. 8F, part of the light generated in the light-emitting layer 403 is reflected and absorbed by the second electrode 406 above the light-emitting layer 403, but immediately below the light-emitting layer 403. Since there is no electrode, it is possible to extract light efficiently.

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。   By the way, in the light emitting element having the basic structure in Embodiment 4 described with reference to FIG. 7, the first electrode 405 is formed also on the substrate side when viewed from the light emitting layer 403, and reflection / absorption also occurs here. It is the composition to do. In this configuration, the light emission intensity is lower than that of the light emitting element described with reference to FIG. 8F, but it can be operated at a lower operating voltage than the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 3. Since the heat generation of the element can be suppressed by this low operating voltage, high light emission intensity and light emission efficiency can be obtained.

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。 In the fourth embodiment described above, the electron concentration of the second semiconductor layer 404 is 1 × 10 16 cm −3 , but the present invention is not limited to this. The electron concentration may be in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 20 cm −3 . In this concentration range, the higher the electron concentration, the higher the light emission intensity and the light emission efficiency. The operating voltage is lower as the electron concentration is higher. When the electron concentration of the second semiconductor layer 404 was 1 × 10 15 cm −3 or more, higher light emission intensity, light emission efficiency, and lower operation voltage operation were obtained as compared with the diamond light emitting diode of Non-Patent Document 3. In addition, mainly, the case where the NV center density in the light emitting layer 403 is 1 × 10 6 cm −2 has been described as an example, but in the range of 10 4 −10 9 cm −2 , the higher the NV center density, High luminous intensity and luminous efficiency were obtained.

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。   Note that the surface orientations of the first semiconductor layer 402, the light emitting layer 403, and the second semiconductor layer 404 at each bonding surface may be any one of (001), (110), (113), and (111). . However, when the surface orientation on the bonding surface was (110), (113), or (111), the emission intensity and the light emission efficiency were reduced as compared to the case of (001). This is presumably because, in the plane orientation other than (001), the recombination probability of carriers in the light emitting layer 403 made of diamond decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the zinc blende structure.

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。   In the above-described fourth embodiment, the case where a c-BN layer having a zinc blende structure is used as the nitride semiconductor layer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. Even when c-AlBN, c-GaBN, or c-AlGaBN having a zinc blende structure is used as the nitride semiconductor layer, similar results are obtained when the band gap energy is 5.5 eV or more.

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。   Further, when hexagonal BN, AlBN, GaBN, or AlGaBN having a wurtzite structure is used as the nitride semiconductor layer, the plane orientation at the bonding surface with the light emitting layer of the second semiconductor layer is the (0001) plane, In one semiconductor layer, the plane orientation at the bonding surface may be the (111) plane. However, the recombination probability of carriers in the light-emitting layer decreases due to the influence of polarization derived from the polarity of the wurtzite structure. When a wurtzite nitride semiconductor is used, the zinc-blende nitride semiconductor layer It is thought that it becomes low luminous efficiency compared with.

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。   Here, the case where Mg is used as the acceptor of the nitride semiconductor layer and Si is used as the donor has been described as an example. However, Be, C, Zn, and Ca are used as the acceptor, and Si, O, S, and Se are used as the acceptor. Needless to say, you can do this.

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。   In addition, the second semiconductor layer 404 has been described as having a thickness of 200 nm and the light emitting layer 403 has a thickness of 1000 nm, but is not limited thereto. When the thickness of the second semiconductor layer 404 is 10 nm or more and the thickness of the light emitting layer 403 is 1000 nm or less, carriers can be efficiently confined in the light emitting layer 403.

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。   Further, although an example has been described in which the ion beam assisted MBE method is used as a nitride semiconductor growth method and plasma CVD is used as a diamond growth method, the present invention is not limited to this. For example, nitrogen plasma MBE, MOCVD, plasma CVD, or ion beam assisted PLD may be used as a nitride semiconductor growth method. Moreover, hot filament CVD can also be used as a diamond growth method.

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。   A second semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor is disposed below the light emitting layer as viewed from the substrate side, and a first semiconductor layer made of n-type diamond is placed above the light emitting layer. May be arranged.

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。   As described above, in the present invention, the first semiconductor layer made of nitride semiconductor or diamond is provided in contact with one of the light emitting layers, and the second semiconductor layer made of nitride semiconductor is provided on the other side. It was set up in contact with. As a result, according to the present invention, the light emission intensity and the light emission efficiency of the light emitting element by the light emitting layer composed of diamond can be further increased.

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。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... First semiconductor layer, 103 ... Light emitting layer, 104 ... Second semiconductor layer, 105 ... First electrode, 106 ... Second electrode.

Claims (8)

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
を備えることを特徴とする発光素子。 A first semiconductor layer made of a first conductivity type nitride semiconductor or a first conductivity type diamond formed on a substrate;
A light emitting layer made of diamond and formed on and in contact with the first semiconductor layer;
And a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor of a second conductivity type and formed on and in contact with the light emitting layer. 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。 The light emitting device according to claim 1.
The nitride semiconductor has a band gap energy of 5.5 eV or more. 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。 The light emitting device according to claim 1 or 2,
The light emitting layer is
An NV center which is a compound impurity defect composed of a pair of nitrogen substituted for carbon in the diamond lattice and a vacancy from which a carbon atom is removed from a lattice position adjacent to the substituted nitrogen;
The density of the NV center in the light emitting layer is 10 4 to 10 9 cm −2 . 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子において、
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つをドナーとしている
ことを特徴とする発光素子。 In the light emitting element of any one of Claims 1-3,
The nitride semiconductor contains B as a constituent element,
Accepting at least one of Mg, Be, C, Zn, and Ca as an acceptor,
A light-emitting element characterized by using at least one of Si, O, S, and Se as a donor. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記窒化物半導体は、閃亜鉛鉱構造とされていることを特徴とする発光素子。 In the light emitting element of any one of Claims 1-4,
The light-emitting element, wherein the nitride semiconductor has a zinc blende structure. 請求項５記載の発光素子において、
前記第１半導体層、前記発光層、および前記第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ことを特徴とする発光素子。 The light emitting device according to claim 5, wherein
The bonding planes of the first semiconductor layer, the light emitting layer, and the second semiconductor layer have a plane orientation of (001), (110), (113), or (111). A light emitting element. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子において、
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。 In the light emitting element of any one of Claims 1-4,
The light-emitting element, wherein the nitride semiconductor has a wurtzite structure. 請求項７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。 The light emitting device according to claim 7, wherein
The bonding surface of the layer made of diamond has a surface orientation of (111),
A light-emitting element having a plane orientation of (0001) on a bonding surface between a nitride semiconductor layer and a diamond layer.
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