CN105283968A - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ的半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的光子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，所述设计波长λ及作为所述一个以上的各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，所述周期a和半径R的比(R/a)为，以使TE光的预定的光子带隙(PBG)在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，各周期结构参数为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定的周期a和半径R、及0.5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。

Description

半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
被发光二极管(LED)和有机EL(OLED)所代表的半导体发光元件，作为显示器和照明用的光源被要求有高亮度，采用表面形成有微米尺寸的凹凸的蓝宝石基板(PPS：PatternedSapphireSubstrate)来提高光提取效率的方法是一般的方法。另外，作为提高光提取效率的新方法，在光提取层形成具有光波长程度的周期的光子晶体周期结构的技术已被介绍。光子晶体周期结构，一般是，形成在具有不同折射率的两个结构体的界面上，主要由支柱结构或孔结构构成的凹凸。而且，通过在形成该周期结构的区域中禁止光的存在来抑制全反射，以此对光提取效率的提高起到贡献也是众所周知的。
但是，在来自半导体发光元件发光层的发光中，包含TransversalMagnetic光(TM光)和TransversalElectric光(TE光)两者，周期结构中它们各自的举动，也就是根据在周期结构中反射还是透射的周期结构的最佳化，却不明确。
另外，以InGaN为基础的LED的发光主要是TE光，与此相对，在蓝宝石基板的c面上形成单阱层的以AlxGa1-xN为基础的LED，以Al的组成比x＝0.25为边界TM光成为主体，更进一步，随x的变大TM光的比例会增加，这也是周知的(但是，量子阱的TE/TM偏振特性在温度为8.5K计测并评价光致发光强度。“AppliedPhysicsLetters”No.25，21June2004，Vol.84)。
更进一步，在蓝宝石基板的c面上成长AlN缓冲层和AlxGa1-xN/AlN的多重量子阱时，以Al的组成比x＝0.82为边界TM光成为主体，另外，在同一组成比，若阱层的厚度在3nm以下则TM光的比例会变大，这已被报告(“PhysicalReview”，B79，121308(2009))。
另外，本发明的TE光和TM光的关系定义如下。在本发明中，TE光是，电场成分为对于光子晶体周期结构面、也就是周期结构周期性的进行变化的方向的面而横向振动的光，另一方面的TM光是其磁场成分对于周期结构面而横向振动的光。换而言之，后者的TM光是其电场成分对于周期结构面而纵向振动的光。
在专利文献1中，在光提取层的光子晶体周期结构参数的设计中，计算TE光和TM光两者的光子能带结构，其结果，在选择PBG较大打开的TE光的基础上，进行其周期结构参数设计的最佳化。
在专利文献2中，通过在对于TM-like模式和TE-like模式的两种模式具有PBG的光子晶体平板内设计波导，来防止在该结晶面内光的泄漏，发挥高的Q值。
在专利文献3中，在第一导电型半导体层形成光子晶体周期结构，将光入射至其上的非传导性半导体层，该光子晶体周期结构由具有较该第一导电型半导体层小的折射率的SiO2和气隙构成。
在专利文献4中，在第一荧光体层和第二荧光体层形成光子晶体，并使第二变换光透射而使第一变换光反射。
在专利文献5中，记载有通过在光波导的外缘部设置荧光体层，来达到将TE偏波高效率的封闭在波导内的效果，该荧光体层具有对于TE偏振有光子带隙的二维周期结构。
现有技术文献
专利文献1：WO2013008556号公报
专利文献2：日本特开2006-276388号公报
专利文献3：日本特开2010-135798号公报
专利文献4：日本特开2012-186414号公报
专利文献5：日本特开2011-228513号公报
发明内容
专利文献1中，对于其选择的妥当性、以及半导体发光元件内的多个周期结构中进行同样选择组合时的光提取效率最大化的方法，没有具体记载。
专利文献2中，在波导元件和半导体发光元件中，在对于其光子晶体周期结构的光传播方向上有决定性的不同，前者的设计方法无法适用于后者。
专利文献3中，从活性层入射到第一导电型半导体层的光根据其周期结构参数，反射比透射大，不能说公开了用于使光提取效率最大化的最佳化的方法。
专利文献4中没有对TM光或TE光哪个应该最佳化作出记载，不能说公开了用于使光提取效率最大化的最佳化的方法。
专利文献5中，对于其周期结构参数的最佳化，进而对于依据TE偏振和TM偏振的分开使用的周期结构参数的最佳化，没有作出公开。
另外，上述的哪个周期结构，作为将其大面积的且一次性的转印到被加工对象的方法，采用纳米压印光刻法的转印技术已被公众所知。但是，其转印方法是对模具和基板施加压力以使抗蚀剂充填至该模具的图案中，所以要求在该转印技术中通常使用的有机抗蚀剂具有流动性。但是，若将该流动性优先，则对于形成周期结构的被转印对象的刻蚀选择比将会有不充分的可能性。另外，模具的上述周期结构的大小和刻蚀后形成的周期结构的大小也会不一致。
本发明以提高半导体发光元件的光提取效率为目的。
本发明以下述内容为目的：与用于使半导体发光元件的光提取效率最大化、而着眼于在该元件的一个以上的界面上形成的光子晶体周期结构的参数设计相关连，各个周期结构的形成根据光的反射还是透射为目的而对TE光还是TM光进行其周期结构参数的最大化即可的方针，并提供其具体的最佳化方法。另外，提供在根据上述周期结构的形成位置和性能而最佳化的周期结构的一个以上的界面上施加的半导体发光元件。更进一步，提供对于按照上述周期结构设计原样形成对象部件的大面积进行准确再现的转印技术。
根据本发明的一个观点，提供一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ的半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的光子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，所述设计波长λ及作为所述一个以上的各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，所述周期a和半径R的比(R/a)为，以使TE光的光子带隙(PBG)在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，各周期结构参数为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定的周期a和半径R、及0.5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。
根据本发明的其他的观点，提供一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ的半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的光子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，所述设计波长λ及作为所述一个以上的各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，所述周期a和半径R的比(R/a)为，以使TM光的预定的PBG在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，各周期结构参数为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定周期a和半径R、及0.5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。
本说明书包含作为本申请优先权基础的日本专利申请2013-148234号的说明书和/或附图所记载的内容。
根据本发明，能够提高半导体发光元件的光提取效率。
附图说明
图1A是表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的第一最佳化处理的流程图，表示对于TE光的PBG为最大时流程的概要。
图1B是表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的第二最佳化处理的流程图，表示对于TM光的PBG为最大时流程的概要。
图1C是具体表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的最佳化流程的图。
图1D具体表示对于本发明第三实施方式的光子晶体周期结构的参数的最佳化流程的概要。
图2表示深紫外LED结构一例。
图3A是表示作为本发明实施方式的深紫外LED结构一例的图，表示支柱结构的例子的图。
图3B是表示作为本发明实施方式的深紫外LED结构一例的图，表示孔结构的例子的图。
图4A表示光子晶体周期结构的、满足布拉格条件的TM光(布拉格散射)的举动。
图4B表示光子晶体周期结构的、满足布拉格条件的TE光(布拉格散射)的举动。
图5表示图3的结构中通过平面波展开法求出的能带结构。
图6表示TM光的PBG和R/a的关系。
图7表示FDTD模拟中使用的深紫外LED模型。
图8A是表示FDTD解析结果，表示侧壁的输出特性的比较。
图8B是表示FDTD解析结果，表示上部的输出特性的比较。
图8C是表示FDTD解析结果，表示侧壁和上部的输出总计的输出特性的比较。
图9表示作为本发明实施方式的白色LED结构的一例。
图10表示作为本发明实施方式的光子晶体周期结构形成方法的一例。
图11表示是图10(b)、图10(e)和图10(f)实际的SEM照片。
具体实施方式
利用附图对本发明的实施方式进行说明。另外，不仅下面列举的实施方式LED元件的结构和组成材料，而且周期结构的形状(支柱结构、孔结构等)等都不受此限制，在发挥本发明效果的范围内能够进行适宜的变更。更进一步，在不脱离本发明目的的范围内，对其实施方式也可以进行适宜的变更。例如，周期结构的设计程序、根据本发明所加工的模具等也包含在本发明中。
第一实施方式
本实施方式的半导体发光元件是，在构成以设计波长为λ的半导体发光元件的各层间界面中的一个以上的界面上，具有按照每个界面分别控制波长λ的透射和反射的光子晶体周期结构的半导体发光元件。
在这里，界面的光子晶体周期结构由不同折射率的两个结构体构成，并且，作为其周期结构参数的周期a和半径R在与波长λ之间满足布拉格条件的关系下而设计的。界面为多个的情况时，是在每个光子晶体周期结构中独立进行设计的结构。
周期a和半径R的比(R/a)为，以使TE光的光子带隙(PBG)在每个该周期结构为最大的形式而决定的值。像这样的结构体，例如是在大的折射率的介质中形成小的折射率的结构的结构体。
或者，周期a和半径R的比(R/a)为，以使TM光的预定的PBG在每个该周期结构为最大的形式而决定的值。像这样的结构体，例如是在小的折射率的介质中形成大的折射率的结构的结构体。
例如，周期a和半径R的比(R/a)为，根据在波长λ的周期结构的光透射和反射中着眼于任一个并将其最佳化，计算对于TE光或TM光的光子带隙(PBG)的大小而决定的值。例如，在界面使光反射比透射大、并且目的为最大化的情况时，以使对于TE光的PBG为最大的形式而决定R/a的值。这考虑是因为下述理由：TE光的电场容易积累在周期结构面内平行存在的电介质的连接结构，在周期结构参数和设计波长满足布拉格条件的情况时，在其电场面被布拉格散射所反射。
相反，周期a和半径R的比(R/a)为，在界面使光透射比反射大、并且目的为最大化的情况时，以使对于TM光的PBG为最大的形式而决定R/a的值。这考虑是因为下述理由：TM光的电场容易积累在周期结构面内垂直存在的电介点，在周期结构参数和设计波长满足布拉格条件的情况时，在其电场面被布拉格散射所反射，也就是对于周期结构面透射。
另外，后者情况的对于TM光的R/a值，以下述内容为特征：周期结构在其第一能带和第二能带之间具有PBG1，并且在第三能带和第四能带之间具有PBG2，该PBG1和该PBG2的总计表示最大的值。
而且，各周期结构参数通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于波长λ的半导体发光元件整体的光提取效率为最大的形式而最终决定的值构成，该FDTD法是以根据布拉格条件的次数m决定的周期a和半径R、及0.5a以上的周期结构的深度h作为变数而进行的。在这里，具有0.5a以上的深度的周期结构的深度h即使基于实际的加工精度，其上限是被限制的值。
但是，一个以上的界面是指，半导体发光元件的基板的背面和空气的界面、基板的表面和氮化物半导体层的界面、发光层和氮化物半导体层之间的氮化物半导体层和空气的界面、剥离基板后的氮化物半导体层和空气的界面、荧光体和空气的界面、基板的背面和反射膜的界面等，只要是在由不同的折射率的两个结构体所构成的周期结构中能够得到PBG的位置即可，但不局限于这里列举的位置。更进一步，周期结构包括形成在界面内一部分区域的情况。
在第一实施方式的光半导体装置中，具有以下结构。
(1)在光子晶体周期结构中，TE光的光子带隙(PBG)，例如具有在每个周期结构为最大的形式而决定的周期a和半径R的比(R/a)的结构。该结构体，例如是在大的折射率的介质中形成小的折射率的结构的第一结构体，例如是形成有孔的结构体。
图1A是表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的第一最佳化处理流程的流程图，表示对于TE光的PBG为最大时流程的概要。
首先，在步骤S101中，假定作为周期结构参数的周期a和结构体的半径R的比(R/a)。
在步骤S102中，从结构体各自的折射率n1和n2以及它们和上述R/a算出平均折射率nav，并将其代入布拉格条件的式子中而得到每个次数m的周期a和半径R。
在步骤S103中，通过平面波展开法进行TE光的光子能带结构解析，该平面波展开法采用R/a和波长λ以及从折射率n1、n2得到的各结构体的介电常数ε1和ε2。
在步骤S104中，通过改变上述假定的R/a的值而重复进行解析，来决定使TE光的第一光子能带和第二光子能带之间的PBG为最大的R/a。
在步骤S105中，对于使PBG为最大的R/a，通过基于FDTD法的模拟解析来求出对于上述波长λ的光提取效率，该FDTD法是以根据布拉格条件的次数m的个别的周期a和半径R、及任意周期结构的深度h作为变数而进行的。
在步骤S106中，通过重复进行基于FDTD法的模拟，来决定对于波长λ的光提取效率为最大的布拉格条件的次数m、以及与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R和深度h。
(2)在光子晶体周期结构中，TM光的光子带隙(PBG)，例如具有在每个该周期结构为最大的形式而决定的周期a和半径R的比(R/a)的结构。该结构体，例如是在小的折射率的介质中形成大的折射率的结构的第二结构体，例如是形成有支柱的结构体。
图1B是表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的第二最佳化处理流程的流程图，表示对于TM光的PBG为最大的流程的概要。
在步骤S111中，假定作为周期结构参数的周期a和结构体的半径R的比(R/a)。
在步骤S112中，从结构体各自的折射率n1和n2以及它们和上述R/a算出平均折射率nav，并将其代入布拉格条件的式子中而得到每个次数m的周期a和半径R。
在步骤S113中，通过平面波展开法进行TM光的光子能带结构解析，该平面波展开法采用R/a和上述波长λ以及从上述折射率n1、n2得到的各结构体的介电常数ε1和ε2。
在步骤S114中，通过改变上述假定的R/a的值而重复进行解析，来决定使TM光的第一光子能带和第二光子能带之间的PBG1及第三光子能带和第四光子能带之间的PBG2的总计的PBG为最大的R/a的。
在步骤S115中，对于使上述PBG为最大的R/a，通过基于FDTD法的模拟解析来求出对于上述波长λ的光提取效率，该FDTD法是以根据布拉格条件的次数m的个别的周期a和半径R、及任意周期结构的深度h作为变数而进行的。
在步骤S116中，通过重复进行基于上述FDTD法的模拟，来决定对于波长λ的光提取效率为最大的布拉格条件的次数m，以及与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R和深度h。
第二实施方式
本发明的第二实施方式是涉及，第一实施方式的半导体发光元件具有的光子晶体周期结构的个别具体的参数的计算方法。
作为前提，设想周期结构以三角晶格状排列的情况来说明，但是其他的正方晶格状的排列也是同样的计算方法。另外，构成周期结构的凹凸结构为支柱结构和孔结构的哪一个都没关系。也就是，能够根据加工的难易度和下面工序的容易度进行选择。
在设计阶段，通过光子晶体周期结构，并通过来自作为其形成目的的发光层的光的反射或透射的控制乃至最佳化，能够进行元件整体的光提取效率的最大化，该光子晶体周期结构是形成在构成半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上、具有根据本实施方式的技术而设计的PBG。
图1C是表示用于进行周期结构参数的最佳化计算的处理流程概要的图。
在步骤S1中，对作为形成光子晶体周期结构候补的界面进行研究。在这里，例如在该界面，对于半导体发光元件的设计波长λ，依据构成周期结构的结构体的不同折射率n1和n2的大小关系，以及光的传播方向来考察是以透射和反射的哪一方为目的，并决定作为达到其目的的周期结构参数最佳化对象的偏振(TM光/TE光)。在下表(表1)中表示其具体的组合形式。
表1
在步骤S2中，假定作为周期结构参数的周期a和结构体的半径R的比(R/a)。
在步骤S3中，从结构体各自的折射率n1和n2以及它们和R/a利用式子(式1)算出平均折射率nav，并将其代入布拉格条件的式子(式2)中得到每个次数m的周期a。另外，通过假定的R/a和a，同样得到每个次数m的半径R。
(式1)
n a v 2 = n 2 2 + ( n 1 2 - n 2 2 ) ( 2 π / 3 ) ( R / a ) 2
(式2)
mλ/nav＝2a
以上述为基础，下面通过平面波展开法进行光子带隙的解析。
在步骤S4中，将步骤S2中假定的R/a、波长λ以及从折射率(n1、n2)得到的各结构体的介电常数ε1和ε2输入到通过电场E、磁场H而将波长λ的平面波展开的麦克斯韦电磁场波动方程式(式3)。
(式3)
TM光：
Σ G , ϵ - 1 ( G - G , ) | k + G | | k + G , | E , ( G , ) = ( ω 2 / c 2 ) E , ( G )
及TE光：
Σ G , ϵ - 1 ( G - G , ) ( k + G ) · ( k + G , ) H ( G , ) = ( ω 2 / c 2 ) H ( G )
这里，ε-1表示介电常数的倒数，G表示倒格矢，ω表示频率，c表示光速，k表示波数向量。
以下，对在周期结构中以“反射”(r)作为目的的情况进行说明。在步骤S5r中，对在步骤S1中决定的应该最佳化的TE光，在波数空间进行麦克斯韦电磁场波动方程式的固有值计算，求出TE光的能带结构。
在步骤S6r中，从光子能带中的第一光子能带和第二光子能带之间的差求出PBG。
在步骤S7r中，将步骤S2至步骤S6r重复进行，对在任一个R/a时TE光的PBG是否为最大进行研究。
在这里，在步骤S1，对在周期结构中以“透射”(t)作为目的的情况下的、替换步骤S5r至S7r而进行步骤S5t至S7t进行说明。
在步骤S5t中，对在步骤S1中决定的应该最佳化的TM光，在波数空间进行麦克斯韦电磁场波动方程式的固有值计算，求出TM光的能带结构。
在步骤S6t中，在步骤S5t求出的光子能带结构中，从第一光子能带和第二光子能带之间的差求出PBG1，同样从第三光子能带和第四光子能带之间的差求出PBG2，算出它们的总计。
在步骤S7t中，将步骤S2至S6t重复进行，对在任一个R/a时TM光的PBG1和PBG2的总计的PBG是否为最大进行研究。
以下，对步骤S7r或步骤S7t后续的同样步骤进行说明。在步骤S8中，对于步骤S7r或S7t中表示最大的R/a，以根据布拉格条件的次数m的个别周期a和半径R以及任意周期结构的深度h作为变数，进行基于FDTD法的模拟解析。以此求出对于波长λ的光提取效率。
在步骤S9中，通过重复进行步骤S8决定对于波长λ的光提取效率为最大的布拉格条件的次数m，以及与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R和深度h。考虑到加工精度的限度，这里的深度h可以采用能够得到一定的光提取效率的值，但理想的是0.5a以上的数值。
如上所述的，根据本发明的第二实施方式，使根据形成目的周期结构的具体且有效的设计成为可能。
第三实施方式
本发明的第三实施方式是，在与具有通过第二实施方式而最佳化的周期结构界面不同的界面上形成用于使第二、第三周期结构的参数最佳化的参数计算方法。另外，周期结构的数量不受限制。
首先，作为步骤S10，对于不同界面重新进行步骤S1的研究。
如图1D所示，在下一步骤S11中，对于不同界面的第二周期结构进行步骤S1至S9，决定作为最适合第二周期结构参数的周期a、半径R和深度h。
在步骤S12中，重复进行步骤S11，决定第三周期结构以后的每个周期结构中最适合的周期结构参数，最后决定用于使元件整体的光提取效率最大化的各周期结构参数。
根据第三实施方式，根据半导体发光元件的结构，对元件整体的光提取效率最大化有贡献的多个界面上形成上述周期结构时，使其具体且有效的设计成为可能。
第四实施方式
本发明的第四实施方式是以光子晶体周期结构采用基于纳米压印光刻法的转印技术而加工为特征的半导体发光元件。
根据第四实施方式，使周期结构大面积的并且一次性的转印到被加工对象面上的加工成为可能。
第五实施方式
本发明的第五实施方式的特征如下：基于纳米压印光刻法的光子晶体周期结构转印技术为采用两层抗蚀法的转印技术，该两层抗蚀法是涂布对于加工对象的结构体刻蚀选择比大的下层抗蚀剂，并在其上涂布具有流动性和耐氧性的上层抗蚀剂。
另外，在转印中可以使用模具，模具可以使用树脂薄膜。具体而言，在形成周期结构的基板面上，旋转涂布对于该基板刻蚀选择比大的、作为一例比如有机下层抗蚀剂。接下来，在下层抗蚀面上旋转涂布具有流动性和耐氧性性能的、作为一例比如含硅上层抗蚀剂。接下来，在上层抗蚀剂面上通过采用模具的纳米压印光刻法转印周期结构。接下来，将转印了周期结构的上层抗蚀剂暴晒于含氧等离子体，给予其耐氧性，并一同将在纳米压印转印中残留的上层抗蚀剂的残留膜除去。接下来，将具有耐氧性的上层抗蚀剂作为掩膜，将有机下层抗蚀剂用含氧等离子体进行刻蚀，形成用于基板干法刻蚀的掩膜。最后，以该掩膜作为刻蚀掩膜，利用ICP等离子体将基板进行干法刻蚀。
以上步骤是对于基板采用两层抗蚀法的转印技术。另外，采用该技术时，通过改变下层抗蚀剂的膜厚度，在被转印对象上得到对于模具上的周期结构深度1.5倍左右(蓝宝石基板的情况)的刻蚀深度成为可能。更进一步，在有机下层抗蚀剂的含氧等离子体刻蚀中，通过改变该含氧等离子体条件，使对于模具上的周期结构直径30％左右的调整成为可能，该有机下层抗蚀剂的含氧等离子体刻蚀是通过转印具有作为刻蚀掩膜的耐氧性的图案的上层抗蚀剂的。
根据第五实施方式，在纳米压印光刻法中，使精细的上述周期结构在被加工对象面上高精度、正确且能够被控制的状态而再现成为可能。
下面进行更具体的说明。
实施例1
本实施例1的半导体发光元件是一般的深紫外LED，其结构如图2所示，由Al反射电极1、例如层叠的p-AlGaN接触层2、p-AlGaN层3、电子阻挡层4、势垒层5、阱层6、势垒层7、n-AlGaN缓冲层8、AlN缓冲层9以及蓝宝石基板10构成。在阱层6发出的光，从蓝宝石基板10的表面、Al反射电极1及蓝宝石基板10的侧壁被提取到LED元件的外部。
本实施例1中的LED设计波长λ(中心输出波长λ)为280nm，形成该设计波长λ的光提取效率为最大的光子晶体周期结构。该结构体是在小的折射率的介质中形成大的折射率结构的第二结构体，在形成的地方，如图3A(a)所示，选择作为光提取层的蓝宝石基板10的表面(光提取面)20a和空气的界面。在这里，如在图3A(b)中作为XY平面图所示，光提取面10a为支柱结构，该支柱结构是由具有最适合高度的支柱部20a构成的结构体、以及由空间部20b构成的结构体，在该光提取面10a内沿X方向和Y方向以周期a形成的三角晶格状。
在本实施例1中，目的如下：在阱层6发出的光从蓝宝石基板10向外部传播时，以其透射为最大的形式而使光子晶体周期结构最佳化。此时，由于蓝宝石基板的折射率比透射的外部空气的折射率大，所以应该用于其周期结构参数最佳化的偏振是TM光。
首先，假定作为应该最佳化的周期结构参数的周期a和支柱结构体的半径R的比R/a。该值在以后的每次重复解析时发生变化但在本实施例1中，作为结果采用0.24≤R/a≤0.40。
在本实施例1中，作为支柱结构体的蓝宝石的折射率n1为1.82，空气折射率n2为1.0，n1>n2。另外，从式(式1)求出nav。在这里，对于R/a＝0.31的情况，表示其具体的计算例。接下来，从式(式2)给予作为前提的布拉格条件。
另外，布拉格条件式(式子2)能够理解如下：如图4A所示，TM光的电场容易积累在垂直存在于支柱结构杆之间的电介点，在平均折射率nav、周期a以及设计波长λ满足布拉格条件的情况时，在其电场面被布拉格散射所反射，也就是TM光对于本实施例1的周期结构面透射。
但是，与本实施例1不同，作为同样的理解，如图3B、图4B所示，TE光的电场容易积累在周期结构面内平行存在的电介质的连接结构，在平均折射率nav、周期a以及设计波长λ满足布拉格条件的情况时，在其电场面被布拉格散射所反射，也就是TE光对于周期结构面反射。
也就是，在图3B(a)中，是在大的折射率的介质中形成小的折射率结构的第一结构体，在形成的地方，如图3B(a)所示，光提取面10a为孔结构，该孔结构是由具有最适合高度的空缺部20d构成的结构体、以及在大的折射率的介质20c中形成的结构体，在该光提取面10a内沿X方向和Y方向以周期a形成的三角晶格状。以下，以第二结构体情况为例详细说明。
那么，在本实施方式1中，在R/a＝0.31时，算出每个布拉格条件的次数m的周期结构参数的周期a和半径R。具体而言，m＝2时a＝208nm、R＝64.5nm，m＝3时a＝313nm、R＝97nm，m＝4时a＝417nm、R＝129nm。另外，对于在这里限制次数m的理由在后面进行叙述。
接下来，利用平面波展开法对R/a＝0.31时的TM光的能带结构进行解析。也就是，进行麦克斯韦电磁场波动方程式(式3)的固有值计算，确认PBG的存在及大小。该固有值计算所使用的各结构体的介电常数ε1、ε2通过下式(式4)，按每个各折射率n1、n2能够求出。
(式4)
n2＝με/μ0ε0
(在这里、μ表示导磁率，μ0表示真空的导磁率，ε0表示真空的介电常数。)
以上求出的R/a＝0.31时的光子能带结构(光子晶体(支柱))表示在图5。纵轴的ωa/2πc也可以用a/λ表示。根据该图5，求出第一光子能带(ω1TM)和第二光子能带(ω2TM)的间隙PBG1，第三光子能带(ω3TM)和第四光子能带(ω4TM)的间隙PBG2，并算出作为它们和的PBG。
另外，在图5中标绘了TE光的光子能带结构，但正如从其结果知道的，在TE光不存在PBG。但是，与TM光同样，在能带端能够看到群速度的异常，这能够想像：在该能带端，光的传播方向发生变化，光的一部分被反射。
通过以上，虽求出了R/a＝0.31时的PBG1和PBG2总计的PBG，但是为了找出其为最大的周期结构参数，在R/a(0.24≤R/a≤0.40)的范围重复进行同样的解析。其结果表示在图6(TM光的PBG-R/a特性)。于是，可以知道R/a＝0.31时的PBG为最大。
求出TM光的PBG(＝PBG1+PBG2)为最大的R/a，从该比值求出每个布拉格条件的次数m的个别的周期a和半径R。更进一步，除了该参数，再加上周期结构的深度h，进行采用FDTD法的模拟，求出对于本实施例1的设计波长λ的、作为LED元件的光提取效率。
另外，这里所用的次数m限定于1<m<5的范围。次数m＝1的情况，支柱结构的半径是40nm左右，因为与计算模型离散化情况的差分空间分辨率20nm没有太大的差别，所以判断不能正确反映实际的支柱结构，将其除外。另外，对于m＝5，其周期为500nm左右，与设计波长的280nm有很大不同，所以也将m≥5除外。
那么，在本实施方式1中的采用FDTD法模拟是对图7表示的大小和结构的深紫外LED模型使用高性能PC进行的。在该处，将设计波长(中心波长)为280nm、半宽度为20nm、发光时间为60fs的在X、Y、Z方向振动的电偶极脉冲光源作为光源，在阱层6面内中心设置一个该光源使其发光，该光的偏振度p为0.38。在这里，偏振度p＝(I⊥-I∥)/(I⊥+I∥)，I⊥表示与蓝宝石基板的c轴垂直的成分的强度，I∥表示与蓝宝石基板的c轴平行的成分的强度(以下相同)。另外，Al反射电极1的折射率、消光系数、相对磁导率、瞬间相对介电常数设定为以得到280nm时通过德鲁特模型进行补正而得到70％反射率。更进一步，在阱层6发出的光，考虑到由于自由载体的吸收而在半导体中消失的可能性，从n-AlGaN缓冲层8至p-AlGaN接触层2中光传播30μm左右的距离时衰减至1％的形式设定消光系数。电场和磁场的观测面是在LED元件的外部设置6面，算出坡印亭矢量之后再输出。另外,LEE增减率的比较，从没有光子晶体周期结构(Non-PhC)和有光子晶体周期结构(PhC)的输出值的比较而算出。
在这里，一般的，在FDTD法的输出值中有远场和近场，其算出方法和输出值的性质不同。近场的情况下，在LED元件的外部观测面取得电场和磁场的时间波形E(t)、H(t)、将其时间波形通过傅里叶变换成频谱E(ω)、H(ω)而得到。另外，输出值从作为电场和时间的外积的坡印亭矢量S＝E×H而算出，在观测面上进行面积分得到输出波长特性。
另一方面，至于远场，与近场的计算方法不同。首先，在LED元件的外部设定闭区域(等效电磁流区域)。然后，从LED产生的闭区域表面上的磁场HS和电场ES算出等效电流JS＝n×HS和等效磁流MS＝n×ES(但，n是闭区域面s的法向矢量)。在这里，采用LED产生的电磁场和从等效电磁流向其区域外侧产生的电磁场相等的电磁波等效原则。所以，远场的计算是将从LED起任意远的距离的观测面上的电场通过真空中的麦克斯韦方程式解出，利用下式(式5)而求出的。
(式5)
W ( r , t ) = ( 1 / 4 ) &pi; r c { &part; / &part; t &lsqb; &Integral; s J s ( t - ( r - r 1 ) r 0 / c &rsqb; d s }
Eθ(r,ω)＝F[Eθ(r，t)]
但是，θ表示观测球面上的纬度，表示观测球面上的经度，r表示LED光源和观测点之间的距离，r1表示LED光源和闭区域面之间的距离，r0表示LED光源和观测点之间的单位矢量，c表示光速，Z表示阻抗，F[]表示傅里叶变换。
通过以上，能够得到每个波长(频率)的远场。在本实施例1的解析中，由于计算模型与实际的LED不同等以及R/a不同的光子晶体周期结构和光提取效率相对比较的理由，只使用近场。
那么，FDTD模拟的结果如下表(表2)所示。在这里，对于LED元件的侧壁部(4面)、上面部以及其双方(总计)的光提取效率，将对于没有光子晶体周期结构情况的增减率作为波长275nm至285nm的平均值来表示。
表2
在这里，275nm至285nm的光提取效率的增减率的平均值。再加上，除本实施例1中采用的支柱结构之外，对于基于孔结构的模拟、TM光的PBG1和PBG2的和为最大的R/a(＝0.31)以外的R/a，作为验证也进行模拟，并表示其结果。
另外，根据光子晶体周期结构的有无和形状的不同，图8表示深紫外LED模型的侧壁(图8A)、上部(图8B)以及它们的总计(图8C)的输出波形特性。更进一步，各数值只记载周期结构的深度h为500nm时的值。
从这些结果，光提取效率为最大的周期结构参数是：支柱结构，R/a＝0.31、次数m＝4、周期a＝417nm、半径R＝129nm时，侧壁增减率、上部增减率以及总计增减率分别为9.1％、47.4％、20.5％(对于没有光子晶体周期结构的)。
实施例2
以下，在本实施例2中对构成一般的白色LED元件的各层间的一个以上的界面上形成用于光提取效率为最大化的光子晶体周期结构的例子进行说明。首先，将白色LED元件的大概结构表示在图9中。也就是，该白色LED元件由反射膜11、蓝宝石基板12、n-GaN层13、发光层14、p-GaN层15、ITO膜16、保护膜17以及包覆LED元件的荧光体18构成。在发光层14发出的光透射通过ITO透明电极膜16和保护膜17，能够大致的分为以下三种：从荧光体18和空气的界面提取到外部的光L1、在蓝宝石基板12和n-GaN层13的界面被反射之后与光L1同样提取到外部的光L2、光L2透射通过蓝宝石基板12和n-GaN层13的界面之后、在蓝宝石基板12和反射膜11的界面被反射而再次与光L1同样提取到外部的光L3。另外，在该白色LED中，光的偏振度p为0.89。
在这里，在本实施例2中仿效实施例1，分别在荧光体18和空气的界面上形成由支柱结构构成的光子晶体周期结构P1，在蓝宝石基板12和n-GaN层13的界面上形成由支柱结构构成的光子晶体周期结构P2，以及，在蓝宝石基板12和反射膜11的界面上形成由孔结构构成的光子晶体周期结构P3，该孔结构由空穴构成。
在这里，在周期结构P1中，荧光体18的折射率>空气的折射率，以光L1透射通过为目的且为使其参数最佳化，对TM光实施本发明。另外，在周期结构P2中，n-GaN层13的折射率>蓝宝石基板12的折射率，以光L2的反射为目的且为使其参数最佳化，对TE光实施本发明。更进一步、在周期结构P3中，蓝宝石基板12的折射率>空气(空穴)的折射率，以光L3的反射为目的且为使其参数最佳化，对TE光实施本发明。
另外，也可以在发光层14上形成满足折射率差和深度的条件的孔结构的光子晶体周期结构P4。在该情况下，由于发光层14存在于光子晶体周期结构面内、并且深度方向上，所以光被上下散射。另外，在发光层14的厚度不充分的情况下，在夹着与发光层14的折射率没有差别的发光层14的各GaN层(13或15)上达到孔结构的形成也无所谓。
更进一步，没有特别的进行图示的、像倒装晶片结构那样的除去蓝宝石基板12而得到的n-GaN层13的露出面和空气的界面上形成支柱，光就能够有效的从空气中透射通过。
通过将上述周期结构P1至P4中的任意的周期结构的形成进行组合，能够得到LED元件整体的光提取效率最能提高的组合、以及各周期结构的最适合的周期结构参数(次数m、周期a及半径R)和深度h。
下表(表3)中表示在周期结构加工位置的光子晶体周期结构的性能(目的)和根据本发明的实施所得到的周期结构参数的关系。
表3
实施例3
如表2所示，次数m＝4、R/a＝0.31和R/a＝0.32的支柱的光提取效率的差，在上部为1.3点，总计值为0.6点。比较其形状(直径/周期)，分别在258nm/417nm、263nm/411nm时两者的形状差仅数nm。所以，为得到更好的光提取效率，有必要按照所计算同样的形成nm等级的加工。
在这里，在本实施例3中，如图所示，采用基于纳米压印光刻法的转印技术将具有nm等级的微细图案的光子晶体周期结构，如图10所示，作为一例，转印到蓝宝石基板，该纳米压印光刻法为采用兼备流动性和刻蚀选择比两者特征的两层抗蚀剂。以下，沿图10对其进行说明。
首先，制作模具，该模具用于在蓝宝石基板上正确再现通过本发明的实施而最佳化的周期结构。如图10(b)所示，该模具也可以使用以能追随基板翘曲的树脂制成的模具。
接下来，在蓝宝石基板上旋转涂布厚度g的、刻蚀选择比大的有机下层抗蚀剂。另外，该厚度d是根据对于蓝宝石基板的下层抗蚀剂的刻蚀选择比而选择决定的。之后，在下层抗蚀剂面上以预定的厚度旋转涂布含硅上层抗蚀剂，该含硅上层抗蚀剂具有流动性和耐氧性的性能(图10(a))。
接下来，利用纳米压印装置在上层抗蚀剂上转印模具的图案(图10(b))。
接下来，将转印了模具的图案的上层抗蚀剂暴晒于含氧等离子体，给予其耐氧性，并一同将在纳米压印转印中残留的上层抗蚀剂的残留膜除去(图10(c))。
接下来，将具有耐氧性的上层抗蚀剂作为掩膜，将有机下层抗蚀剂利用含氧等离子体进行刻蚀，形成用于基板干法刻蚀的图案掩膜(图10(d))。另外，记载于图10(e)的图案掩膜的蓝宝石基板侧的直径d1通过调整含氧等离子体的条件，能够在d1的30％左右的范围内进行微调整。
通过图案掩膜利用ICP等离子体将蓝宝石基板进行干法刻蚀，形成通过本发明的实施而最佳化的周期结构(图10(e))。
在周期结构基于支柱结构变化的情况，刻蚀后的形状如图10(f)所示的、形成大致d1<d2的台形状，侧壁角度依存于有机下层抗蚀剂的刻蚀选择比。另外，根据本实施例3，如果变化有机下层抗蚀剂的厚度g，能够容易使在干法刻蚀后的蓝宝石基板上形成的光子晶体周期结构深度h为相对模具深度1.5倍左右的深度。
另外，若在形成图案掩膜时变化直径d1，则能够容易使周期结构的直径变化30％左右。这能够代替模具的重新制作，对模具的制作时间和降低成本作出贡献，进而在半导体发光元件的制造成本上有很大的有利之处。
另外，在图11(a)至(c)中，将图10(b)、图10(e)和图10(f)的实际的SEM照片(纳米压印工序phC支柱截面SEM)分别作为“纳米压印”、“形成图案掩膜”、“干法刻蚀、灰化”进行登载。
处理和控制，通过采用CPU(CentralProcessingUnit)和GPU(GraphicsProcessingUnit)的软件处理、采用ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)和FPGA(FieldProgrammableGateArray)的硬件处理能够实现。
另外，在上述实施方式中，关于附图中图示的结构等，并非限定于此，在发挥本发明的效果的范围内可以进行适当的变更。此外，只要不脱离本发明的目的范围，可以适当地变更而进行实施。
另外，本发明的各结构要素，能够任意取舍选择，且具备取舍选择的结构的发明也包含于本发明。
另外，在本实施方式中说明的用于实现功能的程序记录在计算机可读取的记录介质中，使计算机系统读入该记录介质中记录的程序，通过执行来进行各部的处理即可。此外，在此所述的“计算机系统”包含OS和外围设备等硬件。
另外，如果是利用WWW系统时，“计算机系统”也包含网页提供环境(或者表示环境)。
另外，“计算机可读取记录介质”是指软盘、光磁盘、ROM、CD-ROM等可移动介质，以及内置在计算机系统中的硬盘等存储装置。另外，“计算机可读取记录介质”包含像通过互联网等网络和电话线路等的通信线路发送程序时的通信线路那样的，短时间、动态地保存程序的记录介质，像该情况下的服务器和客户机构成的计算机系统内部的易失性存储器那样的，一定时间保持着程序的记录介质。此外，所述程序也可以用于实现上述功能的一部分，再有，也可以是将上述功能与计算机系统中已经记录着的程序相组合来实现。功能的至少一部分也可以通过集成电路等硬件来实现。
工业上的可利用性
本发明作为半导体发光元件而可以利用。
符号说明
a光子晶体周期结构的周期
R周期结构的半径
h周期结构的加工深度
1Al反射电极
2p-AlGaN接触层
3p-AlGaN层
4电子阻挡层
5势垒层
6阱层
7势垒层
8n-AlGaN缓冲层
9AlN缓冲层
10蓝宝石基板
10a光提取面
20a支柱部
20b空间部
11反射膜
12蓝宝石基板
13n-GaN层
14发光层
15p-GaN层
16ITO膜
17保护膜
18荧光体
L1透射光
L2反射光
L3反射光
P1-P4光子晶体周期结构
将本说明书所引用的所有的刊物、专利及专利申请作为参考而采用于本说明书中。

Claims (14)

1.一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ的半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的光子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，
所述设计波长λ及作为所述一个以上的各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，
所述周期a和半径R的比(R/a)为，以使TE光的光子带隙(PBG)在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，
各周期结构参数为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定的周期a和半径R、及0.5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述结构体为，在大的折射率的介质中形成小的折射率的结构的结构体。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，所述各周期结构反射设计波长λ的光。
4.一种光子晶体周期结构的参数计算方法，是权利要求1至3中任一项所述的光子晶体周期结构的参数计算方法，其特征在于，具有，
假定作为周期结构参数的周期a和结构体的半径R的比(R/a)的步骤；
从结构体各自的折射率n1和n2以及它们和所述R/a算出平均折射率nav，并将其代入布拉格条件的式子中而得到每个次数m的周期a和半径R的步骤；
通过平面波展开法进行TE光的光子能带结构解析的步骤，该平面波展开法利用所述R/a和所述波长λ以及从所述折射率n1、n2得到的各结构体的介电常数ε1和ε2；
通过改变所述假定的R/a的值而重复进行解析，来决定使TE光的第一光子能带和第二光子能带之间的PBG为最大的R/a的步骤；
对于使所述的PBG为最大的R/a，通过基于FDTD法的模拟解析来求出对于所述波长λ的光提取效率的步骤，该FDTD法是以根据布拉格条件的次数m的个别的周期a和半径R、及任意周期结构的深度h作为变数而进行的；
通过重复进行基于所述FDTD法的模拟，来决定对于波长λ的光提取效率为最大的布拉格条件的次数m、以及与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R和深度h的步骤。
5.一种光子晶体周期结构的参数计算方法，其特征在于，具有，
将在与具有根据权利要求4所述的方法而最佳化的周期结构的界面不同的界面上形成的周期结构的参数计算，通过权利要求2所述的全部步骤而重新进行的第一步骤；
对于在更其他的界面上形成的其他的周期结构，将所述第一步骤重复进行的步骤。
6.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光子晶体周期结构是采用基于纳米压印光刻法的转印技术而加工的。
7.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，基于所述纳米压印光刻法的所述光子晶体周期结构的转印为采用两层抗蚀法的转印技术，该两层抗蚀法是涂布对于加工对象的结构体刻蚀选择比大的下层抗蚀剂，并在其上涂布具有流动性和耐氧性的上层抗蚀剂。
8.一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ的半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的光子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，
所述设计波长λ及作为所述一个以上的各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，
所述周期a和半径R的比(R/a)为，以使TM光的预定的PBG在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，
各周期结构参数为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定的周期a和半径R、及0.5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。
9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于，所述结构体为，在小的折射率的介质中形成大的折射率的结构的结构体。
10.根据权利要求8或9所述的半导体发光元件，所述各周期结构使设计波长λ的光透射。
11.一种光子晶体周期结构的参数计算方法，是权利要求8至10中任一项所述的光子晶体周期结构的参数计算方法，其特征在于，具有，
假定作为周期结构参数的周期a和结构体的半径R的比(R/a)的步骤；
从结构体各自的折射率n1和n2以及它们和所述R/a算出平均折射率nav，并将其代入布拉格条件的式子中而得到每个次数m的周期a和半径R的步骤；
通过平面波展开法进行TM光的光子能带结构解析的步骤，该平面波展开法采用所述R/a和所述波长λ以及从所述折射率n1、n2得到的各结构体的介电常数ε1和ε2；
通过改变所述假定的R/a的值而重复进行解析，来决定使TM光的第一光子能带和第二光子能带之间的PBG1及第三光子能带和第四光子能带之间的PBG2的总计的PBG为最大的R/a的步骤；
对于使所述的PBG为最大的R/a，通过基于FDTD法的模拟解析来求出对于所述波长λ的光提取效率的步骤，该FDTD法是以根据布拉格条件的次数m的个别的周期a和半径R、及任意周期结构的深度h作为变数而进行的；
通过重复进行基于所述FDTD法的模拟，来决定对于波长λ的光提取效率为最大的布拉格条件的次数m，以及与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R和深度h的步骤。
12.一种光子晶体周期结构的参数计算方法，其特征在于，具有，
将在与具有根据权利要求11所述的方法而最佳化的周期结构的界面不同的界面上形成的周期结构的参数计算，通过权利要求2所述的全部步骤而重新进行的第一步骤；
对于在更其他的界面上形成的其他的周期结构，将所述第一步骤重复进行的步骤。
13.根据权利要求11或12所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光子晶体周期结构是采用基于纳米压印光刻法的转印技术而加工的。
14.根据权利要求11或12所述的半导体发光元件，其特征在于，基于所述纳米压印光刻法的所述光子晶体周期结构的转印为采用两层抗蚀法的转印技术，该两层抗蚀法是涂布对于加工对象的结构体刻蚀选择比大的下层抗蚀剂，并在其上涂布具有流动性和耐氧性的上层抗蚀剂。
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