CN105934833A - 深紫外led及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以设计波长为λ的深紫外LED，其特征在于，从与基板的相反侧起依序具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、相对波长λ透明的p型AlGaN层，具有至少贯穿所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层而构成的光子晶体周期结构，并且，所述光子晶体周期结构具有光子带隙。

Description

深紫外LED及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种深紫外LED技术，其代表有作为III-V族氮化物半导体发光元件的AlGaN基深紫外LED(Light Emmiting Diode)。
背景技术
作为发光波长为220nm至350nm的深紫外LED的一例，有以280nm为设计波长的AlGaN基深紫外LED，由相对该深紫外光吸收率高的p-GaN接触层和反射率低的Au电极组合构成。因此，有将该p-GaN接触层全部置换成相对所述深紫外光透明的p-AlGaN接触层，进一步将所述Au电极置换成反射率高的Al反射电极，以此提高其光提取效率(LEE：LightExtraction Efficiency)，改善外部量子效率(EQE:External Quantum Efficiency)的技术。
另外，在非专利文献1和非专利文献2中，对于上述技术有以下的报告：为取得Al反射电极和透明p-AlGaN接触层的欧姆接触，通过在其中间插入薄至1nm、抑制对深紫外光强吸收的Ni层，将LEE改善至15％，将EQE从3.8％改善至7％。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2012/127660号公报
专利文献2：日本专利第5315513号公报
非专利文献
非专利文献1：第60届应用物理学会春季学术演讲会演讲预稿集(2013年春神奈川工科大学)29p-G21-10
非专利文献2：战略创造研究推进事业CREST研究领域“面向新功能创成的光·光量子科学技术”研究课题“230-350nm带InAlGaN基深紫外高效率发光装置的研究”研究结束报告(研究期间平成19年10月至平成25年3月)
发明内容
但是，在采用透明p-AlGaN接触层的情况下，由于与以往的p-GaN接触层相比驱动电压上升5V左右，所以光电转换效率(WPE)恶化至3％。这推断是因为以下原因：即使插入Ni层，仍然未能充分取得透明p-AlGaN接触层和Al反射电极的欧姆接触。再加上，将所述Ni层控制在1nm的薄度并将其层叠，在技术上伴随有相当的难度，在产品的实用化方面对制造成本和成品率带来很大影响。因此，持续进行用于获得与EQE同等的WPE的LED结构的改良成为课题。
在这样的背景下，在专利文献1中，所述p-GaN接触层设有开口部，经过该开口部的、来自发光层的光的一部分被反射金属层反射，以此谋求提高光提取效率。但是，这未能排除开口部之外的p-GaN接触层带来的吸收影响，换句话说，也就是未能达到控制并抑制p-GaN接触层其本身吸收的彻底解决。
另一方面，在本发明申请人的发明所涉及的专利文献2中，在具有不同折射率的两个结构体构成的界面上，将光子晶体形成在一个或两个以上的光提取层的任意深度位置，来达到提高LEE，该光子晶体具有满足布拉格散射条件的周期结构。但是，其实施例为下述内容：在光提取层形成光子晶体周期结构，抑制所述界面的设计波长的全反射，谋求提高LEE。即、不是具体公开光子晶体周期结构的导入的内容，该光子晶体周期结构是通过光子晶体周期结构着重使光进行透射，贯穿多层而形成反射目的的。
本发明，在深紫外光LED方面，以既维持高的光电转换效率又提高光提取效率为目的。
根据本发明的一个观点，提供一种以设计波长为λ的深紫外LED，其特征在于，从与基板的相反侧起依序具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、相对波长λ透明的p型AlGaN层，具有设于至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面的厚度方向的范围的光子晶体周期结构，并且，所述光子晶体周期结构具有光子带隙。
在设置所述p型AlGaN层和高效率Al反射电极来提高外部量子效率(EQE)的情况下，随着接触抵抗的增大光电转换效率(WPE)降低成为问题，对于该问题，通过设置p型GaN接触层来降低接触抵抗而使光电转换效率(WPE)提高，同时在由p型GaN构成的接触层和p型AlGaN层设置反射型光子晶体周期结构，能够提高LEE。
反射型光子晶体周期结构，通过具有光子带隙来反射波长λ的光。因为能够抑制金属层和p型氮化物半导体的光吸收，所以能够增大光的提取效率。
根据本发明的其他的观点，提供一种深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有：准备层叠结构体的工序，该层叠结构体以设计波长为λ，从与基板的相反侧起依序含有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、相对波长λ透明的p型AlGaN层；准备用于形成光子晶体周期结构的模具的工序，该光子晶体周期结构设于至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面的厚度方向的范围；在所述层叠结构体上形成抗蚀剂层，转印所述模具的结构的工序；以所述抗蚀剂层作为掩膜依次将所述层叠结构体刻蚀而形成光子晶体周期结构的工序。
本说明书包含作为本申请优先权基础的日本专利申请2014-043388号的说明书和/或附图所记载的内容。
根据本发明，能够避免WPE的恶化，使LEE有飞跃性的提高。
附图说明
图1A是表示本发明一实施例的光子晶体周期结构的一例的剖面结构及平面结构的图。
图1B是表示本发明一实施例的光子晶体周期结构的其他例的剖面的图。
图1C是表示本发明一实施例的光子晶体周期结构的其他例的剖面的图。
图1D是表示本发明一实施例的光子晶体周期结构的其他例的剖面的图。
图1E是表示本发明一实施例的光子晶体周期结构的其他例的剖面的图。
图2是表示在计算LEE增减率时作为基准的光子晶体周期结构的剖面的图。
图3是从图1A、图1B所示的LED结构的正面输出的LEE、与从图2所示的LED结构的正面输出的LEE进行比较的图示。
图4是在相同条件下LED总计输出的LEE与图3进行比较的图。
图5是在相同条件下LED侧面输出的LEE与图3进行比较的图。
图6是在相同条件下电极不同的LED正面输出的LEE与图3进行比较的图。
图7是表示两层抗蚀法的涂布抗蚀剂样子的图。
图8是表示采用树脂塑模(模具)的纳米压印光刻法的图案转印样子的图。
图9是表示采用纳米压印光刻法将模具图案转印至抗蚀剂的样子的图。
图10是表示通过等离子体除去含有残留硅的抗蚀剂，露出有机抗蚀膜样子的图。
图11是表示将氧化硅膜作为掩膜通过含有氯基的等离子体从反射电极一次性刻蚀的样子的图。
图12是表示通过灰化除去有机抗蚀剂，形成贯穿型光子晶体周期结构的样子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。例如，作为一例表示如下的深紫外LED结构：通过AlGaN基深紫外LED的p-GaN接触层(p型GaN接触层)和透明p-AlGaN接触层(p型AlGaN接触层)的并用，来防止欧姆接触的恶化，其结果是，能够在避免WPE恶化的同时，不需要金属层的极薄层叠化，而能够达到LEE的提高。
作为本发明第一实施方式所涉及的深紫外LED，将设计波长为280nm的AlGaN基的深紫外LED的结构表示于图1A(a)。图1A(b)是平面图。具体而言，具有：作为Al(或Au)反射电极层1的反射波长λ的反射电极层；作为Ni(或Pd)层2的金属层；作为p-GaN接触层(p型GaN接触层)3的由p型氮化物半导体构成的接触层；作为透明p-AlGaN接触层(p型AlGaN接触层)4的相对波长λ大致透明的、透明p型氮化物半导体接触层；以及作为p-AlGaN层5的p型氮化物半导体层。而且，从与基板的相反侧起依序包括这些层，且具有至少贯穿p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4而构成的光子晶体周期结构100，并且，该光子晶体周期结构100是通过具有光子带隙来反射波长λ的光(反射效果高)的反射型光子晶体周期结构。如图1A(a)及作为xy平面的图1A(b)所示，圆柱等形状的、相比p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4折射率小的空气等柱状结构体101，是沿X方向和Y方向以周期a形成为三角晶格状的孔结构。
柱状结构体101设于包括p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4界面的厚度方向的范围。
如图1B所示，柱状结构体101a也可以为未到达p-GaN接触层3和Ni层2的界面的结构，如图1C所示，柱状结构体101b也可以为未到达透明p-AlGaN接触层4和p-AlGaN层5的界面的结构，另外，如图1D所示，柱状结构体101c也可以为未到达p-GaN接触层3和Ni层2的界面的结构。
也就是说，如果是设于至少包括p型GaN接触层3和p型AlGaN层4的界面的厚度方向的范围的光子晶体周期结构就可以。
此外，图1E所示的光子晶体周期结构110表示的是贯穿从Al反射电极层1到透明p-AlGaN接触层4所有的层而形成的反射型光子晶体周期结构的样子。另外，从层1至层5的顺序如上所述，在不改变它们的相对顺序的前提下包含其他的层也可以。此外，透明p型氮化物接触层4一般可称为p型的氮化物半导体层，p型氮化物半导体层也可以与p-AlGaN层5共通。
例如，光子晶体周期结构100或110是以由具有底面的圆孔构成的三角晶格作为单位结构，并将其在层叠面上进行重复的反射型光子晶体周期结构。此外，单位结构为正方晶格等其他单位结构也可以。另外，为提高LEE，优选形成在层叠面整个面上，但一部分上也可以。
透明p-AlGaN接触层4也可以理解为：将吸收波长λ的p-GaN接触层厚度的一部分置换成含有50％的Al的、相对波长λ透明的p-AlGaN层的结构。在这里，透明是指例如，相对波长λ的透射率为95％以上。而且，由于所述Ni层2强吸收波长λ，作为理想状态优选1nm左右的极薄层，但是如上所述，在考虑到实用性时，具有10nm左右或者其以上的厚度也是可以的。
另外，如图1A、图1B所示，反射型光子晶体周期结构100或110理想的是：以所述圆孔的底面位于透明p-AlGaN接触层4和p-AlGaN层5的界面位置的形式，控制其深度h。此外，透明p-AlGaN接触层4也可以与p-AlGaN层5共通，在该情况下，所述圆孔的底面位置(深度h)也可以位于p-AlGaN层5的中途。
另外，向本实施方式所涉及的反射型光子晶体周期结构100或110附加以下内容也可以，即、例如在蓝宝石基板12的光提取面侧形成有透射型光子晶体周期结构的LED结构。通过这样的结构，与仅形成单一的反射型光子晶体周期结构的LED结构相比，有提高LEE的情况。
根据本实施方式，对于在设置透明p型氮化物半导体接触层和高效率Al反射电极来提高外部量子效率(EQE)的情况下所产生的、伴随接触抵抗的增大光电转换效率(WPE)降低的问题，通过设置p-GaN接触层来降低与电极的接触抵抗，同时通过设置反射型光子晶体周期结构，能够提高LEE。
本发明第二实施方式所涉及的深紫外LED是，以第一实施方式所记载的光子晶体周期结构满足以下条件的方式而设计的深紫外LED。即、在底面部，该光子晶体周期结构形成是以具有不同折射率的透明p-AlGaN和空气作为两个结构体，在这些结构体的平均折射率为nav(nav是周期a和所述圆孔的半径R的函数)、周期为a的情况下，满足下式所表示的布拉格散射条件。
(式1)
mλ/nav＝2a
在这里，次数m处于1<m<5的范围，其是决定LEE为最大时的圆孔的半径R、周期a以及其加工深度h的重要参数。具体而言，后述的采用FDTD法(时间区域差分法)且LEE为最大时的次数m从该范围中选定，像这样限制次数m的范围是因为下述理由。即、在m＝1时，不需要采用FDTD法的模拟，支柱结构的直径为几十nm左右且与计算模型离散化时的差分空间分辨率(spatial resolution)20nm没有太大的差别。从而，由于能够判断不能正确反映实际的周期结构的形状，所以将其除外也没有关系。另外，对于m＝5，在深紫外LED其周期为400nm左右，与设计波长的280nm有很大不同，所以将其除外也没有关系。
根据第二实施方式，在仅具有深紫外LED的设计波长程度的周期a和圆孔的半径R的周期结构时未能获得的LEE的提高，则成为可能。
本发明第三实施方式所涉及的深紫外LED是，第二实施方式所记载的具有光子带隙的光子晶体周期结构的参数按照下述顺序所决定的深紫外LED。即、采用事先假定的圆孔的半径R和周期a的比R/a、与设计波长λ及所述两个结构体的折射率n1和n2相对应的各结构体的介电常数ε1和ε2，通过平面波展开法进行TE偏光成分的能带结构的分析。具体而言，输入到通过磁场H将波长λ的平面波展开的下式所表示的麦克斯韦电磁场波动方程式(式2)，在波数空间进行其固有值计算，以此进行TE偏光成分的光子能带结构的解析。而且，从其解析结果求出光子带隙，之后通过将其重复，从假定的R/a中选定一个以上的使该光子带隙为最大时的R/a的候补。
(式2)
&Sigma; G &prime; &epsiv; - 1 ( G - G &prime; ) ( k + G ) &CenterDot; ( k + G &prime; ) H ( G &prime; ) = ( &omega; 2 / c 2 ) H ( G )
在这里，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。
另外，进行TE偏光成分的光子能带结构的解析是因为，以在界面将来自发光层的波长λ的光向光提取面侧进行最大限度的反射作为目的的。这通过下述内容能够说明：TE光的电场容易积累在与所述周期结构面平行存在的介电质的连接结构面，在所述周期结构参数和波长λ满足布拉格散射条件的情况下，波长λ的光在其电场面上通过布拉格散射条件被反射。
另外，优选光子晶体周期结构100或110的参数为下述决定的参数。即、将从选定的R/a候补获得的周期a、圆孔的半径R及周期a以上的周期结构的加工深度h，按每个布拉格散射条件的所述次数m算出，对于每个参数群进行采用FDTD法的模拟，从它们的结果中决定作为最合适、即最能改善LEE的次数m、周期a、半径R及深度h的组合。
根据第三实施方式，通过光子晶体周期结构反射来自发光层的TE光，以此能够使反射电极层和金属层的种类选定的自由度提高，并能够提高LEE。
本发明第四实施方式所涉及的深紫外LED是以下述内容为特征的深紫外LED，即、作为获得高LEE的条件，将第三实施方式所记载的光子晶体周期结构100或110的形成(加工)深度h为周期a以上。此外，作为光子晶体周期结构仅至少贯穿所述p-GaN接触层3和所述透明p-AlGaN接触层4部分的厚度的总计，优选该深度h为所述周期a的2/3以上，更优选具有所述周期a以上的深度h。
鉴于因高长宽比带来的加工精度的限度，深度h即使为周期a的2/3以上，作为反射型光子晶体周期结构也有效。但是，通过采用后述的制造方法克服该精度的限度，优选像第四实施方式那样的具有周期a以上的深度h。
根据第四实施方式，能够最大限度地引导出提高LEE的效果。
本发明第五实施方式所涉及的深紫外LED是以下述内容为特征的深紫外LED，即、第四实施方式所记载的光子晶体周期结构为贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而构成的光子晶体周期结构110(图1E中符号110)。
根据第五实施方式，能够从反射电极层一次性的(连续)贯穿而形成光子晶体周期结构110，能够避开形成在LED内部的一部分层的技术上的困难，能够简化制造工序降低成本。
本发明第六实施方式所涉及的深紫外LED是，第五实施方式所记载的深紫外LED结构包含下述记载的各层相对地按照其记载顺序而层叠的结构的深紫外LED。即、如上面的例子所记载的，从基板侧包括：作为p型氮化物半导体层的p-AlGaN层5；作为透明p型氮化物半导体接触层的透明p-AlGaN接触层4；作为金属层侧的接触层的p-GaN接触层3。此外，反射电极层和金属层没有特别限定，可以分别为Al(或Au)反射电极和Ni(或Pd、Pt)层的组合。特别是，优选金属的种类为能够抑制向圆孔内壁附着的金属。
根据第六实施方式，通过采用该层结构能够期待提高深紫外LED的LEE的效果。
本发明第七实施方式所涉及的深紫外LED是以下述内容为特征的深紫外LED，即、第一至第六实施方式所记载的光子晶体周期结构100或110采用基于纳米压印光刻法的转印技术而形成的。纳米压印光刻技术是，例如最适合在尺寸为8英寸大的基板整个面上形成nm级别至μm级别范围的微细凹凸结构图案的工艺。
此外，在基于所述纳米压印光刻法的转印技术中采用的光刻胶，为了针对具有微细凹凸结构图案的塑模能够无间隙地充填，其有必要具备较高的流动性。但是，该流动性成为使透明p-AlGaN接触层4的刻蚀选择比恶化的主要原因。因此，本发明的第八实施方式所涉及的深紫外LED是以具有光子晶体周期结构为特征的深紫外LED，该光子晶体周期结构是通过采用流动性和刻蚀选择比两者都能兼备的两层抗蚀法的转印技术而形成的。
根据第七实施方式，能够将本实施方式所设计的光子晶体周期结构以nm单位正确且大面积地转印在抗蚀剂。根据第八实施方式，能够形成本实施方式所设计的长宽比高的光子晶体周期结构。
实施例1
利用图1A对本申请发明的实施例进行说明。各层的组成、掺杂剂、膜厚、折射率等如下表(表1)所示。其设计波长λ为280nm，形成的反射型光子晶体周期结构相对该波长λ具有光子带隙，将来自发光层的光向光提取层侧、即蓝宝石基板12侧进行反射。
表1
光子晶体周期结构是在透明p-AlGaN接触层4和p-AlGaN层5的边界面上有其底面的圆孔，以基于该圆孔的三角晶格为单位结构的反射型光子晶体周期结构。另外，构成该周期结构的、具有不同折射率的两个结构体是透明p-AlGaN和空气或其他的介质，其平均折射率nav按照下式(式3)求出。
此外，透明p-AlGaN接触层4和p-AlGaN层5也可以作为一层。透明p-AlGaN接触层4也可以仅称为p型AlGaN层。另外，包含表1的各层的组成、掺杂剂、膜厚、折射率等是模拟中所采用的值的一例，包含透明度的深紫外LED的结构并不限定于表中所表示的参数。
此外，在本实施例1中，理想的是：依照制造成本，优选为贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而构成的光子晶体周期结构110，且其圆孔的介质是空气。另一方面，在形成仅贯穿p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的光子晶体周期结构100的情况下，通过在层叠工序中采用剥离(lift-off)法，能够与贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而形成的光子晶体周期结构110同样地、将空气作为圆孔的介质。另外，能够克服高度技术上的困难和成本面上的不足的情况时，如果是比透明p-AlGaN接触层4折射率低、且不吸收波长λ的介质的，则并不限定于空气。
此外，透明p-AlGaN接触层4也可以与p-AlGaN层5共通，在该情况下，所述圆孔的底面位置(深度h)也可以位于p-AlGaN层5的中途。
(式3)
n av 2 = n 2 2 + ( n 1 2 - n 2 2 ) ( 2 &pi; / 3 ) ( R / a ) 2
在这里，圆孔的半径R和周期a的比R/a是通过以下步骤最终使LEE成为最大值而决定的，在这里只停留在假定。而且，以该假定的R/a为0.40、透明p-AlGaN接触层4的折射率(n2)为2.65、空气的折射率(n1)为1.00，进行平均折射率nav的计算。
接下来，按照每个次数m(1<m<5)，根据该nav(1.88)和下式(式4)的布拉格散射条件来决定与假定的R/a(0.40)对应的半径R和周期a。
(式4)
mλ/nav＝2a
其结果为：m＝2时，a＝149、R＝59.5，m＝3时，a＝224、R＝89.5，m＝4时，a＝298、R＝119.5。
另外，通过采用假定的R/a、折射率n1、n2及与它们对应的介电常数ε1(1.00)和ε2(7.02)的平面波展开法进行能带结构的解释。具体而言，将介电常数ε1、ε2、R/a输入到通过磁场H将波长λ的平面波展开的下式所表示的麦克斯韦电磁场波动方程式(式5)，通过在波数空间计算其固有值，以此进行TE偏光成分的光子能带结构的解析。利用这样求出的能带结构求出光子带隙。
(式5)
&Sigma; G &prime; &epsiv; - 1 ( G - G &prime; ) ( k + G ) &CenterDot; ( k + G &prime; ) H ( G &prime; ) = ( &omega; 2 / c 2 ) H ( G )
在这里，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。
再次假定新的R/a(在本实施例1中，R/a＝0.25、0.30、0.35或其他)，同样求出TE偏光成分的光子带隙。通过重复该步骤，研讨每个R/a时的光子带隙是否为最大，并选定其候补。对于选定的R/a候补，按照上述的每个布拉格散射条件的次数m算出周期a、半径R，进一步将光子晶体周期结构的加工深度h加入参数中，进行采用FDTD法的模拟。而且，决定LEE最大时的次数m、周期a、半径R及深度h的组合。其结果是，在本实施例1中，决定R/a＝0.40，次数m＝4，周期a＝298nm，半径R＝119.5nm。
通过下式(式6)、即输出2对于输出1的增减率表示本实施例1的效果指标的LEE增减率。
(式6)
LEE增减率＝(输出2-输出1)/输出1
在这里，输出2是作为本实施例1的成果的LED结构发出的光输出值，输出1是为了与输出2比较的、且成为基准的光输出值。与输出1对应的LED结构如下表(表2)和图2所示。而且，在该LED结构中未形成有本实施方式所涉及的反射型光子晶体周期结构。另外，没有金属层和p-GaN接触层，它们全部被置换为透明p-AlGaN接触层4的结构。此外，光输出值是指显示器接收的来自深紫外LED结构发光层的光输出的值，该监视器分别设置在采用FDTD法的模拟模型中所使用的LED的侧面(外壁的4面)以及正面(上面和底面)。
表2
表3和图3表示的是，根据上述设计所决定的反射型光子晶体周期结构的参数的FDTD模拟结果。具体而言，在图3中，以p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度的组合、以及光子晶体周期结构的形成深度h为参数，并将各LED结构的正面输出的LEE与图2的LED结构的正面输出的LEE进行了比较，并作为LEE增减率进行了比较。
表3 LEE增减率[％](正面输出)
表3及图3的纵轴是LED正面输出的LEE增减率([％])。表3最左列及图3的横轴是p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度的组合(用[nm]/[nm]表示)，分别为0/300，50/250，100/200，200/100及300/0。此外，不仅各层厚度带来的影响，也为比较两层的厚度的比带来的LEE的增减，方便将两层的总计统一为300nm。在这里，300/0的情况是本实施例1的比较例，是未导入本申请发明实施方式的透明p-AlGaN接触层的LED结构。同样，0/300的情况是表示与输出1对应的图2的LED结构(无光子晶体周期结构)，该输出1为LEE增减率的算出基准。
表3的最上行以及图3的纵深方向的轴表示光子晶体周期结构的形成深度h，为0nm、100nm、200nm、300nm、460nm。深度h为300nm的情况是在p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的两层形成有周期结构的。同样，深度h为460nm的情况是贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而形成周期结构的，表3及图3中将其表示为“贯穿”。另外，深度h为0nm的情况是，在图2的LED结构中表示作为LEE增减率的算出基准的输出1(LEE增减率＝0)。
从表3和图3所示结果可知，通过导入透明p-AlGaN接触层4和形成反射型光子晶体周期结构100或110，LED的正面输出明显增加。具体而言，将吸收波长λ的p-GaN接触层3的厚度抑制在50nm至200nm的范围，另一方面，将透明p-AlGaN接触层4导入在250nm至100nm的范围，并且将反射型光子晶体周期结构的深度h在遍及周期a程度的300nm以上形成，以此能够获得LED正面输出的LEE增减率为113％以上、即能够获得输出1的2.13倍的输出。该效果不论反射型光子晶体周期结构是否是贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4而形成的，都被承认。另外，在光子晶体周期结构的深度h为200nm的情况下，LEE增减率(正面输出)得以增加。这相当于本实施例构造中周期a的2/3程度的深度，从该结果可以说，即使在周期a的2/3以上的深度，光子晶体周期结构带来的反射效果也能显现出来。
同样，表4和图4表示LED的侧面和正面的总计输出的LEE增减率，表5和图5表示侧面输出的LEE增减率。
表4 LEE增减率[％](总计输出)
表5 LEE增减率[％](侧面输出)
从表4和图4也能够获得与上述考察同样的结果。具体而言，将透明p-AlGaN接触层4导入在250nm至100nm的范围，(将p-GaN接触层抑制在50nm至200nm的范围，)并且将反射型光子晶体周期结构的深度h在遍及300nm以上形成，以此能够获得最大1.19倍的LEE。
此外，根据LED的封装结构和LED的用途，收到FDTD模拟的结果，此时的判断光子晶体周期结构的参数是否最合适的基准不同。即、其基准为LED正面输出、正面输出和侧面输出的总计输出、Near Field或者Far Field的亮度特性等各种各样。相反，根据其基准，评价为最合适而决定的反射型光子晶体周期结构的各参数不同。此外，主要观察LEE增减率时参照Near Field，观察LEE增减率和放射图案的角度分布时参照Far Field。
实施例2
在本实施例2中，贯穿从反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层(460nm)而构成光子晶体周期结构，针对电极的种类在Al或Au不同的情况，将LED的正面输出的LEE增减率进行了比较。表6表示的是p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度分别为200/100、电极为Au情况时的LED结构。表7中，按照p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度的每个组合，不同电极带来的LED的正面输出对LEE的影响与图2的LED结构进行比较，将其图示在图6中。
表6
表7 LEE增减率[％](正面输出)
从这些图表可知，在其他条件相同时，是Al电极还是Au电极的不同并没有对LEE增减率带来大的差别。所以，通过导入本申请发明所涉及的LED结构和反射型光子晶体周期结构，能够根据需要提高反射电极材料的选择自由度。
实施例3
在上述实施例1和实施例2中，使形成光子晶体周期结构100或110的层的p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度组合按每50nm进行变化，并对该不同所带来的LEE增减率进行了比较讨论。在本实施例3中，对p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度、与导入光子晶体周期结构在p-GaN接触层3所带来的光吸收的抑制效果(即、光子晶体周期结构带来的反射效果)的关联性进行了详细确认。在下表(表8)表示的深紫外LED结构中，使p-GaN接触层3的厚度在200nm至300nm的范围内按每10nm进行变化，对该不同所带来的LEE增减率进行了比较讨论(表9)。在这里，布拉格散射条件的次数m为4，光子晶体周期结构的参数是，圆孔半径R为119.5nm、周期a为298nm、深度h为460nm时，结构为贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而形成的光子晶体周期结构110。此外，对于p-GaN接触层3的厚度范围0nm至200nm，在实施例1得到确认的、p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度组合为50nm时的LEE增减率效果作为参考也记载在表9中。
表8
表9 LEE增减率[％](PhC次数m4)
如表9所示，p-GaN接触层的厚度为260nm时(此时，透明p-AlGaN接触层的厚度为40nm)，LEE增减率(总计输出)为2％，转变为正的。从该结果可以看出，在光子晶体周期结构参数的布拉格散射条件的次数m为4的情况下，如果将p-GaN接触层3的厚度为260nm以下(此时，透明p-AlGaN接触层4的厚度为40nm)，在p-GaN接触层3的光吸收完全被抑制，导入反射型光子晶体周期结构所带来的反射效果显现出来。像这样，透明p-AlGaN接触层4并不是全部不存在，具有一定的厚度。
表10 LEE增减率[％](PhC次数m3)
另外，为调查导入反射型光子晶体周期结构在p-GaN接触层3所带来的光吸收的抑制效果与p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4的厚度的关联性，也在布拉格散射条件的次数m为3的情况下，对光子晶体周期结构参数进行了比较讨论(表10)。在这种情况下，圆孔半径R为89.5nm，周期a为224nm，深度h为下述内容，即、与所述布拉格散射条件的次数m4时同样地在贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而形成光子晶体周期结构110中，为了将仅贯穿p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4部分的厚度为周期a以上，将深度h为390nm。使p-GaN接触层3的厚度在0nm至200nm的范围内按每50nm进行了变化。
从表10可知，即使在次数m3时，如果当p-GaN接触层3的厚度具有比50nm小的程度的膜厚，也能期待导入反射型光子晶体周期结构在p-GaN接触层3所带来的光吸收的抑制效果。
实施例4
以下，将采用纳米压印光刻法的转印技术具体形成上述实施例1至3所记载的光子晶体周期结构的工序，用图进行表示。另外，在这里，将图1E表示的贯穿从Al反射电极层1至透明p-AlGaN接触层4的所有层而构成的光子晶体周期结构110作为例子进行说明，但是，对于仅贯穿p-GaN接触层3和透明p-AlGaN接触层4两层而构成的光子晶体周期结构100的情况，基本工序是相同的。
首先，对于实施例1至3的方法所设计的光子晶体周期结构100或110，制作用于将成为对象的多层正确再现的模具。优选该模具使用树脂制的模具(树脂塑模)200，该树脂制的模具能够追随基板变大时变的显著的基板和在其上层叠的层的翘曲。
此外，在基于纳米压印光刻法的转印技术中采用的光刻胶，为了针对具有微细凹凸结构图案的塑模能够无间隙地充填，其有必要具备较高的流动性。但是，该流动性成为使透明p-AlGaN接触层4的刻蚀选择比恶化的主要原因。两层抗蚀法由于流动性和刻蚀选择比两者都兼备，是适合解决该问题的方法。
具体而言，在已层叠到Al反射电极层1的深紫外LED层叠结构体(图1A、B)上，在Al反射电极层1上通过旋转涂布机等涂布有机抗蚀材料，形成有机抗蚀膜231，该有机抗蚀材料是提高透明p-AlGaN接触层4的刻蚀选择比的酚醛清漆树脂等的材料。进一步，在它上面涂布流动性高的含硅抗蚀剂，形成含硅抗蚀膜232(图7)。考虑材料黏度，该含硅抗蚀膜232调整到能够良好地确保原版剥离性的膜厚，通常也可以比有机抗蚀膜231薄。
对于含硅抗蚀膜232，采用其基本构成如图8所示的纳米压印光刻法，将实施例1至3的方法所设计的光子晶体周期结构100或110利用树脂塑模200进行转印。此外，在该转印时，含硅抗蚀膜232d残留在微细凹凸结构的凹部(图9)。
接下来，通过含氧气体和含氟气体的等离子体301，将残留在凹部的含硅抗蚀膜232d刻蚀至有机抗蚀膜231露出为止。此时，含硅抗蚀膜232的凸部也一起被刻蚀(图10)。
之后，将含硅抗蚀膜232暴晒于含氧等离子体而形成氧化硅膜232a，并将其作为掩膜，通过含氯等离子体302依次从Al反射电极层1到透明p-AlGaN接触层4和p-AlGaN层5的界面一次性地进行刻蚀(图11)。作为氯气，采用Cl2和BCl等。通过使用该含氯等离子体302，能够提高透明p-AlGaN接触层4对于掩膜的选择比，所以能够进行高长宽比的高精度加工。另外，最后通过灰化将有机抗蚀膜231和氧化硅膜232a除去(图12)。
在本实施方式中，以AlGaN基深紫外LED(Light Emmiting Diode)为例进行了说明，如果是具有同样结构的光半导体发光元件，即使其他材料也能适用。
(总结)
1)如果p-GaN接触层的膜厚在200nm左右，光子晶体的深度在1周期以上，入射光被完全反射并抑制吸收，LEE增减率的总计值改善10％以上。
2)1)的情况下，能够使Ni层的厚度在10nm至30nm，所以能够获得与p-GaN接触层的欧姆接触，能够抑制驱动电压的上升，能够大幅改善WPE。
3)1)的情况下，提高了反射电极材料的选择自由度。
4)使用两层抗蚀法的纳米压印法，能够贯穿从反射电极到p-GaN接触层且一次性地制造光子晶体。所以，不需要像微细图案用途的剥离工艺那样的高精度定位，在制造成本方面有很大的利点。
另外，模拟等处理和控制，通过采用CPU(Central Processing Unit)和GPU(Graphics Processing Unit)的软件处理、采用ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)和FPGA(Field Programmable Gate Array)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
本发明可以利用于深紫外LED。
符号说明
1 Al(或Au)反射电极层
2 Ni(或Pd)层
3 p-GaN接触层
4 透明p-AlGaN接触层
5 p-AlGaN层
6 电子阻挡层
7 势垒层
8 量子阱层
9 势垒层
10 n-AlGaN层
11 AlN缓冲层
12 蓝宝石基板
100 光子晶体周期结构
110 光子晶体周期结构
200 树脂塑模
210 UV光源
220 高追随机构
230 光刻胶
231 有机抗蚀膜
232 含硅抗蚀膜
240 高刚性/高精度载台
301 含氧及氟气体等离子体
302 含氯等离子体
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 (13)

1.一种以设计波长为λ的深紫外LED，其特征在于，
从与基板的相反侧起依序具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、相对波长λ透明的p型AlGaN层，
具有设于至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面的厚度方向的范围的光子晶体周期结构，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构进一步设于所述反射电极层以及所述金属层。
3.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构包括柱状结构体，该柱状结构体设于至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面的厚度方向的范围。
4.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构在所述基板侧的其底面部由空气和所述AlGaN层的两个结构体构成，波长λ、周期a及所述两个结构体的平均折射率nav满足布拉格散射条件，并且，该布拉格散射条件的次数m在1<m<5的范围内。
5.根据权利要求4所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子带隙对于TE偏光成分展开。
6.根据权利要求5所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构使其深度h为所述周期a的2/3以上。
7.根据权利要求5所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构使其深度h为所述周期a以上。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构使其深度h为所述p型AlGaN层的厚度以上、所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的总厚度以下。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的深紫外LED，其特征在于，除所述p型AlGaN层之外，在所述基板侧进一步具有与所述p型AlGaN层相比Al的组成大的p型AlGaN层。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的深紫外LED，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形成的。
11.根据权利要求10所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构是采用干法刻蚀而形成的，该干法刻蚀采用基于流动性高的抗蚀剂和刻蚀选择比高的抗蚀剂的两层抗蚀法。
12.一种深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有：
准备层叠结构体的工序，该层叠结构体以设计波长为λ，从与基板的相反侧起依序含有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、相对波长λ透明的p型AlGaN层；
准备用于形成光子晶体周期结构的模具的工序，该光子晶体周期结构设于至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面的厚度方向的范围；
在所述层叠结构体上形成抗蚀剂层，转印所述模具的结构的工序；
以所述抗蚀剂层作为掩膜依次将所述层叠结构体刻蚀而形成光子晶体周期结构的工序。
13.根据权利要求12所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，
在所述层叠结构体上形成抗蚀剂层，转印所述模具的结构的工序具有：在所述层叠结构体上形成干法刻蚀的工序，该干法刻蚀采用基于流动性高的第1抗蚀剂层和相对所述第1抗蚀剂层刻蚀选择比高的第2抗蚀剂层的两层抗蚀法；采用纳米压印光刻法在所述第1抗蚀剂层转印所述模具的结构的工序，
以所述抗蚀剂层作为掩膜依次将所述层叠结构体刻蚀而形成光子晶体周期结构的工序具有，将所述第1抗蚀剂层和所述第2抗蚀剂层进行刻蚀而至所述第2抗蚀剂层露出为止，同时将所述第1抗蚀剂层的图案凸部一并刻蚀，以所述第2抗蚀剂层作为掩膜依次将所述层叠结构体刻蚀而形成光子晶体周期结构的工序。
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