CN108292695B - 深紫外led及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及p型接触层，进一步，具有与所述p型接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，所述半球状透镜的折射率为所述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且处于所述基板的折射率以内，所述半球状透镜具有所述基板的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的半径。

Description

深紫外LED及其制造方法
技术领域
本发明涉及深紫外LED技术。
背景技术
期待在食品、净水、医疗、家电的杀菌等广泛的用途中利用发光波长为265nm～280nm附近的深紫外LED。但是，产品的WPE(电力转换效率)低至2％～3％，若要实现在上述用途上的实用化，则至少需要WPE为10％以上的效率。其主要原因在于，由量子阱发出的深紫外光，有时在p型GaN接触层吸收消失50％以上、以及由于内部全反射而封闭于LED内部而转变为热，从而光提取效率(LEE：Light Extraction Efficiency)低至不足10％。因此，在专利文献1中，通过形成光子晶体周期结构而提高光提取效率。因此，完成了如下报告：通过非专利文献1、2中记载的方法，对于p型GaN接触层基体的结构，将LEE改善为1.7倍～3倍左右。
现有技術文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/008556号公报
非专利文献
非专利文献1：戦略的創造研究推進事業CREST研究区域「新機能創成に向けた光·光量子科学技术」研究課題「230-350nm帯InAlGaN系深紫外高效率发光器件的研究」研究終了报告書(研究期间平成19年10月～平成25年3月)
非专利文献2：第62回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集(2015東海大学湘南キャンパス)14p-B1-5
发明内容
发明要解决的问题
在非专利文献1中，采用针对发光波长而透明的p型AlGaN接触层而将LEE改善为约1.7倍。进一步，在非专利文献2中，在蓝宝石基板的背面接合针对发光波长而透明的透镜而将LEE改善为约3倍。
但是，无论采取任何方法，LEE最大为15％且WPE不足9％，WPE尚未超过10％。
本发明的目的在于，在深紫外LED中通过更进一步提高LEE而实现较高的WPE效率。
用于解决问题的方法
根据本发明的第一观点，提供一种设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板(例如蓝宝石基板)的相反侧起按顺序依次具有反射电极层(例如Al)、极薄膜金属层(例如Ni层(1nm左右))以及p型接触层，进一步，具有与上述p型接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ的光而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为上述基板的折射率以下，上述半球状透镜具有上述基板的内切圆的半径以上、且大约为外接圆的半径左右的半径。
例如，上述p型接触层是透明p型AlGaN接触层，即，p型AlGaN接触层对于波长λ而透明，被极薄膜Ni层吸收的光较少，Al反射电极层对于光具有90％的高反射率，因此，能够获得相对于p型GaN接触层而达到1.7倍左右的LEE增加效果。进一步，由上述高反射电极结构反射的大部分光从蓝宝石基板的正面入射、且从与蓝宝石基板的背面接合的透明的透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
另外，根据该半球状透镜和高反射电极结构的叠加效应，蓝宝石基板越薄、以及元件尺寸越大，越能够增大LEE效果。
进一步，其特征在于，上述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，上述光子晶体周期结构由具有空气以及上述透明p型AlGaN接触层的周期结构的结构体构成，并且，上述光子晶体周期结构具有光子带隙，上述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，波长λ、上述结构体的周期a以及构成上述结构体的上述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围，并且，上述结构体的深度h设为上述周期a的2/3以上。
上述光子晶体周期结构(反射型光子晶体周期结构)因具有光子带隙而能够通过几次的多重反射高效地对波长λ的光进行反射。假设在光微量地从透明p型AlGaN接触层透过的情况下，被极薄膜Ni吸收的光较少，Al反射电极层对于光具有90％以上的高反射率，因此，与不具有光子晶体周期结构的Al反射电极层单体相比，能够实现更大的LEE。
进一步，由上述反射型光子晶体周期结构反射的大部分光从蓝宝石基板的正面入射、且从与蓝宝石基板的背面接合的透明的半球状透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此，能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
通过该半球状透镜、反射型光子晶体周期结构、透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层以及Al反射电极层的叠加效应，能够增大LEE效果。
另外，例如，其特征在于，上述p型接触层从上述基板的相反侧起按顺序依次具有p型GaN接触层以及p型AlGaN层，具有至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面、且在上述基板方向上未超过p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，上述光子晶体周期结构由具有空气、以及上述p型GaN接触层和p型AlGaN接触层的周期结构的结构体构成，并且，上述光子晶体周期结构具有光子带隙，上述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，波长λ、上述结构体的周期a以及构成上述结构体的两种材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围，并且，上述结构体的深度h设为上述周期a的2/3以上。
进一步，其特征在于，在上述基板的背面具有与上述p型AlGaN层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，接合的上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且处于上述基板的折射率以内。
优选地，半球状透镜具有上述基板的内切圆的半径以上、且大约为外接圆的半径左右的半径。
若是该结构，则能够利用p型GaN接触层而维持低接触电阻。另外，反射型光子晶体周期结构因具有光子带隙而能够通过几次的多重反射高效地对波长λ的光进行反射。因此，能够抑制金属层以及p型GaN接触层对光的吸收。
进一步，由上述光子晶体周期结构反射的大部分光从上述基板的正面入射、且从与上述基板的背面接合的透明的半球状透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也从透镜表面向法线方向射出，因此能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
另外，通过该半球状透镜和反射型光子晶体周期结构的叠加效应，能够增大LEE效果。
上述光子晶体周期结构的特征在于，在厚度方向上延长设置至上述反射电极层的范围内。
上述光子晶体周期结构的特征在于，利用基于纳米压印法的转印技术而形成。
进一步，上述光子晶体周期结构的特征在于，利用使用基于流动性较高的抗蚀剂和蚀刻选择比较高的抗蚀剂的双层抗蚀剂法的干法蚀刻而形成。
另外，本发明的特征在于，通过具有如下步骤的参数计算方法而求出上述光子晶体周期结构的参数：暂时确定作为周期结构参数的周期a和上述结构体的半径R的比(R/a)的步骤；算出上述结构体的各自的折射率n1和n2，并根据上述折射率和上述R/a算出平均折射率nav，将上述值代入布拉格条件式，由此获得各次数m的周期a和半径R的步骤；通过平面波展开法对TE光的光子能带结构进行解析的步骤，在上述平面波展开法中，利用了上述R/a、波长λ以及根据上述折射率n1、n2而获得的各结构体的介电常数ε1以及ε2；直至存在TE光的第一光子能带与第二光子能带之间的PBG为止，改变上述暂时确定的R/a的值，重复进行解析的步骤；关于具有上述PBG的R/a，通过基于有限时间区域差分法(FDTD法)的模拟解析，求出针对上述波长λ的光提取效率增减率的步骤，其中，将与布拉格条件的次数m相应的各周期a和半径R、以及任意的周期结构的深度h作为变量来进行上述基于有限时间区域差分法(FDTD法)的模拟解析；以及通过反复进行基于上述FDTD法的模拟，确定针对上述波长λ的光提取效率增减率最大的布拉格条件的次数m、与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R以及深度h的步骤。
进一步，本发明的特征在于，在上述p型接触层与上述半球状透镜之间设置有波导结构。
上述波导结构的特征在于，具有AlN结合柱状体周期结构，上述AlN结合柱状体周期结构由设置于上述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与上述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成。
另外，上述波导结构的特征在于，在利用采用基于纳米压印法的转印技术形成的掩模图案(例如SiO2掩模)并通过湿法蚀刻法而形成的PSS周期结构上，使AlN膜进行外延生长而形成上述波导结构。
例如，提供一种深紫外LED，该深紫外LED是设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有Al高反射电极层、极薄膜Ni层(1nm左右)、以及对于波长λ而透明的透明p型AlGaN接触层，具有光子晶体周期结构，该光子晶体周期结构具有至少在上述透明p型AlGaN接触层的厚度方向、或者包含上述透明p型AlGaN接触层至包含上述极薄膜Ni层的与上述Al反射电极层的界面的厚度方向的范围内所设置的光子带隙(PBG)，并且，在蓝宝石基板的正面具有与通过湿法蚀刻而形成的PSS连续地外延生长的AlN结合柱状体，并且，在蓝宝石基板的背面具有与上述透明p型AlGaN接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且处于上述基板的折射率以内。
此外，优选地，半球状透镜具有蓝宝石基板的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的半径。
另外，反射型光子晶体周期结构因具有光子带隙而能够通过几次的多重反射高效地对波长λ的光进行反射。进一步，入射至上述AlN结合柱状体的光通过波导效果而传播、且无浪费地向蓝宝石基板的表面入射。假设在光微量地从透明p型AlGaN接触层透过的情况下，被极薄膜Ni层吸收的光较少，Al反射电极层对于光具有90％以上的高反射率，因此，与不具有光子晶体周期结构的Al反射电极层单体相比，能够实现较大的LEE。
进一步，由上述反射型光子晶体周期结构反射的大部分光从蓝宝石基板的正面入射、且从与蓝宝石基板的背面接合的透明的透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此，能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
另外，通过该半球状透镜、光子晶体周期结构、透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层以及Al反射电极层、进一步的湿法蚀刻的源自PSS的AlN结合柱状体的波导效果的叠加效应，能够增大LEE效果。
另外，本发明是设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，进一步，具有与上述透明p型AlGaN接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为上述基板的折射率以下，进一步，在上述光子晶体周期结构与上述半球状透镜之间设置有波导结构。
根据本发明的第二观点，提供一种深紫外LED，该深紫外LED是设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，上述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，进一步，具有与上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且处于上述基板的折射率以内，进一步，在上述光子晶体周期结构与上述半球状透镜之间设置有波导结构。
上述波导结构的特征在于，具有AlN结合柱状体周期结构，上述AlN结合柱状体周期结构由设置于上述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与上述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成。
根据本发明的第三观点，提供一种深紫外LED，该深紫外LED是设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层，具有至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面的在厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，进一步，具有与上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为上述基板的折射率以下，进一步，在上述光子晶体周期结构与上述半球状透镜之间设置有波导结构。
上述波导结构的特征在于，具有AlN结合柱状体周期结构，上述AlN结合柱状体周期结构由设置于上述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与上述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成。
根据本发明的第四观点，提供一种深紫外LED的制造方法，该深紫外LED的制造方法是从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层、且设计波长设为λ的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：将对于波长λ而透明、且折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上且为上述基板的折射率以下的半球状透镜与上述基板侧背面接合。
另外，提供一种深紫外LED的制造方法，该深紫外LED的制造方法是从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层、且设计波长设为λ的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：形成光子晶体周期结构的工序，该光子晶体周期结构设置于上述透明p型AlGaN接触层的厚度方向的范围内，由具有空气以及上述透明p型AlGaN接触层的周期结构的结构体构成，并且，上述光子晶体周期结构具有光子带隙；以及在上述基板侧背面接合半球状透镜的工序，上述半球状透镜对于波长λ而透明、且折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上且为上述基板的折射率以下。
进一步，提供一种深紫外LED的制造方法，该深紫外LED的制造方法是从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层、且设计波长设为λ的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：形成光子晶体周期结构的工序，该光子晶体周期结构设置于上述透明p型AlGaN接触层的厚度方向的范围内，由具有空气以及上述透明p型AlGaN接触层的周期结构的结构体构成，并且，上述光子晶体周期结构具有光子带隙；在所述基板的正面形成波导结构的工序；以及在上述基板侧背面接合半球状透镜的工序，上述半球状透镜对于波长λ而透明、且折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上且为上述基板的折射率以下。
例如，提供一种深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：准备设计波长设为λ、且从基板的相反侧起按顺序依次含有Al反射电极层、极薄膜Ni层以及透明p型AlGaN接触层的层叠结构体的工序；准备用于形成至少在上述透明p型AlGaN接触层的厚度方向、或者包含上述透明p型AlGaN接触层至包含上述极薄膜Ni层的与上述Al反射电极层的界面的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构的模具的工序；在上述层叠结构体上形成抗蚀剂层、且对上述模具的结构进行转印的工序；将上述抗蚀剂层作为掩模按顺序依次对上述层叠结构体进行蚀刻而形成光子晶体周期结构的工序；继在蓝宝石基板的正面上形成PSS周期结构的工序之后，形成使AlN外延生长而形成的AlN结合柱状体的工序；以及将与上述透明p型AlGaN接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜与蓝宝石基板的背面接合的工序。
另外，本发明提供一种深紫外LED的制造方法，该深紫外LED的制造方法是从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层、且设计波长设为λ的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：形成光子晶体周期结构的工序，该光子晶体周期结构至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面、且设置于在上述基板方向上未超过p型AlGaN层的厚度方向的范围内，该光子晶体周期结构具有光子带隙；以及在上述基板侧背面接合半球状透镜的工序，上述半球状透镜对于波长λ而透明、且折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上且为上述基板的折射率以下。
进一步，提供一种深紫外LED的制造方法，该深紫外LED的制造方法是从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层、且设计波长设为λ的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：形成光子晶体周期结构的工序，该光子晶体周期结构设置至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面、且设置于在上述基板方向上未超过p型AlGaN层的厚度方向的范围内，该光子晶体周期结构具有光子带隙；在上述基板的正面形成波导结构的工序；以及在上述基板侧背面接合半球状透镜的工序，上述半球状透镜对于波长λ而透明、且折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上且为上述基板的折射率以下。
例如，提供一种深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：准备设计波长设为λ、且从基板的相反侧起按顺序依次含有Au反射电极层、Ni层、p型GaN接触层、以及对于波长λ而透明的p型AlGaN层的层叠结构体的工序；准备用于形成至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面的在厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构的模具的工序；在上述层叠结构体上形成抗蚀剂层、且对上述模具的结构进行转印的工序；将上述抗蚀剂层作为掩模按顺序依次对上述层叠结构体进行蚀刻而形成光子晶体周期结构的工序；继在蓝宝石基板的正面上形成PSS周期结构的工序之后，形成使AlN外延生长而形成的AlN结合柱状体的工序；以及将与上述透明p型AlGaN接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜与蓝宝石基板的背面接合的工序。
进一步，上述半球状的透镜的特征在于，是具有比上述基板的折射率和空气的折射率的平均值大的折射率的材料，只要满足上述条件，可以是蓝宝石、尖晶石、石英玻璃、AlN、封装树脂等任何材料。另外，上述半球状透镜和上述基板的接合方法的特征在于，采用表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体、臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长λ而透明的粘接剂的接合、在接合界面处能抑制光的散射以及吸收的接合方法。
此外，关于透镜，设为基板的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的半径，取决于制造工序和聚光效率的关系。
即，通过使半球状透镜的半径与外接圆的半径大致相等，能够使从基板射出的光向透镜汇聚而不泄漏。但是，为了提高在出射基板上排列配置的元件的集成度，可以将半球状透镜的半径设为内切圆的半径左右。
在以上记载的深紫外LED的制造方法中，可以使用如下计算方法，该计算方法的特征在于，作为使得光提取效率最优化的方法，对光线追踪法的任意的立体角时的光提取效率乘以通过FDTD法获得的相同的立体角时的光提取效率增减率的倍率而进行插值，由此进行亚纳米至几毫米的广阔的动态范围区域的解析。
本发明是一种设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、以及对于波长λ而透明的p型AlGaN层，具有至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面的在厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，上述光子晶体周期结构具有光子带隙，进一步，具有与上述p型接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜。
本发明提供一种深紫外LED，该深紫外LED是设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板(例如蓝宝石基板)的相反侧起按顺序依次具有反射电极层(例如Al)、极薄膜金属层(例如Ni层(1nm左右))以及p型接触层，进一步，具有与上述p型接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上且为上述基板的折射率以下，上述半球状透镜具有上述基板的内切圆的半径以上、且大约为外接圆的半径左右的半径，在上述半球状透镜与上述基板的背面接合的状态下，在将由从量子阱层的中心通过的垂线、和从量子阱层的中心朝向基板的背面的内切圆的切线包围的角度定义为θ的情况下，由Sr＝2π(1-cosθ)表达的立体角Sr为与依赖于立体角的光提取效率增大的拐点对应的立体角以上。
根据本发明的第五观点，提供一种设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层、以及对于波长λ而透明的p型AlGaN层、多重量子障碍层、势垒层、量子阱层，上述p型AlGaN层的膜厚处于30nm以内，在上述基板方向上未超过所述p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置反射型光子晶体周期结构，该反射型光子晶体周期结构至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面、且具有多个空孔，在从上述空孔的基板方向的端面至量子阱层的距离为50nm～70nm、且其深度h为40nm～60nm的范围内能够获得光提取效率的极大值，并且，上述反射型光子晶体周期结构具有对于TE偏振分量打开的光子带隙，对于上述设计波长λ的光，上述光子晶体周期结构的周期a满足布拉格条件，并且，布拉格条件式中的次数m满足1≤m≤5，当将上述空孔的半径设为R时，满足光子带隙为最大的R/a。进一步，提供一种深紫外LED，其特征在于，在上述基板的背面具有与上述p型AlGaN层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率与上述基板的折射率相等。
本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本专利申请号为2015-173834号以及日本专利申请号为2015-218532号的公开内容。
发明效果
根据本发明，能够提高深紫外LED的LEE以及WPE。
附图说明
图1是表示包括透明p型AlGaN接触层的深紫外LED的结构的图。
图2A是表示蓝宝石透镜与图1的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图2B是表示接合透镜和基板的关系的俯视图，图2B(a)是表示接合透镜成为基板的内切圆的关系的图，图2B(b)是表示接合透镜成为基板的外接圆的关系的图。
图3是表示具有p型GaN接触层的现有的深紫外LED的结构的图。
图4是表示蓝宝石透镜与图3的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图5(a)、图5(b)是表示基于光线追踪法的LED元件是否接合有透镜(内切圆)和LEE的关系的图。
图6(a)、图6(b)是表示基于光线追踪法的LED元件是否接合有透镜(外接圆)和LEE的关系的图。
图7是表示石英玻璃透镜与具有透明p型AlGaN接触层的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图8是表示石英玻璃透镜与具有p型GaN接触层的现有的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图9(a)、图9(b)是表示基于光线追踪法的接合透镜(内切圆)折射率和LEE的关系的图。
图10(a)、图10(b)是表示基于光线追踪法的接合透镜(外接圆)折射率和LEE的关系的图。
图11A是表示具有透明p型AlGaN接触层、反射型光子晶体、石英玻璃透镜接合的深紫外LED的结构的图。
图11B是表示图11A的反射型光子晶体的结构例的俯视图。
图11C是表示图11A的变形例所涉及的深紫外LED的结构的图。
图12是表示在图11的LED中将石英玻璃透镜变更为蓝宝石透镜的深紫外LED的结构的图。
图13是表示与孔状光子晶体的TE光相关的光子带隙和R/a的关系的图。
图14是表示与孔状光子晶体的TM光相关的光子带隙和R/a的关系的图。
图15涉及具有反射型光子晶体和透镜接合的深紫外LED的设计方法，是表示光子晶体设计的计算方法的一个例子的流程图。
图16是在具有光子晶体和透镜接合的FDTD用计算模型中表示立体角的定义的图。
图17A(a)、图17A(b)是在图9中的横轴的基板厚度上附加了与1.66以及3.85的立体角相当的基板厚度的图。
图17B(a)、图17B(b)是在图10中的横轴的基板厚度上附加了与1.66以及3.85的立体角相当的基板厚度的图。
图18A(a)、图18A(b)是将图17A中的横轴的基板厚度变换为立体角的图。
图18B(a)、图18B(b)是将图17B中的横轴的基板厚度变换为立体角的图。
图19A(a)、图19A(b)是表示蓝宝石透镜接合(内切圆)透明p型AlGaN接触层光子晶体的光提取效率增减率的图。
图19B(a)、图19B(b)是表示蓝宝石透镜接合(外接圆)透明p型AlGaN接触层光子晶体的光提取效率增减率的图。
图20A(a)、图20A(b)是表示图19A的辐射图案的图。
图20B(a)、图20B(b)是表示图19B的辐射图案的图。
图21A(a)、图21A(b)是表示石英玻璃透镜接合(内切圆)透明p型AlGaN接触层光子晶体的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图21B(a)、图21B(b)是表示石英玻璃透镜接合(外接圆)透明p型AlGaN接触层光子晶体的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图22是表示石英玻璃透镜与在p型GaN接触层具有反射型光子晶体周期结构的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图23是表示将图22中的石英玻璃透镜置换为蓝宝石透镜后的深紫外LED的结构的图。
图24A(a)、图24A(b)是表示蓝宝石透镜接合(内切圆)p型GaN接触层光子晶体的光提取效率增减率的图。
图24B(a)、图24B(b)是表示蓝宝石透镜接合(外接圆)p型GaN接触层光子晶体的光提取效率增减率的图。
图25A(a)、图25A(b)是表示图24A的辐射图案的图。
图25B(a)、图25B(b)是表示图24B的辐射图案的图。
图26A(a)、图26A(b)是表示石英玻璃透镜接合(内切圆)p型GaN接触层光子晶体的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图26B(a)、图26B(b)是表示石英玻璃透镜接合(外接圆)p型GaN接触层光子晶体的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图27A是表示石英玻璃透镜与在透明p型AlGaN接触层具有反射型光子晶体周期结构和AlN结合柱状体的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图27B是表示图27A的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27C是表示将图27A中的石英玻璃透镜置换为蓝宝石透镜的深紫外LED的结构的图。
图27D是表示图27C的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27E是表示石英玻璃透镜与具有AlN结合柱状体的LED接合后的深紫外LED的结构的图。
图27F是表示图27E的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27G是表示将图27E中的石英玻璃透镜置换为蓝宝石透镜的深紫外LED的结构的图。
图27H是表示图27G的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27I是表示将图27A中的透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层、Al反射电极层置换为p型AlGaN层、p型GaN接触层、Ni层、Au反射电极层的深紫外LED的结构的图。
图27J是表示图27I的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27K是表示将图27C中的透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层、Al反射电极层置换为p型AlGaN层、p型GaN接触层、Ni层、Au反射电极层的深紫外LED的结构的图。
图27L是表示图27K的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27M是表示将图27E中的透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层、Al反射电极层置换为p型AlGaN层、p型GaN接触层、Ni层、Au反射电极层的深紫外LED的结构的图。
图27N是表示图27M的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图27O是表示将图27G中的透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层、Al反射电极层置换为p型AlGaN层、p型GaN接触层、Ni层、Au反射电极层的深紫外LED的结构的图。
图27P是表示图27O的PSS周期结构的配置例的俯视图。
图28A(a)、图28A(b)是表示基于FDTD法的透明p型AlGaN接触层的反射型光子晶体周期结构、AlN结合柱状体以及接合透镜(内切圆)的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图28B(a)、图28B(b)是表示基于FDTD法的透明p型AlGaN接触层的反射型光子晶体周期结构、AlN结合柱状体以及接合透镜(外接圆)的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图29A(a)、图29A(b)是表示基于FDTD法的透明p型AlGaN接触层、AlN结合柱状体以及接合透镜(内切圆)的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图29B(a)、图29B(b)是表示基于FDTD法的透明p型AlGaN接触层、AlN结合柱状体以及接合透镜(外接圆)的光提取效率增减率和辐射图案的图。
图30是表示能够利用基于纳米压印法的转印技术来加工光子晶体周期结构、PSS周期结构等的图。
图31(a)至图31(c)是进行图30(b)、图30(e)以及图30(f)的工序时的实际的SEM照片。
图32A是本发明的第十二实施方式所涉及的、表示集成光子效应的深紫外LED的一个结构例的剖视图。
图32B是图32A所示的光子晶体周期结构的俯视图。
图33A是表示TM光子能带结构的图。
图33B是表示TE光子能带结构的图。
图34是表示集成光子效应的FDTD计算模型的剖视图。
图35是表示Flat结构LED的光线追踪法计算模型的图。
图36A是表示集成光子效应(光提取效率的增减率)的相对于量子阱层的距离依赖性的曲线图。
图36B是表示集成光子效应(光提取效率)的相对于量子阱层的距离依赖性的曲线图。
图36C是表示集成光子效应的图，且是辐射图案的曲线图。
具体实施方式
在以下各实施方式中，参照附图对能够进一步提高深紫外LED的特性的技术进行详细说明。
(第一实施方式)
作为本发明的第一实施方式所涉及的深紫外LED的一个例子，图1中示出了设计波长λ设为280nm的AlGaN系深紫外LED的结构。如图1所示，本实施方式所涉及的包括透明p型AlGaN接触层的深紫外LED从图1中的上方起按顺序依次具有蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层(活性层)5、势垒层6、电子阻挡层7、透明p型AlGaN接触层8、极薄膜Ni层9、Al反射电极层10。在以下例子中，示出了作为活性层而使用量子阱层的例子，但作为活性层并不限定于量子阱结构。
而且，如图2A所示，例如使半球形的蓝宝石透镜20a与蓝宝石基板1接合。
图2B是表示接合透镜和基板1的关系的俯视图，图2B(a)表示接合透镜20a成为矩形的基板1的内切圆(处于多边形的内部且与所有边相切的圆)C1的位置关系，图2B(b)是表示接合透镜20a成为矩形基板1的外接圆(从多边形的所有顶点通过的圆)的位置关系的图。透镜接合(内切圆)表示前者的位置关系，透镜接合(外接圆)表示后者的位置关系。
图3、图4是表示设置于一般的深紫外LED的包含p型GaN接触层的结构例的图，与图1以及图2A对比地示出了图3以及图4。
在图3中，从上方起按顺序依次设置有蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8a、p型GaN接触层8b、Ni层9a、Au反射电极层10a。
另外，在图4所示的结构中，从上方起按顺序依次在图3所示的结构的蓝宝石基板1上设置有蓝宝石透镜20a。
图1所示的透明p型AlGaN接触层8对于波长λ透明，被极薄膜Ni层9吸收的光较少、且Al对于光具有90％以上的高反射率。因此，相对于图3中的p型GaN接触层8b，在图1中，能够获得1.7倍左右的LEE增加效果。进一步，在包含极薄膜Ni层9、Al反射电极层10的高反射电极结构中反射的大部分光从蓝宝石基板1的表面入射并从与蓝宝石基板1的背面接合的图2A中的透明的蓝宝石透镜20a向空气中射出。
该蓝宝石透镜20a例如是半球状透镜，其具有蓝宝石基板1的大约内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的半径，因此，即使存在向蓝宝石基板1的入射角度分布，光也向透镜表面的法线方向射出，因此能够尽可能地抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
作为对这样的效果的更具体的说明，制成计算模型，并利用光线追踪法(表1的计算模型)对LED的光提取效率进行了解析。
表1
光线追踪法的计算模型
Figure BDA0001587377440000161
基于图5(透镜半径为内切圆的半径)以及图6(透镜半径为外接圆的半径)所示的光线追踪法的解析结果如下。
A：与蓝宝石透镜接合的情况下
1)与未接合透镜的LED相比，p型GaN接触层以及透明p型AlGaN接触层与蓝宝石透镜接合的LED的光提取效率均大2倍以上。
2)相对于p型GaN接触层的LED，透明p型AlGaN接触层的LED的光提取效率大2倍以上。
3)光提取效率与基板的厚度成反比地增大。
B：未与蓝宝石透镜接合的情况下
1)相对于p型GaN接触层的LED，透明p型AlGaN接触层的LED的光提取效率大2倍以上。
2)光提取效率不取决于基板厚度。
(第二实施方式)
作为本发明的第二实施方式所涉及的深紫外LED的一个例子，图7中示出了设计波长λ设为280nm的AlGaN系深紫外LED的结构。如图7所示，本实施方式所涉及的AlGaN系深紫外LED在图2A的结构中在蓝宝石基板1上设置有石英玻璃透镜20b取代蓝宝石透镜。
图8是表示现有的深紫外LED中的包含p型GaN接触层的结构例的图。图8是在图4的结构中在蓝宝石基板1上设置有石英玻璃透镜20b取代蓝宝石透镜的结构。
这里，对蓝宝石和石英的材料上的差异所引起的透镜折射率的差异与光提取效率的关系进行验证。与第一实施方式相同，制成计算模型，并通过光线追踪法(参照表2)而进行解析，图9(透镜半径为内切圆的半径)以及图10(透镜半径为外接圆的半径)中示出了其结果。
表2
光线追踪法的计算模型
元件尺寸：300μm□ pAlGaN石英玻璃透镜 pGaN石英玻璃透镜
石英玻璃透镜半径(内切圆) 150μm 150μm
石英玻璃透镜半径(外接圆) 220μm 220μm
蓝宝石基板厚度 50～300μm 50～300μm
AIN缓冲层膜厚 4μm 4μm
pGaN接触层膜厚 - 1μm
透明pAlGaN接触层膜厚 1μm -
图9(透镜半径为内切圆的半径)以及图10(透镜半径为外接圆的半径)的光线追踪法的结果如下。
1)直至基板的厚度达到100μm为止，p型GaN接触层以及透明p型AlGaN接触层与石英玻璃透镜接合的LED的光提取效率均与基板的厚度成反比地增大。
2)在包含透明p型AlGaN接触层的LED中，与包含p型GaN接触层的LED相比，具有2倍以上的光提取效率。
对第一实施方式至第二实施方式的结果进行如下总结。
在透镜半径为所接合的基板的背面的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的情况下，成立以下关系。
1)若在基板上接合透镜，则透明p型AlGaN接触层以及p型GaN接触层的光提取效率均与基板的厚度成反比地增大。
2)透镜的折射率越接近基板的折射率，则上述效果越明显。
3)透明p型A1GaN接触层的光提取效率为p型GaN接触层的光提取效率的2倍以上。
4)在未在基板上接合透镜的情况下，透明p型A1GaN接触层以及p型GaN接触层的光提取效率均不取决于基板的厚度。
(第三实施方式)
作为本发明的第三实施方式所涉及的深紫外LED的一个例子，图11A、图11B、图11C中示出了设计波长λ设为280nm的AlGaN系深紫外LED的结构。如图11A所示，在石英玻璃透镜20b、蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、透明p型AlGaN接触层8、极薄膜Ni层9、Al反射电极层10的基础上，本实施方式所涉及的AlGaN系深紫外LED还具有光子晶体周期结构100、光子晶体(孔)101。在图11A中，在透明p型AlGaN接触层8的厚度方向的范围内形成有光子晶体周期结构100。
光子晶体周期结构100的结构体例如是在较大折射率的介质中形成有较小的折射率的结构的第一结构体，例如是形成有孔101的结构体。如图11B举例所示，在二维平面中以半径R、周期a、深度h(未图示)而形成孔101。
另外，在蓝宝石透镜20a、蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、透明p型AlGaN接触层8、极薄膜Ni层9、Al反射电极层10的基础上，图12所示的深紫外LED还具有光子晶体周期结构100、光子晶体(孔)101。在图12中，在透明p型AlGaN接触层8的厚度方向的范围内形成有光子晶体周期结构100。
深紫外LED的特征在于，从蓝宝石基板1的相反侧起按顺序依次具有Al反射电极层10、极薄膜Ni层(1nm左右)9、以及对于波长λ而透明的透明p型AlGaN接触层8，具有光子晶体周期结构100，该光子晶体周期结构100具有至少在透明p型AlGaN接触层8的厚度方向、或者包含透明p型AlGaN接触层8至包含极薄膜Ni层9的与Al反射电极层10的界面的厚度方向的范围内设置的光子带隙(PBG)，并且，在蓝宝石基板1的背面接合有半球形的石英玻璃透镜20b(图11A)或者蓝宝石透镜20a(图12)，上述透镜对于波长λ而透明，具有蓝宝石基板1的内切圆的半径以上且大约为外接圆的半径左右的半径。
光子晶体周期结构是未到达透明p型AlGaN接触层8和电子阻挡层7的界面的结构。这是因为，若未对光子晶体周期结构100残留30nm～50nm左右，则在通过干法蚀刻形成光子晶体周期结构100时有可能对电子阻挡层7造成损伤。
此外，从实际制造元件时的工艺上的观点来看，作为本实施方式的变形例，如图11C所示，光子晶体周期结构可以是如下结构：将极薄膜Ni层9贯通而到达Al反射电极层10内，但并未到达Al反射电极层10和空气的界面。
反射型光子晶体周期结构100由于具有PBG而能够通过几次多重反射而高效地使波长为λ的光反射。
假设在光微量地从透明p型AlGaN接触层8透过的情况下，被极薄膜Ni层9吸收的光较少、且Al反射电极层10对于光而具有90％以上的高反射率，因此，与未设置光子晶体周期结构100的Al反射电极层单体的情况相比，能够实现较大的LEE。
进一步，由反射型光子晶体周期结构100反射的光中的大部分光都从蓝宝石基板1表面入射、且从与蓝宝石基板1背面接合的透明的透镜20a或20b向空气中射出。由于该透镜20a或20b是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板1的入射角度分布，光也向透镜表面的法线方向射出，因此能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
另外，通过该半球状透镜20a或20b、光子晶体周期结构100及透明p型AlGaN接触层8、极薄膜Ni层9以及Al反射电极层10的叠加效应而能够增大LEE效果。
在具有上述光子晶体周期结构100的结构中，由量子阱层5发出的波长为280nm的深紫外光的TE光和TM光一边进行椭圆偏振、一边在介质中传播。其偏振度为0.29。而且，该光子晶体周期结构100具有光子带隙，在底面部，形成具有不同折射率的透明p型AlGaN接触层8和空气作为两个结构体，在将上述结构体的平均折射率设为nav(nav为周期a和圆孔的半径R的函数)、且将周期设为a的情况下，当满足由下式(1)表示的布拉格散射条件时，使入射至该光子晶体周期结构的TE光反射、且TM光透射。
mλ/nav＝2a(1)
而且，利用作为圆孔的半径R和周期a的比的R/a、设计波长λ以及与两个结构体的折射率n1和n2对应的各结构体的介电常数ε1以及ε2并通过平面波展开法而对TE光以及TM光的光子能带结构进行解析。具体而言，输入至由下式(2)、(3)表示的麦克斯韦的波动方程式而对其固有值进行计算。
【数学式1】
Figure BDA0001587377440000191
【数学式2】
Figure BDA0001587377440000192
其中，E′＝|k+G|E(G)，ε：相对介电常数，G：倒格矢，k：波数，ω：频率，c：光速，E：电场。
将R/a作为变量并以0.01的阶数(step)在0.20≤R/a≤0.40的范围内求出TE光的光子能带结构，将能够确认光子带隙的第一光子能带(1stPB)与第二光子能带(2ndPB)之间的光子带隙设为PBG1、且将第七光子能带(7thPB)与第八光子能带(8thPB)之间的光子带隙设为PBG4，并求出各PBG和R/a的关系。图13中示出了其结果。
同样地求出TM光的光子能带结构，将1stPB与2ndPB之间的PBG设为PBG1、将3rdPB与4thPB之间的PBG设为PBG2、将5thPB与6thPB之间的PBG设为PBG3、且将7thPB与8thPB之间的PBG设为PBG4，并求出各PBG和R/a的关系。图14中示出了其结果。
光子晶体的状态密度(ρ)表示多少光子能够以何种频率而存在的状态。在同样的介质中，状态密度相对于频率仅显示出单调递增，但在光子晶体中在光子带隙的频域中，为ρ(ω)＝0。因群速度为零而引起光子带隙附近的状态密度的急剧的变化、其他频域中的尖锐的峰值。而且，该群速度为零的代表性的对称点为M点，两个波由于布拉格衍射而改变光的传播方向从而形成驻波。而且，该状态密度的急剧的变化率与光子带隙的大小大致成比例。
因此，通过基于FDTD法的解析而求出光子带隙的大小和反射、透射效果的关系、以及深紫外LED的光提取效率(LEE)的增减率，由此获得LEE增减率最大的光子晶体的直径d、周期a以及深度h。
图15中示出了更详细的处理流程。
(步骤S01)
暂时确定作为周期结构参数的周期a与结构体的半径R的比(R/a)。
(步骤S02)
算出第一结构体的各折射率n1和n2，并根据上述折射率和R/a算出平均折射率nav，将上述值代入布拉格条件式而获得各次数m的周期a和半径R。
(步骤S03)
通过平面波展开法对TE光的光子能带结构进行解析，在上述平面波展开法中，利用了R/a、波长λ以及根据上述折射率n1、n2而获得的各结构体的介电常数ε1以及ε2。
(步骤S04)
直至存在TE光的第一光子能带与第二光子能带之间的PBG为止，改变上述暂时确定的R/a的值，重复进行解析。
(步骤S05)
关于具有PBG的R/a，通过基于FDTD法的模拟解析，求出针对上述波长λ的光提取效率增减率，其中，将与布拉格条件的次数m相应的各周期a和半径R、以及任意的周期结构的深度h作为变量来进行上述基于FDTD法的模拟解析。
(步骤S06)
通过反复进行基于FDTD法的模拟，确定针对波长λ的光提取效率增减率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以及深度h。
在布拉格散射式(式(1))中，选择波长λ和周期a的值接近的次数m而求出上述值即可。另外，优选深度具有周期a以上的深度h。
接下来，对本实施方式进行更具体的说明。
首先，当设定光子晶体的参数时，确定布拉格散射式(式(1)：mλ/nav＝2a)的次数m。
作为一个例子，通过下式计算出R/a＝0.40的nav。
nav＝[n2 2+(n1 2-n2 2)(2π/30.5)(R/a)2]0.5＝1.838 (4)
其中，n1＝1.0，n2＝2.583。
接下来，若将λ＝280nm、nav＝1.838、m＝1代入式(1)，则求出m＝1时的周期a＝76nm。
接下来，在0.20≤R/a≤0.40的范围内，将R/a作为变量并以0.05的阶数进行改变而求出各R/a时的直径d、周期a，对光子晶体进行设计，制成表3的计算模型并通过FDTD法实施解析。此外，优选光子晶体的周期接近发光波长，因此选择次数m＝3、4。
表3
FDTD法的计算模型
元件尺寸：6.02μm□ 立体角：1.66 立体角：3.85
蓝宝石透镜半径(内切圆) 6.0μm 6.0μm
蓝宝石透镜半径(外接圆) 8.5μm 8.5μm
蓝宝石基板厚度 5.0μm 1.0μm
AIN缓冲层膜厚 1.0μm 1.0μm
nAIGaN缓冲层 500nm 500nm
势垒层 20nm 20nm
阱层 20nm 20nm
势垒层 20nm 20nm
电子阻挡层 40nm 40nm
透明pAIGaN接触层 400nm 400nm
光子晶体的R/a 0.2，0.25，0.3，0.35，0.4 0.2，0.25，0.3，0.35，0.40
Ni层 0nm 0nm
Al反射电极层 220nm 220nm
这里，以蓝宝石透镜接合光子晶体LED的光提取效率的最优化为目的。一般情况下，虽然光线追踪法的解析区域为亚毫米以上、且最小膜厚限定为1μm，但具有如下优点：根据到达检测器的光线数相对于LED结构内光源的输出的比率而直接对光提取效率进行计算。另一方面，由于FDTD法直接对电磁场随时间的变化进行计算，因此，无法直接对光提取效率进行计算，从而对其增减率进行计算。而且，关于解析区域，虽然较大地依赖于计算資源，但也达到亚纳米～约几十μm左右。由于成为对象的LED结构的元件(几百μm)装配于封装(几mm)，因此为了进行高精度的光提取效率的解析，优选一边通过上述两种解析法进行比较、插值一边进行解析。图16中示出了蓝宝石透镜接合光子晶体LED的FDTD用计算模型。虚线上垂线从量子阱层中心C11通过。在将由该垂线以及从量子阱层的中心C11至与蓝宝石基板1接合的蓝宝石透镜20a的内切圆的切线包围的角度定义为θ的情况下，通过Sr＝2π(1-cosθ)而求出立体角(Sr)。当对大小相差两位数以上的两种解析法的计算模型进行比较时，若以立体角为基准，则能够进行考虑了光传播方向的解析。
此外，量子阱层的中心C11是指内切圆C1或者外接圆C2(图2B)的中心、且是指量子阱(活性层)5的厚度方向的中间。
表3的计算模型的立体角为1.66以及3.85。若使用该立体角并根据图9及图10的光线追踪法中所使用的计算模型的元件尺寸、蓝宝石透镜的半径而对基板的厚度进行计算，则立体角为1.66时基板的厚度为160μm，立体角为3.85时基板的厚度为60μm。
因此，针对pAlGaN蓝宝石透镜、pAlGaN石英玻璃透镜、pGaN蓝宝石透镜、pGaN石英玻璃透镜，通过光线追踪法求出在图9及图10中使用的计算模型的基板的厚度为60μm和160μm时的光提取效率，并追加在图9及图10中，则能够获得图17A及图17B。另外，若将图17A及图17B中的基板厚度置换为立体角，则能够获得图18A及图18B中的光提取效率和立体角的关系。根据该图可知，无论在任何情况下，直至立体角达到2.5为止，立体角与光提取效率之间都存在比例关系。特别是在接合有蓝宝石透镜的情况下，立体角的值的上限扩大。
1.66的立体角是计算模型中的光提取效率急剧升高的拐点。由于立体角表示表面积、且表面积与光提取效率之间大致存在成比例的关系，因此，在拐点1.66以后，表面积增大，因此，光提取效率也伴随与此而增大。即，由Sr＝2π(1-cosθ)表示的立体角优选为与依赖于立体角的光提取效率增大的拐点对应的立体角以上。
首先，对FDTD的计算结果进行考察。图19A(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径)以及图19B(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径)中示出了表3的各R/a的合计输出值(远场)的增减率的曲线图。进一步，图20A(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径)以及图20B(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径)中示出了各R/a的合计输出值(远场)的辐射图案。
根据上述结果，接合有透镜半径为内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的蓝宝石透镜的透明p型AlGaN接触层光子晶体LED的趋势如下。
1)在次数m＝3的情况下，两个立体角均在R/a为0.35时光提取效率增减率最大。在m＝4的情况下，两个立体角均随着R/a的增大而光提取效率增减率减小。
2)对于立体角和光提取效率增减率的关系，在两个次数时，均是立体角越小则光提取效率增减率越大。
3)关于角度分布，立体角越小，配光越集中于10°以下的轴上方向。
根据上述趋势，最优的光子晶体，在蓝宝石透镜半径为内切圆的半径的情况下，次数m＝3、R/a＝0.35时的光提取效率增减率最大，立体角为1.66时达到44％，立体角为3.85时达到42％。另一方面，在蓝宝石透镜半径为外接圆的半径的情况下，在次数m＝3、R/a＝0.35时，两个立体角的光提取效率增减率均达到最大的51％。将该值代入图18A及图18B的光提取效率和立体角的关系，以如下方式求出立体角为1.66以及3.85时的光提取效率。
(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径的情况下)
1.66的立体角：20.2％×1.44＝29.1％
3.85的立体角：37.3％×1.42＝53.0％
(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径的情况下)
1.66的立体角：28.3％×1.51＝42.7％
3.85的立体角：37.8％×1.51＝57.1％
接下来，求出石英透镜接合光子晶体的光提取效率。根据图18A及图18B，与接合蓝宝石透镜的情况相比，光提取效率和立体角的关系相似，因此，制成次数m＝3、R/a＝0.35的计算模型并通过FDTD法而实施了解析。该计算模型与图11A中的深紫外LED的结构对应。图21A(石英玻璃透镜半径为内切圆的半径)以及图21B(石英玻璃透镜半径为外接圆的半径)中示出了解析结果。
(石英玻璃透镜为内切圆的半径的情况下)
立体角为1.66、R/a＝0.35、m为3时的光提取效率增减率为52％
立体角为3.85、R/a＝0.35、m为3时的光提取效率增减率为49％。
(石英玻璃透镜为外接圆的半径的情况下)
立体角为1.66、R/a＝0.35、m为3时的光提取效率增减率为56％
立体角为3.85、R/a＝0.35、m为3时的光提取效率增减率为61％。
因此，若将该结果代入图18A及图18B的光提取效率和立体角的关系，则获得如下结果，
(石英玻璃透镜半径为内切圆的情况下)
1.66的立体角：24.7％×1.52＝37.5％
3.85的立体角：30.1％×1.49＝44.8％
(石英玻璃透镜半径为外接圆的情况下)
1.66的立体角：27.0％×1.56＝42.1％
3.85的立体角：29.7％×1.61＝47.8％。
(第四实施方式)
作为本发明的第四实施方式所涉及的深紫外LED的一个例子，图22中示出了设计波长λ设为280nm的AlGaN系深紫外LED的结构。如图22所示，本实施方式所涉及的AlGaN系深紫外LED具有石英玻璃透镜20b、蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8a、p型GaN接触层8b、Ni层9a、Au反射电极层10a、光子晶体周期结构100、光子晶体(孔)101。
另外，图23所示的深紫外LED具有蓝宝石透镜20a、蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8a、p型GaN接触层8b、Ni层9、Au反射电极层10a、光子晶体周期结构100、光子晶体(孔)101。
深紫外LED的特征在于，该深紫外LED从蓝宝石基板1的相反侧按顺序依次具有Au反射电极层10a、Ni层9a、p型GaN接触层8b、以及对于波长λ而透明的p型AlGaN层8a，具有光子晶体周期结构100，该光子晶体周期结构100至少包括p型GaN接触层8b和p型AlGaN层8a的界面、且设置于在蓝宝石基板1的方向上未超过p型AlGaN层8a的厚度方向的范围内、且具有光子带隙(PBG)，并且，在蓝宝石基板1的背面接合有半球形的石英玻璃透镜20b(图22)或者蓝宝石透镜20a(图23)，上述透镜对于波长λ而透明，具有蓝宝石基板1的内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的半径。
光子晶体周期结构100可以是如下结构：从p型AlGaN层8a开始，将p型GaN接触层8b、Ni层9贯通、且未到达Au反射电极层10a和空气的界面。
即，只要是至少包括p型GaN接触层8b和p型AlGaN层8a的界面的在厚度方向上的范围内设置的光子晶体周期结构100即可。
若是该结构，则能够通过p型GaN接触层而维持低接触电阻。另外，反射型光子晶体周期结构因具有PBG而能够通过几次的多重反射而高效地对波长λ的光进行反射。因此，能够抑制Ni层9以及p型GaN接触层8b对光的吸收。
进一步，由光子晶体周期结构100反射的大部分光从蓝宝石基板1表面入射、且从与蓝宝石基板1背面接合的透明的透镜20a、20b向空气中射出。由于该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板1的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
另外，能够通过该半球状透镜和反射型光子晶体周期结构的叠加效应而增大LED的LEE效果。
搭载于本结构的反射型光子晶体周期结构的计算以及设计方针依据第三实施方式中记载的方法。
但是，光子晶体在深度方向上占据的比例，优选在p型AlGaN层约为50％、且在p型GaN接触层约为50％。进一步优选增大在p型AlGaN层中的比率，例如在p型AlGaN层约为75％且在p型GaN接触层约为25％。基于上述光子晶体周期结构的设计方针而制成计算模型并通过FDTD法(表4)而对光提取效率增减率进行了解析。图24A(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径)以及图24B(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径)中示出了表4的各R/a时的合计输出值(远场)的增减率的曲线图。进一步，图25A(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径)以及图25B(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径)中示出了各R/a时的合计输出值(远场)的辐射图案。
表4
FDTD法的计算模型
元件尺寸：6.02μm□ 立体角：1.66 立体角：3.85
蓝宝石透镜半径(内切圆) 6.0μm 6.0μm
蓝宝石透镜半径(外接圆) 8.5μm 8.5μm
蓝宝石基板厚度 5.0μm 1.0μm
AIN缓冲层 1.0μm 1.0μm
nAIGaN缓冲层 500nm 500nm
势垒层 20nm 20nm
阱层 20nm 20nm
势垒层 20nm 20nm
电子阻挡层 40nm 40nm
pAI GaN层 250nm 250nm
pGaN接触层 150nm 150nm
光子晶体的R/a 0.2，0.25，0.3，0.35，0.4 0.2，0.25，0.3，0.35，0.40
Ni层 20nm 20nm
Au反射电极层 200nm 200nm
根据上述结果，接合有透镜半径为内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的蓝宝石透镜的p型GaN接触层光子晶体LED的趋势如下。
1)对于两个次数、两个立体角，光提取效率增减率均随着R/a的增大而增大。因此，在图13中，光子带隙(PBG)的大小与R/a成比例，因此，PBG的大小与光提取效率增减率成比例。
2)对于立体角和光提取效率增减率的关系，在两个次数时，均是立体角越小则光提取效率增减率越大。
3)关于角度分布，立体角越小，则配光越集中于10°以下的轴上方向。
根据上述趋势，最优的光子晶体，在蓝宝石透镜半径为内切圆的半径的情况下，在次数m＝3、R/a＝0.40时，光提取效率增减率最大，在立体角为1.66时达到109％，在立体角为3.85时达到78％。另一方面，在蓝宝石透镜半径为外接圆的半径的情况下，在次数m＝3、R/a＝0.40时，在立体角为1.66时达到97％，在立体角为3.85时达到34％。将该值代入图18的光提取效率和立体角的关系，以如下方式求出立体角为1.66以及3.85时的光提取效率。
(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径的情况下)
1.66的立体角：7.8％×2.09＝16.3％
3.85的立体角：17.2％×1.78＝30.6％
(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径的情况下)
1.66的立体角：12.8％×1.97＝25.2％
3.85的立体角：17.3％×1.34＝23.2％
接下来，求出石英透镜接合光子晶体的光提取效率。根据图18A及图18B，光提取效率和立体角的关系与接合蓝宝石透镜的情况相似，因此，制成次数m＝3、R/a＝0.40的计算模型并通过FDTD法而实施了解析。该计算模型与图22中的深紫外LED的结构对应。图26A(石英透镜半径为内切圆的半径的情况下)以及图26B(石英透镜半径为外接圆的半径的情况下)中示出了解析结果。
(石英玻璃透镜为内切圆的半径的情况下)
立体角为1.66、R/a＝0.40、m为3时的光提取效率增减率为87％
立体角为3.85、R/a＝0.40、m为3时的光提取效率增减率为75％。
(石英玻璃透镜为外接圆的半径的情况下)
立体角为1.66、R/a＝0.40、m为3时的光提取效率增减率为89％
立体角为3.85、R/a＝0.40、m为3时的光提取效率增减率为83％。
因此，若将该结果代入图18A及图18B的光提取效率和立体角的关系，则能够获得如下结果。
(石英玻璃透镜为内切圆的半径的情况下)
1.66的立体角：11.2％×1.87＝20.9％
3.85的立体角：13.8％×1.75＝24.2％
(石英玻璃透镜为外接圆的半径的情况下)
1.66的立体角：12.5％×1.89＝23.6％
3.85的立体角：13.5％×1.83＝24.7％。
(第五实施方式)
作为本发明的第五实施方式所涉及的深紫外LED的一个例子，图27A、图27B(sf1面的俯视图，下同。)、图27C、图27D中示出了设计波长λ设为280nm的AlGaN系深紫外LED的结构。如图27A、图27B所示，本实施方式所涉及的AlGaN系深紫外LED具有石英玻璃透镜20b、蓝宝石基板1、源自PSS的AlN结合柱状体周期结构200、PSS201、AlN结合柱状体202、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、透明p型AlGaN接触层8、极薄膜Ni层9、Al反射电极层10、光子晶体周期结构100、光子晶体(孔)101。
另外，图27C、图27D所示的深紫外LED具有蓝宝石透镜20a、蓝宝石基板1、源自PSS的AlN结合柱状体周期结构200、PSS201、AlN结合柱状体202、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、电子阻挡层7、透明p型AlGaN接触层8、极薄膜Ni层9、Al反射电极层10、光子晶体周期结构100、光子晶体(孔)101。
上述深紫外LED的特征在于，从对于波长λ而透明的透明p型AlGaN接触层8起按顺序依次具有Al反射电极层10以及极薄膜Ni层(1nm左右)9，具有光子晶体周期结构100，该光子晶体周期结构100具有至少在透明p型AlGaN接触层8的厚度方向、或者包含透明p型AlGaN接触层8至包含极薄膜Ni层9的与Al反射电极层10的界面的厚度方向的范围内设置的光子带隙(PBG)，并且，在蓝宝石基板1的表面具有通过湿法蚀刻而形成的三角圆锥形状的PSS、以及从此处外延生长的四棱锥台或六棱锥台形状的AlN结合柱状体，并且，在蓝宝石基板1的背面接合有半球形的石英玻璃透镜20b(图27A、图27B)或者蓝宝石透镜20a(图27C、图27D)，上述透镜对于波长λ而透明，具有蓝宝石基板1的内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的半径。
光子晶体周期结构100是未到达透明p型AlGaN接触层8和电子阻挡层7的界面的结构。这是因为，若未对光子晶体周期结构100残留30nm～50nm左右，则有可能因干法蚀刻而对电子阻挡层7造成损伤。
此外，从实际制造元件时的工艺上的观点来看，作为本实施方式的变形例，与图11C所示的结构同样地，光子晶体也可以是如下结构：将极薄膜Ni层9贯通而到达Al反射电极层10内，但是未到达Al反射电极层10和空气的界面。
反射型光子晶体周期结构100因具有PBG而能够通过几次的多重反射而高效地对波长为λ的光进行反射。源自PSS的结合柱状体周期结构200在蓝宝石基板1的表面具有例如周期为1μm～几μm左右的PSS(Patterned Sapphire Substrate)周期结构(三角圆锥形状或者圆锥孔)201。利用由在蓝宝石基板1的表面形成的光刻胶等形成的SiO2的掩模图案并通过湿法蚀刻法对表面进行加工，由此能够形成上述这样的凹状结构。此外，在本说明书中，三角圆锥是指底面为圆形的三角锥，且是指图27A至图27H中示出的形状。
对于该凹状结构，使用MOCVD法等在源自PSS的结合柱状体周期结构体200内连续地使AlN膜外延生长几μm左右。于是，凹状结构由AlN膜填埋，并且在其上方的厚度方向上选择性地由AlN形成四棱锥台或者六棱锥台的AlN结合柱状体202。最终在上部聚结连接而形成平坦的外延膜。
对于由量子阱层5发出的深紫外光，根据形成的该结构，由量子阱层5发出的深紫外光将四棱锥台或者六棱锥台的AlN结合柱状体202作为波导而传播并向蓝宝石基板1入射，因此，抑制了蓝宝石基板1和PSS周期结构体200的界面处的内部全反射而提高了光提取效率。
假设在光微量地从透明p型AlGaN接触层8透过的情况下，被极薄膜Ni层9吸收的光较少、且Al反射电极层10对于光而具有90％的高反射率，因此，与未设置光子晶体周期结构100的Al反射电极层单体相比，能够实现较大的LEE。
进一步，由反射型光子晶体周期结构100反射的大部分光从蓝宝石基板1表面入射、且从与蓝宝石基板1背面接合的透明的透镜20a、20b向空气中射出。由于该透镜20a、20b为半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板1的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此，能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。
另外，通过该半球状透镜、光子晶体周期结构和透明p型A1GaN接触层、极薄膜Ni层以及Al反射电极层的叠加效应而能够增大LEE效果。
制成具有上述光子晶体和源自PSS的AlN结合柱状体的计算模型并通过FDTD法(表5)而对光提取效率增减率进行了解析。图28A(透镜半径为内切圆的半径的情况下)以及图28B(透镜半径为外接圆的半径的情况下)中示出了解析结果。
表5
FDTD法的计算模型
元件尺寸：6.02μm□ 立体角：3.85 立体角：3.85
透镜(内切圆、外接圆)的种类 蓝宝石 石英玻璃
蓝宝石基板厚度 1.0μm 1.0μm
AIN结合柱状体 1.0μm 1.0μm
nAIGaN缓冲层 500nm 500nm
势垒层 20nm 20nm
阱层 20nm 20nm
势垒层 20nm 20nm
电子阻挡层 40nm 40nm
pAIGaN接触层 400nm 400nm
光子晶体(R/a、次数m) R/a0.35，m3 R/a0.35，m3
Ni层 0nm 0nm
AI反射电极层 220nm 220nm
根据辐射图案的结果，在透镜半径为内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的、具有透明p型AlGaN接触层光子晶体、AlN结合柱状体并接合有透镜的LED中，10°以下、特别是2°以下的轴上方向的配光性得到改善。
(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层光子晶体、AlN结合柱状体并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率增减率为-9％。因此，若将该值代入在第三实施方式中计算出的立体角为3.85的具有透明p型AlGaN光子晶体并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得53.0％×0.91＝48.2％。
(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层光子晶体、AlN结合柱状体并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率增减率为-10％。因此，若将该值代入在第三实施方式中计算出的立体角为3.85的具有透明p型AlGaN光子晶体并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得57.1％×0.9＝51.4％。
(石英玻璃透镜半径为内切圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层光子晶体、AlN结合柱状体并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率增减率为-4％。因此，若同上所述那样地代入立体角为3.85的具有透明p型AlGaN光子晶体并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得44.8％×0.96＝43.0％。
(石英玻璃透镜半径为外接圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层光子晶体、AlN结合柱状体并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率增减率为-6％。因此，若同上所述那样地代入立体角为3.85的具有透明p型AlGaN光子晶体并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得47.8％×0.94＝44.9％。
(第六实施方式)
图27E、图27F、图27G、图27H是与第五实施方式中举例示出的图27A、图27B、图27C、图27D对应的图，且是示出了具有透镜以及AlN结合柱状体但未形成光子晶体周期结构的例子的图。
基于该图而制成计算模型(参照表6)并通过FDTD法而进行了解析。图29A(透镜半径为内切圆的半径的情况下)以及图29B(透镜半径为外接圆的半径的情况下)中示出了解析结果。
表6
FDTD法的计算模型
元件尺寸：6.02μm□ 立体角：3.85 立体角：3.85
透镜(内切圆、外接圆)的种类 蓝宝石 石英玻璃
蓝宝石基板厚度 1.0μm 1.0μm
AIN结合柱状体 1.0μm 1.0μm
nAIGaN缓冲层 500nm 500nm
势垒层 20nm 20nm
阱层 20nm 20nm
势垒层 20nm 20nm
电子阻挡层 40nm 40nm
pAlGaN接触层 400nm 400nm
Ni层 0nm 0nm
AI反射电极层 220nm 220nm
在透镜半径为内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的、具有透明p型A1GaN接触层、A1N结合柱状体并接合有透镜的LED中，10°以下、特别是2°以下的轴上方向的配光性得到改善。
(蓝宝石透镜半径为内切圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层、AlN结合柱状体并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率增减率为-4％。因此，若将该值代入图18A中的立体角为3.85的具有透明p型AlGaN接触层并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得37.3％×0.96＝35.8％。
(蓝宝石透镜半径为外接圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层、AlN结合柱状体并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率增减率为-1％。因此，若将该值代入图18B中的立体角为3.85的具有透明p型A1GaN接触层并接合有蓝宝石透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得37.8％×0.99＝37.4％。
(石英玻璃透镜半径为内切圆的半径的情况下)
具有透明p型A1GaN接触层、A1N结合柱状体并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率增减率为6％。因此，若同上所述地代入立体角为3.85的具有透明p型A1GaN接触层并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得30.1％×1.06＝31.9％。
(石英玻璃透镜半径为外接圆的半径的情况下)
具有透明p型AlGaN接触层、AlN结合柱状体并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率增减率为11％。因此，若同上所述地代入立体角为3.85的具有透明p型AlGaN接触层并接合有石英玻璃透镜的LED的光提取效率的值，则能够获得29.7％×1.11＝33.0％。
对第三实施方式至第六实施方式的结果进行如下总结。
在透镜半径为所接合的基板的背面的内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的情况下，成立以下法则。
1)关于具有与透明p型AlGaN接触层光子晶体接合的蓝宝石透镜或者石英玻璃透镜的LED的光提取效率增减率，以次数m＝3、R/a＝0.35进行设计的光子晶体较大。
2)关于具有与p型GaN接触层光子晶体接合的蓝宝石透镜或者石英玻璃透镜的LED的光提取效率增减率，光子带隙的大小与R/a成比例，R/a的大小与光提取效率增减率成比例。
3)关于接合有蓝宝石透镜的LED的角度分布，无论是具有透明p型AlGaN接触层的LED，还是具有p型GaN接触层的LED，均为立体角越小则配光越集中于10°以下的轴上方向。
4)关于接合有石英玻璃透镜的LED的角度分布，与透明p型AlGaN接触层、p型GaN接触层等接触层的种类以及立体角的大小无关，配光不集中于10°以下的轴上方向。
5)关于AlN结合柱状体，与蓝宝石透镜、石英玻璃透镜等透镜的种类无关，配光集中于10°以下、特别是2°以下的轴上方向。
6)以与FDTD法的立体角相同的光线追踪法的立体角对数据进行比较、插值，由此能够将解析区域扩大到亚纳米至几毫米而获得光提取效率。因此，在从LED元件至封装结构的范围内，能够对用于使光提取效率达到最大的光子晶体的设计最优化提供方针。
表7中对第三实施方式至第六实施方式的各深紫外LED的光提取效率的解析结果进行了总结。
表7
光提取效率的总结
Figure BDA0001587377440000341
在透明p型AlGaN接触层形成反射型光子晶体，与接合蓝宝石透镜组合而对蓝宝石基板的厚度进行调整以使得立体角增大，由此能够获得最大为60％的光提取效率。
另外，通过采用本实施方式所涉及的方法，在从LED元件至封装结构的范围内，能够对用于使光提取效率达到最大的光子晶体的设计最优化提供方针。
(第七实施方式)
图27I、图27J、图27K、图27L是与第五实施方式中举例示出的图27A、图27B、图27C、图27D对应的图，且是表示将透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层、Al反射电极层置换为p型AlGaN层、p型GaN接触层、Ni层、Au反射电极层的例子的图。
(第八实施方式)
图27M、图27N、图27O、图27P是与第六实施方式中举例示出的图27E、图27F、图27G、图27H对应的图，且是表示将透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层、Al反射电极层置换为p型AlGaN层、p型GaN接触层、Ni层、Au反射电极层的例子的图。
(第九实施方式)
关于具有反射型光子晶体以及接合透镜的深紫外LED的设计方法，具有透明p型AlGaN接触层的光子晶体设计的计算方法例如如下所示。
即，光子晶体周期结构具有光子带隙，在底面部，形成具有不同折射率的透明p型AlGaN接触层和空气作为两个结构体，在将上述结构体的平均折射率设为nav(nav为周期a和上述圆孔的半径R的函数)、且将周期设为a的情况下，当满足下式(1)所示的布拉格散射条件时，使入射至该光子晶体周期结构的TE光反射、且TM光透过。
mλ/nav＝2a (1)
而且，利用作为圆孔的半径R和周期a的比的R/a、设计波长λ以及与上述两个结构体的折射率n1和n2对应的各结构体的介电常数ε1和ε2并通过平面波展开法而对TE光以及TM光的光子能带结构进行解析。具体而言，输入至下式(2)、(3)所示的麦克斯韦的波动方程式而对其固有值进行计算。
【数学式3】
Figure BDA0001587377440000351
【数学式4】
Figure BDA0001587377440000352
其中，E′＝|k+G|E(G)，ε：相对介电常数，G：倒格矢，k：波数，ω：频率，c：光速，E：电场。
将R/a作为变量，以0.01的阶数在0.20≤R/a≤0.40的范围内求出TE光的光子能带结构，将能够确认光子带隙的第一光子能带(1stPB)与第二光子能带(2ndPB)之间的光子带隙设为PBG1、且将第七光子能带(7thPB)与第八光子能带(8thPB)之间的光子带隙设为PBG4，并求出各PBG和R/a的关系。图13是示出其结果的图。
同样地，求出TM光的光子能带结构，将1stPB与2ndPB之间的PBG设为PBG1、将3rdPB与4thPB之间的PBG设为PBG2、将5thPB与6thPB之间的PBG设为PBG3、且将7thPB与8thPB之间的PBG设为PBG4，并求出各PBG和R/a的关系。图14是示出其结果的图。
光子晶体周期结构的状态密度(ρ)表示多少光子能够以何种频率而存在的状态。在同样的介质中，状态密度相对于频率仅显示出单调递增，但在光子晶体中，在光子带隙的频域中，为ρ(ω)＝0。因群速度为零而引起光子带隙附近的状态密度的急剧的变化、其他频域中的尖锐的峰值。而且，该群速度为零的代表性的对称点为M点，两个波由于布拉格衍射而改变光的传播方向从而形成驻波。而且，该状态密度的急剧的变化率大致与光子带隙的大小成比例。
因此，通过基于FDTD法的解析而求出光子带隙的大小和反射、透射效果的关系、以及深紫外LED中的光提取效率(LEE)增减率，由此获得LEE增减率最大的光子晶体的直径d、周期a以及深度h。
图15中示出了更详细的计算处理流程。
(步骤S01)
暂时确定作为光子晶体周期结构的周期结构参数的周期a与结构体的半径R的比(R/a)。
(步骤S02)
算出例如在较大折射率的介质中形成有较小折射率的结构的第一结构体的、作为例如形成有孔101的结构体的第一结构体的各自的折射率n1和n2，并根据上述折射率和R/a算出平均折射率nav，将上述值代入布拉格条件式而获得各次数m的周期a以及半径R。
(步骤S03)
通过平面波展开法对TE光的光子能带结构进行解析，在上述平面波展开法中，利用了R/a、波长λ以及根据上述折射率n1、n2而获得的各结构体的介电常数ε1以及ε2。
(步骤S04)
直至存在TE光的第一光子能带与第二光子能带之间的PBG为止，改变暂时确定的R/a的值，重复进行解析。
(步骤S05)
关于具有PBG的R/a，通过基于FDTD法的模拟解析，求出针对上述波长λ的光提取效率增减率，其中，将与布拉格条件的次数m相应的各周期a和半径R、以及任意的周期结构的深度h作为变量来进行上述基于FDTD法的模拟解析。
(步骤S06)
通过反复进行基于FDTD法的模拟，确定针对波长λ的光提取效率增减率最大的布拉格条件的次数m、与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R以及深度h。
在布拉格散射式(式(1))中，选择波长λ和周期a的值接近的次数m而求出上述周期结构参数的值即可。另外，优选深度具有周期a以上的深度h。而且，以与FDTD法的立体角相同的光线追踪法的立体角对数据进行比较、插值，由此能够将解析区域扩大到亚纳米至几毫米而获得光提取效率。因此，在从LED元件至封装结构的范围内，能够对用于使光提取效率达到最大的光子晶体的设计最优化提供方针。
此外，具有p型GaN接触层的光子晶体设计的计算方法与具有透明p型AlGaN接触层的光子晶体设计的计算方法相同，但下述方面不同。
即，光子晶体在深度方向所占的比例优选在p型AlGaN层中约为50％、且在p型GaN接触层中约为50％。更优选增大在p型AlGaN层中的比率，例如在p型AlGaN层中约为75％且在p型GaN接触层中约为25％。
由此，能够进行具有p型GaN接触层的光子晶体的设计。
优选光子晶体周期结构的光子带隙相对于TE偏振分量打开。
另外，光子晶体周期结构优选为其深度h为周期a的2/3a以上，进一步优选为其深度h为上述周期a以上。
另外，优选其深度h为p型AlGaN层的厚度以上、且为p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的合计厚度以下，在p型AlGaN层的基础上，还可以进一步在基板侧设置与p型AlGaN层相比而Al的组分更大的p型AlGaN层。
(第十实施方式)
关于深紫外LED的制造方法，提供如下工序：准备例如图22所示那样的设计波长设为λ，且从基板1的相反侧起按顺序依次包含反射电极层10a、金属层9a、p型GaN接触层8b、p型AlGaN层8a的层叠结构体的工序；准备用于形成至少在包含上述p型GaN接触层8b和p型AlGaN层8a的界面的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构的模具的工序；在上述层叠结构体上形成抗蚀剂层，且对上述模具的结构进行转印的工序；以及将上述抗蚀剂层作为掩模，且按顺序依次对上述层叠结构体进行蚀刻而形成光子晶体周期结构的工序。
或者，作为一种深紫外LED的制造方法，提供如下工序：准备例如图11C所示那样的设计波长设为λ，且从基板1的相反侧起按顺序依次包含Al反射电极层10、极薄膜Ni层9、透明p型AlGaN接触层8的层叠结构体的工序；准备用于形成至少在透明p型AlGaN接触层8的厚度方向、或者包含透明p型AlGaN接触层8至包含上述极薄膜Ni层9的与Al反射电极层10的界面的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构的模具的工序；在上述层叠结构体上形成抗蚀剂层，且对上述模具的结构进行转印的工序；以及将上述抗蚀剂层作为掩模，且按顺序依次对上述层叠结构体进行蚀刻而形成光子晶体周期结构的工序。
而且，提供如下深紫外LED的制造方法：在形成上述任意的光子晶体周期结构的工序之后，追加在LED元件的蓝宝石基板侧的背面接合半球状透镜的工序，该透镜对于波长λ而透明、且具有元件的外接圆的半径左右的半径。透镜的材料优选为具有比蓝宝石基板的折射率和空气的折射率的平均值大的折射率的材料。只要满足上述条件，可以是蓝宝石、尖晶石、石英玻璃、AlN、封装树脂等任意材料。另外，只要是在接合界面能抑制光的散射以及吸收的方法，接合方法可以是表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长λ而透明的粘接剂的接合中的任意方法。
通过以上工序，能够制造具有光子晶体周期结构并且在LED元件的蓝宝石基板侧的背面具有半球状透镜的结构，其中，该透镜对于波长λ而透明，具有元件的内切圆的半径以上且为外接圆的半径左右的半径。
(第十一实施方式)
以下，对本发明的第十一实施方式进行详细说明。
本发明的第十一实施方式表示可以利用基于纳米压印法的转印技术而加工出上述各实施方式中说明的光子晶体周期结构、PSS周期结构等微细结构。
根据第一实施方式至第十实施方式，优选以较大的面积以一次转印在被加工物表面上加工出周期结构。
以下，对使用基于纳米压印法的光子晶体周期结构以及PSS周期结构的转印技术的制造方法进行更详细的说明。
纳米压印法具有以大面积将模具的光子晶体图案统一转印于在基板上旋涂的有机抗蚀剂的优越的技术。另外，若利用树脂薄膜模具，则即使基板以几百微米左右翘曲也能够进行转印。但是，纳米压印法用有机抗蚀剂重视流动性，因此，相对于作为图案被形成部的材料的蚀刻选择比未必足够。另外，模具的图案尺寸和蚀刻后的图案被形成部尺寸不一致。因此，为了解决该问题而以如下方式实施使用双层抗蚀剂的工艺。
1)采用如下使用双层抗蚀剂法的转印技术：将蚀刻选择比较大的下层抗蚀剂涂敷于加工对象的结构体，在其上方涂敷具有流动性和耐氧性的上层抗蚀剂。
2)另外，还可以在转印中使用模具，并且使用树脂薄膜作为模具。更具体而言，作为一个例子，在形成周期结构的基板面上，旋涂相对于该基板而蚀刻选择比较大有机下层抗蚀剂。接下来，作为一个例子，在下层抗蚀剂的表面上，旋涂具有流动性和耐氧性功能的、含硅上层抗蚀剂。
3)接下来，采用使用模具的纳米压印法而将周期结构转印于上层抗蚀剂的表面上。
4)接下来，使转印有周期结构的上层抗蚀剂暴露于氧等离子体中而对其赋予耐氧性，并且将在纳米压印法转印中残留的上层抗蚀剂的残膜去除。
5)接下来，将具有耐氧性的上层抗蚀剂作为掩模，利用氧等离子体对有机下层抗蚀剂进行蚀刻，由此形成用于基板的干法蚀刻的掩模。
6)最后，将该掩模作为蚀刻掩模，利用ICP等离子体对基板进行干法蚀刻。
以上的1)至6)的步骤是针对基板而使用双层抗蚀剂法的转印技术。
此外，在使用该工艺技术的情况下，通过改变下层抗蚀剂的膜厚，能够在被转印物上获得相对于模具上的周期结构的深度为1.5倍左右(蓝宝石基板的情况的例子。)的蚀刻深度。
进一步，使用作为蚀刻掩模的具有耐氧性的转印有图案的上层抗蚀剂，在隔着该上层抗蚀剂的有机下层抗蚀剂的氧等离子体蚀刻中，通过改变氧等离子体处理的各条件，例如通过改变由上层抗蚀剂形成下层抗蚀剂的掩模时的氧等离子体条件，能够实现相对于模具上的周期结构的直径达到30％左右的尺寸的调整。
若采用该方法，则在纳米压印法中能够在被加工物表面上以高精度、准确且可控制的状态再现精细的周期结构。
以下，参照附图对更具体的工序例进行详细说明。为了获得良好的光提取效率，需要按照计算结果而形成nm级的加工。
图30是表示本实施方式所涉及的周期结构的制造工序的一个例子的图。
在本实施方式所涉及的深紫外LED的光子晶体周期结构等的制造方法中，利用使用了兼具流动性和蚀刻选择比的双方的特征的双层抗蚀剂的、基于纳米压印法的转印技术。利用该技术，将具有nm级的微细图案的光子晶体周期结构作为一个例子而转印于蓝宝石基板。以下，根据图30进行说明。
首先，如图30所示，制成用于将通过上述各实施方式而实现了最优化的周期结构在蓝宝石基板上准确地再现的模具。该模具，如图30(b)所示，也可以使用树脂制成的模具以便能够追随基板81的翘曲。
接下来，在蓝宝石基板81上，以厚度g旋涂蚀刻选择比较大的有机下层抗蚀剂83。此外，根据相对于蓝宝石基板81的下层抗蚀剂83的蚀刻选择比而选择性地确定该厚度g。然后，在下层抗蚀剂83表面上，以规定的厚度旋涂具有流动性和耐氧性功能的含硅的上层抗蚀剂85(图30(a))。
接下来，使用纳米压印装置将模具的图案87、89转印于上层抗蚀剂85(图30(b))。
接下来，将转印有模具的图案87、89的上层抗蚀剂85暴露于氧等离子体中而对其赋予耐氧性，并且，将在纳米压印法转印中残留的上层抗蚀剂的残膜去除。(图30(c))。由此形成上层抗蚀剂图案85a。
接下来，将具有耐氧性的上层抗蚀剂图案85a作为掩模，利用氧等离子体对有机下层抗蚀剂83进行蚀刻，形成用于对蓝宝石基板81进行干法蚀刻的图案掩模85b(图30(d))。此外，通过对氧等离子体的条件进行调整，能够在d1的30％左右的范围内对图30(e)中记载的图案掩模的蓝宝石基板81侧的直径d1进行微调。
接下来，隔着图案掩模并利用ICP等离子体对蓝宝石基板81进行干法蚀刻，从而能够在蓝宝石基板81形成通过本发明的各实施方式而实现了最优化的周期结构81a(图30(e))。
在周期结构为柱状体结构的情况下，蚀刻后的形状如图30(f)所示，大致为d1＜d2的梯形形状，侧壁角度依赖于有机下层抗蚀剂的蚀刻选择比。此外，若对有机下层抗蚀剂的厚度g进行变更，则能够容易地使在干法蚀刻后的蓝宝石基板81a形成的光子晶体周期结构的深度形成为相对于模具的深度达到1.5倍左右的深度。
另外，若取代模具的重新制作而在形成图案掩模时对直径d1进行变更，则能够容易地将周期结构的直径变更30％左右。因此，能够节省模具的制作时间而有助于成本的削减，进而在半导体发光元件的制造成本方面也具有较大的优点。
此外，在图31(a)至图31(c)中，分别以“纳米压印法”、“形成图案掩模”、“干法蚀刻、灰化”而示出了进行图30(b)、图30(e)以及图30(f)的工序时的实际的SEM照片(纳米压印法工艺phC柱状体截面SEM)。这样，能够制造完美的周期结构。
根据上述各实施方式，在深紫外LED中，能够更进一步提高LEE，能够实现更高的WPE效率。
(第十二实施方式)
作为本发明的第十二实施方式所涉及的深紫外LED的一个例子，图32A中示出了集成光子效应深紫外LED的结构。如图32A所示，本实施方式所涉及的AlGaN系深紫外LED具有蓝宝石透镜20a、蓝宝石基板1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、势垒层4、量子阱层5、势垒层6、多重量子障碍层(电子阻挡层)7、p型AlGaN层8a、p型GaN接触层8b、Ni层9a、Au反射电极层10a、光子晶体周期结构100、光子晶体(空孔、孔)101。
一种深紫外LED，其特征在于，深紫外LED从蓝宝石基板1的相反侧起按顺序依次具有Au反射电极层10a、Ni层9a、p型GaN接触层8b、以及对于设计波长λ而透明的p型AlGaN层8a，具有光子晶体周期结构100，该光子晶体周期结构100至少包括p型GaN接触层8b和p型AlGaN层8a的界面、且设置于在蓝宝石基板1的方向上未超过p型AlGaN层8a的厚度方向的范围内、且具有光子带隙(PBG)，并且，在蓝宝石基板的背面接合有半球形的蓝宝石透镜20a，该透镜对于波长λ而透明，具有蓝宝石基板1的外接圆的半径左右的半径。即，基板和透镜的双方的折射率相同。而且，是搭载于表面安装型封装的LED结构。
如图32B中作为xy俯视图所示，反射型光子晶体周期结构100具有如下孔结构：圆柱等形状的、折射率比p型AlGaN层、p型GaN接触层的折射率小的空气等的以半径为R的圆为截面的空孔101沿x方向以及y方向以周期a而形成为三角晶格状。另外，空孔101是未到达基于干法蚀刻的多重量子障碍层7的界面的结构，并且，空孔101的基板方向上的端面至量子阱层5的距离G处于50nm～70nm的范围内。进一步，反射型光子晶体周期结构100的深度h处于40nm～60nm的范围内。
在上述结构中，由量子阱层5发出的波长为λ的深紫外光的TE光和TM光在所有方向上辐射，且一边进行椭圆偏振一边在介质中传播。在量子阱层5的附近设置的光子晶体周期结构100形成有在端面具有不同折射率的p型AlGaN层8a和空气作为两个结构体，当空孔的半径R和周期的a的比R/a＝0.4时，通过下式计算出上述光子晶体的填充率f，f＝2π/30.5×(R/a)2＝0.58。
而且，根据空气的折射率n1＝1.0、p型AlGaN的折射率n2＝2.583、f＝0.58并通过下式计算出等效折射率neff，能够获得neff＝(n2 2+(n1-n2)2×f)0.5＝1.838。
若通过平面波展开法对该光子晶体周期结构的TM光、TE光的光子能带结构进行求解，则能够获得图33A以及图33B。
如图33A所示，在TM光中，未观测到光子带隙(PBG)，但是，如图33B所示，在TE光中，在第一光子能带(ω1TE)与第二光子能带(ω2TE)之间观测到较大的PBG。
此外，R/a＝0.4是发明人本人发明的、国际申请PCT/JP2015/071453号中所记载的、根据“R/a的大小、PBG的大小、光提取效率增减率分别成比例”的原理而采用的值。
这里，若设为发光波长λ＝280nm、R/a＝0.4、次数m＝4，则对满足布拉格散射条件(mλ/neff＝2a，其中，neff：等效折射率，a：周期，m：次数)的光子晶体的周期a进行计算的结果为a＝1/2×mλ/neff＝1/2×4×280/1.838＝305nm。另外，根据R/a＝0.4而计算出光子晶体的直径(2R)的结果为244nm。
在本实施方式中，随着光子晶体的蓝宝石基板侧的端面的位置接近量子阱层，无需将深度设为与周期a(例如a＝305nm)同等的305nm，即使为60nm左右的较浅的深度，也能够获得较大的反射效果。另外，次数m的取值范围也扩大为1≤m≤5。此外，若m减小，则周期a也减小。
因此，实际制成计算模型并通过FDTD法而对光提取效率增减率进行解析，由此对光子晶体周期结构和接合蓝宝石透镜的集成光子效应进行了验证。选择光子晶体的深度(PhC Depth)为40nm、50nm、60nm的3个点、以及从量子阱层至光子晶体的端面的距离G(Gapto Quantum Well)为50nm、60nm、70nm的3个点，求出了将深度h和距离G设为可变的共计9个点的光提取效率增减率[LEE Enhancement(％)]的值。
图34中示出了集成光子效应FDTD计算模型，表8中示出了其详细参数。另外，为了求出光提取效率[LEE(％)]，图35中示出了光线追踪法的不具有光子晶体的Flat结构LED的计算模型，表9中示出了其详细参数。
表8
元件尺寸：7.01μm□、立体角：3.27 膜厚(nm) 折射率 消光系数
AI侧壁反射板 - 0.241 3.357
Au反射电极层 200 1.678 1.873
Ni层 20 1.681 2.067
p型GaN接触层 150 2.618 0.42
p型AIGaN层 30 2.583 -
多重量子障碍层/能谷 10 2.583 -
多重量子障碍层/阻挡 10 2.434 -
多重量子障碍层/能谷 10 2.583 -
多重量子障碍层/阻挡 10 2.434 -
势垒层 10 2.583 -
量子阱层 10 2.777 -
势垒层 10 2.583 -
n型AIGaN层 300 2.583 -
AIN缓冲层 600 2.316 -
蓝宝石基板 1000 1.820 -
蓝宝石透镜 4,960 1.820 -
表9
元件尺寸：1mm□、立体角：3.27 膜厚 折射率/消光系数
蓝宝石透镜半径(外接圆) 710μm 1.82/-
蓝宝石基板 270μm 1.82/--
AIN缓冲层 4μm 2.316/--
AIGaN层 1.6μm 2.777/--
p型GaN接触层 150nm 2.618/0.42
Au反射电极层/Ni层的反射率：30％ - -
AI侧壁反射板的反射率：90％ - -
表10
Figure BDA0001587377440000441
表10中示出了集成光子效应解析结果一览表，图36A中示出了集成光子效应LEEEnhancement(光提取效率增减率)的曲线图，图36B中示出了LEE(光提取效率)的曲线图，图36C中示出了集成光子效应辐射图案曲线图。
首先，通过光线追踪法而获得的光提取效率为12.7％。此外，上述结果是与在此前的实施方式中进行计算的方法同样地，在表10中以如下方式对光线追踪法的光提取效率值和FDTD法的光提取效率增减率值进行了计算。
1)相对于Flat结构LED的光子晶体、m4_G60nm_h60nm的Enhanced(增减率)：118％
2)光线追踪法的Flat结构LED的光提取效率：12.7％
故此，光子晶体、m4_G60nm_h60nm的光提取效率为12.7％×2.18倍＝27.7％，充分获得了集成光子效应。
另外，根据图36A及图36B的曲线图能够明确地理解，在从光子晶体的基板方向的端面至量子阱层的距离G为50nm～70nm、且其深度h为40nm～60nm的范围内，能够获得光提取效率及其增减率的极大值的点(在本解析条件下，G＝60nm)存在于p型AlGaN层内。
进一步，根据图36C的辐射图案曲线图可知，在能够获得极大值的点(G＝60nm)处，任何深度的光子晶体的轴上的强度相对于Flat结构LED均较大。
关于处理以及控制，能够通过基于CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)的软件处理、基于ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)的硬件处理而实现。
另外，在上述实施方式中，关于附图中示出的结构等，并不限定于上述方式，可以在发挥本发明的效果的范围内适当地变更。除此之外，只要不脱离本发明的目的范围，可以适当地进行变更来实施。
另外，可以对本发明的各结构要素进行任意的取舍选择，具备取舍选择的结构的发明也包含在本发明中。
另外，可以将用于实现本实施方式中说明的功能的程序记录于计算机可读取的记录介质中，并将记录于该记录介质的程序读入至计算机系统，通过执行该程序而进行各部分的处理。此外，这里所说的“计算机系统”包括OS、外围设备等硬件。
另外，若在利用WWW系统的情况下，则“计算机系统”还包括主页提供环境(或者显示环境)。
另外，“计算机可读取的记录介质”是指软盘、光磁盘、ROM、CD-ROM等的可便携介质、内置于计算机系统的硬盘等的存储装置。进一步，“计算机可读取的记录介质”是指如经由互联网等网络、电话线等通信回线而发送程序的情况下的通信线那样在短时间内动态地保存程序的记录介质、作为该情况下的服务器、客户端的计算机系统内部的易失性存储器那样在一定时间内保存程序的记录介质。另外，程序可以是用于实现前述功能的一部分的程序，也可以与计算机系统中已经记录的程序组合而能够进一步实现前述功能的程序。功能的至少一部分可以通过集成电路等硬件来实现。
以原样参考的方式而将本说明书中引用的所有刊物、专利以及专利申请并入本说明书中。
产业上的可利用性
能够在深紫外LED中利用本发明。
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、1…蓝宝石基板、2、2a…AlN缓冲层、3…n型AlGaN层、4…势垒层、5…量子阱层(活性层)、6…势垒层、7…电子阻挡层、8…透明p型AlGaN接触层、8a…p型AlGaN层、8b…p型GaN接触层、9…极薄膜Ni层、9a…Ni层、10…Al反射电极层、10a…Au反射电极层、11…Al反射电极层、20a…蓝宝石透镜、20b…石英玻璃透镜、100…光子晶体周期结构、101…光子晶体的结构体(圆孔(柱状结构体(孔))、200…源自PSS的AlN结合柱状体周期结构、201…PSS、202…AlN结合柱状体。
以原样引用的方式而将本说明书中引用的所有刊物、专利以及专利申请并入本说明书中。

Claims (12)

1.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，
从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，
在所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的正面具有波导结构，
所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成，
进一步，具有与所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的蓝宝石半球透镜，
所述半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上。
2.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，
从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，
所述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气以及所述透明p型AlGaN接触层的两个结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上，
在所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的正面具有波导结构，
所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成，
进一步，具有与所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的蓝宝石半球透镜，
所述半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上。
3.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，
从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层，
具有至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面、且在所述基板方向上未超过所述p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气、以及所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，
平均折射率nav由在光子晶体结构的底面部具有不同折射率的空气和p型AlGaN层的两种材料得到，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上，
在所述p型GaN接触层侧的所述基板的正面具有波导结构，
所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成，
进一步，具有与所述p型GaN接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的蓝宝石半球透镜，
所述半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上。
4.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，
从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，
在所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的正面具有波导结构，
所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成，
进一步，具有与所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的石英半球透镜，
所述半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上。
5.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，
从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，
所述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气以及所述透明p型AlGaN接触层的两个结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上，
在所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的正面具有波导结构，
所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成，
进一步，具有与所述透明p型AlGaN接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的石英半球透镜，
所述半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上。
6.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，
从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层，
具有至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面、且在所述基板方向上未超过所述p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气、以及所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，
平均折射率nav由在光子晶体结构的底面部具有不同折射率的空气和p型AlGaN层的两种材料得到，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上，
在所述p型GaN接触层侧的所述基板的正面具有波导结构，
所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成，
进一步，具有与所述p型GaN接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的石英半球透镜，
所述半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上。
7.权利要求1所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
准备用于形成在蓝宝石基板的正面设置的三角圆锥形状的PSS周期结构的模具的工序；
在所述基板的正面形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印的工序；
将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述基板进行干法蚀刻而形成PSS周期结构的工序；
层叠由在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成的AlN结合柱状体周期结构所构成的波导结构的工序；
准备从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层的层叠结构体的工序；
准备半径为所述基板的外接圆的半径以上的蓝宝石半球透镜的工序；以及
在所述基板的背面接合所述半球透镜的工序，
接合方法为表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长而透明的粘接剂的接合，在接合界面处能抑制光的散射以及吸收。
8.权利要求2所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
准备用于形成在蓝宝石基板的正面设置的三角圆锥形状的PSS周期结构的模具的工序；
在所述基板的正面形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印的工序；
将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述基板进行干法蚀刻而形成PSS周期结构的工序；
层叠由在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成的AlN结合柱状体周期结构所构成的波导结构的工序；
准备从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层的层叠结构体的工序；
准备用于形成反射型光子晶体周期结构的模具的工序，其中，
所述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气以及所述透明p型AlGaN接触层的两个结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上；
转印工序，使晶体生长至所述层叠结构体中的所述透明p型AlGaN接触层，在此基础上，形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印；形成光子晶体周期结构的工序，将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述层叠结构体依次进行干法蚀刻而形成光子晶体周期结构；
准备蓝宝石半球透镜的工序，该蓝宝石半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上；以及
在所述基板的背面接合所述半球透镜的工序，
接合方法为表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长而透明的粘接剂的接合，在接合界面处能抑制光的散射以及吸收。
9.权利要求3所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
准备用于形成在蓝宝石基板的正面设置的三角圆锥形状的PSS周期结构的模具的工序；
在所述基板的正面形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印的工序；
将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述基板进行干法蚀刻而形成PSS周期结构的工序；
层叠由在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成的AlN结合柱状体周期结构所构成的波导结构的工序；
准备从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层的层叠结构体的工序；
准备用于形成反射型光子晶体周期结构的模具的工序，其中，
具有至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面、且在所述基板方向上未超过所述p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气、以及所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，
平均折射率nav由在光子晶体结构的底面部具有不同折射率的空气和p型AlGaN层的两种材料得到，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上；
转印工序，使晶体生长至所述层叠结构体中的所述p型GaN接触层，在此基础上，形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印；
形成光子晶体周期结构的工序，将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述层叠结构体依次进行干法蚀刻而形成光子晶体周期结构；
准备蓝宝石半球透镜的工序，该蓝宝石半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上；以及
在所述基板的背面接合所述半球透镜的工序，
接合方法为表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长而透明的粘接剂的接合，在接合界面处能抑制光的散射以及吸收。
10.权利要求4所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
准备用于形成在蓝宝石基板的正面设置的三角圆锥形状的PSS周期结构的模具的工序；
在所述基板的正面形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印的工序；
将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述基板进行干法蚀刻而形成PSS周期结构的工序；
层叠由在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成的AlN结合柱状体周期结构所构成的波导结构的工序；
准备从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层的层叠结构体的工序；
准备半径为所述基板的外接圆的半径以上的石英半球透镜的工序；以及
在所述基板的背面接合所述半球透镜的工序，
接合方法为表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长而透明的粘接剂的接合，在接合界面处能抑制光的散射以及吸收。
11.权利要求5所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
准备用于形成在蓝宝石基板的正面设置的三角圆锥形状的PSS周期结构的模具的工序；
在所述基板的正面形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印的工序；
将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述基板进行干法蚀刻而形成PSS周期结构的工序；
层叠由在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成的AlN结合柱状体周期结构所构成的波导结构的工序；
准备从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有高反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层的层叠结构体的工序；
准备用于形成反射型光子晶体周期结构的模具的工序，其中，
所述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气以及所述透明p型AlGaN接触层的两个结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上；
转印工序，使晶体生长至所述层叠结构体中的所述透明p型AlGaN接触层，在此基础上，形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印；形成光子晶体周期结构的工序，将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述层叠结构体依次进行干法蚀刻而形成光子晶体周期结构；
准备石英半球透镜的工序，该石英半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上；以及
在所述基板的背面接合所述半球透镜的工序，
接合方法为表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长而透明的粘接剂的接合，在接合界面处能抑制光的散射以及吸收。
12.权利要求6所述的深紫外LED的制造方法，其特征在于，具有如下工序：
准备用于形成在蓝宝石基板的正面设置的三角圆锥形状的PSS周期结构的模具的工序；
在所述基板的正面形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印的工序；
将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述基板进行干法蚀刻而形成PSS周期结构的工序；
层叠由在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成的AlN结合柱状体周期结构所构成的波导结构的工序；
准备从蓝宝石基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层的层叠结构体的工序；
准备用于形成反射型光子晶体周期结构的模具的工序，其中，
具有至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面、且在所述基板方向上未超过所述p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，
所述光子晶体周期结构由具有空气、以及所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的结构体的周期结构构成，并且，
所述光子晶体周期结构具有光子带隙，
所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，
波长λ、所述结构体的周期a以及所述结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，
平均折射率nav由在光子晶体结构的底面部具有不同折射率的空气和p型AlGaN层的两种材料得到，
该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，
所述结构体的深度h为所述周期a的2/3以上；
转印工序，使晶体生长至所述层叠结构体中的所述p型GaN接触层，在此基础上，形成双层抗蚀剂层，通过纳米压印法对所述模具的结构进行转印；
形成光子晶体周期结构的工序，将所述双层抗蚀剂层作为掩模，利用ICP等离子体对所述层叠结构体依次进行干法蚀刻而形成光子晶体周期结构；
准备石英半球透镜的工序，该石英半球透镜的半径为所述基板的外接圆的半径以上；以及
在所述基板的背面接合所述半球透镜的工序，
接合方法为表面活化接合(SAB)、原子扩散接合(ADB)、基于大气压等离子体或臭氧气体的表面改性后的接合、基于对于设计波长而透明的粘接剂的接合，在接合界面处能抑制光的散射以及吸收。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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WO2020040304A1 (ja) * 2018-08-24 2020-02-27 丸文株式会社 深紫外ｌｅｄ装置及びその製造方法
JP2020107778A (ja) * 2018-12-28 2020-07-09 丸文株式会社 深紫外ｌｅｄ装置及びその製造方法
JPWO2021095090A1 (zh) * 2019-11-11 2021-05-20
CN110981172A (zh) * 2019-12-21 2020-04-10 张忠恕 一种外延工艺石英焊件组件及其加工工艺

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1319259A (zh) * 1999-07-29 2001-10-24 西铁城电子股份有限公司 发光二极管
CN101019052A (zh) * 2004-08-30 2007-08-15 国立大学法人京都大学 二维光子晶体及采用其的光设备
CN101079464A (zh) * 2006-05-22 2007-11-28 优志旺电机株式会社 紫外线发光元件封装
CN102130284A (zh) * 2010-09-28 2011-07-20 映瑞光电科技(上海)有限公司 单色led芯片及其制作方法
JP4839687B2 (ja) * 2005-06-15 2011-12-21 パナソニック電工株式会社 発光装置
CN103715331A (zh) * 2012-10-04 2014-04-09 隆达电子股份有限公司 发光装置
JP5757512B1 (ja) * 2014-03-06 2015-07-29 丸文株式会社 深紫外ｌｅｄ及びその製造方法

Family Cites Families (95)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4610863Y1 (zh) 1967-04-28 1971-04-15
JPS4839687B1 (zh) 1970-07-21 1973-11-26
JPS5156473A (ja) 1974-11-11 1976-05-18 Otsuka Pharma Co Ltd Karubosuchirirujudotaino seizoho
JPS6045525B2 (ja) * 1980-09-25 1985-10-09 良市 松岡 縫い包み布帛地で外装されたロ−プによる渦巻環敷物
JPS5776078A (en) 1980-10-29 1982-05-12 Agency Of Ind Science & Technol Heat accumulator utilizing latent heat
US5337328A (en) 1992-05-08 1994-08-09 Sdl, Inc. Semiconductor laser with broad-area intra-cavity angled grating
US5955749A (en) 1996-12-02 1999-09-21 Massachusetts Institute Of Technology Light emitting device utilizing a periodic dielectric structure
EP1378949A4 (en) 2001-03-21 2006-03-22 Mitsubishi Cable Ind Ltd LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR ELEMENT
JP3991612B2 (ja) 2001-04-09 2007-10-17 日亜化学工業株式会社 発光素子
US6936854B2 (en) 2001-05-10 2005-08-30 Canon Kabushiki Kaisha Optoelectronic substrate
US7194174B2 (en) 2001-10-19 2007-03-20 Ignis Technologies As Integrated photonic crystal structure and method of producing same
US6878969B2 (en) 2002-07-29 2005-04-12 Matsushita Electric Works, Ltd. Light emitting device
JP4329374B2 (ja) 2002-07-29 2009-09-09 パナソニック電工株式会社 発光素子およびその製造方法
JP2004200209A (ja) 2002-12-16 2004-07-15 Fuji Xerox Co Ltd 電極等の導電パターンの形成方法およびこれを用いた面発光型半導体レーザ並びにその製造方法
JP4610863B2 (ja) 2003-03-19 2011-01-12 フィリップス ルミレッズ ライティング カンパニー リミテッド ライアビリティ カンパニー フォトニック結晶構造を使用するｌｅｄ効率の改良
JP4317375B2 (ja) 2003-03-20 2009-08-19 株式会社日立製作所 ナノプリント装置、及び微細構造転写方法
US7083993B2 (en) 2003-04-15 2006-08-01 Luminus Devices, Inc. Methods of making multi-layer light emitting devices
US7367691B2 (en) 2003-06-16 2008-05-06 Industrial Technology Research Institute Omnidirectional one-dimensional photonic crystal and light emitting device made from the same
JP2007529105A (ja) 2003-07-16 2007-10-18 松下電器産業株式会社 半導体発光装置とその製造方法、照明装置および表示装置
JP2005175417A (ja) * 2003-07-28 2005-06-30 Ricoh Co Ltd 発光素子アレイ、光書込ユニットおよび画像形成装置
US7012279B2 (en) 2003-10-21 2006-03-14 Lumileds Lighting U.S., Llc Photonic crystal light emitting device
US7768024B2 (en) 2005-12-02 2010-08-03 The Regents Of The University Of California Horizontal emitting, vertical emitting, beam shaped, distributed feedback (DFB) lasers fabricated by growth over a patterned substrate with multiple overgrowth
US20070267646A1 (en) 2004-06-03 2007-11-22 Philips Lumileds Lighting Company, Llc Light Emitting Device Including a Photonic Crystal and a Luminescent Ceramic
JP2008521211A (ja) 2004-07-24 2008-06-19 ヨン ラグ ト 二次元ナノ周期構造体を有する薄膜蛍光体を備えるｌｅｄ装置
US20060043400A1 (en) 2004-08-31 2006-03-02 Erchak Alexei A Polarized light emitting device
JP2006196658A (ja) 2005-01-13 2006-07-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子およびその製造方法
JP2006276388A (ja) 2005-03-29 2006-10-12 Alps Electric Co Ltd フォトニック結晶スラブ及びフォトニック結晶導波路と光デバイス
US8101498B2 (en) 2005-04-21 2012-01-24 Pinnington Thomas Henry Bonded intermediate substrate and method of making same
JP4027393B2 (ja) 2005-04-28 2007-12-26 キヤノン株式会社 面発光レーザ
WO2006138465A2 (en) 2005-06-17 2006-12-28 Goldeneye, Inc. Light emitting diodes with reflective electrode and side electrode
US8163575B2 (en) 2005-06-17 2012-04-24 Philips Lumileds Lighting Company Llc Grown photonic crystals in semiconductor light emitting devices
TWI253771B (en) 2005-07-25 2006-04-21 Formosa Epitaxy Inc Light emitting diode structure
JP2007109689A (ja) 2005-10-11 2007-04-26 Seiko Epson Corp 発光素子、発光素子の製造方法及び画像表示装置
US7679098B2 (en) 2006-01-30 2010-03-16 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Highly directional light emitting diode using photonic bandgap waveguides
US7687811B2 (en) 2006-03-21 2010-03-30 Lg Electronics Inc. Vertical light emitting device having a photonic crystal structure
JP2007294789A (ja) 2006-04-27 2007-11-08 Sony Corp 半導体レーザ素子
KR100736623B1 (ko) 2006-05-08 2007-07-09 엘지전자 주식회사 수직형 발광 소자 및 그 제조방법
JP4231880B2 (ja) 2006-07-26 2009-03-04 株式会社東芝 ３次元構造体およびそれを有する発光素子ならびにその製造方法
JP2008053425A (ja) 2006-08-24 2008-03-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光装置
US7829905B2 (en) 2006-09-07 2010-11-09 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Semiconductor light emitting device
US7697584B2 (en) 2006-10-02 2010-04-13 Philips Lumileds Lighting Company, Llc Light emitting device including arrayed emitters defined by a photonic crystal
JP2008098526A (ja) 2006-10-13 2008-04-24 Toyoda Gosei Co Ltd 発光素子
JP2008117922A (ja) 2006-11-02 2008-05-22 Yamaguchi Univ 半導体発光素子及びその製造方法
KR100886821B1 (ko) 2007-05-29 2009-03-04 한국광기술원 전기적 특성을 향상한 광자결정 발광 소자 및 제조방법
JP2008311317A (ja) 2007-06-12 2008-12-25 Eudyna Devices Inc 半導体発光素子
KR101341374B1 (ko) 2007-07-30 2013-12-16 삼성전자주식회사 광자결정 발광소자 및 그 제조방법
JP2009267263A (ja) 2008-04-28 2009-11-12 Kyocera Corp 発光装置およびその製造方法
KR100933529B1 (ko) 2008-05-28 2009-12-23 재단법인서울대학교산학협력재단 광자결정 구조체를 구비한 발광소자
JPWO2009148138A1 (ja) 2008-06-05 2011-11-04 旭硝子株式会社 ナノインプリント用モールド、その製造方法および表面に微細凹凸構造を有する樹脂成形体ならびにワイヤグリッド型偏光子の製造方法
JP5282503B2 (ja) 2008-09-19 2013-09-04 日亜化学工業株式会社 半導体発光素子
JP5379434B2 (ja) 2008-09-22 2013-12-25 学校法人 名城大学 発光素子用サファイア基板の製造方法
JP4892025B2 (ja) 2008-09-26 2012-03-07 株式会社東芝 インプリント方法
KR101040462B1 (ko) 2008-12-04 2011-06-09 엘지이노텍 주식회사 발광 소자 및 그 제조방법
JP5594147B2 (ja) 2008-12-05 2014-09-24 旭硝子株式会社 光硬化性組成物および表面に微細パターンを有する成形体の製造方法
GB0902569D0 (en) 2009-02-16 2009-04-01 Univ Southampton An optical device
JP5641173B2 (ja) 2009-02-27 2014-12-17 独立行政法人理化学研究所 光半導体素子及びその製造方法
KR100999713B1 (ko) 2009-03-17 2010-12-08 엘지이노텍 주식회사 발광소자 및 그 제조방법
CN102484125A (zh) 2009-08-28 2012-05-30 加利福尼亚大学董事会 通过在活性装置上结合结构化材料而具有嵌入式空隙结构的发光装置
US20110062469A1 (en) 2009-09-17 2011-03-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Molded lens incorporating a window element
JP5300078B2 (ja) 2009-10-19 2013-09-25 国立大学法人京都大学 フォトニック結晶発光ダイオード
WO2011049018A1 (ja) 2009-10-23 2011-04-28 日本電気株式会社 発光素子、およびそれを備えた投写型表示装置
DE102009057780A1 (de) 2009-12-10 2011-06-16 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Halbleiterbauteil und photonischer Kristall
US8759813B2 (en) 2010-02-24 2014-06-24 Riken Light-emitting element having nitride semiconductor multiquantum barrier, and process for production thereof
JP5549338B2 (ja) 2010-04-09 2014-07-16 ウシオ電機株式会社 紫外光放射用窒素化合物半導体ｌｅｄおよびその製造方法
JP5331051B2 (ja) 2010-04-21 2013-10-30 パナソニック株式会社 発光素子
JP4875185B2 (ja) * 2010-06-07 2012-02-15 株式会社東芝 光半導体装置
US8907322B2 (en) 2010-06-18 2014-12-09 Sensor Electronic Technology, Inc. Deep ultraviolet light emitting diode
JP2012009616A (ja) * 2010-06-24 2012-01-12 Asahi Glass Co Ltd 発光装置用レンズ
US9130348B2 (en) 2010-07-30 2015-09-08 Kyoto University Two-dimensional photonic crystal laser
US9103527B2 (en) 2010-11-18 2015-08-11 Nec Corporation Light source unit and projection display device with the same
JP5620827B2 (ja) 2011-01-06 2014-11-05 富士フイルム株式会社 ナノインプリントモールドの洗浄方法
KR20120092326A (ko) 2011-02-11 2012-08-21 서울옵토디바이스주식회사 광 결정 구조를 갖는 비극성 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법
KR20120092325A (ko) 2011-02-11 2012-08-21 서울옵토디바이스주식회사 광 결정 구조를 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법
JP5678728B2 (ja) 2011-03-03 2015-03-04 大日本印刷株式会社 モールドおよびその製造方法
JP2012186414A (ja) 2011-03-08 2012-09-27 Toshiba Corp 発光装置
JP5715686B2 (ja) 2011-03-23 2015-05-13 創光科学株式会社 窒化物半導体紫外線発光素子
WO2012176728A1 (ja) 2011-06-23 2012-12-27 旭化成株式会社 微細パタン形成用積層体及び微細パタン形成用積層体の製造方法
JP5694866B2 (ja) 2011-06-24 2015-04-01 株式会社フジクラ 超電導線材
US20130009167A1 (en) 2011-07-06 2013-01-10 Sharp Kabushiki Kaisha Light emitting diode with patterned structures and method of making the same
JP5315513B2 (ja) 2011-07-12 2013-10-16 丸文株式会社 発光素子及びその製造方法
JP2013042079A (ja) 2011-08-19 2013-02-28 Sharp Corp 半導体発光装置
JP2013120829A (ja) 2011-12-07 2013-06-17 Sharp Corp 窒化物半導体紫外発光素子
CN103597619B (zh) 2012-03-07 2015-10-14 株式会社爱发科 制造装置的方法
TWI489522B (zh) 2012-03-12 2015-06-21 Asahi Kasei E Materials Corp Mold, resist layer and its manufacturing method and concave and convex structure
WO2013152231A1 (en) 2012-04-04 2013-10-10 The Regents Of The University Of California Light emitting devices with embedded void-gap structures through techniques of closure of voids
KR102059030B1 (ko) 2012-09-24 2019-12-24 엘지이노텍 주식회사 자외선 발광 소자
KR102141815B1 (ko) 2012-11-02 2020-08-06 리켄 자외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법
CN103165771B (zh) 2013-03-28 2015-07-15 天津三安光电有限公司 一种具有埋入式孔洞结构的氮化物底层及其制备方法
US9929311B2 (en) 2013-07-17 2018-03-27 Marubun Corporation Semiconductor light emitting element and method for producing the same
JP2015041763A (ja) 2013-08-20 2015-03-02 正幸 安部 光半導体装置及びその製造方法
US9887324B2 (en) * 2013-09-16 2018-02-06 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device package
JP6251883B2 (ja) 2014-01-07 2017-12-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 紫外線発光素子
JP6185087B2 (ja) * 2014-01-28 2017-08-23 シャープ株式会社 窒化物半導体素子
WO2016113935A1 (ja) 2015-01-16 2016-07-21 丸文株式会社 深紫外ｌｅｄ及びその製造方法
US10056526B2 (en) * 2016-03-30 2018-08-21 Marubun Corporation Deep ultraviolet LED and method for manufacturing the same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1319259A (zh) * 1999-07-29 2001-10-24 西铁城电子股份有限公司 发光二极管
CN101019052A (zh) * 2004-08-30 2007-08-15 国立大学法人京都大学 二维光子晶体及采用其的光设备
JP4839687B2 (ja) * 2005-06-15 2011-12-21 パナソニック電工株式会社 発光装置
CN101079464A (zh) * 2006-05-22 2007-11-28 优志旺电机株式会社 紫外线发光元件封装
CN102130284A (zh) * 2010-09-28 2011-07-20 映瑞光电科技(上海)有限公司 单色led芯片及其制作方法
CN103715331A (zh) * 2012-10-04 2014-04-09 隆达电子股份有限公司 发光装置
JP5757512B1 (ja) * 2014-03-06 2015-07-29 丸文株式会社 深紫外ｌｅｄ及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20180248075A1 (en) 2018-08-30
US10680134B2 (en) 2020-06-09
WO2017038961A1 (ja) 2017-03-09
EP3346509B1 (en) 2021-06-30
US20200313041A1 (en) 2020-10-01
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JPWO2017038961A1 (ja) 2017-09-07
US10950751B2 (en) 2021-03-16
CN108292695A (zh) 2018-07-17
KR20180032638A (ko) 2018-03-30
TWI637530B (zh) 2018-10-01
JP6230038B2 (ja) 2017-11-15
KR102056414B1 (ko) 2020-01-22
TW201724552A (zh) 2017-07-01

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