JP5967851B2 - フォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法、プログラム及び記録媒体 - Google Patents
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Description
本実施の形態による半導体発光素子は、設計波長をλとする半導体発光素子を構成する各層間における界面のうち一以上の界面において、波長λの光の透過と反射が界面ごとに個別に制御されたフォトニック結晶周期構造を有する半導体発光素子である。
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態における半導体発光素子が有するフォトニック結晶周期構造の個別具体的なパラメータの計算方法に関するものである。
nav 2=n2 2+(n1 2−n2 2)(2π/√3)(R/a)2
mλ/nav=2a
以上を基に、以下、平面波展開法によるバンドギャップの解析を行う。
本発明の第3の実施の形態は、第2の実施の形態により最適化された周期構造を有する界面とは異なる界面において形成する、第二、第三の周期構造のパラメータを最適化するためのパラメータ計算方法である。なお、周期構造の数には制限はない。
本発明の第4の実施の形態は、フォトニック結晶周期構造が、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を用いて加工されたものであることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第5の実施の形態は、ナノインプリントリソグラフィー法によるフォトニック結晶周期構造の転写技術が、加工対象の構造体に対しエッチング選択比の大きい下層レジストをコートし、その上に流動性と酸素耐性を有する上層レジストとコートする、二層レジスト法を用いた転写技術であることを特徴とする。
本実施例1における半導体発光素子は一般的な深紫外LEDであり、その構造は図2に示すとおり、Al反射電極1、例えば積層されたp−AlGaNコンタクト層2、p−AlGaN層3、電子ブロック層4、バリア層5、井戸層6、バリア層7、n−AlGaNバッファー層8、AlNバッファー層9と、サファイア基板10で構成される。井戸層6で発光した光は、サファイア基板10の表面、Al反射電極1及びサファイア基板10の側壁からLED素子の外部へ取出される。
n2=με/μ0ε0
(ここで、μは透磁率、μ0は真空の透磁率、ε0は真空の誘電率を表す。)
W(r,t)=(1/4)πrc{∂/∂t[∫s Js(t−(r−r1)r0/c]ds}
U(r,t)=(1/4)πrc{∂/∂t[∫s Ms(t−(r−r1)r0/c]ds}
Eθ(r,t)≒−Uφ(r,t)−ZWθ(r,t)
Eφ(r,t)≒Uθ(r,t)−ZWφ(r,t)
Eθ(r,ω)=F[Eθ(r,t)]
Eφ(r,ω)=F[Eφ(r,t)]
但し、θ:観測球面上の緯度、φ:観測球面上の経度、r:LED光源と観測点間距離、r1:LED光源と閉領域面間距離、r0:LED光源と観測点間の単位ベクトル、c:光速、Z:界インピーダンスF[ ]:フーリエ変換を表す。
次に、本実施例2では一般的な白色LED素子を構成する各層間の一以上の界面に光取出し効率を最大化するためのフォトニック結晶周期構造の形成例を説明する。はじめに、白色LED素子の概略構造を図9に示す。すなわち、この白色LED素子は、反射膜11、サファイア基板12、n−GaN層13、発光層14、p−GaN層15、ITO膜16、保護膜17及びLED素子を覆う蛍光体18から構成される。発光層14で発光した光は、ITO透明電極膜16及び保護膜17を透過し、蛍光体18と空気の界面から外部に取り出される光L1と、サファイア基板12とn−GaN層13の界面で反射されたのち光L1と同様に外部に取り出される光L2と、光L2がサファイア基板12とn−GaN層13の界面を透過したのち、サファイア基板12と反射膜11の界面で反射され再び光L1と同様に外部に取り出される光L3とに大まかには分けることができる。また、この白色LEDにおいては、光の偏光度pを0.89とした。
表2に示すとおり、次数m=4、R/a=0.31とR/a=0.32のピラーの光取出し効率の差は、上部で1.3ポイント、合計値で0.6ポイントある。その形状(直径/周期)を比較するとそれぞれ258nm/417nm、263nm/411nmで両者の形状差は数nmと僅かである。従って、より良い光取出し効率を得るには、nmオーダーの加工を計算通りに形成する必要がある。
Claims (5)
- 設計波長をλとする半導体発光素子に、異なる屈折率を持つ2つの構造体からなるフォトニック結晶周期構造を有する半導体発光素子におけるフォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法であって、
周期構造パラメータである周期aと構造体の半径Rの比(R/a)を仮決定するステップと、
構造体のそれぞれの屈折率n1とn2、及びこれらと前記R/aから平均屈折率navを算出し、これをブラッグ条件の式に代入し、次数mごとの周期aと半径Rを得るステップと、
TE光による反射の効果に関しては、前記フォトニック結晶周期構造の構造体において、前記R/a及び前記波長λ並びに前記屈折率n1、n2から得られる各構造体の誘電率ε1及びε2を用いた平面波展開法により、TE光のフォトニックバンド構造を解析するステップと、
TE光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のPBGが最大となるR/aを、前記仮決定のR/aの値を変えて繰り返し行う解析により決定するステップと、によりパラメータを求め、
TM光による透過の効果に関しては、前記フォトニック結晶周期構造の構造体においては、前記R/a及び前記波長λ並びに前記屈折率n1、n2から得られる各構造体の誘電率ε1及びε2を用いた平面波展開法により、TM光のフォトニックバンド構造を解析するステップと、
TM光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のPBG1と第三フォトニックバンドと第四フォトニックバンド間のPBG2の合計のPBGが最大となるR/aを、前記仮決定のR/aの値を変えて繰り返し行う解析により決定するステップと、
前記のPBGを最大にするR/aについて、ブラッグ条件の次数mに応じた個別の周期a及び半径R、並びに、任意の周期構造の深さhを変数として行うFDTD法によるシミュレーション解析により、前記波長λに対する光取出し効率を求めるステップと、
前記FDTD法によるシミュレーションを繰り返し行うことにより、波長λに対する光取出し効率が最大となるブラッグ条件の次数mと、その次数mに対応する周期構造パラメータの周期a、半径R、及び、深さhを決定するステップと、によりパラメータを求めることを特徴とするフォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法。 - 設計波長をλとする半導体発光素子を構成する各層間の一以上の界面に、異なる屈折率を持つ2つの構造体からなるフォトニック結晶周期構造を有する半導体発光素子における、前記設計波長λと前記一以上の各周期構造のパラメータである周期a及び半径Rは、ブラッグ条件を満たすフォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法であって、
前記フォトニック結晶周期構造の形成候補である界面において、前記半導体発光素子の設計波長λに対し、反射と透過のどちらを目的とするかに応じて、周期構造パラメータの最適化の対象とする偏光を、TE光およびTM光について決定するステップと、
周期構造パラメータである周期aと構造体の半径Rの比(R/a)を仮決定するステップと、
構造体のそれぞれの屈折率n1とn2、及びこれらと前記R/aから平均屈折率navを算出し、これをブラッグ条件の式に代入し、次数mごとの周期aと半径Rを得るステップと、
前記R/a及び前記波長λ並びに前記屈折率n1、n2から得られる各構造体の誘電率ε1及びε2を用いた平面波展開法により、前記目的に対応したTE光およびTM光のフォトニックバンド構造を解析するステップと、
前記目的が反射である場合にあっては、TE光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のPBGが最大となるR/aを、他方、前記目的が透過である場合にあっては、TM光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のPBG1と第三フォトニックバンドと第四フォトニックバンド間のPBG2の合計のPBGが最大となるR/aを、前記仮決定のR/aの値を変えて繰り返し行う解析により決定するステップと、
前記のPBGを最大にするR/aについて、ブラッグ条件の次数mに応じた個別の周期a及び半径R、並びに、任意の周期構造の深さhを変数として行うFDTD法によるシミュレーション解析により、前記波長λに対する光取出し効率を求めるステップと、
前記FDTD法によるシミュレーションを繰り返し行うことにより、波長λに対する光取出し効率が最大となるブラッグ条件の次数mと、その次数mに対応する周期構造パラメータの周期a、半径R、及び、深さhを決定するステップと、
を有することを特徴とするフォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法。 - 請求項2に基づいて最適化された周期構造を有する界面とは異なる界面において形成する周期構造のパラメータ計算を、請求項2に記載の全てのステップにより改めて行うステップと、
前記ステップを、さらなる他の界面において形成する他の周期構造に対し繰り返し行うステップと、
を有することを特徴とするフォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法。 - 請求項1から3までのいずれか1項に記載のフォトニック結晶周期構造のパラメータ計算方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
- 請求項4に記載のプログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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