JP5999800B1 - 深紫外led及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第1の実施の形態に係る深紫外LEDの一例として、設計波長λを265nmとするAlGaN系深紫外LEDの構造を図1A(a)に示す。図1A(a)に示すように、本実施の形態によるAlGaN系深紫外LEDは、図の上から順番に、サファイア基板1、AlNバッファー層2、n型AlGaN層3、バリア層4、量子井戸層5、バリア層6、電子ブロック層7、透明p型AlGaNコンタクト層8a、極薄膜Ni層10a、Al反射電極層11、を有する。そして、透明p型AlGaN層8aの厚さ方向の範囲内に、フォトニック結晶周期構造100を設けており、かつ、フォトニック結晶周期構造100は、円孔(柱状構造体,ホール)101(h)を設け、フォトニックバンドギャップを有することにより波長λの光を反射する反射型フォトニック結晶周期構造である。
mλ/nav=2a (1)
(ステップS01)
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。
第1の構造体のそれぞれの屈折率n1とn2、及びこれらと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。
R/a及び波長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。
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。
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。
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。
(1):mλ/nav=2a)の次数mを決定する。
nav=[n2 2+(n1 2−n2 2)(2π/30.5)(R/a)2]0.5=1.848 (4)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
ステップS1において、0.20≦R/a≦0.40の範囲において、R/a(R:半径、a:周期)を、例えば0.01ステップで変化させる。
ブラッグの条件を満たす散乱波は各フォトニックバンド(PB)の何れかに相当するので、設計波長λを透過させる周期aをブラッグの式で関連付けする。ここで、着目するフォトニックバンドはブラッグの条件を満たす散乱波(k+G)である。
ステップS3においては、ステップS2で決定したR/a、波長λ、屈折率n1、n2から誘電率ε1、ε2を求め、平面波展開法によるTM光のフォトニックバンド(PB)構造を得る。PBG1、PBG2の最大値に対応する次数がm=3〜4であるR/aを最適化の候補とする。
ブラッグの条件を満たす第二フォトニックバンド(2ndPB)と第四フォトニックバンド(4thPB)の縦軸(ωa/2πc)を真空中の波長λVに換算し、次数m=1においてλVとka/2πのフォトニックバンド構造を得る。縦軸はωa/2πc=a/λPhCと変換できる。但し、λPhCはフォトニック結晶(PhC)中の波長である。従って、λV=λ1=a1/(ωa/2πc)×nav、また、ブラッグの式、すなわち、1×λV/nav=2a1よりa1=λv/2navと導出される。
最初に次数m=3で決定されるR/aについて検討する。図11Aは、次数m=3で決定されるR/aについて示す図であり、R/a=0.35(次数m=1)の第二フォトニックバンド(2ndPB)が定在波を生じる条件を示す図である。図11Bは、次数m=3で決定されるR/aについて示す図であり、R/aの第四フォトニックバンド(4thPB)が定在波を生じる条件を示す図である。
次数m=4では、λ4=a4/(ωa/2πc)×nav、a4=4λV/2navとなる。第二フォトニックバンド(2ndPB)に関する真空中波長と波数のフォトニックバンド構造を図13Aに示す。各対称点における真空中の波長×4=1060nmに最も近接するR/aは次数m=1と同様にM点(R/a=0.28)、K点(R/a=0.35)となる。また、あるR/aの第四フォトニックバンド(4thPB)が定在波を生じる条件は、m=1における入射波長の6整数倍、7整数倍、8整数倍である。そこで各対称点における真空中の波長×4=1060nmに点で接するか最接近するR/aを求めると、6整数倍ではΓ点(R/a=0.40)、M点(R/a=0.35)である(図13B)。7整数倍ではΓ点(R/a=0.23)M点(R/a=0.20)K点(R/a=0.36)である(図13C)。8整数倍ではΓ点(該当なし)、M点(該当なし)、K点(R/a=0.27)となり(図13D)、何れも最適化の候補となる。
ステップS3からステップS6までで得られた最適化候補である次数mとR/aに対応するフォトニック結晶を有限時間領域差分法(FDTD法)で計算する。深さに関しては次数m=3〜4において最も大きい周期aの0.5倍以上の任意の値を選択する。
LED素子全体の出力比較と軸上方向(角度5°〜20°)の出力比較を行い、光取出し効率(LEE)増減率が大きいR/aと次数mの中から、軸上方向の配光性に優れたR/a及び次数mを選択する。従って、フォトニック結晶最適化のパラメータである、直径、周期、深さが決定される。
次に、本発明の第3の実施の形態による深紫外LEDについて図面を参照しながら説明を行う。
本発明の第4の実施の形態に係る深紫外LEDは、図16に示すように、第3の実施の形態におけるナノPSS由来AlN結合ピラー構造を備えた深紫外LED(図15A)をベースにしている。そして、透明p型AlGaNコンタクト層8a/フォトニック結晶(ホール)周期構造100/極薄膜Ni層(1nm)10aからなる深紫外LEDを作成した後に、Al反射電極層11側に支持基板31を貼り付けた後に、サファイア基板1を剥離してAlN結合ピラー220bを光取出し面とした構造である。
次に、本発明の第5の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
次に、本発明の第6の実施の形態について詳細に説明する。
以下、本発明の第7の実施の形態ついて詳細に説明する。
1)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を用いる。
2)また、転写には金型を用い、金型には樹脂フィルムを用いることも可能である。より具体的には、周期構造を形成する基板面上にこの基板に対しエッチング選択比の大きい、一例として、有機下層レジストをスピンコートする。次に、流動性と酸素耐性機能を有する、一例として、シリコン含有上層レジストを下層レジスト面上にスピンコートする。3)次に、上層レジスト面上に金型を用いたナノインプリントリソグラフィー法を用いて、周期構造を転写する。
4)次に、周期構造が転写された上層レジストを酸素プラズマに曝し、酸素耐性を付与するとともに、ナノインプリント転写において残存した上層レジストの残膜を除去する。
5)次に、酸素耐性を有した上層レジストをマスクとして、有機下層レジストを酸素プラズマでエッチングし、基板のドライエッチングのためのマスクを形成する。
6)最後に、このマスクをエッチングマスクとして、基板をICPプラズマでドライエッチングする。
Claims (26)
- 設計波長をλとする深紫外LEDであって、
反射電極層と、極薄膜金属層と、透明p型AlGaNコンタクト層とを、成長基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明p型AlGaNコンタクト層の厚さ方向の範囲内に設けられた複数の空孔を有する第1の反射型フォトニック結晶周期構造を有し、かつ、
前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造は、TE偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有し、
設計波長λ、前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造の周期a及び平均屈折率n av がブラッグの条件式(m×λ/n av =2a)を満たし、かつ、
ブラッグ条件の次数mは、2<m<5の範囲にあり、かつ、
前記空孔の半径をRとした時、フォトニックバンドギャップが最大となるR/aであり、前記空孔の深さをhとすると、h≧2/3aを満たすことを特徴とする深紫外LED。 - 前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造は、
さらに、厚さ方向に前記反射電極層の範囲まで延長して設けられていることを特徴とする請求項1に記載の深紫外LED。 - 前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造は、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形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の深紫外LEDの製造方法。
- 前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造は、流動性の高いレジストとエッチング選択比の高いレジストによる2層レジスト法を用いたドライエッチングを用いて形成されることを特徴とする請求項3に記載の深紫外LEDの製造方法。
- 前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造のパラメータは、
周期構造パラメータである周期aと前記空孔の半径Rの比(R/a)を仮決定するステップと、
前記空孔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、
前記のPBGが最大となる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を変数として行う有限時間領域差分法(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、前記波長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、
を有するパラメータ計算方法により求めることを特徴とする請求項1又は2に記載の深紫外LEDの製造方法。 - さらに、
前記成長基板の裏面(側)に異なる屈折率を持つ2つの構造体からなる第2のフォトニック結晶周期構造を有し、
前記第2のフォトニック結晶周期構造は、
空気と成長基板の媒質との周期構造を有する第2の構造体からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の深紫外LED。 - 前記第2のフォトニック結晶周期構造は、
真空中の設計波長λVと周期構造のパラメータである周期aと半径Rはブラッグ条件を満たし、R/aが、0.20から0.40までの範囲において、TM光のフォトニックバンド構造において2個のフォトニックバンドギャップを第四フォトニックバンド以内に有し、かつ、
前記フォトニックバンドギャップはTM光に対して開くが故に透過効果が大きくなり、かつ、
前記R/aは、次数m=3又は4において、各フォトニックバンドギャップの最大値に対応する値であり、または、
前記R/aは、次数m=3又は4において、前記フォトニックバンド構造の縦軸(ωa/2πc)が真空中の波長λVに換算されたとき、第二フォトニックバンド(2ndPB)の対称点であるΓ点、M点、K点の何れかにおいて真空中の波長λV×mと点で接するか最も接近する値であり、または、
前記R/aは、次数m=3のとき、前記フォトニックバンド構造の縦軸(ωa/2πc)の真空中の波長λV×3が、第四フォトニックバンド(4thPB)を5整数倍と6整数倍した各第四フォトニックバンド(4thPB)上の何れかの対称点と点で接するか最も接近する値であり、または、
前記R/aは、次数m=4のとき、前記フォトニックバンド構造の縦軸(ωa/2πc)の真空中の波長λV×4が、第四フォトニックバンド(4thPB)を6整数倍、7整数倍、8整数倍した各第四フォトニックバンド(4thPB)上の何れかの対称点と点で接するか最も接近する値であり、かつ、
各周期構造パラメータは、選択された各R/aと0.5a以上の深さhからなるフォトニック結晶をFDTD法により計算し、光取出し効率増減率と配光性が最適化されるよう最終決定されたパラメータである請求項6に記載の深紫外LED。 - 前記第2のフォトニック結晶周期構造のパラメータは、
周期構造パラメータである周期aと第2の構造体の半径Rの比(R/a)を変化させる第1ステップと、
前記第2の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=3とm=4について、周期aと半径Rを得る第2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、TM光のフォトニックバンド構造を解析する第3ステップと、
TM光の第二フォトニックバンド(2ndPB)と第四フォトニックバンド(4thPB)の縦軸(ωa/2πc)を真空中の波長λVに換算し、次数m=1においてλVとka/2πのフォトニックバンド構造を得る第4ステップと、
次数m=3及びm=4について、TM光の第二フォトニックバンド(2ndPB)と第四フォトニックバンド(4thPB)における各対称点における真空中の波長λV×mと点で接するか最も接近するR/aを求め、最適化の候補とする第5ステップと、
前記第5ステップで選択されたR/aに対応するフォトニック結晶の光取出し効率増減率と配光性を、FDTD法で計算し、深さに関しては次数m=3〜4において最も大きい周期aの0.5倍以上の任意の値を選択する第6ステップと、
を有するパラメータ計算方法により求めることを特徴とする請求項7に記載の深紫外LEDの製造方法。 - 前記第2のフォトニック結晶周期構造のパラメータは、
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)を変化させる第1ステップと、
前記第2の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=3とm=4について、周期aと半径Rを得る第2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、TM光のフォトニックバンド構造を解析して得られる2つのフォトニックバンドギャップの最大値に対応する次数m=3及び4であるR/aを最適化の候補とする第3ステップと、
TM光の第二フォトニックバンド(2ndPB)と第四フォトニックバンド(4thPB)の縦軸(ωa/2πc)を真空中の波長λVに換算し、次数m=1においてλVとka/2πのフォトニックバンド構造を得る第4ステップと、
次数m=3及びm=4について、TM光の第二フォトニックバンド(2ndPB)と第四フォトニックバンド(4thPB)における各対称点における真空中の波長λV×mと点で接するか最も接近するR/aを求め、最適化の候補とする第5ステップと、
前記第5ステップで選択されたR/aに対応するフォトニック結晶の光取出し効率増減率と配光性を、FDTD法で計算し、深さに関しては次数m=3〜4において最も大きい周期aの0.5倍以上の任意の値を選択する第6ステップと、
光取出し効率(LEE)増減率が大きく、配光性の良いR/a及び次数mを選択し、直径、周期、深さのパラメータが決定される第7ステップと、
を有するパラメータ計算方法により求めることを特徴とする請求項6に記載の深紫外LEDの製造方法。 - 前記第2のフォトニック結晶周期構造は、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形成されることを特徴とする請求項6に記載の深紫外LEDの製造方法。
- 前記第2のフォトニック結晶周期構造は、流動性の高いレジストとエッチング選択比の高いレジストによる2層レジスト法を用いたドライエッチングを用いて形成されることを特徴とする請求項6に記載の深紫外LEDの製造方法。
- さらに、前記第1の反射型フォトニック結晶周期構造と前記第2のフォトニック結晶周期構造との間に導波路構造を設けたことを特徴とする請求項6に記載の深紫外LED。
- 前記導波路構造は、
前記成長基板表面に設けられる三角錐形状のナノPSS周期構造と、前記ナノPSS周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台の柱状からなるAlN結合ピラー周期構造とを有することを特徴とする請求項12に記載の深紫外LED。 - 請求項12又は13に記載の深紫外LEDにおいて、
前記成長基板が剥離され、前記反射電極層に支持基板が貼り付けられた深紫外LEDの製造方法。 - 請求項13に記載の深紫外LEDにおいて、
前記ナノPSS周期構造を含む前記成長基板が除去され、前記AlN結合ピラー周期構造が光取り出し面側に設けられている深紫外LEDの製造方法。 - さらに、
前記深紫外LEDの外側に深紫外光に対して透明な樹脂が設けられ、
前記樹脂の屈折率が空気より大きく前記成長基板を含む化合物半導体層の屈折率より小さいことを特徴とする請求項12又は13に記載の深紫外LED。 - さらに、
前記深紫外LEDの側壁の外側にAl反射膜を設け、前記Al反射膜は、前記Al反射膜に到達した深紫外光が反射して前記深紫外LEDの上部方向に伝搬するように形成された構造を有することを特徴とする請求項16に記載の深紫外LED。 - 前記極薄膜金属層は、
厚さが1nm程度であることを特徴とする請求項1、2又は6のいずれか1項に記載の深紫外LED。 - 設計波長をλとし、反射電極層と、金属層と、波長λに対し透明なp型AlGaN層とを、成長基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
前記p型AlGaN層の厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体上に、レジスト層を形成し、前記金型の構造を転写する工程と、
前記レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と
を有する請求項1又は2に記載の深紫外LEDの製造方法。 - 前記積層構造体上にレジスト層を形成し、前記金型の構造を転写する工程は、
前記積層構造体上に、流動性の高い第1のレジスト層と、前記第1のレジスト層に対するエッチング選択比の高い第2のレジスト層と、による2層レジスト法を用いたドライエッチングを形成する工程と、
ナノインプリントリソグラフィー法を用いて前記第1のレジスト層に前記金型の構造を転写する工程と、を有し、
前記レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程は、前記第1のレジスト層と前記第2のレジスト層とを、前記第2のレジスト層が露出するまでエッチングするとともに、前記第1のレジスト層のパターン凸部も合わせてエッチングし、
前記第2のレジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程を有することを特徴とする請求項19に記載の深紫外LEDの製造方法。 - 反射電極層と、極薄膜金属層と、透明p型AlGaNコンタクト層とを、成長基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明p型AlGaNコンタクト層側の前記成長基板表面に設けられる三角錐孔または円錐孔とを有するナノPSS周期構造と、
前記ナノPSS周期構造のそれぞれの前記三角錐孔または前記円錐孔内に埋められたAlNと、
前記AlN上の厚さ方向に形成されたAlN結合ピラー周期構造と、
平坦なAlN膜と、を有するAlNバッファー層と
を有することを特徴とする深紫外LED。 - 前記平坦なAlN膜は、量子井戸層を挟んで前記透明p型AlGaNコンタクト層と反対側に設けられたn型AlGaN層にコンタクトしていることを特徴とする請求項21に記載の深紫外LED。
- 前記三角錐孔または円錐孔は、ウェッテエッチングにより形成されることを特徴とする請求項21又は22に記載の深紫外LEDの製造方法。
- 前記平坦なAlN膜は、前記ナノPSS周期構造の前記三角錐孔または円錐孔から前記AlN結合ピラー周期構造の終端に設けられていることを特徴とする請求項21又は22に記載の深紫外LED。
- 前記AlN結合ピラー周期構造は、エピタキシャル成長により形成されることを特徴とする請求項24に記載の深紫外LEDの製造方法。
- 前記ナノPSS周期構造を含む前記成長基板が除去され、前記AlN結合ピラー周期構造を光取り出し面とした請求項24に記載の深紫外LEDの製造方法。
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