KR20140022106A

KR20140022106A - 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20140022106A
Application number: KR1020147000982A
Authority: KR
Inventors: 유키오 가시마; 에리코 마츠우라; 히로미 니시하라; 다카하루 다시로; 다카후미 오오카와; 히데키 히라야마; 사치에 후지카와; 성원 윤; 히데키 다카기; 류이치로 가미무라; 야마토 오사다
Original assignee: 마루분 가부시키가이샤; 도시바 기카이 가부시키가이샤; 도꾸리쯔교세이호징 리가가쿠 겐큐소; 가부시키가이샤 아루박
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-02-21
Also published as: EP2733752A4; EP2733752A1; WO2013008556A1; US20140167066A1; KR101436077B1; JPWO2013008556A1; JP5315513B2; US9349918B2; TW201308523A; EP2733752B1; TWI540755B; CN103650176A; CN103650176B

Abstract

다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서, 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.

Description

발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 LED의 고성능화에 관한 것이다.

발광소자 중에서도 LED(Light Emitting Diode) 소자는, 고휘도이면서 에너지 절약형 발광소자로서 실용화가 진행되고 있다.

예를 들면, 질화물 반도체(이하 「GaN」로 예시한다.)를 이용한 반도체 발광소자인 LED는, 형광등으로 바뀌는 조명용 광원으로서 기대되고 있으며, 성능적으로는 루멘/와트(발광 효율)의 향상을, 비용적으로는 가격/루멘의 저하를 목표로 개발이 활발해지고 있다. 활성층에서 정공과 전자가 재결합되어 발광한 광은 GaN에서 공기중으로 방사되는데, 공기의 굴절률 1.0에 대해 GaN의 굴절률이 대략 2.5로 높아 공기와의 계면에서 대략 70% 미만의 광이 전반사에 의해 반도체 내부에 갇혀 최종적으로는 열로 바뀌어 소실된다. 그래서 향후 GaN 중의 광을 어떻게 외부로 취출할지가 성능 향상·비용 절감에 있어서 큰 과제가 되고 있다.

또 파장 220nm∼350nm의 심자외광(深紫外光, deep ultraviolet rays)을 발하는 고휘도 LED는, 살균·정수, 각종 의료 분야, 고밀도 광기록, 고연색(高演色,high-color-rendering) LED 조명, 공해 물질의 고속 분해 처리 등 폭넓은 분야에서의 응용이 기대되고 있다. 그러나 지금까지의 심자외 LED의 외부 양자 효율은 커봐야 수% 정도로서, 청색 LED의 수십%의 값과 비교해도 상당히 작아 실용화가 어려운 상황이다.

LED의 외부 양자 효율(EQE:External Quantum Efficiency)은, 내부 양자 효율(IQE:Internal Quantum Efficiency), 전자 주입 효율(EIE:Electron Injection Efficiency), 광취출 효율(LEE:Light Extraction Efficiency)의 곱으로 결정되며(EQE=IQE×EIE×LEE라는 식으로 표현되며), 광취출 효율의 개선은 내부 양자 효율이나 전자 주입 효율과 더불어 그 효율의 개선에 크게 공헌하는 요소가 된다.

예를 들면, 도 1a에 도시한 심자외 LED 소자는, 사파이어 기판(1)에 n형 AlGaN층(5)/AlN 버퍼층(3), AlGaN/GaN 다중 양자 우물로 이루어진 활성층(이하, AlGaN 활성층으로 예시한다)(7), p형 AlGaN층(9), Ni/Au전극층(11)으로 형성되어 있다. n형 AlGaN층(5)에는 n형 전극(4)이 형성되어 있다.

AlGaN 활성층(7)에서 정공과 전자의 재결합에 의해 발광한 광은 화살표 L1∼L3으로 도시한 것처럼 사파이어 기판(1)을 투과하여 그 이면(1a)(광취출면)에서 공기중에 방사된다. 여기서 공기의 굴절률 1.0에 대해 사파이어의 굴절률은 대략 1.82로 높아 입사 각도를 θi로 하면 스넬의 법칙(sinθi=1/1.82)으로부터, 사파이어 기판의 이면(1a)과 공기와의 계면에서의 임계 각도 θc는 33.3도로 계산되고, 이 임계 각도 θc를 초과하여 입사된 광은 전반사에 의해 질화물 반도체층(3),(5),(7)이나 사파이어 기판(1)의 내부에 갇혀 최종적으로는 열로 바뀌어 소실된다(L2, L3). 이 열에 의해 소실되는 비율은 70∼90%까지 미치기 때문에 내부에서 소실되는 광을 어떻게 외부에 취출할 지가 성능 향상의 과제가 되고 있다.

또 도 1b에 도시한 청색 LED는, 예를 들면 사파이어 기판(21)에 n형 전극(24), n형 GaN층(23), GaN 등으로 이루어진 활성층(25), p형 GaN층(27), ITO 투명 전극층(29), SiO₂ 보호막(31)으로 형성되어 있다. GaN 활성층(25)에서 발광한 광은 기판측과 SiO₂ 보호막측의 상하 방향으로 출사되는데, 상부의 보호막(예를 들면 SiO₂에서는 굴절률은 1.46)으로부터 공기에 출사되는 광의 50% 보다 많은 광이 임계각을 초과하여 전반사되어 내부 소실된다. 이와 같이 하부의 n형 GaN층(23)(굴절률은 2.50)과 사파이어 기판(21)(파장 455nm이고 굴절률은 1.78)의 계면에서는 n형 GaN층(23)에서 사파이어 기판(21)으로 출사되는 광의 50% 보다 적은 광이 동일하게 전반사되어 내부 소실된다는 문제가 있다.

이러한 과제를 해결하기 위해 예를 들면 하기 특허문헌 1에서는, 포토닉(photonic) 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조(photonic crystal periodic structure)로서, p형 질화물 반도체층, 활성층 중 어느 한 반도체층에 적층 방향으로 개구되는 공공(空孔)을 형성하고, 상기 반도체층에 평행한 도파로(waveguide)를 통해서 나아가는 광을 차단하여 상기 반도체층의 적층 방향의 상하로부터 광을 취출할 궁리를 하고 있다.

또 하기 특허문헌 2에서는, 활성층에서 발광하는 광의 파장의 1/4배∼4배의 값으로 주기가 설정된 포토닉 결정 주기 구조를 사파이어 기판의 이면에 설치함으로써 사파이어 기판 이면으로부터 전반사를 억제하여 공기중에 광을 취출할 궁리를 하고 있다.

하기 특허문헌 3에서는, 포토닉 밴드를 가진 포토닉 결정 주기 구조를 활성층에 공공으로서 설치하여, 활성층 및 상하의 반도체층에 평행한 도파로를 통해 나아가는 광을 차단하여 이 활성층의 상하로부터 광을 취출할 궁리를 하고 있다.

또 하기 특허문헌 4에서는, 소정의 LED 구조를 작성한 후에 사파이어 기판을 제거한 n형 반도체층에 포토닉 밴드를 가진 포토닉 결정 주기 구조를 설치하여 이 n형 반도체층으로부터 광을 취출할 궁리를 하고 있다.

또한 하기 특허문헌 5에서는, 발광 파장의 1/3 이하의 볼록부 주기 구조(모스아이 구조, moth-eye structure)를 사파이어 기판과 질화물 반도체층의 계면에 설치하고, 이 계면에서의 전반사를 억제하여 광을 기판 이면으로부터 취출하였다 .

하기 특허문헌 6에서는, 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조로서, ITO 투명 전극, p형 반도체층, 활성층, n형 반도체층을 통과하는 공공을 설치하여 이들 층에 평행한 도파로로서 나아가는 광을 차단하여 이들 층에 수직인 상하 방향에서 광을 취출할 궁리를 하고 있다.

또한 하기 비특허문헌 1에서는, 모스아이를 가진 주기 구조를 사파이어 기판의 이면에 설치하여 사파이어 기판의 이면으로부터의 전반사를 억제하여 광을 취출할 궁리를 하고 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 제4610863호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제4329374호 공보 특허문헌 3: 일본 특개 2008-311317호 공보 특허문헌 4: 일본 특표 2006-523953호 공보 특허문헌 5: 일본 특개 2010-74090호 공보 특허문헌 6: 일본 특개 2011-86853호 공보

비특허문헌 1: (독)일본 학술진흥회「와이드 갭 반도체광·전자 디바이스 제162 위원회」 제74회 연구회 자료: 창광과학(創光科學, UV Craftory Co.,Ltd)에서의 DUVLED의 개발.

그러나 상기 특허문헌 1∼6까지 및 비특허문헌 1에서의 포토닉 결정 주기 구조 혹은 모스아이 주기 구조에 관하여 광취출 효율을 최대화하는 주기 구조에서의 최적의 파라미터를 찾아낼 수 있는 구체적인 법칙·방법이 전혀 기재되어 있지 않다.

또 각 문헌을 개별적으로 보면, 특허문헌 1, 3, 6에서는, 공공을 n형 질화물 반도체층, 질화물 반도체 활성층, p형 질화물 반도체층을 통해 혹은 활성층 단독으로 이들 층에 수직으로 설치하여 포토닉 결정 주기 구조로 하였다. 질화물 반도체는 저항이 높아 여기에 개구된 공공이 커지면 커질수록 저항이 높아져, 결과적으로 내부 양자 효율의 저하를 초래한 결과로서 외부 양자 효율이 저하되어 휘도가 저하된다는 문제가 있다. 또 포토닉 밴드갭을 가진 주기 구조 내라면 전체 광취출 효율이 최대화되지는 않으며, 주기 구조의 구체적인 구조 파라미터의 개시도 없다.

또한 특허문헌 2에서는, 사파이어 기판의 이면에 주기 구조를 설치하였기 때문에 내부 양자 효율의 저하는 적지만, 포토닉 밴드갭이 없는 주기 구조를 이용하였기 때문에 광취출 효율이 포토닉 밴드갭을 가진 주기 구조의 소자에 비해 낮다는 문제가 있다.

특허문헌 5의 구조를 심자외 LED에 응용하여 사파이어 표면에서의 볼록 구조에 질화물 반도체층을 결정 성장시키면 이상 핵성장이 일어나 내부 양자 효율의 저하를 초래한다. 또 활성층으로부터 방출된 광은 사파이어 표면상의 볼록부 주기 구조를 향해 진행하는데, 프레넬 반사를 억제하는 모스아이 구조이므로 전반사를 억제하여 광의 투과율을 증가시키는 구조와는 다르다. 또 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정을 이용한 경우에 보이는 복잡한 광의 굴절 효과에 의한 정면 휘도가 상승한다는 이점도 없다.

또한 상기 비특허문헌 1에서는, 사파이어 기판 이면에 주기 구조를 설치하였기 때문에 내부 양자 효율의 저하를 억제할 수 있지만, 그 주기 구조가 모스아이 구조이며, 그 특성은 광의 전반사를 억제하여 광의 투과율을 상승시키는 것이 아니라 프레넬 반사를 억제하는 것이다. 또 정면 휘도가 상승할 수 있는 것이 아니다.

특허문헌 4에서는, n형 질화물 반도체층의 이면측에 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 설치하였다. 이 층의 이면은 Ga보다 N(질소)이 풍부한 조성이 되어, 구조로서 무르기 때문에 이 면의 평탄화가 어려워 높은 정밀도가 요구되는 포토닉 결정 주기 구조를 설치하기 힘들고 광취출 효율의 저하를 초래한다는 문제가 있다. 또 포토닉 밴드갭을 가진 주기 구조 내일 뿐 광취출 효율이 최대화된 것은 아니다. 또한 이 주기 구조의 리소그래프에는 나노 임프린트 장치를 사용하였으나 수지 몰드를 사용하지 않는 경우에는 기판의 휨이나 미소한 돌기물을 따른 전사가 어려워진다. 그 이유는, 사파이어 기판에 질화물 반도체층을 결정 성장시킬 경우, 사파이어 기판과 질화물 반도체의 열팽창 계수차로 인해 1000℃ 가까운 고온에서 결정 성장시킨 후에 기판을 실온으로 되돌리면 4인치 사파이어 기판에서 100㎛정도의 기판의 휨이 발생하여, 가령 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층과 결정 성장 후, p형 질화물 반도체층에 지지 기판을 맞붙인 후 사파이어 기판을 박리해도 n형 질화물 반도체층의 휨이나 미소한 요철이 해소되지는 않기 때문에 결국 평탄화 처리 후에 미세 가공하는 등 공정이 복잡해진다.

통상 nm오더의 미세 가공에는 포토리소그래피라는 기술을 사용한다. 대표적인 장치로서 스텝퍼나 얼라이너(aligner) 혹은 전자빔 묘화 장치 등을 들 수 있다. 스텝퍼나 얼라이너는 6∼10인치의 대면적을 수용할 수 있지만, 큰 기판의 약 100㎛정도의 휨(warping)은 수용할 수 없다. 또 전자빔 묘화 장치의 스루풋은 양산용에는 적합하지 않다.

또 나노 임프린트 리소그래피법에서 유기 레지스트를 전사 후 건식 식각으로 원하는 주기 구조로 가공한 경우라도 식각 후의 형상이 설계한 대로의 주기 구조가 되지 않는다.

본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 종래보다 광취출 효율이 향상됨에 따라 결과적으로 정면 휘도가 강조된 고휘도 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 고휘도화를 가능하게 하는 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 설계에 따른 주기 구조를 원하는 부위에 가공하는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은, 특히 LED 소자에 포토닉 결정 구조를 마련하여 광취출 효율의 향상에 의한 외부 양자 효율과 휘도 지향성 모두를 개선한 소자와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 사파이어 기판의 이면 또는 사파이어 기판의 표면과 GaN층과의 계면, 또는 보호막에 광의 매질 중 파장과 동등한 주기를 가진 이차원 포토닉 결정으로 이루어진 요철부를 가공함으로써 경계면 상의 광에 관하여 밴드 구조가 형성되어 광의 전달이 불가능해지는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)을 생성한다.

포토닉 밴드갭 내의 파장을 가진 광은, 주기 구조가 형성된 면내를 전달되지 못하고 이 면에 수직인 방향으로만 전달된다. 따라서 활성층에서 방출되어 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 도달한 광은 공기와의 경계면에서 전반사되지 않고 공기중에 방출된다.

본 발명은, 다른 굴절률을 가진 2개의 구조체의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고, 또한 포토닉 밴드갭을 갖는다는 조건을 충족하는 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 마련하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.

특히 포토닉 밴드갭이 최대가 되는 포토닉 결정 주기 구조를 선택함으로써 광취출 효율이 향상되어 결과적으로 정면 휘도를 강조할 수 있다.

또 상기 반도체 발광소자의 구조에서, 상기 광취출층이 GaN계 결정층이 아닌 사파이어 등의 기판, SiO₂ 등의 보호막 중 어느 한 곳에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또 본 발명은, 상기 포토닉 결정 주기 구조를 가진 반도체 발광소자에서 광취출면을 기판 이면에 가지고, 그 기판상에 마련된 AlN 버퍼층과, 그 위에 마련된 n형 AlGaN층과, 그 위에 마련된 활성층과, 그 위에 마련된 p형 AlGaN층을 가지고 구성되고, 광취출면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가지고, 바람직하게는 최대가 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.

혹은 상기 포토닉 결정 주기 구조를 가진 반도체 발광소자에서 광취출면을 기판 표면에 가지고, 그 기판상에 설치된 n형 GaN층과, 그 위에 마련된 활성층과, 그 위에 마련된 p형 GaN층과, 그 위에 마련된 투명 전극층과, 그 위에 마련된 광취출면인 보호막으로 구성되어 광취출면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가지고, 바람직하게는 최대가 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.

상기 구성에서, 포토닉 밴드갭이 최대가 되는 것은 다음의 이유에 의한다.

Bragg 산란의 조건(mλ/n_av=2a, m:차수, λ:진공 중의 광의 파장, n_av:평균 굴절률, a:주기)을 충족하고, 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식

Σε^-1(G-G＇)｜k＋G｜｜k＋G＇｜E(G＇)=ω²/c²E(G＇)

및

Σε^-1(G-G＇)(k＋G)*(k＋G＇) H(G＇)=ω²/c²H(G)

를 구한다.

단, (ε^-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)이다.

상기 식의 고유치 문제를 풀면, 주파수(ω)와 파수 벡터k의 분산 관계를 나타내는 밴드 구조가 TE(Transversal Electric)광, TM(Transversal Magnetic)광으로 각각 얻어진다. 이들 TE, TM광의 각 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)의 최대치 ω₁a/2πc와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 최소치 ω₂a/2πc의 차, 즉 포토닉 밴드갭=ω₂a/2πc-ω₁a/2πc의 값이 최대가 되는 관계를 충족하는 파라미터군(주기(a), 직경(d))을 구하고 그에 기초하여 주기 구조를 설계한다. 이 수치를 FDTD법(시간 영역 차분법)으로 해석하여 주기 구조의 깊이(h)의 최적치와 휘도 개선율, 배광성의 좋고 나쁨을 확인한다.

다음으로 나노 임프린트용 마스터 금형을 작성한다. 기판의 휨에 대응하기 위해 수지 몰드를 작성하고 이 수지 몰드를 사용하여 기판상의 레지스트에 전사한다. 기판상 패턴과 마스터 금형 패턴이 반전되지 않게 한다. 나노 임프린트 후 기판을 ICP 건식 식각에 의해 식각 가공한다. 이 때, 가공하는 부위의 재료에 의해 식각 가스와 레지스트의 선택비는 크게 변화되기 때문에 초기에 의도한 요철의 형상이나 사이즈를 컨트롤하기 어려워지는 경우가 있다.

따라서 요철 가공하는 부위의 재료와 레지스트의 식각 바이어스를 사전에 파악하거나 또는 적정한 레지스트의 선택이 필수가 된다. 여기에서는, 상기 설계 방법으로 구한 주기(a), 직경(d), 깊이(h)로 금형을 작성하고 그로부터 수지 몰드를 취해 나노 임프린트로 기판상의 레지스트에 패턴을 전사하고, 그 기판을 건식 식각하여 레지스트를 제거하고 실제 형상을 측정한다. 이 측정치와 설계치와의 차가 식각 바이어스치가 된다. 이 식각 바이어스치를 반영시켜 재차 마스터 금형을 작성하고 전사·건식 식각·레지스트 제거하면, 설계 그대로의 포토닉 결정 주기 구조가 사파이어 기판의 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 완성된다(프로세스 인티그레이션이라고 칭한다). 본 발명은 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 광의 매질 중 파장과 동등한 주기를 가진 이차원 포토닉 결정으로 이루어진 요철부를 가공함으로써 경계면상의 광에 관하여 밴드 구조가 형성되어 광의 전달이 불가능해지는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)이 존재한다. 포토닉 밴드갭 내의 파장을 가진 광은, 주기 구조가 형성된 면내를 전달되지 못하고 이 면에 수직인 방향으로만 전달된다. 따라서 활성층에서 방출되어 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 도달한 광은 공기와의 경계면에서 전반사되지 않고 공기중에 방출되어 결과적으로 광취출 효율도 향상되고 외부 양자 효율과 휘도가 증가한다. 또 정면 휘도가 높은 발광소자가 된다.

보다 구체적으로는 본 발명은, 제1 도전형의 GaN층과, 활성층과, 제2 도전형의 GaN층과, 상기 제1 도전형의 GaN층 또는 상기 제2 도전형의 GaN층에 형성되어 광취출층을 형성하는 기판 또는 보호막을 가지고, 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자이다.

다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)란, 예를 들면 공기와 사파이어 기판, 사파이어 기판과 GaN층, 공기와 SiO₂ 보호막 등이다.

상기 광취출층이 반도체 발광소자의 기판, 또는 기판과는 반대측 면에 형성되는 보호막 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 설치되어 있으면 된다.

상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 이면에 주기적으로 형성된 공공을 포함하여 형성되어 있으면 된다. 아울러 해당 공공에는 저부를 가진 것도 포함된다.

상기 포토닉 결정 주기 구조는, 하나의 광취출층 내의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 2곳 이상 형성해도 좋고, 또 둘 이상의 광취출층인, 예를 들면 기판과 보호막 각각의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 1곳 이상, 합계 2곳 이상 형성해도 좋다.

상기 하나의 광취출층에 대한 형성예로서는, 예를 들면 페이스다운(플립칩) 구조에서 사파이어 기판의 표면과 이면 모두에 상기 포토닉 결정 주기 구조를 형성한 반도체 발광소자가 있다.

상기 둘 이상의 광취출층에 대한 형성예로서는, 예를 들면 페이스업 구조에서 광취출층인 사파이어 기판의 표면과 SiO₂등 보호막 표면 모두에 상기 포토닉 결정 주기 구조를 형성한 반도체 발광소자가 있다.

상기 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조는, 해당 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식

Σε^-1(G-G＇)｜k＋G｜｜k＋G＇｜E(G＇)=ω²/c²E(G＇) 및 Σε^-1(G-G＇)(k＋G)*(k＋G＇)H(G＇)=ω²/c²H(G), (ε^-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)

의 고유치 계산으로부터 구해진 TE광, 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 해당 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)이 결정되는 것을 특징으로 하는 포토닉 결정 주기 구조를 갖는 것이 바람직하다. 또한 FDTD법에 의해 깊이(h)가 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기 FDTD법에 의한 깊이(h)의 결정 방법은, 발광소자의 측벽부 LEE 증가율과, 광취출면부 LEE 증가율과, 측벽부와 광취출면부의 양부에서의 LEE 증가율에 기초하여 LEE 증가율을 최대화하는 주기(a)를 구하는 것이며, 그 값은 주기(a)의 0.5배 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 광취출층 포토닉 결정 주기 구조를, 나노 임프린트 리소그래피법을 이용하여 가공한 것을 특징으로 한다. 수지 몰드를 통한 전사를 이용하여 가공된 것을 특징으로 한다. 상기 기판이 사파이어여도 좋다.

상기 반도체 발광소자의 반도체층이 질화물 반도체로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 나노 임프린트 리소그래피법에서 이하의 1) 내지 3)의 공정을 이용하는 것을 특징으로 한다.

1) 나노 임프린트용 마스터 금형을 작성할 경우에, 기판의 휨에 대응하기 위해 수지 몰드를 작성하고 상기 수지 몰드를 사용하여 상기 기판상의 레지스트에 전사함으로써 상기 기판상 패턴과 상기 마스터 금형 패턴이 반전되지 않게 한다.

2) 나노 임프린트 후에 건식 식각으로 상기 기판을 식각 가공한다. 이 때 주기(a), 직경(d), 깊이(h)로 금형을 작성하고 그로부터 수지 몰드를 취해 나노 임프린트로 기판상의 레지스트에 패턴을 전사하고 그 기판을 건식 식각하여 레지스트 잔사를 제거하여 실제 형상을 측정한다.

3) 이 측정치와 설계치와의 차가 식각 바이어스치이며, 이 식각 바이어스치를 반영시켜 재차 마스터 금형을 작성하고 전사·건식 식각·레지스트 잔사를 제거한다.

본 발명은, 반도체 발광소자에 설치되고 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서, 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터를 구하는 구조 파라미터 계산방법으로서, 상기 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식

의 고유치 계산으로부터 TE광 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구하는 제1 단계와, 상기 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 상기 주기 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)을 결정하는 제2 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법이다.

상기 제1 단계에서, Bragg 산란의 조건을 부여하는 단계와, Bragg의 산란 조건에 파장(λ), 차수(m), 평균 굴절률(n_av)을 입력하여 주기(a)를 차수(m)마다 구하는 단계와, 이미 결정한 제1계의 반경(R)/주기와 구한 주기(a)로부터 주기를 구성하는 원구멍의 반경(R)을 차수(m)마다 구하고, 유전율(ε₁,ε₂)은 굴절률(n₁,n₂)을 곱하여 구하는 단계와, 구한 파장(λ), 유전율(ε₁,ε₂), R/a을 상기 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력하는 단계를 갖는 것이 바람직하다.

단계S1에서, 포토닉 결정을 구성하는 원구멍(R), 주기(a)로부터 R/a(0.15＜R/a＜0.45)를 결정한다. 또 상기를 구성하는 매질의 굴절률(n₁,n₂)과 R/a로부터 평균 굴절률(n_av)을 구한다.

또한 FDTD법에 의해 깊이(h)를 결정하는 제3 단계를 갖는 것이 바람직하다.

또한 상기 제3 단계에서 결정하는 깊이(h)는, 주기(a)의 0.5배 이상의 값을 이용한 파라미터 계산에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 반도체 발광소자에서 광취출 효율도 향상되어 외부 양자 효율과 휘도를 증가시킬 수 있다. 또 정면 휘도를 향상시킬 수 있다.

본 명세서는 본원의 우선권의 기초인 일본 특허출원 2011-154276호의 명세서 및/또는 도면에 기재되는 내용을 포함한다.

도 1a는, 심자외 LED의 구성예를 도시한 도면이다.
도 1b는, 청색 LED의 구성예를 도시한 도면이다.
도 2a는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 심자외 LED의 제1구성예를 도시한 도면이다.
도 2b는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 심자외 LED의 제2 구성예를 도시한 도면이다.
도 2c는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 심자외 LED의 제3 구성예를 도시한 도면이다.
도 2d는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 청색 LED의 제1구성예를 도시한 도면이다.
도 2e는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 청색 LED의 제2 구성예를 도시한 도면이다.
도 2f는, 본 발명의 실시형태에 의한 고휘도 반도체 청색 LED의 제3 구성예를 도시한 도면이다.
도 3은, 도 2a의 (b)에 대응한 도면으로서, 기판의 이면에서 본 공공(15a)과 나머지 부분(15b)의 형태를 도시한 도면이다.
도 4는, 단계S7의 깊이(h)가 직경(d)(2R)의 변수(0＜h＜1.0d)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.
도 5는, 단계S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0＜h＜1.0a)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.
도 6은, 평균 굴절률(n_av)을 구하는 순서의 예를 도시한 도면이다.
도 7은, R/a=0.4에서의 밴드 구조의 계산 결과의 예를 도시한 도면이다.
도 8은, 비교 대상으로서 사파이어 표면이 평탄한 경우의 무격자 밴드 구조를 도시한 도면이다.
도 9는, 제1 브릴루앙 영역(Brillouin zone) 전체에 걸쳐 해석하여 ω2TE밴드의 파수 벡터(kx,ky)에 대한 등(等)주파수면을 구한(R/a=0.25) 도면이다.
도 10은, 제1 브릴루앙 영역 전체에 걸쳐 해석하여 ω2TE밴드의 파수 벡터(kx,ky)에 대한 등주파수면을 구한(R/a=0.4) 도면이다.
도 11은, R/a=0.25로 한 경우의, 입사각에 대한 굴절각의 관계를 도시한 도면이다.
도 12는, R/a=0.4로 한 경우의, 입사각에 대한 굴절각의 관계를 도시한 도면이다.
도 13은, FDTD법 시뮬레이션 모델의 예를 도시한 도면이다.
도 14는, 주기 구조가 없는 경우의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 15는, 주기 구조가 있는 경우의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 16은, 해석한 각 패턴의 휘도를 계산하여 차수 m=3에서의, 무패턴에 대한 포토닉 결정 패턴을 가진 경우의 휘도 증감율을 R/a의 함수로 그래프화시킨 도면이다.
도 17은, 해석한 각 패턴의 휘도를 계산하여 차수 m=3에서의, 무패턴에 대한 포토닉 결정 패턴을 가진 경우의 휘도 증감율을 어스펙트비의 함수로 그래프화시킨 도면이다.
도 18은, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 19는, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 20은, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 21은, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 22는, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일례를 도시한 도면이다.
도 23은, 사파이어에 공공을 포토닉 결정 가공한 경우의 입사각·반사율의 그래프를 도시한 도면이다.
도 24는, 웨이퍼 내의 바둑판 형태에 폴리이미드 테이프(P)를 붙여 건식 식각을 행하는 모습을 도시한 도면이다.
도 25는, 건식 식각후의 기판을 세정하여 에피 준비 상태(epitaxial growth ready state)로 하고, 에피 준비 상태에서의 사파이어 기판의 상면, 단면의 형상 사진을 도시한 도면이다.
도 26은, 실시예 1의 LED의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 27은, 실시예 2의 LED의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 28은, LED의 활성층에서 발광된 광의 파장 분포를 도시한 스펙트럼도이다.
도 29a는, 단계S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0＜h＜5.0a)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.
도 29b는, 유전 밴드를 구하는 제1 단계와, 해당 유전 밴드와 공기 밴드와의 차에 의해 주기 구조의 주기(a), 직경(d)를 결정하는 제2 단계를 도시한 흐름도이다.
도 29c는, 제1 단계를 더 상세한 4개의 단계로 나누어 도시한 흐름도이다.
도 30은, FDTD법을 이용한 시뮬레이션 모델(심자외 LED)의 예를 도시한 도면이다.
도 31은, 출력 파장 특성(측벽)을 도시한 도면으로서, 외벽외 4면에 배치한 모니터에서 검출된 출력의 합계치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 32는, 출력 파장 특성(저부 정면)을 도시한 도면으로서, 저부 정면에 배치한 모니터에서 검출된 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 33은, 출력 파장 특성(측벽＋저부 정면)을 도시한 도면으로서, 측벽 4면 및 저부 정면 모니터에서 검출된 합계 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 34는, 출력 중심 파장 및 분산된 복수 파장(합계 5파장)에서의 LEE 증가율 평균과 깊이의 관계를 도시한 도면으로서, 측벽, 저부 정면, 측벽＋저부 정면의 각 데이터를 도시한 도면이다.
도 35는, 출력비 깊이 특성을 도시한 도면으로서, 측벽/(측벽＋저부 정면), 저부 정면/(측벽＋저부 정면)의 각 데이터를 도시한 도면이다.
도 36은, FDTD 시뮬레이션 모델(심자외 LED)로서, 도 30에 도시한 포토닉 결정 주기 구조가 사파이어 기판 이면에 설치되어 있는 데 반해 해당 기판 표면에도 가공한 모델을 도시한 도면이다.
도 37은, FDTD법 시뮬레이션 모델(청색 LED)의 예를 도시한 도면이다.
도 38은, 출력 파장 특성(측벽)을 도시한 도면으로서, 측벽외 4면에 배치한 모니터에서 검출된 출력의 합계치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 39는, 출력 파장 특성(상부 정면)을 도시한 도면으로서, 상부 정면에 배치한 모니터에서 검출된 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 40은, 출력 파장 특성(측벽＋상부 정면)을 도시한 도면으로서, 측벽 4면 및 상부 정면 모니터에서 검출된 합계 출력치와 파장 분산의 관계를 도시한 도면이다.
도 41은, LEE 증가율 깊이 특성을 도시한 도면으로서, 측벽, 상부 정면, 측벽＋상부 정면의 데이터를 기재하였다.
도 42는, 출력비 깊이 특성을 도시한 도면으로서, 측벽/(측벽＋상부 정면), 상부 정면/(측벽＋상부 정면)의 데이터를 기재하였다.
도 43은, 도 37에 도시한 FDTD 시뮬레이션 모델(청색 LED)에 대해 포토닉 결정을, 사파이어 기판 표면과 SiO₂의 2면에 가공한 모델을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 의한 반도체 발광소자에 대해 심자외 LED 소자를 예로 들어 구체적으로 설명하기로 한다. 상기에서 설명한 도 1a, 도 1b의 구조는, 본 발명의 실시형태에 의한 반도체 발광소자에 적용 가능한 구조의 일례이다. 이하에서는, 도 1a의 구조를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 1a에 도시한 심자외 LED 소자는, 사파이어 기판(기판)(1), AlN 버퍼층(버퍼층)(3), n형 AlGaN층(n형 클래드층)(5), AlGaN 활성층(활성층)(7), p형 AlGaN층(p형 클래드층)(9)으로 구성되어 있으며, AlGaN 활성층(7)으로부터의 광은 사파이어 기판(1)의 이면 방향에서 취출되는 LED로서 기능하며 그 중심 파장은 280nm이다. 도 1b의 청색 LED의 구성은 사파이어 기판(21), n형 GaN층(23), GaN 활성층(25), p형 GaN층(27), ITO로 이루어진 투명 전극층(29), SiO₂로 이루어진 보호막(31)에 의해 구성되며 그 중심 파장은 455nm이다. n형 AlGaN층(n형 클래드층)(5)에는 n형 전극(4)이 형성되어 있다(이하 동일).

이하에 심자외 LED 소자 및 청색 LED 소자를 예로 들어 본 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 구성예에 대해 AlGaN 활성층 혹은 GaN 활성층을 이용한 예에 대해 설명하기로 한다. 도 2a는, 심자외 LED 소자의 제1 구조예를 도시한 도면으로서, 도 1a에 대응하는 도면이다. 또 도 2d는 청색 LED 소자의 제1 구조예를 도시한 도면으로서, 도 1b에 대응하는 도면이다.

도 2a의 (a)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1)의 이면(광취출면)(1a)에, 예를 들면 2차원적인 포토닉 결정 주기 구조(15)가 형성되어 있다. 이 포토닉 결정 주기 구조(15)는, 도 2a의 (b)에도 도시된 것처럼 광취출면(1a)을 소정 깊이로 개구하는 공공부(15a)와, 기판 이면 그대로의 나머지 기판 이면부(15b)가, XY 2차원 평면을 형성하는 기판 이면(1a)내에 X방향 및 Y방향을 따라 주기적으로 형성되어 있다(도 3 참조). 기판 이면부(15b)도 원래의 기판을 공공부(15a)보다 얕은 깊이만큼 깎아 형성해도 좋다.

도 2 및 도 3에서는, 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로서, 공공(15a)과 기판 이면부(15b), 공공(17a)과 기판 상면부, 공공(18a)과 기판 임의 깊이부, 공공(20a)과 SiO₂ 보호막을 채용하였으나, 이들은 일례이며, 다른 재질에 의한 구조체의 조합이어도 좋다. 아울러 예를 들면 도 2a의 (a)에 도시한 바와 같이 공공부(15a)에는 저부를 가진 것도 포함되고, 또한 주기 구조는 완전한 주기 구조가 아니어도 좋고, 또한 형성하는 영역이 XY 평면 전면이 아니어도 좋다.

도 2b는, 도 2a의 (a)에 도시한 제1 주기 구조(15)에 추가하여 사파이어 기판(1)의 주기 구조(15)와 대향하는 AlN 버퍼층(3)측의 위치에 제2 주기 구조(17)를 형성한 것이다. 이 제2 주기 구조(17)는, 사파이어 구멍을 뚫어 AlN 버퍼층과 동등한 재료로 매립하여 형성하면 된다. 또는 사파이어 필라(pillar)를 형성해도 좋다.

도 2c는, 도 2a의 (a)에 도시한 제1 주기 구조(15) 대신에 사파이어 기판(1)의 주기 구조(15)와 대응하는 AlN 버퍼층(3)측 임의의 위치에 제3 주기 구조(18)를 형성한 것이다. 이 제3 주기 구조(18)는 사파이어보다 굴절률이 낮은 재료를 매립하여 형성하면 된다. 혹은 사파이어 기판(1)의 이면에 제3 주기 구조(18)를 형성한 후에 사파이어 또는 그 외의 재료로 이루어진 층을 부착하도록 해도 좋다.

도 2d는, 이면측에 반사막(15)을 마련하고 SiO₂ 보호막(31) 안에 공공(20a)을 주기적으로 마련한 제4 주기 구조(20)를 마련한 것이다.

아울러 페이스업(face-up) 구조에서는, 사파이어 기판의 표면과 SiO₂ 보호막(31)의 표면 모두에 포토닉 결정 주기 구조를 형성하는 형태도 가능하다.

도 2e는, 도 2d에 도시한 SiO₂ 보호막(31) 및 ITO 투명 전극(29) 대신에 반사 전극(31)을 마련하고, 또 반사막(15) 대신에 사파이어 기판(1)의 이면(광취출면)(1a)에 포토닉 결정 주기 구조(15)가 형성되어 있는 구조를 도시한 도면이다.

도 2f는, 도 2e의 (a)에 도시한 제1 주기 구조(15)에 추가하여 사파이어 기판(1)의 주기 구조(15)와 대향하는 GaN 버퍼층(3)측 위치에 제2 주기 구조(17)를 형성한 것이다. 이 제2 주기 구조(17)는, 사파이어(21)에 구멍을 뚫어 GaN 버퍼층(22)과 동등한 재료로 매립하여 형성하면 된다. 또는 사파이어(21)에 필라를 형성해도 좋다.

이하에서는, 사파이어 기판 표면(이면)에서의 포토닉 주기 구조를 가진 포토닉 결정(도 2a)을 예로 들어 주기 구조의 파라미터에 대해 시뮬레이션 결과에 근거하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 구조를 이용해도 그 작용은 동일하다.

우선, 결정된 디바이스 구조에서 시뮬레이션에 의해 구조나 소자의 특성 등을 구하였다. 본 시뮬레이션에 사용한 수법은 평면파 전개법과 FDTD법(시간 영역 차분법, finite difference time domain method)을 이용한 방법이다. 평면파 전개법(plane wave expansion method)에서는, 포토닉 결정의 밴드 구조를 해석함으로써 포토닉 결정이 가진 특이한 물리적 성질의 이론적 해석이 가능해지고, 나아가 포토닉 밴드갭을 구함으로써 광의 투과율이 최대화되는 패턴 형상(직경, 주기, 깊이)을 용이하게 구할 수 있게 된다. 그러나 포토닉 결정 경계면에서의 입사광에 대한 출사광의 강도나 각도 분포의 3차원 정보를 얻을 수 없다. 따라서 3차원 FDTD법과의 병용이 단시간에 패턴 형상 최적화를 가능하게 한다.

본 실시형태에 의한 시뮬레이션에 사용한 수법은, 평면파 전개법과 FDTD법(시간 영역 차분법)을 이용한 것이다. 평면파 전개법에서는, 포토닉 결정의 밴드 구조를 해석함으로써 포토닉 결정이 가진 특이한 물리적 성질의 이론적 해석이 가능해지고, 나아가 포토닉 밴드갭을 구함으로써 광의 투과율이 최대화되는 패턴 형상(직경, 주기, 깊이)을 용이하게 구할 수 있게 된다. 그러나 평면파 전개법에서는, 포토닉 결정 경계면에서의 입사광에 대한 출사광의 강도나 각도 분포의 3차원 정보를 얻을 수 없다. 그래서 3차원 FDTD법을 이용하여 이것을 병용함으로써 단시간에 패턴 형상 최적화의 연산 처리를 가능하게 한다.

도 3은, 도 2a의 (b)에 대응하는 도면으로서, 기판의 이면에서 본 공공(15a)과, 기판 이면의 나머지 부분(15b)의 2차원적인 배치의 모습을 도시한 도면이다. 주기 구조의 파라미터로서는, 우선 좌상의 x-y좌표에서의, 공공(15a) 사이의 주기(a)와 공공(15a)의 반경(R)을 결정할 필요가 있다.

다음으로 본 실시형태에 의한 시뮬레이션 방법에 대해 설명하기로 한다. 도 4는, 단계 S7의 깊이(h)가 직경(d)(2R)의 변수(0＜h＜1. 0d)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다.

우선, 단계 S1 내지 단계 S3에서 Bragg 산란의 조건을 부여한다. 단계S1에서, 포토닉 결정을 구성하는 원구멍(R), 주기(a)로부터 R/a(0.15＜R/a＜0.45)를 결정한다. 또 상기를 구성하는 매질의 굴절률(n₁,n₂)과 R/a로부터 평균 굴절률(n_av)을 구한다.

도 6은, 평균 굴절률(n_av)을 구하는 순서의 예를 도시한 도면이다. 오른쪽 원(V)과 마름모꼴(W)의 면적비는 2π/3^0.5*(R/a)²가 된다. 공공(공기)의 굴절률(n₁), 사파이어의 굴절률(n₂)로 하고 R/a=0.4, n1=1.0, n2=1.82로 하면 평균 굴절률(n_av)은 다음 식으로 표현된다.

n_av ²=n₂ ²＋(n₁ ²-n₂ ²)*면적비

=1.82²＋(1²-1.82²)*0.58=1.97

따라서 평균 굴절률(n_av)은 1.40으로 구해진다.

아울러 실은, 왼쪽 주기 구조는 오른쪽과 같이 마름모꼴(W) 안에 공공(V)이 1개 존재하는 형태로 변형할 수 있다. 그 이유는, 왼쪽 원의 부채(A, B, C, D)를 서로 더하면 원 1개가 완성되기 때문이다.

이어서 단계 S2에서, Bragg의 산란 조건에 파장(λ), 차수(m)(정수:1＜m＜5), 평균 굴절률(n_av)을 입력하여 주기(a)를 차수(m)(2, 3, 4에 대해)마다 구한다.

mλ/n_av=2 a의 식에서 1＜m＜5로 하는 의미는 이하와 같다.

예를 들면, 사파이어 기판(1)의 이면에 포토닉 결정 주기 구조를 공공으로 작성하는 경우에 대해 생각하기로 한다. 파장:280nm, 사파이어의 280nm에서의 굴절률:1.82이며, 공기 굴절률:1.0으로 하고, 상기에서 R/a=0.4로 하면 n_av:평균 굴절률은 1.40이 된다. 이들 값과 m=2, 3, 4를 차례로 Bragg의 산란 조건에 대입하면 이하와 같이 된다.

ⅰ) m=2일 때

　2*280/1.40=2*a

　따라서, a=199이다.

ⅱ) m=3일 때

　3*280/1.40=2*a

　따라서, a=299이다.

ⅲ) m=4일 때

4*280/1.40=2*a

따라서, a=399이다.

m의 값은 크게 할 수 있지만, 포토닉 결정 주기(a)의 값도 커진다. 따라서 심자외광의 파장 280nm로부터 멀리 떨어지지 않는 정도의 차수(m)를 사용한다. 어느 차수(m)의 값이 가장 광취출 효율이 좋아지는지 m=2와 3을 계산해보니 m=3의 광취출 효율이 양호하였다.

단계 S3에서, 이미 결정한 R/a와 구한 a로부터 원구멍의 반경(R)을 차수(m)마다 구한다. 또 유전율(ε₁,ε₂)은 굴절률(n₁,n₂)을 제곱하여 구한다. 유전율(ε)과 굴절률(n)의 관계는 n²=με／μ₀ε₀으로부터 구하는데, 굴절률(n₁,n₂)을 곱하여 ε₁,ε₂를 구하기 위해 각각 상기 식으로 구하게 된다.

단계 S4 내지 단계 S6에서 평면파 전개법에 의한 해석을 한다.

우선 단계 S4에서, 이미 구한 파장(λ), 유전율(ε₁,ε₂), R/a를 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력하고 고유치 계산을 파수 공간에서 행하여 TE광, TM광마다의 밴드 구조(Y축:ωa/2πc와 x축:ka/2π를 구한다. 이 결과는, 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

단계 S5에서, TE광, TM광의 각 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)로부터 도 7을 참조하여 PBG(포토닉 밴드갭)를 구한다. 단계 S6에서, 단계 S1로 되돌아와 R/a를 변수로서 몇 점 선택하여 단계 S2∼단계 S5를 반복하고, PBG의 크기가 극대를 나타내는 R/a를 몇 점 선택하여 R/a마다의 PBG를 구한다.

다음으로 단계 S7, S8에서, FDTD법에 의한 해석을 한다. 우선 단계 S7에서, 단계 S6에서 구한 R/a로부터 차수(m)에 대응한 직경(d), 주기(a)를 구하여 깊이(h)(0＜h＜1.0d)를 결정한다. 이 d, a, h로 이루어진 원구멍을 2개의 매질(굴절률은 n₁, n₂)의 계면에 주기 구조로 설정하고 FDTD법으로 해석하여 광의 취출 효율과 배광성을 구한다. 예를 들면, 차수(m)=3이면, PBG가 극대가 되는 R/a=0.4이며, R=120, d=240이 된다. 깊이(h)(0＜h＜1.0d)를 결정할 경우에는, 단순히 직경(d)의 1.0배라는 의미이므로 h=240이 된다.

단계 S8에서, d, a, h를 변수로 하여 주기 구조를 초기 조건으로서 설정하고, 단계 S7을 반복하여 광의 취출 효율과 배광성을 구한다. 최종적으로는 d, a, h마다 대응하는 PBG, 광의 취출 효율, 배광성의 데이터가 구해진다.

이 결과는 후술하기로 하는데, 도 15의 주기 구조가 있는 경우의 강도(I)를 동일하게 구하여, 주기 구조가 있는 강도/주기 구조가 없는 경우의 강도(도 14)로부터 광취출 효율이 구해진다.

또 배광성은, 도 15 하단의 원거리장(Far-filed) 전계 성분(Ex, Ey, Ez)의 각도에 대응한 전계 강도 분포도로서 도시되어 있다. 여기서 각각의 전계 성분의 휘도는, 해당 각 도면 아래의 Integral［E］＾2의 수치로 표시되며, 해당 수치는 도 14의 해당 주기 구조가 없는 경우에 비해 높은 수치를 나타내고 있다. 또한 Far-field의 전계 분포도의 중심 부근에 휘도가 밝은 부분을 확인할 수 있어 이로부터도 해당 주기 구조가 없는 경우에 비해 정면 휘도가 높다고 판단할 수 있다.

도 5는, 단계 S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0＜h＜1.0a)인 경우의 처리예를 도시한 도면이다. 기본적으로는 도 5와 동일한 처리인데, 단계 S7에서, 단계 S6에서 구한 R/a로부터 차수(m)에 대응한 직경(d), 주기(a)를 구해 깊이(h)(0＜h＜1.0a)를 결정하는 점이 다르다.

표 1은, 평면파 전개법을 이용하여 해당 광의 주파수와 파수와의 분산 관계를 시뮬레이션할 때 선택한 파라미터 및 그 파라미터에서 구해진 광의 주파수(ω)와 파수(k)의 분산 관계(이하 「밴드 구조」라고 칭한다.)에서 포토닉 결정 효과에 의한 밴드갭의 유무 및 있는 경우에는 그 크기를 나타내는 표이다.

주기 구조의 패턴으로서는, 사파이어 기판에 공기의 홀이 삼각 격자형으로 배열되어 있다. 시뮬레이션에 사용한 파라미터는, 사파이어의 굴절률(1.82), 공기의 굴절률(1.0), R:반경(nm), a:주기(nm), m:차수, PBG:포토닉 밴드갭(무차원화되어 있음)이다.

또 도 7은, 일례로서 계산한 R/a=0.4에서의 밴드 구조를, 도 8은 비교 대상으로서 사파이어 표면이 평탄한 경우의 무격자 밴드 구조를 도시한 도면이다.

도 7에서, TE란 TE(transversal electric) 모드로서, 전계가 홀에 대해 횡방향으로 존재하고, TM이란 TM(transversal magnetic) 모드로서, 자계가 홀에 대해 횡방향으로 존재하고 있다. 도 7로부터 알 수 있듯이, TE모드, TM모드의 각 밴드 모두 주파수(ω)와 파수(k)의 분산 관계는 이산적(離散的)이며, ω1TE(유전 밴드)와 ω2TE(공기 밴드) 사이에 포토닉 밴드갭(PBG)이 관측되고 있어 교점(CP)을 가진 도 8의 평탄한 경우의 무격자 밴드 구조의 결과와 비교하면 그 형태의 차이가 분명하다.

도 7과 도 8을 비교한 경우에 분명한 이 현상은, TE모드에서는 전계는 이차원 평면에 평행하게 존재하며 가는 선형의 유전체가 연결된 네트워크 구조일 때 TE모드의 전계는 그 연결한 유전체에 머물기 쉬워진다는 것이다. 즉, 에너지적으로 안정 상태에 있을 수 있어 TE모드에서 포토닉 밴드갭(PBG)이 쉽게 열린다.

다음으로 포토닉 밴드갭(PBG)이 열린 경우에 얻어지는 특성에 대해 고찰하기 위해 ω2TE밴드에 주목하면, 그 밴드단에서 다음 식으로 정의되는 군속도(群速度) 이상(異常)(광의 에너지 전달(propagation) 속도는 군속도:Vg에 의해 결정되며 Vg=dω/dk, Vg=0)이 관측되어 포토닉 결정 효과에 의한 광투과율 증가를 기대할 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 7은, 제1 브릴루앙 영역에서의 밴드단 일부(Г점, M점, K점에 둘러싸인 부분)를 해석한 것인데, 여기서 제1 브릴루앙 영역 전체에 걸쳐 해석하여 ω2TE밴드의 파수 벡터(kx,ky)에 대한 등주파수면(equifrequency surface)을 구해 R/a=0.25를 도 9, R/a=0.4를 도 10에 도시한다.

포토닉 결정중에서의 광의 전달 방향은 군속도에 의해 결정되며, 군속도를 구하려면 파수 벡터(k)를 구할 필요가 있다. 이것은 도 9, 도 10에 도시된 것처럼 등주파수면으로 알 수 있다. 상기 도 3에 도시한 바와 같이, 이차원 공간(x,y)에서 사파이어 영역(15b)으로부터 주파수(ω)의 광이 포토닉 결정중에 전달될 때, 입사면과의 접선 방향의 운동량은 보존된다. 이 현상을 파수 공간(kx,ky)(단, k=2πa, a는 주기)로 표현하면, 포토닉 결정중의 파수 벡터의 y방향 성분(ky)은 ky_a/2π=ωa/2πc·sinθi를 충족한다.

군속도는, 상술한 식 Vg=dω/dk로부터 주파수의 파수 벡터에 대한 구배이며, 등주파수면의 법선 방향을 주파수가 증가하는 방향으로 향하고, 광의 전달 방향은 도 9, 도 10에 도시한 것처럼 화살표 방향을 향한다. 특히 군속도 이상이 관찰되는 점은 도 10에서의 등주파수면 ωa/2πc=0.55의 좌표(kx,ky)=(-0.283, 0.491)이다. ky=0.491을 식 ky_a/2π=ωa/2πc·sinθi에 대입하면 θi=63°가 구해진다. 한편 광의 전달 방향은 화살표 방향이 되어 굴절각θr의 크기는 식 tanθr=(ky/kx)로부터 -60°로 구해진다. 따라서 입사각과 굴절각의 관계가 θi＞0, θr＜0이라는 것으로부터, 실질 굴절률 n＜0의 상태를 나타내고 음의 굴절 효과가 나타난다는 것을 알 수 있다.

또 입사각에 대한 굴절각의 관계를 R/a=0.25로 한 경우를 도 11에, R/a=0.4로 한 경우를 도 12에 도시한다. 도 11, 도 12 모두 θi와 θr은 항상 반대가 되어 음의 굴절 효과를 나타내고 있다. 또 밴드단 Γ점 근방에서는 약간의 입사각 변화로 큰 굴절각의 변화가 관측되고, 다른 밴드단인 K점에서는 입사각과 굴절각의 변화에 큰 차이는 없지만 입사각이 임계 각도θ_c=33.3°를 크게 초과하여 포토닉 결정 효과에 의한 투과율 증가를 시사하고 있다. 또한 R/a=0.4에서의 입사각이 R/a=0.25에서의 입사각보다 큰 것으로 보아, R/a와 투과율(즉 광취출 효율)의 상관 관계, 및 PBG(포토닉 밴드갭)의 크기와 광취출 효율에 상관 관계가 있다는 것을 시사하고 있다.

다음으로 전술한 평면파 전개법으로 얻어진 패턴 형상을 사용하여 실제로 FDTD법으로 시뮬레이션을 행한 결과를 도시한다. 도 13은, FDTD법 시뮬레이션 모델의 예를 도시한 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 내의 광원으로부터, 기판(1)의 이면(1a)인 광취출면에 형성된 포토닉 결정 주기 구조(15)를 통해 발광(hν)이 생긴다. 여기서 기판(1)의 이면(1a)으로부터 소정 거리 떨어진 위치에 광의 모니터가 배치되어 있다.

해석 영역으로서 10㎛×10㎛×6.5㎛의 공간을 설정하고 내부의 적소(適所)에 포토닉 결정, 모니터, 광원을 배치하였다. 본 공간을 분할하는 그리드 사이즈는 20nm이며, 공간 경계에서의 반사파 영향 방지에 완전 흡수 경계 조건을 설정하고 광원에는 LED 광원과 원리적으로 가까운 다이폴 단(單)광원을 이용하였다.

도 14는, 사파이어 이면에 주기 구조의 패턴이 없는 경우의 계산 결과로서, (a)에서 (c)까지의 근거리장(Near-field) 전계 성분은, 특정 파장 280nm의 모니터상에서의 전계 강도를 Ex, Ey, Ez성분마다 표시하였다. 또 (d)에서 (f)까지의 원거리장(Far-field) 전계 성분은, Near-field 전계 성분의 x, y를 푸리에 변환(Fourier transform)하여 파수 공간의 전해 분포(원방계 각도 분포,far field angular distribution)를 Ex, Ey, Ez성분마다 표시하였다.

FDTD 시뮬레이션에서는, 표 2에 도시한 바와 같이 차수(m=3), R/a(0.25, 0.3, 0.35, 0.4), 어스펙트비(깊이/직경으로 0.5, 1.0, 1.5)를 변화시켜 합계 12개의 포토닉 결정 패턴에서의 휘도를 해석하였다. 도 15는, 그 일례로서 차수(m)=3, 어스펙트비0.5, R/a=0.4, 직경/주기=(239nm/299nm)의 패턴의 해석 결과를 도시한 도면이다. (a)에서 (c)까지는 Near-field의 전계 성분을, (d)에서 (f)까지는 Far-field의 전계 성분을 도시한 도면이다. 일반적으로 광강도(I)는 원방계의 전계 성분(Ex, Ey, Ez)을 사용하여 이하의 식으로 표시된다(ε₀:진공중의 유전율, c:광속도).

I=ε₀*c(Ex²＋Ey²＋Ez²)

이 식을 사용하여 금회 해석한 각 패턴의 휘도를 계산하여 차수(m)=3에서의, 무패턴에 대한 포토닉 결정 패턴을 가진 경우의 휘도 증감율을 R/a 및 어스펙트비의 함수로 그래프화시킨 것이 도 16, 도 17이다.

도 16에서 어스펙트비가 0.5인 경우, 다른 어스펙트비 1.0 및 1.5의 그래프와 비교하면 분명히 경향의 차이가 보인다. 여기서 사용된 패턴은 브래그의 산란 조건을 충족하는 식: mλ/n_av=2a, m:차수, a:주기, λ:파장으로부터 구해진다.

전술한 평면파 전개법에서는, R/a와 포토닉 밴드갭의 크기에 상관이 있으며 포토닉 밴드갭이 크면 통상 전반사를 일으키는 입사각이어도 광이 굴절되기 때문에 휘도 증가를 기대할 수 있다. 통상, 이차원 삼각 격자 포토닉 결정의 경우, 대칭점으로 포토닉 밴드갭이 열리는데, 그 때의 대칭점 M, K점으로 각각 2 및 3개의 정재파를 만든다. 여기서 정재파(standing wave)란, 다른 방향으로 나아가는 2 이상의 동일 주파수의 웨이브의 간섭으로서, 그 진폭은 2개 이상의 웨이브의 진행 방향 등에 의해 정해진다. 따라서 이 경우에는 정재파의 영향에 의해 R/a:0.3이 R/a:0.35의 경우보다 큰 휘도 증가 효과를 얻을 수 있었다. 또 이 경향은, 도 17에 도시된 것처럼 광범위한 어스펙트비에서도 보인다는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 포토닉 결정 패턴과 휘도에 관한 법칙성을 정리하면, 이하와 같다.

1) 깊이 방향에서는, 어스펙트비 0.5 정도가 휘도 증가율이 가장 최대가 된다.

2) R/a의 관계에서는, R/a:0.3 또는 R/a:0.4가 이상적이 된다. R/a가 0.4에 가까워지면서 포토닉 결정의 효과를 쉽게 얻을 수 있다는 것은, 이 때의 평균 굴절률이 사파이어와 공기의 중간치로, 유전율의 큰 변화에 기여하는 것으로 보더라도 타당한 결과이다.

평면파 전개법에 의해 보호막과 공기층에서의 포토닉 밴드갭의 크기를 구한 것을 표 3에, 사파이어 기판 표면과 GaN층과의 계면에서의 포토닉 밴드갭의 크기를 구한 것을 표 4에 각각 기재한다. 보호막과 공기층에서는, R/a가 0.35일 때 포토닉 밴드갭이 가장 크고 광취출 효율이 개선된다. 또 마찬가지로 사파이어 기판 표면과 GaN층 계면에서는 R/a가 0.3일 때 포토닉 밴드갭이 가장 크고 광취출 효율이 개선된다.

도 29a 내지 도 29c에서는, 포토닉 결정 주기 구조의 가공 깊이(h)에 관하여 더 최적의 조건의 고찰을 하였다.

도 29a는, 단계 S7의 깊이(h)가 주기(a)의 변수(0＜h＜5.0a)인 경우의 처리예를 도시한 흐름도이다. 도 29b는, 유전 밴드를 구하는 제1 단계와, 해당 유전 밴드와 공기 밴드와의 차에 의해 주기 구조의 주기(a), 직경(d)을 결정하는 제2 단계를 도시한 흐름도이다. 도 29c는, 상기 제1 단계를 더 상세한 4개의 단계로 나누어 도시한 흐름도이다.

도 29a에 도시한 처리에서는, 도 4, 도 5를 참조하여 설명한 시뮬레이션의 흐름에서, 단계 S7에서의 FDTD법을 이용한 깊이(h)의 시뮬레이션 범위를 0＜h＜5.0a로 확장했다(도 29a의 단계 S7a).

또 도 29b에서는, 우선 단계 S11에서, 다른 굴절률을 가진 2개의 구조체의 선정 처리로서, 설계 파장(λ)에서 Bragg의 산란 조건을 충족하는 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)를 파라미터로 한, 다른 굴절률을 가진 2개의 구조체로 이루어진 포토닉 결정 주기 구조를 선정한다. 다음으로 단계S 12에서, 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구하는 제1 단계로서, 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식Σε^-1(G-G＇)｜k＋G｜｜k＋G＇｜E(G＇)=ω²/c²E(G＇) 및 Σ_ε ^-1(G-G＇)(k＋G)*(k＋G＇) H(G＇)=ω²/c²H(G), (ε^-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)의 고유치 계산으로부터 TE광 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구한다.

다음으로 단계 S13에서, 주기(a), 직경(d)을 결정하는 제2 단계로서, 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차가 최대가 되는 주기(a)와 직경(d)을 결정한다.

도 29c에서, 단계 S21에서, Bragg 산란의 조건(파라미터)의 부여 처리로서 포토닉 결정 주기 구조를 구성하는 반경(R)과 주기(a)의 비R/a를 0.15∼0.45의 범위 내에서 선정한 후, 포토닉 결정의 효과를 얻고자 하는 설계 파장(λ)을 결정하고, 선정한 2개의 구조체 각각의 굴절률(n1) 및 (n2)로부터 평균 굴절률(n_av)을 구한다.

다음으로 단계 S22에서, Bragg 산란 조건으로부터 주기 구조의 주기(a)를 산출 처리로 하여 mλ/n_av=2a로부터 차수(m)(m=1, 2, 3,‥)마다 주기(a)를 산출한다. 단계 S23에서, 주기 구조체의 직경(R)과 유전율의 산출 처리로서, 이미 선정한 R/a로부터 차수(m)마다의 반경(R)을 산출하고, 또 동일하게 선정한 2개의 구조체의 굴절률로부터 이것을 제곱하여 각각의 유전율(ε₁,ε₂)을 산출한다. 단계 S24에서, 맥스웰의 전자계 파동 방정식에서의 고유치 계산 처리로서, 설계 파장(λ), 유전율(ε₁,ε₂), R/a를 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력한다.

도 30은, 심자외 LED 구조에서의 FDTD법 시뮬레이션 모델의 예를 도시한 도면이다. 또 주기 구조의 직경(d), 주기(a), 깊이(h)를 구체적으로 산출하는 방법은 전술한 방법과 동일하므로 여기에서는 생략하기로 한다. 아울러 R/a의 값이 구해지면 d=2 R의 관계식에 의해 a는 일의적으로 정해지므로, 전술한 것처럼 깊이(h)를 직경(d)의 변수로 해도 상관없다.

깊이(h)의 최적화를 위한 고찰에서, 광의 강도를 검출하는 모니터에 대해서는, 우물층에서 발광한 광은 모든 방향으로 진행하기 때문에 반도체 발광소자의 구조를 감안하여 반사 전극이 있는 상부를 제외한 저부 정면 및 측벽 4면의 합계 5개를 배치하였다. 모니터에서 검출하는 광의 강도는 전계와 자계의 외적(外積)의 절대치로서 단위는 ［W］이다. 모니터를 LED 구조 외에 배치한 이유는, LED 내부의 광이 외부에 방출될 때에는 공기와의 굴절률차가 생겨 스넬의 법칙에 따라 내부에서 전반사된다는 실제 LED에 가까운 현상을 고려했기 때문이다.

또 우물층에서 발광한 광은 p형 GaN 콘택층에서는 흡수되기 때문에 흡수가 없는 p형 AlGaN 콘택층으로 변경한 후에 시뮬레이션을 실시하였다. 따라서 해당 구조는 청색 LED와 동등한 LEE를 얻을 수 있다.

해석 영역으로서는, 8㎛×8㎛×6㎛의 공간을 설정하고 본 공간을 분할하는 그리드 사이즈를 10nm로 하여 모니터의 외측에 반사파의 영향을 방지할 목적으로 완전 흡수 경계 조건을 설정하고, 광원에는 LED 광원과 원리적으로 가까운 다이폴 단광원을 이용하였다.

도 31 내지 도 33에 도시한 해석 결과는, 측벽, 저부 정면에서 각각 검출된 출력치로서 배광 특성을 나타내는 것이며, 저부에서 검출된 광이 정면의 휘도를 나타낸다. 도 34는, 측벽, 저부 정면 및 측벽＋저부 정면에서의 LEE 증가율과 주기 구조의 주기(a)의 변수로 표시한 깊이(h)와의 관계를 도시한다. 실제 심자외 LED 소자는 페이스다운(플립칩)형이 주류이므로, 이 경우에는 상면부가 대좌(臺座,seat)에 고정된다. 따라서 광이 취출되는 면은 측벽부와 저부 정면이 되는데, 특히 정면이 되는 저부 정면의 LEE 증가율 특성이 중요해진다.

도 34로부터 알 수 있듯이, 주기 구조의 깊이(h)가 깊어짐에 따라 측벽부 LEE 증가율은 증가한다. 이것은, 깊이(h)가 깊어지면 브래그 산란 효과를 얻을 수 있는 영역의 표면적이 증대되기 때문이며, 이 LEE 증가율의 증가는 깊이(h)에 거의 비례한다. 이것은, 각 파장 각각에서도 같은 현상이 인정된다.

한편, 저부 정면 LEE 증가율은, 주기 구조의 깊이(h)가 주기(a)의 0.5배까지의 범위에서 급격하게 증가하여 그 값은 50% 가깝게 된다. 그 후, LEE 증가율은 완만하게 증가·감소하여 깊이(h)가 주기(a)의 2.0배가 된 이후에는 거의 횡보가 된다. 즉, 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조 특유의 현상에 의한 LEE 증가율 증대 효과는, 주기 구조의 깊이(h)가 주기(a)의 0.5배∼2.0배의 범위에서 가장 효과가 높다.

이상으로부터, LED 소자 전체의 LEE 증가율, 즉 측벽부 LEE 증가율과 저부 정면 LEE 증가율의 합은, 해당 주기 구조의 깊이(h)가 주기(a)의 0.5배 이상일 때 현저하다.

도 35에서는, 주기 구조의 깊이(h)가 0＜h＜5.0a의 범위에서의, 측벽/(측벽＋저부 정면) 및 저부 정면/(측벽＋저부 정면) 각각의 출력비를 비교하여 도시한다. 여기서 깊이(h)=0의 경우란, 주기 구조가 없는 경우를 가리킨다. 이에 따르면, 깊이(h)가 0.5a＜h＜5.0a의 범위에서 각각의 출력비는 거의 6:4로 변화된다. 이 비율은 측벽과 저부 정면의 면적비에 관계되므로, 예를 들면 사파이어 기판의 두께를 바꿈으로써 변경할 수 있다.

보다 구체적인 저부 정면/(측벽＋저부 정면)의 출력비를 증가시키기 위해서는, 기판을 면내에서 분할하여 소자화할 때의 면적을 크게 하고, 한편 사파이어 기판의 두께(수백㎛)를 얇게 하면 된다. 아울러 이 경우, 반도체부의 두께(수㎛)보다 사파이어 기판의 두께를 조정하는 것이 바람직하다. 그리고 이러한 면적비의 조정을 통해 LED 소자의 배광성을 조정할 수 있다.

또한 도 36에는, 심자외 LED 구조의 사파이어 기판의 이면 외에 기판의 표면에도 포토닉 결정 주기 구조를 추가하여 시뮬레이션을 실시했을 때에 얻어진 모델 결과를 도시한다. 각 포토닉 결정의 패턴은, 기판 이면이 홀 형상으로서 직경:230nm, 주기:287nm, 깊이(h)는 주기(a)의 1.0배로 하고, 기판 표면이 필라 형상으로서 직경:299nm, 주기:415nm, 깊이(h)는 주기의 1.0배이다.

도 31 내지 도 33의 1.0a＋Pillar의 그래프가 도시된 것처럼 측벽, 저부 정면, 측벽＋저부 정면 어느 것이든 대략 그 출력치가 홀 1.0a 단량체의 포토닉 결정의 출력치를 웃돌았다. 또 LEE 증가율을 하기 표에 나타낸다.

	측벽	저부 정면	측벽＋저부 정면
홀1.0a	10%	53%	25%
홀1.0a＋ 필라1.0a	35%	49%	40%

표 5의 결과로, 사파이어 기판의 양면에 포토닉 결정 주기 구조를 가공한 경우, 이면만의 가공에 비해 LED 소자 전체의 LEE 증가율이 추가로 15포인트, 즉 40%까지 증가하였다.

마찬가지로 청색 LED 구조에서 FDTD 시뮬레이션을 행하였다. 도 37은 그 구조를 도시한다. 도 38 내지 도 40에 도시한 해석 결과는 상기와 마찬가지로 도 29의 단계 S1 내지 단계 S8을 통해 평면파 전개법 및 FDTD법으로 해석하였다. 중심 파장은 455nm, 포토닉 결정의 주기 구조는 주기(a)=415nm, 직경(d)=299nm, 차수(m)=4이며, 측벽, 상부 정면에서 검출된 출력치는 배광 특성을 나타내고, 상부 정면에서 검출된 광이 정면의 휘도를 나타낸다.

실제의 청색 LED 소자는 페이스업 구조가 주류이며, 이 경우 저부가 대좌에 고정되기 때문에 광이 취출되는 면은 측벽부와 상부 정면이 된다. 그리고 도 41은 측벽, 상부 정면, 측벽＋상부 정면에서의 LEE 증가율과 깊이(h)의 관계를 도시한다.

도 41로부터 알 수 있듯이, 측벽의 LEE 증가율은, 적어도 깊이(h)가 0.5a∼5.0a의 범위에서 깊이(h)에 거의 비례하여 증대된다. 따라서 깊이(h)와 상부 정면의 LEE 증가율의 상관에 크게 좌우되지 않고 측벽＋상부 정면의 LEE 증가율, 즉, LED 소자 전체의 LEE 증가율은 포토닉 결정 주기 구조의 가공 깊이(h)에 거의 비례하여 증대한다. 또 측벽과 상부 정면의 출력비 깊이 특성은 도 42에 도시한 바와 같이 대략 35:65이다.

또한 도 43에는, 청색 LED 구조의 SiO₂ 보호막에 포토닉 결정을 추가하여 시뮬레이션을 실시했을 때의 모델을 도시한다. 각 포토닉 결정의 패턴은, 기판 표면이 필라로 직경:299nm, 주기:415nm, 깊이(h)는 주기(a)의 1.0배로 하고, SiO₂ 보호막이 홀이며 직경:499nm, 주기:713nm, 깊이(h)는 SiO₂보호막의 막두께300nm로 한정되기 때문에 260nm로 하였다. LEE 증가율을 하기 표에 나타낸다.

	측벽	상부 정면	측벽＋상부 정면
필라1.0a	18%	37%	24%
필라1.0a＋홀260nm	17%	45%	27%

표 6의 결과로, 사파이어 기판의 표면과 SiO₂보호막의 이면에 포토닉 결정을 가공한 경우, 표면만의 가공에 비해 LED 소자 전체의 LEE 증가율이 3포인트, 즉 27%까지 증가하였다.

다음으로 포토닉 결정 탑재 LED의 제조 프로세스에 대해 설명하기로 한다.

<실시예>

［실시예 1］

도 18∼도 22는, 도 1에 도시한 반도체 발광소자(LED)의 제조 프로세스의 일부(포토닉 결정 구조의 작성 순서)의 예를 도시한 도면이다.

우선 도 18에 도시한 바와 같이, 주기 구조를 작성하기 위한 석영제 금형(마스터 몰드)(100)을 준비한다. 기판(101)의 금형 패턴(103)은, R/a=0.3, 직경, 주기, 깊이는 각각 155nm, 263nm, 361nm이다.

사파이어 기판의 포토닉 결정 가공에는 나노 임프린트에 의한 레지스트 패터닝을 하고, 계속해서 ICP 식각에 의한 레지스트를 마스크로 하여 사파이어를 건식 식각한다. 그런데 100nm 오더의 미세 패터닝에는 KrF 등의 스텝퍼가 이용되는데 비용 상승과 또 기판의 휨 등이 있는 경우에 노광에 부작용이 생기는 등의 문제가 있다.

한편 나노 임프린트의 공정에서는, 사파이어 기판이나 질화물 반도체 층의 휨 등이 있는 경우, 석영제 금형으로 직접 사파이어 기판상 레지스트에 가압·UV전사를 실시하면 금형 패턴이 파손될 우려가 있기 때문에 여기에서는 도 18에 도시한 것처럼 석영제 금형(100)으로부터 일단 필름(수지) 몰드(110)(111·113)를 작성하고(b), 그 필름 몰드(110)를 사용하여 사파이어 기판(121) 상에 도포한 레지스트(123)에 패턴(125)을 전사시키는 방법을 채용하였다. (d)∼(g)는, 실제 패턴의 형상을 나타내는 SEM 사진이다.

이 방법에 의해, 기판의 휨이나 미소한 돌기물에도 충분히 수용할 수 있는 전사가 가능해진다. 패턴 전사 후의 사파이어의 식각은 ICP식각으로서 도 19, 도 20과 같이 행하는데 고정밀도의 가공은 상당히 어렵다. 단결정 사파이어는 산, 알칼리 어느 것에도 용해되지 않아 레지스트의 사파이어에 대한 식각 선택비는 충분한 것이 없으며 통상의 노광용 포토레지스트에서는 선택비가 0.5∼0.7 정도가 일반적이다. 또 UV 경화형 나노 임프린트에서는, 레지스트의 유동성과 경화 후의 선택비는 트레이드 오프의 관계에 있으며 선택비는 0.5이하로 충분한 값은 아니다.

본 실시예 1에서는, 금형 패턴의 최적화, 나노 임프린트에 의한 레지스트 패터닝의 최적화, ICP 건식 식각에 의한 사파이어 가공의 최적화를 행하여 도 18에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 이면에 공기 홀의 삼각 격자 배열로서, 어스펙트비 0.5 및 1.0과, 설계와 동일한 포토닉 결정의 패턴을 얻을 수 있어 프로세스 기술을 확립할 수 있다(직경 127nm/주기 252nm/높이 359nm).

실제로 건식 식각 가공한 후의 포토닉 결정의 단면을 관찰하면, 도면에 도시한 바와 같이 완전한 구형이 아닌 75∼80도 정도의 테이퍼 각도가 져 있다. 시뮬레이션에서는 완전 직사각형으로 행하기 때문에 약간의 수치 변경이 있다.

도 23은, 사파이어에 포토닉 결정 가공을 하여 공공을 형성한 경우의 입사각·반사율의 그래프를 도시한 도면이다. 완전 직사각형의 경우에는, 대략 3∼5%정도의 반사가 생긴다는 것을 알 수 있다. 그 이유로서는, 공기와 사파이어의 계면에서는 급격한 굴절률의 변화가 생겨(이 경우에는 R/a:0.4로서 평균 굴절률을 1.4로 계산한다.) 일부 광이 반사되기 때문이다. 한편 요철이 파장에 가까운 주기에서 테이퍼 각도가 존재하는 경우에는, 사파이어로부터 공기를 향해 굴절률이 완만하게 변화하도록 광에는 감지된다. 따라서 급격하게 굴절률이 변화하는 계면이 없기 때문에 광은 반사하지 않게 되어 그만큼 휘도가 증가한다.

단, 건식 식각 프로세스에서는, 도 24에 도시한 바와 같이 웨이퍼 내의 바둑판 형태에 폴리이미드 테이프(P)를 붙여 건식 식각을 하였다. 폴리이미드 테이프(P)가 부착된 영역은 건식 식각되지 않고 유기 세정하면 레지스트 패턴도 없어진다. 이것은, 나중에 결정 성장하여 LED를 작성·평가할 때에 포토닉 결정 패턴 유무시의 휘도차를 같은 웨이퍼 내에서 비교하면서 관찰할 수 있도록 하기 위함이다.

다음으로 건식 식각 후의 기판을 세정하여 에피택셜 제어의 준비가 갖춰진 상태로 한다. 그 후에, 예를 들면 MOCVD법을 이용하여 소정의 성장 조건을 정리한 레시피를 사용하여 결정 성장을 행한다. 결정 성장 후의 기판에 전극을 형성하고 소자를 분할하여 적분구에 의해 LED의 파장·휘도를 측정한다.

해당 LED의 활성층에서 발광된 광의 파장은 270nm이며, 도 28에 그 스펙트럼을 도시한다. 도 26은, 실시예 1의 측정 결과를 도시한 도면이다. 도 26에서는, 포토닉 결정 패턴의 유무를 I-V, I-L, EQE 특성으로 나타내고 있다(I:전류, V:전압, L:출력, EQE:외부 양자 효율).

표 7에 나타낸 것처럼, 건식 식각 후의 공공의 건식 식각(DE) 후의 평균 R/a는 금형의 R/a보다 작은 값이 되기 때문에 휘도 평가는 DE 후의 평균 R/a를 사용한다.

표 1에서는, DE 후의 평균 R/a가 0.257이면 포토닉 밴드갭은 충분히 열려 있기 때문에 휘도의 효과를 기대할 수 있지만, 깊이 80nm인 경우의 측정 결과는 포토닉 결정 패턴의 유무에 관계없이 상관성이 관측되지 않았다. 깊이 방향의 요인이 작용된 것으로 생각된다. 한편 깊이가 160nm인 경우, DE후 평균 R/a는 0.209가 되어 표 1의 포토닉 밴드갭이 열리는지 여부는 미묘하다. 그러나 포토닉 결정 패턴의 유무에는 약간의 상관성이 보인다. 출력으로 10%정도 증가하였다. 깊이 방향도 약간이나마 작용할 가능성도 있어 하기 실시예 2와의 비교로 판단한다.

［실시예 2］

마찬가지로 도 18에 도시한 바와 같이 석영제의 금형(100)을 준비한다. 금형 패턴(103)은 R/a=0.38, 직경, 주기, 깊이는 각각 230nm, 299nm, 371nm이다. 실시예 1의 경우와 마찬가지로 사파이어 기판의 포토닉 결정 가공에는 나노 임프린트에 의한 패터닝을 하고, 계속해서 ICP 건식 식각에 의한 레지스트를 마스크로 하여 사파이어를 건식 식각하고, 도 21, 도 22에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 이면에 공기 홀의 삼각 격자 배열로 어스펙트비 0.5와 0.8의, 설계에 따른 원하는 대로의 포토닉 결정의 패턴을 얻을 수 있어 프로세스 기술을 확립할 수 있었다.

다음으로 건식 식각 후의 기판을 세정하여 식각 준비 상태로 한다. 식각 준비 상태에서의 사파이어 기판의 상면, 단면의 형상 사진을 도 25에 도시한다. (a)는 상면, (b)는 단면, (c)는 (b)의 확대 사진이다. 그 후 MOCVD법에 의해 소정의 레시피를 사용하여 결정 성장을 한다. 결정 성장 후의 기판에 전극을 형성하고 소자를 분할하여 적분구에서 LED의 휘도를 측정하였다.

실시예 2의 LED의 측정 결과를 도 27에 도시한다.

우선, 표 8의 DE 후의 평균 R/a의 값은, 깊이 방향이 125nm와 200nm로 여전히 0.263이다. 이 값이면, 표 1로부터도 포토닉 밴드갭은 충분히 열리기 때문에 포토닉 결정의 패턴 유무와 휘도와의 상관성에 기대할 수 있다. 실제로 도 27의 측정 결과를 보면, 구멍이 깊이 125nm, 200nm인 경우에도 포토닉 결정 주기 구조를 마련함에 따른 휘도 향상의 효과가 충분히 나타나 있다. 전류로 본 출력치는 모두 20퍼센트 정도 증가하였다. 또 깊이 방향의 차이에 관해서도, 깊이가 200nm이면 인가 전압, 전류 모두 깊이 125nm의 그것보다 커서 출력치 자체도 크다는 것을 알 수 있다.

도 25의 상부 직경은 249nm, 하부 직경은 162nm로서, 표 6의 상부 직경 및 하부 직경과 비교하면 각각 59nm, 37nm만큼 크다. 사파이어 기판의 건식 식각은 염소계 가스를 사용한 반응성 이온 식각을 하며, 사파이어의 성분인 알루미늄과 산소를 절단하여 산소를 환원하면서 식각이 진행되기 때문에 식각 측벽에 알루미늄이 부착되고 그 결과 건식 식각 직후의 상부, 하부의 직경이 여유있게 계측되었다. 측벽 부착물의 양이 식각 시간에 비례한다고 가정하고 표 7 및 표 8의 결과를 보정하여 표 9에 나타낸다.

표 9의 보정 결과 및 실시예 1 및 실시예 2의 결과를 정리하면, 포토닉 밴드갭의 크기와 광취출 효율 사이에는 거의 비례 상관성이 존재하고 또 깊이 방향에 관해서도 직경과 동등한 값일 때 상관성이 보다 효과적이라는 것을 알 수 있었다.

지금까지 얻어진 결과로서, 사파이어 기판에 건식 식각하면 금형의 형상과 건식 식각 후 레지스트 잔사 제거 후의 형상에 관하여 식각 바이어스치가 있다는 것이 판명되었다. 설계대로 효과를 얻을 수 있도록 이 식각 바이어스치를 보정하여 마스터 금형을 작성할 경우의 시뮬레이션 결과를, 주기 299nm, 금형 R/a 0.385의 케이스를 상정하여 표 10에 나타낸다.

건식 식각 후 레지스트 잔사 제거 후의 측벽 각도 78도이고 중간 직경이 230nm, R/a:0.385를 확보하는 금형 설계치는, 표 10으로부터 중간 직경치에서 30nm 크게, 금형의 측벽 각도를 89.0도로 하면 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이로써 포토닉 결정의 설계, 금형의 작성, 레지스트 선정, 나노 임프린트에 의한 전사, 건식 식각까지의 프로세스를 통합하여 관리하는 것(프로세스 인티그레이션)이 가능해졌다.

본 실시형태에 의하면, 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 광의 매질 중 파장과 동등한 주기를 가진 이차원 포토닉 결정으로 이루어진 요철부를 가공함으로써 경계면상의 광에 관하여 밴드 구조가 형성되어 광의 전달이 불가능해지는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)이 존재한다. 포토닉 밴드갭 내의 파장을 가진 광은, 주기 구조가 형성된 면내를 전달되지 못하고 이 면에 수직인 방향으로만 전달된다. 따라서 활성층에서 방출되어 사파이어 기판 이면, 또는 사파이어 기판 표면과 GaN층의 계면, 또는 보호막에 도달한 광은, 공기와의 경계면에서 전반사되지 않고 공기중에 방출되어 결과적으로 광취출 효율도 향상되고 외부 양자 효율과 휘도가 증가한다. 또 정면 휘도가 높은 발광소자가 된다.

상기 실시형태에서, 첨부 도면에 도시되어 있는 구성 등에 대해서는 이들로 한정되지 않으며 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다. 기타, 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

예를 들면, 상기 설계용 프로그램, 프로그램에 의해 설계된 금형 등도 본 발명에 포함된다. 또 다른 계(구조체)로 이루어진 주기 구조는 2가 아닌 3 이상의 계(구조체)로 이루어져 있어도 좋다. 계는, 공기와 결정뿐 아니라 다른 2종류의 결정으로 이루어져도 좋다.

상기 실시형태에서 첨부 도면에 도시되어 있는 구성 등에 대해서는 이들로 한정되지 않으며, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다. 기타, 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

또 본 발명의 각 구성요소는 임의로 취사 선택할 수 있으며, 취사 선택한 구성을 구비하는 발명도 본 발명에 포함되는 것이다.

예를 들면, LED의 재료로서는 이하의 소재를 사용함으로써 다양한 색발광 다이오드를 만들어 낼 수 있다.

·알루미늄 갈륨비소(AlGaAs)-적외선·적

·갈륨비소인(GaAsP)-적·등(橙)·황

·인듐질화갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN)/알루미늄 질화갈륨(AlGaN)-(등·황·)녹·청·자·자외

·인화갈륨(GaP)-적·황·녹

·셀렌화아연(ZnSe)-녹·청

·알루미늄 인듐갈륨인(AlGaInP)-등·황등·황·녹

·다이아몬드(C)-자외선

·산화아연(ZnO)-청·자·근자외선

이하는, 기판으로서 이용된다.

·기판으로서 탄화규소(SiC) -청

·기판으로서 사파이어(Al₂O₃)-청,자외

·기판으로서 규소(Si)-청

<산업상 이용 가능성>

본 발명은, 반도체 발광소자에 이용 가능하다. 심자외 LED는 살균·정수로서 유용하며 프로세스 기술은 양산화에 유용하다.

본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허출원을 그대로 참고로서 본 명세서에 도입한 것으로 한다.

1…사파이어 기판, 1a…사파이어 기판(1)의 이면(광취출면), 3…AlN 버퍼층, 5…n형 AlGaN층, 7…n형 AlGaN 활성층, 9…p형 AlGaN층, 15…포토닉 결정 주기 구조, 15a…공공부, 15b…기판 이면부, 21…사파이어 기판, 23…n형 GaN층, 25…n형 GaN 활성층, 27…p형 GaN층, 29…투명 전극층, 31…보호막.

Claims

다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 포토닉 결정 주기 구조로서, 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고, 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 가진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조의 깊이(h)가 해당 포토닉 결정 주기 구조의 주기(a)의 0.5배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 광취출층이 반도체 발광소자의 기판 또는 기판과는 반대측 면에 형성되는 보호막 중 어느 하나인 반도체 발광소자.
청구항 3에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 설치된 반도체 발광소자.
청구항 3에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조가 상기 기판의 이면에 주기적으로 형성된 공공을 포함하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1에 있어서,
상기 포토닉 결정 주기 구조가, 1 또는 2 이상의 광취출층의 임의의 깊이 위치에서의 영역 내에 2곳 이상 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조는,
해당 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식Σε^-1(G-G＇)｜k＋G｜｜k＋G＇｜E(G＇)=ω²/c²E(G＇) 및 Σε^-1(G-G＇)(k＋G)*(k＋G＇)H(G＇)=ω²/c²H(G), (ε-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)의 고유치 계산으로부터 구해진 TE광, 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 해당 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)이 결정된 포토닉 결정 주기 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 7에 있어서,
FDTD법에 의해 깊이(h)가 더 결정된 포토닉 결정 주기 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광취출층 포토닉 결정 주기 구조가, 나노 임프린트 리소그래피법을 이용하여 가공된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 9에 있어서,
상기 광취출층 포토닉 결정 주기 구조가, 수지 몰드를 통한 금형 패턴의 전사 처리를 이용하여 가공된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판이 사파이어인 반도체 발광소자.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 발광소자의 반도체층이 질화물 반도체로 이루어진 반도체 발광소자.
청구항 9에 있어서,
상기 나노 임프린트 리소그래피법에서 이하의 1) 내지 3)의 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
1) 나노 임프린트용 마스터 금형을 작성할 경우에, 기판의 휨에 대응하기 위해 수지 몰드를 작성하고 상기 수지 몰드를 사용하여 상기 기판상의 레지스트에 전사함으로써 상기 기판상 패턴과 상기 마스터 금형 패턴이 반전되지 않게 한다.
2) 나노 임프린트 후에 건식 식각에 의해 상기 기판을 식각 가공한다. 이 때, 주기(a), 직경(d), 깊이(h)로 금형을 작성하고, 그로부터 수지 몰드를 취해 나노 임프린트로 기판상의 레지스트에 패턴을 전사하고, 그 기판을 건식 식각하여 레지스트 잔사를 제거하여 실제 형상을 측정한다.
3) 이 실제 형상의 측정치와 설계치와의 차인 식각 바이어스치를 반영시켜 재차 마스터 금형을 작성하여 상기 전사·상기 건식 식각·상기 레지스트 잔사를 제거한다.
반도체 발광소자에 설치되고, 다른 굴절률을 가진 2개의 계(구조체)로 이루어진 주기 구조로서, 상기 2개의 계(구조체)의 계면이 브래그 산란의 조건을 충족하고 또한 포토닉 밴드갭을 가진 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터를 구하는 구조 파라미터 계산방법으로서,
상기 포토닉 결정 주기 구조로부터 출력되는 평면파를 전계(E), 자계(H)로 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식 Σε^-1(G-G＇)｜k＋G｜｜k＋G＇｜E(G＇)=ω²/c²E(G＇) 및 Σε^-1(G-G＇)(k＋G)*(k＋G＇) H(G＇)=ω²/c²H(G), (ε^-1:유전율의 역수, G:역격자 벡터, ω:주파수, c:광속, k:파수 벡터)의 고유치 계산으로부터 TE광 또는 TM광 중 어느 한 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)를 구하는 제1 단계,
상기 유전 밴드(제1 포토닉 밴드)와 공기 밴드(제2 포토닉 밴드)의 차에 의해 상기 주기 구조의 파라미터인 주기(a), 직경(d)를 결정하는 제2 단계,
를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 단계에서,
Bragg 산란의 조건을 부여하는 단계;
Bragg의 산란 조건에 파장(λ), 차수(m), 평균 굴절률(n_av)을 입력하여 주기(a)를 차수(m)마다 구하는 단계;
이미 결정한 제1 계의 반경(R)/주기와 구한 주기(a)로부터 주기를 구성하는 원구멍의 반경(R)을 차수(m)마다 구하고, 유전율(ε₁,ε₂)은 굴절률(n₁,n₂)을 곱하여 구하는 단계;
구한 파장(λ), 유전율(ε₁,ε₂), R/a을 상기 맥스웰의 전자계 파동 방정식에 입력하는 단계;
를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법.
청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
FDTD법에 의해 깊이(h)를 결정하는 제3 단계를 더 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법.
청구항 16에 있어서,
상기 제3 단계에서, 깊이(h)를 주기(a)의 0.5배 이상의 범위에서 파라미터 더 계산하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 구조 파라미터 계산방법.