WO2016113935A1 - 深紫外ｌｅｄ及びその製造方法 - Google Patents

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行雄 鹿嶋
恵里子 松浦
小久保　光典
田代　貴晴
貴史 大川
秀樹 平山
哲利 前田
昌史 定
隆一郎 上村
大和 長田
聡 嶋谷
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丸文株式会社
東芝機械株式会社
国立研究開発法人理化学研究所
株式会社アルバック
東京応化工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to AlGaN-based deep ultraviolet LED technology.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a general conventional deep ultraviolet LED.
  • the light emitted from the quantum well layer 5 is emitted upward (in the air) through the barrier layer 4, the n-type AlGaN layer 3, the AlN buffer layer 2, and the sapphire substrate 1.
  • some light is totally internally reflected by the refractive index difference between the n-type AlGaN layer 3, the AlN buffer layer 2, the sapphire substrate 1, and the air, and the Al (or Au) reflective electrode layer 11.
  • most is absorbed by the p-type GaN contact layer 9 and the Ni layer 10 and disappears internally.
  • the light emitted from the quantum well layer 5 and propagated downward is also absorbed by the p-type GaN contact layer 9 and the Ni layer 10, and most of the light is lost.
  • Patent Document 1 it is disclosed that a concavo-convex structure is provided on the surface and side surfaces of a sapphire substrate to suppress internal total reflection and improve the light extraction efficiency by about 20%.
  • the photonic crystal periodic structure is generally formed at the interface between two structures having different refractive indexes, and is generally an unevenness mainly composed of a pillar structure or a hole structure. It is known that total reflection is suppressed by prohibiting the presence of light in the region where the periodic structure is formed, and that this is used to contribute to improvement of light extraction efficiency (Patent Document 2). reference).
  • Non-Patent Document 1 the p-type GaN contact layer that absorbs deep ultraviolet light is replaced with a transparent p-type AlGaN contact layer that is transparent to deep ultraviolet light, and the thickness of the Ni layer is as thin as about 1 nm. Thus, it has been reported that the light extraction efficiency has been improved by 1.7 times.
  • JP 2014-68010 A Japanese Patent No. 5315513
  • OPTRONICS 2014.2 NO. 386, issued on February 10, 2014, 56 (general review), improving the light extraction efficiency of AlGaN deep ultraviolet LEDs by making the device transparent, pp. 58-66.
  • Patent Document 1 a part of the suppression of absorption of light propagating in the upper direction (substrate side) in FIG. 22 is improved.
  • Non-Patent Document 1 Although the absorption of light propagated in the lower direction (reflecting electrode side) in FIG. 22 has been improved, the reflectance of the Ni (1 nm) / Al reflecting electrode is about 70%, The problem that light is absorbed a little has not been solved.
  • An object of the present invention is to further suppress the absorption of light propagating in the vertical direction and further improve the light extraction efficiency in the deep ultraviolet LED.
  • a deep ultraviolet LED having a design wavelength ⁇ , an Al reflective electrode layer, an ultrathin Ni layer (about 1 nm) for ohmic contact, and a wavelength ⁇
  • a transparent p-type AlGaN contact layer in this order from the opposite side of the substrate in this order, at least in the thickness direction of the transparent p-type AlGaN contact layer, or from the transparent p-type AlGaN contact layer to the ultrathin film Ni
  • a photonic crystal periodic structure provided in a range in a thickness direction including an interface with the Al reflective electrode layer including a layer, and the photonic crystal periodic structure has a photonic band gap
  • a deep ultraviolet LED is provided.
  • This photonic crystal periodic structure is a cylindrical hole (refractive index of 1.0) having a large refractive index difference with respect to a refractive index of 2.60 at a wavelength of 265 nm of the transparent p-type AlGaN contact layer, and has a photonic band gap.
  • the TE light having the wavelength ⁇ is reflected, and the effect becomes prominent in proportion to the size of the photonic band gap.
  • the closer the distance from the quantum well layer to the photonic crystal periodic structure the larger the solid angle and the more prominent the reflection effect.
  • TM light passes through the photonic crystal periodic structure and passes through the ultra-thin Ni layer and the Al reflective electrode layer, but since the TM light does not open the photonic band gap, its transmittance is small and the Al reflective electrode layer has a low transmittance. Absorption is significantly suppressed. Therefore, the light propagating in the lower direction, that is, the reflection electrode layer can be reflected almost completely.
  • the reflection structure can ignore the absorption of deep ultraviolet light
  • various methods for improving the light extraction efficiency seen in blue LEDs and white LEDs and the effects thereof can be utilized to the maximum.
  • an uneven structure such as a photonic crystal (PhC) is provided at the interface having a refractive index to suppress internal total reflection and improve the light extraction efficiency, or by removing the sapphire substrate and
  • a deep ultraviolet LED manufacturing method in which a design wavelength is ⁇ , an Al reflective electrode layer, an ultrathin Ni layer, and a transparent p-type AlGaN contact layer are formed on a substrate.
  • a step of preparing a laminated structure containing in this order from the opposite side, and the Al including the ultra-thin Ni layer at least in the thickness direction of the transparent p-type AlGaN contact layer or from the transparent p-type AlGaN contact layer For forming a photonic crystal periodic structure provided in a range in the thickness direction including the interface with the reflective electrode layer, or for forming an uneven structure such as a photonic crystal at an interface having a different refractive index, or For forming an uneven structure such as a photonic crystal on the light extraction surface of the semiconductor layer obtained by peeling the sapphire substrate, or encapsulating the entire LED element with resin.
  • the light extraction efficiency of the deep ultraviolet LED can be dramatically improved.
  • FIG. 1A It is sectional drawing which shows one structural example of deep-UV LED by the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows one structural example of deep-UV LED by the modification of FIG. 1A. It is an image figure which shows the mode of TE light and TM light which injected into the photonic crystal (hole). It is a figure which shows the relationship between PBG of TE light, and R / a. It is a figure which shows the relationship between PBG of TM light, and R / a. It is sectional drawing which shows the calculation model of conventional type deep ultraviolet LED. It is sectional drawing which shows the calculation model of deep-UV LED provided with the transparent p-type AlGaN contact layer.
  • FIG. 4E It is a figure which shows the example which provided the 2nd photonic crystal periodic structure on the sapphire substrate of the structure of FIG. 4E.
  • (A) is sectional drawing
  • (b) is a top view.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the relationship between PBG of TM light and R / a in the 2nd photonic crystal periodic structure (pillar structure) by 2nd Embodiment.
  • FIG. 14A is a cross-sectional view of a deep ultraviolet LED in which a photonic crystal is provided at two locations in a structure based on a transparent p-type AlGaN contact layer / ultra-thin Ni layer, and further provided with nano-PSS-derived AlN coupled pillars.
  • b) is a plan view. It is a bird's-eye view of deep UV LED of FIG. 14A.
  • Deep UV LED with a photonic crystal (hole) and nano-PSS-derived AlN-coupled pillar as the light extraction surface in a transparent p-type AlGaN contact layer / ultra-thin Ni layer base structure with a sapphire substrate peeled off and a support substrate attached
  • FIG. Cross-sectional view of deep ultraviolet LED encapsulating resin after providing first and second photonic crystals on transparent p-type AlGaN contact layer / ultra-thin Ni layer base structure, and further providing nano-PSS-derived AlN bond pillar structure It is.
  • FIG. 18B is a cross-sectional view of a deep ultraviolet LED in which a resin is sealed in the structure of FIG. 18A.
  • FIG. 19B is a cross-sectional view of a deep ultraviolet LED encapsulating resin in the structure of FIG. 19A. It is a detailed view of a photonic crystal formation process using a two-layer resist. It is a figure which shows the cross-sectional SEM image in a photonic crystal formation process. It is sectional drawing which shows the structure of the conventional general deep ultraviolet LED.
  • the structure of an AlGaN deep ultraviolet LED having a design wavelength ⁇ of 265 nm is shown in FIG.
  • the AlGaN-based deep ultraviolet LED according to the present embodiment includes, in order from the top of the figure, a sapphire substrate 1, an AlN buffer layer 2, an n-type AlGaN layer 3, a barrier layer 4, and a quantum well.
  • the photonic crystal periodic structure 100 is provided in the range of the thickness direction of the transparent p-type AlGaN layer 8a, and the photonic crystal periodic structure 100 is a circular hole (columnar structure, hole) 101 (h ) And having a photonic band gap, it is a reflective photonic crystal periodic structure that reflects light of wavelength ⁇ .
  • the reflective photonic crystal periodic structure 100 has a cylindrical shape or the like and has a refractive index smaller than that of the transparent p-type AlGaN contact layer 8a.
  • a columnar structure 101 (h) having a cross-section of a circle with a radius of R has a hole structure formed in a triangular lattice shape with a period a along the x and y directions.
  • the columnar structure 101 (h) has a structure that does not reach the interface between the transparent p-type AlGaN contact layer 8 a and the electron block layer 7. This is because if the photonic crystal periodic structure 100 is not left about 50 nm, the electron block layer 7 may be damaged by dry etching.
  • the photonic crystal periodic structure 100 has a photonic band gap, and a transparent p-type AlGaN contact layer 8a having different refractive indexes and air are formed as two structures at the bottom surface.
  • the dielectric constants ⁇ 1 and ⁇ 2 of each structure corresponding to R / a which is the ratio of the radius R of the circular hole to the period a, the design wavelength ⁇ , and the refractive indexes n 1 and n 2 of the two structures are given as follows.
  • the photonic band structure of TE light and TM light is analyzed using the plane wave expansion method. Specifically, it is input to Maxwell's wave equation expressed by the following equations (2) and (3), and its eigenvalue is calculated.
  • E ′
  • ⁇ relative dielectric constant
  • G reciprocal lattice vector
  • k wave number
  • ⁇ frequency
  • c speed of light
  • E electric field.
  • a first photonic band (a photonic band gap can be confirmed by obtaining a photonic band structure of TE light in a range of 0.20 ⁇ R / a ⁇ 0.40 in steps of 0.01 with R / a as a variable.
  • the photonic band gap between 1 st PB) and the second photonic band (2 nd PB) is PBG1
  • the photonic band between the seventh photonic band (7 th PB) and the eighth photonic band (8 th PB) With the gap as PBG4, the relationship between each PBG and R / a is obtained. The result is shown in FIG. 3A.
  • the photonic band structure of TM light is obtained, the PBG between 1 st PB and 2 nd PB is PBG1, the PBG between 3 rd PB and 4 th PB is PBG2, and the PBG between 5 th PB and 6 th PB is PBG3.
  • a steep change in the density of states in the vicinity of the photonic band gap and a sharp peak in other frequency regions are due to the group velocity being zero.
  • the representative symmetry point at which the group velocity becomes zero is a standing wave by changing the propagation direction of light by the diffraction of Bragg at the M point.
  • the steep change rate of the state density is almost proportional to the size of the photonic band gap.
  • the relationship between the size of the photonic band gap and the reflection / transmission effect, and the light extraction efficiency (LEE) increase / decrease rate in the deep ultraviolet LED are obtained by analysis by the FDTD method, and the diameter of the photonic crystal that maximizes the LEE increase / decrease rate d, the period a and the depth h are obtained.
  • Step S01 A ratio (R / a) between the period a, which is a periodic structure parameter, and the radius R of the structure is provisionally determined.
  • Step S02 The average refractive index n av is calculated from the respective refractive indexes n 1 and n 2 of the first structure and these and R / a, and this is substituted into the Bragg condition equation, and the period a and radius for each order m Get R.
  • Step S03 The photonic band structure of TE light is analyzed by a plane wave expansion method using dielectric constants ⁇ 1 and ⁇ 2 of each structure obtained from R / a, wavelength ⁇ , and refractive indexes n 1 and n 2 .
  • Step S04 The R / a at which the PBG between the first photonic band and the second photonic band of TE light is maximized is determined by repeated analysis by changing the value of R / a of the provisional determination.
  • the wavelength ⁇ is obtained by simulation analysis using the FDTD method in which the individual period a and radius R according to the order m of the Bragg condition and the depth h of an arbitrary periodic structure are used as variables. Calculate the light extraction efficiency for.
  • Step S06 By repeatedly performing the simulation by the FDTD method, the order m of the Bragg condition that maximizes the light extraction efficiency with respect to the wavelength ⁇ , and the period a, the radius R, and the depth h of the periodic structure parameter corresponding to the order m are determined. To do.
  • the depth has a depth h that is greater than or equal to the period a as shown in FIG.
  • R / a is changed as a variable in 0.01 steps to obtain the diameter d and period a at each R / a, and the photonic crystal is designed.
  • the calculation model of Table 1 was created and the LEE increase / decrease rate was determined by the FDTD method.
  • output 1 is an output in a structure without a photonic crystal (Flat structure)
  • output 2 is an output in a structure having a photonic crystal periodic structure, and the output is obtained by a radiation pattern (far solution).
  • the LEE increase / decrease rate was compared between the output of the entire LED element and the output in the axial direction (angle 5 ° to 20 °) (see Table 2).
  • a near-field monitor was installed at the interface between the Al reflective electrode in Table 1 and the transparent p-type AlGaN contact layer. The purpose is to detect light leaking without being completely reflected by the photonic crystal. Then, the output of the photonic crystal structure corresponding to each R / a with respect to a structure without a photonic crystal (Flat structure) was compared and obtained by an increase / decrease rate. (See FIG. 24) As the R / a increases, the rate of increase or decrease of light leaked without being reflected by the photonic crystal decreases. This can suppress light absorption / disappearance in the Al reflective electrode. As a result, LEE increases as R / a increases.
  • the calculation model analyzed by the FDTD method has a design wavelength of 265 nm and a degree of polarization of 0.07. Examples of specific structures are shown in FIGS. 4A to 4F. Table 3 shows the thickness of each structure used.
  • FIG. 4A is a diagram showing a specific example of the LED having the conventional structure shown in FIG. 22, and in order from the top of the figure, the sapphire substrate 1, the AlN buffer layer 2, the n-type AlGaN layer 3, the barrier layer 4, the quantum The well layer 5, the barrier layer 6, the electron block layer 7, the p-type AlGaN layer 8, the p-type GaN contact layer 9, the Ni layer 10, and the Al reflective electrode 11.
  • FIG. 4B shows a structure in which a transparent p-type AlGaN contact layer 8a that does not absorb deep ultraviolet light is provided.
  • the structure from the sapphire substrate 1 to the electron block layer 7 is the same as that in FIG. 4A.
  • the transparent p-type AlGaN contact layer 8a and the Al reflective electrode 11 are formed.
  • the ultra-thin Ni layer (1 nm) was omitted due to the limitation of calculation resources.
  • the decrease in output per 1 nm of Ni layer thickness which was obtained by another analysis for reference, was 7%.
  • FIG. 4C shows the same structure as FIG. 4B from the sapphire substrate 1 to the transparent p-type AlGaN contact layer 8a in order to estimate the reduction in output due to absorption when the Ni layer 10 is as thick as 10 nm.
  • the underlying structure is a Ni layer 10 and an Al reflective electrode 11.
  • the circular hole 101 (h) is located from the p-type AlGaN layer 8 to the interface between the p-type GaN contact layer 9 and the Ni layer 10 and has a depth of 300 nm.
  • the circular hole 101 (h) is located from the transparent p-type AlGaN contact layer 8a to the interface of the Al reflective electrode 11, and has a depth of 300 nm.
  • the circular hole 101 (h) is located at the interface between the transparent p-type AlGaN contact layer 8a and the transparent p-type AlGaN contact layer 8a and the Ni layer 10 and has a depth of 300 nm.
  • the output value was obtained in the far field for each of the above structures.
  • the output magnification of the output value in the other new structure was obtained with respect to the output value in the conventional structure of FIG. 4A. Furthermore, due to the limitation of calculation resources, regarding the output magnification of the structure of FIG. 4B and the structure of FIG. 4E in which the output magnification is calculated by omitting the ultrathin Ni layer of 1 nm, the output decrease in the ultrathin Ni layer of 1 nm in another analysis is 7%. The value corrected by subtracting the magnification corresponding to is shown. Then, the light extraction efficiency (LEE) of the conventional structure of FIG. 4A was set to 10%, and LEEs of other structures were obtained by multiplying by the correction magnification (see Table 4).
  • LEE light extraction efficiency
  • the LEE is 1.69 times, and a value substantially equal to 1.7 times described in Non-Patent Document 1 is obtained.
  • 4D a structure in which PhC is added to the conventional structure
  • FIG. 4E a structure in which PhC is added to the transparent p-type AlGaN contact layer
  • FIG. 4F PhC is added to the Ni layer 10 nm and the transparent p-type AlGaN contact layer.
  • the TM light is slightly transmitted through PhC and absorbed in the p-type GaN contact layer and the Ni layer 10 nm as shown in FIG. 4F, the reflection effect by the photonic crystal periodic structure is not perfect. I understand.
  • the structure of FIG. 4E in which a photonic crystal periodic structure is provided in the thickness direction of the transparent p-type AlGaN contact layer based on the transparent p-type AlGaN contact layer and the ultrathin Ni layer, is unique to deep ultraviolet LEDs. Output reduction due to the absorption of deep UV light can be almost completely suppressed.
  • FIG. 4E is suitable as a base structure (template) for devising the structure for improving the light extraction efficiency described in various embodiments described later.
  • the absorption of light propagating in the vertical direction can be suppressed in the deep ultraviolet LED, and the light extraction efficiency can be improved by 5 times or more compared to the conventional structure.
  • the deep ultraviolet LED according to the second embodiment of the present invention has irregularities on the other light extraction surface in addition to the reflective photonic crystal periodic structure provided in the transparent p-type AlGaN contact layer in the first embodiment.
  • a structure and a photonic crystal are provided to further improve the light extraction efficiency.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of such a structure.
  • the second photonic crystal periodic structure 110 is provided in addition to the first photonic crystal periodic structure 100 located in the range from the transparent p-type AlGaN contact layer 8 a to the interface of the Al reflective electrode 11.
  • the second photonic crystal periodic structure 110 is provided on the back surface of the sapphire substrate 1, and the second photonic crystal periodic structure 110 transmits light having a wavelength ⁇ by having a photonic band gap. It is a transmissive photonic crystal periodic structure.
  • the second photonic crystal periodic structure 110 includes a columnar structure 111 such as sapphire having a refractive index larger than that of the surrounding air. It is a perforated (pillar) structure formed in a triangular lattice shape with a period a along the x direction and the y direction.
  • a columnar structure 111 such as sapphire having a refractive index larger than that of the surrounding air. It is a perforated (pillar) structure formed in a triangular lattice shape with a period a along the x direction and the y direction.
  • FIG. 6 is an image diagram showing a state of TM light incident on a photonic crystal (pillar).
  • the electric field of TM light tends to stay in a dielectric spot that exists perpendicularly between pillar structure rods (pillars) 111 (p), and the average refractive index n av , period a, and design wavelength ⁇ are Bragg conditions. If the above condition is satisfied, it can be understood that the electric field surface is scattered by Bragg diffraction, that is, TM light is transmitted to the periodic structure surface in the present embodiment.
  • TM light An effective way to know the physical properties of photonic crystals by TM light is to obtain and analyze a photonic band (PB) structure from the plane wave expansion method.
  • PB photonic band
  • the eigenvalue equation of TM light is derived from the Maxwell equation as follows.
  • E ′
  • ⁇ relative dielectric constant
  • G reciprocal lattice vector
  • k wave number
  • ⁇ frequency
  • c speed of light
  • E electric field.
  • PB photonic band
  • the ratio of the period a to the radius R (R / a) in the photonic crystal periodic structure 110 is a value determined so as to improve the light transmission effect based on the photonic band of TM light.
  • FIG. 8B is a flowchart showing a processing example of a calculation simulation for determining the photonic crystal periodic structure 110 according to the second embodiment of the present invention.
  • Step S1 In step S1, R / a (R: radius, a: period) is changed, for example, in 0.01 steps within a range of 0.20 ⁇ R / a ⁇ 0.40.
  • Step S2 Since the scattered wave that satisfies the Bragg condition corresponds to one of the photonic bands (PB), the period a that transmits the design wavelength ⁇ is related by the Bragg equation.
  • the focused photonic band is a scattered wave (k + G) that satisfies the Bragg condition.
  • n av 1.435.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the PBG of TM light and R / a in the second photonic crystal structure (pillar structure) 110.
  • the photonic band gap (PBG) between 1 st PB-2 nd PB and 3 rd PB-4 th PB is defined as PBG1 and PBG2, respectively, and the relationship between R / a and PBG is shown in FIG.
  • ⁇ PhC is the wavelength in the photonic crystal (PhC).
  • the reason for selecting the second photonic band (2 nd PB) and the fourth photonic band (4 th PB) is that PBG1 and PBG2 are 0.20 ⁇ R / a ⁇ 0 as shown in FIG. This is because the second photonic band (2 nd PB) and the fourth photonic band (4 th PB) generate standing waves at each symmetry point, and then change the light propagation direction.
  • FIGS. 10A and 10B These principles will be described with reference to FIGS. 10A and 10B.
  • the second photonic band (2 nd PB) results in a standing wave at each point of symmetry R / a, is that the R / a of closest or meet at a wavelength 265nm and a point in a vacuum.
  • FIG. 12A shows a photonic band structure of wavelength ⁇ 3 (order) and wave number in vacuum related to the second photonic band (2 nd PB).
  • a standing wave does not occur at any R / a where 0.20 ⁇ R / a ⁇ 0.40.
  • the phase is increased in proportion to the order, and the phase becomes the same at R / a, and a standing wave is generated.
  • There is a standing wave with 5 and 6 antinodes in a period length of m 3.
  • the fourth photonic band (4 th PB) of all R / a obtained in step S4 is obtained.
  • FIG. 12B Multiplied by 5 integers is shown in FIG. 12B, and multiplied by 6 integers is shown in FIG. 12C.
  • FIG. 13A shows a photonic band structure of wavelength and wave number in vacuum for the second photonic band (2 nd PB).
  • FDTD method finite time domain difference method
  • Step S8 Compare the output of the entire LED element and the output in the axial direction (angle 5 ° to 20 °), and distribute light in the axial direction from R / a and order m, which have a large increase / decrease rate of light extraction efficiency (LEE). R / a and order m excellent in properties are selected. Therefore, the diameter, period, and depth, which are parameters for optimizing the photonic crystal, are determined.
  • step S7 The calculation result of step S7 is shown in Table 11 and FIG.
  • Po (W) in Table 11 indicates the output of the entire LED element
  • Po ( ⁇ 20 °) indicates the output in the axial direction.
  • FIG. 25 is a graph showing the angle distribution of the output and the light distribution of the LED. From the above results, since the LEE and the axial output of the photonic crystal corresponding to each R / a show high values, the above optimization method is appropriate.
  • the deep ultraviolet LED according to the present embodiment includes a reflective photonic crystal structure (first photonic crystal periodic structure) provided on a transparent p-type AlGaN contact layer and a transmissive photonic crystal periodic structure provided on the back surface of a sapphire substrate ( In addition to the second photonic crystal periodic structure), a periodic structure (uneven structure) described below is added to improve the light extraction efficiency.
  • FIG. 14A is a cross-sectional view showing a configuration example of the deep ultraviolet LED according to the present embodiment
  • FIG. 14B is a perspective view (bird's eye view) thereof.
  • the nano-PSS and the coupled pillar periodic structure 220 are truncated cone structures formed in a triangular lattice shape with a period a along the x and y directions. It is.
  • the surface of the sapphire substrate 1 (the lower surface in FIG. 14A) has, for example, a nano PSS (Patterned Sapphire Substrate) periodic structure (triangular pyramid shape or conical hole) 220a having a period of about 1 ⁇ m.
  • Such a concave structure can be formed by processing the surface by a wet etching method using a mask pattern such as a photoresist formed on the surface of the sapphire substrate 1.
  • an AlN film is epitaxially grown by about several ⁇ m in the nano-PSS periodic structure 220a using the CVD method or the like. Then, the concave structure is filled with the AlN film, and an AlN-coupled pillar 220b having a hexagonal frustum made of AlN is selectively formed in the thickness direction thereon. Ultimately, it becomes a flat epi film.
  • the crystallinity of the quantum well layer 5 is higher than that of the conventional case. And the internal quantum efficiency (IQE) of the deep ultraviolet LED is improved.
  • the deep ultraviolet light emitted from the quantum well layer 5 propagates through the formed hexagonal frustum AlN coupling pillar 220b as a waveguide and enters the sapphire substrate 1, Total internal reflection at the interface between the sapphire substrate 1 and the nano-PSS periodic structure 220a is suppressed, and the light extraction efficiency is improved.
  • a calculation model to be analyzed by the FDTD method has a design wavelength of 265 nm and a polarization degree of 0.07. Specific structural examples are shown in FIGS. 15A to 15C, respectively.
  • Table 5 shows the film thickness of each structure.
  • the diameter / period / depth of the photonic crystal (pillar) provided on the back surface of the sapphire substrate was 258 nm / 369 nm / 300 nm.
  • FIG. 15A shows a structure in which a transparent p-type AlGaN contact layer 8a that does not absorb deep ultraviolet light is provided, and a photonic crystal (pillar) periodic structure formed on the back surface of the sapphire substrate 1 in order from the top of the drawing ( (Second photonic crystal periodic structure) 110, sapphire substrate 1, nano-PSS (triangular pyramid-shaped) periodic structure 220a formed on the surface of sapphire substrate 1, AlN coupled pillar 220b, n-type AlGaN layer 3, barrier layer 4, The quantum well layer 5, the barrier layer 6, the electron blocking layer 7, the transparent p-type AlGaN contact layer 8 a, the photonic crystal (hole) periodic structure (first photonic crystal periodic structure) 100, and the Al reflective electrode 11.
  • the calculation was performed by omitting the ultrathin Ni layer (1 nm) due to the limitation of calculation resources.
  • FIG. 15B is a structure for observing a decrease in output due to absorption when the thickness of the Ni layer 10 is increased to 10 nm with respect to the structure shown in FIG. 15A. From the top of the drawing, the steps up to the electronic block layer 7 are the same as in FIG. 15A.
  • the subsequent structure is a transparent p-type AlGaN contact layer 8 a, a photonic crystal (hole) periodic structure 100, a Ni layer 10, and an Al reflective electrode 11.
  • FIG. 15C shows a structure having a p-type GaN contact layer 9 that absorbs deep ultraviolet light and a Ni layer 10 (10 nm). From the top of the drawing, the structure up to the electron blocking layer 7 is the same as that shown in FIG. 15A. is there.
  • the subsequent structure is a p-type AlGaN layer 8, a p-type GaN contact layer 9, a photonic crystal (hole) periodic structure 100, an Ni layer 10, and an Al reflective electrode 11.
  • the output magnification of the output value in the other structure relative to the output value in the conventional structure of FIG. 4A was obtained. Further, due to the limitation of calculation resources, the output magnification of the structure of FIG. 15A in which the output magnification was calculated by omitting the ultrathin Ni layer 1 nm was set to a magnification corresponding to 7% output reduction in the ultrathin Ni layer 1 nm in another analysis. Corrected by subtracting. Then, the light extraction efficiency (LEE) of the conventional structure of FIG. 4A was set to 10%, and LEEs of other structures were obtained by multiplying by the correction magnification (see Table 6).
  • LEE light extraction efficiency
  • FIG. 15A A structure in which a transparent p-type AlGaN contact layer / photonic crystal (hole) periodic structure / ultra thin film Ni layer (1 nm) is mounted as shown in FIG. 15A, a photonic crystal (pillar) periodic structure and nano-PSS on the back surface of the sapphire substrate.
  • the light extraction efficiency increased by another 2% from 25% to 27% of the structure of FIG. 4E.
  • the structure based on transparent p-type AlGaN contact layer / photonic crystal (hole) periodic structure / ultra thin film Ni layer (1 nm) can suppress the absorption of deep ultraviolet light. Therefore, for example, it can be used as a base for various structural improvements for improving the light extraction efficiency such as the nano-PSS-derived AlN bonded pillar structure.
  • the deep ultraviolet LED according to the fourth embodiment of the present invention is based on the deep ultraviolet LED (FIG. 15A) having the nano-PSS-derived AlN-bonded pillar structure in the third embodiment. ing. Then, after forming a deep ultraviolet LED comprising transparent p-type AlGaN contact layer 8a / photonic crystal (hole) periodic structure 100 / ultra-thin film Ni layer (1 nm) 10a, a support substrate 31 is pasted on the Al reflective electrode layer 11 side. Then, the sapphire substrate 1 is peeled off and the AlN coupled pillar 220b is used as a light extraction surface.
  • the structure include an AlN coupled pillar 220b, an n-type AlGaN layer 3, a barrier layer 4, a quantum well layer 5, a barrier layer 6, an electron block layer 7, a transparent p-type AlGaN contact layer 8a, a photonic crystal (Hole) Periodic structure 100, ultrathin Ni layer 10a, Al reflective electrode layer 11, and support substrate 31.
  • an AlN coupled pillar 220b an n-type AlGaN layer 3, a barrier layer 4, a quantum well layer 5, a barrier layer 6, an electron block layer 7, a transparent p-type AlGaN contact layer 8a, a photonic crystal (Hole) Periodic structure 100, ultrathin Ni layer 10a, Al reflective electrode layer 11, and support substrate 31.
  • the first feature is that the sapphire substrate 1 is peeled off. LED light is extracted from the four surfaces of the back surface and the side wall of the sapphire substrate 1.
  • the ratio of internal disappearance due to total internal reflection on the four surfaces of the side wall of deep ultraviolet light emitted and propagated in the quantum well layer 5 is large. Therefore, when the sapphire substrate 1 is peeled off, the depth (thickness) of the portion constituted by the semiconductor excluding the sapphire substrate 1 is about several ⁇ m, and the surface area of the four side walls constituted thereby is the front (surface). Smaller than the surface area. Therefore, the internal disappearance is negligible.
  • the second feature is that since the AlN coupled pillar 220b is exposed, deep ultraviolet light is directly emitted from the AlN coupled pillar 220b into the air.
  • This AlN coupled pillar 220b has a great effect as a waveguide, and light is extracted from the LED in a condensed form from the front, so the axial light extraction efficiency (5 ° to 20 °) is remarkably improved. Is done.
  • the third feature is that by sticking the support substrate 31 having excellent thermal conductivity, the external emission efficiency of heat is improved and the lifetime of the deep ultraviolet LED is extended.
  • Such a deep ultraviolet LED according to the fourth embodiment will be described more specifically.
  • the calculation model analyzed by the FDTD method has a design wavelength of 265 nm and a degree of polarization of 0.07, and has a structure similar to that shown in FIG.
  • the calculation model is, in order from the top, an AlN coupled pillar 220b (4 ⁇ m), an n-type AlGaN layer 3 (1.4 ⁇ m), a barrier layer 4 (10 nm), a quantum well layer 5 (10 nm), The barrier layer 6 (10 nm), the electron blocking layer 7 (40 nm), the transparent p-type AlGaN contact layer 8a (350 nm), the Al reflective electrode layer 11 (210 nm), and the support substrate 31 (10 ⁇ m).
  • the total film thickness is 16,030 nm, which is the same film thickness as the model of each embodiment described above.
  • the output value was obtained in the far field, and the output magnification of the output value in the other structure of each embodiment with respect to the output value in the conventional LED structure shown in FIG. 4A was obtained.
  • the output magnification of the LED structure shown in FIG. 16 in which the output magnification was calculated by omitting the ultra-thin Ni layer 1 nm due to the limitation of calculation resources corresponds to an output reduction 7% in the ultra-thin Ni layer 1 nm in a separate analysis. The magnification to be corrected is subtracted.
  • the light extraction efficiency (LEE) of the conventional LED structure shown in FIG. 4A was set to 10%, and LEEs of other LEE structures were obtained by multiplying the correction magnification (see Table 7A).
  • Table 7A is a table showing characteristics of the structure of FIG. 15A and the structure of FIG.
  • the LED structure of FIG. 16 according to this embodiment has the highest light extraction efficiency of 27%.
  • the magnification of the light extraction efficiency in the on-axis direction is 6.7 times higher than that of a conventional deep ultraviolet LED having a p-type GaN contact. This value is larger than the value in FIG. 15A.
  • peeling the sapphire substrate 1 suppresses deterioration of the light extraction efficiency due to total internal reflection at the side wall of the substrate 1, and improves the light extraction efficiency in the axial direction due to the waveguide effect of the AlN coupled pillar 220b.
  • the photonic crystal (hole) periodic structure 100 included in the LED structure shown in FIG. 16 also contributes to the light extraction efficiency in the axial direction. Therefore, in order to verify the waveguide effect of the single AlN coupled pillar 220b, the structure of FIGS. 4A and 4B and the structure of FIG. 16 excluding the photonic crystal (hole) periodic structure 100 (“AlN coupled pillar LED”).
  • Table 7B shows the results of direct comparison of the on-axis output magnifications of the LED structures by creating a calculation model and analyzing by the FDTD method.
  • FIG. 4A is a structure of a conventional LED having a p-type GaN contact layer
  • the structure of FIG. 4B is an LED structure in which the p-type GaN contact layer is replaced with a transparent p-type AlGaN contact layer.
  • FIG. 23 is a diagram showing the light distribution of a conventional LED, a transparent p-type AlGaN contact layer LED, and an AlN coupled pillar LED.
  • Table 7B shows output values obtained by adding all outputs from 5 ° to 90 ° in FIG. 23 (the horizontal direction is 90 ° and the vertical direction is 0 °).
  • the axial power factor of the AlN-coupled pillar in the AlN-coupled pillar LED is 4.9 times that of the conventional LED structure, and that of the transparent p-type AlGaN contact layer-based structure. was 2.6 times higher.
  • the deep ultraviolet LED according to the present embodiment is outside the deep ultraviolet LED structure described in the third embodiment and the fourth embodiment.
  • a transparent resin structure is formed by an encapsulation process or the like.
  • 17A and 17B are cross-sectional views showing examples of LED structures.
  • an encapsulating resin 41 is provided outside the structure of FIG. 15B.
  • a photonic crystal (pillar) periodic structure 110 is formed on the back surface of the sapphire substrate 1 from the sapphire substrate 1 side to the front surface side (the lower side in the figure).
  • nano-PSS (triangular pyramid-shaped) periodic structure 220a AlN coupled pillar 220b, n-type AlGaN layer 3, barrier layer 4, quantum well layer 5, barrier layer 6, electron blocking layer 7, transparent p A type AlGaN contact layer 8a, a photonic crystal (hole) periodic structure 100, an ultrathin Ni layer 10a, an Al reflective electrode 11, and an encapsulating resin 41.
  • the LED structure shown in FIG. 17B is the same structure as FIG. 16, and the AlN coupled pillar 220b, the n-type AlGaN layer 3, the barrier layer 4, the quantum well layer 5, the barrier layer 6, The electron block layer 7, the transparent p-type AlGaN contact layer 8 a, the photonic crystal (hole) periodic structure 100, the ultrathin film Ni layer 10 a, the Al reflective electrode 11, the support substrate 31, and the encapsulating resin 51.
  • the difference in the refractive index between the semiconductor layer and air is large on the four side walls of the sapphire substrate 1, and total internal reflection occurs at the interface.
  • the effects of total internal reflection on the side surface of the sapphire substrate 1 are mitigated by enclosing transparent resins 41 and 51 having a refractive index intermediate between air and side walls in a position surrounding the outside of the deep ultraviolet LED structure.
  • the light extraction efficiency can be improved.
  • the influence of internal disappearance due to total internal reflection on the four surfaces of the side wall of the sapphire substrate 1 of the deep ultraviolet light emitted and propagated in the quantum well layer 5 is great.
  • the surface area of the side wall 4 surface having a semiconductor portion depth of about several ⁇ m is smaller than the front surface area, so that the internal disappearance is negligible.
  • a calculation model analyzed by the FDTD method has a design wavelength of 265 nm and a degree of polarization of 0.07.
  • the specific structure is the same as that shown in FIGS. 15B and 16 except for the ultra-thin Ni layer (1 nm) 10a that is omitted due to the limitation of calculation resources.
  • Table 8 shows the film thickness of each structure.
  • the output value was obtained in the far field, and the output magnification of the output value in the other structure (FIGS. 17A and 17B) with respect to the output value of the deep ultraviolet LED in the conventional structure of FIG. 4A was obtained.
  • the values in Table 8 were corrected by subtracting a magnification corresponding to 7% output reduction of the ultrathin Ni layer 1 nm, which was omitted in the calculation model analyzed by the FDTD method.
  • the value of the light extraction efficiency in the axial direction (5 ° to 20 °) is also shown.
  • the light extraction efficiency (LEE) of the conventional structure deep ultraviolet LED of FIG. 5A was set to 10%, and the LEE of other structures (FIGS. 17A and 17B) was obtained by multiplying by the correction magnification (see Table 9).
  • both FIGS. 17A and 17B show the highest light extraction efficiency of 31%. It was confirmed that encapsulating the entire deep ultraviolet LED with a transparent resin alleviates total internal reflection and improves light extraction efficiency.
  • the entire deep ultraviolet LED is encapsulated with a transparent resin, thereby reducing internal total reflection and improving light extraction efficiency.
  • the deep ultraviolet LED according to the sixth embodiment of the present invention has a package structure in which an Al reflective film 61 is provided on the outer side wall of the deep ultraviolet LED described in the third and fifth embodiments. Some improve the light extraction efficiency.
  • 18A and 18B are cross-sectional views showing an example of the structure. 18A shows a structure corresponding to FIG. 14A, and FIG. 18B shows a structure corresponding to FIG. 17A.
  • the light emitted to the outside of the LED is designed to be reflected by the Al reflecting film 61 in the upper direction of the drawing. Therefore, the light extraction efficiency from the axial direction is remarkably improved.
  • a calculation model analyzed by the FDTD method has a design wavelength of 265 nm and a polarization degree of 0.07.
  • the structure used for the analysis is shown in a cross-sectional structure in FIGS. 19A and 19B corresponding to FIGS. 18A and 18B.
  • the film thickness of the specific structure is the same as the structure of FIG. 17A shown in Table 8.
  • FIGS. 19A and 19B differs from the actual structure of FIGS. 18A and 18B due to the limitation of calculation resources, and the Al reflective film (thickness 200 nm) 61a provided on the side wall portion is opposite to the LED semiconductor interface A vertically standing structure was adopted.
  • the output monitor for detecting the output was placed only in the upper part, the output value was obtained in the far field, and the output magnification of the upper output value in the other structure with respect to the upper output value in the conventional structure in FIG. 4A was obtained. Further, correction was made by subtracting a magnification corresponding to 7% output reduction of the ultra-thin Ni layer 1 nm, which was omitted in the model. Furthermore, the light extraction efficiency in the on-axis direction (5 ° to 20 °) was added. Then, the light extraction efficiency (LEE) of the conventional structure of FIG. 4A was set to 10%, and LEEs of other structures were obtained by multiplying by the correction magnification (see Table 10).
  • the output magnification in the axial direction (5 ° to 20 °) is 7.1 to 7.7 times that of the conventional structure, which is a significant improvement.
  • the reflectivity of deep ultraviolet light in the Al reflective electrode and Al reflective film is about 90%, this result is highly efficient compared to 80% of commercially available blue / white LEDs.
  • the base structure that can be realized by the device according to each embodiment of the present invention, in particular, the appropriate arrangement of the photonic crystal periodic structure according to the first and second embodiments, the third to third
  • the seventh embodiment of the present invention shows that the photonic crystal periodic structure, nano-PSS periodic structure, etc. described in each of the above embodiments can be processed using a transfer technique based on the nanoimprint lithography method. It is.
  • Nanoimprinting has an excellent technique for transferring a photonic crystal pattern of a mold in a large area to an organic resist spin-coated on a substrate. Also, if a resin film mold is used, transfer is possible even if the substrate is warped by several hundred microns.
  • the organic imprinting resist for nanoimprinting does not necessarily have a sufficient etching selectivity with respect to the material that is the pattern formation portion in order to emphasize fluidity. Further, the pattern size of the mold does not match the pattern formation portion size after etching. In order to solve this problem, a process using a two-layer resist is performed as follows.
  • a transfer technique using a two-layer resist method is used in which a lower layer resist having a high etching selectivity is coated on a structure to be processed, and an upper layer resist having fluidity and oxygen resistance is coated thereon.
  • a mold for transfer and a resin film for the mold. More specifically, as an example, an organic lower layer resist is spin-coated on the substrate surface on which the periodic structure is formed.
  • a silicon-containing upper resist is spin-coated on the lower resist surface.
  • the periodic structure is transferred onto the upper resist surface using a nanoimprint lithography method using a mold.
  • the upper resist to which the periodic structure has been transferred is exposed to oxygen plasma to impart oxygen resistance, and the remaining upper resist remaining in the nanoimprint transfer is removed.
  • the organic lower resist is etched with oxygen plasma to form a mask for dry etching of the substrate.
  • the substrate is dry-etched with ICP plasma.
  • the above steps 1) to 6) are a transfer technique using a two-layer resist method on a substrate.
  • the thickness of the lower layer resist is changed to be about 1.5 times the depth of the periodic structure on the mold (an example of a sapphire substrate).
  • the etching depth can be obtained on the transfer object.
  • the upper resist By changing the oxygen plasma conditions at the time of forming the mask of the lower layer resist by, the size of about 30% can be adjusted with respect to the diameter of the periodic structure on the mold.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a periodic structure according to the present embodiment.
  • a transfer technique based on a nanoimprint lithography method using a two-layer resist having both characteristics of fluidity and etching selectivity is used.
  • a photonic crystal periodic structure having a fine pattern of nm order was transferred to a sapphire substrate as an example.
  • a mold for accurately reproducing the periodic structure optimized in each of the above implementations on a sapphire substrate is created.
  • a resin mold can be used so as to follow the warp of the sapphire substrate 81.
  • an organic lower layer resist 83 having a large etching selectivity is spin-coated on the sapphire substrate 81 with a thickness g.
  • the thickness g is selectively determined according to the etching selectivity of the lower layer resist 83 with respect to the sapphire substrate 81.
  • a silicon-containing upper layer resist 85 having fluidity and oxygen resistance function is spin-coated at a predetermined thickness on the surface of the lower layer resist 83 (FIG. 20A).
  • a mold pattern (resin mold) 87 and 89 is transferred to the upper resist 85 using a nanoimprint apparatus (FIG. 20B).
  • the upper resist 85 to which the mold patterns 87 and 89 have been transferred is exposed to oxygen plasma to impart oxygen resistance, and the remaining upper resist remaining in the nanoimprint transfer is removed. (FIG. 20 (c)). Thereby, the upper resist pattern 85a is formed.
  • the organic lower resist 83 is etched with oxygen plasma to form a pattern mask 85b for dry etching the sapphire substrate 81 (FIG. 20D).
  • the diameter d 1 on the sapphire substrate 81 side of the pattern mask shown in FIG. 20E can be finely adjusted within a range of about 30% of d 1 by adjusting the oxygen plasma conditions.
  • the sapphire substrate 81 is dry-etched with ICP plasma through a pattern mask, and the periodic structure 81a optimized according to each embodiment of the present invention can be formed on the sapphire substrate 81 (FIG. 20 (e)). ).
  • the shape after etching is a trapezoidal shape of d 1 ⁇ d 2 as shown in FIG. 20F, and the side wall angle depends on the etching selectivity of the organic lower layer resist. If the thickness g of the organic underlayer resist is changed, the depth of the photonic crystal periodic structure formed on the sapphire substrate 81a after the dry etching can be easily increased by about 1.5 times the depth of the mold. It can be.
  • the diameter of the periodic structure can be easily changed about 30%. Therefore, it eliminates the manufacturing time of the mold and contributes to cost reduction, which is a great merit in terms of manufacturing cost of the semiconductor light emitting device.
  • FIGS. 21A to 21C are actual SEM photographs (nanoimprint process phC pillar cross-section SEM) when the steps of FIGS. 20B, 20E, and 20F are performed. Are shown as “nanoimprint”, “pattern mask formation” and “dry etching / ashing”, respectively.
  • processing and control capable of producing a clean periodic structure are software processing by CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit), ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or FPGA ProGraFed (GProGraGiFraGiGraGiFraGiGiFraGiGiFraGiGiFraG It can be realized by hardware processing.
  • Each component of the present invention can be arbitrarily selected, and an invention having a selected configuration is also included in the present invention.
  • a program for realizing the functions described in the present embodiment is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed to execute processing of each unit. May be performed.
  • the “computer system” here includes an OS and hardware such as peripheral devices.
  • the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
  • the “computer-readable recording medium” means a storage device such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included.
  • the program may be a program for realizing a part of the above-described functions, and may be a program that can realize the above-described functions in combination with a program already recorded in the computer system. At least a part of the functions may be realized by hardware such as an integrated circuit.
  • the present invention can be used for deep ultraviolet LEDs.
  • a period of the photonic crystal periodic structure
  • R radius of the periodic structure
  • h processing depth of the periodic structure
  • 1 ... sapphire substrate 2 ... AlN buffer layer, 3 ... n-type AlGaN layer, 4 ... barrier layer, 5 Quantum well layer 6 Barrier layer 7
  • Electron blocking layer 8 p-type AlGaN layer 8a Transparent p-type AlGaN contact layer 10 Ni layer 10a Ultra-thin Ni layer 11 Al reflective electrode layer , 31 ... support substrate, 41, 51 ... encapsulating resin, 61, 71 ... Al reflective film, 100 ... first (reflective) photonic crystal periodic structure, 101 (h) ... circular hole (columnar structure (hole)) 110 ... second photonic crystal periodic structure, 111 (p) ... pillar, 220 ... nano PSS and coupled pillar periodic structure, 220a ... nano PSS periodic structure, 220b ... AlN coupled pillar.

Landscapes

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Abstract

設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、Ａｌ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、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フォトニック結晶周期構造を有し、かつ、前記フォトニック結晶周期構造は、フォトニックバンドギャップを有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

Description

深紫外ＬＥＤ及びその製造方法
　本発明はＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤ技術に関する。
　発光波長２６５ｎｍ付近の深紫外ＬＥＤは、近年、殺菌・浄水用途として注目されている。図２２は、一般的な従来の深紫外ＬＥＤの構造の一例を示す断面図である。図２２に示されたＬＥＤにおいて、量子井戸層５で発光した光は、バリア層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、ＡｌＮバッファー層２及びサファイア基板１を通じて上部方向（空気中）に出射される。この時、スネルの法則に従い、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、ＡｌＮバッファー層２、サファイア基板１、空気間の屈折率差によって一部の光が内部全反射されてＡｌ（又はＡｕ）反射電極層１１の方向に向かい、ｐ型ＧａＮコンタクト層９やＮｉ層１０でほとんどが吸収されて内部消失してしまう。
　一方、量子井戸層５で発光し下部方向に伝搬した光もｐ型ＧａＮコンタクト層９やＮｉ層１０で吸収され、ほとんどの光が消失される。
　従って、図２２に示す構造においては、５０％を超える光が内部消失されることになる。この時の外部量子効率（ＥＱＥ）は約５％、光取出し効率（ＬＥＥ）は約１０％である。
　特許文献１によれば、サファイア基板の表面や側面に凹凸構造を設けて内部全反射を抑制して光取出し効率を２０％程度改善させることが開示されている。
　また、光取出し効率を上げる新たな方法として、光の波長程度の周期を有するフォトニック結晶周期構造を光取出し層に形成する技術が紹介されている。フォトニック結晶周期構造は、異なる屈折率を有する２つの構造体の界面において形成され、主にピラー構造又はホール構造からなる凹凸であることが一般的である。そして、この周期構造が形成された領域では光の存在が禁止されることで全反射が抑制され、これを利用することで光取出し効率の向上に寄与することが知られている（特許文献２参照）。
　また、下記非特許文献１では、深紫外光を吸収するｐ型ＧａＮコンタクト層を深紫外光に対して透明な透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に置き換え、更にＮｉ層の厚さを１ｎｍ程度と極力薄くして光取出し効率を１．７倍に改善させた旨の報告がなされている。
特開２０１４－６８０１０号公報 特許第５３１５５１３号公報
ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（２０１４．２）ＮＯ．３８６　平成２６年２月１０日発行、５６（総論）、素子透明化によるＡｌＧａＮ深紫外ＬＥＤの光取出し効率の高効率化、ｐｐ.５８－６６.
　特許文献１では、図２２の上部方向（基板側）に伝搬した光の吸収の抑制に関しては一部改善している。
　しかしながら、量子井戸層で発光し図２２の下部方向（反射電極側）に伝搬した光はｐ型ＧａＮコンタクト層やＮｉ層でほとんど吸収されているため、発光効率の改善に関する根本的な解決には至っていない。
　特許文献２に記載された発光素子に作成されたフォトニック結晶は光取出し効率改善を目的としているが、ｐ型ＧａＮコンタクト層やＮｉ層での吸収を抑制するための具体的な開示はない。
　また、非特許文献１では、図２２の下部方向（反射電極側）に伝搬した光の吸収の改善はなされているが、Ｎｉ（１ｎｍ）／Ａｌ反射電極の反射率は７０％程度であり、若干光が吸収されてしまうという問題が解決できていない。
　本発明は、深紫外ＬＥＤにおいて、上下方向に伝搬する光の吸収を抑え、光取出し効率をさらに改善することを目的としている。
　本発明の第一の観点によれば、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、Ａｌ反射電極層と、オーミックコンタクトのための極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ程度）と、波長λに対して透明な透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、少なくとも前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向に、或いは前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層から前記極薄膜Ｎｉ層を含む前記Ａｌ反射電極層との界面を含む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有し、かつ、前記フォトニック結晶周期構造は、フォトニックバンドギャップを有することを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。
　このフォトニック結晶周期構造は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の波長２６５ｎｍにおける屈折率２．６０に対して屈折率差が大きい円柱状空孔（屈折率１．０）で、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ＴＥ光を反射し、フォトニックバンドギャップの大きさに比例してその効果が顕著となる。更に、量子井戸層からフォトニック結晶周期構造までの距離が近いほど、立体角が大きくなり反射効果が顕著となる。
　一方、ＴＭ光はフォトニック結晶周期構造を透過して極薄膜Ｎｉ層とＡｌ反射電極層に通じるが、ＴＭ光のフォトニックバンドギャップが開かない為に、その透過率は小さくＡｌ反射電極層における吸収が著しく抑制される。従って下部方向、すなわち反射電極層に伝搬する光をほぼ完全に反射する事ができる。
　本発明の第二の観点によれば、前記反射構造は深紫外光の吸収を無視できるので青色ＬＥＤや白色ＬＥＤに見られる光取出し効率を改善する様々な手法とその効果を最大限に利用できる。具体的には、屈折率の有る界面にフォトニック結晶（ＰｈＣ）などの凹凸構造を設けて内部全反射を抑制して光取出し効率を改善する方法や、サファイア基板を剥離して半導体層部の光取出し面積を増やして光取出し効率を改善する方法や、ＬＥＤ素子全体を樹脂で封入して内部全反射を抑制して光取出し効率を改善する方法などである。
　また、本発明の第三の観点によれば、深紫外ＬＥＤの製造方法であって、設計波長をλとし、Ａｌ反射電極層と、極薄膜Ｎｉ層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを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、少なくとも前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向に、或いは前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層から前記極薄膜Ｎｉ層を含む前記Ａｌ反射電極層との界面を含む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、或いは異なる屈折率を有する界面にフォトニック結晶などの凹凸構造を形成するための、或いはサファイア基板を剥離して得られる半導体層部の光取出し面にフォトニック結晶などの凹凸構造を形成するための、或いはＬＥＤ素子全体を樹脂で封入してその界面にフォトニック結晶などの凹凸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積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶などの周期構造を形成する工程とを有する深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。
　本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２０１５－００７１０８号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。
　本発明によれば、深紫外ＬＥＤの光取出し効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
本発明の第１の実施の形態による深紫外ＬＥＤの一構造例を示す断面図である。 図１Ａの変形例による深紫外ＬＥＤの一構造例を示す断面図である。 フォトニック結晶（ホール）に入射したＴＥ光及びＴＭ光の様子を示すイメージ図である。 ＴＥ光のＰＢＧとＲ／ａの関係を示す図である。 ＴＭ光のＰＢＧとＲ／ａの関係を示す図である。 従来型深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を備えた深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とＮｉ層（１０ｎｍ）を備えた深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 図４Ａの構造にフォトニック結晶周期構造を設けた計算モデルを示す断面図である。 図４Ｂの構造にフォトニック結晶周期構造を設けた計算モデルを示す断面図である。 図４Ｃの構造にフォトニック結晶周期構造を設けた計算モデルを示す断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／極薄膜Ｎｉ層ベースの構造にフォトニック結晶を２か所に設けた深紫外ＬＥＤの一構造例を示す図である。図４Ｅの構造のサファイア基板上に第２のフォトニック結晶周期構造を設けた例を示す図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 フォトニック結晶（ピラー）に入射したＴＭ光透過の様子を示すイメージ図である。 フォトニック結晶のフォトニックバンド構造の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による第１のフォトニック結晶周期構造の決定のための計算シミュレーションの処理例を示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施の形態による第２のフォトニック結晶周期構造の決定のための計算シミュレーションの処理例を示すフローチャート図である。 第２の実施の形態による第２のフォトニック結晶周期構造（ピラー構造）におけるＴＭ光のＰＢＧとＲ／ａの関係を示す図である。 ブラッグ条件を満たす第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）の縦軸（ωａ／２πｃ）を真空中の波長λＶに換算した、次数ｍ＝１におけるλＶとｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグ条件を満たす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に換算した、次数ｍ＝１におけるλＶとｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 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。 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。 ブラッグ条件を満たす第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）の縦軸（ωａ／２πｃ）を真空中の波長λＶに換算して次数（ｍ＝３）で整数倍した、縦軸：３λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグ条件を満たす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に換算して５整数倍した、縦軸：３λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグ条件を満たす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に換算して６整数倍した、縦軸：３λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグの条件を満たす第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）の縦軸（ωａ／２πｃ）を真空中の波長λＶに換算して次数（ｍ＝４）で整数倍した、縦軸：４λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグの条件を満たす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に換算して６整数倍した、縦軸：４λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグの条件を満たす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に換算して７整数倍した、縦軸：４λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 ブラッグの条件を満たす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に換算して８整数倍した、縦軸：４λＶ、横軸：ｋａ／２πのフォトニックバンド構造を示す図である。 （ａ）は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／極薄膜Ｎｉ層ベースの構造にフォトニック結晶を２か所に設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーを設けた深紫外ＬＥＤの断面図であり、（ｂ）は平面図である。 図１４Ａの深紫外ＬＥＤの鳥瞰図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の構造に第１及び第２のフォトニック結晶をそれぞれ設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーを設けた深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とＮｉ層（１０ｎｍ）の構造に第１及び第２のフォトニック結晶をそれぞれ設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーを設けた深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 従来型深紫外ＬＥＤの構造に第１及び第２のフォトニック結晶をそれぞれ設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造を設けた深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 サファイア基板を剥離して支持基板を貼り付けた、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／極薄膜Ｎｉ層ベースの構造にフォトニック結晶（ホール）とナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーが光取出し面となる深紫外ＬＥＤの断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／極薄膜Ｎｉ層ベースの構造に第１及び第２のフォトニック結晶をそれぞれ設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造を設けた後、樹脂封入した深紫外ＬＥＤの断面図である。 サファイア基板を剥離して支持基板を貼り付けた、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／極薄膜Ｎｉ層ベースの構造にフォトニック結晶（ホール）とナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーが光取出し面とした後、樹脂封入した深紫外ＬＥＤの断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／極薄膜Ｎｉ層ベースの構造に第１及び第２のフォトニック結晶をそれぞれ設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造を設けた後、Ａｌ反射膜構造を設けた深紫外ＬＥＤの断面図である。 図１８Ａの構造に樹脂封入を施した深紫外ＬＥＤの断面図である。 透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層ベースの構造に第１及び第２のフォトニック結晶をそれぞれ設け、更にナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造を設けた後、Ａｌ反射膜構造を設けた深紫外ＬＥＤの計算モデルを示す断面図である。 図１９Ａの構造に樹脂封入した深紫外ＬＥＤの断面図である。 二層レジストによるフォトニック結晶形成プロセス詳細図である。 フォトニック結晶形成プロセスにおける断面ＳＥＭ像を示す図である。 従来型の一般的な深紫外ＬＥＤの構造を示す断面図である。 従来型ＬＥＤ，透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層ＬＥＤ，ＡｌＮ結合ピラーＬＥＤの配光性を示す図である。 Ａｌ反射電極と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の界面における出力増減率を示す図である。 フォトニック結晶最適化候補ＬＥＤの配光性を示す図である。
　以下に、本発明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。
　（第１の実施の形態）
　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。
　図１Ａ（ａ）及び図１Ａ（ｂ）にｘｙ平面図として示す通り、反射型フォトニック結晶周期構造１００は、円柱などの形状の、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａよりも屈折率が小さい空気などの半径がＲの円を断面とする柱状構造体１０１（ｈ）が、ｘ方向及びｙ方向に沿って周期ａで三角格子状に形成されたホール構造を有する。また、柱状構造体１０１（ｈ）は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａと電子ブロック層７の界面に到達していない構造である。フォトニック結晶周期構造１００を５０ｎｍ程度残さないとドライエッチングによる電子ブロック層７の損傷の可能性があるためである。
　尚、実際にデバイスを作成するプロセス上の観点から見た本実施の形態の変形例として、図１Ｂに示すように、柱状構造体１０１ａ（ｈ）は、極薄膜Ｎｉ層１０ａを貫通してＡｌ反射電極層１１内に達しているが、Ａｌ反射電極層１１と空気の界面までは到達していない構造であってもよい。
　上記の構造においては、量子井戸層５で発光した波長２６５ｎｍの深紫外光は、ＴＥ光とＴＭ光とが楕円偏光しながら媒質中を伝搬する。その偏光度は０．０７でＴＥ光／ＴＭ光の強度比は１．１７である。そしてこのフォトニック結晶周期構造１００がフォトニックバンドギャップを有し、底面部において、異なる屈折率をもつ透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａと空気を２つの構造体として形成され、これら構造体の平均屈折率をｎａｖ（ｎａｖは、周期ａと前記円孔の半径Ｒの関数）、周期ａとした場合に、次式（１）で示すブラッグ散乱条件を満たす時、このフォトニック結晶周期構造に入射したＴＥ光は反射されＴＭ光は透過される（図２（ａ）、（ｂ）参照）。
　ｍλ／ｎａｖ＝２ａ　　　（１）
　そして、円孔の半径Ｒと周期ａの比であるＲ／ａ、設計波長λ及び前記２つの構造体の屈折率ｎ１とｎ２に対応する各構造体の誘電率ε１及びε２を用いて、平面波展開法によりＴＥ光及びＴＭ光のフォトニックバンド構造を解析する。具体的には次式（２）、（３）で示すマクスウエルの波動方程式に入力し、その固有値計算を行う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　但し、Ｅ′＝｜ｋ＋Ｇ｜Ｅ（Ｇ）、ε：比誘電率、Ｇ:逆格子ベクトル、ｋ:波数、ω：周波数、ｃ:光速、Ｅ:電界である。
　Ｒ／ａを変数として、０．０１のステップで０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０の範囲でＴＥ光のフォトニックバンド構造を求め、フォトニックバンドギャップが確認できる第１フォトニックバンド（１ｓｔＰＢ）と第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）間のフォトニックバンドギャップをＰＢＧ１、第７フォトニックバンド（７ｔｈＰＢ）と第８フォトニックバンド（８ｔｈＰＢ）間のフォトニックバンドギャップをＰＢＧ４として、各ＰＢＧとＲ／ａの関係を求める。その結果を図３Ａに示す。
　同様にＴＭ光のフォトニックバンド構造を求め、１ｓｔＰＢと２ｎｄＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ１、３ｒｄＰＢと４ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ２、５ｔｈＰＢと６ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ３、７ｔｈＰＢと８ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ４として各ＰＢＧとＲ／ａの関係を求める。その結果を図３Ｂに示す。
　フォトニック結晶における状態密度（ρ）とは、どの周波数にどれだけのフォトンが存在できる状態が存在するかを示したものである。一様な媒質では状態密度は周波数に対して単調増加を示すだけであるが、フォトニック結晶においてはフォトニックバンドギャップの周波数領域ではρ（ω）＝０となる。フォトニックバンドギャップ付近での状態密度の急峻な変化や、その他の周波数の領域での鋭いピークは群速度がゼロとなることに起因している。そして、この群速度がゼロとなる代表的な対称点は、Ｍ点で２つの波がブラッグの回折により光の伝搬方向を変化させて定在波を作る。そしてこの状態密度の急峻な変化率はフォトニックバンドギャップの大きさにほぼ比例している。
　そこで、フォトニックバンドギャップの大きさと反射・透過効果の関係、並びに、深紫外ＬＥＤにおける光取出し効率（ＬＥＥ）増減率をＦＤＴＤ法による解析で求め、ＬＥＥ増減率が最大となるフォトニック結晶の直径ｄ、周期ａ及び深さｈを得る。
　より詳細な処理フローを図８Ａに示す。
（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。
（ステップＳ０２）
　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。
（ステップＳ０３）
　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Ｓ０４）
　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Ｓ０５）
　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Ｓ０６）
　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。
　これらの値は、ブラッグ散乱の式（式（１））において、波長λと周期ａの値が近くなる次数ｍを選択して求めれば良い。また、深さは図２に示すように周期ａ以上の深さｈを有することが望ましい。
　次に、本実施の形態について、より具体的に説明する。
　まず、フォトニック結晶のパラメータを設定するに当たり、ブラッグ散乱の式（式　　
（１）：ｍλ／ｎａｖ＝２ａ）の次数ｍを決定する。
　一例として、Ｒ／ａ＝０．４０のｎａｖを次式で計算する。
　ｎａｖ＝[ｎ２ ２＋（ｎ１ ２－ｎ２ ２）（２π／３０．５）（Ｒ／ａ）２]０．５＝１．８４８　（４）
　但し、ｎ１＝１．０、ｎ２＝２．６０である。
　次に、λ＝２６５ｎｍ、ｎａｖ＝１．８４８、ｍ＝１を式（１）に代入すると、ｍ＝１における周期ａ＝７１．７ｎｍが求まる。
　フォトニック結晶の周期は、発光波長に近いことが望ましいので、周期ａ＝２８８ｎｍとなる次数ｍ＝４を選択する。また、図２で示したように深さｈは周期ａ以上が望ましいため、ｈ＝３００ｎｍとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０の範囲においてＲ／ａを変数として０．０１ステップで変化させて各Ｒ／ａにおける直径ｄ、周期ａを求めてフォトニック結晶を設計し、表１の計算モデルを作成してＦＤＴＤ法でＬＥＥ増減率を求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　尚、ｈ＝３００ｎｍであり、ＬＥＥ増減率＝（出力２－出力１）／出力１である。
　但し、出力１はフォトニック結晶の無い構造（Ｆｌａｔ構造）での出力であり、出力２はフォトニック結晶周期構造を有する構造での出力であり、出力は放射パターン（遠方解）で求めた。更に、ＬＥＥ増減率はＬＥＤ素子全体の出力比較と軸上方向（角度５°～２０°）の出力比較を行った（表２参照）。
　また、表１のＡｌ反射電極と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の界面に近傍界用のモニターを設置した。フォトニック結晶で完全に反射されずに漏れてきた光を検出する目的である。そしてフォトニック結晶の無い構造（Ｆｌａｔ構造）に対する各Ｒ／ａに対応するフォトニック結晶構造の上記出力を比較し増減率で求めた。（図２４参照）Ｒ／ａが増大するに従い、フォトニック結晶で反射されずに漏れてきた光の増減率が減少している。これはＡｌ反射電極における光の吸収・消失を抑制できる。結果としてＲ／ａの増大に従いＬＥＥが増加する。
　光源の波長は２６５ｎｍで偏光度は０．０７とした。尚、計算資源の制限により極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ）は省略した。表２の解析結果から、ＬＥＥ増減率はＲ／ａの値にほぼ比例している。そしてこのＲ／ａの値とＴＥ光におけるフォトニックバンドギャップの大きさがほぼ比例していることがわかる（図３Ａ参照）。この現象は以下のように説明できる。すなわち、ＴＥ光ではＰＢＧ１とＲ／ａの値が比例しているので、Ｒ／ａ＝０．４０の時に最も反射効果が大きくなる。
　一方、ＴＭ光（図３Ｂ参照）では、ＰＢＧ１及びＰＢＧ２のバンドギャップはほとんどゼロに近いが、ＰＢＧ３及びＰＢＧ４のバンドギャップが、０．３８≦Ｒ／ａ≦０．４０の範囲において僅かながら確認でき、若干の光が透過しＡｌ反射電極（反射率９０％）に到達する。
　この場合、Ａｌ反射電極（反射率９０％）において若干光が吸収され光取出し効率（ＬＥＥ）は微減となるが、ＴＥ光による反射効果の方が大きく勝っているので問題とならない。さらに、軸上方向（角度が５°～２０°）におけるＬＥＥ増減率の比較ではフォトニック結晶の効果が顕著であり、この完全に近い反射効果により青色や白色ＬＥＤのように様々な光取出し効率を向上させる構造の工夫が可能となった。
　以下に、第１の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤ技術を利用した具体的な構造とその効果について詳細に説明する。
　ＦＤＴＤ法で解析する計算モデルは設計波長が２６５ｎｍ、偏光度が０．０７で、具体的な構造の例を図４Ａ～図４Ｆまでに示す。また、用いた各構造の膜厚を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図４Ａは、図２２に示した従来型構造のＬＥＤの具体例を示す図であり、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、ｐ型ＡｌＧａＮ層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９、Ｎｉ層１０、Ａｌ反射電極１１である。
　図４Ｂは、深紫外光の吸収の無い透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａを設けた構造であり、サファイア基板１から電子ブロック層７までは図４Ａと同様であり、それよりも下の構造は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａ、Ａｌ反射電極１１となる。ただし、計算資源の制約上、極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ）は省略した。ここで、参考のために別の解析により求めた、Ｎｉ層１ｎｍ膜厚当たりの出力減は７％であった。
　図４Ｃは、図４Ｂの構造に対して、Ｎｉ層１０が１０ｎｍと厚くなった時の吸収による出力減を見積もるために、サファイア基板１から透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａまでは図４Ｂと同じ構造で、その下の構造は、Ｎｉ層１０、Ａｌ反射電極１１となっている。
　図４Ｄは、図４Ａの構造に対して、フォトニック結晶周期構造１００（Ｒ／ａ＝０．４０の円孔１０１（ｈ））を設けたものである。円空孔１０１（ｈ）は、ｐ型ＡｌＧａＮ層８からｐ型ＧａＮコンタクト層９とＮｉ層１０の界面までに位置し、その深さは３００ｎｍである。
　図４Ｅは、図４Ｂの構造に対して、フォトニック結晶周期構造１００（Ｒ／ａ＝０．４０の円空孔１０１（ｈ））を設けたものである。円空孔１０１（ｈ）は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａからＡｌ反射電極１１の界面までに位置し、その深さは３００ｎｍである。
　図４Ｆは、図４Ｃの構造に対して、フォトニック結晶周期構造１００（Ｒ／ａ＝０．４０の円空孔１０１（ｈ））を設けたものである。円空孔１０１（ｈ）は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａから透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａとＮｉ層１０の界面に位置しその深さは３００ｎｍである。
　上記の構造ごとに出力値を遠方界で求めた。
　また、図４Ａの従来型構造における出力値に対して、その他の新しい構造における出力値の出力倍率を求めた。さらに、計算資源の制約上、極薄膜Ｎｉ層１ｎｍを省略して出力倍率を算出した図４Ｂの構造並びに図４Ｅの構造の出力倍率に関しては、別解析における極薄膜Ｎｉ層１ｎｍにおける出力減７％に相当する倍率を差し引いて補正した値を示した。そして、図４Ａの従来型構造の光取出し効率（ＬＥＥ）を１０％として、補正倍率に掛け合わせてその他の構造のＬＥＥを求めた（表４参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　図４Ａの従来型構造に対し、図４Ｂの透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を設けると、ＬＥＥは１．６９倍となり、非特許文献１に記載の１．７倍にほぼ等しい値が得られた。また、図４Ｄ（従来型構造にＰｈＣを追加した構造）、図４Ｅ（透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層にＰｈＣを追加した構造）及び図４Ｆ（Ｎｉ層１０ｎｍと透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層にＰｈＣを追加した構造）を比較すると、図４ＦのようにＴＭ光がＰｈＣを僅かに透過し、ｐ型ＧａＮコンタクト層やＮｉ層１０ｎｍにおいて吸収されたために、フォトニック結晶周期構造による反射効果が完全では無いことがわかる。
　一方、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と極薄膜Ｎｉ層をベースに、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向の範囲内にフォトニック結晶周期構造を設けた図４Ｅの構造は、深紫外ＬＥＤに特有な深紫外光の吸収による出力減少をほぼ完全に抑止できる。
　従って、後述するような様々な実施の形態において説明した光取出し効率を向上させる構造などの工夫をするためのベース構造（テンプレート）としても図４Ｅの構造が適していることがわかる。
　以上のように、本実施の形態によれば、深紫外ＬＥＤにおいて、上下方向に伝搬する光の吸収を抑え、光取出し効率を従来構造に比べて５倍以上改善することができる。
　（第２の実施の形態）
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
　本発明の第２の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤは、第１の実施の形態における透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に設けた反射型フォトニック結晶周期構造に加えて、他の光取出し面に凹凸構造やフォトニック結晶を設けて、更に光取出し効率を向上させるものである。図５は、そのような構造の一例を示す断面図である。
　より具体的には、図５に示すように、図４Ｅの構造において、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａからＡｌ反射電極１１の界面までの範囲に位置する第１のフォトニック結晶周期構造１００に加えて、第２のフォトニック結晶周期構造１１０を有する。この第２のフォトニック結晶周期構造１１０は、サファイア基板１の裏面に設けられており、この第２のフォトニック結晶周期構造１１０は、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の光を透過する透過型フォトニック結晶周期構造である。第２のフォトニック結晶周期構造１１０は、図５（ａ）の断面図及び図５（ｂ）にｘｙ平面図として示す通り、周りの空気より屈折率の大きいサファイアなどの柱状構造体１１１が、ｘ方向及びｙ方向に沿って周期ａで三角格子状に形成された穿孔（ピラー）構造である。
　図６は、フォトニック結晶（ピラー）に入射したＴＭ光透過の様子を示すイメージ図である。図６に示すように、ＴＭ光の電界は、ピラー構造ロッド（ピラー）１１１（ｐ）間に垂直に存在する誘電スポットに留まりやすく、平均屈折率ｎａｖ、周期ａ及び設計波長λがブラッグ条件を満たす場合は、その電界面においてブラッグ回折により散乱、すなわち本実施の形態における周期構造面に対してはＴＭ光が透過することが理解できる。
　ＴＭ光によるフォトニック結晶の物理的性質を知る有効な方法は平面波展開法からフォトニックバンド（ＰＢ）構造を得て解析することである。ＴＭ光の固有値方程式はマクスウェル方程式から次のように導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　但し、Ｅ′＝｜ｋ＋Ｇ｜Ｅ（Ｇ）、ε：比誘電率、Ｇ:逆格子ベクトル、ｋ:波数、ω：周波数、ｃ:光速、Ｅ:電界である。
　図７は、フォトニック結晶の一例（ピラー構造：　Ｒ／ａ＝０．３５）のフォトニックバンド（ＰＢ）構造を示す図である。図７に示すように、フォトニック結晶の各対称点であるΓ点、Ｍ点、Ｋ点で縮退が解けて各散乱波が定在波を作る。
　図７に示すように、これらの対称点では、群速度異常（ｄω／ｄｋ＝０）が起こり、光の伝搬方向が変化する。従って、各フォトニックバンドの各対称点における光の物性に注目することでフォトニック結晶の光取出し効率や配光性最適化のための指針を得ることができる。
　そのために、Γ点、Ｍ点、Ｋ点で定在波を生じるフォトニックバンド（ＰＢ）に着目している。その理由は、界面での屈折率差が大きくなればなるほど、ＴＭ光の場合には、ＰＢＧが複数個以上出現するからである。
　フォトニック結晶周期構造１１０における、周期ａと半径Ｒの比（Ｒ／ａ）は、ＴＭ光のフォトニックバンドに基づいて光の透過効果が良くなるように決定された値である。
　以下に、上記の点に着目して行った計算機シミュレーションによる処理の流れの概要について説明する。図８Ｂは、本発明の第２の実施の形態によるフォトニック結晶周期構造１１０の決定のための計算シミュレーションの処理例を示すフローチャート図である。
（ステップＳ１）
　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。
（ステップＳ２）
　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。
　すなわち、ステップＳ２において、構造体の屈折率ｎ１、ｎ２、Ｒ／ａから平均屈折率ｎａｖを算出し、ブラッグの式ｍλ／ｎａｖ＝２ａに代入し次数ｍごとにａとＲを決定する。
　ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
である。
　また、フォトニック結晶の定義によれば、周期ａは波長λに近いとあり、次数ｍ＝３及び４における周期がこの波長領域に対応する。
　例えばＲ／ａ＝０．３５（ｍ＝４）では、次のように計算できる。
　ｎ１＝１．８４、ｎ２＝１．０とすると
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
である。
　従って、ｎａｖ＝１．４３５である。ブラッグの式に次数ｍ＝４、真空中の波長＝２６５ｎｍを代入するとａ＝３６９ｎｍとなる。また、Ｒ／ａ＝０．３５からｄ（２Ｒ）＝２５８ｎｍとなる。
（ステップＳ３）
　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。
　図９は、第２のフォトニック結晶構造（ピラー構造）１１０におけるＴＭ光のＰＢＧとＲ／ａの関係を示す図である。ここで、１ｓｔＰＢ－２ｎｄＰＢ間、３ｒｄＰＢ－４ｔｈＰＢ間のフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を其々ＰＢＧ１、ＰＢＧ２とし、Ｒ／ａとＰＢＧとの関係を図９に示す。
　図９に示すように、Ｒ／ａ＝０．２４、Ｒ／ａ＝０．３２において、各フォトニックバンドギャップの最大値が得られる。フォトニックバンドギャップの大きさと光取出し効率には相関性があるため、図９から得られるＲ／ａは次数に関わらず、ＬＥＥ等の最適化の有力な候補となる。
　（ステップＳ４）
　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。
　ここで、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）とを選択した理由は、図９に示すようにＰＢＧ１とＰＢＧ２が０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０で大きく開き、各対称点において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）が定在波を生じ、その後、光の伝搬方向を変えるからである。
　これらの原理について、図１０Ａ、図１０Ｂを参照しながら説明する。図１０Ａは、ブラッグの条件を満たす第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）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示す図である。図１０Ｂは、ブラッグの条件を満たす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示す図である。
　ここで、第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）が各対称点において定在波を生じるＲ／ａとは、真空中の波長２６５ｎｍと点で接するか最も接近するＲ／ａのことである。
　従って、図１０Ａから読み取ると、Ｍ点ではＲ／ａ＝０．２８、Ｋ点ではＲ／ａ＝０．３５となる。図１０Ｂにおいては、０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０において何れのＲ／ａも真空中の波長２６５ｎｍに接近しないので定在波を生じない。
（ステップＳ５）
　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。
　図１１Ａに示すように、ステップＳ２の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。次数ｍ＝３の周期長はｍ＝１の周期長の３整数倍となり位相が保たれるので３個の腹を有する定在波を生じる。従って、λ３＝ａ３／（ωａ／２πｃ）×ｎａｖ、ａ３＝３λＶ／２ｎａｖである。
　ｍ＝３における周期は、ｍ＝１における周期の３倍となる。従って縦軸の波長の大きさも真空中の波長λＶ×３（次数ｍ）となる。
　そして、定在波を生じるＲ／ａは各対称点における真空中の波長×３＝７９５ｎｍと点で接するか最も接近するＲ／ａとなり、次数ｍ＝１と同様にＭ点（Ｒ／ａ＝０．２８）、Ｋ点（Ｒ／ａ＝０．３５）となり、最適化の候補となる。第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）に関する真空中波長×３（次数）と波数のフォトニックバンド構造を図１２Ａに示す。
　一方、ｍ＝１における第四フォトニックバンド（４ｔｈＰＢ）の周波数は第二フォトニックバンド（２ｎｄＰＢ）の周波数より高く２倍程度である。そして０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０における何れのＲ／ａにおいても定在波は生じない。しかし、次数がｍ＝３となると次数に比例して周期長が大きくなりあるＲ／ａで同位相となり定在波を生じる。図１２Ｂに示すようにある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のあるＲ／ａの周期長の５整数倍と６整数倍であり、ｍ＝３の周期長の中に其々５個の腹と６個の腹を有する定在波を生じる。
　そこで、各対称点における真空中の波長×３＝７９５ｎｍに点で接するか最も接近するＲ／ａを求めるために、ステップＳ４で求めた全てのＲ／ａの第四フォトニックバンド（４ｔｈＰＢ）を５整数倍したものを図１２Ｂに示し、６整数倍したものを図１２Ｃに示す。５整数倍ではΓ点（Ｒ／ａ＝０．２５）、Ｍ点（Ｒ／ａ＝０．２８）、Ｋ点（Ｒ／ａ＝０．３９）である。６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、何れも最適化の候補となる。
（ステップＳ６）
　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Ｓ７）
　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。
（ステップＳ８）
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　ステップＳ７の計算結果を表１１及び図２５に示す。ここで、表１１のＰｏ（Ｗ）はＬＥＤ素子全体の出力を示し、Ｐｏ（＜２０°）は軸上方向の出力を示す。
　また、図２５は出力の角度依存性のグラフでＬＥＤの配光性を表している。上記の結果から各Ｒ／ａに対応するフォトニック結晶のＬＥＥや軸上方向の出力は何れも高い値を示しているので、上記最適化の方法は適切である。
（第３の実施の形態）
　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。
　本実施の形態による深紫外ＬＥＤは、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に設けた反射型フォトニック結晶構造（第１のフォトニック結晶周期構造）とサファイア基板裏面に設けた透過型フォトニック結晶周期構造（第２のフォトニック結晶周期構造）に加えて、以下に説明する周期構造（凹凸構造）を追加して光取出し効率を向上させたものである。図１４Ａは、本実施の形態による深紫外ＬＥＤの一構成例を示す断面図であり、図１４Ｂはその斜視図（鳥瞰図）である。
　図１４Ａ（ｂ）及び図１４Ａ（ａ）にｘｙ平面図として示す通り、ナノＰＳＳと結合ピラー周期構造２２０は、ｘ方向及びｙ方向に沿って周期ａで三角格子状に形成された円錐台構造である。サファイア基板１の表面（図１４Ａの下側の面）には、例えば周期が１μｍ程度のナノＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ　Ｓａｐｐｈｉｒｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）周期構造（三角錐形状又は円錐孔）２２０ａを有している。このような凹構造は、サファイア基板１の表面に形成したフォトレジスト等のマスクパターンを用いてウェットエッチング法により表面を加工することにより形成することができる。
　この凹構造に対して、ＣＶＤ法などを用いて、ナノＰＳＳ周期構造体２２０ａ内に続いて、ＡｌＮ膜を数μｍ程度エピ成長する。すると、凹構造がＡｌＮ膜で埋まるとともに、その上の厚さ方向に、選択的にＡｌＮによる六角錐台のＡｌＮ結合ピラー２２０ｂが形成される。最終的には平坦なエピ膜となる。
　この際、ＡｌＮエピ成長初期の段階で発生する貫通転移の数は数μｍ程度成長した後には、１０８個／ｃｍ２前半の値まで減少するために、量子井戸層５の結晶性が従来より向上し、深紫外ＬＥＤの内部量子効率（ＩＱＥ）が改善する。
　加えて、この構造によれば、量子井戸層５で発光した深紫外光が、形成された六角錐台のＡｌＮ結合ピラー２２０ｂを導波路として伝搬し、サファイア基板１に入射していくために、サファイア基板１とナノＰＳＳ周期構造体２２０ａとの界面における内部全反射を抑制し、光取出し効率が向上する。
　第３の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの効果を説明する。ＦＤＴＤ法で解析する計算モデルは設計波長が２６５ｎｍ、偏光度が０．０７であり、その具体的構造例を、図１５Ａ～図１５Ｃまでにそれぞれ示す。
　また、各構造の膜厚を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　尚、サファイア基板裏面に設けたフォトニック結晶（ピラー）の直径／周期／深さは、２５８ｎｍ／３６９ｎｍ／３００ｎｍとした。
　図１５Ａは、深紫外光の吸収の無い透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａを設けた構造であり、図面の上から順番に、サファイア基板１の裏面に形成されたフォトニック結晶（ピラー）周期構造（第２のフォトニック結晶周期構造）１１０、サファイア基板１、サファイア基板１の表面に形成されたナノＰＳＳ（三角錐形状）周期構造２２０ａ、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂ、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、フォトニック結晶（ホール）周期構造（第１のフォトニック結晶周期構造）１００、Ａｌ反射電極１１である。ここでは、計算資源の制約上、極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ）を省略して計算した。
　図１５Ｂは、図１５Ａに示す構造に対して、Ｎｉ層１０の層厚を１０ｎｍと厚くした時の吸収による出力減少を見るための構造である。図面の上から順番に、電子ブロック層７までは図１５Ａと同様である。その後の構造は、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、Ｎｉ層１０、Ａｌ反射電極１１である。
　図１５Ｃは、深紫外光の吸収の有るｐ型ＧａＮコンタクト層９とＮｉ層１０（１０ｎｍ）を有する構造であり、図面の上から順番に、電子ブロック層７までは図１５Ａと同様の構造である。その後の構造は、ｐ型ＡｌＧａＮ層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９、フォトニック結晶（ホール）周期構造１００、Ｎｉ層１０、Ａｌ反射電極１１である。
　上記構造ごとに、出力値を遠方界で求めた。
　また、図４Ａの従来型構造における出力値に対するその他の構造における出力値の出力倍率を求めた。更に、計算資源の制約上、極薄膜Ｎｉ層１ｎｍを省略して出力倍率を算出した図１５Ａの構造の出力倍率に関しては、別解析における極薄膜Ｎｉ層１ｎｍにおける出力減７％に相当する倍率を差し引いて補正した。そして、図４Ａの従来型構造の光取出し効率（ＬＥＥ）を１０％として、補正倍率に掛け合わせてその他の構造のＬＥＥを求めた（表６参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　図１５Ａのような、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／フォトニック結晶（ホール）周期構造／極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ）を搭載した構造に、サファイア基板裏面にフォトニック結晶（ピラー）周期構造とナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造とを追加した場合には、光取出し効率が、図４Ｅの構造の２５％から２７％へと更に２％増加した。
　図１５Ｂのように、Ｎｉ層を１ｎｍから１０ｎｍに厚くした場合には、Ｎｉ層による若干の吸収があり、光取出し効率の増加は２２％から２３％への１％増加にとどまった。
　逆に、図１５Ｃのように、深紫外光による吸収の有るｐ型ＧａＮコンタクト層とＮｉ層１０ｎｍにサファイア基板裏面フォトニック結晶（ピラー）周期構造やナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造を追加しても光取出し効率が１８％と全く増加しなかった。
　以上の結果から、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層／フォトニック結晶（ホール）周期構造／極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ）をベースとした構造は、深紫外光の吸収を抑制することができる。従って、例えば、ナノＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー構造のような光取出し効率を向上させるための様々な構造上の改良のベースとしても利用できる。
　（第４の実施の形態）
　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。
　すなわち、具体的構造の例としては、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂ、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、フォトニック結晶（ホール）周期構造１００、極薄膜Ｎｉ層１０ａ、Ａｌ反射電極層１１、支持基板３１を有する構造である。
　この構造の特徴は以下の３点である。
　１番目の特徴は、サファイア基板１を剥離したことである。ＬＥＤの光は、サファイア基板１の裏面と側壁の４面から光が取出される。特に量子井戸層５で発光して伝搬した深紫外光の、側壁の４面における内部全反射による内部消失の割合は大きい。そこで、サファイア基板１を剥離すると、サファイア基板１を除く半導体により構成されている部分の深さ（厚さ）は数μｍ程度であり、それにより構成される側壁４面の表面積は正面（表面）の表面積に比較して小さくなる。従って、内部消失が無視できるレベルになる。
　２番目の特徴は、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂが露出しているため、深紫外光が、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂから直接空気中に放射されることである。このＡｌＮ結合ピラー２２０ｂは、導波路としての効果が大きく、光は、正面から集光した形でＬＥＤ外部に取出されるので軸上方向の光取出し効率（５°～２０°）は格段に改善される。
　３番目の特徴は、熱伝導性に優れた支持基板３１を貼り付けることで、熱の外部放出効率が改善され深紫外ＬＥＤの寿命が延びることなどである。
　尚、必ずしも、上記特徴１から特徴３までのすべてを備える必要はない。
　このような、第４の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤについてより具体的に説明する。
　ＦＤＴＤ法で解析する計算モデルは、設計波長が２６５ｎｍ、偏光度が０．０７であり、図１６と同様な構造で具体的な膜厚は以下の通りである。
　図１６に示すように、計算モデルは、上から順番に、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂ（４μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＮ層３（１．４μｍ）、バリア層４（１０ｎｍ）、量子井戸層５（１０ｎｍ）、バリア層６（１０ｎｍ）、電子ブロック層７（４０ｎｍ）、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ａ（３５０ｎｍ）、Ａｌ反射電極層１１（２１０ｎｍ）、支持基板３１（１０μｍ）である。合計膜厚は１６，０３０ｎｍであり、上記において説明した各実施の形態のモデルと同じ膜厚である。
　出力値を遠方界で求め、図４Ａに示した従来型のＬＥＤ構造における出力値に対する、各実施の形態のその他の構造における出力値の出力倍率を求めた。
　さらに、計算資源の制約上、極薄膜Ｎｉ層１ｎｍを省略して出力倍率を算出した図１６に示すＬＥＤ構造の出力倍率に関しては、別途の解析における極薄膜Ｎｉ層１ｎｍにおける出力減７％に相当する倍率を差し引いて補正している。
　また、第３の実施の形態による図１５ＡのＬＥＤ構造とも比較した。さらに、軸上方向（角度５°～２０°の範囲）の光取出し効率を追加した。
　そして、図４Ａに示す従来型のＬＥＤ構造の光取出し効率（ＬＥＥ）を１０％として、上記の補正倍率に掛け合わせてその他のＬＥＥ構造のＬＥＥを求めた（表７Ａ参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　表７Ａは、図１５Ａの構造と図１６の構造についての特性を示す表である。
　表７Ａの結果から明らかなように、本実施の形態による図１６のＬＥＤ構造では、光取出し効率が２７％と最高値を出した。また、本実施の形態による図１６のＬＥＤ構造では、軸上方向の光取り出し効率の倍率もｐ型ＧａＮコンタクトを有する従来型深紫外ＬＥＤと比較して６．７倍と最高値を出した。この値は、図１５Ａの値と比べても大きい値である。
　以上のことから、サファイア基板１を剥離することにより、基板１の側壁における内部全反射による光取出し効率の悪化を抑制し、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂの導波路効果による軸上方向の光取出し効率の向上の効果を確認することができた。
　実は、図１６に示すＬＥＤ構造に含まれるフォトニック結晶（ホール）周期構造１００も軸上方向の光取出し効率に貢献する。そこで、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂ単体の導波路効果を検証するために、図４Ａ及び図４Ｂの構造と、図１６の構造からフォトニック結晶（ホール）周期構造１００を除いた構造（「ＡｌＮ結合ピラーＬＥＤ構造」と称する。）と、で計算モデルを作成し、ＦＤＴＤ法により解析を行って、ＬＥＤ構造の軸上方向の出力倍率を直接比較した結果を表７Ｂに示す。
　尚、図４Ａの構造は、ｐ型ＧａＮコンタクト層を有する従来型ＬＥＤの構造であり、図４Ｂの構造は、ｐ型ＧａＮコンタクト層を透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に置き換えたＬＥＤ構造である。
　また、図２３は、従来型ＬＥＤ、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層ＬＥＤ、ＡｌＮ結合ピラーＬＥＤの配光性を示す図である。図２３の５°から９０°（水平方向が９０°、垂直方向が０°である。）までの全ての出力を加算した出力値が表７Ｂに示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
　表７Ｂの結果から、ＡｌＮ結合ピラーＬＥＤにおけるＡｌＮ結合ピラーの軸上方向の出力倍率は、従来型ＬＥＤの構造に対して４．９倍であり、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層ベースの構造に対しても２．６倍高い値を示した。ＡｌＮ結合ピラーＬＥＤにおけるこの値を、図１６に示すＬＥＤ構造（フォトニック結晶を設けたＡｌＮ結合ピラーＬＥＤ）の値６．７倍と比較することで、ＡｌＮ結合ピラーによる軸上方向出力倍率への貢献度が４．９/６．７＝７３％と高いことが示され、ＡｌＮ結合ピラーによる導波路効果を実証することができた。
　尚、表７Ｂに記載の構造を有するＬＥＤの配光性を示す図２３からもわかるように、５°から４０°程度の角度範囲におけるＡｌＮ結合ピラーによる導波路効果がきわめて高いことがわかる。この配光性の結果からも、ＬＥＤにおけるＡｌＮ結合ピラーの導波路の効果に関する優位性を示すことができた。
　（第５の実施の形態）
　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。
　本実施の形態に係る深紫外ＬＥＤは、第３の実施の形態及び第４の実施の形態において説明した深紫外ＬＥＤ構造の外側に、例えば屈折率が１．５程度であって深紫外光に対して透明な樹脂構造を封入処理などにより形成したものである。図１７Ａ及び図１７ＢにＬＥＤ構造の例を断面図で示す。
　図１７Ａに示すＬＥＤ構造は、図１５Ｂの構造の外側に封入樹脂４１が設けられているものである。
　図１７Ａに示すように、本実施の形態による深紫外ＬＥＤは、サファイア基板１の裏面にフォトニック結晶（ピラー）周期構造１１０が、サファイア基板１側から表面側（図の下側）に向けて順番に、サファイア基板１表面にナノＰＳＳ（三角錐形状）周期構造２２０ａ、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂ、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、フォトニック結晶（ホール）周期構造１００、極薄膜Ｎｉ層１０ａ、Ａｌ反射電極１１、封入樹脂４１である。
　一方、図１７Ｂに示すＬＥＤ構造は、図１６と同様の構造であり、図面の上から順番に、ＡｌＮ結合ピラー２２０ｂ、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、フォトニック結晶（ホール）周期構造１００、極薄膜Ｎｉ層１０ａ、Ａｌ反射電極１１、支持基板３１、封入樹脂５１である。
　これらの構造の主な特徴は以下の通りである。
　図１７Ａに示す深紫外ＬＥＤ構造では、サファイア基板１の裏面と側壁の４面から光が取出される。サファイアと空気との屈折率差は大きいので、光は両者の界面で内部全反射される。
　図１７Ｂに示す深紫外ＬＥＤ構造でも同様に、サファイア基板１の側壁４面において半導体層と空気との屈折率差が大きくその界面で内部全反射される。
　そこで、空気と側壁の中間程度の屈折率を有する透明な樹脂４１、５１を深紫外ＬＥＤ構造の外側を囲うような位置に封入することにより、サファイア基板１の側面における内部全反射の影響を緩和して光取出し効率を向上させることが可能となる。
　特に、量子井戸層５で発光して伝搬した深紫外光の、サファイア基板１の側壁の４面における内部全反射による内部消失の影響は大きい。サファイア基板１を剥離した場合には、半導体部の深さが数μｍ程度で構成される側壁４面の表面積は正面の表面積に比較して小さいので内部消失が無視できるレベルになる。
　本実施の形態に係る深紫外ＬＥＤについてより具体的に説明する。ＦＤＴＤ法で解析する計算モデルは、設計波長が２６５ｎｍ、偏光度が０．０７である。具体的構造としては、計算資源の制約上省略した極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ）１０ａ以外は、図１５Ｂ及び図１６と同様である。また、各構造の膜厚を表８に表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
　出力値を遠方界で求め、図４Ａの従来型構造における深紫外ＬＥＤの出力値に対するその他の構造（図１７Ａ、図１７Ｂ）における出力値の出力倍率を求めた。表８の値においては、ＦＤＴＤ法で解析する計算モデルでは省略した極薄膜Ｎｉ層１ｎｍの出力減７％に相当する倍率を差し引いて補正した。また、軸上方向（５°～２０°）の光取出し効率の値も示している。そして、図５Ａの従来型構造深紫外ＬＥＤの光取出し効率（ＬＥＥ）を１０％として、補正倍率に掛け合わせてその他の構造（図１７Ａ、図１７Ｂ）のＬＥＥを求めた（表９参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　表９に示すように、図１７Ａ、図１７Ｂの両方とも光取出し効率が３１％と最高値を示している。深紫外ＬＥＤ全体を透明な樹脂で封入することにより、内部全反射を緩和して光取出し効率が向上することを確認した。
　尚、側壁４面からの光取出し効率を向上させているので、サファイア基板１を剥離した図１７Ｂの構造においては、軸上方向の光取出し効率の向上の効果は見られなかった。
　以上に説明したように、本実施の形態による深紫外ＬＥＤにおいては、深紫外ＬＥＤ全体を透明な樹脂で封入することにより、内部全反射を緩和して光取出し効率が向上した。
　（第６の実施の形態）
　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。
　本発明の第６の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤは、第３の実施の形態及び第５の実施の形態に記載の深紫外ＬＥＤの側壁外側にＡｌ反射膜６１を設けてパッケージ構造にして光取出し効率を向上させるものある。その構造の一例を示す断面図を図１８Ａ及び図１８Ｂに示す。図１８Ａは図１４Ａに、図１８Ｂは図１７Ａに対応する構造を示している。
　ＬＥＤの外部に放出された光は、Ａｌ反射膜６１により図面の上部の方向に反射されるよう設計されている。従って、軸上方向からの光取出し効率は格段に改善される。
　しかしながら、側面のＡｌ反射膜６１に到達した光の一部はＬＥＤ内部に戻る。波長２６５ｎｍにおけるＡｌ反射膜の反射率は約９０％であるため、一回の反射で１０％の光が消失されることになる。これを抑制する方法は、軸上方向の光取出し効率を向上させることである。
　第６の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤについてより詳細に説明する。ＦＤＴＤ法で解析する計算モデルは設計波長が２６５ｎｍ、偏光度が０．０７である。解析に用いた構造は、図１８Ａ、図１８Ｂに対応する図１９Ａ及び図１９Ｂに断面構造で示したものである。
　具体的構造の膜厚は、表８に示した図１７Ａ構造と同じである。
　すなわち、計算資源の制約上、図１９Ａ、図１９Ｂの構造は、図１８Ａ、図１８Ｂの実構造と異なり、側壁部に設けたＡｌ反射膜（膜厚２００ｎｍ）６１ａがＬＥＤの半導体界面に対して垂直に起立した構造とした。
　従って、図１８Ａや図１８Ｂの実構造と比較して、Ａｌ反射膜６１ａに到達した光は、ＬＥＤ内部に反射されて、再度Ａｌ反射膜に戻るというように反射・吸収が繰り返される。この構造では、実構造と比較して光取出し効率が減少するため、計算方法を以下のように工夫した。
　出力を検知する出力モニターは上部のみに配置し、その出力値を遠方界で求め、図４Ａの従来型構造における上部出力値に対するその他の構造における上部出力値の出力倍率を求めた。また、モデルでは省略した極薄膜Ｎｉ層１ｎｍの出力減７％に相当する倍率を差し引いて補正した。さらに、軸上方向（５°～２０°）の光取出し効率を追加した。そして、図４Ａの従来型構造の光取出し効率（ＬＥＥ）を１０％として、補正倍率に掛け合わせてその他の構造のＬＥＥを求めた（表１０参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
　この計算モデルでは、出力モニターを上部だけに設置したため、上記の各実施の形態において得られた出力値との単純な比較は難しい。
　しかしながら、表１０によれば、本実施の形態によるＡｌ反射膜６１ａの光取り出し効率の向上に寄与する効果はきわめて大きいことがわかる。具体的には、図１９Ａ、図１９Ｂの両方の構造において、光取出し効率が５７％～５９％と大きく改善され、従来型構造に対して５倍以上の値が得られた。
　特に、軸上方向（５°～２０°）の出力倍率は、従来構造の７．１～７．７倍と大幅な改善がなられることがわかった。この結果は、Ａｌ反射電極やＡｌ反射膜における深紫外光の反射率が９０％程度であることを考慮すれば、市販の青色・白色ＬＥＤの８０％と比較しても遜色のない高効率化が達成できていることを意味する。すなわち、本発明の各実施の形態による工夫、とりわけ、第１、第２の実施の形態による、フォトニック結晶周期構造の適切な配置により実現できたベース構造に対して、さらに、第３から第６の実施の形態までのさまざまな工夫を行うことで、市販の青色・白色ＬＥＤと同様の高効率化が可能であること、従って、本実施の形態による深紫外ＬＥＤ構造によれば、市販レベルまで効率を上げることができる。
（第７の実施の形態）
　以下、本発明の第７の実施の形態ついて詳細に説明する。
　本発明の第７の実施の形態は、上記の各実施の形態において説明したフォトニック結晶周期構造、ナノＰＳＳ周期構造等を、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可能であることを示すものである。
　第１から第６の実施の形態によれば、周期構造を被加工物面上に大面積で一括転写にて加工することが好ましい。
　以下に、より詳細な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及びナノＰＳＳ周期構造の転写技術を用いた製造方法について説明する。
　ナノインプリントは金型のフォトニック結晶パターンを基板上にスピンコートした有機レジストに大面積で一括転写する優れた技術を有する。また、樹脂フィルム金型を利用すれば基板が数百ミクロン程度反っていても転写が可能である。しかし、ナノインプリント用有機レジストは、流動性を重視するためにパターン被形成部である材料に対するエッチング選択比が必ずしも十分ではない。また、金型のパターンサイズとエッチング後のパターン被形成部サイズが一致しない。そこで、この問題を解決するために２層レジストを用いたプロセスを次のように実施する。
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。
　以上の１）から６）までのステップが、基板に対して二層レジスト法を用いた転写技術である。
　尚、このプロセス技術を用いる場合には、下層レジストの膜厚を変化させることにより、金型上の周期構造の深さに対し１．５倍程度（サファイア基板の場合の例である。）のエッチング深さを被転写物上に得ることが可能である。
　さらに、エッチングマスクとしての酸素耐性を有したパターン転写された上層レジストを用い、これを介した、有機下層レジストの酸素プラズマエッチングにおいて、酸素プラズマ処理の各条件を変化させることにより、例えば、上層レジストによる下層レジストのマスク形成時の酸素プラズマ条件を変化させることにより、金型上の周期構造の直径に対し３０％程度のサイズの調整が可能である。
　この方法を用いれば、ナノインプリントリソグラフィー法において、精細な周期構造を被加工物面上に精度よく、正確に、かつ、制御可能な状態で再現することが可能となる。
　以下に、より具体的な工程例に図面を参照しながら詳細に説明する。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。
　図２０は、本実施の形態による周期構造の製造工程の一例を示す図である。
　本実施の形態による深紫外ＬＥＤにおけるフォトニック結晶周期構造等の製造方法では、流動性とエッチング選択比の両方の特徴を兼ね備えた二層レジストを用いた、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を利用する。この技術を用いて、ｎｍオーダーの微細なパターンを有するフォトニック結晶周期構造を一例として、サファイア基板に転写した。以下、図２０に沿って説明する。
　まず、図２０に示すように、上記各実施において最適化された周期構造を正確にサファイア基板上に再現するための金型を作成する。この金型は、図２０（ｂ）に示すように、サファイア基板８１の反りに追従できるよう樹脂製の金型を使用することもできる。
　次に、サファイア基板８１にエッチング選択比の大きい有機下層レジスト８３を厚さｇにてスピンコートする。なお、この厚さｇは、サファイア基板８１に対する下層レジスト８３のエッチング選択比に応じて選択的に決定する。その後、下層レジスト８３面上に流動性と酸素耐性機能を有するシリコン含有の上層レジスト８５を所定の厚さにてスピンコートする（図２０（ａ））。
　次に、上層レジスト８５に、金型のパターン（樹脂金型）８７・８９をナノインプリント装置を用いて転写する（図２０（ｂ））。
　次に、金型のパターン８７・８９が転写された上層レジスト８５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。（図２０（ｃ））。これにより、上層レジストパターン８５ａが形成される。
　次に、酸素耐性を有した上層レジストパターン８５ａをマスクとして、有機下層レジスト８３を酸素プラズマでエッチングし、サファイア基板８１をドライエッチングするためのパターンマスク８５ｂを形成する（図２０（ｄ））。尚、図２０（ｅ）に記載のパターンマスクのサファイア基板８１側の直径ｄ１は、酸素プラズマの条件を調整することで、ｄ１の３０％程度の範囲内で微調整することができる。
　次に、パターンマスクを介しＩＣＰプラズマでサファイア基板８１をドライエッチングし、サファイア基板８１に、本発明の各実施の形態により最適化された周期構造８１ａを形成することができる（図２０（ｅ））。
　周期構造がピラー構造による場合には、エッチング後の形状は図２０（ｆ）に示すとおり、概ねｄ１＜ｄ２の台形状となり、側壁角度は有機下層レジストのエッチング選択比に依存する。なお、有機下層レジストの厚さｇを変更すれば、容易にドライエッチング後のサファイア基板８１ａに形成するフォトニック結晶周期構造の深さを、金型の深さに対し１．５倍程度の深さとすることができる。
　また、金型の作り直しに代えて、パターンマスク形成時に直径ｄ１を変更すると、周期構造の直径を３０％程度容易に変更することができる。従って、金型の製作時間をなくしコスト削減に寄与し、ひいては半導体発光素子の製造コスト上、大きなメリットとなる。
　なお、図２１（ａ）から（ｃ）までは、図２０（ｂ）、図２０（ｅ）及び図２０（ｆ）の工程を行った際の実際のＳＥＭ写真（ナノインプリントプロセスｐｈＣピラー断面ＳＥＭ）を、それぞれ「ナノインプリント」、「パターンマスク形成」、「ドライエッチング・アッシング」として示した。このように、きれいな周期構造を製造することができる処理および制御は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）によるソフトウェア処理、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）によるハードウェア処理によって実現することができる。
　また、上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
　また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。
　また、本実施の形態で説明した機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。尚、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
　また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
　また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。またプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。機能の少なくとも一部は、集積回路などのハードウェアで実現しても良い。
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。
　本発明は、深紫外ＬＥＤに利用可能である。
ａ…フォトニック結晶周期構造の周期、Ｒ…周期構造の半径、ｈ…周期構造の加工深さ、１…サファイア基板、２…ＡｌＮバッファー層、３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、４…バリア層、５…量子井戸層、６…バリア層、７…電子ブロック層、８…ｐ型ＡｌＧａＮ層、８ａ…透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、１０…Ｎｉ層、１０ａ…極薄膜Ｎｉ層、１１…Ａｌ反射電極層、３１…支持基板、４１、５１…封入樹脂、６１、７１…Ａｌ反射膜、１００…第１の（反射型）フォトニック結晶周期構造、１０１（ｈ）…円孔（柱状構造体（ホール）、１１０…第２のフォトニック結晶周期構造、１１１（ｐ）…ピラー、２２０…ナノＰＳＳと結合ピラー周期構造、２２０ａ…ナノＰＳＳ周期構造体、２２０ｂ…ＡｌＮ結合ピラー。
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

Claims (27)

  1. 　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、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第１のフォトニック結晶周期構造を有し、
    　前記第１のフォトニック結晶周期構造は、
    　空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との周期構造を有する第１の構造体からなり、かつ、
    　前記第１のフォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有する
    ことを特徴とする深紫外ＬＥＤ。
  2. 　前記第１の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。
  3. 　前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
    　波長λ、前記第１の構造体の周期ａ及び前記第１の構造体を構成する２つの材料の平均屈折率ｎａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
    　当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
    　前記第１の構造体の深さｈを前記周期ａの２／３以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の深紫外ＬＥＤ。
  4. 　前記第１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たものであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の深紫外ＬＥＤ。
  5. 　前記第１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たものであることを特徴とする請求項４に記載の深紫外ＬＥＤ。
  6. 　前記第１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と前記第１の構造体の半径Ｒの比（Ｒ／ａ）を仮決定するステップと、
    　前記第１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たものであることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の深紫外ＬＥＤ。
  7. 　さらに、
    　前記基板の裏面（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から６までのいずれか１項に記載の深紫外ＬＥＤ。
  8. 　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７に記載の深紫外ＬＥＤ。
  9. 　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たものであることを特徴とする請求項８に記載深紫外ＬＥＤ。
  10. 　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たものであることを特徴とする請求項７に記載深紫外ＬＥＤ。
  11. 　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たものであることを特徴とする請求項７に記載の深紫外ＬＥＤ。
  12. 　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たものであることを特徴とする請求項１１に記載の深紫外ＬＥＤ。
  13. 　さらに、前記第１の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７に記載の深紫外ＬＥＤ。
  14. 　前記導波路構造は、
    　前記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１３に記載の深紫外ＬＥＤ。
  15. 　請求項１３又は１４に記載の深紫外ＬＥＤにおいて、
    　前記基板が剥離され、前記反射電極層に支持基板が貼り付けられた深紫外ＬＥＤ。
  16. 　請求項１４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。
  17. 　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１３から１６までのいずれか１項に記載の深紫外ＬＥＤ。
  18. 　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１７に記載の深紫外ＬＥＤ。
  19. 　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から１８までのいずれか１項に記載の深紫外ＬＥＤ。
  20. 　深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
    　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、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
    を有する深紫外ＬＥＤの製造方法。
  21. 　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２０に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法。
  22. 　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、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基板表面に設けられる三角錐孔または円錐孔のナノＰＳＳ周期構造から結晶成長されたＡｌＮ結合ピラー周期構造が平坦なＡｌＮ膜となるバッファー層を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。
  23. 　前記平坦なＡｌＮ膜は、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２２に記載の深紫外ＬＥＤ。
  24. 　前記三角錐孔または円錐孔は、ウェットエッチングにより形成されることを特徴とする請求項２２又は２３に記載の深紫外ＬＥＤ。
  25. 　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選択的に形成された前記ＡｌＮ結合ピラー周期構造の終端に形成されることを特徴とする請求項２２から２４までのいずれか１項に記載の深紫外ＬＥＤ。
  26. 　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２５に記載の深紫外ＬＥＤ。
  27. 　請求項２２から２６までのいずれか１項に記載の深紫外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深紫外ＬＥＤ。
     
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