WO2024090391A1 - 深紫外ｌｅｄ - Google Patents

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photonic crystal
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layer
crystal periodic
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秀樹 平山
行雄 鹿嶋
恵里子 松浦
秀敏 篠原
武 岩井
丞益 長野
隆一郎 上村
大和 長田
恭 祝迫
裕之 大神
健吾 毛利
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国立研究開発法人理化学研究所
芝浦機械株式会社
東京応化工業株式会社
大日本印刷株式会社
株式会社アルバック
日本タングステン株式会社
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    • H01L33/42—Transparent materials

Definitions

  • the present invention relates to deep ultraviolet LEDs, in particular AlGaN-based LEDs.
  • UVC-LEDs Deep ultraviolet LEDs with an emission wavelength of 220nm to 280nm are attracting attention for their potential to inactivate the COVID-19 virus.
  • WPE power-to-light conversion efficiency
  • the main reason for this is that the light extraction efficiency (LEE) is low at approximately 6%, as most of the emitted light is absorbed by the p-GaN contact layer.
  • Patent Document 1 by forming a photonic crystal in the thickness direction including the interface between the p-type GaN contact layer and the p-type AlGaN layer and reflecting light to suppress the above absorption, the increase in LEE at an emission wavelength of 280 nm is up to 2.76 times, and if the LEE in a structure without photonic crystal is 6%, then the LEE in a structure with photonic crystal is 16.6%.
  • the ratio of TE light to TM light at 280 nm is 7:3.
  • Patent Document 1 provides a nearly 100% reflection effect for TE light, it does not provide a reflection effect for TM light. Furthermore, as the emission wavelength becomes shorter to 220 nm, the proportion of TM light increases and the LEE decreases.
  • the present invention aims to provide a new technology that increases the LEE in UVC-LEDs.
  • an insulating layer made of SiO2 fills the empty space of the photonic crystal periodic structure.
  • FIGS. 1A and 1B are cross-sectional and plan views showing the structure of a UVC-LED having an emission wavelength ⁇ of 220 nm according to a first embodiment.
  • This is a graph with R/a on the horizontal axis and PBG magnitude ( ⁇ PBG) on the vertical axis.
  • This is a computational model with a photonic crystal periodic structure analyzed by the FDTD method.
  • FIG. 11 is an electric field diagram showing the electric field intensity when a photonic crystal periodic structure is present.
  • FIG. 11 is an electric field diagram showing the electric field intensity in the absence of a photonic crystal periodic structure. This is a graph with the horizontal axis representing the radiation angle and the vertical axis representing the output.
  • 13A and 13B are cross-sectional and plan views showing the structure of a UVC-LED having an emission wavelength ⁇ of 220 nm according to a second embodiment.
  • 13 is a graph showing R/a at an emission wavelength of 220 nm, with the horizontal axis representing the order m and the vertical axis representing the increase rate, in the second embodiment.
  • 13 is a graph showing R/a at an emission wavelength of 280 nm, with the horizontal axis representing the order m and the vertical axis representing the increase rate, in the second embodiment.
  • UVC-LED deep ultraviolet LED
  • FIG. 1 shows the structure (cross-sectional view and plan view) of a UVC-LED with an emission wavelength ⁇ of 220 nm as a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1(a) is a cross-sectional view
  • FIG. 1(b) is a plan view seen from the bottom of the page of FIG. 1(a).
  • an xyz Cartesian coordinate system is defined.
  • the cross section is parallel to the xy plane.
  • the pillar 101 is composed of a part of the n-type AlGaN layer 3, a multiple quantum well layer 4, an electron barrier layer 5, a p-type AlGaN layer 6, a p-type GaN contact layer 7, and a p-type electrode layer 8 (ITO).
  • the photonic crystal periodic structure 100 reflects light of wavelength ⁇ by having a photonic band gap.
  • the UVC-LED has, in this order from the side opposite the sapphire substrate 1 (substrate), a p-type electrode layer 8 made of indium tin oxide (ITO), a p-type GaN contact layer 7, a p-type AlGaN layer 6 transparent to the wavelength ⁇ , an electron barrier layer 5 transparent to the wavelength ⁇ , a multiple quantum well layer 4 transparent to the wavelength ⁇ , and an n-type AlGaN layer 3 transparent to the wavelength ⁇ .
  • an AlN layer 2 may be provided between the n-type AlGaN layer 3 and the sapphire substrate 1.
  • the photonic crystal periodic structure 100 has a number of pillars 101 formed in the direction of the sapphire substrate 1 (thickness direction, i.e., the direction perpendicular to the layered surface of the sapphire substrate 1) within a range in the thickness direction from the top of the p-type electrode layer 8 (i.e., the end on the -z direction side) to the inside of the n-type AlGaN layer 3. Only a portion of the n-type AlGaN layer 3 is included in the pillars 101.
  • the photonic crystal periodic structure 100 has a pillar structure in which pillars 101, whose cross section is a circle with a radius of R and whose refractive index is greater than that of the air 9 in the space, are formed in a regular triangular lattice shape with a period a in the xy plane.
  • the "space” refers to, for example, an area of the photonic crystal periodic structure 100 where the pillars 101 do not exist.
  • the light of wavelength ⁇ emitted from the multiple quantum well layer 4 is radiated in all directions as TE light and TM light, which propagate through the medium while being elliptically polarized.
  • n eff the effective refractive index of the photonic crystal periodic structure 100
  • a the period of the photonic crystal periodic structure 100
  • m the order.
  • the photonic band structures of TE light and TM light are obtained by the plane wave expansion method, and Figure 2 is obtained.
  • a photonic band gap PBG1 is opened between the first photonic band and the second photonic band (2ndPBTM). Also, a photonic band gap PBG2 is opened between the third photonic band (3rdPBTM) and the fourth photonic band (4thPBTM). In this way, the photonic crystal periodic structure 100 has a photonic band gap that is opened for the TM polarization component. Note that no photonic band gap is opened for TE light.
  • R/a 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, and 0.40
  • ⁇ PBG PBG size
  • the output (W) is calculated using the finite-difference time-domain (FDTD) method, and the LEE increase factor is calculated from the ratio of the output with the photonic crystal to the output without the photonic crystal.
  • FDTD finite-difference time-domain
  • the pillar-type photonic crystal periodic structure described in Table 2 was analyzed using the FDTD method, and the LEE increase factor and LEE (%) were calculated. The results are shown in Table 3.
  • the calculation method for the LEE (%) in Table 3 is explained below.
  • the LEE without a photonic crystal periodic structure at an emission wavelength of 280 nm is set to 6%. Since the output ratio of 220 nm/280 nm is 0.253, the LEE without a photonic crystal periodic structure at 220 nm is calculated to be 1.5%. These values can then be multiplied by the increase factor obtained for each structure to perform the calculation.
  • Graphs for each R/a are shown in Figures 5A and 5B for emission wavelengths of 220 nm and 280 nm, with the horizontal axis representing the order m and the vertical axis representing the increase factor.
  • the analysis area, spatial resolution, number of steps, and analysis time are the same for both calculation models for emission wavelengths of 220 nm and 280 nm.
  • the degree of polarization (TE light intensity - TM light intensity) / (TE light intensity + TM light intensity) is set to -0.13 at 220 nm and 0.40 at 280 nm.
  • the order m within the range satisfying 3 ⁇ m ⁇ 7, since this ensures a large increase factor.
  • the LEE without the photonic crystal periodic structure 100 is 1.5%, which is about 1/4 of the LEE of about 6% at 280 nm without the photonic crystal periodic structure. This is because the extinction coefficient of the p-type GaN contact layer 7 increases and the degree of polarization decreases, resulting in increased radiation of light from the lateral direction (direction parallel to the xy plane), further increasing light loss.
  • the LEE can be dramatically improved by forming a pillar-type photonic crystal periodic structure 100.
  • FIG. 8 shows the structure (cross-sectional view and plan view) of a UVC-LED with an emission wavelength ⁇ of 220 nm as a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8(a) is a cross-sectional view
  • FIG. 8(b) is a plan view viewed from the bottom of the paper of FIG. 8(a).
  • the pillars 101 are made up of, in order from the +z side to the -z side, a part of the n-type AlGaN layer 3, a multiple quantum well layer 4, an electron barrier layer 5, a p-type AlGaN layer 6, a p-type GaN contact layer 7, and a p-type electrode layer 8 (ITO).
  • the insulating layer 9a made of SiO2 fills the space in the photonic crystal periodic structure 100.
  • the pillar-type photonic crystal periodic structure shown in Table 2 was analyzed by the FDTD method to calculate the LEE increase factor and LEE (%), which are shown in Table 4, Figure 9A, and Figure 9B, respectively.
  • the calculation method is the same as in the first embodiment.
  • the refractive index of the insulating layer 9a at 220 nm and 280 nm is 1.529 and 1.494, respectively.
  • This invention can be used for deep ultraviolet LEDs.

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Abstract

光取出し効率（ＬＥＥ）を向上させることができる深紫外ＬＥＤを提供する。　発光波長をλとする深紫外ＬＥＤは、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなるｐ型電極層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、波長λに対して透明なｐ型ＡｌＧａＮ層と、波長λに対して透明な電子障壁層と、波長λに対して透明な多重量子井戸層と、波長λに対して透明なｎ型ＡｌＧａＮ層とを、基板とは反対側からこの順で有し、前記基板方向において、前記ｐ型電極層の上部から前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の内部に至る厚さ方向の範囲内に形成された複数のピラーを有するフォトニック結晶周期構造を有し、前記フォトニック結晶周期構造は、ＴＭ偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有し、波長λの光に対して前記フォトニック結晶周期構造の周期ａがブラッグの条件（ｍ×λ／ｎｅｆｆ＝２ａ、但し、ｍ：次数、ｎｅｆｆ：前記フォトニック結晶周期構造の実効屈折率）を満たし、次数ｍは３≦ｍ≦７を満たし、前記ピラーの半径をＲとして０．２５≦Ｒ／ａ≦０．３５を満たす。

Description

深紫外ＬＥＤ
　本発明は深紫外ＬＥＤに関し、とくにＡｌＧａＮ系のものに関する。
　発光波長が２２０ｎｍ～２８０ｎｍの深紫外ＬＥＤ（ＵＶＣ－ＬＥＤ）は、ＣＯＶＩＤ－１９ウィルスの不活化に注目されている。しかし、ＬＥＤの電力光変換効率（ＷＰＥ）は約３％と水銀ランプの２０％と比較して著しく低い。その主な理由は、発光した光がｐ－ＧａＮコンタクト層でほとんど吸収されるために光取出し効率（ＬＥＥ）が約６％と低いことに起因する。
　特許文献１によれば、ｐ型ＧａＮコンタクト層とｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含む厚さ方向にフォトニック結晶を形成して、光を反射させて上記吸収を抑制することにより発光波長２８０ｎｍでＬＥＥの増加倍率を最大で２．７６倍、フォトニック結晶が無い構造におけるＬＥＥを６％とするとフォトニック結晶が形成された構造では１６．６％が得られている。尚、２８０ｎｍにおけるＴＥ光とＴＭ光の比率は７：３である。
特許第６１５６８９８号公報
　しかしながら、上記特許文献１のフォトニック結晶はＴＥ光に対してほぼ１００％の反射効果が得られるが、ＴＭ光に対しては反射効果が得られない。更に、発光波長が２２０ｎｍへと短波長化するにつれてＴＭ光の比率が増加しＬＥＥが減少していく。
　本発明は、ＵＶＣ－ＬＥＤにおいて、ＬＥＥを高める新たな技術を提供することを目的とする。
　本発明に係る深紫外ＬＥＤの一例は、
　発光波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、
　酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなるｐ型電極層と、
　ｐ型ＧａＮコンタクト層と、
　波長λに対して透明なｐ型ＡｌＧａＮ層と、
　波長λに対して透明な電子障壁層と、
　波長λに対して透明な多重量子井戸層と、
　波長λに対して透明なｎ型ＡｌＧａＮ層と、
を、基板とは反対側からこの順で有し、
　前記基板方向において、前記ｐ型電極層の上部から前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の内部に至る厚さ方向の範囲内に形成された複数のピラーを有するフォトニック結晶周期構造を有し、
　前記フォトニック結晶周期構造は、ＴＭ偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有し、
　波長λの光に対して前記フォトニック結晶周期構造の周期ａがブラッグの条件（ｍ×λ／ｎｅｆｆ＝２ａ、但し、ｍ：次数、ｎｅｆｆ：前記フォトニック結晶周期構造の実効屈折率）を満たし、
　次数ｍは３≦ｍ≦７を満たし、
　前記ピラーの半径をＲとして０．２５≦Ｒ／ａ≦０．３５を満たす。
　一例において、ＳｉＯ２からなる絶縁層が前記フォトニック結晶周期構造の空間部を満たす。
　本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2022-169829号の開示内容を包含する。
　本発明によれば、ピラー型フォトニック結晶周期構造を形成することで、ＵＶＣ－ＬＥＤのＬＥＥを飛躍的に向上させることができる。
第一の実施の形態に係る発光波長λを２２０ｎｍとするＵＶＣ－ＬＥＤの構造（断面図と平面図）である。 発光波長２２０ｎｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層の屈折率ｎ１＝２．８１４、空気の屈折率ｎ２＝１、ピラーの半径Ｒ及び周期ａのＲ／ａ＝０．３０から平面波展開法で解析したＴＥ光、ＴＭ光のフォトニックバンド構造である。 横軸をＲ／ａ、縦軸をＰＢＧの大きさ（ΔＰＢＧ）としたグラフである。 ＦＤＴＤ法で解析するフォトニック結晶周期構造有りの計算モデルである。 ＦＤＴＤ法で解析するフォトニック結晶周期構造無しの計算モデルである。 発光波長２２０ｎｍにおいて、横軸を次数ｍ、縦軸を増加倍率にした各Ｒ／ａに関するグラフである。 発光波長２８０ｎｍにおいて、横軸を次数ｍ、縦軸を増加倍率にした各Ｒ／ａに関するグラフである。 フォトニック結晶周期構造が有りの場合の電界強度を示す電界図である。 フォトニック結晶周期構造が無しの場合の電界強度を示す電界図である。 横軸を放射角度、縦軸を出力としたグラフである。 第二の実施の形態に係る発光波長λを２２０ｎｍとするＵＶＣ－ＬＥＤの構造（断面図と平面図）である。 第二の実施の形態において、発光波長２２０ｎｍにおいて、横軸を次数ｍ、縦軸を増加倍率にした各Ｒ／ａに関するグラフである。 第二の実施の形態において、発光波長２８０ｎｍにおいて、横軸を次数ｍ、縦軸を増加倍率にした各Ｒ／ａに関するグラフである。
　以下に、本発明の実施の形態による深紫外ＬＥＤ（以下「ＵＶＣ－ＬＥＤ」と称する場合がある）について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　本発明の第一の実施の形態に係るＵＶＣ－ＬＥＤとして、発光波長λを２２０ｎｍとするＵＶＣ－ＬＥＤの構造（断面図と平面図）を図１に表す。図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の紙面下方向から見た平面図である。
　説明のための座標系としてｘｙｚ直交座標系を定義する。図１（ａ）における積層方向すなわち紙面上下方向をｚ方向とし、とくに紙面上方向を＋ｚ方向とし、紙面下方向を－ｚ方向とする。断面はｘｙ平面に平行とする。
　図１（ａ）の断面図において、＋ｚ側から－ｚ側に向けて順番に、サファイア基板１、ＡｌＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、及びピラー１０１が、ピラー１０１間の空気９とともにフォトニック結晶周期構造１００を形成する。ピラー１０１は、＋ｚ側から－ｚ側に向けて順番に、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の一部、多重量子井戸層４、電子障壁層５、ｐ型ＡｌＧａＮ層６、ｐ型ＧａＮコンタクト層７、ｐ型電極層８（ＩＴＯ）からなる。フォトニック結晶周期構造１００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の光を反射する。
　このように、ＵＶＣ－ＬＥＤは、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなるｐ型電極層８と、ｐ型ＧａＮコンタクト層７と、波長λに対して透明なｐ型ＡｌＧａＮ層６と、波長λに対して透明な電子障壁層５と、波長λに対して透明な多重量子井戸層４と、波長λに対して透明なｎ型ＡｌＧａＮ層３と、を、サファイア基板１（基板）とは反対側からこの順で有する。さらに、図示のように、ｎ型ＡｌＧａＮ層３とサファイア基板１との間にＡｌＮ層２を有してもよい。
　フォトニック結晶周期構造１００は、サファイア基板１の方向（厚さ方向、すなわちサファイア基板１の積層面に直交する方向）において、ｐ型電極層８の上部（すなわち－ｚ方向側端部）からｎ型ＡｌＧａＮ層３の内部に至る厚さ方向の範囲内に形成された複数のピラー１０１を有する。ｎ型ＡｌＧａＮ層３は一部のみがピラー１０１に含まれる。
　図１（ｂ）にｘｙ平面図として示す通り、フォトニック結晶周期構造１００は、空間部の空気９よりも屈折率が大きい半径がＲの円を断面とするピラー１０１が、ｘｙ平面内で周期ａで正三角格子状に形成されたピラー構造を有する。ここで「空間部」とは、たとえばフォトニック結晶周期構造１００のうちピラー１０１が存在しない領域をいう。
　なお、図１（ｂ）では図の簡明のためピラー１０１を３本のみ示すが、より多数のピラー１０１が設けられてもよい。
　上記の構造においては、多重量子井戸層４で発光した波長λの光はＴＥ光とＴＭ光が全方向に放射されて楕円偏光しながら媒質中を伝搬する。フォトニック結晶周期構造１００を構成するピラーの半径Ｒと周期ａより、上記フォトニック結晶の充填率ｆは、
　ｆ＝２π／３０．５×（Ｒ／ａ）２　…（式１）
で計算される。
　そして、発光波長をλとすると、フォトニック結晶周期構造１００は、その周期ａが、波長λの光に対してブラッグの条件を満たす。すなわち、
　ｍ×λ／ｎｅｆｆ＝２ａ　…（式２）
を満たす。但し、ｎｅｆｆ：フォトニック結晶周期構造１００の実効屈折率、ａ：フォトニック結晶周期構造１００の周期、ｍ：次数。
　ここで、フォトニック結晶周期構造１００を構成する二つの媒質の屈折率をｎ１、ｎ２とすると、
　ｎｅｆｆ＝（ｎ２ ２＋（ｎ１ ２－ｎ２ ２）×ｆ）０．５　…（式３）
となる。
　そこで、前記３つの式にλ＝２２０ｎｍ、光を吸収するｐ型ＧａＮコンタクト層７の屈折率ｎ１＝２．８１４、空気の屈折率ｎ２＝１、ピラー１０１の半径Ｒ及び周期ａの比Ｒ／ａ＝０．３０を代入して、ＴＥ光およびＴＭ光のフォトニックバンド構造を平面波展開法で求めると図２が得られる。
　ＴＭ光に関しては、第１フォトニックバンドと第２フォトニックバンド（２ｎｄＰＢＴＭ）間でフォトニックバンドギャップＰＢＧ１が開いている。また、第３フォトニックバンド（３ｒｄＰＢＴＭ）と第４フォトニックバンド（４ｔｈＰＢＴＭ）間でフォトニックバンドギャップＰＢＧ２が開いている。このように、フォトニック結晶周期構造１００は、ＴＭ偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有する。尚、ＴＥ光に関してはフォトニックバンドギャップが開いていない。
　さらに、Ｒ／ａ＝０．２０、０．２５、０．３０、０．３５、及び０．４０について、上記平面波展開法にてフォトニックバンド構造を解析して、ＰＢＧ１及びＰＢＧ２の大きさを求めて横軸をＲ／ａ、縦軸をＰＢＧの大きさ（ΔＰＢＧ）としたグラフが図３となる。このように、Ｒ／ａの値は、０．２５≦Ｒ／ａ≦０．３５を満たす範囲内とすると、フォトニックバンドギャップＰＢＧ１およびＰＢＧ２の双方についてΔＰＢＧを大きく（たとえば０．０６程度以上）確保できるので好適である。
　ここで、前記Ｒ／ａ、ΔＰＢＧ及び次数ｍと、ＬＥＥとの関係を調べるために、フォトニック結晶周期構造有りの構成（図４Ａ）及びフォトニック結晶周期構造無しの構成（図４Ｂ）の計算モデルをそれぞれ作成した。いずれもｐ型電極層８の端面（ｐ型ＧａＮコンタクト層７とは反対側の端面）にＡｌ反射板１０を設けた。
　それぞれの構成において、ＦＤＴＤ法（有限差分時間領域法）で出力（Ｗ）を求めて、フォトニック結晶無しの出力に対するフォトニック結晶有りの出力比率からＬＥＥ増加倍率を計算する。発光波長２２０ｎｍ及び２８０ｎｍにおける構造及び光学パラメータを表１に記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお最上行の「２２０ｎｍ」および「２８０ｎｍ」は発光波長を表す（以下の表２～表４において同じ）。図３においてΔＰＢＧが比較的大きいＲ／ａ＝０．２５，０．３０，０．３５、及び、次数ｍ＝３，４，５，６，７をそれぞれ前記３つの式に代入してピラーの直径、周期を求める。発光波長２８０ｎｍについても同様に求めて表２に記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　そして、表２に記載のピラー型フォトニック結晶周期構造をＦＤＴＤ法で解析してＬＥＥ増加倍率及びＬＥＥ（％）を計算した結果を表３に記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　尚、表３におけるＬＥＥ（％）の計算方法を以下に説明する。発光波長２８０ｎｍにおけるフォトニック結晶周期構造無しのＬＥＥを６％とする。２２０ｎｍ／２８０ｎｍの出力比率が０．２５３であることから、２２０ｎｍにおけるフォトニック結晶周期構造無しのＬＥＥは１．５％と計算される。そして、これらの値に各構造で得られた増加倍率を掛けて計算することができる。
　また、発光波長２２０ｎｍ及び２８０ｎｍについて、横軸を次数ｍ、縦軸を増加倍率にして各Ｒ／ａに関するグラフをそれぞれ図５Ａ、図５Ｂに記載した。ここで、解析領域、空間分解能、ステップ数及び解析時間に関しては発光波長２２０ｎｍ及び２８０ｎｍの両計算モデルで同一とした。但し、偏光度：（ＴＥ光強度－ＴＭ光強度）／（ＴＥ光強度＋ＴＭ光強度）に関しては、２２０ｎｍで－０．１３、２８０ｎｍで０．４０とした。
　図５Ａおよび図５Ｂに示すように、次数ｍは３≦ｍ≦７を満たす範囲内とすると増加倍率を大きく確保することができ好適である。また、表３、図５Ａ及び図５Ｂの結果から、発光波長２２０ｎｍにおいては、フォトニック結晶周期構造１００が無い場合のＬＥＥは１．５％となり、２８０ｎｍにおいてフォトニック結晶周期構造が無い場合のＬＥＥが６％程度であるのと比較して１／４程度に減少する。理由として、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の消衰係数の増加及び偏光度が減少して光が横方向（ｘｙ平面と平行な方向）からの放射が増加したために光消失が更に増加したからである。
　しかし、ピラー型のフォトニック結晶周期構造１００を形成することにより、光が反射されてサファイア基板１の方向から放射されることにより光消失が抑制されて、ＬＥＥが１．５％から７．７％～２７．６％へと大幅に増加した。上記結果は、フォトニック結晶周期構造が有り無しの電界強度を比較した図６Ａおよび図６Ｂ、並びに横軸を放射角度、縦軸を出力としたグラフである図７から容易に理解できる。なお図６Ａおよび図７の結果において、「ピラーｍ６＿Ｒａ０．２５」とは、ｍ＝６、Ｒ／ａ＝０．２５の場合を意味する。この反射には、図３に示したフォトニックバンドギャップＰＢＧ１及びＰＢＧ２の大きさΔＰＢＧがＲ／ａ＝０．２５～０．３５の間で影響していると考えられる。また、発光波長２８０ｎｍについても同様にＬＥＥが６％から１６．８％～４１．１％と大幅に改善した。
　以上のように、本発明の第一の実施の形態に係るＵＶＣ－ＬＥＤによれば、ピラー型のフォトニック結晶周期構造１００を形成することで、ＬＥＥを飛躍的に向上させることができる。
　本発明の第二の実施の形態に係るＵＶＣ－ＬＥＤとして、発光波長λを２２０ｎｍとするＵＶＣ－ＬＥＤの構造（断面図と平面図）を図８に表す。図８（ａ）は断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の紙面下方向から見た平面図である。
　具体的には、図８（ａ）において、＋ｚ側から－ｚ側に向けて順番に、サファイア基板１、ＡｌＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、及びピラー１０１が、ピラー１０１間の絶縁層９ａ（ＳｉＯ２）とともにフォトニック結晶周期構造１００を形成する。ピラー１０１は、第一の実施の形態と同様に、＋ｚ側から－ｚ側に向けて順番に、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の一部、多重量子井戸層４、電子障壁層５、ｐ型ＡｌＧａＮ層６、ｐ型ＧａＮコンタクト層７、ｐ型電極層８（ＩＴＯ）からなる。
　尚、図１の空気９を絶縁層９ａに置き換えた以外は第一の実施の形態と同一の構造とすることができる。このように、第二の実施の形態では、ＳｉＯ２からなる絶縁層９ａが、フォトニック結晶周期構造１００の空間部を満たす。
　そして、表２に記載のピラー型フォトニック結晶周期構造をＦＤＴＤ法で解析してＬＥＥ増加倍率及びＬＥＥ（％）を計算した結果を表４、図９Ａ及び図９Ｂにそれぞれ記載する。計算方法は第一の実施の形態と同様である。尚、絶縁層９ａの２２０ｎｍ及び２８０ｎｍにおける屈折率はそれぞれ１．５２９、１．４９４である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４、図９Ａ及び図９Ｂの結果から、発光波長２２０ｎｍにおいては、ＬＥＥが８．９％～１６．７％と大幅に増加した。また、発光波長２８０ｎｍにおいてもＬＥＥが１０．２％～３１．２％と大幅に改善した。
　前記の各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、添付の特許請求の範囲内で任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成要素を具備する発明も本発明に含まれるものである。
　本発明は、深紫外ＬＥＤに利用可能である。
　１…サファイア基板（基板）
　２…ＡｌＮ層
　３…ｎ型ＡｌＧａＮ層
　４…多重量子井戸層
　５…電子障壁層
　６…ｐ型ＡｌＧａＮ層
　７…ｐ型ＧａＮコンタクト層
　８…ｐ型電極層
　９…空気
　９ａ…絶縁層
　１０…Ａｌ反射板
　１００…フォトニック結晶周期構造
　１０１…ピラー
　Ｒ…ピラーの半径
　ａ…フォトニック結晶周期構造の周期
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。

Claims (2)

  1. 　発光波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、
    　酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなるｐ型電極層と、
    　ｐ型ＧａＮコンタクト層と、
    　波長λに対して透明なｐ型ＡｌＧａＮ層と、
    　波長λに対して透明な電子障壁層と、
    　波長λに対して透明な多重量子井戸層と、
    　波長λに対して透明なｎ型ＡｌＧａＮ層と、
    を、基板とは反対側からこの順で有し、
    　前記基板方向において、前記ｐ型電極層の上部から前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の内部に至る厚さ方向の範囲内に形成された複数のピラーを有するフォトニック結晶周期構造を有し、
    　前記フォトニック結晶周期構造は、ＴＭ偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有し、
    　波長λの光に対して前記フォトニック結晶周期構造の周期ａがブラッグの条件（ｍ×λ／ｎｅｆｆ＝２ａ、但し、ｍ：次数、ｎｅｆｆ：前記フォトニック結晶周期構造の実効屈折率）を満たし、
    　次数ｍは３≦ｍ≦７を満たし、
    　前記ピラーの半径をＲとして０．２５≦Ｒ／ａ≦０．３５を満たす、
    ことを特徴とする深紫外ＬＥＤ。
  2. 　ＳｉＯ２からなる絶縁層が前記フォトニック結晶周期構造の空間部を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の深紫外ＬＥＤ。
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