CN103650176A

CN103650176A - 发光元件及其制造方法

Info

Publication number: CN103650176A
Application number: CN201280034634.8A
Authority: CN
Inventors: 鹿岛行雄; 松浦惠里子; 西原浩巳; 田代贵晴; 大川贵史; 平山秀树; 藤川纱千惠; 尹成圆; 高木秀树; 上村隆一郎; 长田大和
Original assignee: Independent Administrative Institution Physical Chemistry Institute; Toshiba Machine Co Ltd; Ulvac Inc; Marubun Co Ltd
Current assignee: Independent Administrative Institution Physical Chemistry Institute; Ulvac Inc; Marubun Co Ltd; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: KR101436077B1; JPWO2013008556A1; TWI540755B; EP2733752B1; US9349918B2; EP2733752A1; WO2013008556A1; TW201308523A; CN103650176B; JP5315513B2; KR20140022106A; EP2733752A4; US20140167066A1

Abstract

本发明提供一种半导体发光元件，其特征在于，在光提取层具有由具有不同折射率的两个***（结构体）构成的周期结构，即所述两个***（结构体）的界面满足布拉格散射的条件，且具有光子带隙的光子晶体周期结构。

Description

发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光元件及其制造方法，特别涉及LED的高性能化。

背景技术

在发光元件中，LED（Light Emitting Diode）元件作为高亮度且节能的发光元件日益实用化。

例如，作为使用氮化物半导体（以下以“GaN”例示）的半导体发光元件的LED期待作为替代荧光灯的照明用光源，且在性能上以流明/瓦特（发光效率）的提高为指标，在成本上以价格/流明的降低为指标而使开发活化。在活性层中空穴和电子再结合而发光的光从GaN出射至空气中，相对空气的折射率1.0，GaN的折射率较高，大致为2.5，在与空气的界面上，大致近70%的光因全反射而被关在半导体内部，最终转化成热而消失。因此，今后如何将GaN中的光提取至外部成为进行性能提高、成本降低方面的大课题。

另外，发出波长220nm～350nm的深紫外光的高亮度LED可期待在杀菌、净水、各种医疗领域、高密度光记录、高显色LED照明、公害物质的高速分解处理等广泛领域的应用。但，此前的深紫外LED的外部量子效率即使再大也仅有百分之几左右，与蓝色LED的数10%的值相比太小，为难以实用化的状况。

LED的外部量子效率（EQE：External Quantum Efficiency）由内部量子效率（IQE：Internal Quantum Efficiency）、电子注入效率（EIE：ElectronInjection Efficiency）、光提取效率（LEE：Light Extraction Efficiency）的积决定（以EQE=IQE×EIE×LEE的式子表现），光提取效率的改善与内部量子效率及电子注入效率等一并成为对该效率的改善有很大贡献的要素。

例如，图1A所示的深紫外LED元件于蓝宝石基板1是由n型AlGaN层5/AlN缓冲层3、由AlGaN/GaN多重量子阱构成的活性层（以下，以AlGaN活性层例示）7、p型AlGaN层9、及Ni/Au电极层11形成。于n型AlGaN层5上形成有n型电极4。

如箭头L1～3所示，在AlGaN活性层7中通过空穴和电子的再结合而发光的光透射通过蓝宝石基板1，从其背面1a（光提取面）出射至空气中。在此，相对空气的折射率1.0，蓝宝石的折射率较高，大致为1.82，若设入射角度为θi，则根据斯涅尔定律（sinθi=1/1.82），蓝宝石基板的背面1a与空气的界面上的临界角度θ_C计算为33.3度，超过该临界角度θ_C而入射的光因全反射而关在氮化物半导体层3、5、7及蓝宝石基板1的内部，最终转化成热而消失（L2、L3）。因该热而消失的比例达70～90%，因此，如何将在内部消失的光提取至外部成为性能提高的课题。

另外，图1B所示的蓝色LED，例如于蓝宝石基板21上是由n型电极24、n型GaN层23、由GaN等构成的活性层25、p型GaN层27、ITO透明电极层29、及SiO₂保护膜31形成。存在如下问题：在GaN活性层25发光的光，向基板侧和SiO₂保护膜侧的上下方向出射，从上部的保护膜（例如在SiO₂中折射率为1.46）出射至空气的光的超过50%，会超过临界角而全反射，从而在内部消失。同样地，在下部的n型GaN层23（折射率为2.50）与蓝宝石基板21（在波长455nm中折射率为1.78）的界面上从n型GaN层23出射至蓝宝石基板21的光的近50%同样被全反射而在内部消失。

为了解决这样的课题，例如，在下述专利文献1中，有如下研究：作为具有光子带隙的光子晶体周期结构，在p型氮化物半导体层、活性层中任意半导体层形成向层叠方向开口的空孔，遮断作为与上述半导体层平行的波导而行进的光，以从上述半导体层的层叠方向的上下提取光。

另外，在下述专利文献2中，有如下研究：通过在蓝宝石基板的背面实施将周期设定为活性层中发光的光的波长的1/4倍～4倍的值的光子晶体周期结构，而从蓝宝石基板背面抑制全反射以将光提取至空气中。

在下述专利文献3中，有如下研究：将具有光子能带的光子晶体周期结构作为空孔在活性层上实施，遮断作为与活性层及上下的半导体层平行的波导而行进的光，从该活性层的上下提取光。

另外，在下述专利文献4中，有如下研究：制作规定的LED结构后，对除去蓝宝石基板的n型半导体层实施具有光子能带的光子晶体周期结构，从该n型半导体层提取光。

另外，在下述专利文献5中，对蓝宝石基板和氮化物半导体层的界面实施发光波长的1/3以下的凸部周期结构（蛾眼结构），抑制该界面上的全反射以从基板背面提取光。

在下述专利文献6中，有如下研究：作为具有光子带隙的光子晶体周期结构，实施通过ITO透明电极、p型半导体层、活性层、n型半导体层的空孔，遮断作为与这些层平行的波导而行进的光，以从与这些层垂直的上下的方向提取光。

另外，在下述非专利文献1中，有如下研究：对蓝宝石基板的背面实施具有蛾眼的周期结构，抑制来自蓝宝石基板的背面的全反射以提取光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利第4610863号公报

专利文献2：专利第4329374号公报

专利文献3：日本特开2008-311317号公报

专利文献4：日本特表2006-523953号公报

专利文献5：日本特开2010-74090号公报

专利文献6：日本特开2011-86853号公报

非专利文献

非专利文献1：（独）日本学术振兴会“宽能带半导体光、电子器件第162委员会”第74次研究会资料：创光科学的DUVLED的开发。

发明概要

但是，关于上述专利文献1～6及非专利文献1中的光子晶体周期结构或者蛾眼周期结构，未记载任何可找出使光提取效率最大化的周期结构中的最佳参数的具体法则、方法。

另外，若个别看各文献，则在专利文献1、3、6中，使空孔通过n型氮化物半导体层、氮化物半导体活性层、p型氮化物半导体层或者单独对活性层，在这些层上垂直地实施以成为光子晶体周期结构。氮化物半导体电阻较高，且在其打开的空孔越大，电阻越高，结果导致内部量子效率的降低，结果，存在外部量子效率降低，亮度降低的问题。另外，如果是在具有光子带隙的周期结构内，则并非所有的光提取效率都最大化，且没有周期结构的具体结构参数的公开。

另外，在专利文献2中，虽由于对蓝宝石基板的背面实施周期结构而内部量子效率的降低较少，但由于使用不具有光子带隙的周期结构，因此存在光提取效率比具有光子带隙的周期结构的元件低的问题。

若将专利文献5的结构应用于深紫外LED，使氮化物半导体层晶体成长于蓝宝石表面上的凸结构，则引起异常核成长而导致内部量子效率的降低。另外，从活性层释放的光朝向蓝宝石表面上的凸部周期结构行进，由于为抑制菲涅尔反射的蛾眼结构，因此与抑制全反射以增加光的透射率的结构不同。另外，也没有由使用具有光子带隙的光子晶体的情况下看到的复杂的光的折射效果引起的正面亮度提高的优点。

另外，在上述非专利文献1中，由于对蓝宝石基板背面实施周期结构，因此可抑制内部量子效率的降低，但其周期结构为蛾眼结构，其特性不是抑制光的全反射提高光的透射率，而是抑制菲涅尔反射。另外，不能提高正面亮度。

在专利文献4中，对n型氮化物半导体层的背面侧实施具有光子带隙的光子晶体周期结构。该层的背面成为比Ga更富N（氮）的组成，作为结构比较脆弱，因此，该面的平坦化较难，实施要求高精度的光子晶体周期结构比较困难，存在导致光提取效率的降低的问题。另外，仅在具有光子带隙的周期结构内，光提取效率并非最大化。另外，在该周期结构的平版印刷术中使用纳米压印装置，但在未使用树脂塑模的情况下追随基板的翘曲及微小的突起物的转印变得困难。其理由是，在使氮化物半导体层在蓝宝石基板上晶体成长的情况下，蓝宝石基板和氮化物半导体的热膨胀系数不同，因而若在近1000℃高温下晶体成长后使基板返回至室温，则在4寸的蓝宝石基板产生100μm左右的基板翘曲，即使与n型氮化物半导体层、活性层、p型氮化物半导体层晶体成长后，在p型氮化物半导体层贴合支撑基板后，剥离蓝宝石基板也不能消除n型氮化物半导体层的翘曲及微小的凹凸，因此，结果在平坦化处理后微细加工等工序复杂化。

通常在nm级别的微细加工中使用照相平版印刷术的技术。作为代表装置可举出步进光刻装置及对准器或者电子束光刻装置等。步进光刻装置及对准器与6～10寸的大面积对应，但不能应对与100μm左右的较大基板的翘曲。另外，电子束光刻装置的产量不适合量产。

另外，即使在纳米压印光刻法中将有机光刻胶用转印后干法刻蚀加工成期望的周期结构的情况下，刻蚀后的形状也不会成为如设计那样的周期结构。

本发明鉴于上述现有技术的问题点，其目的在于提供一种与目前相比通过光提取效率提高而结果强调正面亮度的高亮度半导体发光元件。另外，其目的在于提供一种具有可高亮度化的光子带隙的光子晶体周期结构的设计方法。其目的还在于提供一种将根据设计的周期结构加工至期望的部位的制造方法。

本发明提供一种特别是在LED元件上设置光子晶体结构，由于光提取效率的提高而改善外部量子效率和亮度指向性双方的元件及其制造方法。

本发明通过在蓝宝石基板的背面、或蓝宝石基板的表面与GaN层的界面、或保护膜上进行由与光的媒质中波长具有同等周期的二维光子晶体构成的凹凸部的加工，从而针对边界面上的光形成能带结构，生成不能进行光的传播的能量区域（光子带隙）。

具有光子带隙内的波长的光不能在形成有周期结构的面内传播，仅能在与该面垂直的方向传播。因此，在活性层释放且到达蓝宝石基板背面、或蓝宝石基板表面与GaN层的界面、或保护膜的光不会在与空气的边界面上进行全反射而释放到空气中。

本发明是一种半导体发光元件，其特征在于，将具有不同折射率的两个结构体的界面满足布拉格散射的条件，且，满足具有光子带隙的条件的光子晶体周期结构设置在光提取层。

特别地，通过选择光子带隙成为最大的光子晶体周期结构，从而光提取效率提高，结果能够强调正面亮度。

另外，在上述半导体发光元件的结构中，优选的是，所述光提取层并非形成于GaN系晶体层上，而是形成于蓝宝石等基板、SiO₂等保护膜中任一者上。

另外，本发明是一种半导体发光元件，具有上述光子晶体周期结构，其特征在于，在基板背面具有光提取面，且具有设于该基板上的AlN缓冲层、设于其上的n型AlGaN层、设于其上的活性层、及设于其上的p型AlGaN层而构成，光提取面满足布拉格散射的条件，且，具有光子带隙，优选为光子带隙成为最大。

或者，本发明的半导体发光元件，在具有上述光子晶体周期结构的半导体发光元件中，其特征在于，在基板表面具有光提取面，且由设于该基板上的n型GaN层、设于其上的活性层、设于其上的p型GaN层、设于其上的透明电极层、及设于其上的光提取面即保护膜构成，光提取面满足布拉格散射的条件，且，具有光子带隙，优选为光子带隙成为最大。

在上述结构中，光子带隙成为最大基于如下理由。

求出满足Bragg散射的条件（mλ/n_av=2a，m：次数，λ：真空中光的波长，n_av：平均折射率，a：周期），且将从光子晶体周期结构输出的平面波在电场E、磁场H中展开的麦克斯韦电磁场波动方程组

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

及

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

其中，（ε^-1：介电常数的倒数，G：倒格矢，ω：频率，c：光速，k：波数向量）。

解决上述式的固有值问题后，以TE（Transversal Electric）光、TM（Transversal Magnetic）光分别得到表示频率ω和波数向量k的分散关系的能带结构。求出满足这些TE、TM光的各介电能带（第一光子能带）的最大值ω₁a/2πc和空气能带（第二光子能带）的最小值ω₂a/2πc的差，即光子带隙=ω₂a/2πc-ω₁a/2πc的值成为最大的关系的参数群（周期a，直径d），根据其而设计周期结构。将该数值用FDTD法（时间区域差分法）解析，且确认周期结构的深度h的最佳值与亮度改善率、配光性的好坏。

接着，制作纳米压印用主模具。为应对基板的翘曲而制作树脂塑模，使用该树脂塑模将光刻胶转印至基板上。避免基板上图案和主模具的图案反转。通过ICP干法刻蚀对纳米压印后基板进行刻蚀加工。这时，根据加工的部位的材料，刻蚀气体和光刻胶的选择比发生较大变化，因此，有时难以控制初始瞄准的凹凸的形状及尺寸。

因此，必须事前把握凹凸加工的部位的材料和光刻胶的刻蚀偏差或选择适当的光刻胶。在此，以用上述设计方法求出的周期a、直径d、深度h制作模具，之后获得树脂塑模，以纳米压印将图案转印至基板上的光刻胶，且对该基板进行干法刻蚀，除去光刻胶以测定实际的形状。该测定值和设计值的差成为刻蚀偏差值。反映该刻蚀偏差值，而再次制作主模具，进行转印、干法刻蚀、光刻胶除去后，如设计那样的光子晶体周期结构在蓝宝石基板的背面、或蓝宝石基板表面和GaN层的界面、或保护膜上完成（称为工艺整合）。本发明通过在蓝宝石基板背面、或蓝宝石基板表面和GaN层的界面、或保护膜上进行由与光的媒质中波长具有同等周期的二维光子晶体构成的凹凸部的加工，从而针对边界面上的光形成能带结构，而存在不能进行光的传播的能量区域（光子带隙）。具有光子带隙内的波长的光在形成有周期结构的面内不能传播，仅在与该面垂直的方向传播。因此，在活性层释放，且到达蓝宝石基板背面、或蓝宝石基板表面和GaN层的界面、或保护膜的光不会在与空气的边界面进行全反射而释放到空气中，结果光提取效率也提高，外部量子效率和亮度增加。另外，成为正面亮度高的发光元件。

更具体而言，本发明是一种半导体发光元件，其特征在于，具有第1导电型GaN层、活性层、第2导电型GaN层、形成于所述第1导电型GaN层或所述第2导电型GaN层且形成光提取层的基板或保护膜，在光提取层上具有由具有不同折射率的两个***（结构体）构成的周期结构，即所述两个***（结构体）的界面满足布拉格散射的条件，且，具有光子带隙的光子晶体周期结构。

具有不同折射率的两个***（结构体）例如为空气和蓝宝石基板、蓝宝石基板和GaN层、空气和SiO₂保护膜等。

优选的是，所述光提取层为半导体发光元件的基板、或形成于基板反面的表面的保护膜的任一个。

所述光子晶体周期结构在所述基板的任意深度位置的区域内实施较好。

所述光子晶体周期结构包含周期性形成于所述基板的背面的空孔而形成较好。另外，该空孔中也包含具有底部的。

所述光子晶体周期结构可以在一个光提取层内的任意深度位置的区域内形成两处以上，也可以在两个以上的光提取层，即例如基板和保护膜各自的任意深度位置的区域内形成一处以上，合计两处以上。

作为对所述一个光提取层的形成例，有在例如倒装（倒装芯片）结构中，在蓝宝石基板的表面和背面的双方形成所述光子晶体周期结构的半导体发光元件。

作为对所述两个以上的光提取层的形成例，有在例如正面结构中，在光提取层即蓝宝石基板的表面和SiO₂等保护膜的表面的双方形成所述光子晶体周期结构的半导体发光元件。

优选的是，具有所述光子带隙的光子晶体周期结构，其特征在于，通过从将从该光子晶体周期结构输出的平面波在电场E、磁场H中展开的麦克斯韦电磁场波动方程组

Σε^-1（G-G’）|k+G||k+G’|E（G’）=ω²/c²E（G’）及Σε^-1（G-G’）（k+G）*（k+G’）H（G’）=ω²/c²H（G），（ε^-1：介电常数的倒数，G：倒格矢，ω：频率，c：光速，k：波数向量）

的固有值计算而求出的TE光、或TM光中任一个的介电能带（第一光子能带）和空气能带（第二光子能带）的差，决定该结构的参数，即周期a、直径d。其特征还在于，通过FDTD法决定深度h。

根据所述FDTD法的深度h的决定方法，其特征在于，根据发光元件的侧壁部LEE增加率、光提取面部LEE增加率、侧壁部和光提取面部的两部中的LEE增加率，求出使LEE增加率最大化的周期a，其值为周期a的0.5倍以上。

本发明的特征在于，对所述光提取层光子晶体周期结构使用纳米压印光刻法进行加工。其特征在于，利用经由树脂塑模的转印进行加工。所述基板可以为蓝宝石。

优选的是，所述半导体发光元件的半导体层由氮化物半导体构成。

在所述纳米压印光刻法中，其特征在于，使用以下1）～3）的工序。

1）在制作纳米压印用主模具的情况下，为了与基板的翘曲对应，而制作树脂塑模，通过使用所述树脂塑模转印至所述基板上的光刻胶，由此，避免所述基板上图案和所述主模具的图案反转。

2）在纳米压印后，通过干法刻蚀对所述基板进行刻蚀加工。这时，以周期a、直径d、深度h制作模具，之后，获得树脂塑模，以纳米压印将图案转印至基板上的光刻胶，对该基板进行干法刻蚀，除去光刻胶残渣以测定实际的形状。

3）该测定值和设计值的差为刻蚀偏差值，反映该刻蚀偏差值，而再次制作主模具，进行转印、干法刻蚀、光刻胶残渣除去。

本发明是一种半导体发光元件的结构参数计算方法，其是求出设于半导体发光元件，且由具有不同折射率的两个***（结构体）构成的周期结构，即所述两个***（结构体）的界面满足布拉格散射的条件，且，具有光子带隙的光子晶体周期结构的参数，其特征在于，包括：第一步，从将从所述光子晶体周期结构输出的平面波在电场E、磁场H展开的麦克斯韦电磁场波动方程组

的固有值计算而求出TE光或TM光的任一个的介电能带（第一光子能带）；第二步，通过所述介电能带（第一光子能带）和空气能带（第二光子能带）的差，决定所述周期结构的参数即周期a、直径d。

优选的是，在所述第一步中，包括：赋予Bragg散射的条件的步骤；在Bragg的散射条件中输入波长λ、次数m、平均折射率n_av，按每个次数m求出周期a的步骤；按每个次数m求出由已决定的第一***的半径R/周期和求出的周期a构成周期的圆孔的半径R，介电常数ε₁、ε₂通过将折射率n₁、n₂平方求出的步骤；将求出的波长λ、介电常数ε₁、ε₂、R/a输入所述麦克斯韦电磁场波动方程组的步骤。

在步骤S1中，从构成光子晶体的圆孔R、周期a决定R/a（0.15<R/a<0.45）。另外，从构成上述的媒质的折射率n₁、n₂和R/a求出平均折射率n_av。

另外，优选的是，包括通过FDTD法决定深度h的第三步。

另外，优选的是，在所述第三步中决定的深度h通过使用周期a的0.5倍以上的值的参数计算而决定。

根据本发明，在半导体发光元件中，光提取效率也提高，能够使外部量子效率和亮度增加。另外，能够提高正面亮度。

本说明书包含本申请的优先权的基础即日本专利申请2011-154276号说明书和/或附图中记载的内容。

附图说明

图1A是表示深紫外LED的结构例的图；

图1B是表示蓝色LED的结构例的图；

图2A是表示本发明实施方式的高亮度半导体深紫外LED的第一结构例的图；

图2B是表示本发明实施方式的高亮度半导体深紫外LED的第二结构例的图；

图2C是表示本发明实施方式的高亮度半导体深紫外LED的第三结构例的图；

图2D是表示本发明实施方式的高亮度半导体蓝色LED的第一结构例的图；

图2E是表示本发明实施方式的高亮度半导体蓝色LED的第二结构例的图；

图2F是表示本发明实施方式的高亮度半导体蓝色LED的第三结构例的图；

图3是与图2A（b）对应的图，表示从基板的背面观察的空孔15a和剩余部分15b的情形的图；

图4是表示步骤S7的深度h为直径d（2R）的变量（0<h<1.0d）的情况下的处理例的流程图；

图5是表示步骤S7的深度h为周期a的变量（0<h<1.0a）的情况下的处理例的流程图；

图6是表示求出平均折射率n_av的次序的例子的图；

图7是表示R/a=0.4时的能带结构的计算结果的例子的图；

图8是表示作为比较对象蓝宝石表面平坦的情况下的无晶格能带结构的图；

图9是在第一布里渊区整体范围内进行解析，求出相对ω2TE能带的波数向量（kx,ky）的等频率面（R/a=0.25）的图；

图10是在第一布里渊区整体范围内进行解析，求出相对ω2TE能带的波数向量（kx,ky）的等频率面（R/a=0.4）的图；

图11是表示设R/a=0.25的情况下的、相对入射角的折射角的关系的图；

图12是表示设R/a=0.4的情况下的、相对入射角的折射角的关系的图；

图13是表示FDTD法模拟模型的例子的图；

图14是表示无周期结构的情况下的强度分布的图；

图15是表示有周期结构的情况下的强度分布的图；

图16是对解析的各图案的亮度进行计算，且以R/a的函数使次数m=3时的具有相对无图案的光子晶体图案的情况下的亮度增减率图表化的图；

图17是对解析的各图案的亮度进行计算，且长宽比的函数使次数m=3时的具有相对无图案的光子晶体图案的情况下的亮度增减率图表化的图；

图18是表示图1所示的半导体发光元件（LED）的制造过程的一个例子的图；

图19是表示图1所示的半导体发光元件（LED）的制造过程的一个例子的图；

图20是表示图1所示的半导体发光元件（LED）的制造过程的一个例子的图；

图21是表示图1所示的半导体发光元件（LED）的制造过程的一个例子的图；

图22是表示图1所示的半导体发光元件（LED）的制造过程的一个例子的图；

图23是表示在蓝宝石上对空孔进行光子晶体加工的情况下的入射角、反射率的图表的图；

图24是表示以晶圆内的棋盘格状贴付聚酰亚胺胶带P以进行干法刻蚀的情形的图；

图25是将干法刻蚀后的基板洗净而成为开盒即用的状态，表示开盒即用的状态下的蓝宝石基板的上表面、剖面的形状照片的图；

图26是表示实施例1的LED的测定结果的图；

图27是表示实施例2的LED的测定结果的图；

图28是表示在LED的活性层所发光的光的波长分布的光谱图；

图29A是表示步骤S7的深度h为周期a的变量（0<h<5.0a）的情况下的处理例的流程图；

图29B是表示求出介电能带的第一步，和通过该介电能带和空气能带的差，决定周期结构的周期a、直径d的第二步的流程图；

图29C是将第一步进一步分为详细的四个步骤而进行表示的流程图；

图30是表示使用FDTD法的模拟模型（深紫外LED）的例子的图；

图31是表示输出波长特性（侧壁）的图，即表示由配置于外壁外4面的监视器所检测的输出的合计值和波长分散的关系的图；

图32是表示输出波长特性（底部正面）的图，即表示由配置于底部正面的监视器所检测的输出值和波长分散的关系的图；

图33是表示输出波长特性（侧壁+底部正面）的图，即表示由侧壁4面及底部正面监视器所检测的合计输出值和波长分散的关系的图；

图34是表示输出中心波长及分散的多个波长（共计5波长）中的LEE增加率平均与深度的关系的图，即表示侧壁、底部正面、侧壁+底部正面的各数据的图；

图35是表示输出比深度特性的图，即表示侧壁/（侧壁+底部正面）、底部正面/（侧壁+底部正面）的各数据的图；

图36是表示FDTD模拟模型（深紫外LED），即相对于对蓝宝石基板背面实施图30所示的光子晶体周期结构，也对该基板表面进行加工的模型的图；

图37是表示FDTD法模拟模型（蓝色LED）的例子的图；

图38是表示输出波长特性（侧壁）的图，即表示由配置于侧壁外4面的监视器所检测的输出的合计值和波长分散的关系的图；

图39是表示输出波长特性（上部正面）的图，即表示由配置于上部正面的监视器所检测的输出值和波长分散的关系的图；

图40是表示输出波长特性（侧壁+上部正面）的图，即表示由侧壁4面及上部正面监视器所检测的合计输出值和波长分散的关系的图；

图41是表示LEE增加率深度特性的图，即记载侧壁、上部正面、侧壁+上部正面的数据。

图42是表示输出比深度特性的图，即记载侧壁/（侧壁+上部正面）、上部正面/（侧壁+上部正面）的数据。

图43是表示在图37所示的FDTD模拟模型（蓝色LED）中，将光子晶体在蓝宝石基板表面和SiO₂两面上进行加工的模型的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式的半导体发光元件，以深紫外LED元件为例进行具体说明。上述说明的图1A、图1B的结构为本发明实施方式的半导体发光元件的结构可应用于的一个例子。以下，以图1A的结构为例进行说明。图1A所示的深紫外LED元件由蓝宝石基板（基板）1、AlN缓冲层（缓冲层）3、n型AlGaN层（n型包覆层）5、AlGaN活性层（活性层）7、及p型AlGaN层（p型包覆层）9构成，来自AlGaN活性层7的光作为从蓝宝石基板1的背面方向提取的LED起作用，其中心波长为280nm。图1B的蓝色LED的结构由蓝宝石基板21、n型GaN层23、GaN活性层25、p型GaN层27、由ITO构成的透明电极层29、及由SiO₂构成的保护膜31构成，且其中心波长为455nm。在n型AlGaN层（n型包覆层）5上形成有n型电极4（以下相同）。

以下，以深紫外LED元件及蓝色LED元件为例，针对本实施方式的半导体发光元件的结构例，对使用AlGaN活性层或者GaN活性层的例子进行说明。图2A是表示深紫外LED元件的第一结构例的图，是与图1A对应的图。另外，图2D是表示蓝色LED元件的第一结构例的图，是与图1B对应的图。

如图2A（a）所示，在蓝宝石基板1的背面（光提取面）1a形成有例如二维光子晶体周期结构15。该光子晶体周期结构15也如图2A（b）所示，在形成XY二维平面的基板背面1a内，沿X方向及Y方向周期性地形成有使光提取面1a以规定深度开口的空孔部15a、和残留在基板背面的基板背面部15b（参照图3）。基板背面部15b也可以将原本的基板以比空孔部15a小的深度切削而形成。

在图2及图3中，作为具有不同折射率的两个***（结构体）虽采用空孔15a与基板背面部15b、空孔17a与基板表面部、空孔18a与基板任意深度部、空孔20a与SiO₂保护膜，但这只是一个例子，也可以为根据其它材质的结构体的组合。另外，例如图2A（a）所示，在空孔部15a也包含具有底部的，另外，周期结构可以并非完全的周期结构，另外，形成的区域可以并非整面XY平面。

图2B是除图2A（a）所示的第一周期结构15外，在与蓝宝石基板1的周期结构15对向的AlN缓冲层3侧的位置形成第二周期结构17的图。该第二周期结构17在蓝宝石开孔，以与AlN缓冲层同等的材料埋入而形成较好。或，可以在蓝宝石上形成支柱。

图2C是代替图2A（a）所示的第一周期结构15，在与蓝宝石基板1的周期结构15对应的AlN缓冲层3侧的任意位置形成第三周期结构18的图。该第三周期结构18埋入折射率比蓝宝石低的材料而形成较好。或者，在蓝宝石基板1的背面形成第三周期结构18后，可以贴附由蓝宝石或其它材料构成的层。

图2D是在背面侧设置反射膜15，在SiO₂保护膜31内设置周期性设置有空孔20a的第四周期结构20的图。

另外，在正面结构中，也可以为在蓝宝石基板的表面和SiO₂保护膜31的表面的双方形成光子晶体周期结构的形态。

图2E是表示代替图2D所示的SiO₂保护膜31及ITO透明电极29而设置反射电极31，另外，代替反射膜15而在蓝宝石基板1的背面（光提取面）1a形成有光子晶体周期结构15的结构的图。

图2F是除图2E（a）所示的第一周期结构15外，在与蓝宝石基板1的周期结构15对向的GaN缓冲层3侧的位置形成第二周期结构17的图。该第二周期结构17在蓝宝石21开孔，以与GaN缓冲层22同等的材料埋入而形成较好。或，可以在蓝宝石21上形成支柱。

在以下中，以具有蓝宝石基板表面（背面）上的光子周期结构的光子晶体（图2A）为例鉴于模拟结果对周期结构的参数进行详细说明。即使使用其它结构，其作用也相同。

首先，在规定的器件结构中，通过模拟求出结构及元件的特性等。本模拟中使用的手法为使用平面波展开法和FDTD法（时间区域差分法）的方法。在平面波展开法中，通过解析光子晶体的能带结构，可以进行光子晶体具有的特异的物理性质的理论解析，另外，通过求出光子带隙可以容易地求出使光的透射率最大化的图案形状（直径、周期、深度）。但，不能得到与光子晶体边界面上的入射光相对的出射光的强度及角度分布的三维信息。因此，与三维FDTD法并用可以在短时间使图案形状最佳化。

本实施方式的模拟中使用的手法为使用平面波展开法和FDTD法（时间区域差分法）的方法。在平面波展开法中，通过解析光子晶体的能带结构，可以进行光子晶体具有的特异的物理性质的理论解析，另外，通过求出光子带隙可以容易地求出使光的透射率最大化的图案形状（直径、周期、深度）。但，在平面波展开法中，不能得到与光子晶体边界面上的入射光相对的出射光的强度及角度分布的三维信息。因此，通过使用三维FDTD法，与其并用可以在短时间进行图案形状最佳化的运算处理。

图3是与图2A（b）对应的图，是表示从基板的背面观察的空孔15a、和基板的背面的剩余部分15b的二维配置的情形的图。作为周期结构的参数，首先，需要决定左上方的x-y坐标中的空孔15a间的周期a和空孔15a的半径R。

下面，对本实施方式的模拟方法进行说明。图4是表示步骤S7的深度h为直径d（2R）的变量（0<h<1.0d）的情况下的处理例的流程图。

首先，在从步骤S1至步骤S3中赋予Bragg散射的条件。在步骤S1中，从构成光子晶体的圆孔R、周期a决定R/a（0.15<R/a<0.45）。另外，从构成上述的媒质的折射率n₁、n₂和R/a求出平均折射率n_av。

图6是表示求平均折射率n_av的次序的例子的图。右边的圆V和菱形W的面积比为2π/3^0.5*（R/a）²。空孔（空气）的折射率表示为n₁、蓝宝石的折射率表示为n₂，若设R/a=0.4、n1=1.0、n2=1.82，则平均折射率n_av以下式表现。

n_av ²=n₂ ²+（n₁ ²-n₂ ²）*面积比=1.82²+（1²-1.82²）*0.58=1.97

因此，求出平均折射率n_av为1.40。

另外，实际上，左边的周期结构可如右边那样变形为菱形W中存在一个空孔V的形态。其理由为加上左边的圆的扇形A、B、C、D后完成一个圆。

接着，在步骤S2中，在Bragg的散射条件中输入波长λ、次数m（整数：1<m<5）、平均折射率n_av，按每个次数m（针对2、3、4）求出周期a。

在mλ/n_av=2a的式中，设1<m<5的意义如以下所示。

例如，考虑在蓝宝石基板1的背面以空孔制作光子晶体周期结构的情况。波长为280nm，蓝宝石在280nm中的折射率为1.82，空气折射率设为1.0，在上述中，若设R/a=0.4，则n_av：平均折射率为1.40。若将这些值与m=2、3、4依次代入Bragg的散射条件，则变为以下那样。

i）m=2时

2*280/1.40=2*a

因此，a=199。

ii）m=3时

3*280/1.40=2*a

因此，a=299。

iii）m=4时

4*280/1.40=2*a

因此，a=399。

虽然m的值可变大，但光子晶体的周期a的值也会变大。因此，使用不远离深紫外光的波长280nm的程度的次数m。哪个次数m的值会使光提取效率最好，计算m=2和3，m=3的光提取效率良好。

在步骤S3中，按每个次数m，从已决定的R/a和求出的a求圆孔的半径R。另外，介电常数ε₁、ε₂通过使折射率n₁、n₂平方而求出。介电常数ε和折射率n的关系根据n²=με/μ₀ε₀求出，但为了使折射率n₁、n₂平方而求出ε₁、ε₂，分别以上述式求出。

在从步骤S4至步骤S6中，进行根据平面展开法的解析。

首先，在步骤S4中，将已经求出的波长λ、介电常数ε₁、ε₂、R/a输入麦克斯韦电磁场波动方程组，在波数空间进行固有值计算，求出每个TE光、TM光的能带结构（Y轴：ωa/2πc和x轴：ka/2π）。结果参照图7而后述。

在步骤S5中，参照图7，从TE光、TM光的各介电能带（第一光子能带）和空气能带（第二光子能带）求出PBG（光子带隙）。在步骤S6中，返回步骤S1，以R/a作为变量选择几点，重复步骤S2～步骤S5，选择几点PBG的大小表示极大的R/a，求出每个R/a的PBG。

接着，在步骤S7、S8中，进行根据FDTD法的解析。首先，在步骤S7中，从步骤S6中求出的R/a求与次数m对应的直径d、周期a，且决定深度h（0<h<1.0d）。将由该d、a、h构成的圆孔在两个媒质（折射率为n₁、n₂）的界面上以周期结构进行设定，并以FDTD法解析，而求出光的提取效率和配光性。例如，如果次数m=3，则PBG成为极大的R/a=0.4、且R=120、d=240。在决定深度h（0<h<1.0d）的情况下，由于单纯意为直径d的1.0倍，因此成为h=240。

在步骤S8中，以d、a、h作为变量，且以周期结构作为初始条件进行设定，重复步骤S7以求出光的提取效率和配光性。最终求出与每个d、a、h对应的PBG、光的提取效率、配光性的数据。

该结果将后述，同样求出图15的有周期结构的情况下的强度I，从有周期结构的强度/无周期结构的情况下的强度（图14）求出光提取效率。

另外，配光性作为与图15的下段的远场电场分量Ex、Ey、Ez的角度对应的电场强度分布图表示。在此，各自的电场分量的亮度以该各图的下方的Integral[E]^2的数值显示，该数值表示与图14的无该周期结构的情况相比较高的数值。另外，在远场的电场分布图的中心附近可确定亮度较亮的部分，根据该点也能够判断与无该周期结构的情况相比较，正面亮度较高。

图5是表示步骤S7的深度h为周期a的变量(0＜h＜1.0a)的情况下的处理例的图。基本上为与图5相同的处理，但在步骤S7中，从步骤S6中求出的R/a求与次数m对应的直径d、周期a，而决定深度h(0＜h＜1.0a)的点不同。

表1

R/a	直径：nm(m＝3)	周期：nm(m＝3)	PBG/TM	PBG/TE
					0.2	97	243	×	×
0.25	126	252	×	○/0.014
					0.3	158	263	×	○/0.037
0.35	195	278	○/0.001	○/0.057
					0.4	239	299	○/0.032	○/0.064

表1是在使用平面波展开法模拟该光的频率和波数的分散关系时所选择的参数及通过该参数求出的光的频率ω和波数k的分散关系(以下称为“能带结构”)中，表示由光子晶体效果引起的能带隙的有无，及表示在有能带隙的情况下的其大小的表。

作为周期结构的图案，在蓝宝石基板上呈三角晶格状排列有空气孔。模拟中使用的参数为蓝宝石的折射率(1.82)、空气的折射率(1.0)、R：半径(nm)、a：周期(nm)、m：次数、PBG：光子带隙(无因次化)。

另外，图7是作为一个例子而表示计算的R/a＝0.4中的能带结构，图8是作为比较对象而表示蓝宝石表面平坦的情况下的无晶格能带结构的图。

在图7中，TE是指TE(transversal electric)模式，电场相对孔而横向存在，TM是指TM(transversal magnetic)模式，磁场相对孔而横向存在。从图7可知，TE模式、TM模式的各能带，频率ω和波数k的分散关系均为离散，且可在ω1TE(介电能带)和ω2TE(空气能带)问观察到光子带隙PBG，若与具有交点CP的图8的平坦的情况下的无晶格能带结构的结果相比较，则该情形的不同很明显。

在比较图7和图8的情况下明显的该现象是，在TE模式中，电场平行地存在于二维平面，在细线状的电介质连结的网路结构时，TE模式的电场易滞留在该连结的电介质。即，能量上可处于稳定状态，在TE模式中光子带隙PBG易打开。

接着，若为了考察在光子带隙PBG打开的情况下得到的特性而着眼于ω2TE能带，则可知可观测到在该能带端中以下式定义的群速度异常（光的能量传播速度由群速度：Vg决定，且Vg=dω/dk）Vg=0），可期待由光子晶体效果引起的光透射率增加。

图7是解析第一布里渊区中的能带端的一部分（Γ点、M点、K点包围的部分）的图，但在此，在第一布里渊区整体范围内进行解析，求出相对ω2TE能带的波数向量（kx,ky）的等频率面，且将R/a=0.25示于图9，将R/a=0.4示于图10。

光子晶体中的光的传播方向由群速度决定，为求出群速度需要求出波数向量k。这如图9、图10所示，由等频率面可知。如上述图3所示，在二维空间（x，y）中频率ω的光从蓝宝石区域15b向光子晶体中传播时，与入射面的切线方向的运动量将保存。若以波数空间（kx，ky）（其中，k=2πa,a为周期）表现该事象，则光子晶体中的波数向量的y方向分量ky满足ky_a/2π=ωa/2πc·sinθi。

群速度是根据上述式Vg=dω/dk相对频率的波数向量的梯度，使等频率面的法线方向朝向频率增加的方向，光的传播方向如图9、图10所示，朝向箭头的方向。特别地，观察到群速度异常的点为图10中的等频率面ωa/2πc=0.55的坐标（kx，ky）=（-0.283，0.491）。若将ky=0.491代入式ky_a/2π=ωa/2πc·sinθi则求出θi=63°。另一方面，光的传播方向成为箭头的朝向，且折射角θr的大小从式tanθr=（ky/kx）求出为-60°。因此，从入射角和折射角的关系为θi>0、θr<0的情况可知，表示实质折射率n<0的状态，展现负的折射效果。

另外，将相对入射角的折射角的关系设为R/a=0.25的情况示于图11，将设为R/a=0.4的情况示于图12。图11、图12均为θi和θr始终相反，表示负的折射效果。另外，在能带端Γ点附近，以稍微的入射角的变化可观测到较大的折射角的变化，在其它能带端即K点中，入射角和折射角的变化中没有较大的差异，但入射角大幅超过临界角度θc=33.3度，暗示由光子晶体效果引起的透射率增加。另外，根据R/a=0.4中的入射角比R/a=0.25中的入射角大，暗示R/a和透射率（即光提取效率）的相关关系，以及PBG（光子带隙）的大小和光提取效率有相关关系。

接着，使用以前述的平面波展开法得到的图案形状，表示实际上以FDTD法进行模拟的结果。图13是表示FDTD法模拟模型的例子的图。如图13所示，从蓝宝石基板1内的光源，经由形成于基板1的背面1a即光提取面的光子晶体周期结构15而产生发光（hν）。在此，于远离基板1的背面1a规定距离的位置配置有光的监视器。

作为解析区域，设定10μm×10μm×6.5μm的空间，在内部的适当位置配置光子晶体、监视器、光源。分割本空间的网格尺寸为20nm，为了防止空间边界上的反射波影响而设定完全吸收边界条件，光源中使用原理上与LED光源相近的偶极单光源。

图14为在蓝宝石背面没有周期结构的图案的情况下的计算结果，从（a）到（c）的近场电场分量是将特定波长280nm的监视器上的电场强度按每个Ex、Ey、Ez分量进行显示。另外，从（d）到（f）的远场电场分量是对近场电场分量的x,y进行傅立叶变换以将波数空间的电解分布（远场角度分布）按每个Ex、Ey、Ez分量显示。

表2

在FDTD模拟中，如表2所示，使次数（m=3）、R/a（0.25、0.3、0.35、0.4）、长宽比（深度/直径，为0.5、1.0、1.5）变化而解析合计12种光子晶体图案中的亮度。图15是作为其一个例子。表示次数m=3、长宽比0.5、R/a=0.4、直径/周期=（239nm/299nm）的图案的解析结果的图。从（a）到（c）是表示近场的电场分量的图，从（d）到（f）是表示远场的电场分量的图。一般而言，光强度I使用远场的电场分量Ex、Ey、Ez，以下式表示（ε₀：真空中的介电常数，c：光速度）。

I=ε₀*c（Ex²+Ey²+Ez²）

图16、图17是使用该式计算此次解析的各图案的亮度，且使次数m=3时的、具有相对无图案的光子晶体图案的情况下的亮度增减率以R/a及长宽比的函数图表化的图。

在图16中，在长宽比为0.5的情况下，若与其它长宽比1.0及1.5的图表相比较，则明显看出倾向的不同。在此使用的图案从满足布拉格的散射条件的式：mλ/n_av=2a（m：次数，a：周期，λ：波长）求出。

在前述的平面波展开法中，R/a和光子带隙的大小相关，若光子带隙较大，则即使为通常会引起全反射的入射角，光仍然折射，因此可期待亮度增加。通常，在二维三角晶格光子晶体的情况下，光子带隙在对称点打开，以此时的对称点M、K点分别制作两个及三个驻波。在此，驻波是指，在不同的方向行进的两个以上的同一频率的波的干扰，其振幅由两个以上的波的行进方向等决定。因此，在该实例中，由于驻波的影响，R/a0.3比R/a0.35的情况可得到更大的亮度增加效果。另外，可知该倾向如图17所示，也可在广泛范围的长宽比中看出。

如以上，若总结与光子晶体图案和亮度相关的法则性，则如以下所示。

1）在深度方向，长宽比0.5左右，亮度增加率成为最大。

2）在R/a的关系中，R/a：0.3或R/a：0.4较为理想。随着R/a接近0.4，易获得光子晶体的效果，原因是这时的平均折射率为蓝宝石和空气的中间值，介电常数的较大变化有所贡献，因此为妥当的结果。

表3

R/a	直径：nm(m＝3)	周期：nm(m＝3)	PBG/TM	PBG/TE
					0.2	195	487	×	×
0.25	249	498	×	×
					0.3	308	514	×	○/0.001
0.35	374	535	×	○/0.01
					0.4	450	562	×	○/0.008

表4

R/a	直径：nm(m＝3)	周期：nm(m＝3)	PBG/TM	PBG/TE
					0.2	144	359	○/0.0003	×
0.25	174	347	○/0.009	×
					0.3	200	334	○/0.01	×
0.35	224	320	○/0.006	×
					0.4	245	307	×	×

表3、表4中分别记载通过平面波展开法求出保护膜和空气层中的光子带隙的大小、及蓝宝石基板表面和GaN层的界面中的光子带隙的大小。在保护膜和空气层中，在R/a为0.35时，光子带隙最大改善光提取效率。另外，同样，在蓝宝石基板表面和GaN层界面中，在R/a为0.3时，光子带隙最大改善光提取效率。

在从图29A到图29C中，关于光子晶体周期结构的加工深度h，进一步进行最佳条件的考察。

图29A是表示步骤S7的深度h为周期a的变量(0＜h＜5.0a)的情况下的处理例的流程图。图29B是表示求出介电能带的第一步，和由该介电能带和空气能带的差，决定周期结构的周期a、直径d的第二步的流程图。图29C是将上述第一步进一步分成详细的四个步骤进行表示的流程图。

在图29A所示的处理中，在参照图4、图5进行说明的模拟的流程中，将步骤S7中的利用FDTD法的深度h的模拟范围扩展为0<h<5.0a（图29A的步骤S7a）。

另外，在图29B中，首先，在步骤S11中，作为具有不同折射率的两个结构体的选定处理，选定以设计波长λ中满足Bragg的散射条件的周期a和半径R的比（R/a）作为参数的、由具有不同折射率的两个结构体构成的光子晶体周期结构。接着，在步骤S12中，作为求出介电能带（第一光子能带）的第一步，从将从光子晶体周期结构输出的平面波在电场E、磁场H中展开的麦克斯韦电磁场波动方程组Σε^-1（G-G’）|k+G||k+G’|E（G’）=ω²/c²E（G’）及Σε^-1（G-G’）（k+G）*（k+G’）H（G’）=ω²/c²H（G），（ε^-1：介电常数的倒数，G：倒格矢，ω：频率，c：光速，k：波数向量）的固有值计算，求出TE光或TM光的任一个的介电能带（第一光子能带）。

接着，在步骤S13中，作为决定周期a、直径d的第二步，决定介电能带（第一光子能带）和空气能带（第二光子能带）的差成为最大的周期a和直径d。

在图29C中，在步骤S21中，作为Bragg散射的条件（参数）的赋予处理，将构成光子晶体周期结构的半径R和周期a的比R/a在从0.15到0.45范围内选定的基础上，决定欲获得光子晶体的效果的设计波长λ，从选定的两个结构体的各自的折射率n₁及n₂，求出平均折射率n_av。

接着，在步骤S22中，根据Bragg散射条件，作为周期结构的周期a的算出处理，从mλ/n_av=2a按每个次数m（m=1、2、3、··）算出周期a。在步骤S23中，作为周期结构体的直径R和介电常数的算出处理，从已经选定的R/a算出每个次数m的半径R，另外，从同样选定的两个结构体的折射率将其平方，算出各自的介电常数ε₁及ε₂。在步骤S24中，作为麦克斯韦电磁场波动方程组中的固有值计算处理，将设计波长λ、介电常数ε₁及ε₂、R/a输入麦克斯韦电磁场波动方程组。

图30是表示深紫外LED结构中的FDTD法模拟模型的例子的图。另外，具体算出周期结构的直径d、周期a、深度h的方法与前述的方法相同，因此在此省略。另外，如果求出R/a的值，则根据d=2R的关系式，a唯一确定，因此，如前述那样可以将深度h作为直径d的变量。

在为了深度h的最佳化的考察中，关于检测光的强度的监视器，由于在阱层发光的光向所有的方向行进，因此，鉴于半导体发光元件的结构，除了有反射电极的上部外的底部正面及侧壁4面合计配置5个。由监视器检测的光的强度为电场和磁场的外积的绝对值，单位为[W]。将监视器配置在LED结构外的理由是考虑到LED内部的光释放到外部时产生与空气的折射率差，按照斯涅尔定律在内部全反射的与实际的LED相近的现象。

另外，在阱层发光的光在p型GaN接触层进行吸收，因此，在变更为无吸收的p型AlGaN接触层的基础上实施模拟。因此，该结构可得到与蓝色LED同等的LEE。

作为解析区域，设定8μm×8μm×6μm的空间，将分割本空间的网格尺寸设为10nm，且以防止反射波对监视器的外侧的影响为目的而设定完全吸收边界条件，光源中使用与LED光源原理上相近的偶极单光源。

从图31到图33所示的解析结果表示在侧壁、底部正面分别检测的输出值，即配光特性，在底部检测的光表示正面的亮度。图34表示侧壁、底部正面、及侧壁+底部正面上的LEE增加率，和以周期结构的周期a的变量表示的深度h的关系。实际的深紫外LED元件主流为倒装（倒装）型，因此，在该情况下，上表面部固定于台座上。因此，提取光的面成为侧壁部和底部正面，但尤其重要的是成为正面的底部正面的LEE增加率特性。

从图34可明确，随着周期结构的深度h变深，侧壁部LEE增加率会增加。这是由于若深度h变深，则得到布拉格散射效果的区域的表面积增大，该LEE增加率的增加与深度h大致成比例。该点在各波长中也明确有相同现象。

另一方面，底部正面LEE增加率在周期结构的深度h为周期a的0.5倍为止的范围内急剧增加，其值达到近50%。然后，LEE增加率缓慢增加、减少，在深度h为周期a的2.0倍以后大致持平。即，由具有光子带隙的光子晶体周期结构特有的现象引起的LEE增加率增大效果在周期结构的深度h为周期a的0.5倍到2.0倍的范围内效果最高。

由以上，作为LED元件整体的LEE增加率，即侧壁部LEE增加率和底部正面LEE增加率的和，在该周期结构的深度h为周期a的0.5倍以上时较显著。

在图35中，比较表示周期结构的深度h为0<h<5.0a的范围内的、侧壁/（侧壁+底部正面）及底部正面/（侧壁+底部正面）各自的输出比。在此，深度h=0的情况是指没有周期结构的情况。由此，在深度h为0.5a<h<5.0a的范围内，各自的输出比大致以6：4变化。该比率与侧壁和底部正面的面积比有关系，因此，例如，可以通过改变蓝宝石基板的厚度进行变更。为了使更具体的底部正面/（侧壁+底部正面）的输出比增加，使将基板在面内分割以元件化时的面积变大，另一方面，只要将蓝宝石基板的厚度（数百μm）变薄即可。另外，在该情况下，与半导体部的厚度（数μm）相比，优选为调整蓝宝石基板的厚度。而且，通过这种面积比的调整，能够调整LED元件的配光性。

另外，图36中表示除在深紫外LED结构的蓝宝石基板的背面外，在基板的表面也追加光子晶体周期结构，而在实施模拟时得到的模型结果。各光子晶体的图案是基板背面为孔形状且直径：230nm、周期：287nm、深度h设为周期a的1.0倍，基板表面为支柱形状且直径：299nm、周期：415nm、深度h为周期的1.0倍。

如从图31到图33的1.0a+支柱的图表所示，在侧壁、底部正面、侧壁+底部正面的任一个中，大概其输出值均超过孔1.0a单体的光子晶体的输出值。另外，将LEE增加率示于下述的表中。

表5

根据表5的结果，在于蓝宝石基板的两面加工光子晶体周期结构的情况下，与仅加工背面相比较，LED元件整体的LEE增加率进一步增加15点，即增加至40%。

同样，在蓝色LED结构中，进行FDTD模拟。图37表示其结构。从图38到图40所示的解析结果与上述一样，通过从图29的步骤S1到步骤S8利用平面波展开法及FDTD法进行解析。中心波长为455nm、光子晶体的周期结构为周期a=415nm、直径d=299nm、次数m=4，在侧壁、上部正面检测的输出值表示配光特性，在上部正面检测的光表示正面的亮度。

实际的蓝色LED元件主流为正面结构，在该情况下，底部固定于台座，因此，提取光的面成为侧壁部和上部正面。而且，图41表示侧壁、上部正面、侧壁+上部正面中的LEE增加率和深度h的关系。

从图41可明确，侧壁的LEE增加率至少在深度h为从0.5a到5.0a的范围内，与深度h大致成比例而增大。因此，侧壁+上部正面的LEE增加率，即LED元件整体的LEE增加率，不会被深度h和上部正面的LEE增加率的相关较大地左右，而是与光子晶体周期结构的加工深度h大致成比例而增大。另外，侧壁和上部正面的输出比深度特性如图42所示大概为35：65。

另外，图43中表示在蓝色LED结构的SiO₂保护膜上追加光子晶体并实施模拟时的模型。各光子晶体的图案是基板表面为支柱且直径：299nm、周期：415nm、深度h设为周期a的1.0倍，SiO₂保护膜为孔且直径：499nm、周期：713nm、深度h由于SiO₂保护膜的膜厚限定于300nm而设为260nm。将LEE增加率示于下述表中。

表6

根据表6的结果，在于蓝宝石基板的表面和SiO₂保护膜的二面加工光子晶体的情况下，与仅加工表面相比较，LED元件整体的LEE增加率为3点，即增加至27%。

下面，对光子晶体搭载LED的制造过程进行说明。

实施例

[实施例1]

图18～图22是表示图1所示的半导体发光元件（LED）的制造过程的一部分（光子晶体结构的制作次序）的例子的图。

首先，如图18所示，准备用于制作周期结构的石英制的模具（主模型）100。基板101的模具的图案103为R/a=0.3、直径、周期、深度分别为155nm、263nm、361nm。

在蓝宝石基板的光子晶体加工中进行根据纳米压印的光刻胶图案化，接着将由ICP刻蚀形成的光刻胶作为掩模对蓝宝石进行干法刻蚀。但是，在100nm级别的微细图案化中，存在利用KrF等步进光刻装置而成本变高，另外，在有基板的翘曲等的情况下的光刻中产生不良情况等问题。

另一方面，在纳米压印的工序中，在存在蓝宝石基板及氮化物半导体层的翘曲等的情况下，若用石英制模具直接对蓝宝石基板上光刻胶实施加压、UV转印，则模具的图案可能破损，因此，在此，如图18所示，采用如下方法：从石英制模具100暂时制作薄膜（树脂）塑模110（111、113）（b），使用该薄膜塑模110，使图案125转印在涂布于蓝宝石基板121上的光刻胶123上。从（d）到（g）为表示实际的图案形状的SEM照片。

由该方法，可实现充分追随基板的翘曲及微小的突起物的转印。图案转印后的蓝宝石的刻蚀虽然以ICP刻蚀如图19、图20所示进行，但难以精度良好地加工。单结晶蓝宝石在酸、碱任一个中均不会溶解，光刻胶的相对蓝宝石的刻蚀的选择比没有充分的，通常的光刻用光致光刻胶中选择比一般为0.5～0.7左右。另外，在UV硬化型纳米压印中，光刻胶的流动性和硬化后的选择比为折衷的关系，选择比若在0.5以下则不是充分的值。

在本实施例1中，进行模具图案的最佳化、根据纳米压印的光刻胶图案化的最佳化、根据ICP干法刻蚀的蓝宝石加工的最佳化，如图18所示，在蓝宝石基板背面能够得到空气孔的三角晶格排列，即与长宽比0.5及1.0，和设计相同的光子晶体的图案，能够确立工艺技术（直径127nm/周期252nm/高度359nm)。

若实际观察干法刻蚀加工后的光子晶体的剖面，则如图所示，并非完全的矩形，而带有75度～80度左右的锥形角度。在模拟中，以完全矩形进行，因此，有若干数值的变更。

图23是表示在蓝宝石进行光子晶体加工以形成空孔的情况下的入射角、反射率的图表的图。在完全矩形的情况下，可知产生大概3～5％左右的反射。作为其理由，是由于在空气和蓝宝石的界面上，产生急剧的折射率的变化(在该情况下，以R/a：0.4计算平均折射率为1.4)，而反射一部分的光。另一方面，在凹凸接近波长的周期中存在锥形角度的情况下，可感受到光从蓝宝石向空气，折射率缓慢变化。因此，由于没有折射率急剧变化的界面，因此，光不会反射，相应地，亮度增加。

其中，在干法刻蚀工艺中，如图24所示，以晶圆内的棋盘格状贴付聚酰亚胺胶带P以进行干法刻蚀。若贴附有聚酰亚胺胶带P的区域不进行干法刻蚀，而进行有机洗净，则光刻胶图案也会消失。这是由于，在之后晶体成长且制作、评价LED时，能够一边在相同晶圆内比较有无光子晶体图案的亮度的差，一边进行观察。

接着，洗净干法刻蚀后的基板，进入磊晶控制的准备完成的状态。然后，利用例如MOCVD法，使用综合规定成长条件的处方进行晶体成长。在晶体成长后的基板形成电极，分割元件而通过积分球测定LED的波长、亮度。

在该LED的活性层发光的光的波长为270nm，图28中表示其光谱。图26是表示实施例l的测定结果的图。在图26中，以I-V、I-L、EQE特性表示光子晶体图案的有无(I：电流，V：电压，L：输出，EQE：外部量子效率)。

表7

周期(nm)	模具R/a	上部直径(nm)	下部直径(nm)	深度(nm)	DE后平均R/a
						263	0.3	150	120	80	0.257
263	0.3	150	70	160	0.209

如表7所示，由于干法刻蚀后的空孔的干法刻蚀(DE)后的平均R/a成为比模具的R/a小的值，因此，亮度评价使用DE后的平均R/a。

在表1中，如果DE后的平均R/a为0.257，则光子带隙充分打开，因此可期待亮度的效果，但在深度80nm的情况下的测定结果与光子晶体图案的有无没有关系而没有观测到相关性。可认为是深度方向的要因起作用。另一方面，在深度为160nm的情况下，DE后平均R/a成为0.209，表1的光子带隙打开或不打开较为微妙。但是，光子晶体图案的有无中可看到若干的相关性。在输出中增加10％左右。深度方向也有虽微小但起作用的可能性，在与下述的实施例2的比较中进行判断。

[实施例2]

同样地，如图18所示，准备石英制的模具100。模具的图案103是R/a=0.38，直径、周期、深度分别为230nm、299nm、371nm。与实施例1的情况一样，在蓝宝石基板的光子晶体加工中，进行根据纳米压印的图案化，接着以根据ICP干法刻蚀的光刻胶作为掩模对蓝宝石进行干法刻蚀，如图21、图22所示，在蓝宝石基板背面能够得到空气孔的三角晶格排列，长宽比0.5和0.8的、根据设计的如目标那样的光子晶体的图案，能够确立工艺技术。

接着，洗净干法刻蚀后的基板并进入开盒即用的状态。将开盒即用的状态中的蓝宝石基板的上表面、剖面的形状照片示于图25。(a)是上表面，(b)是剖面，(c)是(b)的放大照片。然后，通过MOCVD法，使用规定的处方进行晶体成长。在晶体成长后的基板上形成电极，分割元件而通过积分球测定LED的亮度。

将实施例2的LED的测定结果示于图27。

表8

周期(nm)	模具R/a	上部直径(nm)	下部直径(nm)	深度(nm)	DE后平均R/a
						299	0.385	190	125	125	0.263
299	0.385	190	125	200	0.263

首先，表8的DE后的平均R/a的值在深度方向125nm和200nm不变为0.263。如果是该值，则也可根据表1，光子带隙会充分打开，因此，可期待光子晶体的图案的有无和亮度的相关性。实际上，若观察图27的测定结果，则在孔的深度为125nm、200nm的情况下，均充分显现由设置光子晶体周期结构带来的亮度的提高的效果。在电流上观察的输出值均增加20％左右。另外，关于深度方向的不同，可知，在深度为200nm中，施加电压、电流均比深度为125nm的它们大，输出值自身也较大。

图25的上部直径249nm、下部直径162nm与表6的上部直径及下部直径相比较分别大59nm、37nm。蓝宝石基板的干法刻蚀进行使用氯基气体的反应性离子刻蚀，切断蓝宝石的成分即铝和氧气，一边还原氧气一边进行刻蚀，因此，在刻蚀侧壁上附着有铝，其结果，会过多测量干法刻蚀后的上部、下部的直径。假定侧壁附着物的量与刻蚀时间成比例而将表7及表8的结果进行修正示于表9。

表9

周期(nm)	模具R/a	上部直径(nm)	下部直径(nm)	深度(nm)	DE后平均R/a
						263	0.3	174	135	80	0.29
263	0.3	197	100	160	0.28
						299	0.385	227	148	125	0.31
299	0.385	249	162	200	0.34

总结表9的修正结果以及实施例1及实施例2的结果后，可知在光子带隙的大小和光提取效率之间大致存在比例相关性，另外，关于深度方向，在与直径为同等的值时，相关性更有效。

作为至此得到的结果，若对蓝宝石基板进行干法刻蚀，则关于模具的形状和干法刻蚀后光刻胶残渣除去后的形状，判明存在刻蚀偏差值。为了如设计那样得到效果，设想周期为299nm、模具R/a为0.385的实例，将修正该刻蚀偏差值而制作主模具的情况下的模拟结果示于表10。

表10

从表10可知，干法刻蚀后光刻胶残渣除去后的侧壁角度在78度下确保中间直径230nm、R/a：0.385的模具设计值，在中间直径值上大30nm，可以将模具的侧壁角度设为89.0度。由此，可以统合光子晶体的设计、模具的制作、光刻胶选定、根据纳米压印的转印、干法刻蚀为止的工艺进行管理（工艺整合）。

根据本实施方式，通过在蓝宝石基板背面、或蓝宝石基板表面和GaN层的界面、或保护膜上进行由与光的媒质中波长具有同等的周期的二维光子晶体构成的凹凸部的加工，从而针对边界面上的光形成能带结构，存在不能进行光的传播的能量区域（光子带隙）。具有光子带隙内的波长的光不能在形成有周期结构的面内传播，仅能在与该面垂直的方向传播。因此，在活性层释放且到达蓝宝石基板背面、或蓝宝石基板表面和GaN层的界面、或保护膜的光，不会在与空气的边界面上进行全反射而释放至空气中，结果，光提取效率也提高，外部量子效率和亮度增加。另外，成为正面亮度高的发光元件。

在上述的实施方式中，关于附图中图示的结构等，并非限定于此，在发挥本发明的效果的范围内可以进行适当的变更。此外，只要不脱离本发明的目的范围，可以适当地变更而进行实施。

例如，上述设计用程序、通过程序设计的模具等也包含于本发明。另外，由不同的***（结构体）构成的周期结构并非由两个，也可以由三个以上的***（结构体）构成。***不仅为空气和结晶，也可以由不同的两种结晶构成。

另外，本发明的各结构要素，能够任意取舍选择，且具备取舍选择的结构的发明也包含于本发明。

例如，作为LED的材料，通过使用以下的材料，能够制作出各种颜色的发光二极管。

·砷化铝镓（AlGaAs）-红外线、红

·磷砷化镓（GaAsP）-红、橙、黄

·氮化铟镓（InGaN）/氮化镓（GaN）/氮化铝镓（AlGaN）-（橙、黄、）绿、蓝、紫、紫外线

·磷化镓（GaP）-红、黄、绿

·硒化锌（ZnSe）-绿、蓝

·磷化铝铟镓（AlGaInP）-橙、黄橙、黄、绿

·金刚石（C）-紫外线

·氧化锌（ZnO）-蓝、紫、近紫外线

以下，作为基板而利用。

·碳化硅（SiC）作为基板-蓝

·蓝宝石（Al₂O₃）作为基板-蓝、紫外

·硅（Si）作为基板-蓝

工业上的可利用性

本发明可以利用于半导体发光元件。深紫外LED作为杀菌、净水有用，工艺技术对量产化有用。

符号说明

1…蓝宝石基板、1a…蓝宝石基板1的背面（光提取面）、3…AlN缓冲层、5…n型AlGaN层、7…n型AlGaN活性层、9…p型AlGaN层、15…光子晶体周期结构、15a…空孔部、15b…基板背面部、21…蓝宝石基板、23…n型GaN层、25…n型GaN活性层、27…p型GaN层、29…透明电极层、31…保护膜。

将本说明书所引用的所有的刊物、专利及专利申请直接作为参考而采用于本说明书中。

Claims

1.一种半导体发光元件，其特征在于，在光提取层具有光子晶体周期结构，所述光子晶体周期结构由具有不同折射率的两个***（结构体）构成，且具有光子带隙，其中所述两个***（结构体）的界面满足布拉格散射的条件。

2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光子晶体周期结构的深度h为该光子晶体周期结构的周期a的0.5倍以上。

3.如权利要求1或2所述的半导体发光元件，其中，所述光提取层为半导体发光元件的基板或形成于基板的相对面的保护膜中的任一个。

4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中，所述光子晶体周期结构在所述基板的任意深度位置的区域内实施。

5.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光子晶体周期结构包含周期性形成于所述基板的背面的空孔而形成。

6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光子晶体周期结构在一个或两个以上的光提取层的任意深度位置的区域内形成两处以上。

7.如权利要求1～6中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，具有光子带隙的所述光子晶体周期结构为，

通过从将从该光子晶体周期结构输出的平面波在电场E、磁场H中展开的麦克斯韦电磁场波动方程组Σε^-1（G-G’）|k+G||k+G’|E（G’）=ω²/c²E（G’）及Σε^-1（G-G’）（k+G）*（k+G’）H（G’）=ω²/c²H（G），（ε^-1：介电常数的倒数，G：倒格矢，ω：频率，c：光速，k：波数向量）的固有值计算求出的TE光、或TM光中的任一个的介电能带（第一光子能带）和空气带（第二光子能带）的差，决定该结构的参数即周期a、直径d的光子晶体周期结构。

8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，还具有通过FDTD法决定深度h的光子晶体周期结构。

9.如权利要求1～8中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光提取层的光子晶体周期结构使用纳米压印光刻法进行加工。

10.如权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光提取层的光子晶体周期结构利用经由树脂塑模的模具的图案的转印处理进行加工。

11.如权利要求1～10中任一项所述的半导体发光元件，其中，所述基板为蓝宝石。

12.如权利要求1～11中任一项所述的半导体发光元件，其中，所述半导体发光元件的半导体层由氮化物半导体构成。

13.如权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述纳米压印光刻法中，使用以下的1）～3）的工序：

1）在制作纳米压印用主模具的情况下，为了应对基板的翘曲，而制作树脂塑模，通过使用所述树脂塑模转印至所述基板上的光刻胶，从而避免所述基板上图案和所述主模具的图案反转；

2）在纳米压印后，通过干法刻蚀对所述基板进行刻蚀加工，这时，以周期a、直径d、深度h制作模具，之后，获得树脂塑模，以纳米压印将图案转印至基板上的光刻胶，对该基板进行干法刻蚀，除去光刻胶残渣以测定实际的形状；

3）反映该实际形状的测定值和设计值的差即刻蚀偏差值，再次制作主模具，并进行所述转印、所述干法刻蚀、所述光刻胶残渣的去除。

14.一种半导体发光元件的结构参数计算方法，其求出光子晶体周期结构的参数，所述光子晶体周期结构设于半导体发光元件，由具有不同折射率的两个***（结构体）构成，且具有光子带隙，其中所述两个***（结构体）的界面满足布拉格散射的条件，所述半导体发光元件的结构参数计算方法的特征在于，包括：

第一步，从将从所述光子晶体周期结构输出的平面波在电场E、磁场H展开的麦克斯韦电磁场波动方程组Σε^-1（G-G’）|k+G||k+G’|E（G’）=ω²/c²E（G’）及Σε^-1（G-G’）（k+G）*（k+G’）H（G’）=ω²/c²H（G），（ε^-1：介电常数的倒数，G：倒格矢，ω：频率，c：光速，k：波数向量）的固有值计算求出TE光或TM光的任一个的介电能带（第一光子能带）；

第二步，通过所述介电能带（第一光子能带）和空气带（第二光子能带）的差，决定所述周期结构的参数即周期a、直径d。

15.如权利要求14所述的半导体发光元件的结构参数计算方法，其特征在于，

在所述第一步中，包括：

赋予Bragg散射的条件的步骤；

在Bragg的散射条件中输入波长λ、次数m、平均折射率n_av，按每个次数m求出周期a的步骤；

按每个次数m从已决定的第一***的半径R/周期和所求出的周期a求出构成周期的圆孔的半径R，介电常数ε₁、ε₂通过使折射率n₁、n₂平方而求出的步骤；

将求出的波长λ、介电常数ε₁、ε₂、R/a输入所述麦克斯韦电磁场波动方程组的步骤。

16.如权利要求14或15所述的半导体发光元件的结构参数计算方法，其特征还在于，还包括通过FDTD法决定深度h的第三步。

17.如权利要求16所述的半导体发光元件的结构参数计算方法，其特征还在于，在所述第三步中，对深度h在周期a的0.5倍以上的范围内进行参数计算。