KR101580619B1 - 반도체 발광 소자 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

설계 파장을 λ로 하는 반도체 발광 소자를 구성하는 각 층 사이의 하나 이상의 계면에 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조를 가지는 반도체 발광 소자로서, 상기 설계 파장(λ)과 상기 하나 이상의 각 주기 구조의 파라미터인 주기(a) 및 반경(R)은 브래그 조건을 충족하고, 상기 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는 TE광의 소정의 포토닉 밴드갭(PBG)이 상기 주기 구조마다 최대가 되도록 결정된 값이며, 각 주기 구조 파라미터는 상기 브래그 조건의 차수(m)에 따라 결정하는 주기(a), 반경(R) 및 0.5a 이상의 상기 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법을 이용한 시뮬레이션의 해석 결과에 의해, 상기 파장(λ)에 대한 반도체 발광 소자 전체의 광취출 효율이 최대가 되도록 결정된 파라미터인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.

Description

반도체 발광 소자 및 제조 방법{Semiconductor light-emitting element and production method}

본 발명은 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED)나 유기 EL(OLED)로 대표되는 반도체 발광 소자는 디스플레이 및 조명 용도의 광원으로서 고휘도가 요구되고 있고, 표면에 미크론 크기의 요철을 형성한 사파이어 기판(PSS: Patterned Sapphire Substrate)을 이용하여 광취출 효율을 향상시키는 방법이 일반적이다. 또한, 광취출 효율을 높이는 새로운 방법으로서 광의 파장 정도의 주기(周期)를 가지는 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 형성하는 기술이 소개되어 있다. 포토닉 결정 주기 구조는, 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체의 계면에서 형성되고, 주로 필라 구조 또는 홀 구조로 이루어지는 요철인 것이 일반적이다. 그리고, 이 주기 구조가 형성된 영역에서는 광의 존재가 금지됨으로써 전반사(全反射)가 억제되고, 이를 이용함으로써 광취출 효율의 향상에 기여하는 것으로 알려져 있다.

그러나, 반도체 발광 소자의 발광층으로부터의 발광에는 TM(Transversal Magnetic)광 및 TE(Transversal Electric)광 모두가 포함되고, 주기 구조에서의 각각의 거동, 즉 주기 구조에서 반사하는지 투과하는지에 따른 주기 구조의 최적화에 대해서는 명백하게 되어 있지 않다.

또, InGaN 베이스의 LED의 발광은 주로 TE광인 데에 반해, 사파이어 기판의 c면 상에 싱글 우물층을 형성한 Al_xGa_{1 - x}N 베이스의 LED에서는 Al의 조성비 x=0.25를 경계로 TM광이 주체적이 되고, 나아가 x가 커짐에 따라 TM광의 비율이 증가하는 것으로 알려져 있다(단, 양자 우물의 TE/TM 편광 특성을 온도 8.5K에서 포토루미네센스 강도를 계측하여 평가. 「Applied Physics Letters」, No.25, 21 June 2004, Vol.84).

나아가 사파이어 기판의 c면 상에 AlN 버퍼층과 Al_xGa_{1 - x}N/AlN의 다중 양자 우물을 성장한 경우에서는, Al의 조성비가 x=0.82를 경계로 TM광이 주체적이 되고, 동일 조성비에서는 우물층의 두께를 3nm 이하로 하면 TM광의 비율이 커지는 것이 보고되어 있다(「Physical Review」, B 79, 121308(2009)」).

또, 본 발명에서의 TE광과 TM광의 관계를 다음과 같이 정의한다. 본 발명에 있어서, TE광이란 전계 성분이 포토닉 결정 주기 구조면, 즉 주기 구조가 주기적으로 변화하는 방향의 면에 대해 가로 방향으로 진동하는 광이고, 한편 TM광은 그 자계 성분이 주기 구조면에 대해 가로 방향으로 진동하는 광을 말한다. 다시 말하면, 후자의 TM광은 그 전계 성분이 주기 구조면에 대해 세로 방향으로 진동하는 광이다.

특허문헌 1에서는, 광취출층에서의 포토닉 결정 주기 구조 파라미터의 설계에 있어서 TE광과 TM광 둘 다의 포토닉 밴드 구조를 계산하고, 그 결과 PBG가 크게 열려 있는 TE광을 선택한 후에 그 주기 구조 파라미터 설계의 최적화를 행하고 있다.

특허문헌 2에서는, TM 라이크 모드와 TE 라이크 모드의 두 모드에 대해 PBG를 가지는 포토닉 결정 슬래브 내에 도파로를 설계함으로써, 이 결정면 내에 광이 누출되는 것을 막고 높은 Q값을 발휘시키고 있다.

특허문헌 3에서는, 제1 도전형 반도체층에 이 층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 SiO₂ 및 에어 갭으로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조를 형성하고, 그 위의 비전도성 반도체층에 광을 입사시키고 있다.

특허문헌 4에서는, 제1 형광체층과 제2 형광체층에 포토닉 결정을 형성하고 제2 변환광을 투과하여 제1 변환광을 반사시키고 있다.

특허문헌 5에서는, TE 편광에 대해 포토닉 밴드갭을 가지는 2차원 주기 구조를 가지는 형광체층을 광도파로의 외연부에 배치한 구조에 의해, TE 편파를 효율적으로 도파로에 가두는 효과가 기재되어 있다.

특허문헌 1: WO2013008556호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2006-276388호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 2010-135798호 공보 특허문헌 4: 일본공개특허 2012-186414호 공보 특허문헌 5: 일본공개특허 2011-228513호 공보

특허문헌 1에서는, 그 선택의 타당성이나 반도체 발광 소자 내에서의 복수의 주기 구조에서 동일한 선택을 조합한 경우에서의 광취출 효율의 최대화 방법에 대해서는 구체적인 기재가 없다.

특허문헌 2에서는, 도파로 소자와 반도체 발광 소자에서는 그 포토닉 결정 주기 구조에 대한 광의 전반(傳搬) 방향에 결정적인 차이가 있어 전자의 설계 방법을 후자에 적용할 수 없다.

특허문헌 3에서는, 활성층으로부터 제1 도전형 반도체층에 입사한 광은 그 주기 구조 파라미터에 따라서는 투과보다 반사가 크고, 광취출 효율을 최대화하기 위한 최적화 방법을 개시하고 있다고는 할 수 없다.

특허문헌 4에서는 TM광 또는 TE광의 어느 쪽을 최적화해야 하는지에 대해서는 기재가 없고, 광취출 효율을 최대화하기 위한 주기 구조의 최적화 방법을 개시하고 있다고는 할 수 없다.

특허문헌 5에서는, 그 주기 구조 파라미터의 최적화에 대해, 나아가서는 TE 편광과 TM 편광의 구분에 입각한 후의 주기 구조 파라미터의 최적화에 대해서는 개시되지 않았다.

또한, 상기 어떠한 주기 구조이든 이를 대면적으로 일괄하여 피가공 대상물에 전사하는 방법으로서 나노 임프린트 리소그래피법을 이용한 전사 기술이 알려져 있다. 그러나, 이 전사 기술에서 통상 이용하는 유기 레지스트에는 그 전사 방법이 금형과 기판에 압력을 걸어 그 금형의 패턴에 레지스트를 충전시키기 위해 유동성이 필요하게 된다. 그러나 이 유동성을 우선하면, 주기 구조를 형성하는 피전사물에 대한 에칭 선택비가 불충분해질 우려가 있다. 또한, 금형의 상기 주기 구조의 크기와 에칭 후에 형성된 주기 구조의 크기도 일치하지 않는다.

본 발명은 반도체 발광 소자의 광취출 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는, 반도체 발광 소자의 광취출 효율을 최대화하기 위해 착안하는 상기 소자 내의 하나 이상의 계면에서 형성하는 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터 설계에 관련되는 것으로, 각각의 주기 구조의 형성이 광의 반사와 투과 중 어느 것을 목적으로 하는지에 따라 TE광과 TM광 중 어느 것에 대해 그 주기 구조 파라미터의 최적화를 행하면 좋은지의 지침과 그 구체적인 최적화 방법의 제공을 목적으로 한다. 또한, 상기 주기 구조의 형성 위치와 기능에 따라 최적화된 주기 구조를 하나 이상의 계면에 실시한 반도체 발광 소자를 제공한다. 나아가 상기 주기 구조를 설계대로 형성 대상 부재의 대면적에 대해 정확하게 재현하기 위한 전사 기술을 제공한다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 설계 파장을 λ로 하는 반도체 발광 소자를 구성하는 각 층 사이의 하나 이상의 계면에 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조를 가지는 반도체 발광 소자로서, 상기 설계 파장(λ)과 상기 하나 이상의 각 주기 구조의 파라미터인 주기(a) 및 반경(R)은 브래그 조건을 충족하고, 상기 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는 TE광의 포토닉 밴드갭(PBG)이 상기 주기 구조마다 최대가 되도록 결정된 값이며, 각 주기 구조 파라미터는 상기 브래그 조건의 차수(m)에 따라 결정하는 주기(a), 반경(R) 및 0.5a 이상의 상기 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법을 이용한 시뮬레이션의 해석 결과에 의해, 상기 파장(λ)에 대한 반도체 발광 소자 전체의 광취출 효율이 최대가 되도록 결정된 파라미터인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 설계 파장을 λ로 하는 반도체 발광 소자를 구성하는 각 층 사이의 하나 이상의 계면에 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조를 가지는 반도체 발광 소자로서, 상기 설계 파장(λ)과 상기 하나 이상의 각 주기 구조의 파라미터인 주기(a) 및 반경(R)은 브래그 조건을 충족하고, 상기 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는 TM광의 소정의 PBG가 상기 주기 구조마다 최대가 되도록 결정된 값이며, 각 주기 구조 파라미터는 상기 브래그 조건의 차수(m)에 따라 결정하는 주기(a), 반경(R) 및 0.5a 이상의 상기 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법을 이용한 시뮬레이션의 해석 결과에 의해, 상기 파장(λ)에 대한 반도체 발광 소자 전체의 광취출 효율이 최대가 되도록 결정된 파라미터인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자가 제공된다.

본 명세서는 본원의 우선권 기초인 일본특허출원 2013-148234호의 명세서 및/또는 도면에 기재되는 내용을 포함한다.

본 발명에 의하면, 반도체 발광 소자의 광취출 효율을 높일 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터의 제1 최적화 처리의 흐름을 나타내는 흐름도로서, TE광의 PBG를 최대로 하는 흐름에 대해 그 개략을 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터의 제2 최적화 처리의 흐름을 나타내는 흐름도로서, TM광의 PBG를 최대로 하는 흐름에 대해 그 개략을 나타낸다.
도 1c는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터의 최적화 흐름을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 1d는 본 발명의 제3 실시형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터의 최적화 흐름에 대해 그 개략을 나타낸다.
도 2는 심자외(深紫外) LED 구조의 일례를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 실시형태인 심자외 LED 구조의 일례를 나타내는 도면으로, 필라 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시형태인 심자외 LED 구조의 일례를 나타내는 도면으로, 홀 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 4a는 포토닉 결정 주기 구조에서의 브래그 조건을 충족하는 TM광(브래그 회절)의 거동을 나타낸다.
도 4b는 포토닉 결정 주기 구조에서의 브래그 조건을 충족하는 TE광(브래그 회절)의 거동을 나타낸다.
도 5는 도 3의 구조에서 평면파 전개법에 의해 구한 밴드 구조를 나타낸다.
도 6은 TM광의 PBG와 R/a의 관계를 나타낸다.
도 7은 FDTD 시뮬레이션에 사용한 심자외 LED 모델을 나타낸다.
도 8a는 FDTD 해석 결과로서, 측벽에서의 출력 특성 비교를 나타낸다.
도 8b는 FDTD 해석 결과로서, 상부에서의 출력 특성 비교를 나타낸다.
도 8c는 FDTD 해석 결과로서, 측벽 및 상부에서의 출력 합계의 출력 특성 비교를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시형태인 백색 LED 구조의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시형태인 포토닉 결정 주기 구조의 형성 방법의 일례를 나타낸다.
도 11은 도 10의 (b), 도 10의 (e) 및 도 10의 (f)의 실제 SEM 사진을 나타낸다.

본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면을 이용하여 설명한다. 또, 이하에 드는 실시형태에서의 LED 소자의 구조나 조성 재료는 물론이고 주기 구조의 형상(필라 구조, 홀 구조 등) 등은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다. 나아가 그 실시형태도 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 주기 구조의 설계 프로그램, 본 발명에 기초하여 가공된 금형 등도 본 발명에 포함된다.

제1 실시형태

본 실시형태에 의한 반도체 발광 소자는, 설계 파장을 λ로 하는 반도체 발광 소자를 구성하는 각 층 사이에서의 계면 중 하나 이상의 계면에 있어서, 파장(λ)의 광의 투과와 반사가 계면마다 개별적으로 제어된 포토닉 결정 주기 구조를 가지는 반도체 발광 소자이다.

여기서, 계면에서의 포토닉 결정 주기 구조는 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지고, 또한 그 주기 구조 파라미터인 주기(a) 및 반경(R)은 파장(λ)과의 사이에서 브래그 조건을 충족하는 관계 하에서 설계된다. 계면이 복수인 경우는 각각의 포토닉 결정 주기 구조에 있어서 독립적으로 설계된 구조이다.

주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는, TE광의 포토닉 밴드갭(PBG)이 상기 주기 구조마다 최대가 되도록 결정된 값이다. 이러한 구조체는 예를 들어 큰 굴절률의 매체 중에 작은 굴절률의 구조를 형성한 구조체이다.

혹은, 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는 TM광의 소정의 PBG가 상기 주기 구조마다 최대가 되도록 결정된 값이다. 이러한 구조체는 예를 들어 작은 굴절률의 매체 중에 큰 굴절률의 구조를 형성한 구조체이다.

예를 들어, 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는 파장(λ)의 주기 구조에서의 광의 투과와 반사 중에서 어느 것에 착안하여 이를 최적화하는지에 따라 TE광 또는 TM광에 대한 포토닉 밴드갭(PBG)의 크기를 계산하여 결정된 값이다. 예를 들어, 계면에서 광의 반사를 투과보다 크고 최대화하는 것을 목적으로 하는 경우는 TE광에 대한 PBG가 최대가 되도록 결정된 R/a값이다. 이는, TE광의 전계는 주기 구조면 내에 평행하게 존재하는 유전체의 연결 구조에 쌓이기 쉽고, 주기 구조 파라미터와 설계 파장이 브래그 조건을 충족하는 경우는 그 전계면에서 브래그 회절에 의해 반사되는 것에 의한다고 생각된다.

반대로 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는, 계면에서 광의 투과를 반사보다 크고 최대화하는 것을 목적으로 하는 경우는 TM광에 대한 PBG가 최대가 되도록 결정된 R/a값이다. 이는, TM광의 전계는 주기 구조면 내에 수직으로 존재하는 유전 스폿에 쌓이기 쉽고, 주기 구조 파라미터와 설계 파장이 브래그 조건을 충족하는 경우는 그 전계면에서 브래그 회절에 의해 반사되는, 즉 주기 구조면에 대해서는 투과하는 것에 의한다고 생각된다.

또, 후자의 경우에서의 TM광에 대한 R/a값은 주기 구조가 그 제1 밴드와 제2 밴드 사이에서 PBG1을 가지고 제3 밴드와 제4 밴드 사이에서 PBG2를 가지며, 그 PBG1과 그 PBG2의 합계가 최대를 나타내는 값인 것을 특징으로 한다.

그리고, 각 주기 구조 파라미터는 브래그 조건의 차수(m)에 따라 R/a로부터 결정하는 주기(a), 반경(R) 및 0.5a 이상의 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법을 이용한 시뮬레이션의 해석 결과에 의해, 파장(λ)에 대한 반도체 발광 소자 전체의 광취출 효율이 최대가 되도록 최종 결정된 값으로 이루어진다. 여기서, 0.5a 이상의 깊이를 가지는 주기 구조의 깊이(h)는 실제의 가공 정밀도에 따라서도 그 상한이 제한되는 값이다.

그런데, 하나 이상의 계면이란, 반도체 발광 소자의 기판의 이면과 공기의 계면, 기판의 표면과 질화물 반도체층의 계면, 발광층과 질화물 반도체층 사이에서의 질화물 반도체층과 공기의 계면, 기판을 박리한 후의 질화물 반도체층과 공기의 계면, 형광체와 공기의 계면, 기판의 이면과 반사막의 계면 등이고, 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지는 주기 구조에 있어서 PBG가 얻어지는 위치이면 되고, 여기에 열거한 위치에 한정되지 않는다. 나아가 주기 구조는 계면 내에서의 일부 영역에서 형성되는 경우를 포함한다.

제1 실시형태에서의 광반도체 장치에서는 이하의 구조를 가진다.

1) 포토닉 결정 주기 구조에 있어서, TE광의 포토닉 밴드갭(PBG)이 예를 들어 주기 구조마다 최대가 되도록 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)를 결정한 구조를 가지고 있다. 이 구조체는 예를 들어 큰 굴절률의 매체 중에 작은 굴절률의 구조를 형성한 제1 구조체로서, 예를 들어 홀이 형성된 구조체이다.

도 1a는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터의 제1 최적화 처리의 흐름을 나타내는 흐름도로서, TE광의 PBG를 최대로 하는 흐름에 대해 그 개략을 나타낸다.

우선, 단계 S101에서 주기 구조 파라미터인 주기(a)와 구조체의 반경(R)의 비(R/a)를 가결정한다.

단계 S102에서, 구조체 각각의 굴절률(n₁, n₂) 및 이들과 상기 R/a로부터 평균 굴절률(n_av)을 산출하고, 이를 브래그 조건의 식에 대입하여 차수(m)마다 주기(a)와 반경(R)을 얻는다.

단계 S103에서, R/a, 파장(λ) 및 굴절률(n₁, n₂)로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율(ε₁ 및 ε₂)을 이용한 평면파 전개법에 의해 TE광의 포토닉 밴드 구조를 해석한다.

단계 S104에서, TE광의 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드 사이의 PBG가 최대가 되는 R/a를 상기 가결정의 R/a값을 바꾸고 반복하여 행하는 해석에 의해 결정한다.

단계 S105에서, PBG를 최대로 하는 R/a에 대해, 브래그 조건의 차수(m)에 따른 개별적인 주기(a), 반경(R) 및 임의의 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법에 따른 시뮬레이션 해석에 의해 상기 파장(λ)에 대한 광취출 효율을 구한다.

단계 S106에서, FDTD법에 따른 시뮬레이션을 반복하여 행함으로써, 파장(λ)에 대한 광취출 효율이 최대가 되는 브래그 조건의 차수(m)와 그 차수(m)에 대응하는 주기 구조 파라미터의 주기(a), 반경(R) 및 깊이(h)를 결정한다.

2) 포토닉 결정 주기 구조에 있어서, TM광의 포토닉 밴드갭(PBG)이 예를 들어 주기 구조마다 최대가 되도록 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)를 결정한 구조를 가지고 있다. 이 구조체는 예를 들어 작은 굴절률의 매체 중에 큰 굴절률의 구조를 형성한 제2 구조체로서, 예를 들어 필라가 형성된 구조체이다.

도 1b는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터의 제2 최적화 처리의 흐름을 나타내는 흐름도로서, TM광의 PBG를 최대로 하는 흐름에 대해 그 개략을 나타낸다.

단계 S111에서, 주기 구조 파라미터인 주기(a)와 구조체의 반경(R)의 비(R/a)를 가결정한다.

단계 S112에서, 구조체 각각의 굴절률(n₁, n₂) 및 이들과 상기 R/a로부터 평균 굴절률(n_av)을 산출하고, 이를 브래그 조건의 식에 대입하여 차수(m)마다 주기(a)와 반경(R)을 얻는다.

단계 S113에서, R/a, 상기 파장(λ) 및 상기 굴절률(n₁, n₂)로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율(ε₁ 및 ε₂)을 이용한 평면파 전개법에 의해 TM광의 포토닉 밴드 구조를 해석한다.

단계 S114에서, TM광의 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드 사이의 PBG1과 제3 포토닉 밴드와 제4 포토닉 밴드 사이의 PBG2의 합계 PBG가 최대가 되는 R/a를 상기 가결정의 R/a값을 바꾸고 반복하여 행하는 해석에 의해 결정한다.

단계 S115에서, 상기 PBG를 최대로 하는 R/a에 대해, 브래그 조건의 차수(m)에 따른 개별적인 주기(a), 반경(R) 및 임의의 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법에 따른 시뮬레이션 해석에 의해 상기 파장(λ)에 대한 광취출 효율을 구한다.

단계 S116에서, 상기 FDTD법에 따른 시뮬레이션을 반복하여 행함으로써, 파장(λ)에 대한 광취출 효율이 최대가 되는 브래그 조건의 차수(m)와 그 차수(m)에 대응하는 주기 구조 파라미터의 주기(a), 반경(R) 및 깊이(h)를 결정한다.

제2 실시형태

본 발명의 제2 실시형태는, 제1 실시형태에서의 반도체 발광 소자가 가지는 포토닉 결정 주기 구조의 개별 구체적인 파라미터의 계산 방법에 관한 것이다.

전제로서, 주기 구조가 삼각 격자형상으로 배열되어 있는 경우를 상정하여 설명하는 것이지만, 다른 정방 격자형상의 배열에서도 동일한 계산 방법이 된다. 또한, 주기 구조를 구성하는 요철 구조는 필라 구조 또는 홀 구조 어느 것으로도 상관없다. 즉, 가공의 난이도와 다음 프로세스의 용이함에 따라 선택할 수 있다.

설계 단계에서는, 반도체 발광 소자를 구성하는 각 층 사이의 하나 이상의 계면에 형성된, 본 실시형태에서의 기술에 기초하여 설계된 PBG를 가지는 포토닉 결정 주기 구조에 의해, 그 형성 목적인 발광층으로부터 광의 반사 또는 투과의 제어 내지 최적화를 통해 소자 전체의 광취출 효율의 최대화를 도모하는 것이 가능하다.

도 1c는, 주기 구조 파라미터의 최적화를 위한 계산을 행하는 처리의 흐름의 개략예를 나타낸 도면이다.

단계 S1에서는, 포토닉 결정 주기 구조를 형성하는 후보가 되는 계면을 검토한다. 여기서는, 예를 들어 그 계면에서 반도체 발광 소자의 설계 파장(λ)에 대해 투과와 반사 중 어느 것을 목적으로 할지를 주기 구조를 구성하는 구조체의 다른 굴절률(n₁, n₂)의 대소 관계와 광의 전반 방향으로부터 고찰하고, 그 목적을 위해 행하는 주기 구조 파라미터의 최적화 대상으로 하는 편광(TM광/TE광)을 결정한다. 다음 표(표 1)에서 그 구체적인 조합 패턴을 나타낸다.

단계 S2에서는, 주기 구조 파라미터인 주기(a)와 구조체의 반경(R)의 비(R/a)를 가결정한다.

단계 S3에서는, 구조체 각각의 굴절률(n₁, n₂) 및 이들과 R/a로부터 식(수학식 1)을 이용하여 산출되는 평균 굴절률(n_av)을 산출하고, 이를 브래그 조건의 식(수학식 2)에 대입하여 차수(m)마다 주기(a)를 얻는다. 또한, 가결정한 R/a와 a에 의해 동일하게 차수(m)마다 반경(R)을 얻는다.

(수학식 1)

n_av ²=n₂ ²+(n₁ ²-n₂ ²)(2π/√3)(R/a)²

(수학식 2)

mλ/n_av=2a

이상을 기초로 이하 평면파 전개법에 따른 밴드갭의 해석을 행한다.

단계 S4에서는, 단계 S2에서 가결정한 R/a, 파장(λ) 및 굴절률(n₁, n₂)로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율(ε₁ 및 ε₂)을 파장(λ)의 평면파를 전계(E), 자계(H)에서 전개한 맥스웰의 전자계 파동 방정식(수학식 3)에 입력한다.

(수학식 3)

여기서, ε^-1은 유전율의 역수, G는 역격자 벡터, ω는 주파수, c는 광속, k는 파수 벡터를 나타낸다.

이하, 주기 구조에서 목적을 「반사」(r)로 한 경우에 대해 설명한다. 단계 S5r에서는, 단계 S1에서 결정한 최적화해야 할 TE광에 대해 맥스웰의 전자계 파동 방정식의 고유값 계산을 파수 공간에서 행하고, TE광의 밴드 구조를 구한다.

단계 S6r에서는, 포토닉 밴드 중에서 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드의 차이로부터 PBG를 구한다.

단계 S7r에서는, 단계 S2부터 S6r을 반복적으로 행하여 어떤 R/a일 때에 TE광의 PBG가 최대가 되는지를 검토한다.

여기서, 단계 S1에서 주기 구조에서 목적을 「투과」(t)로 한 경우에서의 단계 S5r부터 S7r을 바꾸어 행하는 단계 S5t부터 S7t를 설명한다.

단계 S5t에서는, 단계 1에서 결정한 최적화해야 할 TM광에 대해 맥스웰의 전자계 파동 방정식의 고유값 계산을 파수 공간에서 행하고, TM광의 밴드 구조를 구한다.

단계 S6t에서는, 단계 S5t에서 구한 포토닉 밴드 구조에 있어서 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드의 차이로부터 PBG1를, 동일하게 제3 포토닉 밴드와 제4 포토닉 밴드의 차이로부터 PBG2를 구하고, 이들의 합계를 산출한다.

단계 S7t에서는, 단계 S2부터 S6t를 반복적으로 행하여 어떤 R/a일 때에 TM광의 PBG1과 PBG2의 합계 PBG가 최대가 되는지를 검토한다.

이하, 단계 S7r 또는 단계 S7t에 이어지는 공통 단계를 설명한다. 단계 S8에서는, 단계 S7r 또는 S7t에서 최대를 나타내는 R/a에 대해, 브래그 조건의 차수(m)에 따른 개별적인 주기(a) 및 반경(R)과 임의의 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 FDTD법에 따른 시뮬레이션 해석을 행한다. 이에 의해, 파장(λ)에 대한 광취출 효율을 구한다.

단계 S9에서는, 단계 S8을 반복함으로써 파장(λ)에 대한 광취출 효율이 최대가 되는 브래그 조건의 차수(m)와 그 차수(m)에 대응하는 주기 구조 파라미터의 주기(a), 반경(R) 및 깊이(h)를 결정한다. 여기서, 깊이(h)는 가공 정밀도의 한계를 고려하여 일정한 광취출 효율이 얻어지는 값을 채용해도 되지만, 0.5a 이상의 수치가 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명의 제2 실시형태에 의하면, 형성 목적에 따른 주기 구조의 구체적이고 효율적인 설계를 가능하게 한다.

제3 실시형태

본 발명의 제3 실시형태는, 제2 실시형태에 의해 최적화된 주기 구조를 가지는 계면과는 다른 계면에서 형성하는 제2, 제3 주기 구조의 파라미터를 최적화하기 위한 파라미터 계산 방법이다. 또, 주기 구조의 수에 제한은 없다.

우선, 단계 S10으로서 다른 계면에 대해 다시 단계 S1의 검토를 행한다.

도 1d에 도시된 바와 같이, 다음 단계 S11에서는, 단계 S1부터 S9까지를 다른 계면에서의 제2 주기 구조에 대해 행하고, 최적의 제2 주기 구조 파라미터인 주기(a), 반경(R) 및 깊이(h)를 결정한다.

단계 S12에서는, 단계 S11을 반복하여 제3 주기 구조 이후의 각각의 주기 구조에서의 최적의 주기 구조 파라미터를 결정하고, 최종적으로는 소자 전체의 광취출 효율을 최대화하기 위한 각 주기 구조 파라미터가 결정된다.

제3 실시형태에 의하면, 반도체 발광 소자의 구조에 따라 소자 전체의 광취출 효율의 최대화에 기여하는 복수의 계면에 상기 주기 구조를 형성함에 있어서 그 구체적이고 효율적인 설계를 가능하게 한다.

제4 실시형태

본 발명의 제4 실시형태는, 포토닉 결정 주기 구조가 나노 임프린트 리소그래피법에 따른 전사 기술을 이용하여 가공된 것임을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다.

제4 실시형태에 의하면, 주기 구조를 피가공물면 상에 대면적으로 일괄 전사로 가공하는 것을 가능하게 한다.

제5 실시형태

본 발명의 제5 실시형태는, 나노 임프린트 리소그래피법에 따른 포토닉 결정 주기 구조의 전사 기술이 가공 대상의 구조체에 대해 에칭 선택비가 큰 하층 레지스트를 코팅하고, 그 위에 유동성과 산소 내성을 가지는 상층 레지스트를 코팅하는 2층 레지스트법을 이용한 전사 기술인 것을 특징으로 한다.

또한, 전사에는 금형을 이용하고, 금형에는 수지 필름을 이용하는 것도 가능하다. 구체적으로 주기 구조를 형성하는 기판면 상에 그 기판에 대해 에칭 선택비가 큰 일례로서 유기 하층 레지스트를 스핀 코팅한다. 다음에, 유동성과 산소 내성 기능을 가지는 일례로서 실리콘 함유 상층 레지스트를 하층 레지스트면 상에 스핀 코팅한다. 다음에, 상층 레지스트면 상에 금형을 이용한 나노 임프린트 리소그래피법으로 주기 구조를 전사한다. 다음에, 주기 구조가 전사된 상층 레지스트를 산소 플라즈마에 노출하여 산소 내성을 부여함과 동시에, 나노 임프린트 전사에 있어서 잔존한 상층 레지스트의 잔막을 제거한다. 다음에, 산소 내성을 가진 상층 레지스트를 마스크로 하여 유기 하층 레지스트를 산소 플라즈마로 에칭하고, 기판의 건식 에칭을 위한 마스크를 형성한다. 마지막으로 이 마스크를 에칭 마스크로 하여 기판을 ICP 플라즈마로 건식 에칭한다.

이상의 단계가 기판에 대해 2층 레지스트법을 이용한 전사 기술이다. 또, 이 기술을 이용하는 경우, 하층 레지스트의 막두께를 변화시킴으로써 금형 상의 주기 구조의 깊이에 대해 1.5배 정도(사파이어 기판의 경우)의 에칭 깊이를 피전사물 상에 얻는 것이 가능하다. 나아가 에칭 마스크로서의 산소 내성을 가진 패턴 전사된 상층 레지스트를 통한 유기 하층 레지스트의 산소 플라즈마 에칭에 있어서, 그 산소 플라즈마 조건을 변화시킴으로써 금형 상의 주기 구조의 직경에 대해 30% 정도의 조정이 가능하다.

제5 실시형태에 의하면, 나노 임프린트 리소그래피법에 있어서 정밀한 상기 주기 구조를 피가공물면 상에 정밀도 높고 정확하게 제어 가능한 상태로 재현하는 것이 가능해진다.

이하에 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

본 실시예 1에서의 반도체 발광 소자는 일반적인 심자외 LED로서, 그 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 Al 반사 전극(1), 예를 들어 적층된 p-AlGaN 컨택트층(2), p-AlGaN층(3), 전자 블록층(4), 배리어층(5), 우물층(6), 배리어층(7), n-AlGaN 버퍼층(8), AlN 버퍼층(9) 및 사파이어 기판(10)으로 구성된다. 우물층(6)에서 발광한 광은 사파이어 기판(10)의 표면, Al 반사 전극(1) 및 사파이어 기판(10)의 측벽으로부터 LED 소자의 외부로 취출된다.

본 실시예 1에서의 LED의 설계 파장(λ)(중심 출력 파장(λ))은 280nm이며, 이 설계 파장(λ)의 광취출 효율을 최대로 하는 포토닉 결정 주기 구조를 형성하였다. 이 구조체는 작은 굴절률의 매체 중에 큰 굴절률의 구조를 형성한 제2 구조체이며, 형성 개소로는 도 3a의 (a)에 도시된 바와 같이 광취출층인 사파이어 기판(10)의 표면(광취출면)(20a)과 공기의 계면을 선택하였다. 여기서, 도 3a의 (b)에 XY 평면도로서 도시된 바와 같이, 광취출면(10a)은 최적의 높이를 가지는 필라부(20a)로 이루어지는 구조체와 공간부(20b)로 이루어지는 구조체가 그 광취출면(10a) 내에서 X방향 및 Y방향을 따라 주기(a)로 삼각 격자형상으로 형성된 필라 구조로 하였다.

본 실시예 1에서는, 우물층(6)에서 발광한 광이 사파이어 기판(10)으로부터 외부로 향하여 전반될 때에, 그 투과가 최대가 되도록 포토닉 결정 주기 구조를 최적화하는 것을 목적으로 한다. 이 경우, 사파이어 기판의 굴절률은 투과한 외부 공기의 굴절률보다 크기 때문에, 그 주기 구조 파라미터의 최적화에 이용해야 할 편광은 TM광이다.

우선, 최적화해야 할 주기 구조의 주기(a)와 필라 구조체의 반경(R)의 비인 R/a를 가결정한다. 이 값은 이후의 해석을 반복할 때마다 변동하지만, 본 실시예 1에서는 결과적으로 0.24≤R/a≤0.40을 이용하였다.

본 실시예 1에서는, 필라 구조체인 사파이어의 굴절률(n₁)은 1.82, 공기의 굴절률(n₂)은 1.0이며, n₁>n₂이다. 또한, 식(수학식 1)으로부터 n_av를 구한다. 여기서는, R/a=0.31의 경우에 대해 그 구체적인 계산예를 나타낸다. 다음에, 전제인 곳의 브래그 조건을 식(수학식 2)에 의해 부여한다.

또, 브래그 조건식(수학식 2)은 도 4a에 도시된 바와 같이 TM광의 전계는 필라 구조 로드 사이에 수직으로 존재하는 유전 스폿에 쌓이기 쉽고, 평균 굴절률(n_av), 주기(a) 및 설계 파장(λ)이 브래그 조건을 충족하는 경우는 그 전계면에서 브래그 회절에 의해 반사, 즉 본 실시예 1에서의 주기 구조면에 대해서는 TM광이 투과하는 것으로부터 이해할 수 있다.

그런데, 본 실시예 1과는 다르지만, 동일한 이해로서 도 3b, 도 4b에 도시된 바와 같이 TE광의 전계는 주기 구조면 내에 평행하게 존재하는 유전체의 연결 구조에 쌓이기 쉽고, 평균 굴절률(n_av), 주기(a) 및 설계 파장(λ)이 브래그 조건을 충족하는 경우는 그 전계면에서 브래그 회절에 의해 반사, 즉 주기 구조면에 대해 TE광은 반사한다.

즉, 도 3b의 (a)에서는 큰 굴절률의 매체 중에 작은 굴절률의 구조를 형성한 제1 구조체이며, 형성 개소로는 도 3b의 (a)에 도시된 바와 같이 광취출면(10a)은 최적의 높이를 가지는 공간부(20d)로 이루어지는 구조체가 큰 굴절률의 매체(20c) 중에 형성된 구조체가 그 광취출면(10a) 내에서 X방향 및 Y방향을 따라 주기(a)로 삼각 격자형상으로 형성된 홀 구조이다. 이하, 제2 구조체의 경우를 예로 상세하게 설명한다.

그런데, 본 실시예 1에서는 R/a=0.31일 때는 브래그 조건의 차수(m)마다 주기 구조 파라미터의 주기(a)와 반경(R)이 산출된다. 구체적으로 m=2일 때 a=208nm, R=64.5nm, m=3일 때 a=313nm, R=97nm, m=4일 때 a=417nm, R=129nm이다. 또, 여기서 차수(m)를 한정하고 있는 이유에 대해서는 후술한다.

다음에, R/a=0.31일 때의 TM광의 밴드 구조를 평면파 전개법으로 해석한다. 즉, 맥스웰의 전자계 파동 방정식인 식(수학식 3)의 고유값 계산을 행하여 PBG의 존재 및 크기를 확인한다. 이 고유값 계산에 이용하는 각 구조체의 유전율(ε₁, ε₂)은 다음 식(수학식 4)에 의해 각 굴절률(n₁, n₂)마다 구할 수 있다.

(수학식 4)

n²=με/μ₀ε₀

(여기서, μ는 투자율, μ₀은 진공의 투자율, ε₀은 진공의 유전율을 나타낸다.)

이상에 의해 구해진 R/a=0.31일 때의 포토닉 밴드 구조(포토닉 결정(필라))를 도 5에 나타낸다. 세로축의 ωa/2πc는 a/λ로 나타낼 수도 있다. 이 도 5에 기초하여 제1 포토닉 밴드(ω1TM)와 제2 포토닉 밴드(ω2TM)의 갭(PBG1)과, 제3 포토닉 밴드(ω3TM)와 제4 포토닉 밴드(ω4TM)의 갭(PBG2)을 구하고, 그 합인 PBG를 산출한다.

또, 도 5에는 TE광의 포토닉 밴드 구조도 플롯하였지만, 그 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 TE광에서는 PBG가 존재하지 않는다. 그러나, TM광과 마찬가지로 밴드단에서 군속도(群速度) 이상이 보이고, 광의 전반 방향이 이 밴드단에서 변화하여 광의 일부는 반사한다고 생각된다.

이상에 의해 R/a=0.31일 때의 PBG1과 PBG2의 합계 PBG가 구해졌지만, 이를 최대로 하는 주기 구조 파라미터를 찾기 위해 R/a의 범위(0.24≤R/a≤0.40)에서 동일한 해석을 반복한다. 그 결과를 도 6에 나타낸다(TM광의 PBG-R/a 특성). 그렇다면, R/a=0.31일 때의 PBG가 최대인 것을 알 수 있다.

TM광의 PBG(=PBG1+PBG2)가 최대가 되는 R/a가 구해진 바, 이 비로부터 브래그 조건의 차수(m)마다 개별적인 주기(a)와 반경(R)을 구한다. 나아가 이 파라미터에 주기 구조의 깊이(h)를 더하고 FDTD법을 이용한 시뮬레이션을 행하여, 본 실시예 1에서의 설계 파장(λ)에 대한 LED 소자로서의 광취출 효율을 산출한다.

또, 여기서 이용한 차수(m)는 1<m<5의 범위로 한정하였다. 차수 m=1의 경우 필라 구조의 직경은 40nm 정도로서, 계산 모델을 이산화(離散化)한 경우의 차분(差分) 공간 분해능 20nm과 큰 차이가 없기 때문에, 실제의 필라 형상을 올바르게 반영하지 않는다고 판단하여 이를 제외하였다. 또한, 차수 m=5에 대해서도 그 주기가 500nm 정도로 설계 파장의 280nm과 크게 다르므로, m≥5도 제외하였다.

그런데, 본 실시예 1에서의 FDTD법을 이용한 시뮬레이션은 도 7에 도시된 크기와 구조의 심자외 LED 모델에 대해 고성능 PC를 사용하여 행하였다. 여기서, 광원으로서 설계 파장(중심 파장)을 280nm, 반치폭(半値幅)을 20nm 정도, 발광 시간을 60fs인 x, y, z방향으로 진동하는 전기 쌍극자 펄스 광원을 우물층(6)의 면내 중심에 하나 배치하여 발광시키고, 이 광의 편광도(p)는 0.38로 하였다. 여기서, 편광도 p=(I_⊥-I_//)/(I_⊥+I_//)이고, I_⊥는 사파이어 기판의 c축에 수직인 성분의 강도, I_//는 사파이어 기판의 c축에 평행한 성분의 강도를 나타낸다(이하 동일). 또한, Al 반사 전극(1)의 굴절률, 소쇠(消衰)계수, 비투자율, 순간 비유전율은 280nm에서의 드루데 분산 모델로 보정하여 70%의 반사율이 얻어지도록 설정하였다. 나아가 우물층(6)에서 발광한 광은 자유 캐리어 흡수에 의해 반도체 중에서 소멸할 가능성을 고려하여, n-AlGaN 버퍼층(8)으로부터 p-AlGaN 컨택트층(2)에서 30㎛ 정도의 거리를 광이 전하여 옮겨지는(佺搬) 경우 1%까지 감쇠하도록 소쇠계수를 설정하였다. 전계 및 자계의 관측면은 LED 소자의 외부에 6면 배치하고, 포인팅 벡터를 산출한 후에 출력하였다. 또, LEE의 증감률 비교는 포토닉 결정 주기 구조가 없는 것(Non-PhC)과 있는 것(PhC)의 출력값 비교로부터 산출하였다.

여기서, 일반적으로 FDTD법으로의 출력값에는 원방계(遠方界)와 근방계(近傍界)가 있고, 그 산출 방법과 출력값의 성질이 다르다. 근방계의 경우는, LED 소자의 외부 관측면에서 전계 및 자계의 시간 파형 E(t), H(t)을 취득하고, 그 시간 파형을 주파수 스펙트럼 E(ω), H(ω)으로 푸리에 변환함으로써 얻어진다. 또한, 출력값은 전계와 시간의 외적인 포인팅 벡터 S=E×H로부터 산출하고, 관측면 상에서 면적분을 행하여 출력 파장 특성이 얻어진다.

한편, 원방계는 근방계와는 계산 방법이 다르다. 우선, LED 소자의 외부에 폐쇄 영역(등가 전자류 영역)을 설정한다. 그리고, LED로부터 발생하는 폐쇄 영역 표면 상의 자계(Hs)와 전계(Es)로부터 등가 전류 Js=n×Hs와 등가 자류 Ms=n×Es(단, n은 폐쇄 영역면(s)의 법선 벡터)를 산출한다. 여기서는, LED로부터 발생하는 전자계와 등가 전자류로부터 그 영역의 외측에 발생하는 전자계는 동일하다는 전자파의 등가 정리를 이용하고 있다. 따라서, 원방계의 계산은 LED로부터 먼 임의의 거리에 있는 관측면 상의 전계를 진공 중에서의 맥스웰 방정식을 풀어 다음 식(수학식 5)과 같이 구하게 된다.

(수학식 5)

W(r, t)=(1/4)πrc{∂/∂t[∫s Js(t-(r-r₁)r₀/c]ds}

U(r, t)=(1/4)πrc{∂/∂t[∫s Ms(t-(r-r₁)r₀/c]ds}

Eθ(r, t)≒-UØ(r, t)-ZWθ(r, t)

EØ(r, t)≒Uθ(r, t)-ZWØ(r, t)

Eθ(r, ω)=F[Eθ(r, t)]

EØ(r, ω)=F[EØ(r, t)］

단, θ: 관측 구면 상의 위도, Ø: 관측 구면 상의 경도, r: LED 광원과 관측점 사이의 거리, r₁: LED 광원과 폐쇄 영역면 사이의 거리, r₀: LED 광원과 관측점 사이의 단위 벡터, c: 광속, Z: 계 임피던스, F[]: 푸리에 변환을 나타낸다.

이상으로부터, 파장(주파수)마다 원방계를 얻을 수 있다. 본 실시예 1에서의 해석에서, 계산 모델은 실제 LED와 동등하지 않은 것 및 R/a가 다른 포토닉 결정 주기 구조와 광취출 효율을 상대 비교하는 이유로부터 근방계만을 사용하였다.

그런데, FDTD 시뮬레이션의 결과는 다음 표(표 2)와 같고, 여기서 LED 소자의 측벽부(4면), 상면부 및 그 둘 다(합계)에서의 광취출 효율에 대해 포토닉 결정 주기 구조가 없는 경우에 대한 증감률을 파장 275nm~285nm에서의 평균값으로서 나타낸다.

여기서는 275nm부터 285nm에서의 광취출 효율의 증감률의 평균값이다. 덧붙여, 본 실시예 1에서 채용한 필라 구조 외에 홀 구조에 의한 시뮬레이션이나, TM광에서의 PBG1과 PBG2의 합이 최대가 되는 R/a(=0.31) 이외의 R/a에 대해서도 검증을 겸하여 시뮬레이션하여 그 결과를 나타내고 있다.

또한, 도 8은 심자외 LED 모델에서의 측벽(도 8a), 상부(도 8b) 및 이들의 합계(도 8c)의 출력 파장 특성을 포토닉 결정 주기 구조의 유무와 형상 차이에 따라 나타내고 있다. 나아가 각 수치는 주기 구조의 깊이(h)가 500nm일 때의 값만 기재하고 있다.

이들 결과로부터, 가장 광취출 효율이 큰 주기 구조 파라미터는 필라 구조, R/a=0.31, 차수 m=4, 주기 a=417nm, 반경 R=129nm일 때로, 측벽 증감률, 상부 증감률 및 합계 증감률은 각각 9.1%, 47.4%, 20.5%(대 포토닉 결정 주기 구조 없음)이었다.

실시예 2

다음에, 본 실시예 2에서는 일반적인 백색 LED 소자를 구성하는 각 층 사이의 하나 이상의 계면에 광취출 효율을 최대화하기 위한 포토닉 결정 주기 구조의 형성예를 설명한다. 우선, 백색 LED 소자의 개략 구조를 도 9에 나타낸다. 즉, 이 백색 LED 소자는 반사막(11), 사파이어 기판(12), n-GaN층(13), 발광층(14), p-GaN층(15), ITO막(16), 보호막(17) 및 LED 소자를 덮는 형광체(18)로 구성된다. 발광층(14)에서 발광한 광은, ITO 투명 전극막(16) 및 보호막(17)을 투과하여 형광체(18)와 공기의 계면으로부터 외부로 취출되는 광(L1)과, 사파이어 기판(12)과 n-GaN층(13)의 계면에서 반사된 후 광(L1)과 마찬가지로 외부로 취출되는 광(L2)과, 광(L2)이 사파이어 기판(12)과 n-GaN층(13)의 계면을 투과한 후, 사파이어 기판(12)과 반사막(11)의 계면에서 반사되어 다시 광(L1)과 마찬가지로 외부로 취출되는 광(L3)으로 크게 나눌 수 있다. 또한, 이 백색 LED에서는 광의 편광도(p)를 0.89로 하였다.

그래서, 본 실시예 2에서는 실시예 1을 모방하여 형광체(18)와 공기의 계면에는 필라 구조로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조 P1을, 사파이어 기판(12)과 n-GaN층(13)의 계면에는 필라 구조로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조 P2를, 사파이어 기판(12)과 반사막(11)의 계면에는 빈 구멍으로 이루어지는 홀 구조로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조 P3을 각각 형성한다.

여기서, 주기 구조 P1에서는 형광체(18)의 굴절률>공기의 굴절률로서, 광(L1)의 투과를 목적으로 그 파라미터를 최적화하기 위해 TM광에 대해 본 발명을 실시한다. 또한, 주기 구조 P2에서는 n-GaN층(13)의 굴절률>사파이어 기판(12)의 굴절률로서, 광(L2)의 반사를 목적으로 그 파라미터를 최적화하기 위해 TE광에 대해 본 발명을 실시한다. 나아가 주기 구조 P3에서는 사파이어 기판(12)의 굴절률>공기(빈 구멍)의 굴절률로서, 광(L3)의 반사를 목적으로 그 파라미터를 최적화하기 위해 TE광에 대해 본 발명을 실시한다.

또, 발광층(14)에 굴절률 차이와 깊이의 조건을 충족하는 홀 구조의 포토닉 결정 주기 구조 P4를 형성해도 된다. 이 경우, 발광층(14)이 포토닉 결정 주기 구조면 내에 깊이 방향으로 존재하므로 광은 상하로 산란된다. 또한, 발광층(14)의 두께가 충분하지 않은 경우, 발광층(14)과의 굴절률 차이가 없는 발광층(14)을 사이에 두는 각 GaN층(13 또는 15)에 홀 구조의 형성이 미쳐도 상관없다.

나아가 특별히 도시하지는 않았지만, 플립칩 구조와 같이 사파이어 기판(12)을 제거하여 얻어지는 n-GaN층(13)의 노출면과 공기의 계면에 필라를 형성하면 광은 공기 중에 효율적으로 투과된다.

이상의 주기 구조 P1부터 P4 중에서 임의의 주기 구조의 형성을 조합함으로써, LED 소자 전체의 광취출 효율이 가장 향상되는 조합 및 각 주기 구조의 최적의 주기 구조 파라미터(차수(m), 주기(a) 및 반경(R)) 및 깊이(h)를 얻을 수 있다.

다음 표(표 3)에 주기 구조의 가공 위치에서의 포토닉 결정 주기 구조의 기능(목적)과 본 발명의 실시에 의해 얻어진 주기 구조 파라미터의 관계를 나타낸다.

실시예 3

표 2에 나타내는 바와 같이, 차수 m=4, R/a=0.31과 R/a=0.32의 필라의 광취출 효율의 차이는 상부에서 1.3포인트, 합계값으로 0.6포인트이다. 그 형상(직경/주기)을 비교하면, 각각 258nm/417nm, 263nm/411nm에서 양자의 형상 차이는 수nm로 약간이다. 따라서, 보다 좋은 광취출 효율을 얻으려면, nm 오더의 가공을 계산대로 형성할 필요가 있다.

그래서, 본 실시예 3에서는 유동성과 에칭 선택비 둘 다의 특징을 겸비한 2층 레지스트를 이용한 나노 임프린트 리소그래피법에 따른 전사 기술을 이용하여 nm 오더의 미세한 패턴을 가지는 포토닉 결정 주기 구조를 도 10에 도시된 바와 같이 일례로서 사파이어 기판에 전사하였다. 이를 이하 도 10에 따라 설명한다.

우선, 본 발명의 실시에 의해 최적화된 주기 구조를 정확하게 사파이어 기판 상에 재현하기 위한 금형을 작성한다. 이 금형은, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 기판의 휨에 추종할 수 있도록 수지제의 금형을 사용할 수도 있다.

다음에, 사파이어 기판에 에칭 선택비가 큰 유기 하층 레지스트를 두께(g)로 스핀 코팅한다. 또, 이 두께(g)는 사파이어 기판에 대한 하층 레지스트의 에칭 선택비에 따라 선택적으로 결정한다. 그 후, 하층 레지스트면 상에 유동성과 산소 내성 기능을 가지는 실리콘 함유 상층 레지스트를 소정의 두께로 스핀 코팅한다(도 10의 (a)).

다음에, 상층 레지스트에 금형의 패턴을 나노 임프린트 장치를 이용하여 전사한다(도 10의 (b)).

다음에, 금형의 패턴이 전사된 상층 레지스트를 산소 플라즈마에 노출하여 산소 내성을 부여함과 동시에, 나노 임프린트 전사에 있어서 잔존한 상층 레지스트의 잔막을 제거한다(도 10의 (c)).

다음에, 산소 내성을 가진 상층 레지스트를 마스크로 하여 유기 하층 레지스트를 산소 플라즈마로 에칭하고, 사파이어 기판을 건식 에칭하기 위한 패턴 마스크를 형성한다(도 10의 (d)). 또, 도 10의 (e)에 기재된 패턴 마스크의 사파이어 기판측의 직경(d₁)은, 산소 플라즈마 조건을 조정함으로써 d₁의 30% 정도의 범위 내에서 미세 조정할 수 있다.

패턴 마스크를 통해 ICP 플라즈마로 사파이어 기판을 건식 에칭하고, 본 발명의 실시에 의해 최적화된 주기 구조의 형성이 이루어진다(도 10의 (e)).

주기 구조가 필라 구조에 의한 경우, 에칭 후의 형상은 도 10의 (f)에 도시된 바와 같이 대체로 d₁<d₂의 사다리꼴 형상이 되고, 측벽 각도는 유기 하층 레지스트의 에칭 선택비에 의존한다. 또, 본 실시예 3에 의하면, 유기 하층 레지스트의 두께(g)를 변경하면, 용이하게 건식 에칭 후의 사파이어 기판에 형성하는 포토닉 결정 주기 구조의 깊이를 금형의 깊이에 대해 1.5배 정도의 깊이로 할 수 있다.

또한, 패턴 마스크 형성시에 직경(d₁)을 변경하면, 주기 구조의 직경을 30% 정도 용이하게 변경할 수 있다. 이는, 금형을 다시 만드는 것을 대신하는 것이 가능하여 금형의 제작 시간과 비용 삭감에 기여하고, 나아가서는 반도체 발광 소자의 제조 비용상 큰 장점이 된다.

또, 도 11의 (a)부터 (c)에 도 10의 (b), 도 10의 (e) 및 도 10의 (f)의 실제 SEM 사진(나노 임프린트 프로세스 phC 필라 단면 SEM)을 각각 「나노 임프린트」, 「패턴 마스크 형성」, 「건식 에칭·애싱」으로서 게재하였다.

처리 및 제어는 CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit)에 의한 소프트웨어 처리, ASIC(Application Specific Integrated Circuit)나 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 의한 하드웨어 처리에 의해 실현할 수 있다

또한, 상기 실시형태에 있어서 첨부 도면에 도시되어 있는 구성 등에 대해서는 이들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경하는 것이 가능하다. 그 밖에 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다.

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

또한, 본 실시형태에서 설명한 기능을 실현하기 위한 프로그램을 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록하고, 이 기록매체에 기록된 프로그램을 컴퓨터 시스템에 읽어들이게 하고 실행함으로써 각 부의 처리를 행해도 된다. 또, 여기서 말하는 「컴퓨터 시스템」이란, OS나 주변기기 등의 하드웨어를 포함하는 것으로 한다.

또한, 「컴퓨터 시스템」은, WWW 시스템을 이용하고 있는 경우이면 홈페이지 제공 환경(혹은 표시 환경)도 포함하는 것으로 한다.

또한, 「컴퓨터 판독 가능한 기록매체」란 플렉시블 디스크, 광자기 디스크, ROM, CD-ROM 등의 이동성 매체, 컴퓨터 시스템에 내장되는 하드 디스크 등의 기억 장치를 말한다. 나아가 「컴퓨터 판독 가능한 기록매체」란, 인터넷 등의 네트워크나 전화 회선 등의 통신 회선을 통해 프로그램을 송신하는 경우의 통신선과 같이 단시간 동안 동적으로 프로그램을 보유하는 것, 그 경우의 서버나 클라이언트가 되는 컴퓨터 시스템 내부의 휘발성 메모리와 같이 일정 시간 프로그램을 보유하고 있는 것도 포함하는 것으로 한다. 또한 프로그램은 전술한 기능의 일부를 실현하기 위한 것이어도 되고, 나아가 전술한 기능을 컴퓨터 시스템에 이미 기록되어 있는 프로그램과의 조합으로 실현할 수 있는 것이어도 된다. 기능의 적어도 일부는 집적 회로 등의 하드웨어로 실현해도 된다.

본 발명은 반도체 발광 소자로서 이용 가능하다.

a: 포토닉 결정 주기 구조의 주기, R: 주기 구조의 반경, h: 주기 구조의 가공 깊이, 1: Al 반사 전극, 2: p-AlGaN 컨택트층, 3: p-AlGaN층, 4: 전자 블록층, 5: 배리어층, 6: 우물층, 7: 배리어층, 8: n-AlGaN 버퍼층, 9: AlN 버퍼층, 10: 사파이어 기판, 10a: 광취출면, 20a: 필라부, 20b: 공간부, 11: 반사막, 12: 사파이어 기판, 13: n-GaN층, 14: 발광층, 15: p-GaN층, 16: ITO막, 17: 보호막, 18: 형광체, L1: 투과광, L2: 반사광, L3: 반사광, P1~P4: 포토닉 결정 주기 구조.
본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허출원을 그대로 참고로 하여 본 명세서에 도입하는 것으로 한다.

Claims (14)

1. 설계 파장을 λ로 하는 반도체 발광 소자에 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조를 가지는 반도체 발광 소자로서,
   상기 포토닉 결정 주기 구조는 광취출면에 형성되고,
   상기 설계 파장(λ)과 상기 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터인 주기(a) 및 반경(R)은 브래그 조건을 충족하고,
   상기 주기(a)와 반경(R)의 비(R/a)는, TM광의 제1 밴드와 제2 밴드 사이의 PBG1과 제3 밴드와 제4 밴드 사이의 PBG2와의 포토닉 밴드갭(PBG)의 합계값이 상기 포토닉 결정 주기 구조에서 최대가 되도록 결정된 값이며, 각 주기 구조 파라미터는, 상기 브래그 조건의 차수(m)(2≤m≤4)에 따라 결정하는 주기(a), 반경(R) 및 0.5a 이상의 상기 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 한 해석 결과에 의해, 상기 파장(λ)에 대한 반도체 발광 소자 전체의 광취출 효율이 최대가 되도록 결정된 파라미터인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 포토닉 결정 주기 구조의 상기 구조체는, 상기 각 주기 구조가 설계 파장(λ)의 광을 투과하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 포토닉 결정 주기 구조가 나노 임프린트 리소그래피법에 따른 전사 기술을 이용하여 가공된 것임을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 나노 임프린트 리소그래피법에 따른 상기 포토닉 결정 주기 구조의 전사가 가공 대상의 구조체에 대해 에칭 선택비가 큰 하층 레지스트를 코팅하고, 그 위에 유동성과 산소 내성을 가지는 상층 레지스트를 코팅하는 2층 레지스트법을 이용한 전사 기술인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
5. 설계 파장을 λ로 하는 반도체 발광 소자에 다른 굴절률을 가지는 2개의 구조체로 이루어지는 포토닉 결정 주기 구조를 가지는 반도체 발광 소자에 있어서 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터 계산 방법으로서,
   주기 구조 파라미터인 주기(a)와 구조체의 반경(R)의 비(R/a)를 가결정하는 단계와,
   구조체 각각의 굴절률(n₁, n₂) 및 이들과 상기 R/a로부터 평균 굴절률(n_av)을 산출하고, 이를 브래그 조건의 식에 대입하여 차수(m)마다의 주기(a)와 반경(R)을 얻는 단계와,
   상기 R/a, 상기 파장(λ) 및 상기 굴절률(n₁, n₂)로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율(ε₁ 및 ε₂)을 이용한 평면파 전개법에 의해 TM광의 포토닉 밴드 구조를 해석하는 단계와,
   TM광의 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드 사이의 PBG1과 제3 포토닉 밴드와 제4 포토닉 밴드 사이의 PBG2의 합계의 PBG가 최대가 되는 R/a를, 상기 가결정의 R/a값을 바꾸고 반복하여 행하는 해석에 의해 결정하는 단계와,
   상기 PBG를 최대로 하는 R/a에 대해, 브래그 조건의 차수(m)에 따른 개별적인 주기(a), 반경(R) 및 임의의 주기 구조의 깊이(h)를 변수로 하여 행하는 FDTD법에 따른 시뮬레이션 해석에 의해, 상기 파장(λ)에 대한 광취출 효율을 구하는 단계와,
   상기 FDTD법에 따른 시뮬레이션을 반복하여 행함으로써, 파장(λ)에 대한 광취출 효율이 최대가 되는 브래그 조건의 차수(m)와 그 차수(m)에 대응하는 주기 구조 파라미터의 주기(a), 반경(R) 및 깊이(h)를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터 계산 방법.
6. 청구항 5에 기재된 방법에 기초하여 최적화된 주기 구조를 가지는 계면과는 다른 계면에서 형성하는 주기 구조의 파라미터 계산을 청구항 5에 기재된 모든 단계에 의해 다시 행하는 제1 단계와,
   상기 제1 단계를, 추가적인 다른 계면에서 형성하는 다른 주기 구조에 대해 반복하여 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터 계산 방법.
   
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