KR101848034B1 - 심자외 led 및 그 제조 방법 - Google Patents

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미츠노리 고쿠보
다카하루 다시로
다카후미 오오카와
히데키 히라야마
노리토시 마에다
마사후미 조
류이치로 가미무라
야마토 오사다
사토시 시마타니
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마루분 가부시키가이샤
도시바 기카이 가부시키가이샤
고쿠리쓰 겐큐 가이하쓰 호징 리가가쿠 겐큐소
가부시키가이샤 아루박
도쿄 오카 고교 가부시키가이샤
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Abstract

설계 파장을 λ로 하는 심자외 LED로서, Al 반사 전극층과, 극박막 금속층과, 투명 p형 AlGaN 콘택층을 기판과는 반대측으로부터 이 순서로 가지고, 상기 투명 p형 AlGaN 콘택층의 두께 방향의 범위 내에 포토닉 결정 주기 구조를 가지며, 또한 상기 포토닉 결정 주기 구조는 포토닉 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.

Description

심자외 LED 및 그 제조 방법
본 발명은 AlGaN계 심자외 LED 기술에 관한 것이다.
발광 파장 265nm 부근의 심자외 LED는 최근 살균·정수 용도로서 주목받고 있다. 도 22는 일반적인 종래의 심자외 LED의 구조의 일예를 나타내는 단면도이다. 도 22에 도시된 LED에 있어서, 양자 웰층(5)에서 발광한 광은 배리어층(4), n형 AlGaN층(3), AlN 버퍼층(2) 및 사파이어 기판(1)을 통해 상부 방향(공기중)으로 출사된다. 이 때, 스넬의 법칙에 따라, n형 AlGaN층(3), AlN 버퍼층(2), 사파이어 기판(1), 공기간의 굴절률차에 의해 일부의 광이 내부 전반사되어 Al(또는 Au) 반사 전극층(11)의 방향을 향해, p형 GaN 콘택층(9)이나 Ni층(10)에서 대부분 흡수되어 내부 소실되어 버린다.
한편, 양자 웰층(5)에서 발광하여 하부 방향으로 전파된 광도 p형 GaN 콘택층(9)이나 Ni층(10)에서 흡수되어 대부분의 광이 소실된다.
따라서, 도 22에 도시한 구조에 있어서는, 50%를 넘는 광이 내부 소실되게 된다. 이 때의 외부 양자 효율(EQE)은 약 5%, 광취출 효율(LEE)은 약 10%이다.
특허 문헌 1에 의하면, 사파이어 기판의 표면이나 측면에 요철 구조를 마련하여 내부 전반사를 억제하여 광취출 효율을 20% 정도 개선시키는 것이 개시되어 있다.
또한, 광취출 효율을 높이는 새로운 방법으로서, 광파장 정도의 주기를 갖는 포토닉 결정 주기 구조를 광취출층에 형성하는 기술이 소개되고 있다. 포토닉 결정 주기 구조는 다른 굴절률을 갖는 2개의 구조체의 계면에서 형성되고, 주로 필러 구조 또는 홀 구조로 이루어진 요철인 것이 일반적이다. 그리고, 이 주기 구조가 형성된 영역에서는 광의 존재가 금지됨으로써 전반사가 억제되고, 이것을 이용함으로써 광취출 효율의 향상에 기여하는 것이 알려져 있다(특허 문헌 2 참조).
또한, 하기 비특허 문헌 1에서는, 심자외광을 흡수하는 p형 GaN 콘택층을 심자외광에 대해 투명한 투명 p형 AlGaN 콘택층으로 치환하고, 또한 Ni층의 두께를 1nm 정도로 극히 얇게 하여 광취출 효율을 1.7배로 개선시켰다는 보고가 있다.
[특허문헌 1] 일본특허공개 2014-68010호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 제5315513호 공보
[비특허문헌 1] OPTRONICS(2014.2) NO.386 2014년 2월 10일 발행, 56(총론), 소자 투명화에 의한 AlGaN 심자외 LED의 광취출 효율의 고효율화, pp.58-66.
특허 문헌 1에서는, 도 22의 상부 방향(기판측)으로 전파된 광 흡수의 억제에 관해서는 일부 개선되어 있다.
그러나, 양자 웰층에서 발광하여 도 22의 하부 방향(반사 전극측)으로 전파된 광은 p형 GaN 콘택층이나 Ni층에서 거의 흡수되어 있으므로, 발광 효율의 개선에 관한 근본적인 해결에는 이르지 못했다.
특허 문헌 2에 기재된 발광 소자에 작성된 포토닉 결정은 광취출 효율 개선을 목적으로 하고 있는데, p형 GaN 콘택층이나 Ni층에서의 흡수를 억제하기 위한 구체적인 개시는 없다.
또한, 비특허 문헌 1에서는, 도 22의 하부 방향(반사 전극측)으로 전파된 광의 흡수의 개선은 이루어져 있지만, Ni(1nm)/Al 반사 전극의 반사율은 70% 정도로서, 약간 광이 흡수되는 문제는 해결되지 않았다.
본 발명은, 심자외 LED에 있어서, 상하 방향으로 전파되는 광의 흡수를 억제하고, 광취출 효율을 더 개선하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 설계 파장을 λ로 하는 심자외 LED로서, Al 반사 전극층과, 오믹 콘택을 위한 극박막 Ni층(1nm 정도)과, 파장 λ에 대해 투명한 투명 p형 AlGaN 콘택층을, 기판과는 반대측으로부터 이 순서로 가지며, 적어도 상기 투명 p형 AlGaN 콘택층의 두께 방향으로, 또는 상기 투명 p형 AlGaN 콘택층으로부터 상기 극박막 Ni층을 포함하는 상기 Al 반사 전극층과의 계면을 포함하는 두께 방향의 범위에 마련된 포토닉 결정 주기 구조를 가지며, 또한, 상기 포토닉 결정 주기 구조는 포토닉 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 심자외 LED가 제공된다.
이 포토닉 결정 주기 구조는 투명 p형 AlGaN 콘택층의 파장 265nm에서의 굴절률 2.60에 대해 굴절률차가 큰 원주형 공공(空孔)(굴절률 1.0)이고, 포토닉 밴드 갭을 가짐으로써 파장 λ의 TE광을 반사하고, 포토닉 밴드 갭의 크기에 비례하여 그 효과가 현저해진다. 또한, 양자 웰층으로부터 포토닉 결정 주기 구조까지의 거리가 가까울수록, 입체각이 커져 반사 효과가 현저해진다.
한편, TM광은 포토닉 결정 주기 구조를 투과하여 극박막 Ni층과 Al 반사 전극층으로 통하지만, TM광의 포토닉 밴드 갭이 열리지 않기 때문에, 그 투과율은 작고 Al 반사 전극층에서의 흡수가 현저히 억제된다. 따라서 하부 방향, 즉 반사 전극층으로 전파되는 광을 거의 완전하게 반사할 수가 있다.
본 발명의 제2 관점에 의하면, 상기 반사 구조는 심자외광의 흡수를 무시할 수 있으므로 청색 LED나 백색 LED에 보이는 광취출 효율을 개선하는 다양한 수법과 그 효과를 최대한 이용할 수 있다. 구체적으로, 굴절률이 있는 계면에 포토닉 결정(PhC) 등의 요철 구조를 마련하여 내부 전반사를 억제하여 광취출 효율을 개선하는 방법이나, 사파이어 기판을 박리하여 반도체층부의 광취출 면적을 늘려 광취출 효율을 개선하는 방법이나, LED 소자 전체를 수지로 봉입하여 내부 전반사를 억제하여 광취출 효율을 개선하는 방법 등이다.
또한, 본 발명의 제3 관점에 의하면, 심자외 LED의 제조 방법으로서, 설계 파장을 λ로 하고, Al 반사 전극층과, 극박막 Ni층과 투명 p형 AlGaN 콘택층을 기판과는 반대측으로부터 이 순서로 함유하는 적층 구조체를 준비하는 공정과, 적어도 상기 투명 p형 AlGaN 콘택층의 두께 방향으로, 또는 상기 투명 p형 AlGaN 콘택층으로부터 상기 극박막 Ni층을 포함하는 상기 Al 반사 전극층과의 계면을 포함하는 두께 방향의 범위에 마련된 포토닉 결정 주기 구조를 형성하기 위한, 또는 다른 굴절률을 갖는 계면에 포토닉 결정 등의 요철 구조를 형성하기 위한, 또는 사파이어 기판을 박리하여 얻어지는 반도체층부의 광취출면에 포토닉 결정 등의 요철 구조를 형성하기 위한, 또는 LED 소자 전체를 수지로 봉입하고 그 계면에 포토닉 결정 등의 요철 구조를 형성하기 위한 금형을 준비하는 공정과, 상기 적층 구조체 상에 레지스트층을 형성하고, 상기 금형의 구조를 전사하는 공정과, 상기 레지스트층을 마스크로 하여 순차적으로 적층 구조체를 에칭하여 포토닉 결정 등의 주기 구조를 형성하는 공정을 갖는 심자외 LED의 제조 방법이 제공된다.
본 명세서는 본원의 우선권의 기초인 일본 특허 출원 2015-007108호의 명세서 및/또는 도면에 기재되는 내용을 포함한다.
본 발명에 의하면, 심자외 LED의 광취출 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시의 형태에 따른 심자외 LED의 일 구조예를 나타내는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 변형예에 따른 심자외 LED의 일 구조예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 포토닉 결정(홀)에 입사된 TE광 및 TM광의 모습을 나타내는 이미지도이다.
도 3a는 TE광의 PBG와 R/a의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3b는 TM광의 PBG와 R/a의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4a는 종래형 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 4b는 투명 p형 AlGaN 콘택층을 구비한 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 4c는 투명 p형 AlGaN 콘택층과 Ni층(10nm)을 구비한 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 4d는 도 4a의 구조에 포토닉 결정 주기 구조를 마련한 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 4e는 도 4b의 구조에 포토닉 결정 주기 구조를 마련한 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 4f는 도 4c의 구조에 포토닉 결정 주기 구조를 마련한 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 5는 투명 p형 AlGaN 콘택층/극박막 Ni층 베이스의 구조에 포토닉 결정을 2개소에 마련한 심자외 LED의 일 구조예를 나타내는 도면이다. 도 4e의 구조의 사파이어 기판 상에 제2 포토닉 결정 주기 구조를 마련한 예를 나타내는 도면이다. (a)는 단면도,(b)는 평면도이다.
도 6은 포토닉 결정(필러)에 입사된 TM광 투과의 모습을 나타내는 이미지도이다.
도 7은 포토닉 결정의 포토닉 밴드 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제1 실시의 형태에 따른 제1 포토닉 결정 주기 구조의 결정을 위한 계산 시뮬레이션의 처리예를 나타내는 흐름도이다.
도 8b는 본 발명의 제2 실시의 형태에 따른 제2 포토닉 결정 주기 구조의 결정을 위한 계산 시뮬레이션의 처리예를 나타내는 흐름도이다.
도 9는 제2 실시의 형태에 따른 제2 포토닉 결정 주기 구조(필러 구조)에 있어서의 TM광의 PBG와 R/a의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10a는 브래그 조건을 만족하는 제2 포토닉 밴드(2ndPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산한 차수 m=1에 있어서의 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 10b는 브래그 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산한 차수 m=1에 있어서의 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 11a는 차수 m=3으로 결정되는 R/a에 대해 도시하는 도면이고, R/a=0.35(차수 m=1)의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)가 정재파를 발생시키는 조건을 나타내는 도면이다.
도 11b는 차수 m=3으로 결정되는 R/a에 대해 도시하는 도면이고, R/a의 제4 포토닉 밴드(4thPB)가 정재파를 발생시키는 조건을 나타내는 도면이다.
도 12a는 브래그 조건을 만족하는 제2 포토닉 밴드(2ndPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 차수(m=3)로 정수배가 된 종축:3λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 12b는 브래그 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 5 정수배한 종축:3λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 12c는 브래그 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 6 정수배한 종축:3λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 13a는 브래그의 조건을 만족하는 제2 포토닉 밴드(2ndPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 차수(m=4)로 정수배한 종축:4λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 13b는 브래그의 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 6 정수배한 종축:4λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 13c는 브래그의 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 7 정수배한 종축:4λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 13d는 브래그의 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하여 8 정수배한 종축:4λV, 횡축:ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 14a에 있어서,(a)는 투명 p형 AlGaN 콘택층/극박막 Ni층 베이스의 구조에 포토닉 결정을 2개소에 마련하고, 또한 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러를 마련한 심자외 LED의 단면도이고,(b)는 평면도이다.
도 14b는 도 14a의 심자외 LED의 조감도이다.
도 15a는 투명 p형 AlGaN 콘택층의 구조에 제1 및 제2 포토닉 결정을 각각 마련하고, 또한 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러를 마련한 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 15b는 투명 p형 AlGaN 콘택층과 Ni층(10nm)의 구조에 제1 및 제2 포토닉 결정을 각각 마련하고, 또한 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러를 마련한 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 15c는 종래형 심자외 LED의 구조에 제1 및 제2 포토닉 결정을 각각 마련하고, 또한 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 마련한 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 16은 사파이어 기판을 박리하여 지지 기판을 접착한 투명 p형 AlGaN 콘택층/극박막 Ni층 베이스의 구조에 포토닉 결정(홀)과 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러가 광취출면이 되는 심자외 LED의 단면도이다.
도 17a는 투명 p형 AlGaN 콘택층/극박막 Ni층 베이스의 구조에 제1 및 제2 포토닉 결정을 각각 마련하고, 또한 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 마련한 후, 수지 봉입한 심자외 LED의 단면도이다.
도 17b는 사파이어 기판을 박리하여 지지 기판을 접착한 투명 p형 AlGaN 콘택층/극박막 Ni층 베이스의 구조에 포토닉 결정(홀)과 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러를 광취출면으로 한 후, 수지 봉입한 심자외 LED의 단면도이다.
도 18a는 투명 p형 AlGaN 콘택층/극박막 Ni층 베이스의 구조에 제1 및 제2 포토닉 결정을 각각 마련하고, 또한 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 마련한 후, Al 반사막 구조를 마련한 심자외 LED의 단면도이다.
도 18b는 도 18a의 구조에 수지 봉입을 실시한 심자외 LED의 단면도이다.
도 19a는 투명 p형 AlGaN 콘택층 베이스의 구조에 제1 및 제2 포토닉 결정을 각각 마련하고, 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 더 마련한 후, Al 반사막 구조를 마련한 심자외 LED의 계산 모델을 나타내는 단면도이다.
도 19b는 도 19a의 구조에 수지 봉입한 심자외 LED의 단면도이다.
도 20은 2층 레지스트에 의한 포토닉 결정 형성 프로세스 상세도이다.
도 21은 포토닉 결정 형성 프로세스에 있어서의 단면 SEM상을 나타내는 도면이다.
도 22는 종래형의 일반적인 심자외 LED의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 23은 종래형 LED, 투명 p형 AlGaN 콘택층 LED, AlN 결합 필러 LED의 배광성을 나타내는 도면이다.
도 24는 Al 반사 전극과 투명 p형 AlGaN 콘택층의 계면에서의 출력 증감율을 나타내는 도면이다.
도 25는 포토닉 결정 최적화 후보 LED의 배광성을 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
(제1 실시의 형태)
본 발명의 제1 실시의 형태에 따른 심자외 LED의 일예로서 설계 파장 λ를 265nm로 하는 AlGaN계 심자외 LED의 구조를 도 1a (a)에 나타낸다. 도 1a (a)에 도시한 바와 같이, 본 실시의 형태에 의한 AlGaN계 심자외 LED는, 도면의 위로부터 차례로 사파이어 기판(1), AlN 버퍼층(2), n형 AlGaN층(3), 배리어층(4), 양자 웰층(5), 배리어층(6), 전자 블록층(7), 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), 극박막 Ni층(10a), Al 반사 전극층(11)을 갖는다. 그리고, 투명 p형 AlGaN층(8a)의 두께 방향의 범위 내에 포토닉 결정 주기 구조(100)를 마련하고 있고, 또한 포토닉 결정 주기 구조(100)는 원공(圓孔)(주상 구조체, 홀)(101(h))을 마련하여 포토닉 밴드 갭을 가짐으로써 파장 λ의 광을 반사하는 반사형 포토닉 결정 주기 구조이다.
도 1a (a) 및 도 1a (b)에 xy 평면도로서 나타낸 바와 같이, 반사형 포토닉 결정 주기 구조(100)는 원주(圓柱) 등의 형상의 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a) 보다 굴절률이 작은 공기 등의 반경이 R의 원을 단면으로 하는 주상 구조체(101(h))가 x방향 및 y방향을 따라 주기 a로 삼각 격자상으로 형성된 홀 구조를 갖는다. 또한, 주상 구조체(101(h))는 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)과 전자 블록층(7)의 계면에 도달하지 않은 구조이다. 포토닉 결정 주기 구조(100)를 50nm 정도 남기지 않으면, 드라이 에칭에 의한 전자 블록층(7)의 손상 가능성이 있기 때문이다.
또한, 실제로 디바이스를 작성하는 프로세스 상의 관점에서 본 본 실시의 형태의 변형예로서, 도 1b에 도시한 바와 같이, 주상 구조체(101A(h))는 극박막 Ni층(10a)을 관통하여 Al 반사 전극층(11) 내에 이르고 있지만, Al 반사 전극층(11)과 공기의 계면까지는 도달하지 않은 구조여도 무방하다.
상기 구조에 있어서, 양자 웰층(5)에서 발광한 파장 265nm의 심자외광은 TE광과 TM광이 타원 편광되면서 매질 중으로 전파된다. 그 편광도는 0.07에서 TE광/TM광의 강도비는 1.17이다. 그리고 이 포토닉 결정 주기 구조(100)가 포토닉 밴드 갭을 가지고, 저면부에서 다른 굴절률을 갖는 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)과 공기가 2개의 구조체로서 형성되고, 이들 구조체의 평균 굴절률을 nav(nav는, 주기 a와 상기 원공의 반경 R의 함수), 주기 a로 한 경우에, 다음 식(1)에서 나타내는 브래그 산란 조건을 만족할 때, 이 포토닉 결정 주기 구조에 입사된 TE광은 반사되어 TM광은 투과된다(도 2 (a),(b) 참조).
mλ/nav=2a (1)
그리고, 원공의 반경 R과 주기 a의 비인 R/a, 설계 파장 λ 및 상기 2개의 구조체의 굴절률 n1과 n2에 대응되는 각 구조체의 유전율 ε1 및 ε2를 이용하여 평면파 전개법에 의해 TE광 및 TM광의 포토닉 밴드 구조를 해석한다. 구체적으로는 다음 식(2),(3)에서 나타내는 맥스웰의 파동 방정식에 입력하고, 그 고유값 계산을 수행한다.
[수 1]
Figure 112017075190790-pct00001
[수 2]
Figure 112017075190790-pct00002
단, E´=|k+G|E(G), ε:비유전율, G:역격자 벡터, k:파수, ω:주파수, C:광속, E:전계이다.
R/a를 변수로서, 0.01의 스텝에서 0.20≤R/a≤0.40의 범위에서 TE광의 포토닉 밴드 구조를 구하고, 포토닉 밴드 갭을 확인할 수 있는 제1 포토닉 밴드(1stPB)와 제2 포토닉 밴드(2ndPB) 사이의 포토닉 밴드 갭을 PBG1, 제7 포토닉 밴드(7thPB)와 제8 포토닉 밴드(8thPB) 사이의 포토닉 밴드 갭을 PBG4로 하여 각 PBG와 R/a의 관계를 구한다. 그 결과를 도 3a에 나타낸다.
마찬가지로 TM광의 포토닉 밴드 구조를 구하고, 1stPB와 2ndPB 사이의 PBG를 PBG1, 3rdPB와 4thPB 사이의 PBG를 PBG2, 5thPB와 6thPB 사이의 PBG를 PBG3, 7thPB와 8thPB 사이의 PBG를 PBG4로 하여 각 PBG와 R/a의 관계를 구한다. 그 결과를 도 3b에 나타낸다.
포토닉 결정에 있어서의 상태 밀도(ρ)란, 어느 주파수에 어느 정도의 포톤을 존재할 수 있는 상태가 존재하는지를 나타낸 것이다. 균일한 매질에 있어서 상태 밀도는 주파수에 대해 단조 증가를 나타낼 뿐이지만, 포토닉 결정에 있어서 포토닉 밴드 갭의 주파수 영역에서는 ρ(ω)=0이 된다. 포토닉 밴드 갭 부근에서의 상태 밀도의 급격한 변화나, 그 외의 주파수 영역에서의 날카로운 피크는 그룹 속도가 제로가 되는 것에 기인하고 있다. 그리고, 이 그룹 속도가 제로가 되는 대표적인 대칭점은, M점에서 2개의 파(波)가 브래그 회절에 의해 광의 전파 방향을 변화시켜 정재파를 만든다. 그리고 이 상태 밀도의 급격한 변화율은 포토닉 밴드 갭의 크기에 거의 비례하고 있다.
따라서, 포토닉 밴드 갭의 크기와 반사·투과 효과의 관계, 및 심자외 LED에 있어서의 광취출 효율(LEE) 증감율을 FDTD법에 따른 해석으로 구하고, LEE 증감율이 최대가 되는 포토닉 결정의 직경 d, 주기 a 및 깊이 h를 얻는다.
보다 상세한 처리 플로우를 도 8a에 나타낸다.
(스텝 S01)
주기 구조 파라미터인 주기 a와 구조체의 반경 R의 비(R/a)를 가결정한다.
(스텝 S02)
제1 구조체의 각각의 굴절률 n1과 n2, 및 이들과 R/a로부터 평균 굴절률 nav를 산출하고, 이것을 브래그 조건의 식에 대입하여, 차수 m마다의 주기 a와 반경 R을 얻는다.
(스텝 S03)
R/a 및 파장 λ 및 상기 굴절률 n1, n2로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율 ε1 및 ε2를 이용한 평면파 전개법에 의해, TE광의 포토닉 밴드 구조를 해석한다.
(스텝 S04)
TE광의 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드간의 PBG가 최대가 되는 R/a를, 상기 가결정의 R/a의 값을 바꾸어 반복적으로 수행하는 해석에 의해 결정한다.
(스텝 S05)
PBG를 최대로 하는 R/a에 대해, 브래그 조건의 차수 m에 따른 개별 주기 a 및 반경 R, 및 임의의 주기 구조의 깊이 h를 변수로 하여 수행하는 FDTD법에 따른 시뮬레이션 해석에 의해, 상기 파장 λ에 대한 광취출 효율을 구한다.
(스텝 S06)
FDTD법에 따른 시뮬레이션을 반복적으로 수행함으로써, 파장 λ에 대한 광취출 효율이 최대가 되는 브래그 조건의 차수 m과, 그 차수 m에 대응하는 주기 구조 파라미터의 주기 a, 반경 R, 및 깊이 h를 결정한다.
이들 값은 브래그 산란의 식(식(1))에 있어서, 파장 λ과 주기 a의 값이 가까워지는 차수 m을 선택하여 구하면 된다. 또한, 깊이는 도 2에 도시한 바와 같이 주기 a 이상의 깊이 h를 갖는 것이 바람직하다.
이어서, 본 실시의 형태에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
우선, 포토닉 결정의 파라미터를 설정함에 있어서, 브래그 산란의 식(식
(1):mλ/nav=2a)의 차수 m을 결정한다.
일예로서 R/a=0.40의 nav를 다음 식에서 계산한다.
nav=[n2 2+(n1 2n2 2)(2π/30.5)(R/a)2]0 .5=1.848 (4)
단, n1=1.0, n2=2.60이다.
이어서, λ=265nm, nav=1.848, m=1을 식(1)에 대입하면, m=1에서의 주기 a=71.7nm가 구해진다.
포토닉 결정의 주기는, 발광 파장에 가까운 것이 바람직하기 때문에, 주기 a=288nm가 되는 차수 m=4를 선택한다. 또한, 도 2에서 나타낸 바와 같이 깊이 h는 주기 a 이상이 바람직하기 때문에, h=300nm로 한다.
Figure 112017075190790-pct00003
이어서, 0.20≤R/a≤0.40의 범위에서 R/a를 변수로 하여 0.01 스텝에서 변화시켜 각 R/a에서의 직경 d, 주기 a를 구하고, 포토닉 결정을 설계하고, 표 1의 계산 모델을 작성하여 FDTD법으로 LEE 증감율을 구하였다.
Figure 112017075190790-pct00004
또한, h=300nm이고, LEE 증감율=(출력 2-출력 1)/출력 1이다.
단, 출력 1은 포토닉 결정이 없는 구조(Flat 구조)에서의 출력이고, 출력 2는 포토닉 결정 주기 구조를 갖는 구조에서의 출력이며, 출력은 방사 패턴(원방계)으로 구하였다. 또한, LEE 증감율은 LED 소자 전체의 출력 비교와 축상 방향(각도 5°~20°)의 출력 비교를 수행하였다(표 2 참조).
또한, 표 1의 Al 반사 전극과 투명 p형 AlGaN 콘택층의 계면에 근방계용 모니터를 설치하였다. 포토닉 결정에서 완전히 반사되지 않고 새어 나온 광을 검출하는 목적이다. 그리고 포토닉 결정이 없는 구조(Flat 구조)에 대한 각 R/a에 대응하는 포토닉 결정 구조의 상기 출력을 비교하여 증감율로 구하였다.(도 24 참조) R/a가 증대됨에 따라, 포토닉 결정에서 반사되지 않고 새어 나온 광의 증감율이 감소하고 있다. 이는 Al 반사 전극에서의 광의 흡수·소실을 억제할 수 있다. 결과적으로 R/a의 증대에 따라 LEE가 증가한다.
광원의 파장은 265nm이고 편광도는 0.07로 하였다. 또한, 계산 자원의 제한에 의해 극박막 Ni층(1nm)은 생략하였다. 표 2의 해석 결과로부터, LEE 증감율은 R/a의 값에 거의 비례하고 있다. 그리고 이 R/a의 값과 TE광에서의 포토닉 밴드 갭의 크기가 거의 비례하고 있음을 알 수 있다(도 3a 참조). 이 현상은 이하와 같이 설명할 수 있다. 즉, TE광에서는 PBG1와 R/a의 값이 비례하고 있으므로, R/a=0.40일 때 가장 반사 효과가 커진다.
한편, TM광(도 3b 참조)에서는, PBG1 및 PBG2의 밴드 갭은 거의 제로에 가깝지만, PBG3 및 PBG4의 밴드 갭이 0.38≤R/a≤0.40의 범위에서 얼마 안되지만 확인할 수 있고, 약간의 광이 투과되어 Al 반사 전극(반사율 90%)에 도달한다.
이 경우, Al 반사 전극(반사율 90%)에서 약간 광이 흡수되어 광취출 효율(LEE)은 미세하게 감소되었지만, TE광에 의한 반사 효과가 훨씬 크므로 문제가 되지 않는다. 또한, 축상 방향(각도가 5°~20°)에서의 LEE 증감율의 비교에서는 포토닉 결정의 효과가 현저하고, 이 완전하게 가까운 반사 효과에 의해 청색이나 백색 LED와 같이 다양한 광취출 효율을 향상시키는 구조로의 연구가 가능해졌다.
이하에, 제1 실시의 형태에 따른 심자외 LED 기술을 이용한 구체적인 구조와 그 효과에 대해 상세하게 설명한다.
FDTD법으로 해석하는 계산 모델은 설계 파장이 265nm, 편광도가 0.07이고, 구체적인 구조의 예를 도 4a~도 4f까지 나타낸다. 또한, 이용한 각 구조의 막두께를 표 3에 나타낸다.
Figure 112017075190790-pct00005
도 4a는 도 22에 도시한 종래형 구조의 LED의 구체적인 예를 나타내는 도면이고, 도면의 상부로부터 차례로 사파이어 기판(1), AlN 버퍼층(2), n형 AlGaN층(3), 배리어층(4), 양자 웰층(5), 배리어층(6), 전자 블록층(7), p형 AlGaN층(8), p형 GaN 콘택층(9), Ni층(10), Al 반사 전극(11)이다.
도 4b는 심자외광의 흡수가 없는 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)을 마련한 구조이고, 사파이어 기판(1)으로부터 전자 블록층(7)까지는 도 4a와 동일하고, 그것보다 하부 구조는, 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), Al 반사 전극(11)이 된다. 다만, 계산 자원의 제약 상, 극박막 Ni층(1nm)은 생략하였다. 여기서, 참고를 위해 다른 해석에 의해 구한 Ni층 1nm 막두께당 출력 감소는 7%였다.
도 4c는 도 4b의 구조에 대해, Ni층(10)이 10nm로 두꺼워졌을 때의 흡수에 의한 출력 감소를 추측하기 위해, 사파이어 기판(1)으로부터 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)까지는 도 4b와 같은 구조이고, 그 하부 구조는 Ni층(10), Al 반사 전극(11)으로 되어 있다.
도 4d는 도 4a의 구조에 대해 포토닉 결정 주기 구조(100)(R/a=0.40의 원공(101(h)))을 마련한 것이다. 원공(101(h))은 p형 AlGaN층(8)으로부터 p형 GaN 콘택층(9)과 Ni층(10)의 계면까지 위치하고, 그 깊이는 300nm이다.
도 4E는 도 4b의 구조에 대해 포토닉 결정 주기 구조(100)(R/a=0.40의 원공(101(h)))을 마련한 것이다. 원공(101(h))은 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)으로부터 Al 반사 전극(11)의 계면까지 위치하고, 그 깊이는 300nm이다.
도 4f는 도 4c의 구조에 대해, 포토닉 결정 주기 구조(100)(R/a=0.40의 원공(101(h)))을 마련한 것이다. 원공(101(h))은 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)으로부터 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)과 Ni층(10)의 계면에 위치하고, 그 깊이는 300nm이다.
상기 구조마다 출력값을 원방계(遠方界)로 구하였다.
또한, 도 4a의 종래형 구조에서의 출력값에 대해, 그 밖의 새로운 구조에서의 출력값의 출력 배율을 구하였다. 또한, 계산 자원의 제약상, 극박막 Ni층 1nm를 생략하여 출력 배율을 산출한 도 4b의 구조 및 도 4E의 구조의 출력 배율에 대해서는, 별도 해석에 있어서의 극박막 Ni층 1nm에서의 출력 감소 7%에 해당하는 배율을 빼고 보정한 값을 나타냈다. 그리고, 도 4a의 종래형 구조의 광취출 효율(LEE)을 10%로 하여 보정 배율로 곱하여 기타 구조의 LEE를 구하였다(표 4 참조).
Figure 112017075190790-pct00006
도 4a의 종래형 구조에 대해, 도 4b의 투명 p형 AlGaN 콘택층을 마련하면, LEE는 1.69배가 되고, 비특허 문헌 1에 기재된 1.7배에 거의 동일한 값이 얻어진다. 또한, 도 4d(종래형 구조에 PhC를 추가한 구조), 도 4e(투명 p형 AlGaN 콘택층에 PhC를 추가한 구조) 및 도 4f(Ni층 10nm와 투명 p형 AlGaN 콘택층에 PhC를 추가한 구조)를 비교하면, 도 4f와 같이 TM광이 PhC를 약간 투과하고, p형 GaN 콘택층이나 Ni층 10nm에서 흡수되었기 때문에, 포토닉 결정 주기 구조에 의한 반사 효과가 완전하지는 않음을 알 수 있다.
한편, 투명 p형 AlGaN 콘택층과 극박막 Ni층을 베이스로, 투명 p형 AlGaN 콘택층의 두께 방향의 범위 내에 포토닉 결정 주기 구조를 마련한 도 4e의 구조는, 심자외 LED에 특유의 심자외광의 흡수에 의한 출력 감소를 거의 완전하게 억제할 수 있다.
따라서, 후술하는 다양한 실시의 형태에 대해 설명한 광취출 효율을 향상시키는 구조 등으로의 연구를 위한 베이스 구조(템플릿)라 하더라도 도 4e의 구조가 적합함을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 심자외 LED에 있어서, 상하 방향으로 전파되는 광의 흡수를 억제하고, 광취출 효율을 종래 구조에 비해 5배 이상 개선할 수 있다.
(제2 실시의 형태)
이어서, 본 발명의 제2 실시의 형태에 대해 설명한다.
본 발명의 제2 실시의 형태에 따른 심자외 LED는 제1 실시의 형태에 있어서의 투명 p형 AlGaN 콘택층에 마련한 반사형 포토닉 결정 주기 구조에 부가하여, 다른 광취출면에 요철 구조나 포토닉 결정을 마련하여 광취출 효율을 더욱 향상시키는 것이다. 도 5는 그러한 구조의 일예를 나타내는 단면도이다.
더 구체적으로는, 도 5에 도시한 바와 같이, 도 4e의 구조에 있어서, 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)으로부터 Al 반사 전극(11)의 계면까지의 범위에 위치하는 제1 포토닉 결정 주기 구조(100)에 부가하여, 제2 포토닉 결정 주기 구조(110)를 갖는다. 이 제2 포토닉 결정 주기 구조(110)는 사파이어 기판(1)의 이면에 설치되어 있고, 이 제2 포토닉 결정 주기 구조(110)는 포토닉 밴드 갭을 가짐으로써 파장 λ의 광을 투과하는 투과형 포토닉 결정 주기 구조이다. 제2 포토닉 결정 주기 구조(110)는, 도 5(a)의 단면도 및 도 5(b)에 xy 평면도로서 나타내는 바와 같이, 주위 공기보다 굴절률이 큰 사파이어 등의 주상 구조체(111)가 x방향 및 y방향을 따라 주기 a로 삼각 격자상으로 형성된 천공(필러) 구조이다.
도 6은, 포토닉 결정(필러)에 입사된 TM 광투과의 모습을 나타내는 이미지도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, TM광의 전계는 필러 구조 로드(필러)(111(p)) 사이에 수직으로 존재하는 유전 스팟에 머물기 쉽고, 평균 굴절률 nav, 주기 a 및 설계 파장 λ이 브래그 조건을 만족하는 경우는, 그 전계면에서 브래그 회절에 의해 산란, 즉 본 실시의 형태에서의 주기 구조면에 대해서는 TM광이 투과하는 것을 이해할 수 있다.
TM광에 의한 포토닉 결정의 물리적 성질을 아는 유효한 방법은 평면파 전개법으로부터 포토닉 밴드(PB) 구조를 얻어 해석하는 것이다. TM광의 고유값 방정식은 맥스웰 방정식으로부터 다음과 같이 도출된다.
Figure 112017075190790-pct00007
단, E´=|k+G|E(G), ε:비유전율, G:역격자 벡터, k:파수, ω:주파수, C:광속, E:전계이다.
도 7은 포토닉 결정의 일예(필러 구조: R/a=0.35)의 포토닉 밴드(PB) 구조를 나타내는 도면이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 포토닉 결정의 각 대칭점인 Γ점, M점, K점에서 축퇴가 풀려 각 산란파가 정재파를 만든다.
도 7에 도시한 바와 같이, 이러한 대칭점에서는, 그룹 속도 이상(異常)(dω/dk=0)이 발생하고, 광의 전파 방향이 변화된다. 따라서, 각 포토닉 밴드의 각 대칭점에 있어서의 광의 물성에 주목함으로써 포토닉 결정의 광취출 효율이나 배광성 최적화를 위한 지침을 얻을 수 있다.
그 때문에, Γ점, M점, K점에서 정재파를 발생시키는 포토닉 밴드(PB)에 착안하고 있다. 그 이유는, 계면에서의 굴절률차가 커질수록, TM광의 경우에는, PBG가 복수개 이상 출현하기 때문이다.
포토닉 결정 주기 구조(110)에 있어서의, 주기 a와 반경 R의 비(R/a)는 TM광의 포토닉 밴드에 기초하여 광의 투과 효과가 좋아지도록 결정된 값이다.
이하에, 상기한 점에 착안하여 수행한 계산기 시뮬레이션에 의한 처리의 흐름의 개요에 대해 설명한다. 도 8b는 본 발명의 제2 실시의 형태에 따른 포토닉 결정 주기 구조(110)의 결정을 위한 계산 시뮬레이션의 처리예를 나타내는 흐름도이다.
(스텝 S1)
스텝 S1에 있어서, 0.20≤R/a≤0.40의 범위에서 R/a(R:반경, A:주기)를, 예컨대 0.01 스텝에서 변화시킨다.
(스텝 S2)
브래그의 조건을 만족하는 산란파는 각 포토닉 밴드(PB)의 어느 하나에 해당되므로, 설계 파장 λ를 투과시키는 주기 a를 브래그의 식으로 관련짓는다. 여기서, 주목하는 포토닉 밴드는 브래그의 조건을 만족하는 산란파(k+G)이다.
즉, 스텝 S2에 있어서, 구조체의 굴절률 n1, n2, R/a로부터 평균 굴절률 nav를 산출하고, 브래그의 식 mλ/nav=2a에 대입하여 차수 m마다 A와 R을 결정한다.
여기서,
Figure 112017075190790-pct00008
이다.
또한, 포토닉 결정의 정의에 의하면, 주기 a는 파장 λ에 가깝다고 되어 있고, 차수 m=3 및 4에서의 주기가 이 파장 영역에 대응된다.
예컨대, R/a=0.35(m=4)에서는, 다음과 같이 계산할 수 있다.
n1=1.84, n2=1.0으로 하면
Figure 112017075190790-pct00009
이다.
따라서, nav=1.435이다. 브래그의 식에 차수 m=4, 진공 중의 파장=265nm를 대입하면 A=369nm가 된다. 또한, R/a=0.35로부터 D(2 R)=258nm가 된다.
(스텝 S3)
스텝 S3에서는, 스텝 S2에서 결정한 R/a, 파장 λ, 굴절률 n1, n2로부터 유전율 ε1,ε2를 구하고, 평면파 전개법에 따른 TM광의 포토닉 밴드(PB) 구조를 얻는다. PBG1, PBG2의 최대값에 대응되는 차수가 m=3~4인 R/a를 최적화의 후보로 한다.
도 9는 제2 포토닉 결정 구조(필러 구조)(110)에서의 TM광의 PBG와 R/a의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서, 1stPB-2ndPB 사이, 3rdPB-4thPB 사이의 포토닉 밴드 갭(PBG)을 각각 PBG1, PBG2로 하고, R/a와 PBG와의 관계를 도 9에 나타낸다.
도 9에 도시한 바와 같이, R/a=0.24, R/a=0.32에 있어서, 각 포토닉 밴드 갭의 최대값을 얻을 수 있다. 포토닉 밴드 갭의 크기와 광취출 효율에는 상관성이 있기 때문에, 도 9로부터 얻어지는 R/a는 차수에 관계 없이, LEE 등의 최적화의 유력한 후보가 된다.
(스텝 S4)
브래그의 조건을 만족하는 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하고, 차수 m=1에서 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 얻는다. 종축은 ωa/2πc=a/λPhC로 변환할 수 있다. 단, λPhC는 포토닉 결정(PhC) 중의 파장이다. 따라서, λV1=a1/(ωa/2πc)×nav, 또한, 브래그의 식, 즉, 1×λV/nav=2a1 보다 a1=λV/2nav로 도출된다.
여기서, 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)를 선택한 이유는, 도 9에 도시한 바와 같이 PBG1와 PBG2가 0.20≤R/a≤0.40에서 크게 열리고, 각 대칭점에서 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)가 정재파를 발생시키고, 그 후, 광의 전파 방향을 바꾸기 때문이다.
이러한 원리에 대해, 도 10a, 도 10b를 참조하면서 설명한다. 도 10a는 브래그의 조건을 만족하는 제2 포토닉 밴드(2ndPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하고, 차수 m=1에서 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다. 도 10b는 브래그의 조건을 만족하는 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하고, 차수 m=1에서 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
여기서, 제2 포토닉 밴드(2ndPB)가 각 대칭점에서 정재파를 발생시키는 R/a란, 진공 중의 파장 265nm와 점으로 접하거나 가장 접근하는 R/a이다.
따라서, 도 10a로부터 독출하면, M점에서는 R/a=0.28, K점에서는 R/a=0.35가 된다. 도 10b에서는, 0.20≤R/a≤0.40에서 어떠한 R/a도 진공 중의 파장 265nm에 접근하지 않으므로 정재파를 발생시키지 않는다.
(스텝 S5)
최초로 차수 m=3에서 결정되는 R/a에 대해 검토한다. 도 11a는 차수 m=3에서 결정되는 R/a에 대해 도시하는 도면이고, R/a=0.35(차수 m=1)의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)가 정재파를 발생시키는 조건을 나타내는 도면이다. 도 11b는 차수 m=3에서 결정되는 R/a에 대해 도시하는 도면이고, R/a의 제4 포토닉 밴드(4thPB)가 정재파를 발생시키는 조건을 나타내는 도면이다.
도 11a에 도시한 바와 같이, 스텝 S2의 R/a=0.35(차수 m=1)의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)가 정재파를 일으킨다. 차수 m=3의 주기 길이는 m=1의 주기 길이의 3정수배가 되고, 위상이 유지되므로 3개의 배(antinode, 腹)를 갖는 정재파를 일으킨다. 따라서, λ3=a3/(ωa/2πc)×nav,a3=3λV/2nav이다.
m=3에서의 주기는 m=1에서의 주기의 3배가 된다. 따라서 종축의 파장의 크기도 진공 중의 파장 λV×3(차수 m)이 된다.
그리고, 정재파를 발생시키는 R/a는 각 대칭점에서의 진공 중의 파장×3=795nm와 점으로 접하거나 가장 접근하는 R/a가 되고, 차수 m=1과 마찬가지로 M점(R/a=0.28), K점(R/a=0.35)이 되고, 최적화 후보가 된다. 제2 포토닉 밴드(2ndPB)에 관한 진공 중 파장×3(차수)과 파수의 포토닉 밴드 구조를 도 12a에 나타낸다.
한편, m=1에서의 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 주파수는 제2 포토닉 밴드(2ndPB)의 주파수 보다 높고 2배 정도이다. 그리고 0.20≤R/a≤0.40에서의 어떠한 R/a에서도 정재파는 발생하지 않는다. 그러나, 차수가 m=3이 되면 차수에 비례하여 주기 길이가 커지는 R/a에서 동위상이 되어 정재파를 발생시킨다. 도 12b에 도시한 바와 같은 R/a의 제4 포토닉 밴드(4thPB)가 정재파를 발생시키는 조건은, m=1인 R/a의 주기 길이의 5정수배와 6정수배이고, m=3의 주기 길이 중에 각각 5개의 배와 6개의 배를 갖는 정재파를 발생시킨다.
따라서, 각 대칭점에서의 진공 중의 파장×3=795nm에 점으로 접하거나 가장 접근하는 R/a를 구하기 위해, 스텝 S4에서 구한 모든 R/a의 제4 포토닉 밴드(4thPB)를 5정수배한 것을 도 12b에 나타내고, 6정수배한 것을 도 12c에 나타낸다. 5정수배에서는Γ점(R/a=0.25), M점(R/a=0.28), K점(R/a=0.39)이다. 6정수배에서는 Γ점(해당되지 않음), M점(해당되지 않음), K점(R/a=0.27)이 되고, 모두 최적화 후보가 된다.
(스텝 S6)
차수 m=4에서는, λ4=a4/(ωa/2πc)×nav,a4=4λV/2nav가 된다. 제2 포토닉 밴드(2ndPB)에 관한 진공 중 파장과 파수의 포토닉 밴드 구조를 도 13a에 도시한다. 각 대칭점에서의 진공 중의 파장×4=1060nm에 가장 근접하는 R/a는 차수 m=1과 마찬가지로 M점(R/a=0.28), K점(R/a=0.35)가 된다. 또한, 어떤 R/a의 제4 포토닉 밴드(4thPB)가 정재파를 발생시키는 조건은, m=1에서의 입사 파장의 6정수배, 7정수배, 8정수배이다. 따라서 각 대칭점에서의 진공 중의 파장×4=1060nm에 점으로 접하거나 가장 접근하는 R/a를 구하면, 6정수배에서는 Γ점(R/a=0.40), M점(R/a=0.35)이다(도 13b). 7정수배에서는 Γ점(R/a=0.23) M점(R/a=0.20) K점(R/a=0.36)이다(도 13c). 8정수배에서는 Γ점(해당되지 않음), M점(해당되지 않음), K점(R/a=0.27)이 되고(도 13d), 모두 최적화 후보가 된다.
(스텝 S7)
스텝 S3에서 스텝 S6까지에서 얻어진 최적화 후보인 차수 m과 R/a에 대응하는 포토닉 결정을 유한 시간 영역 차분법(FDTD법)으로 계산한다. 깊이에 관해서는 차수 m=3~4에서 가장 큰 주기 a의 0.5배 이상의 임의의 값을 선택한다.
(스텝 S8)
LED 소자 전체의 출력 비교와 축상 방향(각도 5°~20°)의 출력 비교를 수행하고, 광취출 효율(LEE) 증감율이 큰 R/a와 차수 m 중에서, 축상 방향의 배광성이 뛰어난 R/a 및 차수 m을 선택한다. 따라서, 포토닉 결정 최적화의 파라미터인 직경, 주기, 깊이가 결정된다.
Figure 112017075190790-pct00010
스텝 S7의 계산 결과를 표 11 및 도 25에 나타낸다. 여기서, 표 11의 Po(W)는 LED 소자 전체의 출력을 나타내고, Po(<20°)는 축상 방향의 출력을 나타낸다.
또한, 도 25는 출력의 각도 의존성 그래프이고, LED의 배광성을 나타내고 있다. 상기 결과로부터 각 R/a에 대응하는 포토닉 결정의 LEE나 축상 방향의 출력은 모두 높은 값을 나타내고 있으므로, 상기 최적화의 방법은 적절하다.
(제3 실시의 형태)
이어서, 본 발명의 제3 실시의 형태에 따른 심자외 LED에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
본 실시의 형태에 따른 심자외 LED는 투명 p형 AlGaN 콘택층에 마련한 반사형 포토닉 결정 구조(제1 포토닉 결정 주기 구조)와 사파이어 기판 이면에 마련한 투과형 포토닉 결정 주기 구조(제2 포토닉 결정 주기 구조)에 부가하여, 이하에 설명하는 주기 구조(요철 구조)를 추가하여 광취출 효율을 향상시킨 것이다. 도 14a는 본 실시의 형태에 따른 심자외 LED의 일 구성예를 나타내는 단면도이고, 도 14b는 그 사시도(조감도)이다.
도 14a (b) 및 도 14a (a)에 xy 평면도로서 나타내는 바와 같이, 나노 PSS와 결합 필러 주기 구조(220)는 x방향 및 y방향을 따라 주기 a에서 삼각 격자상으로 형성된 원추대 구조이다. 사파이어 기판(1)의 표면(도 14a의 하측면)에는, 예컨대 주기가 1μm 정도의 나노 PSS(Patterned Sapphire Substrate) 주기 구조(삼각추 형상 또는 원추공)(220a)를 가지고 있다. 이러한 오목 구조는 사파이어 기판(1)의 표면에 형성한 포토레지스트 등의 마스크 패턴을 이용하여 습식 에칭법에 의해 표면을 가공함으로써 형성할 수 있다.
이 오목 구조에 대해, CVD법 등을 이용하여 나노 PSS 주기 구조체(220a) 내에서, AlN막을 수μm 정도 에피택셜 성장시킨다. 그러면, 오목 구조가 AlN막으로 매립됨과 동시에, 그 위 두께 방향으로, 선택적으로 AlN에 의한 육각뿔대 AlN 결합 필러(220b)가 형성된다. 최종적으로는 평탄한 에피막이 된다.
이 때, AlN 에피택셜 성장 초기 단계에서 발생하는 관통 전이의 수는 수μm 정도 성장한 후에는, 108개/cm2 전반의 값까지 감소하기 때문에, 양자 웰층(5)의 결정성이 종래 보다 향상되고, 심자외 LED의 내부 양자 효율(IQE)이 개선된다.
또한, 이 구조에 의하면, 양자 웰층(5)에서 발광한 심자외광이, 형성된 육각뿔대의 AlN 결합 필러(220b)를 도파로로서 전파되고, 사파이어 기판(1)으로 입사되기 때문에, 사파이어 기판(1)과 나노 PSS 주기 구조체(220a)와의 계면에서의 내부 전반사를 억제하고, 광취출 효율이 향상된다.
제3 실시의 형태에 따른 심자외 LED의 효과를 설명한다. FDTD법으로 해석하는 계산 모델은 설계 파장이 265nm, 편광도가 0.07이고, 그 구체적 구조예를 도 15a~도 15c에 각각 나타낸다.
또한, 각 구조의 막두께를 표 5에 나타낸다.
Figure 112017075190790-pct00011
또한, 사파이어 기판 이면에 마련한 포토닉 결정(필러)의 직경/주기/깊이는 258nm/369nm/300nm로 하였다.
도 15a는 심자외광의 흡수가 없는 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)을 마련한 구조이고, 도면의 상부로부터 차례로 사파이어 기판(1)의 이면에 형성된 포토닉 결정(필러) 주기 구조(제2 포토닉 결정 주기 구조)(110), 사파이어 기판(1), 사파이어 기판(1)의 표면에 형성된 나노 PSS(삼각추 형상) 주기 구조(220a), AlN 결합 필러(220b), n형 AlGaN층(3), 배리어층(4), 양자 웰층(5), 배리어층(6), 전자 블록층(7), 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), 포토닉 결정(홀) 주기 구조(제1 포토닉 결정 주기 구조)(100), Al 반사 전극(11)이다. 여기서는, 계산 자원의 제약상, 극박막 Ni층(1nm)을 생략하여 계산하였다.
도 15b는 도 15a에 도시한 구조에 대해, Ni층(10)의 층두께를 10nm로 두껍게 하였을 때의 흡수에 의한 출력 감소를 보기 위한 구조이다. 도면의 상부로부터 차례로 전자 블록층(7)까지는 도 15a와 동일하다. 그 후의 구조는 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100), Ni층(10), Al 반사 전극(11)이다.
도 15c는 심자외광의 흡수가 있는 p형 GaN 콘택층(9)과 Ni층(10)(10nm)을 갖는 구조이고, 도면의 상부로부터 차례로 전자 블록층(7)까지는 도 15a와 동일한 구조이다. 그 후의 구조는, p형 AlGaN층(8), p형 GaN 콘택층(9), 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100), Ni층(10), Al 반사 전극(11)이다.
상기 구조마다 출력값을 원방계로 구하였다.
또한, 도 4a의 종래형 구조에서의 출력값에 대한 그 밖의 구조에서의 출력값의 출력 배율을 구하였다. 또한, 계산 자원의 제약상, 극박막 Ni층 1nm를 생략하여 출력 배율을 산출한 도 15a의 구조의 출력 배율에 관해서는, 별도 해석에서의 극박막 Ni층 1nm에서의 출력 감소 7%에 해당하는 배율을 빼고 보정하였다. 그리고, 도 4a의 종래형 구조의 광취출 효율(LEE)을 10%로서 보정 배율로 곱하여 기타 구조의 LEE를 구하였다(표 6 참조).
Figure 112017075190790-pct00012
도 15a와 같은, 투명 p형 AlGaN 콘택층/포토닉 결정(홀) 주기 구조/극박막 Ni층(1nm)을 탑재한 구조에, 사파이어 기판 이면에 포토닉 결정(필러) 주기 구조와 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 추가한 경우에는, 광취출 효율이 도 4e의 구조의 25%에서 27%로 2% 더 증가하였다.
도 15b와 같이, Ni층을 1nm에서 10nm로 두껍게 한 경우에는, Ni층에 의한 약간의 흡수가 있고, 광취출 효율의 증가는 22%에서 23%로 1% 증가에 머물렀다.
반대로, 도 15c와 같이, 심자외광에 의한 흡수가 있는 p형 GaN 콘택층과 Ni층 10nm에 사파이어 기판 이면 포토닉 결정(필러) 주기 구조나 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 추가하더라도 광취출 효율이 18%로 전혀 증가하지 않았다.
이상의 결과로부터, 투명 p형 AlGaN 콘택층/포토닉 결정(홀) 주기 구조/극박막 Ni층(1nm)을 베이스로 한 구조는 심자외광의 흡수를 억제할 수 있다. 따라서, 예컨대, 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조와 같은 광취출 효율을 향상시키기 위한 다양한 구조상의 개량의 베이스로서도 이용할 수 있다.
(제4 실시의 형태)
본 발명의 제4 실시의 형태에 따른 심자외 LED는, 도 16에 도시한 바와 같이, 제3 실시의 형태에서의 나노 PSS 유래 AlN 결합 필러 구조를 구비한 심자외 LED(도 15a)를 베이스로 하고 있다. 그리고, 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)/포토닉 결정(홀) 주기 구조(100)/극박막 Ni층(1nm)(10a)로 이루어진 심자외 LED를 작성한 후에, Al 반사 전극층(11)측에 지지 기판(31)을 접착한 후에, 사파이어 기판(1)을 박리하여 AlN 결합 필러(220b)를 광취출면으로 한 구조이다.
즉, 구체적 구조의 예로는, AlN 결합 필러(220b), n형 AlGaN층(3), 배리어층(4), 양자 웰층(5), 배리어층(6), 전자 블록층(7), 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100), 극박막 Ni층(10a), Al 반사 전극층(11), 지지 기판(31)을 갖는 구조이다.
이 구조의 특징은 이하의 3가지이다.
첫 번째 특징은, 사파이어 기판(1)을 박리한 것이다. LED의 광은 사파이어 기판(1)의 이면과 측벽의 4면으로부터 광이 취출된다. 특히 양자 웰층(5)에서 발광하여 전파된 심자외광의, 측벽의 4면에서의 내부 전반사에 의한 내부 소실 비율은 크다. 따라서, 사파이어 기판(1)을 박리하면, 사파이어 기판(1)을 제외한 반도체에 의해 구성되어 있는 부분의 깊이(두께)는 수μm 정도이고, 그에 따라 구성되는 측벽 4면의 표면적은 정면(표면)의 표면적에 비해 작아진다. 따라서, 내부 소실을 무시할 수 있는 레벨이 된다.
두 번째 특징은, AlN 결합 필러(220b)가 노출되어 있으므로, 심자외광이 AlN 결합 필러(220b)로부터 직접 공기 중으로 방사되는 것이다. 이 AlN 결합 필러(220b)는 도파로로서의 효과가 크고, 광은 정면으로부터 집광된 형태로 LED 외부로 취출되므로 축상 방향의 광취출 효율(5°~20°)은 현격히 개선된다.
세 번째 특징은, 열전도성이 뛰어난 지지 기판(31)을 접착함으로써, 열의 외부 방출 효율이 개선되어 심자외 LED의 수명이 늘어나는 것 등이다.
또한, 반드시 상기 특징 1로부터 특징 3까지의 모든 것을 갖출 필요는 없다.
이러한 제4 실시의 형태에 따른 심자외 LED에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
FDTD법으로 해석하는 계산 모델은 설계 파장이 265nm, 편광도가 0.07이고, 도 16과 같은 구조로 구체적인 막두께는 이하와 같다.
도 16에 도시한 바와 같이, 계산 모델은 위로부터 차례로 AlN 결합 필러(220b)(4μm), n형 AlGaN층(3)(1.4μm), 배리어층(4)(10nm), 양자 웰층(5)(10nm), 배리어층(6)(10nm), 전자 블록층(7)(40nm), 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a)(350nm), Al 반사 전극층(11)(210nm), 지지 기판(31)(10μm)이다. 합계 막두께는 16,030nm이며, 상기 설명한 각 실시의 형태의 모델과 동일한 막두께이다.
출력값을 원방계로 구하고, 도 4a에 도시한 종래형 LED 구조에서의 출력값에 대한 각 실시의 형태의 그 밖의 구조에서의 출력값의 출력 배율을 구하였다.
또한, 계산 자원의 제약상, 극박막 Ni층 1nm를 생략하여 출력 배율을 산출한 도 16에 도시한 LED 구조의 출력 배율에 관해서는, 별도 해석에 있어서의 극박막 Ni층 1nm에서의 출력 감소 7%에 해당하는 배율을 빼고 보정하고 있다.
또한, 제3 실시의 형태에 따른 도 15a의 LED 구조와도 비교하였다. 또한, 축상 방향(각도 5°~20°의 범위)의 광취출 효율을 추가하였다.
그리고, 도 4a에 도시한 종래형 LED 구조의 광취출 효율(LEE)을 10%로 하고, 상기 보정 배율로 곱하여 그 밖의 LEE 구조의 LEE를 구하였다(표 7 참조).
Figure 112017075190790-pct00013
표 7은 도 15a의 구조와 도 16의 구조에 대한 특성을 나타내는 표이다.
표 7의 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 실시의 형태에 따른 도 16의 LED 구조에서는, 광취출 효율이 27%로 최고값을 냈다. 또한, 본 실시의 형태에 따른 도 16의 LED 구조에서는, 축상 방향의 광취출 효율의 배율도 p형 GaN 콘택을 갖는 종래형 심자외 LED에 비해 6.7배로 최고값을 냈다. 이 값은 도 15a의 값과 비교해도 큰 값이다.
이상의 점에서, 사파이어 기판(1)을 박리함으로써, 기판(1)의 측벽에서의 내부 전반사에 의한 광취출 효율의 악화를 억제하고, AlN 결합 필러(220b)의 도파로 효과에 의한 축상 방향의 광취출 효율의 향상 효과를 확인할 수 있었다.
실제로, 도 16에 도시한 LED 구조에 포함되는 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100)도 축상 방향의 광취출 효율에 공헌한다. 따라서, AlN 결합 필러(220b) 단체의 도파로 효과를 검증하기 위해, 도 4a 및 도 4b의 구조와, 도 16의 구조로부터 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100)를 제외한 구조(「AlN 결합 필러 LED 구조」라고 칭함)와, 계산 모델을 작성하고, FDTD법에 의해 해석을 행하여, LED 구조의 축상 방향의 출력 배율을 직접 비교한 결과를 표 12에 나타낸다.
또한, 도 4a의 구조는 p형 GaN 콘택층을 갖는 종래형 LED의 구조이며, 도 4b의 구조는 p형 GaN 콘택층을 투명 p형 AlGaN 콘택층으로 치환한 LED 구조이다.
또한, 도 23은 종래형 LED, 투명 p형 AlGaN 콘택층 LED, AlN 결합 필러 LED의 배광성을 나타내는 도면이다. 도 23의 5°에서 90°(수평 방향이 90°, 수직 방향이 0°임)까지의 모든 출력을 가산한 출력값이 표 12에 나타나 있다.
Figure 112017075190790-pct00014
표 12의 결과로부터, AlN 결합 필러 LED에 있어서의 AlN 결합 필러의 축상 방향의 출력 배율은 종래형 LED의 구조에 대해 4.9배이고, 투명 p형 AlGaN 콘택층 베이스의 구조에 대해서도 2.6배 높은 값을 나타냈다. AlN 결합 필러 LED에 있어서의 이 값을, 도 16에 도시한 LED 구조(포토닉 결정을 마련한 AlN 결합 필러 LED)의 값 6.7배와 비교함으로써, AlN 결합 필러에 의한 축상 방향 출력 배율로의 공헌도가 4.9/6.7=73%로 높은 것이 나타나 AlN 결합 필러에 의한 도파로 효과를 실증할 수 있었다.
또한, 표 12에 기재된 구조를 갖는 LED의 배광성을 나타내는 도 23으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 5°에서 40°정도의 각도 범위에서의 AlN 결합 필러에 의한 도파로 효과가 극히 높은 것을 알 수 있다. 이 배광성의 결과로부터도, LED에서의 AlN 결합 필러의 도파로 효과에 관한 우위성을 나타낼 수 있었다.
(제5 실시의 형태)
이어서, 본 발명의 제5 실시의 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 실시의 형태에 따른 심자외 LED는 제3 실시의 형태 및 제4 실시의 형태에서 설명한 심자외 LED 구조의 외측에, 예컨대 굴절률이 1.5 정도이고 심자외광에 대해 투명한 수지 구조를 봉입 처리 등에 의해 형성한 것이다. 도 17a 및 도 17b에 LED 구조의 예를 단면도로 나타낸다.
도 17a에 도시한 LED 구조는 도 15b의 구조의 외측에 봉입 수지(41)가 설치되어 있는 것이다.
도 17a에 도시한 바와 같이, 본 실시의 형태에 따른 심자외 LED는 사파이어 기판(1)의 이면에 포토닉 결정(필러) 주기 구조(110)가 사파이어 기판(1)측으로부터 표면측(도면의 하측)을 향해 차례로 사파이어 기판(1) 표면에 나노 PSS(삼각추 형상) 주기 구조(220a), AlN 결합 필러(220b), n형 AlGaN층(3), 배리어층(4), 양자 웰층(5), 배리어층(6), 전자 블록층(7), 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100), 극박막 Ni층(10a), Al 반사 전극(11), 봉입 수지(41)이다.
한편, 도 17b에 도시한 LED 구조는, 도 16과 동일한 구조이고, 도면의 상부로부터 차례로 AlN 결합 필러(220b), n형 AlGaN층(3), 배리어층(4), 양자 웰층(5), 배리어층(6), 전자 블록층(7), 투명 p형 AlGaN 콘택층(8a), 포토닉 결정(홀) 주기 구조(100), 극박막 Ni층(10a), Al 반사 전극(11), 지지 기판(31), 봉입 수지(51)이다.
이러한 구조의 주된 특징은 이하와 같다.
도 17a에 도시한 심자외 LED 구조에서는 사파이어 기판(1)의 이면과 측벽의 4면으로부터 광이 취출된다. 사파이어와 공기와의 굴절률차가 크기 때문에, 광은 양자의 계면에서 내부 전반사된다.
도 17b에 도시한 심자외 LED 구조에서도 마찬가지로 사파이어 기판(1)의 측벽 4면에서 반도체층과 공기와의 굴절률차가 크고 그 계면에서 내부 전반사된다.
따라서, 공기와 측벽의 중간 정도의 굴절률을 갖는 투명한 수지(41, 51)를 심자외 LED 구조의 외측을 둘러싸는 위치에 봉입함으로써, 사파이어 기판(1)의 측면에서의 내부 전반사 영향을 완화하여 광취출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 양자 웰층(5)에서 발광하여 전파된 심자외광의, 사파이어 기판(1) 측벽의 4면에서의 내부 전반사에 의한 내부 소실의 영향은 크다. 사파이어 기판(1)을 박리한 경우에는, 반도체부의 깊이가 수μm 정도로 구성되는 측벽 4면의 표면적은 정면의 표면적에 비해 작기 때문에 내부 소실을 무시할 수 있는 레벨이 된다.
본 실시의 형태에 따른 심자외 LED에 대해 보다 구체적으로 설명한다. FDTD법으로 해석하는 계산 모델은 설계 파장이 265nm, 편광도가 0.07이다. 구체적 구조로는 계산 자원의 제약상 생략한 극박막 Ni층(1nm)(10a) 이외에는, 도 15b 및 도 16과 동일하다. 또한, 각 구조의 막두께를 표 8에 나타낸다.
Figure 112017075190790-pct00015
출력값을 원방계로 구하고, 도 4a의 종래형 구조에서의 심자외 LED의 출력값에 대한 그 밖의 구조(도 17a, 도 17b)에 있어서의 출력값의 출력 배율을 구하였다. 표 8의 값에서는, FDTD법으로 해석하는 계산 모델에서는 생략한 극박막 Ni층 1nm의 출력 감소 7%에 해당하는 배율을 빼고 보정하였다. 또한, 축상 방향(5°~20°)의 광취출 효율의 값도 나타내고 있다. 그리고, 도 5a의 종래형 구조 심자외 LED의 광취출 효율(LEE)을 10%로 하고, 보정 배율로 곱하여 그 밖의 구조(도 17a, 도 17b)의 LEE를 구하였다(표 9 참조).
Figure 112017075190790-pct00016
표 9에 도시한 바와 같이, 도 17a, 도 17b의 양측 모두 광취출 효율이 31%와 최고값을 나타내고 있다. 심자외 LED 전체를 투명한 수지로 봉입함으로써, 내부 전반사를 완화하여 광취출 효율이 향상되는 것을 확인하였다.
또한, 측벽 4면으로부터의 광취출 효율을 향상시키고 있으므로, 사파이어 기판(1)을 박리한 도 17b의 구조에서는 축상 방향의 광취출 효율의 향상의 효과는 보이지 않았다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태에 따른 심자외 LED에서는, 심자외 LED 전체를 투명한 수지로 봉입함으로써, 내부 전반사를 완화하여 광취출 효율이 향상되었다.
(제6 실시의 형태)
이어서, 본 발명의 제6 실시의 형태에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 제6 실시의 형태에 따른 심자외 LED는 제3 실시의 형태 및 제5 실시의 형태에 기재된 심자외 LED의 측벽 외측에 Al 반사막(61)을 마련하여 패키지 구조로 하여 광취출 효율을 향상시키는 것이다. 그 구조의 일예를 나타내는 단면도를 도 18a 및 도 18b에 나타낸다. 도 18a는 도 14a에, 도 18b는 도 17a에 대응하는 구조를 나타내고 있다.
LED의 외부로 방출된 광은 Al 반사막(61)에 의해 도면 상부의 방향으로 반사되도록 설계되어 있다. 따라서, 축상 방향으로부터의 광취출 효율은 현격히 개선된다.
그러나, 측면의 Al 반사막(61)에 도달한 광의 일부는 LED 내부로 돌아온다. 파장 265nm에서의 Al 반사막의 반사율은 약 90%이기 때문에, 1회의 반사로 10%의 광이 소실되게 된다. 이를 억제하는 방법은 축상 방향의 광취출 효율을 향상시키는 것이다.
제6 실시의 형태에 따른 심자외 LED에 대해 보다 상세하게 설명한다. FDTD법으로 해석하는 계산 모델은 설계 파장이 265nm, 편광도가 0.07이다. 해석에 이용한 구조는, 도 18a, 도 18b에 대응되는 도 19a 및 도 19b에 단면 구조로 나타낸 것이다.
구체적 구조의 막두께는, 표 8에 도시한 도 17a 구조와 같다.
즉, 계산 자원의 제약상, 도 19a, 도 19b의 구조는, 도 18a, 도 18b의 실제 구조와 달리, 측벽부에 마련한 Al 반사막(막두께 200nm)(61a)이 LED의 반도체 계면에 대해 수직하게 기립한 구조로 하였다.
따라서, 도 18a나 도 18b의 실제 구조에 비해, Al 반사막(61a)에 도달한 광은 LED 내부로 반사되고, 다시 Al 반사막으로 돌아오는 것과 같이 반사·흡수가 반복된다. 이 구조에서는, 실제 구조와 비교하여 광취출 효율이 감소되기 때문에, 계산 방법을 이하와 같이 강구하였다.
출력을 검지하는 출력 모니터는 상부에만 배치하고, 그 출력값을 원방계로 구하고, 도 4a의 종래형 구조에서의 상부 출력값에 대한 그 밖의 구조에서의 상부 출력값의 출력 배율을 구하였다. 또한, 모델에서는 생략한 극박막 Ni층 1nm의 출력 감소 7%에 해당하는 배율을 빼고 보정하였다. 또한, 축상 방향(5°~20°)의 광취출 효율을 추가하였다. 그리고, 도 4a의 종래형 구조의 광취출 효율(LEE)을 10%로 하고, 보정 배율로 곱하여 기타 구조의 LEE를 구하였다(표 10 참조).
Figure 112017075190790-pct00017
이 계산 모델에서는 출력 모니터를 상부에만 설치하였기 때문에, 상기 각 실시의 형태에서 얻어진 출력값과의 단순한 비교는 어렵다.
그러나, 표 10에 의하면, 본 실시의 형태에 의한 Al 반사막(61a)의 광취출 효율의 향상에 기여하는 효과는 매우 큰 것을 알 수 있다. 구체적으로, 도 19a, 도 19b의 양측 모두의 구조에서 광취출 효율이 57%~59%로 크게 개선되고, 종래형 구조에 대해 5배 이상의 값을 얻을 수 있었다.
특히, 축상 방향(5°~20°)의 출력 배율은 종래 구조의 7.1~7.7배로 대폭적인 개선이 이루어진 것을 알 수 있었다. 이 결과는, Al 반사 전극이나 Al 반사막에서의 심자외광의 반사율이 90% 정도인 것을 고려하면, 시판 중인 청색·백색 LED의 80%와 비교해도 손색이 없는 고효율화가 달성 가능함을 의미한다. 즉, 본 발명의 각 실시의 형태에 따른 강구, 특히, 제1, 제2 실시의 형태에 의한 포토닉 결정 주기 구조의 적절한 배치에 의해 실현 가능한 베이스 구조에 대해, 제3 내지 제6 실시의 형태의 다양한 강구를 더 행함으로써, 시판 중인 청색·백색 LED와 동일한 고효율화가 가능하고, 따라서, 본 실시의 형태에 따른 심자외 LED 구조에 의하면, 시판 레벨까지 효율을 높일 수 있다.
(제7 실시의 형태)
이하, 본 발명의 제7 실시의 형태에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 제7 실시의 형태는, 상기 각 실시의 형태에 대해 설명한 포토닉 결정 주기 구조, 나노 PSS 주기 구조 등을 나노 임프린트 리소그래피법에 의한 전사 기술을 이용하여 가공 가능함을 나타내는 것이다.
제1 내지 제6 실시의 형태에 의하면, 주기 구조를 피가공물면 상에 대면적으로 일괄 전사에 의해 가공하는 것이 바람직하다.
이하에, 보다 상세한 나노 임프린트 리소그래피법에 따른 포토닉 결정 주기 구조 및 나노 PSS 주기 구조의 전사 기술을 이용한 제조 방법에 대해 설명한다.
나노 임프린트는 금형의 포토닉 결정 패턴을 기판 상에 스핀 코팅한 유기 레지스트에 대면적으로 일괄 전사하는 뛰어난 기술을 갖는다. 또한, 수지 필름 금형을 이용하면 기판이 수백 미크론 정도 휘어 있어도 전사가 가능하다. 그러나, 나노 임프린트용 유기 레지스트는 유동성을 중시하기 때문에, 패턴 피형성부인 재료에 대한 에칭 선택비가 반드시 충분한 것은 아니다. 또한, 금형의 패턴 사이즈와 에칭 후의 패턴 피형성부 사이즈가 일치하지 않는다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위해 2층 레지스트를 이용한 프로세스를 다음과 같이 실시한다.
1) 가공 대상의 구조체에 대해 에칭 선택비가 큰 하층 레지스트를 코팅하고, 그 위에 유동성과 산소 내성을 갖는 상층 레지스트로 코팅하는, 2층 레지스트법을 이용한 전사 기술을 이용한다.
2) 또한, 전사에는 금형을 이용하고, 금형에는 수지 필름을 이용할 수도 있다. 보다 구체적으로는, 주기 구조를 형성하는 기판면 상에 이 기판에 대해 에칭 선택비가 큰, 일예로서 유기 하층 레지스트를 스핀 코팅한다. 이어서, 유동성과 산소 내성 기능을 갖는, 일예로서 실리콘 함유 상층 레지스트를 하층 레지스트면 상에 스핀 코팅한다.
3) 이어서, 상층 레지스트면 상에 금형을 이용한 나노 임프린트 리소그래피법을 이용하여 주기 구조를 전사한다.
4) 이어서, 주기 구조가 전사된 상층 레지스트를 산소 플라즈마에 노출시켜 산소 내성을 부여함과 더불어, 나노 임프린트 전사에 대해 잔존한 상층 레지스트의 잔막을 제거한다.
5) 이어서, 산소 내성을 가진 상층 레지스트를 마스크로 하여 유기 하층 레지스트를 산소 플라즈마로 에칭하고, 기판의 드라이 에칭을 위한 마스크를 형성한다.
6) 마지막으로, 이 마스크를 에칭 마스크로 하여 기판을 ICP 플라즈마로 드라이 에칭한다.
이상의 1)에서 6)까지의 스텝이, 기판에 대해 2층 레지스트법을 이용한 전사 기술이다.
또한, 이 프로세스 기술을 이용하는 경우에는, 하층 레지스트의 막두께를 변화시킴으로써, 금형 상의 주기 구조가 깊이에 대해 1.5배 정도(사파이어 기판의 경우의 예)의 에칭 깊이를 피전사물 상에 얻는 것이 가능하다.
또한, 에칭 마스크로서의 산소 내성을 가진 패턴 전사된 상층 레지스트를 이용하고, 이를 통한 유기 하층 레지스트의 산소 플라즈마 에칭에 있어서, 산소 플라즈마 처리의 각 조건을 변화시킴으로써, 예컨대, 상층 레지스트에 의한 하층 레지스트의 마스크 형성시의 산소 플라즈마 조건을 변화시킴으로써, 금형 상의 주기 구조의 직경에 대해 30% 정도의 사이즈 조정이 가능하다.
이 방법을 이용하면, 나노 임프린트 리소그래피법에 있어서, 세밀한 주기 구조를 피가공물면 상에 고정도밀로, 정확하게, 또한 제어 가능한 상태로 재현 가능하게 된다.
이하에, 보다 구체적인 공정예에 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 좋은 광취출 효율을 얻으려면, nm 오더의 가공을 계산한 대로 형성할 필요가 있다.
도 20은 본 실시의 형태에 따른 주기 구조의 제조 공정의 일예를 나타내는 도면이다.
본 실시의 형태에 따른 심자외 LED에서의 포토닉 결정 주기 구조 등의 제조 방법에서는 유동성과 에칭 선택비 양측 모두의 특징을 겸비한 2층 레지스트를 이용한 나노 임프린트 리소그래피법에 의한 전사 기술을 이용한다. 이 기술을 이용하여, nm 오더의 미세한 패턴을 갖는 포토닉 결정 주기 구조를 일예로 사파이어 기판에 전사하였다. 이하, 도 20에 따라 설명한다.
먼저, 도 20에 도시한 바와 같이, 상기 각 실시에서 최적화된 주기 구조를 정확하게 사파이어 기판 상에 재현하기 위한 금형을 작성한다. 이 금형은, 도 20(b)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(81)의 휨에 추종 가능하도록 수지제 금형을 사용할 수도 있다.
이어서, 사파이어 기판(81)에 에칭 선택비가 큰 유기 하층 레지스트(83)을 두께 g로 스핀 코팅한다. 또한 이 두께 g는 사파이어 기판(81)에 대한 하층 레지스트(83)의 에칭 선택비에 따라 선택적으로 결정한다. 그 후, 하층 레지스트(83)면 상에 유동성과 산소 내성 기능을 갖는 실리콘 함유의 상층 레지스트(85)를 소정의 두께로 스핀 코팅한다(도 20(a)).
이어서, 상층 레지스트(85)에, 금형 패턴(수지 금형)(87·89)를 나노 임프린트 장치를 이용하여 전사한다(도 20(b)).
이어서, 금형 패턴(87·89)이 전사된 상층 레지스트(85)를 산소 플라즈마에 노출시켜 산소 내성을 부여함과 동시에, 나노 임프린트 전사에 대해 잔존 상층 레지스트의 잔막을 제거한다.(도 20(c)). 이에 따라, 상층 레지스트 패턴(85a)이 형성된다.
이어서, 산소 내성을 가진 상층 레지스트 패턴(85a)을 마스크로 하여 유기 하층 레지스트(83)를 산소 플라즈마로 에칭하고, 사파이어 기판(81)을 드라이 에칭하기 위한 패턴 마스크(85b)를 형성한다(도 20(d)). 또한, 도 20(e)에 기재된 패턴 마스크의 사파이어 기판(81)측의 직경 d1은 산소 플라즈마의 조건을 조정함으로써, d1의 30% 정도의 범위 내에서 미세 조정할 수 있다.
이어서, 패턴 마스크를 통해 ICP 플라즈마로 사파이어 기판(81)을 드라이 에칭하고, 사파이어 기판(81)에 본 발명의 각 실시의 형태에 의해 최적화된 주기 구조(81a)를 형성할 수 있다(도 20(e)).
주기 구조가 필러 구조에 의한 경우에는, 에칭 후의 형상은 도 20(f)에 도시한 바와 같이, 대략 d1<d2의 사다리꼴 형상이 되고, 측벽 각도는 유기 하층 레지스트의 에칭 선택비에 의존한다. 또한 유기 하층 레지스트의 두께 g를 변경하면, 용이하게 드라이 에칭 후의 사파이어 기판(81a)에 형성하는 포토닉 결정 주기 구조의 깊이를, 금형의 깊이에 대해 1.5배 정도의 깊이로 할 수 있다.
또한, 금형을 개조하는 대신에, 패턴 마스크 형성시에 직경 d1을 변경하면, 주기 구조의 직경을 30% 정도 용이하게 변경할 수 있다. 따라서, 금형의 제작 시간을 없애 코스트 삭감에 기여하고, 나아가 반도체 발광 소자의 제조 코스트에 있어서 큰 메리트가 된다.
또한, 도 21(a) 내지 (c)는, 도 20(b), 도 20(e) 및 도 20(f)의 공정을 수행하였을 때의 실제 SEM 사진(나노 임프린트 프로세스 phC 필러 단면 SEM)을, 각각 「나노 임프린트」, 「패턴 마스크 형성」, 「드라이 에칭·애싱」으로서 나타내었다. 이와 같이, 깨끗한 주기 구조를 제조할 수 있는 처리 및 제어는 CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit)에 의한 소프트웨어 처리, ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)나 FPGA(Field Programmable GateArray)에 의한 하드웨어 처리에 의해 실현될 수 있다.
또한, 상기 실시의 형태에 있어서, 첨부 도면에 도시되어 있는 구성 등에 대해서는, 이것들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절한 변경이 가능하다. 기타 본 발명의 목적의 범위를 벗어나지 않는 한 적절한 변경 실시가 가능하다.
또한, 본 발명의 각 구성 요소는 임의로 취사 선택 가능하고, 취사 선택한 구성을 구비하는 발명도 본 발명에 포함되는 것이다.
또한, 본 실시의 형태에서 설명한 기능을 실현하기 위한 프로그램을 컴퓨터 독출 가능한 기록 매체에 기록하고, 이 기록 매체에 기록된 프로그램을 컴퓨터 시스템에 독취하여 실행함으로써 각 부의 처리를 수행할 수도 있다. 또한, 여기서 말하는 「컴퓨터 시스템」이란, OS나 주변 기기 등의 하드웨어를 포함하는 것으로 한다.
또한, 「컴퓨터 시스템」은 WWW 시스템을 이용하는 경우라면, 홈 페이지 제공 환경(또는 표시 환경)도 포함하는 것으로 한다.
또한, 「컴퓨터 독출 가능한 기록 매체」란, 플렉서블 디스크, 광학 자기 디스크, ROM, CD-ROM 등의 운반 가능한 매체, 컴퓨터 시스템에 내장되는 하드 디스크 등의 기억 장치를 말한다. 또한 「컴퓨터 독출 가능한 기록 매체」란, 인터넷 등의 네트워크나 전화 회선 등의 통신 회선을 통해 프로그램을 송신하는 경우의 통신선과 같이, 단시간 동안 동적으로 프로그램을 홀딩하는 것, 그 경우의 서버나 클라이언트가 되는 컴퓨터 시스템 내부의 휘발성 메모리와 같이, 일정 시간 프로그램을 홀딩하는 것도 포함하는 것으로 한다. 또한 프로그램은 전술한 기능의 일부를 실현하기 위한 것일 수도 있고, 전술한 기능을 컴퓨터 시스템에 이미 기록되어 있는 프로그램과의 조합으로 실현 가능한 것일 수도 있다. 기능의 적어도 일부는, 집적 회로 등의 하드웨어로 실현할 수도 있다.
본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허 출원을 그대로 참고로서 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 심자외 LED에 이용 가능하다.
a 포토닉 결정 주기 구조의 주기 R 주기 구조의 반경
h 주기 구조의 가공 깊이 1 사파이어 기판
2 AlN 버퍼층 3 n형 AlGaN층
4 배리어층 5 양자 웰층
6 배리어층 7 전자 블록층
8 p형 AlGaN층 8A 투명 p형 AlGaN 콘택층
10 Ni층 10A 극박막 Ni층
11 Al 반사 전극층 31 지지 기판
41, 51 봉입 수지 61, 71 Al 반사막
100 제1 (반사형) 포토닉 결정 주기 구조
101(h) 원공(주상 구조체(홀)
110 제2 포토닉 결정 주기 구조
111(p) 필러
220 나노 PSS와 결합 필러 주기 구조
220a 나노 PSS 주기 구조체
220b AlN 결합 필러
본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허 출원을 그대로 참고로서 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.

Claims (27)

  1. 설계 파장을 λ로 하는 심자외 LED로서,
    반사 전극층과, 극박막 금속층과, 투명 p형 AlGaN 콘택층을, 성장 기판과는 반대측으로부터 이 순서로 가지고,
    상기 투명 p형 AlGaN 콘택층의 두께 방향의 범위 내에 설치된 복수의 공공을 갖는 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조를 가지고, 또한,
    상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조는, TE 편광성분에 대해 열려있는 포토닉 밴드 갭을 가지며,
    설계 파장 λ, 상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조의 주기 a 및 평균 굴절률 nav가 브래그 조건의 식(m x λ/nav=2a)을 만족시키고, 또한,
    브래그 조건의 차수 m은, 2<m<5의 범위에 있고, 또한,
    상기 공공의 반경을 R로 한 경우, 포토닉 밴드 갭이 최대로 되는 R/a에 있고, 상기 공공의 깊이를 h로 하는 경우, h≥주기a를 만족시키는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조는,
    또한, 두께 방향으로 상기 반사 전극층의 범위까지 연장 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  3. 청구항 1 또는 2에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조는 나노 임프린트 리소그래피법에 의한 전사 기술을 이용하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조는 유동성이 높은 레지스트와 에칭 선택비가 높은 레지스트에 의한 2층 레지스트법을 이용한 드라이 에칭을 이용하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  5. 청구항 1 또는 2에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터는,
    주기 구조 파라미터인 주기 a와 상기 공공의 반경 R의 비(R/a)를 가결정하는 스텝과,
    상기 공공의 각각의 굴절률 n1과 n2, 및 이들과 상기 R/a로부터 평균 굴절률 nav를 산출하고, 이것을 브래그 조건의 식에 대입하고, 차수 m마다의 주기 a와 반경 R을 얻는 스텝과,
    상기 R/a 및 파장 λ 및 상기 굴절률 n1, n2로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율 ε1 및 ε2를 이용한 평면파 전개법에 의해, TE광의 포토닉 밴드 구조를 해석하는 스텝과,
    TE광의 제1 포토닉 밴드와 제2 포토닉 밴드간의 PBG가 최대가 되는 R/a를, 상기 가결정의 R/a의 값을 바꾸어 반복적으로 수행하는 해석에 의해 결정하는 스텝과,
    상기 PBG가 최대가 되는 R/a에 대해 브래그 조건의 차수 m에 따른 개별 주기 a 및 반경 R, 및 임의의 주기 구조의 깊이 h를 변수로서 수행하는 유한 시간 영역 차분법(FDTD법)에 따른 시뮬레이션 해석에 의해, 상기 파장 λ에 대한 광취출 효율을 요구하는 스텝과,
    상기FDTD법에 따른 시뮬레이션을 반복적으로 수행함으로써, 상기 파장 λ에 대한 광취출 효율이 최대가 되는 브래그 조건의 차수 m과, 그 차수 m에 대응하는 주기 구조 파라미터의 주기 a, 반경 R, 및 깊이 h를 결정하는 스텝을 갖는 파라미터 계산 방법에 의해 구하는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    또한, 상기 성장 기판의 이면(측)에 다른 굴절률을 갖는 2개의 구조체로 이루어진 제2 포토닉 결정 주기 구조를 가지고,
    상기 제2 포토닉 결정 주기 구조는,
    공기와 성장 기판의 매질과의 주기 구조를 갖는 제2 구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  7. 청구항 6 있어서,
    상기 제2 포토닉 결정 주기 구조는,
    진공 중의 설계 파장 λV와 주기 구조의 파라미터인 주기 a와 반경 R은 브래그 조건을 만족하고, R/a가 0.20에서 0.40까지의 범위에 있어서, TM광의 포토닉 밴드 구조에 있어서 2개의 포토닉 밴드 갭을 제4 포토닉 밴드 이내로 가지고, 또한,
    상기 포토닉 밴드 갭은 TM광에 대해 열리기 때문에 투과 효과가 커지고, 또한
    상기 R/a는 차수 m=3 또는 4에 있어서, 각 포토닉 밴드 갭의 최대값에 대응하는 값이며, 또는,
    상기 R/a는 차수 m=3 또는 4에 있어서, 상기 포토닉 밴드 구조의 종축(ωa/2πc)이 진공 중의 파장 λV로 환산되었을 때, 제2 포토닉 밴드(2ndPB)의 대칭점인 Γ점, M점, K점 중 어느 하나에 있어서 진공 중의 파장 λV×m과 점으로 접하거나 가장 접근하는 값이며, 또는
    상기 R/a는 차수 m=3일 때, 상기 포토닉 밴드 구조의 종축(ωa/2πc)의 진공 중의 파장 λV×3이, 제4 포토닉 밴드(4thPB)를 5정수배와 6정수배한 각 제4 포토닉 밴드(4thPB) 상의 어느 하나의 대칭점과 점으로 접하거나 가장 접근하는 값이며, 또는
    상기 R/a는 차수 m=4일 때, 상기 포토닉 밴드 구조의 종축(ωa/2πc)의 진공 중의 파장 λV×4가 제4 포토닉 밴드(4thPB)를 6정수배, 7정수배, 8정수배한 각 제4 포토닉 밴드(4thPB) 상의 어느 하나의 대칭점과 점으로 접하거나 가장 접근하는 값이며, 또한
    각 주기 구조 파라미터는 선택된 각 R/a와 0.5a 이상의 깊이 h로 이루어진 포토닉 결정을 FDTD법에 의해 계산하고, 광취출 효율 증감율과 배광성이 최적화되도록 최종 결정된 파라미터인 심자외 LED.
  8. 청구항 7에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 제2 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터는,
    주기 구조 파라미터인 주기 a와 제2 구조체의 반경 R의 비(R/a)를 변화시키는 제1 스텝과,
    상기 제2 구조체의 각각의 굴절률 n1과 n2, 및 이들과 상기 R/a로부터 평균 굴절률 nav를 산출하고, 이것을 브래그 조건의 식에 대입하고, 차수 m=3과 m=4에 대해, 주기 a와 반경 R을 얻는 제2 스텝과,
    상기 R/a 및 상기 파장 λ 및 상기 굴절률 n1, n2로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율 ε1 및 ε2를 이용한 평면파 전개법에 의해, TM광의 포토닉 밴드 구조를 해석하는 제3 스텝과,
    TM광의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하고, 차수 m=1에 대해 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 얻는 제4 스텝과,
    차수 m=3 및 m=4에 대해, TM광의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)에 있어서의 각 대칭점에서의 진공 중의 파장 λV×m과 점으로 접하거나 가장 접근하는 R/a를 구하여 최적화 후보로 하는 제5 스텝과,
    상기 제5 스텝에서 선택된 R/a에 대응하는 포토닉 결정의 광취출 효율 증감율과 배광성을,FDTD법으로 계산하고, 깊이에 관해서는 차수 m=3~4에 있어서 가장 큰 주기 a의 0.5배 이상의 임의의 값을 선택하는 제6 스텝을 갖는 파라미터 계산 방법에 의해 구하는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  9. 청구항 6에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 제2 포토닉 결정 주기 구조의 파라미터는,
    주기 구조 파라미터인 주기 a와 구조체의 반경 R의 비(R/a)를 변화시키는 제1 스텝과,
    상기 제2 구조체의 각각의 굴절률 n1과 n2, 및 이들과 상기 R/a로부터 평균 굴절률 nav를 산출하고, 이것을 브래그 조건의 식에 대입하고, 차수 m=3과 m=4에 대해 주기 a와 반경 R을 얻는 제2 스텝과,
    상기 R/a 및 상기 파장 λ 및 상기 굴절률 n1, n2로부터 얻어지는 각 구조체의 유전율 ε1 및 ε2를 이용한 평면파 전개법에 의해, TM광의 포토닉 밴드 구조를 해석하여 얻어지는 2개의 포토닉 밴드 갭의 최대값에 대응하는 차수 m=3 및 4인 R/a를 최적화의 후보로 하는 제3 스텝과,
    TM광의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)의 종축(ωa/2πc)을 진공 중의 파장 λV로 환산하고, 차수 m=1에 대해 λV와 ka/2π의 포토닉 밴드 구조를 얻는 제4 스텝과,
    차수 m=3 및 m=4에 대해, TM광의 제2 포토닉 밴드(2ndPB)와 제4 포토닉 밴드(4thPB)에 있어서의 각 대칭점에서의 진공 중의 파장 λV×m과 점으로 접하거나 가장 접근하는 R/a를 구하여 최적화 후보로 하는 제5 스텝과,
    상기 제5 스텝에서 선택된 R/a에 대응하는 포토닉 결정의 광취출 효율 증감율과 배광성을 FDTD법으로 계산하고, 깊이에 관해서는 차수 m=3~4에서 가장 큰 주기 a의 0.5배 이상의 임의의 값을 선택하는 제6 스텝과,
    광취출 효율(LEE) 증감율이 크고, 배광성이 좋은 R/a 및 차수 m를 선택하고, 직경, 주기, 깊이의 파라미터가 결정되는 제7 스텝을 갖는 파라미터 계산 방법에 의해 구하는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  10. 청구항 6에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 제2 포토닉 결정 주기 구조는 나노 임프린트 리소그래피법에 의한 전사 기술을 이용하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  11. 청구항 6에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 제2 포토닉 결정 주기 구조는 유동성이 높은 레지스트와 에칭 선택비가 높은 레지스트에 의한 2층 레지스트법을 이용한 드라이 에칭을 이용하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    또한, 상기 제1 반사형 포토닉 결정 주기 구조와 상기 제2 포토닉 결정 주기 구조와의 사이에 도파로 구조를 마련한 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 도파로 구조는,
    상기 성장 기판 표면에 설치되는 삼각추 형상의 나노 PSS 주기 구조와, 상기 나노 PSS 주기 구조와 두께 방향으로 연속적으로 형성된 육각뿔대 주상으로 이루어진 AlN 결합 필러 주기 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  14. 청구항 12 또는 13에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 성장 기판이 박리되고, 상기 반사 전극층에 지지 기판이 접착된 심자외 LED의 제조 방법.
  15. 청구항 13에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 나노 PSS 주기 구조를 포함하는 상기 성장 기판이 제거되고, 상기 AlN 결합 필러 주기 구조가 광취출면측에 마련되어 있는 심자외 LED의 제조 방법.
  16. 청구항 12 또는 13에 있어서,
    또한, 상기 심자외 LED의 외측에 심자외광에 대해 투명한 수지가 마련되고, 상기 수지의 굴절률이 공기보다 크고 상기 성장 기판을 포함하는 화합물 반도체층의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  17. 청구항 16에 있어서,
    또한, 상기 심자외 LED의 측벽의 외측에Al 반사막을 설치하고, 상기 Al 반사막은 상기 Al 반사막에 도달한 심자외광이 반사되어 상기 심자외 LED의 상부 방향으로 전파되도록 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  18. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 극박막 금속층은,
    두께가 1nm 정도인 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  19. 청구항 1 또는 2에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    설계 파장을 λ로 하고, 반사 전극층과, 금속층과, 파장 λ에 대해 투명한 p형 AlGaN층을, 성장 기판과는 반대측으로부터 이 순서로 함유하는 적층 구조체를 준비하는 공정과,
    상기 p형 AlGaN층의 두께 방향의 범위에 마련된 포토닉 결정 주기 구조를 형성하기 위한 금형을 준비하는 공정과,
    상기 적층 구조체 상에 레지스트층을 형성하고, 상기 금형의 구조를 전사하는 공정과,
    상기 레지스트층을 마스크로 하여 순차적으로 상기 적층 구조체를 에칭하여 포토닉 결정 주기 구조를 형성하는 공정을 갖는 심자외 LED의 제조 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 적층 구조체 상에 레지스트층을 형성하고, 상기 금형의 구조를 전사하는 공정은,
    상기 적층 구조체 상에 유동성이 높은 제1 레지스트층과, 상기 제1 레지스트층에 대한 에칭 선택비가 높은 제2 레지스트층에 의한 2층 레지스트법을 이용한 드라이 에칭을 형성하는 공정과,
    나노 임프린트 리소그래피법을 이용하여 상기 제1 레지스트층에 상기 금형의 구조를 전사하는 공정을 가지고,
    상기 레지스트층을 마스크로 하여 순차적으로 상기 적층 구조체를 에칭하여 포토닉 결정 주기 구조를 형성하는 공정은, 상기 제1 레지스트층과 상기 제2 레지스트층을 상기 제2 레지스트층이 노출될 때까지 에칭함과과 더불어, 상기 제1 레지스트층의 패턴 볼록부도 아울러 에칭하고,
    상기 제2 레지스트층을 마스크로 하여 순차적으로 상기 적층 구조체를 에칭하여 포토닉 결정 주기 구조를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  21. 성장기판과는 반대측으로부터 순차적으로 배열된 반사 전극층, 극박막 금속층, 투명 p형 AlGaN 콘택층; 및
    AlN 버퍼층을 포함하며,
    상기 AlN 버퍼층은,
    상기 투명 p형 AlGaN 콘택층측의 상기 성장 기판 표면에 설치되는 삼각추공 또는 원추공을 갖는 나노 PSS 주기 구조,
    상기 나노 PSS 주기 구조의 각각의 상기 삼각추공 또는 원추공 내에 매립된 AlN,
    상기 AlN 상의 두께 방향으로 형성된 AlN 결합 필러 주기 구조, 및
    평탄한 AlN막을 갖는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 평탄한 AlN막은, 양자 웰층을 사이에 두고 투명 p형 AlGan 콘택층과 반대측에 마련된 n형 AlGaN층에 콘택하고 있는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  23. 청구항 21 또는 22에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 삼각추공 또는 원추공은 습식 에칭에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  24. 청구항 21 또는 22에 있어서,
    상기 평탄한 AlN막은 상기 나노 PSS 주기 구조의 상기 삼각추공 또는 원추공으로부터 상기 AlN 결합 필러 주기 구조의 종단에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 심자외 LED.
  25. 청구항 24에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 AlN 결합 필러 주기 구조는 에피택셜 성장에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 심자외 LED의 제조 방법.
  26. 청구항 24에 기재된 심자외 LED의 제조 방법으로서,
    상기 나노 PSS 주기 구조를 포함하는 상기 성장 기판이 제거되고, 상기 AlN 결합 필러 주기 구조를 광취출면으로 한 심자외 LED의 제조 방법.
  27. 삭제
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