TW201735393A - 深紫外led及其製造方法 - Google Patents

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Mitsunori Kokubo
Takaharu Tashiro
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Ryuichiro Kamimura
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Abstract

本發明於深紫外LED中提高光提取效率。一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向之範圍內，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。

Description

深紫外LED及其製造方法
本發明係關於一種AlGaN系深紫外LED(Light Emitting Diode，發光二極體)技術。
發光波長為280 nm以下之深紫外LED於殺菌、淨水、空氣淨化、醫療等廣泛之應用領域作為水銀燈殺菌燈之代替技術而受到關注。然而，LED之光電轉換效率(WPE，Wall Plug Efficiency)為百分之幾，與水銀燈之20%相比明顯較低。其主要原因在於，所發出之光於p型GaN接觸層被吸收50%以上，故而光提取效率(LEE，Light Extraction Efficiency)為6%左右而較低。 根據專利文獻1，於包含p型GaN接觸層與p型AlGaN層之界面之厚度方向設置光子晶體，使入射光反射而抑制上述吸收。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利第5757512號公報
[發明所欲解決之問題] 然而，若上述文獻中設置之光子晶體之深度不具有與週期同等以上之300 nm左右之深度，則無法獲得有效之反射效果。因此，p型GaN接觸層與p型AlGaN層之膜厚總和必須為300 nm以上，或者p型AlGaN接觸層之膜厚必須為300 nm以上。 然而，若將p型AlGaN層設為膜厚300 nm，則產生白濁，而無法確保充分之透明度，其結果，產生LEE降低之問題。 本發明之目的在於提供一種於深紫外LED中提高光提取效率之新技術。 [解決問題之技術手段] 根據本發明之第一觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向之範圍內，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第二觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於在上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向之範圍內且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第三觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向貫通p型GaN接觸層及金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第四觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向貫通極薄膜金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第五觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向設置至p型GaN接觸層與金屬層之界面，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第六觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向設置至p型AlGaN接觸層與極薄膜金屬層之界面，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第七觀點，提供一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層(或電子阻擋層)、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於不超過上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上為上述p型GaN接觸層之膜厚之範圍內，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型GaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。 根據本發明之第八觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第一觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向之範圍內，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值；於上述積層構造體上形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；及將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造。 根據本發明之第九觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第二觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於在上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向之範圍內且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值；於上述積層構造體上形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；及將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造。 根據本發明之第十觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第三觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向貫通p型GaN接觸層及金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值；於上述積層構造體上形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及再蒸鍍反射電極層。 根據本發明之第十一觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第四觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向貫通極薄膜金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值；於上述積層構造體上形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及再蒸鍍反射電極層。 根據本發明之第十二觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第五觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向設置至p型GaN接觸層與金屬層之界面，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值；使晶體生長至上述積層構造體中之上述p型GaN接觸層之後，形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及於上述光子晶體週期構造形成後依序斜向蒸鍍金屬層及反射電極層。 根據本發明之第十三觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第六觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向設置至p型AlGaN接觸層與極薄膜金屬層之界面且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值；於使晶體生長至上述積層構造體中之上述p型AlGaN接觸層之後，形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及於上述光子晶體週期構造形成後依序斜向蒸鍍極薄膜金屬層及反射電極層。 根據本發明之第十四觀點，提供一種深紫外LED之製造方法，其係上述第七觀點之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟：準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層；準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於不超過上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上為上述p型GaN接觸層之膜厚之範圍內，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層(或上述電子阻擋層)之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型GaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值；使晶體生長至上述積層構造體中之上述p型GaN接觸層之後，形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；及將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造。 [發明之效果] 根據本發明，可藉由在膜厚較薄之p型AlGaN層設置光子晶體週期構造而使深紫外LED之LEE飛躍性提高。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態之深紫外LED詳細地進行說明。 (第1實施形態) 作為本發明之第1實施形態之深紫外LED，將設計波長λ設為280 nm之AlGaN系深紫外LED之構造(剖視圖及俯視圖)示於圖1A(a-1)、(a-2)。圖1B(b)係搭載於表面黏著型封裝體之深紫外LED。 具體而言，自圖1A(a-1)之剖視圖之上方依序具有藍寶石基板1、AlN緩衝層2、n型AlGaN層3、阻障層4、量子井層5、阻障層6、多重量子障壁層(MQB)7、p型AlGaN層(透明p型AlGaN層)8、p型GaN接觸層9、Ni層10、及Au反射電極層11。而且，p型AlGaN層8之膜厚為100 nm以內，於包含p型GaN接觸層9與p型AlGaN層8之界面且於基板方向上不超過p型AlGaN層的範圍內設置有光子晶體週期構造100，且光子晶體週期構造100係設置空孔(柱狀構造、孔)101(h)且藉由具有光子能隙而使波長λ之光反射之反射型光子晶體週期構造。再者，若僅於p型GaN接觸層9內形成光子晶體週期構造，則光被p型GaN接觸層吸收，故而不佳。再者，多重量子障壁層(MQB)7亦可為電子阻擋層。以下之實施形態中亦同樣。 如圖1A(a-2)中以xy俯視圖之形式表示般，反射型光子晶體週期構造100具有圓柱等形狀之折射率較p型AlGaN層或p型GaN接觸層小之空氣等剖面設為半徑為R之圓之空孔101(h)沿著x方向及y方向以週期a形成為三角格子狀的孔構造。又，空孔101(h)係不超過p型AlGaN層8與多重量子障壁層7之界面之構造，且空孔101(h)之基板方向之端面至量子井層5之距離G處於阻障層6與多重量子障壁層7之膜厚之合計值以上且80 nm以內之範圍。進而，反射型光子晶體週期構造100之深度h為p型AlGaN層8與p型GaN接觸層9之膜厚之合計值以內。 再者，作為就元件製造製程上之另一方法之觀點而言之本實施形態之變化例，如圖1C(a-1)、(a-2)、圖1D(b)所示，柱狀構造體101(h)亦可為如下構造，即，貫通Ni層10並到達至Au反射電極層11內，但未到達至Au反射電極層11與空氣之界面。 於上述構造中，於量子井層5中發光之波長λ之深紫外光中TE光及TM光朝所有方向輻射，並一面形成橢圓偏光一面於介質中傳播。設置於量子井層5之附近之光子晶體週期構造100於端面將具有不同折射率之p型AlGaN層8與空氣作為兩個構造體而形成，於設為空孔之半徑R與週期a之比即R/a＝0.4時，上述光子晶體之填充率f根據下式計算而成為f＝2π/30.5 ×(R/a)2 ＝0.58。 然後，根據空氣之折射率n1 ＝1.0、p型AlGaN之折射率n2 ＝2.583、f＝0.58，等效折射率neff 根據下式計算而獲得neff ＝(n2 2 ＋(n1 2 －n2 2 )×f)0.5 ＝1.838。 然後，若設為發光波長λ＝280 nm，則利用平面波展開法求出該光子晶體週期構造滿足布拉格散射條件(mλ/neff ＝2a，其中，neff ：等效折射率、a：週期、m：次數)之情形時之TM(transverse magnetic，橫向磁波)光、TE(transverse electric，橫向電波)光之光子能帶構造時，獲得圖2。 如圖2(a)所示，於TM光中，未觀測到光子能隙(PBG)，但如圖2(b)所示，於TE光中，於第1光子能帶(ω1TE)與第2光子能帶(ω2TE)間觀測到較大之PBG。 再者，R/a＝0.4係根據發明者本身所發明且記載於國際申請PCT/JP2015/071453號(先前技術1)中之「R/a之大小、PBG之大小、光提取效率增減率分別成正比」之原理採用的值。 於本實施形態中，隨著光子晶體之位置靠近量子井層，即便週期為先前技術1等中之300 nm，亦無須將深度設為300 nm，即便為60 nm左右之較淺之深度，亦可獲得先前技術1等之構造以上之反射效果。又，次數m之可取範圍亦擴大。再者，若m變小，則週期亦變小。 圖3係表示光子晶體反射效果之情況之圖。如圖3(a)、(b)所示，自所有方向入射至設置於量子井層附近之光子晶體週期構造之TE光如AR1所示般，由於完全滿足布拉格散射之條件，故而於該面內散射並朝基板之方向反射。另一方面，TM光如虛線AR2所示般，由於無PBG，故而不會於深度方向上進行布拉格散射。因此，入射之光不會被p型GaN接觸層吸收、消失。 因此，根據本實施形態之深紫外LED，藉由在成為設置光子晶體週期構造之對象之層中對設置光子晶體週期構造之位置進行設計，不用將形成晶體之層增厚而抑制白濁，並且增大反射效果，從而可獲得較大之光提取效率。 (第2實施形態) 其次，作為本發明之第2實施形態之深紫外LED，將設計波長λ設為280 nm之AlGaN系深紫外LED之構造示於圖4A(a-1)、(a-2)。圖4A(a-1)為剖視圖，圖4A(a-2)為俯視圖。圖4B(b)係搭載於表面黏著型封裝體之深紫外LED。具體而言，自圖4A(a-1)之上方依序具有藍寶石基板1、AlN緩衝層2、n型AlGaN層3、阻障層4、量子井層5、阻障層6、多重量子障壁層(MQB)7、p型AlGaN接觸層(透明p型AlGaN接觸層)8a、極薄膜Ni層10a、Al反射電極層11a。 而且，p型AlGaN接觸層8a之膜厚為100 nm以內，於p型AlGaN接觸層8a中，於在基板方向上不超過p型AlGaN層之範圍內設置有光子晶體週期構造100，且光子晶體週期構造100係設置空孔(柱狀構造體、孔)101(h)且藉由具有光子能隙而使波長λ之光反射之反射型光子晶體週期構造。 又，將圖4A(a-1)、(a-2)、圖4B(b)之變化例示於圖4C(a-1)、(a-2)及圖4D(b)。該構造係如下構造，即，使光子晶體週期構造之空孔之厚度方向之深度朝與基板相反之側之方向延長至貫通極薄膜金屬層並到達至反射電極層內但不貫通反射電極層之範圍。 關於除此以外之光子晶體週期構造之詳情及利用平面波展開法自光子能帶構造觀測TE光及TM光之情況，係與第1實施形態相同。於此情形時，入射至光子晶體週期構造之光於面內散射並朝基板之方向反射，因此，不會被Al反射電極(反射率90%)吸收、消失。 因此，實際上製作計算模型並利用FDTD法對光提取效率增減率與光子晶體附近之電場分佈(Ex、Ey、Ez)成分進行解析而驗證光子晶體週期構造之反射效果。 於圖5中表示p型GaN接觸層之光子晶體計算模型(第1實施形態)，於圖6中表示p型AlGaN接觸層之計算模型(第2實施形態)。 又，為了求出光提取效率(LEE)，製作計算模型並利用光線追蹤法進行解析(參照圖7A)。圖7A(a-1)為pGaN接觸之計算模型。圖7A(a-2)為解析結果且為輻射圖案。於圖7A(b)中表示模型之詳情及作為解析結果之光提取效率。圖7A(c-1)為pAlGaN接觸之計算模型。圖7A(c-2)為解析結果且為輻射圖案。 圖7B係表示用以藉由利用FDTD法之解析求出光子能隙之大小與反射、透過效果之關係、以及深紫外LED中之光提取效率(LEE)增減率，從而獲得LEE增減率成為最大之光子晶體之直徑d、週期a及深度h之詳細之處理流程的圖。 (步驟S01) 暫時決定作為週期構造參數之週期a與構造體之半徑R之比(R/a)。 (步驟S02) 算出上述構造體之各者之折射率n1 與n2 ，並根據該等與R/a算出平均折射率nav ，將其代入至布拉格條件之式中，而獲得針對每個次數m之週期a與半徑R。 (步驟S03) 藉由使用R/a及波長λ以及根據上述折射率n1 、n2 獲得之各構造體之介電常數ε1 及ε2 之平面波展開法，而對TE光之光子能帶構造進行解析。 (步驟S04) 藉由改變上述暫時決定之R/a之值而反覆進行之解析來決定TE光之第一光子能帶與第二光子能帶間之PBG成為最大之R/a。 (步驟S05) 針對使PBG為最大之R/a，藉由將與布拉格條件之次數m對應之個別之週期a及半徑R、以及任意之週期構造之深度h作為變數進行之利用FDTD法之模擬解析，而求出對於上述波長λ之光提取效率。 (步驟S06) 藉由反覆進行利用FDTD法之模擬，而決定對於波長λ之光提取效率成為最大之布拉格條件之次數m、及與該次數m對應之週期構造參數之週期a、半徑R以及深度h。 基於如上所述之發明者之見解，首先，求出布拉格散射條件之次數m＝4、R/a＝0.4時之空孔之直徑、週期，使光子晶體週期構造中之空孔之端面至量子井層之距離於50 nm～80 nm間變化並使空孔之深度於40～60 nm間變化而進行解析。將解析結果記載於表1、表2。 [表1] [表2] 如表1所示，示出pAlGaN單層之情形、pGaN單層之情形及pGaN/pAlGaN2層之情形時之LEE之解析結果。 又，於表2中示出使次數m變化之情形時之LEE之解析結果。 再者，於以下之說明中，定義為pAlGaN：p型AlGaN接觸層之光子晶體、pGaN：p型GaN接觸層之光子晶體、平坦：無光子晶體週期構造之構造、PhC深度40 nm：空孔深度為40 nm、功率：FDTD法之輸出值、平坦LEE%：光線追蹤法之LEE計算值、增強：PhC輸出值相對於平坦之輸出值之LEE增減率、PhC LEE%：為光子晶體之LEE%且為平坦LEE%×(增減率＋100%)、m4：次數m＝4、G50 nm：自空孔之端面至量子井層之距離為50 nm、直徑：空孔之直徑、週期：光子晶體之週期。 作為光子晶體週期構造之反射效果之實證，尤其觀測了於p型GaN接觸層之光子晶體中增減率最高之m＝3(直徑：183 nm、週期：228 nm、深度：60 nm)之光子晶體附近之電場分佈。圖8A係電場分佈Ex成分，圖8A(a)係平坦，圖8A(b)係光子晶體週期構造(未圖示光子晶體週期構造)，圖8A(c)係光子晶體週期構造(圖示光子晶體週期構造)。分別表示剖面構造之電場分佈。但是，為了易於理解，於圖8A(c)、圖8A(b)中，將光子晶體週期構造去除。 再者，於各圖式之右側，為了容易理解實驗結果而示出簡單之電場之凡例。又，示出各層之交界並且附注各層之名稱。 於平坦中，於p型GaN接觸層與Ni層之部分觀測到強度較高之電場成分Ex(圖8A(a))，相對於此，於設置有光子晶體週期構造之構造中，於p型GaN接觸層與Ni層之部分(參照圖8A(b)之A1、圖8A(c)之圖之A2區域)未觀測到強度較高之電場成分Ex。 其結果，證實了於設置有光子晶體週期構造之構造中，獲得p型GaN接觸層與Ni層之部分之光子晶體之反射效果。於圖8B之電場分佈之Ey成分及圖8C之電場分佈之Ez成分中，亦觀測到與圖8A之Ex成分同樣之現象(參照A3、A4之區域)。 進而，對於作為電場分佈Ex、Ey、Ez之合計成分之Etotal，於光子晶體空孔之深度方向之中間點觀測相對於該空孔垂直交叉之水平面之電場分佈(參照圖8D)。 圖8D(a)係平坦之電場分佈Etotal，圖8D(b)係光子晶體中心部之電場分佈Etotal。於圖8D(a)之平坦中，電場朝向外側重複強弱(顏色之濃淡)而進行傳播。 相對於此，於圖8D(b)之設置有光子晶體之構造中，電場滯留於各空孔間，尤其於中心部分顯示為顏色較濃(於圖中顯示為白色)。其表示於該部分引起布拉格散射而形成有駐波之情況。而且，其後光即刻向基板之方向反射。 因此，該解析結果充分說明了如參照圖3所說明般『自所有方向入射至設置於量子井層附近之光子晶體週期構造之TE光由於完全滿足布拉格散射之條件，故而於該面內散射並朝基板之方向反射』之物理現象。 將利用FDTD法獲得之LEE增減率之解析結果示於圖9。 圖9(a)係p型AlGaN接觸層之光子晶體之LEE增減率，圖9(b)係p型GaN接觸層之光子晶體之LEE增減率。作為特徵現象，於自空孔之端面至量子井層之距離為60 nm時於所有深度中獲得極大值。又，於圖9(c)中表示由至量子井層之距離為60 nm、空孔之深度為60 nm所構成之p型GaN接觸層之光子晶體週期構造及其平坦之輻射圖案、及同樣由距量子井層之距離為60 nm、空孔之深度為60 nm所構成之p型AlGaN接觸層之光子晶體週期構造及其平坦之輻射圖案。具有光子晶體週期構造者相對於平坦而言向正面方向(角度0～10°)之輸出值尤其增大。 又，將利用FDTD法與光線追蹤法之交叉模擬所獲得之光提取效率(LEE)之解析結果示於圖10。圖10(a)表示關於設置於p型GaN接觸層及p型AlGaN接觸層之光子晶體的至量子井層之距離為60 nm之光提取效率。根據該結果，觀測到光子晶體週期構造(孔)之深度(Depth)h與LEE之比例關係。又，圖10(b)表示LEE之次數m之依存性。可知次數m＝3或4之LEE最大。該等結果與發明者之現有申請中所說明之傾向一致，因此證實了模擬之合理性。 根據以上結果可知，根據本發明之實施形態，藉由使光子晶體週期構造之位置靠近量子井構造，光子晶體週期構造之反射效果於p型AlGaN接觸層之光子晶體週期構造獲得2倍多之光提取效率，於p型GaN接觸層之光子晶體週期構造獲得3倍多之光提取效率。 (第3實施形態) 對加工本發明之第3實施形態之深紫外LED之反射型光子晶體週期構造之製造方法詳細地進行說明。圖11係表示光子晶體週期構造加工製程之一例之圖。 於光子晶體之加工時利用奈米壓印微影技術。由於p型GaN接觸層209之表面於凸方向具有100 μm以上之翹曲，故而模具利用樹脂模200對應。又，為了於乾式蝕刻時接近垂直且準確地保持孔之直徑，使用雙層抗蝕劑。 具體而言，於具有積層至p型GaN接觸層209之深紫外LED積層構造體之晶圓中，於p型GaN接觸層209之表面旋轉塗佈下層抗蝕劑211。其次，旋轉塗佈含有Si之上層抗蝕劑210而形成雙層抗蝕劑(參照圖11(a))。 針對上層抗蝕劑，利用具有特定之光子晶體週期構造之反轉圖案之樹脂模200按壓並使之UV(ultraviolet，紫外線)硬化而將光子晶體圖案212轉印至上層抗蝕劑210(參照圖11(b))。其次，利用氧電漿對上層抗蝕劑210進行蝕刻而形成遮罩213。參照圖11(c)。然後，利用ICP(Inductively Coupled Plasma，感應耦合電漿)電漿將該遮罩213蝕刻至不超過p型AlGaN層208之自光子晶體圖案(孔)212之端面至量子井層205之距離為阻障層206與多重量子障壁層207之膜厚之合計值以上且80 nm以內的位置，而加工為孔之深度為p型AlGaN層208與p型GaN接觸層209之膜厚之合計值以內之形狀。參照圖11(d)。最後，將殘存之下層抗蝕劑211洗淨並進行清潔之修面。 再者，金屬層及反射電極層於光子晶體圖案形成後進行GaN或AlGaN之晶體再生長，藉由形成於其上等而形成圖1A、圖4A、圖12A、或圖22A所示之構造。或者，於形成至金屬層及反射電極層後形成光子晶體圖案，藉由在其上再蒸鍍Au或Al等反射電極層等而形成圖1C或圖4C所示之構造。或者，於形成p型GaN接觸層或p型AlGaN接觸層後，形成光子晶體圖案，藉由在其上利用斜向蒸鍍法形成金屬層及反射電極層等而形成圖16A或圖19A所示之構造。 根據斜向蒸鍍法，可不於光子晶體圖案之孔內形成金屬層及反射電極層而於p型GaN接觸層或p型AlGaN接觸層之表面積層金屬層及反射電極層。 (第4實施形態) 其次，作為本發明之第4實施形態之深紫外LED，將設計波長λ設為280 nm之AlGaN系深紫外LED之構造示於圖12A(a-1)、(a-2)。圖12A(a-1)為剖視圖，圖12A(a-2)為俯視圖。圖12B(b)係搭載於表面黏著型封裝體之深紫外LED。 該LED與第1實施形態中之深紫外LED之積層薄膜構造相同，但p型GaN接觸層9之膜厚為200 nm而不同。此係為了藉由在元件製造製程上較厚地積層p型GaN接觸層而獲得表面之平坦性。 而且，於包含p型GaN接觸層9與p型AlGaN層8之界面且於基板方向上不超過p型AlGaN層之範圍內設置有光子晶體週期構造100，且光子晶體週期構造100係設置空孔(柱狀構造、孔)101(h)且藉由具有光子能隙而使波長λ之光反射之反射型光子晶體週期構造。 又，孔101(h)為不超過p型AlGaN層8與多重量子障壁層7之界面之構造，且空孔101(h)之基板方向之端面與量子井層5之距離G處於阻障層6與多重量子障壁層7之膜厚之合計值以上且80 nm以內。進而，反射型光子晶體週期構造100之深度h為p型AlGaN層8與p型GaN接觸層9之膜厚之合計值以內。 製作反映出上述構造之計算模型，併用FDTD法及光線追蹤法而計算光提取效率增減率(Enhancement of LEE)及光提取效率(LEE)。於圖13中表示上述p型GaN接觸層之光子晶體計算模型。而且，將解析結果示於表3、圖14(a)光提取效率增減率、(b)光提取效率、(c)輻射圖案(Radiation Pattern)。 [表3] 就圖14(a)之光提取效率增減率而言，於自空孔之端面至量子井層之距離為50 nm時，於所有深度中獲得相對於平坦之強度為2.5倍以上之極大值。又，就圖14(c)之輻射圖案而言，具有光子晶體週期構造者相對於平坦而言向正面方向(角度0～10°)之輸出值增大。另一方面，圖14(b)之利用FDTD法與光線追蹤法之交叉模擬所獲得之光提取效率係隨著光子晶體之深度變大而略微減少。因此，嘗試對光子晶體之深度120 nm、140 nm、160 nm之剖面中之電場強度分佈進行比較。 圖15A係光子晶體之深度120 nm之剖面中之電場強度分佈。圖15B係光子晶體之深度140 nm之剖面中之電場強度分佈。圖15C係光子晶體之深度160 nm之剖面中之電場強度分佈。根據圖15A至圖15C(電場強度分佈)可知於任一深度中侵入至光子晶體之光(電場)均到達至光子晶體之最深部。而且，隨著深度變大，光(電場)侵入至p型GaN接觸層，因此，將光被吸收、消失作為理由進行考慮。 因此，於在p型GaN接觸層形成光子晶體之情形時，為了使光子晶體之深度較淺，亦較佳為p型GaN接觸層之膜厚較薄。 (第5實施形態) 其次，作為本發明之第5實施形態之深紫外LED，將設計波長λ設為280 nm之AlGaN系深紫外LED之構造示於圖16A(a-1)、(a-2)。圖16A(a-1)為剖視圖，圖16A(a-2)為俯視圖。圖16B(b)係搭載於表面黏著型封裝體之深紫外LED。 上述LED與第4實施形態中之深紫外LED之積層薄膜構造相同，但p型GaN接觸層9之膜厚為150 nm而不同。此成為就元件製造製程上之另一方法之觀點而言之變化例。 而且，於包含p型GaN接觸層9與p型AlGaN層8之界面且於基板方向上不超過p型AlGaN層之範圍內設置有光子晶體週期構造100，且光子晶體週期構造100係設置空孔(柱狀構造、孔)101(h)且藉由具有光子能隙而使波長λ之光反射之反射型光子晶體週期構造。 又，空孔101(h)係未超過p型AlGaN層8與多重量子障壁層7之界面但到達至p型GaN接觸層9與Ni層10之界面的構造，且空孔101(h)之基板方向之端面與量子井層5之距離G處於阻障層6與多重量子障壁層7之膜厚之合計值以上且80 nm以內。進而，反射型光子晶體週期構造100之深度h為p型AlGaN層8與p型GaN接觸層9之膜厚之合計值以內。 製作反映出上述構造之計算模型，併用FDTD法及光線追蹤法而計算光提取效率增減率(Enhancement of LEE)及光提取效率(LEE)。於圖17中表示上述p型GaN接觸層之光子晶體計算模型。而且，將解析結果示於表4、圖18(a)光提取效率增減率、圖18(b)光提取效率、圖18(c)輻射圖案(Radiation Pattern)。 [表4] 就圖18(a)之光提取效率增減率而言，於距離量子井層5為60 nm之距離獲得相對於平坦之強度為2.5倍以上之極大值。又，圖18(b)之光提取效率亦獲得15.7%之極大值。進而，於輻射圖案中，軸上(0～10°)之輸出相對於平坦增大。 (第6實施形態) 其次，作為本發明之第6實施形態之深紫外LED，將設計波長λ設為280 nm之AlGaN系深紫外LED之構造示於圖19A(a-1)、(a-2)。圖19A(a-1)為剖視圖，圖19A(a-2)為俯視圖。圖19B(b)係搭載於表面黏著型封裝體之深紫外LED。 上述LED與第2實施形態中之深紫外LED之積層薄膜構造相同，但成為就元件製造製程上之另一方法之觀點而言之變化例。 而且，p型AlGaN接觸層8a之膜厚為100 nm以內，於p型AlGaN接觸層8a中，於在基板方向上不超過p型AlGaN接觸層之範圍內設置有光子晶體週期構造100，且光子晶體週期構造100係設置空孔(柱狀構造、孔)101(h)且藉由具有光子能隙而使波長λ之光反射之反射型光子晶體週期構造。 又，空孔101(h)係未超過p型AlGaN接觸層8a與多重量子障壁層7之界面但到達至p型AlGaN接觸層8a與極薄膜Ni層10a之界面的構造，且空孔101(h)之基板方向之端面與量子井層5之距離G處於阻障層6與多重量子障壁層7之膜厚之合計值以上且80 nm以內。進而，反射型光子晶體週期構造100之深度h為p型AlGaN接觸層8a之膜厚以內。 製作反映出上述構造之計算模型，併用FDTD法及光線追蹤法而計算光提取效率增減率(Enhancement of LEE)及光提取效率(LEE)。於圖20中表示上述p型AlGaN接觸層之光子晶體計算模型。而且，將解析結果示於表5、圖21(a)光提取效率增減率、圖21(b)LEE、圖21(c)輻射圖案(Radiation Pattern)。 [表5] 就圖21(a)之光提取效率增減率而言，於距離量子井層5為50 nm之距離獲得相對於平坦之強度為1.75倍之極大值為。又，圖21(b)之光提取效率獲得23.0%之極大值。進而，於圖21(c)之輻射圖案中，軸上(0～10°)之輸出相對於平坦增大。 (第7實施形態) 其次，作為本發明之第7實施形態之深紫外LED，將設計波長λ設為280 nm之AlGaN系深紫外LED之構造示於圖22A(a-1)、(a-2)。圖22A(a-1)為剖視圖，圖22A(a-2)為俯視圖。圖22B(b)係搭載於表面黏著型封裝體之深紫外LED。 上述LED與第1實施形態及第4實施形態中之深紫外LED之積層薄膜構造相同，但設置有光子晶體週期構造100之位置不同。此成為就元件製造製程上之另一方法之觀點而言之變化例。 於在基板方向上未超過p型GaN接觸層9與p型AlGaN層8之界面且p型GaN接觸層9之膜厚之範圍內設置有光子晶體週期構造100，且光子晶體週期構造100係設置空孔(柱狀構造、孔)101(h)且藉由具有光子能隙而使波長λ之光反射之反射型光子晶體週期構造。 又，空孔101(h)未超過p型GaN接觸層9與Ni層10之界面，且空孔101(h)之基板方向之端面與量子井層5之距離G處於阻障層6與多重量子障壁層7之膜厚之合計值以上且80 nm以內。進而，反射型光子晶體週期構造100之深度h為p型GaN接觸層9之膜厚以內。 於上述構造中，於量子井層5中發光之波長λ之深紫外光中TE光及TM光朝所有方向輻射，並一面形成橢圓偏光一面於介質中傳播。設置於量子井層5之附近之光子晶體週期構造100設置於p型GaN接觸層9之膜厚內，因此，於端面，形成為p型GaN接觸層9與空氣之兩個具有不同折射率之構造體，於設為空孔之半徑R與週期a之比即R/a＝0.4時，上述光子晶體之填充率f根據下式計算而為f＝2π/30.5 ×(R/a)2 ＝0.58。 而且，根據空氣之折射率n1 ＝1.0、p型GaN之折射率n2 ＝2.618、f＝0.58，等效折射率neff 根據下式計算而獲得neff ＝(n2 2 ＋(n1 2 －n2 2 )×f)0.5 ＝1.859。 而且，若設為發光波長λ＝280 nm，則利用平面波展開法求出該光子晶體週期構造滿足布拉格散射條件(mλ/neff ＝2a，其中，neff ：等效折射率、a：週期、m：次數)之情形時之TE光及TM光之光子能帶構造，確認於TE光中於第1光子能帶與第2光子能帶之間獲得PBG。 製作反映出上述構造之計算模型，併用FDTD法及光線追蹤法而計算光提取效率增減率(Enhancement of LEE)及光提取效率(LEE)。於圖23中表示上述LED構造之光子晶體計算模型。上述計算模型係以如下方式設定，即，使p型AlGaN層8之膜厚於0 nm至30 nm之範圍內以10 nm逐步地變化，且空孔101(h)之位置使基板方向之端面成為距p型AlGaN層8與p型GaN接觸層9之界面為120 nm之深度。於此情形時，隨著p型AlGaN層8之膜厚變薄，而量子井層5與空孔101(h)之基板方向之端面之距離G變短。即，以如下方式設定：於p型AlGaN層8之膜厚為0 nm時距離G成為50 nm，且同樣以10 nm逐步地變化，於p型AlGaN層8之膜厚為30 nm時距離G成為80 nm。將該解析結果示於表6、圖24(a)光提取效率增減率、圖24(b)光提取效率、圖24(c)輻射圖案(Radiation Pattern)。 [表6] 就圖24(a)之光提取效率增減率而言，隨著p型AlGaN層之膜厚變薄，而光提取效率增減率提昇，於距離量子井層5之距離G為50 nm(此情形時之p型AlGaN層之膜厚為0 nm)時獲得強度約2.7倍之極大值，於距離G為60 nm(同樣地，p型AlGaN層之膜厚10 nm)時亦獲得約2.5倍之強度。又，就圖24(b)之光提取效率而言，亦於距離G 50 nm時獲得17.3%之極大值。進而，圖24(c)表示距離G 50 nm時之輻射圖案，可知軸上方向(0～30°)之輸出相對於平坦而言增大。 以下，於形成圖1A等所示之構造之後，製作LED元件。 根據上述各實施形態之深紫外LED技術，藉由在膜厚較薄之p型AlGaN層設置光子晶體週期構造，可使深紫外LED之LEE飛躍性地提高。 於上述實施形態中，對於隨附圖式所圖示之構成等，並不限定於該等，可於發揮本發明之效果之範圍內適當進行變更。除此以外，可於不脫離本發明之目的範圍之限度內適當進行變更而實施。 又，本發明之各構成要素可任意地取捨選擇，具備取捨選擇之構成之發明亦包含於本發明中。 [產業上之可利用性] 本發明可用於深紫外LED。
1‧‧‧藍寶石基板
2‧‧‧AlN緩衝層
3‧‧‧n型AlGaN層
4‧‧‧阻障層
5‧‧‧量子井層
6‧‧‧阻障層
7‧‧‧多重量子障壁層(MQB)
8‧‧‧p型AlGaN層(透明p型AlGaN層)
8a‧‧‧p型AlGaN接觸層(透明p型AlGaN接觸層)
9‧‧‧p型GaN接觸層
10‧‧‧Ni層
10a‧‧‧極薄膜Ni層
11a‧‧‧Al反射電極層
11‧‧‧Au反射電極層
15‧‧‧Al反射板
100‧‧‧反射型光子晶體週期構造
101(h)‧‧‧空孔(柱狀構造、孔)
200‧‧‧樹脂模
205‧‧‧量子井層
206‧‧‧阻障層
207‧‧‧多重量子障壁層
208‧‧‧p型AlGaN層
209‧‧‧p型GaN接觸層
210‧‧‧上層抗蝕劑
211‧‧‧下層抗蝕劑
212‧‧‧光子晶體圖案(孔)
213‧‧‧遮罩
a‧‧‧週期
G‧‧‧距離
h‧‧‧深度
R‧‧‧半徑
S01‧‧‧步驟
S02‧‧‧步驟
S03‧‧‧步驟
S04‧‧‧步驟
S05‧‧‧步驟
S06‧‧‧步驟
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向
θ‧‧‧入射角
圖1A(a-1)、(a-2)係表示本發明之第1實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之一例的剖視圖及俯視圖。 圖1B(b)係表示本發明之第1實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之表面黏著型封裝體之構成例的圖。 圖1C(a-1)、(a-2)係作為圖1A之變化例而表示之圖。 圖1D(b)係作為圖1B之變化例而表示之圖。 圖2係表示利用平面波展開法求出光子晶體週期構造滿足布拉格散射條件(mλ/neff ＝2a，其中，neff ：等效折射率、a：週期、m：次數)之情形時之TM光(圖2(a))、TE光(圖2(b))之光子能帶構造之一例的圖。 圖3係表示光子晶體反射效果之情況之頂視圖(a)及剖視圖(b)。 圖4A(a-1)、(a-2)係表示本發明之第2實施形態之使用p型AlGaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之一例的剖視圖及俯視圖。 圖4B(b)係表示本發明之第2實施形態之使用p型AlGaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之表面黏著型封裝體之構成例的圖。 圖4C(a-1)、(a-2)係作為圖4A之變化例而表示之圖。 圖4D(b)係作為圖4B之變化例而表示之圖。 圖5(a)、(b)係表示於p型GaN接觸層使用光子晶體之情形時之FDTD(Finite-Difference Time-Domain，時域有限差分)法計算模型之圖。 圖6(a)、(b)係表示使用p型AlGaN接觸層光子晶體之情形時之FDTD法計算模型之圖。 圖7A(a-1)、(a-2)、(b)、(c-1)、(c-2)係表示光線追蹤法之計算模型與解析結果之圖。 圖7B係用以藉由利用FDTD法之解析求出光子能隙之大小與反射、透過效果之關係以及深紫外LED中之光提取效率(LEE)增減率，從而獲得LEE增減率成為最大之光子晶體之直徑d、週期a及深度h的詳細之處理流程圖。 圖8A係光子晶體附近電場分佈：表示x成分之圖，(a)係表示平坦之情形時之Ex相關之計算結果的圖，(b)係表示設置光子晶體週期構造之情形時之Ex相關之計算結果的圖，(c)係表示設置光子晶體週期構造之情形時之Ex相關之計算結果之圖。 圖8B(a)、(b)係與圖8A對應之光子晶體附近電場分佈：表示y成分之圖。 圖8C(a)、(b)係與圖8A對應之光子晶體附近電場分佈：表示z成分之圖。 圖8D(a)、(b)係表示與光子晶體空孔之深度方向中間點垂直交叉之水平面內之電場分佈之合計成分的圖。 圖9(a)～(c)係表示利用FDTD法獲得之LEE增減率之解析結果之圖。 圖10(a)、(b)係表示利用FDTD法與光線追蹤法之交叉模擬獲得之LEE解析結果之圖。 圖11(a)～(d)係表示光子晶體週期構造之加工製程之一例之圖。 圖12A(a-1)、(a-2)係表示本發明之第4實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之一例的剖視圖及俯視圖。 圖12B(b)係表示本發明之第4實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之表面黏著型封裝體之構成例的圖。 圖13(a)、(b)係表示使用p型GaN光子晶體之情形時之FDTD法計算模型之圖。 圖14(a)為光提取效率之增減率(Enhancement of LEE)之解析結果，(b)為光提取效率之解析結果，(c)為輻射圖案(Radiation Pattern)之解析結果。 圖15A係光子晶體之深度120 nm之剖面中之電場強度分佈。 圖15B係光子晶體之深度140 nm之剖面中之電場強度分佈。 圖15C係光子晶體之深度160 nm之剖面中之電場強度分佈。 圖16A(a-1)、(a-2)係表示本發明之第5實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之一例的剖視圖及俯視圖。 圖16B(b)係表示本發明之第5實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之表面黏著型封裝體之構成例的圖。 圖17(a)、(b)係表示使用p型GaN光子晶體之情形時之FDTD法計算模型之圖。 圖18(a)係光提取效率之增減率(Enhancement of LEE)之解析結果，(b)係光提取效率之解析結果，(c)係輻射圖案(Radiation Pattern)之解析結果。 圖19A(a-1)、(a-2)係表示本發明之第6實施形態之使用p型AlGaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之一例的剖視圖及俯視圖。 圖19B(b)係表示本發明之第6實施形態之使用p型AlGaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之表面黏著型封裝體之構成例的圖。 圖20(a)、(b)係表示使用p型AlGaN光子晶體之情形時之FDTD法計算模型之圖。 圖21(a)係光提取效率之增減率(Enhancement of LEE)之解析結果，(b)係光提取效率之解析結果，(c)係輻射圖案(Radiation Pattern)之解析結果。 圖22A(a-1)、(a-2)係表示本發明之第7實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之一例的剖視圖及俯視圖。 圖22B(b)係表示本發明之第7實施形態之使用p型GaN接觸層光子晶體之深紫外LED之構造之表面黏著型封裝體之構成例的圖。 圖23(a)、(b)係表示使用p型GaN光子晶體之情形時之FDTD法計算模型之圖。 圖24(a)係光提取效率之增減率(Enhancement of LEE)之解析結果，(b)係光提取效率之解析結果，(c)係輻射圖案(Radiation Pattern)之解析結果。
1‧‧‧藍寶石基板
2‧‧‧AlN緩衝層
3‧‧‧n型AlGaN層
4‧‧‧阻障層
5‧‧‧量子井層
6‧‧‧阻障層
7‧‧‧多重量子障壁層(MQB)
8‧‧‧p型AlGaN層(透明p型AlGaN層)
9‧‧‧p型GaN接觸層
10‧‧‧Ni層
11‧‧‧Au反射電極層
100‧‧‧反射型光子晶體週期構造
101(h)‧‧‧空孔(柱狀構造、孔)
a‧‧‧週期
G‧‧‧距離
h‧‧‧深度
R‧‧‧半徑
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向

Claims (14)

  1. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造係設置於至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向之範圍內，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h於上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  2. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於在上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向之範圍內且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  3. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向貫通p型GaN接觸層及金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  4. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向貫通極薄膜金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  5. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層的厚度方向設置至p型GaN接觸層與金屬層之界面，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  6. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，於上述p型AlGaN接觸層內具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向設置至p型AlGaN接觸層與極薄膜金屬層之界面，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  7. 一種深紫外LED，其特徵在於：其係將設計波長設為λ者，且自與基板相反之側依序具有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層、多重量子障壁層或電子阻擋層、阻障層、量子井層，上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於不超過上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上為上述p型GaN接觸層之膜厚之範圍內，且具有複數個空孔，於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型GaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值，且上述反射型光子晶體週期構造具有對TE偏光成分展開之光子能隙，相對於上述設計波長λ之光而上述光子晶體週期構造之週期a滿足布拉格條件，且布拉格條件式中之次數m滿足1≦m≦5，將上述空孔之半徑設為R時，滿足光子能隙成為最大之R/a。
  8. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項1之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向之範圍內，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值； 於上述積層構造體上形成抗蝕劑層並轉印上述模具之構造；及 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造。
  9. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項2之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於在上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向之範圍內且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值； 於上述積層構造體上形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；及 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造。
  10. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項3之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層之厚度方向貫通p型GaN接觸層及金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值； 於上述積層構造體上形成抗蝕劑層並轉印上述模具之構造； 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及 再蒸鍍反射電極層。
  11. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項4之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向貫通極薄膜金屬層並到達至反射電極層內但不超過反射電極層的位置，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內時獲得光提取效率之極大值； 於上述積層構造體上形成抗蝕劑層並轉印上述模具之構造； 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及 再蒸鍍反射電極層。
  12. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項5之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自至少包含上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN層的厚度方向設置至p型GaN接觸層與金屬層之界面，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN層與上述p型GaN接觸層之膜厚之合計值以內時獲得光提取效率之極大值； 使晶體生長至上述積層構造體中之上述p型GaN接觸層之後，形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造； 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及 於上述光子晶體週期構造形成後依序斜向蒸鍍金屬層及反射電極層。
  13. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項6之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、極薄膜金屬層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN接觸層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN接觸層之膜厚為100 nm以內，且於上述p型AlGaN接觸層內具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造自於上述基板方向上不超過上述p型AlGaN接觸層之厚度方向設置至p型AlGaN接觸層與極薄膜金屬層之界面，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型AlGaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值； 使晶體生長至上述積層構造體中之上述p型AlGaN接觸層之後，形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造； 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造；及 於上述光子晶體週期構造形成後依序斜向蒸鍍極薄膜金屬層及反射電極層。
  14. 一種深紫外LED之製造方法，其係如請求項7之深紫外LED之製造方法，且具有如下步驟： 準備積層構造體，該積層構造體自與基板相反之側依序含有反射電極層、金屬層、p型GaN接觸層、及相對於波長λ透明之p型AlGaN層； 準備用以形成反射型光子晶體週期構造之模具，該反射型光子晶體週期構造係上述p型AlGaN層之膜厚為100 nm以內，且具有如下反射型光子晶體週期構造，該反射型光子晶體週期構造設置於不超過上述p型GaN接觸層與上述p型AlGaN層之界面且於上述基板方向上為上述p型GaN接觸層之膜厚之範圍內，且具有複數個空孔，且於自上述空孔之基板方向之端面至量子井層之距離為上述阻障層與上述多重量子障壁層或上述電子阻擋層之膜厚之合計值以上且80 nm以內、及其深度h為上述p型GaN接觸層之膜厚以內時獲得光提取效率之極大值； 於使晶體生長至上述積層構造體中之上述p型GaN接觸層之後，形成抗蝕劑層，並轉印上述模具之構造；及 將上述抗蝕劑層作為遮罩依次對上述積層構造體進行蝕刻而形成光子晶體週期構造。
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