半导体发光元件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体发光元件及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 被发光二极管（LED)和有机EL(OLED)所代表的半导体发光元件，作为显示器 和照明用的光源被要求有高亮度，采用表面形成有微米尺寸的凹凸的蓝宝石基板（PPS: PatternedSapphireSubstrate)来提高光提取效率的方法是一般的方法。另外，作为提高 光提取效率的新方法，在光提取层形成具有光波长程度的周期的光子晶体周期结构的技术 已被介绍。光子晶体周期结构，一般是，形成在具有不同折射率的两个结构体的界面上，主 要由支柱结构或孔结构构成的凹凸。而且，通过在形成该周期结构的区域中禁止光的存在 来抑制全反射，以此对光提取效率的提高起到贡献也是众所周知的。
[0003] 但是，在来自半导体发光元件发光层的发光中，包含TransversalMagnetic光 (TM光）和TransversalElectric光（TE光）两者，周期结构中它们各自的举动，也就是根 据在周期结构中反射还是透射的周期结构的最佳化，却不明确。
[0004] 另外，以InGaN为基础的LED的发光主要是TE光，与此相对，在蓝宝石基板的C面 上形成单阱层的以AlxGaiXN为基础的LED，以A1的组成比X= 0. 25为边界TM光成为主 体，更进一步，随X的变大TM光的比例会增加，这也是周知的（但是，量子阱的TE/TM偏振 特性在温度为8. 5K计测并评价光致发光强度。"AppliedPhysicsLetters'WoJSJlJune 2004,Vol.84)。
[0005] 更进一步，在蓝宝石基板的c面上成长AIN缓冲层和AlxGaiXN/A1N的多重量子阱 时，以A1的组成比X= 0. 82为边界TM光成为主体，另外，在同一组成比，若阱层的厚度在 3nm以下则TM光的比例会变大，这已被报告（"PhysicalReview"，B79,121308(2009))。
[0006] 另外，本发明的TE光和TM光的关系定义如下。在本发明中，TE光是，电场成分 为对于光子晶体周期结构面、也就是周期结构周期性的进行变化的方向的面而横向振动的 光，另一方面的TM光是其磁场成分对于周期结构面而横向振动的光。换而言之，后者的TM 光是其电场成分对于周期结构面而纵向振动的光。
[0007] 在专利文献1中，在光提取层的光子晶体周期结构参数的设计中，计算TE光和TM 光两者的光子能带结构，其结果，在选择PBG较大打开的TE光的基础上，进行其周期结构参 数设计的最佳化。
[0008] 在专利文献2中，通过在对于TM-like模式和TE-like模式的两种模式具有PBG 的光子晶体平板内设计波导，来防止在该结晶面内光的泄漏，发挥高的Q值。
[0009] 在专利文献3中，在第一导电型半导体层形成光子晶体周期结构，将光入射至其 上的非传导性半导体层，该光子晶体周期结构由具有较该第一导电型半导体层小的折射率 的Si02和气隙构成。
[0010] 在专利文献4中，在第一荧光体层和第二荧光体层形成光子晶体，并使第二变换 光透射而使第一变换光反射。
[0011] 在专利文献5中，记载有通过在光波导的外缘部设置荧光体层，来达到将TE偏波 高效率的封闭在波导内的效果，该荧光体层具有对于TE偏振有光子带隙的二维周期结构。
[0012] 现有技术文献
[0013] 专利文献1 :W02013008556号公报
[0014] 专利文献2 :日本特开2006-276388号公报
[0015] 专利文献3 :日本特开2010-135798号公报
[0016] 专利文献4 :日本特开2012-186414号公报
[0017] 专利文献5 :日本特开2011-228513号公报
【发明内容】
[0018] 专利文献1中，对于其选择的妥当性、以及半导体发光元件内的多个周期结构中 进行同样选择组合时的光提取效率最大化的方法，没有具体记载。
[0019] 专利文献2中，在波导元件和半导体发光元件中，在对于其光子晶体周期结构的 光传播方向上有决定性的不同，前者的设计方法无法适用于后者。
[0020] 专利文献3中，从活性层入射到第一导电型半导体层的光根据其周期结构参数， 反射比透射大，不能说公开了用于使光提取效率最大化的最佳化的方法。
[0021] 专利文献4中没有对TM光或TE光哪个应该最佳化作出记载，不能说公开了用于 使光提取效率最大化的最佳化的方法。
[0022] 专利文献5中，对于其周期结构参数的最佳化，进而对于依据TE偏振和TM偏振的 分开使用的周期结构参数的最佳化，没有作出公开。
[0023] 另外，上述的哪个周期结构，作为将其大面积的且一次性的转印到被加工对象的 方法，采用纳米压印光刻法的转印技术已被公众所知。但是，其转印方法是对模具和基板施 加压力以使抗蚀剂充填至该模具的图案中，所以要求在该转印技术中通常使用的有机抗蚀 剂具有流动性。但是，若将该流动性优先，则对于形成周期结构的被转印对象的刻蚀选择比 将会有不充分的可能性。另外，模具的上述周期结构的大小和刻蚀后形成的周期结构的大 小也会不一致。
[0024] 本发明以提高半导体发光元件的光提取效率为目的。
[0025] 本发明以下述内容为目的：与用于使半导体发光元件的光提取效率最大化、而着 眼于在该元件的一个以上的界面上形成的光子晶体周期结构的参数设计相关连，各个周期 结构的形成根据光的反射还是透射为目的而对TE光还是TM光进行其周期结构参数的最大 化即可的方针，并提供其具体的最佳化方法。另外，提供在根据上述周期结构的形成位置和 性能而最佳化的周期结构的一个以上的界面上施加的半导体发光元件。更进一步，提供对 于按照上述周期结构设计原样形成对象部件的大面积进行准确再现的转印技术。
[0026] 根据本发明的一个观点，提供一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ的 半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的光 子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，所述设计波长λ及作为所述一个以上的 各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，所述周期a和半径R的比（R/a)为， 以使TE光的光子带隙（PBG)在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，各周期结构参数 为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光 提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定的 周期a和半径R、及0. 5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。
[0027] 根据本发明的其他的观点，提供一种半导体发光元件，是在构成以设计波长为λ 的半导体发光元件的各层间的一个以上的界面上，具有由不同折射率的两个结构体构成的 光子晶体周期结构的半导体发光元件，其特征在于，所述设计波长λ及作为所述一个以上 的各周期结构的参数的周期a和半径R满足布拉格条件，所述周期a和半径R的比（R/a) 为，以使TM光的预定的PBG在每个该周期结构为最大的形式而决定的值，各周期结构参数 为，通过采用FDTD法的模拟的解析结果，以使对于所述波长λ的半导体发光元件整体的光 提取效率为最大的形式而决定的参数，该FDTD法是以根据所述布拉格条件的次数m决定周 期a和半径R、及0. 5a以上的该周期结构的深度h作为变数而进行的。
[0028] 本说明书包含作为本申请优先权基础的日本专利申请2013-148234号的说明书 和/或附图所记载的内容。
[0029] 根据本发明，能够提高半导体发光元件的光提取效率。
【附图说明】
[0030] 图1A是表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的第一最佳化处理 的流程图，表示对于TE光的PBG为最大时流程的概要。
[0031] 图1B是表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的第二最佳化处理 的流程图，表示对于TM光的PBG为最大时流程的概要。
[0032] 图1C是具体表示本发明第二实施方式的光子晶体周期结构的参数的最佳化流程 的图。
[0033] 图1D具体表示对于本发明第三实施方式的光子晶体周期结构的参数的最佳化流 程的概要。
[0034] 图2表示深紫外LED结构一例。
[0035] 图3A是表示作为本发明实施方式的深紫外LED结构一例的图，表示支柱结构的例 子的图。
[0036] 图3B是表示作为本发明实施方式的深紫外LED结构一例的图，表示孔结构的例子 的图。
[0037] 图4A表不光子晶体周期结构的、满足布拉格条件的TM光（布拉格散射）的举动。
[0038] 图4B表不光子晶体周期结构的、满足布拉格条件的TE光（布拉格散射）的举动。
[0039] 图5表示图3的结构中通过平面波展开法求出的能带结构。
[0040] 图6表示TM光的PBG和R/a的关系。
[0041] 图7表示FDTD模拟中使用的深紫外LED模型。
[0042] 图8A是表示FDTD解析结果，表示侧壁的输出特性的比较。
[0043] 图8B是表示FDTD解析结果，表示上部的输出特性的比较。
[0044] 图8C是表示FDTD解析结果，表示侧壁和上部的输出总计的输出特性的比较。
[0045] 图9表示作为本发明实施方式的白色LED结构的一例。
[0046] 图10表不作为本发明实施方式的光子晶体周期结构形成方法的一例。
[0047] 图11表示是图10(b)、图10(e)和图10(f)实际的SEM照片。
【具体实施方式】
[0048] 利用附图对本发明的实施方式进行说明。另外，不仅下面列举的实施方式LED元 件的结构和组成材料，而且周期结构的形状（支柱结构、孔结构等）等都不受此限制，在发 挥本发明效果的范围内能够进行适宜的变更。更进一步，在不脱离本发明目的的范围内，对 其实施方式也可以进行适宜的变更。例如，周期结构的设计程序、根据本发明所加工的模具 等也包