特許 6230038 深紫外ＬＥＤ及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6230038

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15日

(54)【発明の名称】深紫外ＬＥＤ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/00 20100101AFI20171106BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20171106BHJP

   H01L 33/36 20100101ALI20171106BHJP

   H01L 33/10 20100101ALI20171106BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 Z

   H01L33/32

   H01L33/36

   H01L33/10

【請求項の数】25

【全頁数】65

(21)【出願番号】特願2017-508579(P2017-508579)

(86)(22)【出願日】2016年9月2日

(86)【国際出願番号】JP2016075756

(87)【国際公開番号】WO2017038961

(87)【国際公開日】20170309

【審査請求日】2017年2月14日

(31)【優先権主張番号】特願2015-173834(P2015-173834)

(32)【優先日】2015年9月3日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2015-218532(P2015-218532)

(32)【優先日】2015年11月6日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】592145785

【氏名又は名称】丸文株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003458

【氏名又は名称】東芝機械株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(73)【特許権者】

【識別番号】000220239

【氏名又は名称】東京応化工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100102576

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 敏章

(74)【代理人】

【識別番号】100108394

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 健一

(72)【発明者】

【氏名】鹿嶋 行雄

(72)【発明者】

【氏名】松浦 恵里子

(72)【発明者】

【氏名】小久保 光典

(72)【発明者】

【氏名】田代 貴晴

(72)【発明者】

【氏名】平山 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】上村 隆一郎

(72)【発明者】

【氏名】長田 大和

(72)【発明者】

【氏名】森田 敏郎

【審査官】 佐藤 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特許第５７５７５１２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００２−３０５３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０４１７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０６８０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３０３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−００９６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１１５２６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０５７８２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項2】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項3】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、
さらに、前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項4】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板表面には導波路構造を有し、
前記導波路構造は、
前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有し、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項5】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、かつ、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板表面には導波路構造を有し、
前記導波路構造は、
前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有し、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項6】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、かつ、
前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側の前記基板表面には導波路構造を有し、
前記導波路構造は、
前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有し、
さらに、前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項7】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な石英半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項8】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な石英半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項9】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、
さらに、前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な石英半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項10】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板表面には導波路構造を有し、
前記導波路構造は、
前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有し、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な石英半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項11】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、かつ、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板表面には導波路構造を有し、
前記導波路構造は、
前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有し、
さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な石英半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項12】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上有り、かつ、
前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側の前記基板表面には導波路構造を有し、
前記導波路構造は、
前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有し、
さらに、前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な石英半球レンズを有し、
前記半球レンズの半径は、前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【請求項13】

請求項１に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有するサファイア半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項14】

請求項２に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有するサファイア半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項15】

請求項３に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記ｐ型ＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有するサファイア半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項16】

請求項４に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
サファイア基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記基板表面に二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして前記基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてＰＳＳ周期構造を形成する工程と、
前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造からなる導波路構造を積層する工程と、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有するサファイア半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項17】

請求項５に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
サファイア基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記基板表面に二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして前記基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてＰＳＳ周期構造を形成する工程と、
前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造からなる導波路構造を積層する工程と、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有するサファイア半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項18】

請求項６に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
サファイア基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記基板表面に二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして前記基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造からなる導波路構造を積層する工程と、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記ｐ型ＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有するサファイア半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項19】

請求項７に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有する石英半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項20】

請求項８に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有する石英半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項21】

請求項９に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記ｐ型ＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有する石英半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項22】

請求項１０に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
サファイア基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記基板表面に二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして前記基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてＰＳＳ周期構造を形成する工程と、
前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造からなる導波路構造を積層する工程と、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有する石英半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項23】

請求項１１に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
サファイア基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記基板表面に二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして前記基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてＰＳＳ周期構造を形成する工程と、
前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造からなる導波路構造を積層する工程と、
高反射電極層と、極薄膜金属層と透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有する石英半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項24】

請求項１２に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法であって、
サファイア基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記基板表面に二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして前記基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造からなる導波路構造を積層する工程と、
反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、
少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、
前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との２つの構造体を有する周期構造からなり、かつ、
前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、
波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、
当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、
前記構造体の深さｈは前記周期ａの２／３以上からなる反射型フォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、
前記積層構造体のうち前記ｐ型ＧａＮコンタクト層まで結晶成長させた上に、二層レジスト層を形成し、前記金型の構造をナノインプリントで転写する工程と、
前記二層レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をＩＣＰプラズマでドライエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、
半径が前記基板の外接円の半径以上を有する石英半球レンズを準備する工程と、
前記基板の裏面に前記半球レンズを接合する工程を有し、
前記接合する方法は表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマ又はオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長に対して透明な接着剤による接合で、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制されることを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法。

【請求項25】

設計波長をλ（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）とする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、波長λに対して透明な、ｐ型ＡｌＧａＮ層、多重量子障壁層、バリア層、量子井戸層とを、サファイア基板とは反対側からこの順で有し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の膜厚が３０ｎｍ以内で、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲内に設けられた複数の空孔を有する反射型フォトニック結晶周期構造を有し、前記空孔の基板方向の端面から量子井戸層までの距離が５０ｎｍ〜７０ｎｍ及びその深さｈが４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲において光取出し効率の極大値が得られ、かつ、前記反射型フォトニック結晶周期構造は、ＴＥ偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有し、前記設計波長λの光に対して前記フォトニック結晶周期構造の周期ａがブラッグの条件を満たし、かつ、ブラッグの条件式にある次数ｍは１≦ｍ≦５を満たし、前記空孔の半径をＲとした時、フォトニックバンドギャップが最大となるＲ／ａを満たし、さらに、前記基板裏面には、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層側の前記基板の裏面に接合される波長λに対して透明なサファイア半球レンズを有し、前記半球レンズの半径は前記基板の外接円の半径以上を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、深紫外ＬＥＤ技術に関する。

【背景技術】

【0002】

発光波長２６５ｎｍ〜２８０ｎｍ近辺の深紫外ＬＥＤは、食品、浄水、医療、家電の殺菌など幅広い用途での利用が期待されている。しかし、製品のＷＰＥ（電力変換効率）は２〜３％と低く上記用途への実用化には少なくともＷＰＥ１０％以上の効率が必須である。これは、量子井戸で発光した深紫外光がｐ型ＧａＮコンタクト層で５０％以上吸収消失すること、及び内部全反射によりＬＥＤ内部に閉じ込められて熱に変わることがあり、光取出し効率（ＬＥＥ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が１０％未満と低いことが主な要因である。そこで、特許文献１では、フォトニック結晶周期構造を形成することで光取り出し効率を向上させている。そこで、非特許文献１、２に記載された方法でｐ型ＧａＮコンタクト層ベースの構造に対してＬＥＥを１．７〜３倍程度改善したと報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１３/００８５５６号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ研究領域「新機能創成に向けた光・光量子科学技術」研究課題「２３０−３５０ｎｍ帯ＩｎＡｌＧａＮ系深紫外高効率発光デバイスの研究」研究終了報告書（研究期間平成１９年１０月〜平成２５年３月）

【非特許文献2】第６２回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集（２０１５東海大学 湘南キャンパス）１４ｐ−Ｂ１−５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１では、発光波長に対して透明なｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を採用してＬＥＥを約１．７倍に改善している。更に、非特許文献２では、サファイア基板の裏面に発光波長に対して透明なレンズを接合してＬＥＥを約３倍に改善している。

【0006】

しかしながら、いずれの方法を取ってもＬＥＥで最大１５％、ＷＰＥで９％未満と、ＷＰＥ１０％を超えるには至っていない。

【0007】

本発明は、深紫外ＬＥＤにおいて、ＬＥＥをより一層高めることに、より高いＷＰＥ効率を達成することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の観点によれば、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層（例えばＡｌ）と、極薄膜金属層（例えばＮｉ層（１ｎｍ程度））と、ｐ型コンタクト層とを、基板（例えばサファイア基板）とは反対側からこの順で有し、さらに、前記ｐ型コンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下であり、前記半球状レンズは、前記基板の内接円の半径以上、およそ外接円の半径程度の半径を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。

【0009】

例えば、前記ｐ型コンタクト層が透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層であり、すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層は波長λに対して透明であり、極薄膜Ｎｉ層による光の吸収は小さく、Ａｌ反射電極層は光に対して９０％の高反射率を有するので、ｐ型ＧａＮコンタクト層に対して１．７倍程度のＬＥＥ増加効果が得られる。更に、前記高反射電極構造で反射されたほとんどの光はサファイア基板表面から入射してサファイア基板裏面に接合された透明なレンズから空気中に出射される。このレンズは半球状レンズであるためにサファイア基板への入射角度分布があってもレンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0010】

また、この半球状レンズと高反射電極構造の相乗効果により、サファイア基板を薄くするほど、及び素子サイズを大きくするほどＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0011】

さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、前記フォトニック結晶周期構造は、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との周期構造を有する構造体からなり、かつ、前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記構造体を構成する前記２つの構造体の材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、前記構造体の深さｈを前記周期ａの２／３以上とすることを特徴とする。

【0012】

前記フォトニック結晶周期構造（反射型フォトニック結晶周期構造）は、フォトニックバンドギャップを有することにより波長λの光を数回の多重反射で効率よく反射させることができる。もし光が透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を僅かに透過した場合、極薄膜Ｎｉ層による光の吸収は小さく、Ａｌ反射電極層は光に対して９０％以上の高反射率を有するので、フォトニック結晶周期構造の無いＡｌ反射電極層単体に比較して大きなＬＥＥを実現することが可能となる。

【0013】

さらに、前記反射型フォトニック結晶周期構造で反射されたほとんどの光はサファイア基板表面から入射してサファイア基板裏面に接合された透明な半球状レンズから空気中に出射される。このレンズは半球状レンズであるためにサファイア基板への入射角度分布があってもレンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0014】

この半球状レンズと反射型フォトニック結晶周期構造及び透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と極薄膜Ｎｉ層とＡｌ反射電極層との相乗効果により、ＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0015】

また、例えば、前記ｐ型コンタクト層がｐ型ＧａＮコンタクト層とｐ型ＡｌＧａＮ層とを、前記基板とは反対側からこの順で有し、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向においてｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、前記フォトニック結晶周期構造は、空気と、前記ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との周期構造を有する構造体からなり、かつ、前記フォトニック結晶周期構造は、フォトニックバンドギャップを有し、前記フォトニックバンドギャップはＴＥ偏光成分に対して開いており、かつ、波長λ、前記構造体の周期ａ及び前記構造体を構成する２つの材料の平均屈折率ｎ_ａｖがブラッグ条件を満たし、かつ、当該ブラッグ条件の次数ｍは２＜ｍ＜５の範囲にあり、かつ、前記構造体の深さｈを前記周期ａの２／３以上とすることを特徴とする。

【0016】

さらに、前記基板裏面には、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率の平均値以上前記基板の屈折率以内である半球状レンズが接合されたことを特徴とする。

【0017】

半球状レンズは前記基板の内接円の半径以上、およそ外接円の半径程度の半径を有することが好ましい。

【0018】

この構造であればｐ型ＧａＮコンタクト層により低コンタクト抵抗が維持できる。また、反射型フォトニック結晶周期構造は、フォトニックバンドギャップを有することにより波長λの光を数回の多重反射で効率よく反射させることができる。従って、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層における光の吸収を抑制することができる。

【0019】

さらに、前記フォトニック結晶周期構造で反射されたほとんどの光は前記基板表面から入射して前記基板裏面に接合された透明な半球状レンズから空気中に出射される。このレンズは半球状レンズであるためにサファイア基板への入射角度分布があってもレンズ表面から法線方向に出射されるのでの分散があっても、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0020】

また、この半球状レンズと反射型フォトニック結晶周期構造の相乗効果により、ＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0021】

前記フォトニック結晶周期構造は、厚さ方向に前記反射電極層の範囲まで延長して設けられていることを特徴とする。

【0022】

前記フォトニック結晶周期構造は、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を用いて形成されたものであることを特徴とする。

【0023】

さらに、前記フォトニック結晶周期構造は、流動性の高いレジストとエッチング選択比の高いレジストによる２層レジスト法を用いたドライエッチングを用いて形成されたものであることを特徴とする。

【0024】

また、前記フォトニック結晶周期構造のパラメータは、周期構造パラメータである周期ａと前記構造体の半径Ｒの比（Ｒ／ａ）を仮決定するステップと、前記構造体のそれぞれの屈折率ｎ_１とｎ_２、及びこれらと前記Ｒ／ａから平均屈折率ｎ_ａｖを算出し、これをブラッグ条件の式に代入し、次数ｍごとの周期ａと半径Ｒを得るステップと、前記Ｒ／ａ及び波長λ並びに前記屈折率ｎ_１、ｎ_２から得られる各構造体の誘電率ε_１及びε_２を用いた平面波展開法により、ＴＥ光のフォトニックバンド構造を解析するステップと、ＴＥ光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のＰＢＧが存在するまで、前記仮決定のＲ／ａの値を変えて繰り返すステップと、前記のＰＢＧを有するＲ／ａについて、ブラッグ条件の次数ｍに応じた個別の周期ａ及び半径Ｒ、並びに、任意の周期構造の深さｈを変数として行う有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）によるシミュレーション解析により、前記波長λに対する光取出し効率増減率を求めるステップと、前記ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを繰り返し行うことにより、前記波長λに対する光取出し効率増減率が最大となるブラッグ条件の次数ｍと、その次数ｍに対応する周期構造パラメータの周期ａ、半径Ｒ、及び、深さｈを決定するステップと、を有するパラメータ計算方法により求めたものであることを特徴とする。

【0025】

さらに、前記ｐ型コンタクト層と前記半球状レンズとの間に導波路構造を設けたことを特徴とする。

【0026】

前記導波路構造は、前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有することを特徴とする。

【0027】

また、前記導波路構造は、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を用いて形成されたマスクパターン（例えば、ＳｉＯ_２マスク）を用いてウエットエッチング法により形成されたＰＳＳ周期構造上に、ＡｌＮ膜をエピ成長させることにより形成されたものであることを特徴とする。

【0028】

例えば、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、Ａｌ高反射電極層と、極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ程度）と、波長λに対して透明な透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、少なくとも前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向に、或いは前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層から前記極薄膜Ｎｉ層を含む前記Ａｌ反射電極層との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を有するフォトニック結晶周期構造を有し、かつ、サファイア基板表面にはウエットエッチングにより形成されたＰＳＳに続いてエピ成長されたＡｌＮ結合ピラーを有し、かつ、サファイア基板裏面には、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率の平均値以上前記基板の屈折率以内であることを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。

【0029】

尚、半球状レンズはサファイア基板の内接円の半径以上、外接円の半径程度の半径を有することが好ましい。

【0030】

また、反射型フォトニック結晶周期構造は、フォトニックバンドギャップを有することにより波長λの光を数回の多重反射で効率よく反射させる事ができる。更に、前記ＡｌＮ結合ピラーに入射した光は導波路効果で伝搬し無駄なくサファイア基板の表面に入射される。もし光が透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を僅かに透過した場合、極薄膜Ｎｉ層による光の吸収は小さく、Ａｌ反射電極層は光に対して９０％以上の高反射率を有するので、フォトニック結晶周期構造の無いＡｌ反射電極層単体に比較して大きなＬＥＥを実現することが可能となる。

【0031】

さらに、前記反射型フォトニック結晶周期構造で反射されたほとんどの光はサファイア基板表面から入射してサファイア基板裏面に接合された透明なレンズから空気中に出射される。このレンズは半球状レンズであるためにサファイア基板への入射角度分布があってもレンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0032】

また、この半球状レンズとフォトニック結晶周期構造及び透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と極薄膜Ｎｉ層とＡｌ反射電極層と、さらにウエットエッチングＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーの導波路効果との相乗効果により、ＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0033】

また、本発明は、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層と、極薄膜金属層と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、さらに、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下であり、さらに、前記フォトニック結晶周期構造と前記半球状レンズとの間に導波路構造を設けたことを特徴とする。

【0034】

本発明の第２の観点によれば、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層と、極薄膜金属層と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層が、その厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、さらに、前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以内であり、さらに、前記フォトニック結晶周期構造と前記半球状レンズとの間に導波路構造を設けたことを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。

【0035】

前記導波路構造は、前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有することを特徴とする。

【0036】

本発明の第３の観点によれば、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層とｐ型ＡｌＧａＮ層を、基板とは反対側からこの順で有し、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、さらに、前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下であり、さらに、前記フォトニック結晶周期構造と前記半球状レンズとの間に導波路構造を設けたことを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。

【0037】

前記導波路構造は、前記基板表面に設けられる三角円錐形状のＰＳＳ周期構造と、前記ＰＳＳ周期構造と厚さ方向に連続して形成された六角錐台或いは四角錐台の柱状からなるＡｌＮ結合ピラー周期構造とを有することを特徴とする。

【0038】

本発明の第４の観点によれば、反射電極層と、極薄膜金属層と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤの製造方法であって、前記基板側裏面に、波長λに対して透明であって、かつ屈折率が前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下である半球状レンズが接合される工程を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。

【0039】

また、反射電極層と、極薄膜金属層と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤの製造方法であって、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造であって、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との周期構造を有する構造体からなり、かつ、前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、前記基板側裏面に、波長λに対して透明であって、かつ屈折率が前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下である半球状レンズが接合される工程と、を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。

【0040】

さらに、反射電極層と、極薄膜金属層と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを、基板とは反対側からこの順で有し、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤの製造方法であって、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向の範囲内に設けられたフォトニック結晶周期構造であって、空気と前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層との周期構造を有する構造体からなり、かつ、前記フォトニック結晶周期構造はフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、前記基板表面に導波路構造を形成する工程と、前記基板側裏面に、波長λに対して透明であって、かつ屈折率が前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下である半球状レンズが接合される工程と、を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。

【0041】

例えば、設計波長をλとし、Ａｌ反射電極層と、極薄膜Ｎｉ層と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、少なくとも前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の厚さ方向、或いは前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層から前記極薄膜Ｎｉ層を含む前記Ａｌ反射電極層との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、前記積層構造体上に、レジスト層を形成し、前記金型の構造を転写する工程と、前記レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、サファイア基板表面にＰＳＳ周期構造を形成する工程に続いて、ＡｌＮをエピ成長させて形成したＡｌＮ結合ピラーを形成する工程と、サファイア基板裏面に、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを接合する工程と、を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。

【0042】

また、本発明は、反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、基板とは反対側からこの順で有し、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤの製造方法であって、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向においてｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造であって、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、前記基板側裏面に、波長λに対して透明であって、かつ屈折率が前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下である半球状レンズが接合される工程と、を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。

【0043】

さらに、反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、基板とは反対側からこの順で有し、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤの製造方法であって、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向においてｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造であって、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、前記基板表面に導波路構造を形成する工程と、前記基板側裏面に、波長λに対して透明であって、かつ屈折率が前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下である半球状レンズが接合される工程と、を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が製造される。

【0044】

例えば、設計波長をλとし、Ａｕ反射電極層と、Ｎｉ層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、波長λに対し透明な、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、基板とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、前記積層構造体上に、レジスト層を形成し、前記金型の構造を転写する工程と、前記レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程と、サファイア基板表面にＰＳＳ周期構造を形成する工程に続いて、ＡｌＮをエピ成長させて形成したＡｌＮ結合ピラーを形成する工程と、サファイア基板裏面に、前記透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを接合する工程と、を有することを特徴とする深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。

【0045】

さらに、前記半球状のレンズは、前記基板の屈折率と空気の屈折率の平均値より大きな屈折率を有する材料を特徴とし、サファイア、スピネル、石英ガラス、ＡｌＮ、封止樹脂など上記の条件を満足するのであれば何れでも良い。また、前記半球状レンズと前記基板の接合方法は、表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマやオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長λに対して透明な接着剤による接合、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制される接合方法を用いることを特徴とする。

【0046】

尚、レンズに関して、基板の内接円の半径以上、外接円の半径程度の半径とするのは、製造工程と集光効率との関係に依存するものである。

【0047】

すなわち、半球状レンズの半径を外接円の半径と略等しくすることで、基板から出射される光を漏れなくレンズに集光することができる。但し、出射基板上に整列配置された素子の集積度を向上させるためには、半球状レンズの半径を、内接円の半径程度にすると良い。

【0048】

上記に記載の深紫外ＬＥＤの製造方法において、光取出し効率を最適化する方法として、光線追跡法の任意の立体角における光取出し効率にＦＤＴＤ法で得られる同じ立体角における光取出し効率増減率の倍率を掛け合わせて補間することによりサブｎｍから数ｍｍに至る広いダイナミックレンジ領域解析を行うことを特徴とする計算方法を用いると良い。

【0049】

本発明は、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、波長λに対し透明な、ｐ型ＡｌＧａＮ層とを、基板とは反対側からこの順で有し、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を有し、前記フォトニック結晶周期構造は、フォトニックバンドギャップを有し、さらに、前記ｐ型コンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有することを特徴とする深紫外ＬＥＤである。

【0050】

本発明は、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層（例えばＡｌ）と、極薄膜金属層（例えばＮｉ層（１ｎｍ程度））と、ｐ型コンタクト層とを、基板（例えばサファイア基板）とは反対側からこの順で有し、さらに、前記ｐ型コンタクト層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は、前記基板の屈折率と空気の屈折率との平均値以上前記基板の屈折率以下であり、前記半球状レンズは、前記基板の内接円の半径以上、およそ外接円の半径程度の半径を有し、前記半球状レンズが前記基板裏面に接合された状態において、量子井戸層の中心を通る垂線と、量子井戸層の中心から基板裏面の内接円への接線とで囲まれた角度をθと定義した場合、Ｓｒ＝２π（１−ｃｏｓθ）で表現される立体角Ｓｒが、立体角に依存する光取出し効率が大きくなる変曲点に対応する立体角以上であるＳことを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。

【0051】

本発明の第５の観点によれば、設計波長をλとする深紫外ＬＥＤであって、反射電極層と、金属層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層と、波長λに対して透明な、ｐ型ＡｌＧａＮ層、多重量子障壁層、バリア層、量子井戸層とを、基板とは反対側からこの順で有し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の膜厚が３０ｎｍ以内で、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との界面を含み、前記基板方向において前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超えない厚さ方向の範囲内に設けられた複数の空孔を有する反射型フォトニック結晶周期構造を有し、前記空孔の基板方向の端面から量子井戸層までの距離が５０ｎｍ〜７０ｎｍ及びその深さｈが４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲において光取出し効率の極大値が得られ、かつ、前記反射型フォトニック結晶周期構造は、ＴＥ偏光成分に対して開かれるフォトニックバンドギャップを有し、前記設計波長λの光に対して前記フォトニック結晶周期構造の周期ａがブラッグの条件を満たし、かつ、ブラッグの条件式にある次数ｍは１≦ｍ≦５を満たし、前記空孔の半径をＲとした時、フォトニックバンドギャップが最大となるＲ／ａを満たすことを特徴とする。さらに、前記基板裏面には、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層側の前記基板裏面に接合される波長λに対して透明な半球状レンズを有し、前記半球状レンズの屈折率は前記基板の屈折率に等しいことを特徴とする深紫外ＬＥＤが提供される。

【0052】

本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号２０１５−１７３８３４号および日本国特許出願番号２０１５−２１８５３２号の開示内容を包含する。

【発明の効果】

【0053】

本発明によれば、深紫外ＬＥＤにおけるＬＥＥ及びＷＰＥを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0054】

【図1】透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含む深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図2A】図１のＬＥＤにサファイアレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図2B】接合レンズと基板との関係を示す平面図であり、図２Ｂ（ａ）は、接合レンズが基板の内接内となっている関係を示し、図２Ｂ（ｂ）は、接合レンズが基板の外接円となっている関係を示す図である。

【図3】ｐ型ＧａＮコンタクト層を有する従来型の深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図4】図３のＬＥＤにサファイアレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図5】図５（ａ）、（ｂ）は、光線追跡法によるＬＥＤ素子とレンズ接合（内接円）の有無とＬＥＥの関係を示す図である。

【図6】図６（ａ）、（ｂ）は、光線追跡法によるＬＥＤ素子とレンズ接合（外接円）の有無とＬＥＥの関係を示す図である。

【図7】透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を有するＬＥＤに石英ガラスレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図8】ｐ型ＧａＮコンタクト層を有する従来型ＬＥＤに石英ガラスレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図9】図９（ａ）、（ｂ）は、光線追跡法による接合レンズ（内接円）屈折率とＬＥＥの関係を示す図である。

【図10】図１０（ａ）、（ｂ）は、光線追跡法による接合レンズ（外接円）屈折率とＬＥＥの関係を示す図である。

【図11A】透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、反射型フォトニック結晶、石英ガラスレンズ接合を有する深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図11B】図１１Ａの反射型フォトニック結晶の構成例を示す平面図である。

【図11C】図１１Ａの変形例による深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図12】図１１のＬＥＤにおいて、石英ガラスレンズをサファイアレンズにした深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図13】ホールフォトニック結晶のＴＥ光に関するフォトニックバンドギャップとＲ／ａの関係を示す図である。

【図14】ホールフォトニック結晶のＴＭ光に関するフォトニックバンドギャップとＲ／ａの関係を示す図である。

【図15】反射型フォトニック結晶とレンズ接合を有する深紫外ＬＥＤの設計方法に関して、フォトニック結晶設計の計算方法の一例を示すフローチャート図である。

【図16】フォトニック結晶とレンズ接合を有するＦＤＴＤ用計算モデルにおいて、立体角の定義を示す図である。

【図17A】図１７Ａ（ａ）、（ｂ）は、図９の横軸である基板厚さに立体角１．６６及び３．８５に相当する基板厚さを付加した図である。

【図17B】図１７Ｂ（ａ）、（ｂ）は、図１０の横軸である基板厚さに立体角１．６６及び３．８５に相当する基板厚さを付加した図である。

【図18A】図１８Ａ（ａ）、（ｂ）は、図１７Ａの横軸である基板厚さを立体角に変えた図である。

【図18B】図１８Ｂ（ａ）、（ｂ）は、図１７Ｂの横軸である基板厚さを立体角に変えた図である。

【図19A】図１９Ａ（ａ）、（ｂ）は、サファイアレンズ接合（内接円）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率を示す図である。

【図19B】図１９Ｂ（ａ）、（ｂ）は、サファイアレンズ接合（外接円）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率を示す図である。

【図20A】図２０Ａ（ａ）、（ｂ）は、図１９Ａの放射パターンを示す図である。

【図20B】図２０Ｂ（ａ）、（ｂ）は、図１９Ｂの放射パターンを示す図である。

【図21A】図２１Ａ（ａ）、（ｂ）は、石英ガラスレンズ接合（内接円）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図21B】図２１Ｂ（ａ）、（ｂ）は、石英ガラスレンズ接合（外接円）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図22】ｐ型ＧａＮコンタクト層に反射型フォトニック結晶周期構造を有するＬＥＤに石英ガラスレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図23】図２２の石英ガラスレンズをサファイアレンズに置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図24A】図２４Ａ（ａ）、（ｂ）は、サファイアレンズ接合（内接円）ｐ型ＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率を示す図である。

【図24B】図２４Ｂ（ａ）、（ｂ）は、サファイアレンズ接合（外接円）ｐ型ＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率を示す図である。

【図25A】図２５Ａ（ａ）、（ｂ）は、図２４Ａの放射パターンを示す図である。

【図25B】図２５Ｂ（ａ）、（ｂ）は、図２４Ｂの放射パターンを示す図である。

【図26A】図２６Ａ（ａ）、（ｂ）は、石英ガラスレンズ接合（内接円）ｐ型ＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図26B】図２６Ｂ（ａ）、（ｂ）は、石英ガラスレンズ接合（外接円）ｐ型ＧａＮコンタクト層フォトニック結晶の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図27A】透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に反射型フォトニック結晶周期構造とＡｌＮ結合ピラーを有するＬＥＤに石英ガラスレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27B】図２７ＡのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27C】図２７Ａの石英ガラスレンズをサファイアレンズに置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27D】図２７ＣのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27E】ＡｌＮ結合ピラーを有するＬＥＤに石英ガラスレンズを接合した深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27F】図２７ＥのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27G】図２７Ｅの石英ガラスレンズをサファイアレンズに置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27H】図２７ＧのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27I】図２７Ａの透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、極薄膜Ｎｉ層、Ａｌ反射電極層をｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｎｉ層、Ａｕ反射電極層に置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27J】図２７ＩのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27K】図２７Ｃの透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、極薄膜Ｎｉ層、Ａｌ反射電極層をｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｎｉ層、Ａｕ反射電極層に置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27L】図２７ＫのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27M】図２７Ｅの透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、極薄膜Ｎｉ層、Ａｌ反射電極層をｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｎｉ層、Ａｕ反射電極層に置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27N】図２７ＭのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図27O】図２７Ｇの透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、極薄膜Ｎｉ層、Ａｌ反射電極層をｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｎｉ層、Ａｕ反射電極層に置き換えた深紫外ＬＥＤの構造を示す図である。

【図27P】図２７ＯのＰＳＳ周期構造の配置例を示す平面図である。

【図28A】図２８Ａ（ａ）、（ｂ）は、ＦＤＴＤ法による透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の反射型フォトニック結晶周期構造とＡｌＮ結合ピラーと接合レンズ（内接円）の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図28B】図２８Ｂ（ａ）、（ｂ）は、ＦＤＴＤ法による透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の反射型フォトニック結晶周期構造とＡｌＮ結合ピラーと接合レンズ（外接円）の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図29A】図２９Ａ（ａ）、（ｂ）は、ＦＤＴＤ法による透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とＡｌＮ結合ピラーと接合レンズ（内接円）の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図29B】図２９Ｂ（ａ）、（ｂ）は、ＦＤＴＤ法による透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とＡｌＮ結合ピラーと接合レンズ（外接円）の光取出し効率増減率と放射パターンを示す図である。

【図30】フォトニック結晶周期構造、ＰＳＳ周期構造等を、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を用いて加工可能であることを示す図である。

【図31】図３１（ａ）から（ｃ）までは、図３０（ｂ）、図３０（ｅ）及び図３０（ｆ）の工程を行った際の実際のＳＥＭ写真である。

【図32A】本発明の第１２の実施の形態による、集積フォトニック効果深紫外ＬＥＤの一構成例を示す断面図である。

【図32B】図３２Ａに示すフォトニック結晶周期構造の平面図である。

【図33A】ＴＭ光フォトニックバンド構造を示す図である。

【図33B】ＴＥ光フォトニックバンド構造を示す図である。

【図34】集積フォトニック効果のＦＤＴＤ計算モデルを示す断面図である。

【図35】Ｆｌａｔ構造ＬＥＤの光線追跡法計算モデルを示す図である。

【図36A】集積フォトニック効果（光取出し効率の増減率）の量子井戸層までの距離依存性を示す図グラフである。

【図36B】集積フォトニック効果（光取出し効率）の量子井戸層までの距離依存性を示す図グラフである。

【図36C】集積フォトニック効果を示す図であり、放射パターンのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0055】

以下の、各実施の形態では、深紫外ＬＥＤのさらなる特性向上が可能な技術について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0056】

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの一例として、設計波長λを２８０ｎｍとするＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤの構造を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態による透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含む深紫外ＬＥＤは、図１の上から順番に、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層（活性層）５、バリア層６、電子ブロック層７、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８、極薄膜Ｎｉ層９、Ａｌ反射電極層１０、を有する。以下の例では、活性層として量子井戸層を用いた例を示すが、活性層としては、量子井戸構造に限定されない。

【0057】

そして、図２Ａに示すように、サファイア基板１に、例えば半球型のサファイアレンズ２０ａを接合した。

【0058】

図２Ｂは、接合レンズと基板１との関係を示す平面図であり、図２Ｂ（ａ）は、接合レンズ２０ａが矩形の基板１の内接円（多角形の内部にあり全ての辺に接する円）Ｃ１となっている位置関係を示し、図２Ｂ（ｂ）は、接合レンズ２０ａが矩形基板１の外接円（多角形のすべての頂点を通る円）となっている位置関係を示す図である。レンズ接合（内接円）とは、前者の位置関係を示し、レンズ接合（外接円）とは、後者の位置関係を示す。

【0059】

図３、図４は、一般的な深紫外ＬＥＤに設けられたｐ型ＧａＮコンタクト層を含む構造例を示す図であり、図１及び図２Ａと対比させて図３及び図４を示す。

【0060】

図３では、上から順番に、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａ、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂ、Ｎｉ層９ａ、Ａｕ反射電極層１０ａが設けられている。

【0061】

また、図４に示す構造では、上から順番に、図３に示す構造において、サファイア基板１上にサファイアレンズ２０ａを設けている。

【0062】

図１に示す透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８は波長λに対して透明であり、極薄膜Ｎｉ層９による光の吸収は小さく、Ａｌは光に対して９０％以上の高反射率を有する。従って、図３におけるｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂに対して、図１では、１．７倍程度のＬＥＥ増加効果が得られる。更に、極薄膜Ｎｉ層９、Ａｌ反射電極層１０を含む高反射電極構造で反射されたほとんどの光はサファイア基板１の表面から入射してサファイア基板１の裏面に接合された図２Ａの透明なサファイアレンズ２０ａから空気中に出射される。

【0063】

このサファイアレンズ２０ａは、例えば、サファイア基板１のおよそ内接円の半径以上外接円の半径程度の半径を有する半球状レンズであるために、サファイア基板１への入射角度分布があってもレンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0064】

このような効果のより具体的な説明として計算モデルを作成して、光線追跡法（表１の計算モデル）を用いて、ＬＥＤの光取出し効率を解析した。

【0065】

【表1】

【0066】

図５（レンズ半径が内接円の半径）及び図６（レンズ半径が外接円の半径）に示す光線追跡法による解析結果は次の通りである。

【0067】

Ａ：サファイアレンズ接合が有る場合
１）ｐ型ＧａＮコンタクト層及び透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層ともサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率がレンズ接合のないＬＥＤに比べて２倍以上大きい。
２）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のＬＥＤがｐ型ＧａＮコンタクト層のＬＥＤに対して光取出し効率が２倍以上大きい。
３）光取出し効率は基板の厚さに反比例して大きくなる。

【0068】

Ｂ：サファイアレンズ接合が無い場合
１）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のＬＥＤがｐ型ＧａＮコンタクト層のＬＥＤに対して光取出し効率が２倍以上大きい。
２）光取出し効率は、基板厚さに依存しない。

【0069】

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの一例として、設計波長λを２８０ｎｍとするＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤの構造を図７に示す。図７に示すように、本実施の形態によるＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤは、図２Ａの構造において、サファイア基板１上にサファイアレンズの代わりに石英ガラスレンズ２０ｂを設けている。

【0070】

図８は、従来型の深紫外ＬＥＤにあるｐ型ＧａＮコンタクト層を含む構造例を示す図である。図８では、図４の構造において、サファイア基板１上にサファイアレンズの代わりに石英ガラスレンズ２０ｂを設けた構造である。

【0071】

ここでは、サファイアと石英との材料の違いに起因するレンズ屈折率の違いと、光取出し効率との関係を検証する。第１の実施の形態と同様に、計算モデルを作成し、光線追跡法（表２参照）により解析を行い、その結果を図９（レンズ半径が内接円の半径）及び図１０（レンズ半径が外接円の半径）に示す。

【0072】

【表2】

【0073】

図９（レンズ半径が内接円の半径）及び図１０（レンズ半径が外接円の半径）の光線追跡法の結果は次の通りである。
１）ｐ型ＧａＮコンタクト層及び透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とも、石英ガラスレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率は、基板の厚さが１００μｍまでは基板の厚さに反比例して大きくなる。
２）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むＬＥＤではｐ型ＧａＮコンタクト層を含むＬＥＤに対して、２倍以上の光取出し効率を有する。

【0074】

第１の実施の形態から第２の実施の形態における結果を纏めると以下のようになる。 レンズ半径が接合する基板裏面の内接円の半径以上、外接円の半径程度の場合に、以下が成り立つ。
１）基板にレンズを接合すると、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層及びｐ型ＧａＮコンタクト層とも、光取出し効率は基板の厚さに反比例して大きくなる。
２）上記効果は、レンズの屈折率が基板の其れに近いほど効果的である。
３）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の光取出し効率は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の２倍以上となる。
４）基板にレンズ接合の無い場合、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層及びｐ型ＧａＮコンタクト層とも、光取出し効率は基板の厚さに依存しない。

【0075】

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの一例として、設計波長λを２８０ｎｍとするＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤの構造を図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃに示す。図１１Ａに示すように、本実施の形態によるＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤは、石英ガラスレンズ２０ｂ、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８、極薄膜Ｎｉ層９、Ａｌ反射電極層１０に加えて、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（ホール）１０１を有する。図１１Ａでは、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８の厚さ方向の範囲内に、フォトニック結晶周期構造１００が形成されている。

【0076】

フォトニック結晶周期構造１００の構造体は、例えば、大きな屈折率の媒体中に小さな屈折率の構造を形成した第１の構造体であり、例えばホール１０１が形成された構造体である。図１１Ｂに例示するように、ホール１０１は、２次元平面において、半径Ｒ、周期ａ、深さｈ（図示せず）で形成されている。

【0077】

また、図１２に示す深紫外ＬＥＤは、サファイアレンズ２０ａ、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８、極薄膜Ｎｉ層９、Ａｌ反射電極層１０に加えて、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（ホール）１０１を有する。図１２では、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８の厚さ方向の範囲内に、フォトニック結晶周期構造１００が形成されている。

【0078】

深紫外ＬＥＤは、Ａｌ反射電極層１０と、極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ程度）９と、波長λに対して透明な透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト８層とを、サファイア基板１とは反対側からこの順で有し、少なくとも透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８の厚さ方向に、或いは、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８から極薄膜Ｎｉ層９を含むＡｌ反射電極層１０との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を有するフォトニック結晶周期構造１００を有し、かつ、サファイア基板１の裏面には、サファイア基板１の内接円の半径以上およそ外接円の半径程度の半径を有する波長λに対して透明な半球型の石英ガラスレンズ２０ｂ（図１１Ａ）或いは、サファイアレンズ２０ａ（図１２）が接合されたことを特徴とする深紫外ＬＥＤである。

【0079】

フォトニック結晶周期構造は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８と電子ブロック層７の界面に到達していない構造である。フォトニック結晶周期構造１００を３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度残さないと、フォトニック結晶周期構造１００を形成する際のドライエッチングによる電子ブロック層７に損傷を与える可能性があるためである。

【0080】

尚、実際にデバイスを作成するプロセス上の観点から見た本実施の形態の変形例として、図１１Ｃに示すように、フォトニック結晶周期構造は、極薄膜Ｎｉ層９を貫通してＡｌ反射電極層１０内に達しているが、Ａｌ反射電極層１０と空気の界面までは到達していない構造であってもよい。

【0081】

反射型フォトニック結晶周期構造１００は、ＰＢＧを有することにより波長λの光を数回の多重反射で効率よく反射させることができる。

【0082】

もし光が透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８を僅かに透過した場合、極薄膜Ｎｉ層９による光の吸収は小さく、Ａｌ反射電極層１０は光に対して９０％以上の高反射率を有するので、フォトニック結晶周期構造１００の設けられていないＡｌ反射電極層単体の場合に比較して大きなＬＥＥを実現することが可能となる。

【0083】

さらに、反射型フォトニック結晶周期構造１００で反射された光のうちのほとんどは、サファイア基板１表面から入射してサファイア基板１裏面に接合された透明なレンズ２０ａ又は２０ｂから空気中に出射される。このレンズ２０ａ又は２０ｂは半球状レンズであるために、サファイア基板１への入射角度分布があっても、レンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0084】

また、この半球状レンズ２０ａ又は２０ｂと、フォトニック結晶周期構造１００及び透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８と極薄膜Ｎｉ層９とＡｌ反射電極層１０との相乗効果により、ＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0085】

上記のフォトニック結晶周期構造１００を有する構造においては、量子井戸層５で発光した波長２８０ｎｍの深紫外光は、ＴＥ光とＴＭ光とが楕円偏光しながら媒質中を伝搬する。その偏光度は０．２９である。そして、このフォトニック結晶周期構造１００がフォトニックバンドギャップを有し、底面部において、異なる屈折率をもつ透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８と空気を２つの構造体として形成され、これら構造体の平均屈折率をｎ_ａｖ（ｎ_ａｖは、周期ａと円孔の半径Ｒの関数）、周期ａとした場合に、次式（１）で示すブラッグ散乱条件を満たす時、このフォトニック結晶周期構造に入射したＴＥ光は反射されＴＭ光は透過される。
ｍλ／ｎ_ａｖ＝２ａ （１）

【0086】

そして、円孔の半径Ｒと周期ａの比であるＲ／ａ、設計波長λ及び２つの構造体の屈折率ｎ_１とｎ_２に対応する各構造体の誘電率ε_１及びε_２を用いて、平面波展開法によりＴＥ光及びＴＭ光のフォトニックバンド構造を解析する。具体的には次式（２）、（３）で示すマクスウエルの波動方程式に入力し、その固有値計算を行う。

【0087】

【数1】

【0088】

【数2】

【0089】

但し、Ｅ′＝｜ｋ＋Ｇ｜Ｅ（Ｇ）、ε：比誘電率、Ｇ:逆格子ベクトル、ｋ:波数、ω：周波数、ｃ:光速、Ｅ:電界である。

【0090】

Ｒ／ａを変数として、０．０１のステップで０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０の範囲でＴＥ光のフォトニックバンド構造を求め、フォトニックバンドギャップが確認できる第１フォトニックバンド（１_ｓｔＰＢ）と第２フォトニックバンド（２_ｎｄＰＢ）間のフォトニックバンドギャップをＰＢＧ１、第７フォトニックバンド（７_ｔｈＰＢ）と第８フォトニックバンド（８_ｔｈＰＢ）間のフォトニックバンドギャップをＰＢＧ４として、各ＰＢＧとＲ／ａの関係を求める。その結果を図１３に示す。

【0091】

同様にＴＭ光のフォトニックバンド構造を求め、１_ｓｔＰＢと２_ｎｄＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ１、３_ｒｄＰＢと４_ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ２、５_ｔｈＰＢと６_ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ３、７_ｔｈＰＢと８_ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ４として各ＰＢＧとＲ／ａの関係を求める。その結果を図１４に示す。

【0092】

フォトニック結晶における状態密度（ρ）とは、どの周波数にどれだけのフォトンが存在できる状態が存在するかを示したものである。一様な媒質では状態密度は周波数に対して単調増加を示すだけであるが、フォトニック結晶においてはフォトニックバンドギャップの周波数領域ではρ（ω）＝０となる。フォトニックバンドギャップ付近での状態密度の急峻な変化や、その他の周波数の領域での鋭いピークは群速度がゼロとなることに起因している。そして、この群速度がゼロとなる代表的な対称点は、Ｍ点で２つの波がブラッグの回折により光の伝搬方向を変化させて定在波を作る。そしてこの状態密度の急峻な変化率はフォトニックバンドギャップの大きさにほぼ比例している。

【0093】

そこで、フォトニックバンドギャップの大きさと反射・透過効果の関係、並びに、深紫外ＬＥＤにおける光取出し効率（ＬＥＥ）増減率をＦＤＴＤ法による解析で求め、ＬＥＥ増減率が最大となるフォトニック結晶の直径ｄ、周期ａ及び深さｈを得る。

【0094】

より詳細な処理フローを図１５に示す。
（ステップＳ０１）
周期構造パラメータである周期ａと構造体の半径Ｒの比（Ｒ／ａ）を仮決定する。
（ステップＳ０２）
第１の構造体のそれぞれの屈折率ｎ_１とｎ_２、及びこれらとＲ／ａから平均屈折率ｎ_ａｖを算出し、これをブラッグ条件の式に代入し、次数ｍごとの周期ａと半径Ｒを得る。
（ステップＳ０３）
Ｒ／ａ及び波長λ並びに前記屈折率ｎ_１、ｎ_２から得られる各構造体の誘電率ε_１及びε_２を用いた平面波展開法により、ＴＥ光のフォトニックバンド構造を解析する。
（ステップＳ０４）
ＴＥ光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のＰＢＧが存在するまで、前記仮決定のＲ／ａの値を変えて繰り返す。
（ステップＳ０５）
ＰＢＧを有するＲ／ａについて、ブラッグ条件の次数ｍに応じた個別の周期ａ及び半径Ｒ、並びに、任意の周期構造の深さｈを変数として行うＦＤＴＤ法によるシミュレーション解析により、前記波長λに対する光取出し効率増減率を求める。
（ステップＳ０６）
ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを繰り返し行うことにより、波長λに対する光取出し効率増減率が最大となるブラッグ条件の次数ｍと、その次数ｍに対応する周期構造パラメータの周期ａ、半径Ｒ、及び、深さｈを決定する。

【0095】

これらの値は、ブラッグ散乱の式（式（１））において、波長λと周期ａの値が近くなる次数ｍを選択して求めれば良い。また、深さは周期ａ以上の深さｈを有することが望ましい。

【0096】

次に、本実施の形態について、より具体的に説明する。

【0097】

まず、フォトニック結晶のパラメータを設定するに当たり、ブラッグ散乱の式（式 （１）：ｍλ／ｎ_ａｖ＝２ａ）の次数ｍを決定する。

【0098】

一例として、Ｒ／ａ＝０．４０のｎ_ａｖを次式で計算する。
ｎ_ａｖ＝[ｎ_２^２＋（ｎ_１^２−ｎ_２^２）（２π／３^０．５）（Ｒ／ａ）^２]^０．５＝１．８３８ （４）
但し、ｎ_１＝１．０、ｎ_２＝２．５８３である。

【0099】

次に、λ＝２８０ｎｍ、ｎ_ａｖ＝１．８３８、ｍ＝１を式（１）に代入すると、ｍ＝１における周期ａ＝７６ｎｍが求まる。

【0100】

次に、０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０の範囲においてＲ／ａを変数として０．０５ステップで変化させて各Ｒ／ａにおける直径ｄ、周期ａを求めてフォトニック結晶を設計し、表３の計算モデルを作成してＦＤＴＤ法で解析を実施した。尚、フォトニック結晶の周期は発光波長に近い事が望ましいので、次数ｍ＝３、４を選択した。

【0101】

【表3】

【0102】

ここでは、サファイアレンズ接合フォトニック結晶ＬＥＤによる光取出し効率の最適化が目的となる。一般に、光線追跡法の解析領域はサブｍｍ以上で、最小膜厚が１μｍに限定されるが、ＬＥＤ構造内光源の出力に対する検出器に到達する光線数の比率から光取出し効率を直接計算する利点がある。一方、ＦＤＴＤ法は電磁界経時変化を直接計算するので、光取出し効率を直接計算できないので、その増減率を計算する。そして解析領域に関しては計算資源に大きく依存するがサブｎｍ〜約数十μｍ程度である。対象となるＬＥＤの構造は素子（数百μｍ）がパッケージ（数ｍｍ）に装着されているので、光取出し効率の精度の高い解析には上記二つの解析法で比較・補間しながら解析するのが好ましい。図１６にサファイアレンズ接合フォトニック結晶ＬＥＤのＦＤＴＤ用計算モデルを示す。点線上垂線は、量子井戸層中心Ｃ_１１を通っている。この垂線と、量子井戸層の中心Ｃ_１１からサファイア基板１に接合したサファイアレンズ２０ａの内接円への接線で囲まれた角度をθと定義した場合、立体角（Ｓｒ）は、Ｓｒ＝２π（１−ｃｏｓθ）で求められる。大きさが２桁以上異なる二つの解析法の計算モデルを比較する場合、立体角を基準にすれば光伝搬方向を考慮した解析が可能となる。

【0103】

尚、量子井戸層の中心Ｃ_１１とは、内接円Ｃ１又は外接円Ｃ２（図２Ｂ）の中心であって、量子井戸（活性層）５の厚さ方向の中間を指す。

【0104】

表３の計算モデルは立体角が１．６６及び３．８５である。この立体角を使って図９及び図１０の光線追跡法に使用した計算モデルの素子サイズ、サファイアレンズの半径から基板の厚さを計算すると立体角が１．６６の時１６０μｍ、立体角が３．８５の時６０μｍとなる。

【0105】

そこで、図９及び図１０に使用した計算モデルの基板の厚さ６０μｍと１６０μｍの時の光取出し効率をｐＡｌＧａＮサファイアレンズ、ｐＡｌＧａＮ石英ガラスレンズ、ｐＧａＮサファイアレンズ、ｐＧａＮ石英ガラスレンズについて光線追跡法で求めて図９及び図１０に追加すると図１７Ａ及び図１７Ｂが得られる。また、図１７Ａ及び１７Ｂの基板の厚さを立体角に置き換えると図１８Ａ及び図１８Ｂの光取出し効率と立体角の関係が得られる。この図から、いずれの場合も立体角が２．５までは立体角と光取出し効率には比例関係がある。特にサファイアレンズを接合した場合は、立体角の値の上限が伸びる。

【0106】

立体角１．６６は、計算モデルにおいて光取出し効率が急上昇する変曲点である。立体角が表面積を表すこと、表面積と光取出し効率とがほぼ比例の関係にあることから、変曲点１．６６以降は、表面積が増加するため光取出し効率もそれに伴って増加する。すなわち、Ｓｒ＝２π（１−ｃｏｓθ）で表現される立体角が、立体角に依存する光取出し効率が大きくなる変曲点に対応する立体角以上であることが好ましい。

【0107】

まず、ＦＤＴＤの計算結果について考察する。図１９Ａ（サファイアレンズ半径が内接円の半径）及び図１９Ｂ（サファイアレンズ半径が外接円の半径）には、表３の各Ｒ／ａにおける合計出力値（遠方界）の増減率のグラフを示す。更に図２０Ａ（サファイアレンズ半径が内接円の半径）及び図２０Ｂ（サファイアレンズ半径が外接円の半径）には、各Ｒ／ａにおける合計出力値（遠方界）の放射パターンを示す。

【0108】

上記の結果から、レンズ半径が内接円の半径以上外接円の半径程度におけるサファイアレンズ接合透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶ＬＥＤの傾向は以下のようになる。
１）次数ｍ＝３の場合、両立体角ともＲ／ａが０．３５で光取出し効率増減率が最大となる。ｍ＝４の場合は、両立体角ともＲ／ａが大きくなるに従い光取出し効率増減率が減少する。
２）立体角と光取出し効率増減率の関係は、両次数とも立体角が小さいほうが光取出し効率増減率が大きい。
３）角度分布に関しては、立体角が小さいほうが１０°以下の軸上方向に配光が集中している。

【0109】

上記の傾向から最適なフォトニック結晶は、サファイアレンズ半径が内接円の半径の場合、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．３５で光取出し効率増減率が最大となり、立体角が１．６６で４４％、立体角が３．８５で４２％となる。一方、サファイアレンズ半径が外接円の半径の場合、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．３５で両立体角とも光取出し効率増減率が最大の５１％となる。この値を図１８Ａ及び図１８Ｂの光取出し効率と立体角の関係に代入して、立体角１．６６及び３．８５における光取出し効率が次のように求められる。
（サファイアレンズ半径が内接円の半径の場合）
立体角１．６６：２０．２％×１．４４＝２９．１％
立体角３．８５：３７．３％×１．４２＝５３．０％
（サファイアレンズ半径が外接円の半径の場合）
立体角１．６６：２８．３％×１．５１＝４２．７％
立体角３．８５：３７．８％×１．５１＝５７．１％

【0110】

次に石英レンズ接合フォトニック結晶の光取出し効率を求める。図１８Ａ及び図１８Ｂよりサファイアレンズ接合の場合と光取出し効率と立体角の関係が類似しているので、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．３５の計算モデルを作成してＦＤＴＤ法で解析を実施した。この計算モデルは図１１Ａにある深紫外ＬＥＤの構造に対応する。解析結果を図２１Ａ及（石英ガラスレンズ半径が内接円の半径）び図２１Ｂ（石英ガラスレンズ半径が外接円の半径）に示す。
（石英ガラスレンズが内接円の半径の場合）
立体角１．６６、Ｒ／ａ＝０．３５ｍ３の光取出し効率増減率は、５２％
立体角３．８５、Ｒ／ａ＝０．３５ｍ３の光取出し効率増減率は、４９％となった。
（石英ガラスレンズが外接円の半径の場合）
立体角１．６６、Ｒ／ａ＝０．３５ｍ３の光取出し効率増減率は、５６％
立体角３．８５、Ｒ／ａ＝０．３５ｍ３の光取出し効率増減率は、６１％となった。

【0111】

そこで、この結果を図１８Ａ及び図１８Ｂの光取出し効率と立体角の関係に代入すると、
（石英ガラスレンズ半径が内接円の場合）
立体角１．６６：２４．７％×１．５２＝３７．５％
立体角３．８５：３０．１％×１．４９＝４４．８％
（石英ガラスレンズ半径が外接円の場合）
立体角１．６６：２７．０％×１．５６＝４２．１％
立体角３．８５：２９．７％×１．６１＝４７．８％が得られる。

【0112】

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの一例として、設計波長λを２８０ｎｍとするＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤの構造を図２２に示す。図２２に示すように、本実施の形態によるＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤは、石英ガラスレンズ２０ｂ、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａ、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂ、Ｎｉ層９ａ、Ａｕ反射電極層１０ａ、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（ホール）１０１を有する。

【0113】

また、図２３に示す深紫外ＬＥＤは、サファイアレンズ２０ａ、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａ、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂ、Ｎｉ層９、Ａｕ反射電極層１０ａ、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（ホール）１０１を有する。

【0114】

深紫外ＬＥＤは、Ａｕ反射電極層１０ａと、Ｎｉ層９ａと、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂと、波長λに対し透明な、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａとを、サファイア基板１とは反対側からこの順で有し、少なくともｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂとｐ型ＡｌＧａＮ層８ａとの界面を含み、サファイア基板１方向においてｐ型ＡｌＧａＮ層８ａを超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を有するフォトニック結晶周期構造１００を有し、かつ、サファイア基板１の裏面には、サファイア基板１の内接円の半径以上外接円の半径程度の半径を有する波長λに対して透明な半球型の石英ガラスレンズ２０ｂ（図２２）或いはサファイアレンズ２０ａ（図２３）が接合されたことを特徴とする深紫外ＬＥＤである。

【0115】

フォトニック結晶周期構造１００は、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａから始まり、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂ、Ｎｉ層９、を貫通してＡｕ反射電極層１０ａと空気の界面まで到達していない構造であってもよい。

【0116】

すなわち、少なくともｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂとｐ型ＡｌＧａＮ層８ａとの界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造１００であればよい。

【0117】

この構造であれば、ｐ型ＧａＮコンタクト層により低コンタクト抵抗が維持できる。また、反射型フォトニック結晶周期構造は、ＰＢＧを有することにより波長λの光を数回の多重反射で効率よく反射させることができる。従って、Ｎｉ層９と、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂにおける光の吸収を抑制することができる。

【0118】

更に、フォトニック結晶周期構造１００で反射されたほとんどの光は、サファイア基板１表面から入射してサファイア基板１裏面に接合された透明なレンズ２０ａ・２０ｂから空気中に出射される。このレンズは半球状レンズであるためにサファイア基板１への入射角度分布があっても、レンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0119】

また、この半球状レンズと反射型フォトニック結晶周期構造との相乗効果により、ＬＥＤにおけるＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0120】

本構造に搭載する反射型フォトニック結晶周期構造の計算及び設計指針は第３の実施の形態で記載した方法を踏襲する。

【0121】

但し、フォトニック結晶が深さ方向に占める割合はｐ型ＡｌＧａＮ層約５０％、ｐ型ＧａＮコンタクト層約５０％が好ましい。ｐ型ＡｌＧａＮ層の比率が増した、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層約７５％、ｐ型ＧａＮコンタクト層２５％が更に好ましい。前記フォトニック結晶周期構造の設計指針に基づいて計算モデルを作成してＦＤＴＤ法（表４）にて光取出し効率増減率を解析した。表４の各Ｒ／ａにおける合計出力値（遠方界）の増減率のグラフを図２４Ａ（サファイアレンズ半径が内接円の半径）及び図２４Ｂ（サファイアレンズ半径が外接円の半径）に示す。更に各Ｒ／ａにおける合計出力値（遠方界）の放射パターンを図２５Ａ（サファイアレンズ半径が内接円の半径）及び図２５Ｂ（サファイアレンズ半径が外接円の半径）に示す。

【0122】

【表4】

【0123】

上記の結果から、レンズ半径が内接円の半径以上外接円の半径程度におけるサファイアレンズ接合ｐ型ＧａＮコンタクト層フォトニック結晶ＬＥＤの傾向は以下のようになる。
１）両次数、両立体角ともＲ／ａが大きくなるに従い光取出し効率増減率が増加する。従って、図１３においてフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の大きさとＲ／ａは比例するので、ＰＢＧの大きさと光取出し効率増減率は比例する。
２）立体角と光取出し効率増減率の関係は、両次数とも立体角が小さいほうが光取出し効率増減率が大きい。
３）角度分布に関しては、立体角が小さいほうが１０°以下の軸上方向に配光が集中している。

【0124】

上記の傾向から最適なフォトニック結晶は、サファイアレンズ半径が内接円の半径の場合、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．４０で光取出し効率増減率が最大となり立体角１．６６で１０９％、立体角が３．８５で７８％となる。一方、サファイアレンズ半径が外接円の半径の場合、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．４０で立体角が１．６６で９７％、立体角３．８５で３４％となる。この値を図１８の光取出し効率と立体角の関係に代入して、立体角１．６６及び３．８５における光取出し効率が次のように求められる。
（サファイアレンズ半径が内接円の半径の場合）
立体角１．６６：７．８％×２．０９＝１６．３％
立体角３．８５：１７．２％×１．７８＝３０．６％
（サファイアレンズ半径が外接円の半径の場合）
立体角１．６６：１２．８％×１．９７＝２５．２％
立体角３．８５：１７．３％×１．３４＝２３．２％

【0125】

次に石英レンズ接合フォトニック結晶の光取出し効率を求める。図１８Ａ及び図１８Ｂよりサファイアレンズ接合の場合と光取出し効率と立体角の関係が類似しているので、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．４０の計算モデルを作成してＦＤＴＤ法で解析を実施した。この計算モデルは図２２にある深紫外ＬＥＤの構造に対応する。解析結果を図２６Ａ（石英レンズ半径が内接円の半径の場合）及び図２６Ｂ（石英レンズ半径が外接円の半径の場合）に示す。
（石英ガラスレンズが内接円の半径の場合）
立体角１．６６、Ｒ／ａ＝０．４０ｍ３の光取出し効率増減率は、８７％
立体角３．８５、Ｒ／ａ＝０．４０ｍ３の光取出し効率増減率は、７５％となった。
（石英ガラスレンズが外接円の半径の場合）
立体角１．６６、Ｒ／ａ＝０．４０ｍ３ の光取出し効率増減率は、８９％
立体角３．８５、Ｒ／ａ＝０．４０ｍ３ の光取出し効率増減率は、８３％となった。

【0126】

そこでこの結果を図１８Ａ及び図１８Ｂの光取出し効率と立体角の関係に代入すると、（石英ガラスレンズが内接円の半径の場合）
立体角１．６６：１１．２％×１．８７＝２０．９％
立体角３．８５：１３．８％×１．７５＝２４．２％
（石英ガラスレンズが外接円の半径の場合）
立体角１．６６：１２．５％×１．８９ ＝２３．６％
立体角３．８５：１３．５％×１．８３ ＝２４．７％が得られる。

【0127】

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの一例として、設計波長λを２８０ｎｍとするＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤの構造を図２７Ａ、Ｂ（ｓｆ１面の平面図、以下同様である。）、図２７Ｃ、Ｄに示す。図２７Ａ、Ｂに示すように、本実施の形態によるＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤは、石英ガラスレンズ２０ｂ、サファイア基板１、ＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー周期構造２００、ＰＳＳ２０１、ＡｌＮ結合ピラー２０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８、極薄膜Ｎｉ層９、Ａｌ反射電極層１０、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（ホール）１０１を有する。

【0128】

また、図２７Ｃ、Ｄに示す深紫外ＬＥＤは、サファイアレンズ２０ａ、サファイア基板１、ＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー周期構造２００、ＰＳＳ２０１、ＡｌＮ結合ピラー２０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、電子ブロック層７、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８、極薄膜Ｎｉ層９、Ａｌ反射電極層１０、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（ホール）１０１を有する。

【0129】

これらの深紫外ＬＥＤは、Ａｌ反射電極層１０と、極薄膜Ｎｉ層（１ｎｍ程度）９と、波長λに対して透明な透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８からこの順で有し、少なくとも透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８の厚さ方向に、或いは、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８から極薄膜Ｎｉ層９を含むＡｌ反射電極層１０との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を有するフォトニック結晶周期構造１００を有し、かつ、サファイア基板１の表面にはウエットエッチングで形成された三角円錐形状ＰＳＳと、ここからエピ成長された四角錐台或いは六角錐台形状のＡｌＮ結合ピラーを有し、かつ、サファイア基板１の裏面には、サファイア基板１の内接円の半径以上外接円の半径程度の半径を有する波長λに対して透明な半球型の石英ガラスレンズ２０ｂ（図２７Ａ、Ｂ）或いはサファイアレンズ２０ａ（図２７Ｃ、Ｄ）が接合されたことを特徴とする深紫外ＬＥＤである。

【0130】

フォトニック結晶周期構造１００は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８と電子ブロック層７の界面に到達していない構造である。フォトニック結晶周期構造１００を３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度残さないとドライエッチングによる電子ブロック層７の損傷の可能性があるためである。

【0131】

尚、実際にデバイスを作成するプロセス上の観点から見た本実施の形態の変形例として、図１１Ｃに示す構造と同様に、フォトニック結晶は、極薄膜Ｎｉ層９を貫通してＡｌ反射電極層１０内に達しているが、Ａｌ反射電極層１０と空気の界面までは到達していない構造であってもよい。

【0132】

反射型フォトニック結晶周期構造１００は、ＰＢＧを有することにより波長λの光を数回の多重反射で効率よく反射させる事ができる。ＰＳＳ由来結合ピラー周期構造２００は、サファイア基板１の表面に、例えば周期が１〜数μｍ程度のＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）周期構造（三角円錐形状又は円錐孔）２０１を有している。このような凹構造は、サファイア基板１の表面に形成したフォトレジスト等で形成されたＳｉＯ２のマスクパターンを用いてウエットエッチング法により表面を加工することにより形成することができる。尚、本明細書において、三角円錐とは、底面が円形の三角錐で、図２７Ａから図２７Ｈまでに図示した形状を指す。

【0133】

この凹構造に対して、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、ＰＳＳ由来結合ピラー周期構造体２００内に続いて、ＡｌＮ膜を数μｍ程度エピ成長する。すると、凹構造がＡｌＮ膜で埋まるとともに、その上の厚さ方向に、選択的にＡｌＮによる四角錐台或いは六角錐台のＡｌＮ結合ピラー２０２が形成される。最終的には上部でコアレッセンスされて繋がり平坦なエピ膜となる。

【0134】

量子井戸層５で発光した深紫外光が、形成されたこの構造によれば、量子井戸層５で発光した深紫外光が、四角錐台或いは六角錐台のＡｌＮ結合ピラー２０２を導波路として伝搬し、サファイア基板１に入射していくために、サファイア基板１とＰＳＳ周期構造体２００との界面における内部全反射を抑制し、光取出し効率が向上する。

【0135】

もし光が透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８を僅かに透過した場合、極薄膜Ｎｉ層９による光の吸収は小さく、Ａｌ反射電極層１０は光に対して９０％の高反射率を有するため、フォトニック結晶周期構造１００を設けないＡｌ反射電極層単体に比較して大きなＬＥＥを実現することが可能となる。

【0136】

更に、反射型フォトニック結晶周期構造１００で反射されたほとんどの光はサファイア基板１表面から入射してサファイア基板１裏面に接合された透明なレンズ２０ａ・２０ｂから空気中に出射される。このレンズ２０ａ・２０ｂは半球状レンズであるためにサファイア基板１への入射角度分布があっても、レンズ表面の法線方向に出射されるので、内部全反射を極力抑制することが可能となり、大きなＬＥＥを得ることができる。

【0137】

また、この半球状レンズと、フォトニック結晶周期構造及び透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と極薄膜Ｎｉ層とＡｌ反射電極層との相乗効果により、ＬＥＥ効果を増大させることが可能となる。

【0138】

前記フォトニック結晶とＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラーを有する計算モデルを作成してＦＤＴＤ法（表５）にて光取出し効率増減率を解析した。解析結果を図２８Ａ（レンズ半径が内接円の半径の場合）及び図２８Ｂ（レンズ半径が外接円の半径の場合）に示す。

【0139】

【表5】

【0140】

放射パターンの結果から、レンズ半径が内接円の半径以上外接円の半径程度における透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶とＡｌＮ結合ピラーとレンズ接合では、１０°以下、特に２°以下の軸上方向の配光性が改善される。
（サファイアレンズ半径が内接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶とＡｌＮ結合ピラーとサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は−９％となった。従ってこの値を第３の実施の形態で計算した立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮフォトニック結晶とサファイアレンズ接合ＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると５３．０％×０．９１＝４８．２ ％が得られる。
（サファイアレンズ半径が外接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶とＡｌＮ結合ピラーとサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は−１０％となった。従ってこの値を第３の実施の形態で計算した立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮフォトニック結晶とサファイアレンズ接合ＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると５７．１％×０．９＝５１．４％が得られる。
（石英ガラスレンズ半径が内接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶とＡｌＮ結合ピラーと石英ガラスレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は−４％となった。従って上記と同様に立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮフォトニック結晶と石英ガラスレンズ接合ＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると４４．８％×０．９６＝４３．０％が得られる。
（石英ガラスレンズ半径が外接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶とＡｌＮ結合ピラーと石英ガラスレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は−６％となった。従って上記と同様に立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮフォトニック結晶と石英ガラスレンズ接合ＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると４７．８％×０．９４＝４４．９％が得られる。

【0141】

（第６の実施の形態）
図２７Ｅ、Ｆ、図２７Ｇ、Ｈは、第５の実施の形態において例示した図２７Ａ、Ｂ図、２７Ｃ、Ｄに対応する図であり、レンズとＡｌＮ結合ピラーを有するが、フォトニック結晶周期構造が形成されていない例を示す図である。

【0142】

この図に基づいて計算モデル（表６参照）を作成してＦＤＴＤ法にて解析を行った。解析結果を図２９Ａ（レンズ半径が内接円の半径の場合）及び図２９Ｂ（レンズ半径が外接円の半径の場合）に示す。

【0143】

【表6】

【0144】

レンズ半径が内接円の半径以上外接円の半径程度における透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とＡｌＮ結合ピラーとレンズ接合では、１０°以下、特に２°以下の軸上方向の配光性が改善される。
（サファイアレンズ半径が内接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むＡｌＮ結合ピラーとサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は−４％となった。従ってこの値を図１８Ａの立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると３７．３％×０．９６＝３５．８％が得られる。
（サファイアレンズ半径が外接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むＡｌＮ結合ピラーとサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は−１％となった。従ってこの値を図１８の立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むサファイアレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると３７．８％×０．９９＝３７．４％が得られる。
（石英ガラスレンズ半径が内接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むＡｌＮ結合ピラーと石英ガラスレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は６％となった。従って上記と同様に立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と石英ガラスレンズ接合ＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると３０．１％×１．０６＝３１．９％が得られる。
（石英ガラスレンズ半径が外接円の半径の場合）
透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を含むＡｌＮ結合ピラーと石英ガラスレンズ接合のＬＥＤの光取出し効率増減率は１１％となった。従って上記と同様に立体角が３．８５の透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と石英ガラスレンズ接合ＬＥＤの光取出し効率の値に代入すると２９．７％×１．１１＝３３．０％が得られる。

【0145】

第３から第６の実施の形態の結果を纏めると以下のようになる。

【0146】

レンズ半径が、接合される基板裏面の内接円の半径以上外接円の半径程度の場合、次の法則が成り立つ。
１）透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層フォトニック結晶に接合するサファイアレンズ或いは石英ガラスレンズを有するＬＥＤの光取出し効率増減率は、次数ｍ＝３、Ｒ／ａ＝０．３５で設計されたフォトニック結晶が大きい。
２）ｐ型ＧａＮコンタクト層フォトニック結晶に接合するサファイアレンズ或いは石英ガラスレンズを有するＬＥＤの光取出し効率増減率は、フォトニックバンドギャップの大きさとＲ／ａが比例し、Ｒ／ａの大きさと光取出し効率増減率が比例する。
３）サファイアレンズ接合ＬＥＤの角度分布は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層やｐ型ＧａＮコンタクト層の何れも立体角が小さいほうが、１０°以下の軸上方向に配光が集中している。
４）石英ガラスレンズ接合ＬＥＤの角度分布は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層やｐ型ＧａＮコンタクト層などコンタクト層の種類及び立体角の大きさに関係なく、１０°以下の軸上方向には配光が集中しない。
５）ＡｌＮ結合ピラーはサファイアレンズや石英ガラスレンズなどレンズの種類に関係なく、１０°以下、特に２°以下の軸上方向に配光が集中する。
６）ＦＤＴＤ法の立体角と同じ光線追跡法の立体角でデータを比較・補間する事により、解析領域をサブｎｍ〜数ｍｍに広げて光取出し効率を得る事が可能となる。従って、ＬＥＤ素子からパッケージ構造に至る範囲で、光取出し効率を最大にするためのフォトニック結晶の設計最適化に指針を与える事が可能となる。

【0147】

第３から第６の実施の形態の各深紫外ＬＥＤの光取出し効率の解析結果を表７に纏める。

【0148】

【表7】

【0149】

透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に反射型フォトニック結晶を形成し、サファイアレンズ接合と組み合わせて立体角が大きくなるようサファイア基板の厚さを調整することにより最大で６０％もの光取出し効率が得られる。

【0150】

また、本実施の形態による手法を用いることで、ＬＥＤ素子からパッケージ構造に至る範囲で、光取出し効率を最大にするためのフォトニック結晶の設計最適化に指針を与えることが可能となる。

【0151】

（第７の実施の形態）
図２７Ｉ、Ｊ、図２７Ｋ、Ｌは、第５の実施の形態において例示した図２７Ａ、Ｂ、図２７Ｃ、Ｄに対応する図であり、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、極薄膜Ｎｉ層、Ａｌ反射電極層をｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｎｉ層、Ａｕ反射電極層に置き換えた例を示す図である。

【0152】

（第８の実施の形態）
図２７Ｍ、Ｎ、図２７Ｏ、Ｐは、第６の実施の形態において例示した図２７Ｅ、Ｆ、図２７Ｇ、Ｈに対応する図であり、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、極薄膜Ｎｉ層、Ａｌ反射電極層を、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｎｉ層、Ａｕ反射電極層に置き換えた例を示す図である。

【0153】

（第９の実施の形態）
反射型フォトニック結晶とレンズ接合とを有する深紫外ＬＥＤの設計方法に関して、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を有するフォトニック結晶設計の計算方法は、例えば以下のようになる。

【0154】

すなわち、フォトニック結晶周期構造がフォトニックバンドギャップを有し、底面部において、異なる屈折率をもつ透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層と空気を２つの構造体として形成され、これら構造体の平均屈折率をｎ_ａｖ（ｎ_ａｖは、周期ａと前記円孔の半径Ｒの関数）、周期ａとした場合に、次式（１）で示すブラッグ散乱条件を満たす時、このフォトニック結晶周期構造に入射したＴＥ光は反射されＴＭ光は透過される。
ｍλ／ｎ_ａｖ＝２ａ （１）

【0155】

そして、円孔の半径Ｒと周期ａの比であるＲ／ａ、設計波長λ及び前記２つの構造体の屈折率ｎ_１とｎ_２に対応する各構造体の誘電率ε_１及びε_２を用いて、平面波展開法によりＴＥ光及びＴＭ光のフォトニックバンド構造を解析する。具体的には次式（２）、（３）で示すマクスウエルの波動方程式に入力し、その固有値計算を行う。

【0156】

【数3】

【0157】

【数4】

【0158】

但し、Ｅ′＝｜ｋ＋Ｇ｜Ｅ（Ｇ）、ε：比誘電率、Ｇ:逆格子ベクトル、ｋ:波数、ω：周波数、ｃ:光速、Ｅ:電界である。

【0159】

Ｒ／ａを変数として、０．０１のステップで０．２０≦Ｒ／ａ≦０．４０の範囲でＴＥ光のフォトニックバンド構造を求め、フォトニックバンドギャップが確認できる第１フォトニックバンド（１_ｓｔＰＢ）と第２フォトニックバンド（２_ｎｄＰＢ）間のフォトニックバンドギャップをＰＢＧ１、第７フォトニックバンド（７_ｔｈＰＢ）と第８フォトニックバンド（８_ｔｈＰＢ）間のフォトニックバンドギャップをＰＢＧ４として、各ＰＢＧとＲ／ａの関係を求める。図１３は、その結果を示す図である。

【0160】

同様にＴＭ光のフォトニックバンド構造を求め、１_ｓｔＰＢと２_ｎｄＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ１、３_ｒｄＰＢと４_ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ２、５_ｔｈＰＢと６_ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ３、７_ｔｈＰＢと８_ｔｈＰＢ間のＰＢＧをＰＢＧ４として各ＰＢＧとＲ／ａの関係を求める。図１４は、その結果を示す図である。

【0161】

フォトニック結晶周期構造における状態密度（ρ）とは、どの周波数にどれだけのフォトンが存在できる状態が存在するかを示したものである。一様な媒質では状態密度は周波数に対して単調増加を示すだけであるが、フォトニック結晶においてはフォトニックバンドギャップの周波数領域ではρ（ω）＝０となる。フォトニックバンドギャップ付近での状態密度の急峻な変化や、その他の周波数の領域での鋭いピークは群速度がゼロとなることに起因している。そして、この群速度がゼロとなる代表的な対称点は、Ｍ点で２つの波がブラッグの回折により光の伝搬方向を変化させて定在波を作る。そしてこの状態密度の急峻な変化率はフォトニックバンドギャップの大きさにほぼ比例している。

【0162】

そこで、フォトニックバンドギャップの大きさと反射・透過効果の関係、並びに、深紫外ＬＥＤにおける光取出し効率（ＬＥＥ）増減率をＦＤＴＤ法による解析で求め、ＬＥＥ増減率が最大となるフォトニック結晶の直径ｄ、周期ａ及び深さｈを得る。

【0163】

より詳細な計算処理フローを図１５に示す。
（ステップＳ０１）
フォトニック結晶周期構造の周期構造パラメータである周期ａと構造体の半径Ｒの比（Ｒ／ａ）を仮決定する。
（ステップＳ０２）
例えば、大きな屈折率の媒体中に小さな屈折率の構造を形成した第１の構造体であり、例えば１０１ホールが形成された構造体である第１の構造体のそれぞれの屈折率ｎ_１とｎ_２、及びこれらとＲ／ａから平均屈折率ｎ_ａｖを算出し、これをブラッグ条件の式に代入し、次数ｍごとの周期ａと半径Ｒを得る。
（ステップＳ０３）
Ｒ／ａ及び波長λ並びに前記屈折率ｎ_１、ｎ_２から得られる各構造体の誘電率ε_１及びε_２を用いた平面波展開法により、ＴＥ光のフォトニックバンド構造を解析する。
（ステップＳ０４）
ＴＥ光の第一フォトニックバンドと第二フォトニックバンド間のＰＢＧが存在するまで仮決定のＲ／ａの値を変えて繰り返す。
（ステップＳ０５）
ＰＢＧを有するＲ／ａについて、ブラッグ条件の次数ｍに応じた個別の周期ａ及び半径Ｒ、並びに、任意の周期構造の深さｈを変数として行うＦＤＴＤ法によるシミュレーション解析により、前記波長λに対する光取出し効率増減率を求める。
（ステップＳ０６）
ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを繰り返し行うことにより、波長λに対する光取出し効率増減率が最大となるブラッグ条件の次数ｍと、その次数ｍに対応する周期構造パラメータの周期ａ、半径Ｒ、及び、深さｈを決定する。

【0164】

これらの周期構造パラメータの値は、ブラッグ散乱の式（式（１））において、波長λと周期ａの値が近くなる次数ｍを選択して求めれば良い。また、深さは周期ａ以上の深さｈを有することが望ましい。そして、ＦＤＴＤ法の立体角と同じ光線追跡法の立体角でデータを比較・補間する事により、解析領域をサブｎｍ〜数ｍｍに広げて光取出し効率を得る事が可能となる。従って、ＬＥＤ素子からパッケージ構造に至る範囲で、光取出し効率を最大にするためのフォトニック結晶の設計最適化に指針を与えることが可能となる。

【0165】

尚、ｐ型ＧａＮコンタクト層を有するフォトニック結晶設計の計算方法は、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を有するフォトニック結晶設計の計算方法と同様であるが、下記の点が異なる。

【0166】

すなわち、フォトニック結晶が深さ方向に占める割合はｐ型ＡｌＧａＮ層約５０％、ｐ型ＧａＮコンタクト層約５０％が好ましい。ｐ型ＡｌＧａＮ層の比率が増した、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層約７５％、ｐ型ＧａＮコンタクト層約２５％が更に好ましい。

【0167】

これにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層を有するフォトニック結晶設計を行うことができる。

【0168】

フォトニック結晶周期構造におけるフォトニックバンドギャップは、ＴＥ偏光成分に対し開かれていることが好ましい。

【0169】

また、フォトニック結晶周期構造は、その深さｈを周期ａの２／３ａ以上とすることが好ましく、さらに、その深さｈを前記周期ａ以上とすることが好ましい。

【0170】

また、その深さｈは、ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さ以上、ｐ型ＧａＮコンタクト層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との合計の厚さ以下、とすることが好ましく、ｐ型ＡｌＧａＮ層に加えて、さらに、基板側にｐ型ＡｌＧａＮ層よりもＡｌの組成の大きいｐ型ＡｌＧａＮ層を設けても良い。

【0171】

（第１０の実施の形態）
深紫外ＬＥＤの製造方法に関して、例えば、図２２に示すように、設計波長をλとし、反射電極層１０ａと、金属層９ａと、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂと、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａとを、基板１とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、少なくとも前記ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂとｐ型ＡｌＧａＮ層８ａの界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、前記積層構造体上に、レジスト層を形成し、前記金型の構造を転写する工程と、前記レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程が提供される。

【0172】

或いは、深紫外ＬＥＤの製造方法であって、例えば、図１１Ｃに示すように、設計波長をλとし、Ａｌ反射電極層１０と、極薄膜Ｎｉ層９と、透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８とを基板１とは反対側からこの順で含有する積層構造体を準備する工程と、少なくとも透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８の厚さ方向、或いは透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８から前記極薄膜Ｎｉ層９を含むＡｌ反射電極層１０との界面を含む厚さ方向の範囲に設けられたフォトニック結晶周期構造を形成するための金型を準備する工程と、前記積層構造体上に、レジスト層を形成し、前記金型の構造を転写する工程と、前記レジスト層をマスクとして順次前記積層構造体をエッチングしてフォトニック結晶周期構造を形成する工程が提供される。

【0173】

そして上記いずれかのフォトニック結晶周期構造を形成する工程後に、ＬＥＤ素子サファイア基板側裏面に素子の外接円程度の半径を有する波長λに対して透明な半球状レンズが接合される工程を加えた深紫外ＬＥＤの製造方法が提供される。レンズの材料はサファイア基板の屈折率と空気の屈折率の平均値より大きな屈折率を有する材料が望ましい。サファイア、スピネル、石英ガラス、ＡｌＮ、封止樹脂など上記の条件を満足するのであれば何れでも良い。また、接合方法は、表面活性化接合（ＳＡＢ）、原子拡散接合（ＡＤＢ）、大気圧プラズマやオゾンガスによる表面改質後の接合、設計波長λに対して透明な接着剤による接合、接合界面において光の散乱及び吸収が抑制される方法であれば何れでも良い。

【0174】

以上の工程により、フォトニック結晶周期構造と、ＬＥＤ素子サファイア基板側裏面に素子の内接円の半径以上外接円の半径程度の半径を有する波長λに対して透明な半球状レンズを有する構造を製造することができる。

【0175】

（第１１の実施の形態）
以下、本発明の第１１の実施の形態について詳細に説明する。

【0176】

本発明の第１１の実施の形態は、上記の各実施の形態において説明したフォトニック結晶周期構造、ＰＳＳ周期構造等の微細構造を、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を用いて加工可能であることを示すものである。

【0177】

第１から第１０までの実施の形態によれば、周期構造を被加工物面上に大面積で一括転写にて加工することが好ましい。

【0178】

以下に、より詳細なナノインプリントリソグラフィー法によるフォトニック結晶周期構造及びＰＳＳ周期構造の転写技術を用いた製造方法について説明する。

【0179】

ナノインプリントは金型のフォトニック結晶パターンを基板上にスピンコートした有機レジストに大面積で一括転写する優れた技術を有する。また、樹脂フィルム金型を利用すれば基板が数百ミクロン程度反っていても転写が可能である。しかし、ナノインプリント用有機レジストは、流動性を重視するためにパターン被形成部である材料に対するエッチング選択比が必ずしも十分ではない。また、金型のパターンサイズとエッチング後のパターン被形成部サイズが一致しない。そこで、この問題を解決するために２層レジストを用いたプロセスを次のように実施する。
１）加工対象の構造体に対しエッチング選択比の大きい下層レジストをコートし、その上に流動性と酸素耐性を有する上層レジストとコートする、二層レジスト法を用いた転写技術を用いる。
２）また、転写には金型を用い、金型には樹脂フィルムを用いることも可能である。より具体的には、周期構造を形成する基板面上にこの基板に対しエッチング選択比の大きい、一例として、有機下層レジストをスピンコートする。次に、流動性と酸素耐性機能を有する、一例として、シリコン含有上層レジストを下層レジスト面上にスピンコートする。
３）次に、上層レジスト面上に金型を用いたナノインプリントリソグラフィー法を用いて、周期構造を転写する。
４）次に、周期構造が転写された上層レジストを酸素プラズマに曝し、酸素耐性を付与するとともに、ナノインプリント転写において残存した上層レジストの残膜を除去する。
５）次に、酸素耐性を有した上層レジストをマスクとして、有機下層レジストを酸素プラズマでエッチングし、基板のドライエッチングのためのマスクを形成する。
６）最後に、このマスクをエッチングマスクとして、基板をＩＣＰプラズマでドライエッチングする。

【0180】

以上の１）から６）までのステップが、基板に対して二層レジスト法を用いた転写技術である。

【0181】

尚、このプロセス技術を用いる場合には、下層レジストの膜厚を変化させることにより、金型上の周期構造の深さに対し１．５倍程度（サファイア基板の場合の例である。）のエッチング深さを被転写物上に得ることが可能である。

【0182】

さらに、エッチングマスクとしての酸素耐性を有したパターン転写された上層レジストを用い、これを介した、有機下層レジストの酸素プラズマエッチングにおいて、酸素プラズマ処理の各条件を変化させることにより、例えば、上層レジストによる下層レジストのマスク形成時の酸素プラズマ条件を変化させることにより、金型上の周期構造の直径に対し３０％程度のサイズの調整が可能である。

【0183】

この方法を用いれば、ナノインプリントリソグラフィー法において、精細な周期構造を被加工物面上に精度よく、正確に、かつ、制御可能な状態で再現することが可能となる。

【0184】

以下に、より具体的な工程例に図面を参照しながら詳細に説明する。良い光取出し効率を得るには、ｎｍオーダーの加工を計算通りに形成する必要がある。

【0185】

図３０は、本実施の形態による周期構造の製造工程の一例を示す図である。

【0186】

本実施の形態による深紫外ＬＥＤにおけるフォトニック結晶周期構造等の製造方法では、流動性とエッチング選択比の両方の特徴を兼ね備えた二層レジストを用いた、ナノインプリントリソグラフィー法による転写技術を利用する。この技術を用いて、ｎｍオーダーの微細なパターンを有するフォトニック結晶周期構造を一例として、サファイア基板に転写した。以下、図３０に沿って説明する。

【0187】

まず、図３０に示すように、上記各実施において最適化された周期構造を正確にサファイア基板上に再現するための金型を作成する。この金型は、図３０（ｂ）に示すように、基板８１の反りに追従できるよう樹脂製の金型を使用することもできる。

【0188】

次に、サファイア基板８１にエッチング選択比の大きい有機下層レジスト８３を厚さｇにてスピンコートする。なお、この厚さｇは、サファイア基板８１に対する下層レジスト８３のエッチング選択比に応じて選択的に決定する。その後、下層レジスト８３面上に流動性と酸素耐性機能を有するシリコン含有の上層レジスト８５を所定の厚さにてスピンコートする（図３０（ａ））。

【0189】

次に、上層レジスト８５に、金型のパターン８７・８９をナノインプリント装置を用いて転写する（図３０（ｂ））。

【0190】

次に、金型のパターン８７・８９が転写された上層レジスト８５を酸素プラズマに曝し、酸素耐性を付与するとともに、ナノインプリント転写において残存した上層レジストの残膜を除去する。（図３０（ｃ））。これにより、上層レジストパターン８５ａが形成される。

【0191】

次に、酸素耐性を有した上層レジストパターン８５ａをマスクとして、有機下層レジスト８３を酸素プラズマでエッチングし、サファイア基板８１をドライエッチングするためのパターンマスク８５ｂを形成する（図３０（ｄ））。尚、図３０（ｅ）に記載のパターンマスクのサファイア基板８１側の直径ｄ_１は、酸素プラズマの条件を調整することで、ｄ_１の３０％程度の範囲内で微調整することができる。

【0192】

次に、パターンマスクを介しＩＣＰプラズマでサファイア基板８１をドライエッチングし、サファイア基板８１に、本発明の各実施の形態により最適化された周期構造８１ａを形成することができる（図３０（ｅ））。

【0193】

周期構造がピラー構造による場合には、エッチング後の形状は図３０（ｆ）に示すとおり、概ねｄ_１＜ｄ_２の台形状となり、側壁角度は有機下層レジストのエッチング選択比に依存する。なお、有機下層レジストの厚さｇを変更すれば、容易にドライエッチング後のサファイア基板８１ａに形成するフォトニック結晶周期構造の深さを、金型の深さに対し１．５倍程度の深さとすることができる。

【0194】

また、金型の作り直しに代えて、パターンマスク形成時に直径ｄ_１を変更すると、周期構造の直径を３０％程度容易に変更することができる。従って、金型の製作時間をなくしコスト削減に寄与し、ひいては半導体発光素子の製造コスト上、大きなメリットとなる。

【0195】

なお、図３１（ａ）から（ｃ）までは、図３０（ｂ）、図３０（ｅ）及び図３０（ｆ）の工程を行った際の実際のＳＥＭ写真（ナノインプリントプロセスｐｈＣピラー断面ＳＥＭ）を、それぞれ「ナノインプリント」、「パターンマスク形成」、「ドライエッチング・アッシング」として示した。このように、きれいな周期構造を製造することができる
上記の各実施の形態によれば、深紫外ＬＥＤにおいて、ＬＥＥをより一層高めることができ、より高いＷＰＥ効率を達成することができる。

【0196】

（第１２の実施の形態）
本発明の第１２の実施の形態に係る深紫外ＬＥＤの一例として、集積フォトニック効果深紫外ＬＥＤの構造を図３２Ａに示す。図３２Ａに示すように、本実施の形態によるＡｌＧａＮ系深紫外ＬＥＤは、サファイアレンズ２０ａ、サファイア基板１、ＡｌＮバッファー層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、バリア層４、量子井戸層５、バリア層６、多重量子障壁層(電子ブロック層)７、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａ、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂ、Ｎｉ層９ａ、Ａｕ反射電極層１０ａ、フォトニック結晶周期構造１００、フォトニック結晶（空孔、ホール）１０１を有する。

【0197】

深紫外ＬＥＤは、Ａｕ反射電極層１０ａと、Ｎｉ層９ａと、ｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂと、設計波長λに対して透明な、ｐ型ＡｌＧａＮ層８ａとを、サファイア基板１とは反対側からこの順で有し、少なくともｐ型ＧａＮコンタクト層８ｂとｐ型ＡｌＧａＮ層８ａとの界面を含み、サファイア基板１方向においてｐ型ＡｌＧａＮ層８ａを超えない厚さ方向の範囲に設けられたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を有するフォトニック結晶周期構造１００を有し、かつ、サファイア基板裏面には、サファイア基板１の外接円程度の半径を有する波長λに対して透明な半球型のサファイアレンズ２０ａが接合されたことを特徴とする深紫外ＬＥＤである。すなわち、基板とレンズの両者の屈折率は同じである。そして、表面実装型パッケージに搭載されたＬＥＤ構造である。

【0198】

図３２Ｂにｘｙ平面図として示す通り、反射型フォトニック結晶周期構造１００は、円柱などの形状の、ｐ型ＡｌＧａＮ層やｐ型ＧａＮコンタクト層よりも屈折率が小さい空気などの半径がＲの円を断面とする空孔１０１が、ｘ方向及びｙ方向に沿って周期ａで三角格子状に形成されたホール構造を有する。また、空孔１０１は、ドライエッチングによる多重量子障壁層７の界面に到達していない構造であり、かつ、空孔１０１の基板方向の端面と量子井戸層５までの距離Ｇが、５０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲にある。さらに、反射型フォトニック結晶周期構造１００の深さｈが、４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲にある。

【0199】

上記の構造においては、量子井戸層５で発光した波長λの深紫外光はＴＥ光とＴＭ光が全方向に放射されて楕円偏光しながら媒質中を伝搬する。量子井戸層５の近傍に設けられたフォトニック結晶周期構造１００が、端面において異なる屈折率をもつｐ型ＡｌＧａＮ層８ａと空気を二つの構造体として形成され、空孔の半径Ｒと周期のａの比であるＲ／ａ＝０．４とした時、上記フォトニック結晶の充填率ｆは次式で計算されｆ＝２π／３^０．５×（Ｒ／ａ）^２＝０．５８となる。

【0200】

そして、空気の屈折率ｎ_１＝１．０、ｐ型ＡｌＧａＮの屈折率ｎ_２＝２．５８３、ｆ＝０．５８より等価屈折率ｎ_ｅｆｆは次式で計算されｎ_ｅｆｆ＝（ｎ_２^２＋（ｎ_１−ｎ_２）^２×ｆ）^０．５＝１．８３８が得られる。

【0201】

このフォトニック結晶周期構造におけるＴＭ光、ＴＥ光のフォトニックバンド構造を平面波展開法で求めると図３３Ａ及び図３３Ｂが得られる。

【0202】

図３３Ａに示すように、ＴＭ光ではフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）が観測されないが、図３３Ｂに示すように、ＴＥ光では第１フォトニックバンド（ω１ＴＥ）と第２フォトニックバンド（ω２ＴＥ）間に大きなＰＢＧが観測された。

【0203】

尚、Ｒ／ａ＝０．４は、発明者自身が発明し、国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０７１４５３号に記載した、「Ｒ／ａの大きさ、ＰＢＧの大きさ、光取出し効率増減率が其々比例する」という原理から採用した値である。

【0204】

ここで、発光波長λ＝２８０ｎｍ、Ｒ／ａ＝０．４、次数ｍ＝４とすると、ブラッグ散乱条件（ｍλ／ｎ_ｅｆｆ＝２ａ、但し、ｎ_ｅｆｆ：等価屈折率、ａ：周期、ｍ：次数）を満たすフォトニック結晶の周期ａはａ＝１／２×ｍλ／ｎ_ｅｆｆ＝１／２×４×２８０／１．８３８＝３０５ｎｍと計算される。また、Ｒ／ａ＝０．４よりフォトニック結晶の直径（２Ｒ）は、２４４ｎｍとなる。

【0205】

本実施の形態においては、フォトニック結晶のサファイア基板側の端面の位置が量子井戸層に接近するに従い、深さを周期ａ（例えばａ＝３０５ｎｍ）と同等な３０５ｎｍにする必要がなく、６０ｎｍ程度の浅い深さでも、より大きな反射効果が得られる。また、次数ｍの取りうる範囲も広がり１≦ｍ≦５となる。尚、ｍが小さくなると周期ａも小さくなる。

【0206】

そこで、実際に計算モデルを作成してＦＤＴＤ法で光取出し効率増減率を解析してフォトニック結晶周期構造とサファイアレンズ接合の集積フォトニック効果を検証した。フォトニック結晶の深さ（ＰｈＣ Ｄｅｐｔｈ）を４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍの３点、量子井戸層からフォトニック結晶の端面までの距離Ｇ（Ｇａｐ ｔｏ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍの３点選択して、深さｈと距離Ｇを可変とした合計９点の光取出し効率増減率[ＬＥＥ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ（％）]の値を求めた。

【0207】

図３４に集積フォトニック効果ＦＤＴＤ計算モデルを、表８にその詳細パラメータを示す。また、光取出し効率[ＬＥＥ（％）]を求めるために、図３５に光線追跡法のフォトニック結晶の無いＦｌａｔ構造ＬＥＤの計算モデルを、表９にその詳細パラメータを示す。

【0208】

【表8】

【0209】

【表9】

【0210】

【表10】

【0211】

表１０に集積フォトニック効果解析結果一覧表、図３６Ａに集積フォトニック効果ＬＥＥ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ（光取出し効率増減率）のグラフ、図３６ＢにＬＥＥ（光取出し効率）のグラフ、図３６Ｃに集積フォトニック効果放射パターングラフを示す。

【0212】

まず始めに、光線追跡法で得られた光取出し効率は１２．７％であった。
尚、上記の結果は前の実施の形態で計算した方法と同様に、光線追跡法の光取出し効率値とＦＤＴＤ法の光取出し効率増減率値を表１０において以下のように計算した。
１） Ｆｌａｔ構造ＬＥＤに対するフォトニック結晶、ｍ４_Ｇ６０ｎｍ_ｈ６０ｎｍのＥｎｈａｎｃｅｄ（増減率）：１１８％
２） 光線追跡法のＦｌａｔ構造ＬＥＤの光取出し効率：１２．７％
故に、フォトニック結晶、ｍ４_Ｇ６０ｎｍ_ｈ６０ｎｍの光取出し効率は、
１２．７％×２．１８倍＝２７．７％となり、集積フォトニック効果が十分に得られている。

【0213】

また、図３６Ａ及び図３６Ｂのグラフから明らかなように、フォトニック結晶の基板方向の端面から量子井戸層までの距離Ｇが５０ｎｍ〜７０ｎｍ及びその深さｈが４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲において光取出し効率及びその増減率の極大値が得られるポイント（本解析条件においてはＧ＝６０ｎｍ）がｐ型ＡｌＧａＮ層内に存在する事が理解できる。

【0214】

更に図３６Ｃの放射パターングラフから、極大値が得られるポイント（Ｇ＝６０ｎｍ）においては何れの深さのフォトニック結晶の軸上の強度は、Ｆｌａｔ構造ＬＥＤに対して大きいことがわかる。

【0215】

処理および制御は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によるソフトウェア処理、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）によるハードウェア処理によって実現することができる。

【0216】

また、上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

【0217】

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

【0218】

また、本実施の形態で説明した機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。尚、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

【0219】

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。

【0220】

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。またプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。機能の少なくとも一部は、集積回路などのハードウェアで実現しても良い。

【0221】

本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

【産業上の利用可能性】

【0222】

本発明は、深紫外ＬＥＤに利用可能である。

【符号の説明】

【0223】

ａ…フォトニック結晶周期構造の周期、Ｒ…周期構造の半径、ｈ…周期構造の加工深さ、１…サファイア基板、２、２ａ…ＡｌＮバッファー層、３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、４…バリア層、５…量子井戸層（活性層）、６…バリア層、７…電子ブロック層、８ａ…透明ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層、８ａ…ｐ型ＡｌＧａＮ層、８ｂ…ｐ型ＧａＮコンタクト層、９…極薄膜Ｎｉ層、９ａ…Ｎｉ層、１０…Ａｌ反射電極層、１０ａ…Ａｕ反射電極層、１１…Ａｌ反射電極層、２０ａ…サファイアレンズ、２０ｂ…石英ガラスレンズ、１００…フォトニック結晶周期構造、１０１…フォトニック結晶の構造体（円孔（柱状構造体（ホール））、２００…ＰＳＳ由来ＡｌＮ結合ピラー周期構造、２０１…ＰＳＳ、２０２…ＡｌＮ結合ピラー。

【0224】

本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図19A】

【図19B】

【図20A】

【図20B】

【図21A】

【図21B】

【図22】

【図23】

【図24A】

【図24B】

【図25A】

【図25B】

【図26A】

【図26B】

【図27A】

【図27B】

【図27C】

【図27D】

【図27E】

【図27F】

【図27G】

【図27H】

【図27I】

【図27J】

【図27K】

【図27L】

【図27M】

【図27N】

【図27O】

【図27P】

【図28A】

【図28B】

【図29A】

【図29B】

【図30】

【図31】

【図32A】

【図32B】

【図33A】

【図33B】

【図34】

【図35】

【図36A】

【図36B】

【図36C】