深紫外LED及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及p型接触层，进一步，具有与所述p型接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，所述半球状透镜的折射率为所述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且处于所述基板的折射率以内，所述半球状透镜具有所述基板的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的半径。

Deep ultraviolet LED and its manufacturing method

The invention relates to a deep ultraviolet LED with a design wavelength of lambda, which is characterized by having a reflective electrode layer, a polar film metal layer and a p contact layer in sequence from the opposite side of the substrate, and a hemispherical shape with a transparent surface of the wavelength lambda on the back of the substrate on the side of the P contact layer. The refractive index of the hemispherical lens is above the average value of the refractive index of the substrate and the refractive index of the air, and is within the refractive index of the substrate. The hemispherical lens has a radius above the radius of the inner tangential circle of the substrate and a radius of the radius of the circle of the circle.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】深紫外LED及其制造方法
本专利技术涉及深紫外LED技术。
技术介绍
期待在食品、净水、医疗、家电的杀菌等广泛的用途中利用发光波长为265nm～280nm附近的深紫外LED。但是，产品的WPE(电力转换效率)低至2％～3％，若要实现在上述用途上的实用化，则至少需要WPE为10％以上的效率。其主要原因在于，由量子阱发出的深紫外光，有时在p型GaN接触层吸收消失50％以上、以及由于内部全反射而封闭于LED内部而转变为热，从而光提取效率(LEE：LightExtractionEfficiency)低至不足10％。因此，在专利文献1中，通过形成光子晶体周期结构而提高光提取效率。因此，完成了如下报告：通过非专利文献1、2中记载的方法，对于p型GaN接触层基体的结构，将LEE改善为1.7倍～3倍左右。现有技術文献专利文献专利文献1：国际公开第2013/008556号公报非专利文献非专利文献1：戦略的創造研究推進事業CREST研究区域「新機能創成に向けた光·光量子科学技术」研究課題「230-350nm帯InAlGaN系深紫外高效率发光器件的研究」研究終了报告書(研究期间平成19年10月～平成25年3月)非专利文献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
技术实现思路
专利技术要解决的问题在非专利文献1中，采用针对发光波长而透明的p型AlGaN接触层而将LEE改善为约1.7倍。进一步，在非专利文献2中，在蓝宝石基板的背面接合针对发光波长而透明的透镜而将LEE改善为约3倍。但是，无论采取任何方法，LEE最大为15％且WPE不足9％，WPE尚未超过10％。本专利技术的目的在于，在深紫外LED中通过更进一步提高LEE而实现较高的WPE效率。用于解决问题的方法根据本专利技术的第一观点，提供一种设计波长设为λ的深紫外LED，其特征在于，从基板(例如蓝宝石基板)的相反侧起按顺序依次具有反射电极层(例如Al)、极薄膜金属层(例如Ni层(1nm左右))以及p型接触层，进一步，具有与上述p型接触层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ的光而透明的半球状透镜，上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为上述基板的折射率以下，上述半球状透镜具有上述基板的内切圆的半径以上、且大约为外接圆的半径左右的半径。例如，上述p型接触层是透明p型AlGaN接触层，即，p型AlGaN接触层对于波长λ而透明，被极薄膜Ni层吸收的光较少，Al反射电极层对于光具有90％的高反射率，因此，能够获得相对于p型GaN接触层而达到1.7倍左右的LEE增加效果。进一步，由上述高反射电极结构反射的大部分光从蓝宝石基板的正面入射、且从与蓝宝石基板的背面接合的透明的透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。另外，根据该半球状透镜和高反射电极结构的叠加效应，蓝宝石基板越薄、以及元件尺寸越大，越能够增大LEE效果。进一步，其特征在于，上述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，上述光子晶体周期结构由具有空气以及上述透明p型AlGaN接触层的周期结构的结构体构成，并且，上述光子晶体周期结构具有光子带隙，上述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，波长λ、上述结构体的周期a以及构成上述结构体的上述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围，并且，上述结构体的深度h设为上述周期a的2/3以上。上述光子晶体周期结构(反射型光子晶体周期结构)因具有光子带隙而能够通过几次的多重反射高效地对波长λ的光进行反射。假设在光微量地从透明p型AlGaN接触层透过的情况下，被极薄膜Ni吸收的光较少，Al反射电极层对于光具有90％以上的高反射率，因此，与不具有光子晶体周期结构的Al反射电极层单体相比，能够实现更大的LEE。进一步，由上述反射型光子晶体周期结构反射的大部分光从蓝宝石基板的正面入射、且从与蓝宝石基板的背面接合的透明的半球状透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也在透镜表面的法线方向上射出，因此，能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。通过该半球状透镜、反射型光子晶体周期结构、透明p型AlGaN接触层、极薄膜Ni层以及Al反射电极层的叠加效应，能够增大LEE效果。另外，例如，其特征在于，上述p型接触层从上述基板的相反侧起按顺序依次具有p型GaN接触层以及p型AlGaN层，具有至少包括上述p型GaN接触层和上述p型AlGaN层的界面、且在上述基板方向上未超过p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，上述光子晶体周期结构由具有空气、以及上述p型GaN接触层和p型AlGaN接触层的周期结构的结构体构成，并且，上述光子晶体周期结构具有光子带隙，上述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，波长λ、上述结构体的周期a以及构成上述结构体的两种材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围，并且，上述结构体的深度h设为上述周期a的2/3以上。进一步，其特征在于，在上述基板的背面具有与上述p型AlGaN层侧的上述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，接合的上述半球状透镜的折射率为上述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且处于上述基板的折射率以内。优选地，半球状透镜具有上述基板的内切圆的半径以上、且大约为外接圆的半径左右的半径。若是该结构，则能够利用p型GaN接触层而维持低接触电阻。另外，反射型光子晶体周期结构因具有光子带隙而能够通过几次的多重反射高效地对波长λ的光进行反射。因此，能够抑制金属层以及p型GaN接触层对光的吸收。进一步，由上述光子晶体周期结构反射的大部分光从上述基板的正面入射、且从与上述基板的背面接合的透明的半球状透镜向空气中射出。该透镜是半球状透镜，因此，即使存在向蓝宝石基板的入射角度分布，光也从透镜表面向法线方向射出，因此能够尽可能抑制内部全反射，从而能够获得较大的LEE。另外，通过该半球状透镜和反射型光子晶体周期结构的叠加效应，能够增大LEE效果。上述光子晶体周期结构的特征在于，在厚度方向上延长设置至上述反射电极层的范围内。上述光子晶体周期结构的特征在于，利用基于纳米压印法的转印技术而形成。进一步，上述光子晶体周期结构的特征在于，利用使用基于流动性较高的抗蚀剂和蚀刻选择比较高的抗蚀剂的双层抗蚀剂法的干法蚀刻而形成。另外，本专利技术的特征在于，通过具有如下步骤的参数计算方法而求出上述光子晶体周期结构的参数：暂时确定作为周期结构参数的周期a和上述结构体的半径R的比(R/a)的步骤；算出上述结构体的各自的折射率n1和n2，并根据上述折射率和上述R/a算出平均折射率nav，将上述值代入布拉格条件式，由此获得各次数m的周期a和半径R的步骤；通过平面波展开法对TE光的光子能带结构进行解析的步骤，在上述平面波展开法中，利用了上述R/a、波长λ以及根据上述折射率n1、n2而获得的各结构体的介电常数ε1以及ε2；直至存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及p型接触层，进一步，具有与所述p型接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，所述半球状透镜的折射率为所述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为所述基板的折射率以下，所述半球状透镜具有所述基板的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的半径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.03 JP 2015-173834;2015.11.06 JP 2015-218531.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，其特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及p型接触层，进一步，具有与所述p型接触层侧的所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，所述半球状透镜的折射率为所述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为所述基板的折射率以下，所述半球状透镜具有所述基板的内切圆的半径以上、且为外接圆的半径左右的半径。2.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述p型接触层是透明p型AlGaN接触层。3.根据权利要求2所述的深紫外LED，其特征在于，所述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，所述光子晶体周期结构由具有空气以及所述透明p型AlGaN接触层的两个结构体构成，并且，所述光子晶体周期结构具有光子带隙，所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，波长λ、所述结构体的周期a以及所述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，所述结构体的深度h设为所述周期a的2/3以上。4.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述p型接触层从基板的相反侧起按顺序依次具有p型GaN接触层以及p型AlGaN层，具有至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面、且在所述基板方向上未超过所述p型AlGaN层的厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，所述光子晶体周期结构由具有空气、以及所述p型GaN接触层和p型AlGaN接触层的两个结构体的周期结构构成，并且，所述光子晶体周期结构具有光子带隙，所述光子带隙对于TE偏振分量打开，并且，波长λ、所述结构体的周期a以及所述两个结构体的材料的平均折射率nav满足布拉格条件，并且，该布拉格条件的次数m处于2＜m＜5的范围内，并且，所述结构体的深度h设为所述周期a的2/3以上。5.根据权利要求3或4所述的深紫外LED，其特征在于，所述光子晶体周期结构在厚度方向上延长设置至所述反射电极层的范围内。6.根据权利要求3至5中任一项所述的深紫外LED，其特征在于，利用基于纳米压印法的转印技术而形成所述光子晶体周期结构。7.根据权利要求6所述的深紫外LED，其特征在于，利用使用基于高流动性的抗蚀剂和高蚀刻选择比的抗蚀剂的双层抗蚀剂法的干法蚀刻而形成所述光子晶体周期结构。8.根据权利要求3至7中任一项所述的深紫外LED，其特征在于，通过具有如下步骤的参数计算方法而求出所述光子晶体周期结构的参数：暂时确定作为周期结构参数的周期a和所述结构体的半径R的比(R/a)的步骤；算出所述结构体的各自的折射率n1和n2，并根据上述折射率和所述R/a算出平均折射率nav，将上述值代入布拉格条件式，由此获得各次数m的周期a和半径R的步骤；通过平面波展开法对TE光的光子能带结构进行解析的步骤，在所述平面波展开法中，利用了所述R/a、波长λ以及根据所述折射率n1、n2而获得的各结构体的介电常数ε1以及ε2；直至存在TE光的第一光子能带与第二光子能带之间的光子带隙为止，改变所述暂时确定的R/a的值，重复进行解析的步骤；关于具有所述光子带隙的R/a，通过基于有限时间区域差分法(FDTD法)的模拟解析，求出针对所述波长λ的光提取效率的步骤，其中，将与布拉格条件的次数m相应的各周期a和半径R、以及任意的周期结构的深度h作为变量来进行上述基于有限时间区域差分法(FDTD法)的模拟解析；以及通过反复进行基于所述FDTD法的模拟，确定针对所述波长λ的光提取效率最大的布拉格条件的次数m、与该次数m对应的周期结构参数的周期a、半径R以及深度h的步骤。9.根据权利要求1至8中任一项所述的深紫外LED，其特征在于，进一步，在所述p型接触层与所述半球状透镜之间设置有波导结构。10.根据权利要求9所述的深紫外LED，其特征在于，所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成。11.根据权利要求10所述的深紫外LED，其特征在于，在利用采用基于纳米压印法的转印技术形成的掩模图案并通过湿法蚀刻法而形成的PSS周期结构上，使AlN膜进行外延生长而形成所述波导结构。12.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，所述深紫外LED的特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层，所述透明p型AlGaN接触层具有在其厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，进一步，具有与所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，所述半球状透镜的折射率为所述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为所述基板的折射率以下，进一步，在所述光子晶体周期结构与所述半球状透镜之间设置有波导结构。13.一种深紫外LED，其设计波长设为λ，所述深紫外LED的特征在于，从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、金属层、p型GaN接触层以及p型AlGaN层，具有至少包括所述p型GaN接触层和所述p型AlGaN层的界面的在所述基板方向上在厚度方向的范围内设置的光子晶体周期结构，进一步，具有与所述基板的背面接合的、对于波长λ而透明的半球状透镜，所述半球状透镜的折射率为所述基板的折射率和空气的折射率的平均值以上、且为所述基板的折射率以下，进一步，在所述光子晶体周期结构与所述半球状透镜之间设置有波导结构。14.根据权利要求12或13所述的深紫外LED，其特征在于，所述波导结构具有AlN结合柱状体周期结构，所述AlN结合柱状体周期结构由设置于所述基板的正面的三角圆锥形状的PSS周期结构、以及在厚度方向上与所述PSS周期结构连续地形成的六棱锥台或四棱锥台的柱状构成。15.一种深紫外LED的制造方法，其是从基板的相反侧起按顺序依次具有反射电极层、极薄膜金属层以及透明p型AlGaN接触层、且设计波长设为λ的深紫外LED的制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿岛行雄，松浦惠里子，小久保光典，田代贵晴，平山秀树，上村隆一郎，长田大和，森田敏郎，
申请(专利权)人：丸文株式会社，东芝机械株式会社，国立研究开发法人理化学研究所，株式会社爱发科，东京应化工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP