專利名稱：在發(fā)光二極管上制作光子晶體掩膜層的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體掩膜層制作方法和裝置，特別是一種利用激光多光束干涉技術(shù)在發(fā)光二極管上制作二維光子晶體覆層掩膜的優(yōu)化設(shè)計方法和裝置。
背景技術(shù)：
近年來在固體照明技術(shù)領(lǐng)域，高亮度發(fā)光二極管(LED)顯示出了非常強的競爭力。與傳統(tǒng)的照明光源相比，LED具有能耗低、尺寸小、壽命長等眾多優(yōu)點，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分迅速。研究LED的關(guān)鍵問題是如何提高LED的發(fā)光效率，以降低能耗且提高使用壽命。在已有產(chǎn)業(yè)化的LED產(chǎn)品中，盡管LED的內(nèi)部量子效率已接近100％，但是產(chǎn)生的大部分光子受限于全反射和橫向?qū)Рǖ默F(xiàn)象，被高折射率材料吸收，無法有效傳遞出組件，而不能對照明做貢獻(抽取效率低)。因此，十分迫切地需要尋找一種有效途徑，通過提高抽取效率來提高LED的發(fā)光效率。
作為現(xiàn)代光子學(xué)領(lǐng)域最重要的成就之一，光子晶體(PhotonicCrystal)可以有效地控制光的行為。光子晶體是一種人工制作的周期性結(jié)構(gòu)[J.D.Joannopoulos，Photonic crystalsMolding the flow oflight，Princeton，1995]，利用介質(zhì)材料如二氧化硅、硅、氮化鎵等制作的二維周期性結(jié)構(gòu)，也可以是在介質(zhì)背景中二維周期性分布的金屬柱子陣列。所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個柱子的中心的連線構(gòu)成等腰直角三角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格等。最短連線的長度稱為晶格常數(shù)。
在傳統(tǒng)的LED中，引入光子晶體履層結(jié)構(gòu)，利用光子晶體的禁帶等特性將普通LED結(jié)構(gòu)中被高折射率履層材料捕獲而不能對照明做貢獻的導(dǎo)波模的光能量盡可能地轉(zhuǎn)換為泄漏模釋放出來[S.Fan，P.P.Villeneuve and J.D.Joannopoluos，High extraction effeiciencyof spontaneous emission from slabs of photonic crystals，Phys.Rev.Lett.78 3294，1997]。發(fā)光二極管的制造商便有機會去操控光子的行為，可以極大提高半導(dǎo)體LED的發(fā)光效率，并改善光的輸出特性。
目前，通常用電子束刻蝕的方法在LED上制作二維周期性的光子晶體履層掩膜，然后用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在半導(dǎo)體上刻蝕出光子晶體履層結(jié)構(gòu)。這種掩膜的制作方法速度慢，成本高，無法滿足大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對目前技術(shù)的不足，提供一種能滿足大規(guī)模模產(chǎn)業(yè)化的需求、快速、靈活、廉價、基于激光多光束干涉技術(shù)制備光子晶體履層掩膜的方法和裝置。
本發(fā)明的方法是將一束激光經(jīng)過空間濾波、擴束和準直后，再分成三束，然后由反射鏡將三束激光會聚到發(fā)光二極管芯片表面的光刻膠掩膜層上，根據(jù)設(shè)定的分別干涉圖樣的晶格點陣調(diào)整各束激光的入射角度，根據(jù)設(shè)定的干涉圖樣的對比度和各個單元的光斑圖樣調(diào)整各束激光的強度和偏振態(tài)，形成設(shè)定的二維干涉圖樣，經(jīng)過曝光、顯影后得到二維的光子晶體掩膜。
所述的調(diào)整各束激光的入射角度是根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的二維光子晶體的晶格圖樣，根據(jù)公式(1)調(diào)整每束激光的極角θ和激光束的方位角φm，(m＝1，2，3)。
φ2=tan-1sinγcosγ-b/a]]>φ1＝2γ-φ2(1)φ3＝-φ2θ=sin-1λ/b2sinφ2sinγ]]>其中，a，b是二維光子晶體的晶格常數(shù)，γ是晶格基矢之間的夾角。極角和方位角決定了非共面的三束激光的波矢，km→=2π/λ(cosφsinθm,sinφmsinθ,cosθ),(m=1,2,3)···(2)]]>三束光干涉后的光強分布寫為I0(r→)=c0+c12cos(G12→·r→)+c23cos(G23→·r→)+c13cos(G13→·r→)···(3)]]>
其中，Glm→=(kl→-km→)]]>clm=El→·Em*,→1≤l≤m≤3]]>c0=|E1→|2+|E2→|2+|E3→|2]]>所述調(diào)整各束激光的強度和偏振態(tài)是根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的光子晶體的單元圖樣和公式(3)式，確定clm。由clm的值來決定為獲得所要求的結(jié)構(gòu)的光束參數(shù)El→(r→),(l=1,2,3),]]>即光束的強度與偏振態(tài)；在c0最小時對比度V＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)最大，c0=|E1→|2+|E2→|2+|E3→|2···(4)]]>c0在約束條件El→·kl→=0,l=1,2,3]]>和El→·Em*→=clm,1≤l≤m≤3]]>下最小。
實現(xiàn)上述方法的裝置為由激光器輸出激光，沿光軸，依次放置擴束濾波器、準直透鏡和分束器，激光經(jīng)過分束器后分成三束，對應(yīng)每束激光，有一塊反射鏡，沿著通過分束器后的各束激光的光軸，放置有偏振衰減控制器。
本發(fā)明在發(fā)光二極管表面制作二維光子晶體掩膜，只需要一次的曝光和顯影，即可在整個芯片上形成大面積，高質(zhì)量的二維光子晶體掩膜層。采用一塊衍射光學(xué)器件實現(xiàn)分光，降低了光路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，提高了光路的穩(wěn)定度。在計算機數(shù)值模擬、優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，獨立控制每一束激光的強度與偏振態(tài)，有利于得到高質(zhì)量的干涉圖樣。由反光鏡分別將三束激光反射到芯片表面，使裝置具有相當高的靈活性，針對不同結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)，只需要調(diào)整反光鏡的角度就可以滿足生產(chǎn)適合不同波長高發(fā)光效率LED的二維光子晶體履層結(jié)構(gòu)的要求。本發(fā)明所用的裝置簡單、靈活度高、成本低，生產(chǎn)速度快，適合于大規(guī)模制作發(fā)光二極管表面的光子晶體掩膜。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為三束激光入射到光刻膠表面的示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，該裝置設(shè)有激光器1，擴束濾波器2設(shè)于激光器1的輸出光軸上，用于對激光器1射出的光擴束與濾波；準直透鏡3設(shè)于擴束濾波器2的輸出光軸上，用于準直擴束后的激光，形成平行光束；衍射分光器4將入射的平行光束分成三束；每一束激光經(jīng)過偏振衰減控制器5，在計算機數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，調(diào)整每一束激光的強度與偏振態(tài)，然后由反光鏡6根據(jù)設(shè)計的要求，以一定的角度將激光束反射到涂于發(fā)光二極管芯片8表面的光刻膠層7上，合理的控制曝光強度與曝光時間，在光刻膠層7上形成干涉圖樣。顯影后，可以將干涉圖樣記錄到光刻膠層7上，形成可以制作二維周期性光子晶體履層的掩膜層。如圖2所示，經(jīng)過反射鏡反射后，三束激光入射到光刻膠層表面。干涉圖樣的晶格點陣是由反射后的三束激光的極角θ和方位角φm決定。干涉圖樣的對比度和各個單元的光斑圖樣由三束激光的強度和偏振態(tài)共同決定。所用的激光器1的波長對應(yīng)于所采用的光刻膠的吸收波長。
例如制作二維周期性的三角晶格光子晶體掩膜，為了得到二維周期性的三角晶格結(jié)構(gòu)，由公式(1)得出，非共面的三束激光，光束的方位角應(yīng)分別為φ1＝0，φ2＝120°，φ3＝-120°，極角θ＝sin-10.667λ/a。光束的波矢為k1→=2π/λ[-sinθ,0,cosθ],]]>k2→=2π/λ[1/2sinθ,-3/2sinθ,cosθ],]]>k3→=2π/λ[1/2sinθ,3/2sinθ,cosθ]]]>發(fā)生干涉，三束光干涉后的光強分布可以寫為I0(x,y)=c0+2c12cos[4π3a(x3/2-y/2)]···(5)]]>+2c13cos[4π3a(x3/2+y/2)]+2c23cos[4π3ay]]]>其中c0=|E1→|2+|E2→|2+|E3→|2,]]>clm=El→·Em*→,1≤l≤m≤3.]]>光刻膠在干涉光斑下曝光、顯形后可以得到二維周期結(jié)構(gòu)掩膜。一般來講，當光子晶體的單元圖案設(shè)定后，可以決定(5)式中的clm。
為了使干涉圖樣具有最大的對比度，需要選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即控制光束的偏振態(tài)和強度。我們由clm的值來決定為獲得所要求的結(jié)構(gòu)的光束參數(shù)El→(r→),(l=1,2,3),]]>同時，使得c0最小(相應(yīng)于干涉斑的背景強度)從而使得對比度V＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)(Imin最小光強，Imax最大光強)最大。當所有常數(shù)clm(1≤l≤m≤3)確定后，最小的c0就意味著最大的V。因此，問題就變?yōu)槿绾问沟胏0=|E1→|2+|E2→|2+|E3→|2]]>在約束條件El→·kl→=0,l=1,2,3]]>和El→·Em*→=clm,1≤l≤m≤3]]>下最小。這樣就成了非線性約束的非線性規(guī)劃問題，可以用Sequential QuadraticProgramming(SQP)method來求解，MatlabTM提供了這個程序。
權(quán)利要求
1.在發(fā)光二極管上制作光子晶體掩膜層的方法，其特征在于將一束激光經(jīng)過空間濾波、擴束和準直后，再分成三束，然后由反射鏡將三束激光會聚到發(fā)光二極管芯片表面的光刻膠掩膜層上，根據(jù)設(shè)定的干涉圖樣的晶格點陣分別調(diào)整各束激光的入射角度，根據(jù)設(shè)定的干涉圖樣的對比度和各個單元的光斑圖樣分別調(diào)整各束激光的強度和偏振態(tài)，形成設(shè)定的二維干涉圖樣，經(jīng)過曝光、顯影后得到二維的光子晶體掩膜；所述的調(diào)整各束激光的入射角度是根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的二維光子晶體的晶格圖樣，根據(jù)公式(1)調(diào)整每束激光的極角θ和激光束的方位角φm(m＝1，2，3)φ2=tan-1sinγcosγ-b/a]]>φ1=2γ-φ2]]>φ3=-φ2]]>θ=sin-1γ/b2sinφ2sinγ---(1)]]>其中，a，b是二維光子晶體的晶格常數(shù)，γ是晶格基矢之間的夾角；極角和方位角決定了非共面的三束激光的波矢，km→=2π/λ(cosφsinθm,sinφmsinθ,cosθ),(m=1,2,3)---(2)]]>三束光干涉后的光強分布為I0(r→)=c0+c12cos(G12→·r→)+c23cos(G23·→r→)+c13cos(G13→·r→)---(3)]]>其中，Glm→=(kl→-km→)]]>clm=El→·Em*→,1≤l≤m≤3]]>c0=|E1→|2+|E2→|2+|E3→|2]]>所述調(diào)整各束激光的強度和偏振態(tài)是根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的光子晶體的單元圖樣和公式(3)式，確定clm；由clm的值來決定為獲得所要求的結(jié)構(gòu)的光束參數(shù)El→(r→)(l=1,2,3),]]>即光束的強度與偏振態(tài)；在c0最小時對比度V＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)最大，c0=|E1→|2+|E2→|2+|E3→|2---(4)]]>c0在約束條件El→·kl→=0,]]>l＝1，2，3和El→·Em*→=clm,]]>1≤l≤m≤3下最小。
2.采用權(quán)利要求1方法所使用的裝置，其特征在于沿光軸依次設(shè)置的激光器、擴束濾波器、準直透鏡和分束器，對應(yīng)經(jīng)過分束器后的三束激光位置分別設(shè)置有反射鏡，沿著通過分束器后的各束激光的光軸，放置有偏振衰減控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用激光多光束干涉技術(shù)在發(fā)光二極管上制作二維光子晶體覆層掩膜的優(yōu)化設(shè)計方法和裝置。本發(fā)明的方法是將一束激光經(jīng)過空間濾波、擴束和準直后，再分成三束，然后由反射鏡將三束激光會聚到發(fā)光二極管芯片表面的光刻膠掩膜層上，調(diào)整各束激光的入射角度、強度和偏振態(tài)，形成設(shè)定的二維干涉圖樣，經(jīng)過曝光、顯影后得到二維的光子晶體掩膜。實現(xiàn)該方法的裝置包括沿光軸設(shè)置的激光器、擴束濾波器、準直透鏡和分束器，對應(yīng)每束激光設(shè)有反射鏡，沿著通過分束器后的各束激光的光軸，放置有偏振衰減控制器。本發(fā)明所用的裝置簡單、靈活度高、成本低，生產(chǎn)速度快，適合于大規(guī)模制作發(fā)光二極管表面的光子晶體掩膜。
文檔編號H01L21/02GK1818798SQ200610049850
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者佘俊, 敖獻煜, 何賽靈 申請人:浙江大學(xué)