專利名稱：一種偏振出光發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源光學(xué)器件，特別涉及一種偏振出光的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種以電受激方式發(fā)光的半導(dǎo)體光源裝置。LED發(fā)光的基本原理是采用具有pn結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片，當(dāng)施加正向偏壓時，電子和空穴分別從η型區(qū)和 P型區(qū)注入結(jié)區(qū)，當(dāng)電子和空穴相遇而產(chǎn)生復(fù)合，此時放出的能量將以光子形式釋放出來， 它所發(fā)出的光的波長取決于結(jié)材料的禁帶寬度。因此，根據(jù)材料的不同，LED可以發(fā)出近紫外線、可見光或近紅外光。以氮化鎵及其合金材料為代表的第三代半導(dǎo)體材料，可以制成高效的發(fā)出不同波長的發(fā)光二極管和激光二極管LD (又稱激光器)，并可延伸到白光。以氮化鎵為基礎(chǔ)的高亮度半導(dǎo)體LED具有體積小、壽命長、功耗低，且容易與晶體管和集成電路結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，因此其被廣泛應(yīng)用于大屏幕全彩顯示、照明燈具、激光器、IXD背光源、探測器、光纖通訊、衛(wèi)星通訊等。當(dāng)前氮化物基LED發(fā)展的兩個主流方向，一是提高LED的亮度，二是賦予LED特殊的光學(xué)性能。為了提高外LED的亮度，多種微結(jié)構(gòu)被提出并被集成到氮化鎵基的LED發(fā)射表面，比如二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，納米光柵或微孔陣列等。但具有特殊光學(xué)性能的LED，例如可直接出偏振光的LED盡管在光電產(chǎn)業(yè)中受到大量的需求，但到目前為止，具有直接偏振光輸出的平板LCD的背光系統(tǒng)在學(xué)術(shù)和生產(chǎn)領(lǐng)域還沒有發(fā)現(xiàn)。通常偏振光的獲得需要光源結(jié)合一系列的偏振片，這使得光源利用效率大大降低。如果LED本身能夠出射偏振光將使器件更小更薄。利用光刻等工藝在LED表面制備納米結(jié)構(gòu)的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以使其強(qiáng)烈的反射某一方向的偏振光，而允許垂直此方向的偏振光通過，其功能相當(dāng)于一個線性偏振的偏振片。 對于基于LED的偏振光源，希望其具有高的偏振光透射率和高的偏振消光比。而要得到高的偏振消光比則要求大的金屬體積，大的金屬體積則導(dǎo)致金屬對光的反射和吸收增強(qiáng)，從而降低偏振光的透過率。因此本專利對LED表面的二維金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期，金屬柱體的尺寸進(jìn)行了設(shè)計，獲得高的透射率和消光比。在本發(fā)明作出之前，中國發(fā)明專利(公開號CN 1214453A)“二維光子晶體偏振器及制備方法”利用兩種介電材料組成二維重復(fù)周期結(jié)構(gòu)，通過選擇適當(dāng)?shù)慕殡姲舫叽缗c重復(fù)周期長度及合適的介電棒與背景材料的介電常數(shù)配比，獲得所需工作頻率的偏振器。此專利是利用二維周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對外在光源的偏振分離，屬于無源器件，此偏振器自身不產(chǎn)生光或者偏振光。文獻(xiàn)"Fabrication of two-dimensional photonic crystal patterns on GaN—based light-emitting diodes using thermally curable monomer-based nanoimprint lithography" (Appl. Phys. Lett. 91，091106，2007)報道了利用納米壓印技術(shù)在氮化鎵基LED表面制備二維周期結(jié)構(gòu)可以顯著提高其出光效率，即透射率，但是并未涉及到LED的偏振出光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，透射率高、偏振出光效果好的發(fā)光二極管。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種偏振出光發(fā)光二極管，它的發(fā)光二極管芯片包括基底，η型層、量子阱和ρ型層；在發(fā)光二極管芯片的出光表面上制備二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層；所述二維周期點(diǎn)陣的一個方向X，它的周期a為70 180納米，與χ 垂直的y方向的周期b為a的40% 80% ；點(diǎn)陣為突起的柱體或嵌入式孔穴，其形狀為圓形或長方形，柱體的高度或孔穴的深度為50 400納米，圓形點(diǎn)陣的直徑或長方形點(diǎn)陣的邊長為周期b的70% 100%?；谏鲜黾夹g(shù)方案，本發(fā)明還提供另一種偏振出光發(fā)光二極管，在ρ型層的上表面鍍有或刻有一介質(zhì)過渡層，其上復(fù)合二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層；所述的介質(zhì)過渡層為薄膜平面結(jié)構(gòu)，薄膜為整體型或形狀與其上的復(fù)合表面層相同的二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；介質(zhì)過渡層的折射率η滿足條件為1.0<η<ρ型層介質(zhì)的折射率；所述二維周期點(diǎn)陣的一個方向 X，它的周期a為70 180納米，與χ垂直的y方向的周期b為a的40% 80% ；點(diǎn)陣為突起的柱體或嵌入式孔穴，其形狀為圓形或長方形，柱體的高度或孔穴的深度為50 400納米，圓形點(diǎn)陣的直徑或長方形點(diǎn)陣的邊長為周期b的70% 100%。本發(fā)明所述的二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層為金屬層，金屬為Al、Ag、Au、Cu或它們的合金。所述的介質(zhì)過渡層為MgF2、SiO2或SiS中的一種。本發(fā)明的原理是LED芯片中量子阱發(fā)射的光是沒有方向性的，為了實(shí)現(xiàn)LED的高偏振出光，在LED芯片表面設(shè)計了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。由于金屬的介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，其對應(yīng)的折射率亦為復(fù)數(shù)，此折射率的實(shí)部一般小于1，而其虛部表示對光的吸收，因此通過合適的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)對一個方向的偏振光具有強(qiáng)的反射，垂直方向的偏振光具有高的透射。一般來說，金屬體積越大，偏振消光比越高，但同時也會引起偏振光的透射率降低?？衫脮r域有限差分法(finite-difference time-domain)對金屬點(diǎn)陣的周期，點(diǎn)陣的形狀和尺寸進(jìn)行系列計算，以獲得偏振消光比和透過率的最優(yōu)組合。在本發(fā)明中，金屬點(diǎn)陣的形狀可以是圓柱形，長方形等柱體，其點(diǎn)陣在χ方向上的周期a范圍為70 180納米，y方向的周期b為χ方向周期a的40% 80%，點(diǎn)陣為柱體，點(diǎn)陣為柱體結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣的直徑(圓柱形) 或者邊長(長方柱形)為周期b的70% 100%，柱體的高度或者孔穴的深度為50 400納米。根據(jù)薄膜光學(xué)原理，在LED表面引入合適的介質(zhì)材料(介質(zhì)增透膜)在滿足一定的干涉條件下會形成類Fabry-Perot腔，從而增強(qiáng)光的透射。根據(jù)有效介質(zhì)場理論，金屬點(diǎn)陣和過渡層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)使得其有效折射率具有各向異性，使其對某一偏振方向的入射光的有效介電常數(shù)變大，從而使得這一偏振光分量的透過率高，而垂直此方向的偏振光傳播被抑制，從而獲得高的偏振消光比。本發(fā)明在LED表面直接制備金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)獲得可以直接出射偏振光的有源光學(xué)器件，與傳統(tǒng)的光源和偏光板分離的結(jié)構(gòu)相比，發(fā)光器件的體積大大減小，光的利用率更高，性能更好。另外，在金屬點(diǎn)陣和基底之間加入一層比基底折射率低的介質(zhì)層，能有效地增強(qiáng)發(fā)光二極管的透射率和消光比。金屬/介質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以和半導(dǎo)體工藝中的刻蝕技術(shù)相結(jié)合，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本發(fā)明提供的技術(shù)方案，對設(shè)計、優(yōu)化和制造新型具有特殊光學(xué)性能的有源光學(xué)器件具有十分重要的意義。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種偏振出光發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種偏振出光發(fā)光二極管二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層的平面示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有平面薄膜介質(zhì)過渡層的偏振出光發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)介質(zhì)過渡層的偏振出光發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振出光發(fā)光二極管芯片其二維周期結(jié)構(gòu)中χ方向周期大小與偏振出光特性(偏振光透過率和消光比)關(guān)系的比較曲線圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振出光發(fā)光二極管芯片的表面金屬點(diǎn)陣在固定χ方向周期a為120nm時，y方向周期b的不同取值與偏振出光特性(偏振光透過率和消光比)關(guān)系的比較曲線圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振出光發(fā)光二極管芯片表面的不同金屬圓柱的高度偏振出光的特性(偏振光透過率和消光比)關(guān)系的比較曲線圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振出光發(fā)光二極管芯片其發(fā)光波長比與偏振出光特性 (偏振光透過率和消光比)關(guān)系的比較曲線圖。其中1、基底；2、n型GaN層；3、InGaN/GaN量子阱；4、p型GaN層；5、介質(zhì)過渡層；
6、二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例一
參見附圖1，它是本實(shí)施例提供的一種偏振出光發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)包括LED的基底1為GaN，其折射率為2. 5 ;n型GaN層2 ； InGaN/GaN量子阱3 ;p型GaN 層4 ；在發(fā)光二極管芯片的出光表面上制備二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層6，其點(diǎn)陣為金屬材料 Al，也可采用Ag、Au、Cu或它們的合金。參見附圖2，它是本實(shí)施例提供的一種偏振出光發(fā)光二極管二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層的平面示意圖；金屬點(diǎn)陣的周期結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣的形狀和尺寸根據(jù)LED具體的發(fā)光波長借助時域有限差分方法，計算獲得在該LED發(fā)光波長下達(dá)到最好的偏振消光比和透過率的組合為準(zhǔn)。 在本實(shí)施例中，金屬點(diǎn)陣為圓柱體，金屬點(diǎn)陣在沿 χ方向上的周期a為80 150納米，與 χ垂直的y方向的周期b為χ方向周期a的40% 60%，點(diǎn)陣為圓柱體，直徑與周期b相同， 柱體的高度為100 180納米。實(shí)施例二
參見附圖3，它是本實(shí)施例提供的一種具有平面薄膜介質(zhì)過渡層結(jié)構(gòu)的偏振出光發(fā)光二極管芯片，其結(jié)構(gòu)包括LED的基底1為GaN，其折射率為2. 5 ;n型GaN層2 ； InGaN/GaN 量子阱3 ;p型GaN層4 ；介質(zhì)過渡層5，其為整體平面結(jié)構(gòu)，鍍在ρ型GaN層上表面，與二維周期點(diǎn)陣6形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；介質(zhì)過渡層為S^2 (折射率1. 46)，也可采用MgF2(折射率1. 38)或SiS (折射率2. 44)，折射率均大于1. 0，小于GaN的折射率2. 5，介質(zhì)過渡層的厚度可為 150 220納米。點(diǎn)陣為金屬點(diǎn)陣，其材料為Al。金屬點(diǎn)陣在χ方向上的周期a范圍為80 150納米，y方向的周期b為χ方向周期a的40% 60%，點(diǎn)陣為圓柱體，直徑與周期b相同， 柱體的高度為150 250納米。實(shí)施例三
參見附圖4，它是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)介質(zhì)過渡層的偏振出光發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；其結(jié)構(gòu)包括LED的基底1為GaN，其折射率為2. 5 ;n型GaN層 2 ；InGaN/GaN量子阱3 ;p型GaN層4 ；具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的介質(zhì)過渡層5 ；金屬點(diǎn)陣6。其中介質(zhì)過渡層5具有和金屬點(diǎn)陣同樣的點(diǎn)陣排列結(jié)構(gòu)和尺寸，介質(zhì)過渡層為Si02、MgF2或SiS。 金屬點(diǎn)陣材料可以為Al、Ag、Au、Cu或它們的合金。本實(shí)施例中介質(zhì)層和金屬點(diǎn)陣在χ方向上的周期a范圍為80 150納米，y方向的周期b為χ方向周期a的40% 60%，點(diǎn)陣為圓柱體，直徑與周期b相同，柱體的高度為150 250納米。參見附圖5，給出了用時域有限差分方法計算出的金屬點(diǎn)陣在χ方向周期為40 200納米范圍內(nèi)偏振光透射率及它們的消光比的結(jié)果。各圖例曲線中，曲線1表示沒有過渡層材料的鋁金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(實(shí)施例一)的計算結(jié)果，曲線2表示的是由S^2平面薄膜過渡層和鋁金屬點(diǎn)陣構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)(實(shí)施例二)的計算結(jié)果，曲線3表示的是由具有相同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的SiO2和金屬鋁材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)(實(shí)施例三)的計算結(jié)果。由圖5可以看出，本發(fā)明技術(shù)方案提供的有過渡層結(jié)構(gòu)的樣品在很大程度上改善了偏振光的透過率和消光比。其中具有SiA+Al復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的在80 170納米范圍內(nèi)具有平坦的TM偏振光輸出，且透過率高于75%，消光比高于5分貝。 參見附圖6，給出金屬點(diǎn)陣在y方向周期b相對a取5% 95%范圍內(nèi)偏振光透射率及它們的消光比的結(jié)果。圖中X方向的周期a保持為120nm，而y方向周期b相對a取 5% 95%，各圖例曲線如圖5所述，由圖6可以看出，沒有過渡層的情況，TM透射隨y方向周期b的增大很快降低，而有過渡層的情況，透射率降低緩慢。y方向周期b取值在40% 80%范圍內(nèi)可以使發(fā)光二極管同時具有高的透射率和消光比。參見附圖7，給出金屬點(diǎn)陣的基元為圓柱體結(jié)構(gòu)時，圓柱體取不同高度時偏振出光的特性。各圖例曲線如圖5所述，從圖7可以看出，TM偏振光隨著圓柱體的高度不同，透射率周期性變化，而垂直于TM偏振的TE光的透射率則很快衰減，因此TM光和TE光的消光比隨著金屬點(diǎn)陣高度的增加而提高。參見附圖8，針對GaN基LED的典型發(fā)光波長440 520納米，給出這一發(fā)光波長范圍內(nèi)偏振出光的透射率和消光比。各圖例曲線如圖5所述，從圖8可以看出，有過渡層的實(shí)施例相對沒有過渡層的實(shí)施例其透射率大大提高，且在整個光譜范圍內(nèi)TM偏振光的透射率變化很小。沒有過渡層的實(shí)施例隨著入射波變長，透射率增大。但是消光比相對于沒有過渡層的情況要差，但仍然高于通常的偏振片。
權(quán)利要求
1.一種偏振出光發(fā)光二極管，它的發(fā)光二極管芯片包括基底(1)，η型層(2)、量子阱 (3)、ρ型層(4);其特征在于在發(fā)光二極管芯片的出光表面上制備二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層(6)；所述二維周期點(diǎn)陣的一個方向X，它的周期a為70 180納米，與χ垂直的y方向的周期b為a的40% 80% ；點(diǎn)陣為突起的柱體或嵌入式孔穴，其形狀為圓形或長方形，柱體的高度或孔穴的深度為50 400納米，圓形點(diǎn)陣的直徑或長方形點(diǎn)陣的邊長為周期b的 70% 100%。
2.一種偏振出光發(fā)光二極管，它的發(fā)光二極管芯片包括基底(1)，η型層(2)、量子阱 (3)、ρ型層(4)；其特征在于在ρ型層(4)的上表面鍍有或刻有一介質(zhì)過渡層(5)，其上復(fù)合二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層(6)；所述的介質(zhì)過渡層為薄膜平面結(jié)構(gòu)，薄膜為整體型或形狀與其上的復(fù)合表面層相同的二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；介質(zhì)過渡層的折射率η滿足條件為 1. 0<η<ρ型層介質(zhì)的折射率；所述二維周期點(diǎn)陣的一個方向X，它的周期a為70 180納米，與χ垂直的y方向的周期b為a的40% 80% ；點(diǎn)陣為突起的柱體或嵌入式孔穴，其形狀為圓形或長方形，柱體的高度或孔穴的深度為50 400納米，圓形點(diǎn)陣的直徑或長方形點(diǎn)陣的邊長為周期b的70% 100%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種偏振出光發(fā)光二極管，其特征在于所述的二維周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面層為金屬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種偏振出光發(fā)光二極管，其特征在于所述的金屬層的金屬為Al、Ag、Au、Cu或它們的合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種偏振出光發(fā)光二極管，其特征在于所述的介質(zhì)過渡層為MgF2、SiO2或ZnS中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有二維表面周期結(jié)構(gòu)的偏振出光發(fā)光二極管，它是一種有源偏振出光光學(xué)器件。它的發(fā)光二極管芯片包括基底、n型層，量子阱、p型層；在p型層的上表面制備具有二維周期結(jié)構(gòu)的金屬表面層；或制備一介質(zhì)過渡層與具有二維周期結(jié)構(gòu)的金屬表面層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。二維周期點(diǎn)陣的一個方向x，它的周期a為70～180納米，與x垂直的y方向的周期b為a的40%～80%。介質(zhì)過渡層的折射率n滿足條件為1.0<n<p型介質(zhì)層的折射率。采用本發(fā)明技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光二極管直接出偏振光的目的，并能有效增強(qiáng)發(fā)光二極管的透射率和偏振度，使發(fā)光器件的整體體積大大縮小，同時它可通過半導(dǎo)體光刻工藝一次性集成在發(fā)光芯片上，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號H01L33/46GK102263183SQ201110242940
公開日2011年11月30日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者張桂菊, 徐科, 曹冰, 王建峰, 王欽華, 韓琴 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州納維科技有限公司