專利名稱：一種增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體帶隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光的發(fā)光二極管(LED)光源，特別涉及一種 電磁波透射結(jié)構(gòu)，具有復(fù)合微納表面光柵結(jié)構(gòu)的有源偏振出光光學(xué)器件。
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(shí)，電子和空穴分別從n型區(qū)和 P型區(qū)注入，電子和空穴的復(fù)合表現(xiàn)以光子形式釋放能量，發(fā)光波長則取決于材料的禁帶寬 度。目前，根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，LED發(fā)光波長覆蓋了整個(gè)可見光波長。近年來，氮化鎵基LED作為下一代光源引起了廣泛的關(guān)注，它在數(shù)字成像系統(tǒng)， DVD/HD-DVD的光學(xué)驅(qū)動(dòng)，超高密度光盤調(diào)制，平板顯示，電腦的光互聯(lián)等方面有著廣泛的應(yīng) 用。關(guān)于氮化鎵基LED的研究，主要集中在提高光的內(nèi)部量子效率和光發(fā)射的外部出光效 率，內(nèi)部量子效率受材料的影響，外部光發(fā)射出光效率受產(chǎn)生光的整體內(nèi)部反射的限制，而 這與氮化鎵基材料的折射率相關(guān)。為了提高外部出光效率和增強(qiáng)光輻射強(qiáng)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，比如表面點(diǎn)陣列，納米光柵或周邊的微孔陣 列。隨著氮化鎵基LED應(yīng)用的增加，具有復(fù)合功能的LED，例如有直接的偏振出光特性的LED 在光電產(chǎn)業(yè)中受到大量需求，盡管如此，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)。納米結(jié)構(gòu)亞波長金屬光柵表現(xiàn)出了很好的光偏振特 性，以及在光刻工藝與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的高度集成特性。這種亞波長金屬光柵可以強(qiáng)烈的反 射某一方向(TE方向)偏振光，并允許另一方向(TM方向)偏振光通過，其功能相當(dāng)于一個(gè) 線性偏振的偏振器。在金屬光柵偏振器中，TM偏振光的透射率和偏振消光比是偏振出光特 性的兩個(gè)重要指標(biāo)，也是一對相互矛盾的指標(biāo)。因?yàn)?，要得到高的偏振消光比要求更大的?屬體積，而更大的金屬體積導(dǎo)致了金屬對光的更大的吸收特性，從而降低了 TM偏振光的透 過率。TM偏振光透過率和偏振消光比對微納光柵結(jié)構(gòu)的變化是非常敏感的，例如，光柵周 期，占空比，厚度及光柵的有效波長等。在本發(fā)明作出之前，文獻(xiàn)"Linearlypolarized light emission fromlnGaN light emitting diode with subwavelength metallic nanograting, " (Appl. Phys. Lett. 95，261110，2009)公開報(bào)道了表面刻蝕具有亞波長金屬鋁光柵結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN基 LED，具有線偏振出光特性，實(shí)驗(yàn)中測出偏振度為達(dá)到7 1線偏振光輸出，文獻(xiàn)采用了嚴(yán)格 耦合波理論(RCWA)的方法做了理論計(jì)算和模擬，從實(shí)驗(yàn)上提供了對制造集成偏振出光氮 化鎵LED可行性實(shí)驗(yàn)依據(jù)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)在偏振出光效果方面有待進(jìn)一步 提高。然而迄今為止，對于如何實(shí)現(xiàn)微納光柵偏振出光特性中的偏振出光透過率和偏振出 光消光比的同步提高和統(tǒng)一尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，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)方案是一種增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管，它包 括基底、n型層、量子井、p型層和金屬光柵，在p型層的上表面，鍍有或刻有一介質(zhì)過渡層 與金屬光柵的復(fù)合結(jié)構(gòu)，介質(zhì)過渡層的折射率n滿足條件為1. 0 < n < p型層介質(zhì)的折射 率；所述的過渡層為薄膜結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)和嵌入結(jié)構(gòu)中的一種。所述的介質(zhì)過渡層為MgF2或ZnS中的一種。所述的金屬光柵材料為Al，Ag，Au，Cu或他們的合金，金屬光柵的周期范圍為10 500納米，占空比為0. 1 0. 9，光柵厚度為10 300納米。本發(fā)明的原理是過渡層和過渡光柵層結(jié)構(gòu)的引入帶來偏振過透過率和消光 比同步增強(qiáng)效應(yīng)，其可能的物理原因利用薄膜光學(xué)原理和有效介質(zhì)理論(effective medium theory, EMT)方法分析得到解釋[參考文獻(xiàn)D. L. Brundrett, E. N. Glytsis and T.K.Gaylord, "Homogeneous layer modelsfor high-spatial-frequency dielectric surface—relief grating conicaldiffraction and antireflection designs, "Appl. Opt. 33,2695-2706(1994).禾口 R. E. Smith，M. E. Warren，J. R. Wendt and G.A. Vawter, "Polarization-sensitive subwavelength antireflection surfaces on asemiconductor for 975nm，” Opt. Lett. 21，1201-1203 (1996)]。根據(jù)薄膜光學(xué)原理可知， 有效折射率層的引入相當(dāng)于在LED襯底上增加了 一層介質(zhì)材料(介質(zhì)增透膜)，形成了類 Fabry-Perot腔，在滿足一定的干涉條件時(shí)，將引起光透射增強(qiáng)效應(yīng)。根據(jù)EMT方法，過渡層 光柵(實(shí)施例二和三提供的結(jié)構(gòu))的引入使得金屬和介質(zhì)構(gòu)成的等效光柵層的有效折射率 的某一偏振分量(TM偏振)的有效介電常數(shù)變大，從而這一偏振光分量的透過率提高，同時(shí) 又抑制了另一偏振方向光(TE偏振)。實(shí)施例一提供的結(jié)構(gòu)和實(shí)施例三提供的結(jié)構(gòu)相比，其 過渡層可以看成是過渡層光柵的一個(gè)特例(占空比等于1)，由EMT方法可知，一樣的過渡層 材料下，占空比趨于1的一個(gè)等效和近似。因此，過渡層的增加帶來了偏振光的透射增強(qiáng)效 應(yīng)和改善了偏振消光比是由于多層等效光柵結(jié)構(gòu)的雙折射效應(yīng)和多層膜干涉效應(yīng)綜合的 結(jié)果，利用EMT方法可以較合理解釋這一現(xiàn)象。本發(fā)明采用在金屬光柵和基底之間加入一層比基底折射率低的介質(zhì)模板層，能有 效地增強(qiáng)發(fā)光二級管的傳輸和消光特性，在一個(gè)周期內(nèi)光柵側(cè)面的平坦度，光柵的占空比 以及工作波長的范圍相對于傳統(tǒng)的單層金屬光柵都有明顯提高。本發(fā)明提供的技術(shù)方案， 對設(shè)計(jì)、優(yōu)化和制造新型氮化鎵基和偏振光子器件具有十分重要的意義。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有薄膜介質(zhì)過渡層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二 極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有嵌入式過渡層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極 管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有介質(zhì)過渡層光柵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二 極管的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1、基底；2、n型GaN層；3、InGaN/GaN量子井；4、p型GaN層；5、介質(zhì)過渡層； 6、金屬光柵。圖4和圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片其光柵周期與偏
4振出光特性(偏振光透過率和消光比)關(guān)系的比較曲線圖；圖6和圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片其光柵占空比與 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；圖8和圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片其發(fā)光光波長與 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；圖10和圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片其光發(fā)射角度 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。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見圖1，本實(shí)施例提供了一種具有薄膜介質(zhì)過渡層結(jié)構(gòu)金屬光柵增 強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片，其結(jié)構(gòu)包括LED發(fā)光在可見光范圍360 760納米之間，LED 的基底1為GaN，其折射率為2. 5 ;n型GaN層2 ； InGaN/GaN量子井3 ;p型GaN層4 ；金屬光 柵6，金屬光柵材料可以為Al，Ag，Au, Cu或他們的合金，金屬光柵的周期范圍為10 500 納米，占空為0. 1 0. 9，光柵厚度為10 300納米；介質(zhì)過渡層5為薄膜結(jié)構(gòu)，鍍于p型 GaN層上表面，與金屬光柵(6)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，介質(zhì)過渡層為MgF2(折射率1.38)或ZnS (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10 100納 米。實(shí)施例二 參見圖2，本實(shí)施例提供了一種具有嵌入式介質(zhì)過渡層結(jié)構(gòu)的金屬光 柵增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片，其結(jié)構(gòu)包括LED發(fā)光在可見光范圍360 760納米之 間，LED的基底1為GaN，其折射率為2. 5，n型GaN層2，InGaN/GaN量子井3，p型GaN層4， 金屬光柵6，金屬光柵材料可以為Al，Ag，Au，Cu或他們的合金，金屬光柵的周期范圍為10 500納米，占空為0. 1 0. 9，光柵厚度為10 300納米；介質(zhì)過渡層5為嵌入式結(jié)構(gòu)，鍍 于P型GaN層上表面，與金屬光柵(6)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，介質(zhì)過渡層為MgF2(折射率1.38)或 ZnS (折射率2. 44)，折射率均大于1. 0，小于GaN的折射率2. 5 ；嵌入式結(jié)構(gòu)介質(zhì)過渡層中， 金屬光柵層(6)和p型GaN層(4)的上表面間隔為10 100納米，嵌入金屬層介質(zhì)厚度和 金屬光柵厚度相同。實(shí)施例三參見圖3，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種具有介質(zhì)過渡層光柵結(jié)構(gòu)的金屬 光柵增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管芯片，基底1 ;n型GaN層2 ；InGaN/GaN量子井3 ；p型GaN層 4 ；介質(zhì)過渡層光柵5 ；金屬光柵6 ；選擇過渡層材料分別是折射率為1. 38的MgF2和折射率 為2. 44的ZnS，金屬光柵材料為鋁(A1)，鋁光柵的厚度均為150納米，占空比均為0.5。ZnS 厚度40納米，MgF2厚度30納米，過渡層光柵占空比和鋁光柵的一致為0. 5。參見圖4和圖5 給出了光柵周期為50 180納米范圍內(nèi)偏振出光特性的比較。 各圖例曲線中，曲線1是沒有過渡層材料的鋁光柵結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，曲線2是有ZnS過渡層 光柵和鋁光柵復(fù)合結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，曲線3是有MgF2過渡層光柵和鋁光柵復(fù)合結(jié)構(gòu)的計(jì)算 結(jié)果。由圖4和圖5可以看出本實(shí)施例提供的有過渡層結(jié)構(gòu)在很大程度上改善了偏振光 透過率和偏振消光比。其中具有ZnS+Al復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)(曲線2)在50 160納米范圍內(nèi) 具有平坦的TM偏振光輸出，且透過率大于83%，消光比大于38分貝；具有MgF2+Al復(fù)合光 柵結(jié)構(gòu)(曲線3)在50 160納米范圍內(nèi)具有更高和平坦的TM偏振光輸出，且透過率大于96%,消光比大于36分貝；曲線2和曲線3很大程度上優(yōu)于曲線1 (沒有過渡層的鋁光柵結(jié) 構(gòu))。參見圖6和圖7 給出光柵占空比為0. 1 0.9范圍內(nèi)偏振出光特性的比較。有過 渡層結(jié)構(gòu)在改善了 TM偏振光透過率和偏振消光比。其中具有ZnS+Al復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)(曲線 2)在占空比0. 1 0. 6范圍內(nèi)具有平坦的TM偏振光輸出，且透過率大于90%，消光比最高 可達(dá)45分貝；具有MgF2+Al復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)(曲線3)在占空比0. 1 0. 75范圍內(nèi)具有平坦 的TM偏振光輸出，且透過率大于90%，消光比大于62分貝；曲線2和曲線3很大程度上優(yōu) 于曲線1 (沒有過渡層的鋁光柵結(jié)構(gòu))。圖6和7中，鋁光柵的厚度和周期均為150納米。參見圖8和圖9 針對GaN基LED的典型的發(fā)光波長440-520納米，給出這一發(fā)光 波長范圍內(nèi)偏振出光特性的比較。有過渡層結(jié)構(gòu)很大程度上改善了 TM偏振光透過率和偏 振消光比。圖8可以看出，曲線2和3在整個(gè)光譜范圍內(nèi)，TM偏振光輸出較為平坦，尤其是 曲線2，透過率均大于88%。圖9的消光比比較上，曲線3在整個(gè)光譜范圍內(nèi)都比曲線1的 值高。圖8和9中，鋁光柵的厚度和周期均為150納米，占空比為0. 5。參見圖10和11 給出LED發(fā)光角度對偏振光輸出特性的比較。有過渡層結(jié)構(gòu)的 引入，使得LED的偏振出光特性對光發(fā)射角度的敏感性降低，從而提高TM偏振光透過率和 改善偏振消光比。圖10可以看出，具有ZnS+Al復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)(曲線2)在光發(fā)射角度為 +-70度范圍內(nèi)，TM偏振光輸出平坦，且透過率大于90% ；MgF2+Al復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)(曲線3) 在光發(fā)射角度為+-60度范圍內(nèi)，TM偏振光輸出平坦，且透過率大于90 %，消光比在整個(gè)出 射光角度范圍內(nèi)，較沒有過渡層的光柵結(jié)構(gòu)(曲線1)提高了 3 5分貝。曲線1對在光 出射角為+-20度范圍內(nèi)具有較好的平坦性(與文獻(xiàn)J. J. Wang，ff. Zhang, X. Deng, J. Deng, F. Liu, P.Sciortino, and L. Chen, High-performance nanowire-grid polarizers, Opt. Lett.，” 30，195-197 (2005).報(bào)道的一致)。圖10和11中，鋁光柵的厚度和周期均為150 納米，占空比為0.5。
權(quán)利要求
一種增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管，它包括基底(1)、n型層(2)、量子井(3)、p型層(4)和金屬光柵(6)，其特征在于在p型層(4)的上表面，鍍有或刻有一介質(zhì)過渡層(5)與金屬光柵(6)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，介質(zhì)過渡層的折射率n滿足條件為1.0＜n＜p型層介質(zhì)(4)的折射率；所述的過渡層為薄膜結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)和嵌入結(jié)構(gòu)中的一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管，其特征在于所述的介質(zhì)過渡層 為中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)偏振出光發(fā)光二極管，其特征在于所述的金屬光柵材 料為Al，Ag，Au，Cu或它們的合金，金屬光柵的周期范圍為10 500納米，占空比為0. 1 0. 9，光柵厚度為10 300納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體帶隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光的發(fā)光二極管(LED)光源，特別涉及一種電磁波透射結(jié)構(gòu)，具有復(fù)合微納表面光柵結(jié)構(gòu)的有源偏振出光光學(xué)器件。它包括基底(1)、n型層(2)、量子井(3)、p型層(4)和金屬光柵(6)，其特征在于在p型層(4)的上表面，鍍有或刻有一介質(zhì)過渡層(5)與金屬光柵(6)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，介質(zhì)過渡層的折射率n滿足條件為1.0＜n＜p型層介質(zhì)(4)的折射率；所述的過渡層為薄膜結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)和嵌入結(jié)構(gòu)中的一種。上述結(jié)構(gòu)的采用，能有效地增強(qiáng)發(fā)光二級管的傳輸和消光特性，在一個(gè)周期內(nèi)光柵側(cè)面的平坦度，光柵的占空比以及工作波長的范圍相對于傳統(tǒng)的單層金屬光柵都有明顯提高。
文檔編號H01L33/44GK101853912SQ201010151039
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者張桂菊, 曹冰, 王欽華, 韓琴 申請人:蘇州大學(xué)