專利名稱：直接出射線偏振光的發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED芯片制造領(lǐng)域，尤其涉及一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著III-V族氮化物L(fēng)ED加工技術(shù)的不斷提高和GaN(氮化鎵)基LED結(jié)構(gòu)的不斷成熟和完善，LED的應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速的擴(kuò)大，近年來LED已被應(yīng)用于LCD的背光源和投影顯示的照明光源，和普通光源一樣，目前市面上的LED發(fā)出的光也是自然偏振光，所以將LED應(yīng)用于LCD的背光源和投影顯示的照明光源同樣需要二次光學(xué)設(shè)計(jì)引入偏振片和配套的光學(xué)器件獲得最終的線偏振光，這不但增大了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的體積、提高了成本，而且也造成了光能的極大浪費(fèi)。如果能在襯底或芯片的出光面上制作出一些微結(jié)構(gòu)，賦予LED 芯片本身以偏振特性，使其能夠直接出射線偏振光，那么這種結(jié)構(gòu)的LED無疑將會(huì)在液晶顯示領(lǐng)域和某些需要偏振光照明的領(lǐng)域(如微型驗(yàn)鈔機(jī)、機(jī)動(dòng)車輛防眩光的照明燈等)產(chǎn)生巨大的市場價(jià)值。專利號(hào)為CN1547056A的中國專利公開了一種射擊式偏振發(fā)光管及其偏振發(fā)光陣列，直接用透光膠將偏振片封裝于殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了可用于微型驗(yàn)鈔儀的直接發(fā)射偏振光的發(fā)光管或發(fā)光管陣列，但該專利沒有對(duì)芯片本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也不利于光能的利用。專利號(hào)為CN101088175A的中國專利公開了一種偏振的LED，在LED管芯的表面放置雙折射材料、線柵、多層光學(xué)膜、膽留型材料等優(yōu)先透射一個(gè)方向的偏振光，而將另一個(gè)方向的偏振光返回LED管芯內(nèi)部，從而產(chǎn)生部分偏振光，該專利也沒有對(duì)LED管芯本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可直接出射線偏振光的發(fā)光二極管(LED)，采用本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)不但可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管直接出射線偏振光，并且能量損失少，使光能能夠得到充分利用。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管由底層向上依次包括襯底和外延層，所述外延層上表面具有偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于對(duì)具有P型偏振光和S型偏振光的自然偏振光產(chǎn)生分光作用，以透射P型偏振光并反射S型偏振光；所述襯底上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu)，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后再次出射。進(jìn)一步的，所述發(fā)光二級(jí)管在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)和所述外延層之間還設(shè)置有寬帶聞反介質(zhì)月旲。進(jìn)一步的，所述發(fā)光二級(jí)管在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上還設(shè)置有偏振分光膜。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的所在面平行，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為43° 47°。
進(jìn)一步的,所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為45。。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類多邊棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類多邊棱柱平行排布形成。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類三棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的 第二類三棱柱平行排布形成。進(jìn)一步的，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為43° 47。。進(jìn)一步的，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為45°。進(jìn)一步的，所述第一類三棱柱和第二類三棱柱的底面均為等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜邊平行于所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面。進(jìn)一步的,所述等腰直角三角形的斜邊長度范圍為50nm lOOOnm。進(jìn)一步的，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的半圓柱平行排布形成，所述半圓柱的圓弧面向外凸起，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的橫截面為半圓形。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)與所述襯底為一體成型。進(jìn)一步的，所述外延層由底層向上依次包括N型限制層、量子阱層和P型限制層，所述P型限制層上表面具有所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)與P型限制層為一體成型。 進(jìn)一步的，所述N型限制層和P型限制層的材質(zhì)為氮化鎵。進(jìn)一步的，所述發(fā)光二極管還包括P型電極和N型電極，所述P型電極設(shè)置于所述P型限制層上，所述N型電極設(shè)置于所述N型限制層上。進(jìn)一步的，所述發(fā)光二極管還包括透明電極和鈍化保護(hù)膜，所述透明電極位于所述外延層上，所述鈍化保護(hù)膜覆蓋于所述透明電極上。進(jìn)一步的，所述襯底的材料為藍(lán)寶石、碳化硅或硅。本發(fā)明還提供一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面形成旋光陣列結(jié)構(gòu)；在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成外延層，并在所述外延層上表面形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于透射自然偏振光的P型偏振光并反射自然偏振光的S型偏振光,所述襯底上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu),所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后再次出射。進(jìn)一步的，所述制造方法采用納米壓印技術(shù)、聚焦離子束刻蝕或光刻刻蝕轉(zhuǎn)移法形成所述旋光陣列結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，所述制造方法采用納米壓印技術(shù)、聚焦離子束刻蝕或光刻刻蝕轉(zhuǎn)移法形成所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，所述制造方法在形成所述旋光陣列結(jié)構(gòu)和形成所述外延層的步驟之間，還包括在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成寬帶高反介質(zhì)膜，其中采用蒸鍍法或?yàn)R射法在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成寬帶高反介質(zhì)膜。進(jìn)一步的，所述制造方法在形成所述外延層的步驟之后，還包括在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成偏振分光膜，其中采用真空光學(xué)鍍膜法或?yàn)R射法在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成偏振分光膜。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的所在面平行，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為43° 47°。 進(jìn)一步的,所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為45。。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類多邊棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類多邊棱柱平行排布形成。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類三棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類三棱柱平行排布形成。 進(jìn)一步的，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為43° 47。。進(jìn)一步的，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為45°。進(jìn)一步的，所述第一類三棱柱和第二類三棱柱的底面均為等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜邊平行于所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面。進(jìn)一步的，所述等腰直角三角形的斜邊長度范圍為50nm lOOOnm。進(jìn)一步的，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)與所述襯底為一體成型。進(jìn)一步的，所述外延層由底層向上依次包括N型限制層、量子阱層和P型限制層，所述P型限制層上表面具有所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，采用金屬有機(jī)氣相沉積法依次形成所述N型限制層、量子阱層和P型限制層。進(jìn)一步的，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)與P型限制層為一體成型。進(jìn)一步的，所述制造方法在形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)和形成透明電極的步驟之間，還包括在具有所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的P型限制層上形成P型電極，以及在所述N型限制層上形成N型電極。進(jìn)一步的，所述制造方法在形成所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的步驟之后，還包括，在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成透明電極；以及在所述透明電極上覆蓋一鈍化保護(hù)膜，所述鈍化保護(hù)膜的材質(zhì)為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。進(jìn)一步的，所述制造方法在形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)和形成透明電極的步驟中，還包括在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成偏振分光膜。綜上所述，本發(fā)明所述發(fā)光二極管通過在所述襯底上表面設(shè)置旋光陣列結(jié)構(gòu)，并在所述外延層上形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，偏振分光陣列結(jié)構(gòu)透射P型偏振光并反射S型偏振光，反射的S型偏振光被旋光陣列結(jié)構(gòu)再次反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后，經(jīng)過偏振分光陣列結(jié)構(gòu)發(fā)射出，因而本發(fā)明所述發(fā)光二極管在不需要引入外置偏振片的前提下，實(shí)現(xiàn)了直接出射線偏振光的目的，為后續(xù)二次光學(xué)設(shè)計(jì)提供了便利，也縮小相應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品的體積，降低了其生產(chǎn)成本；其次，本發(fā)明所提供的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在對(duì)P型偏振光透射的同時(shí)并沒有對(duì)S型偏振光進(jìn)行吸收，而是再次對(duì)其反射并轉(zhuǎn)換成P型偏振光后重新利用，這樣可以充分利用光能、基本無能量損失；最后，本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)制備工藝有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，工藝成熟易實(shí)施。


圖I為本發(fā)明一實(shí)施例中直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的剖面示意圖。圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中偏振分光陣列結(jié)構(gòu)不意圖。圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中旋光陣列結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)意圖和偏振分光原理示意圖。
圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中旋光陣列結(jié)構(gòu)的剖面意圖和旋光原理意圖。圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制作方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時(shí)，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。圖I為本發(fā)明一實(shí)施例中直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的剖面示意圖，圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中偏振分光陣列結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中旋光陣列結(jié)構(gòu)的示意圖，圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖和偏振分光原理示意圖，圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中旋光陣列結(jié)構(gòu)的剖面示意圖和旋光原理示意圖。如圖I所示，本發(fā)明提供一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管由底層向上依次包括襯底I和外延層5，所述外延層上表面具有偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于對(duì)具有P型偏振光和S型偏振光的自然偏振光產(chǎn)生分光作用，以透射P型偏振光，反射S型偏振光；所述襯底上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu)，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的所述S型偏振光再次反射，并將其轉(zhuǎn)換為P型偏振光后再次經(jīng)過偏振分光陣列結(jié)構(gòu)射出。其中，自然偏振光包括P型偏振光和S型偏振光,其中P型偏振光是指振動(dòng)方向平行于入射面的偏振光，S型偏振光是指振動(dòng)方向垂直于入射面的偏振光。在較佳的實(shí)施例中，在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10表面還形成有寬帶高反介質(zhì)膜12，在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9上表面具有偏振分光膜11，所述偏振分光膜11對(duì)P型偏振光具有透射作用，對(duì)S型偏振光具有反射作用，所述寬帶高反介質(zhì)膜12對(duì)可見光(波長范圍為300nm 800nm)波段具有高反射性(反射能量在90%以上)。此外，其他產(chǎn)生分光效果的膜層，亦可替代偏振分光膜11設(shè)置于所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9上，其他能夠具有反射作用的膜層，亦可替代寬帶高反介質(zhì)膜12設(shè)置于旋光陣列結(jié)構(gòu)10上。本發(fā)明所述的發(fā)光二極管可以采用藍(lán)寶石、碳化硅或硅作為襯底I的材質(zhì)，其他半導(dǎo)體材質(zhì)的襯底亦在本發(fā)明的思想范圍之內(nèi)。在本實(shí)施例中，所述外延層5由底層向上依次包括N型限制層2、量子阱層3和P型限制層4。所述N型限制層2和P型限制層4的材質(zhì)為氮化鎵。所述外延層能夠發(fā)射出包括S型偏振光和P型偏振光的自然偏振光。
為使自然偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光的過程中能量損失最小，通常希望自然偏振光經(jīng)過所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9被反射的光線能夠盡量以垂直的角度射向旋光陣列結(jié)構(gòu)10，被旋光陣列結(jié)構(gòu)10反射的光線同樣盡量以垂直的方向從偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9射出。故所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10可以由若干相同的第一類多邊棱柱平行排布形成，例如平行六面體(四棱柱)、五邊棱柱、七邊棱柱等,所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9可以由若干相同的第二類多邊棱柱平行排布形成，例如五邊棱柱、七邊棱柱等。結(jié)合圖I和圖2,在較佳 的實(shí)施例中,所述襯底I上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu)10,其中所述襯底I與該旋光陣列結(jié)構(gòu)10為一體成型，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10由若干相同的第一類三棱柱IOa平行排布形成；結(jié)合圖I和圖3，所述外延層5的上表面具有偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9，在本實(shí)施例中，偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9形成于所述P型限制層4上，且偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9與所述P型限制層4為一體成型；所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9由若干相同的第二類三棱柱9a平行排布形成；結(jié)合圖2和圖3，所述第一類三棱柱IOa與第二類三棱柱9a形狀和尺寸相同，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9的所在面平行，所述第一類三棱柱IOa的側(cè)棱與第二類三棱柱9a的側(cè)棱的夾角可以為43° 47°，其中較佳的為45°，所述第一類三棱柱IOa的側(cè)棱所在面與第二類三棱柱9a的側(cè)棱所在面平行，且所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10中由第一類三棱柱IOa組成的圖形的延伸方向與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9中由第二類三棱柱9a組成的圖形的延伸方向呈43° 47°夾角，具體結(jié)合圖4和圖5，在本實(shí)施例中，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10的延伸方向，即第一類三棱柱IOa側(cè)棱的延伸方向位于XY所在平面內(nèi)并與X軸呈43° 47°夾角，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9的延伸方向，即所述第二類三棱柱9a側(cè)棱的延伸方向同樣位于XY所在的平面內(nèi)并與X軸平行。結(jié)合圖2和圖3,在較佳的實(shí)施例中，所述第一類三棱柱IOa和第二類三棱柱9a的底面均為等腰直角三角形(圖I所示的剖面圖為沿第二類三棱柱9a側(cè)邊的延伸方向剖開，由于所述第一類三棱柱IOa和第二類三棱柱9a的延伸方向呈45度夾角，因此在如I中第二類三棱柱9a所呈的夾角不是90度，其并非實(shí)際夾角)，所述等腰直角三角形的斜邊平行于所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10的所在面，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9的所在面平行，因此第一類三棱柱IOa的等腰直角三角形的斜邊平行于所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10的所在面，所述第二類三棱柱9a的斜邊平行于偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9的所在面，即所述等腰直角三角形的兩條直角邊均為凸起的側(cè)邊，底面直角三角形的三棱柱結(jié)構(gòu)能夠使反射的光能夠沿與入射光平行的方向射出，維持一致的光路傳遞方向，減少漫反射和折射，進(jìn)而提高LED光線的出射亮度。在較佳的實(shí)施例中，所述等腰直角三角形的斜邊長度范圍為50nm IOOOnm,該范圍能夠較佳地選擇性透射或反射所述LED發(fā)出的自然偏振光。此外，其他結(jié)構(gòu)，例如所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9由若干相同的半圓柱平行排布形成，所述半圓柱的圓弧面向外凸起，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10則由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的橫截面為半圓形等，只要能夠使自然偏振光經(jīng)過所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9被反射的光線能夠盡量以垂直的角度射向旋光陣列結(jié)構(gòu)10，被旋光陣列結(jié)構(gòu)10反射的光線同樣盡量以垂直的方向從偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9射出，以減小自然偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光的過程中能量的方式均在本發(fā)明的思想范圍之內(nèi)。同時(shí)，結(jié)合圖1，所述發(fā)光二極管還包括P型電極7a和N型電極7b，所述P型電7a設(shè)置于所述P型限制層4上，所述N型電極7b設(shè)置于所述N型限制層2上。所述P型電極7a和N型電極7b用于給所述P型限制層4和N型限制層2施加電壓，以使量子阱層3發(fā)光。P型電極7a和N型電極7b的材質(zhì)為鉻、鉬、鈦、鋁、鎳及金中的一種或其任意組合。此外，所述發(fā)光二極管還包括本發(fā)明所述發(fā)光二極管還包括設(shè)置于外延層上的透明電極8和鈍化保護(hù)膜6，所述透明電極8可以為銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜(ITO，Indium TinOxides)，或銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜和氧化鋅(ZnO)基薄膜組合而成的雙層透明導(dǎo)電膜。所述鈍化保護(hù)膜6覆蓋于所述透明電極上，用于起到絕緣作用。所述鈍化保護(hù)膜6的材質(zhì)可以為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。結(jié)合圖4和圖5，本發(fā)明所述的發(fā)光二極管的發(fā)光方法為所述外延層5中的量子阱層3發(fā)出包括S型偏振光和P型偏振光的自然偏振20，自然偏振20從外延層5中射出，經(jīng)過所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9和偏振分光膜11，所述P型偏振光21被透射出去，所述S型偏振光22被所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9和偏振分光膜11反射回LED內(nèi)部,朝向所述襯底I方向，被反射的S型偏振光22經(jīng)過所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10和寬帶高反介質(zhì)膜12時(shí)，被反射的S型偏振光22再次被反射，并被轉(zhuǎn)換為P型偏振光23，該轉(zhuǎn)換后的P型偏振光23能夠經(jīng)過所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9和偏振分光膜11透射發(fā)出。 發(fā)光二極管的工作過程具體為所述P電極7a和N電極7b施加正向電壓，電子和空穴會(huì)在量子阱層3處復(fù)合產(chǎn)生光子，形成自然偏振光20向外傳播，由于P型限制層4上設(shè)置有偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9，且偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9上鍍有偏振分光膜11，故沿X軸方向振動(dòng)的P型偏振光21能夠透過偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9和偏振分光膜11,而沿Y軸方向振動(dòng)的S型偏振光22被偏振分光膜11反射回LED的內(nèi)部；由于襯底I上設(shè)置有旋光陣列結(jié)構(gòu)10，且旋光陣列結(jié)構(gòu)10上鍍有寬帶高反介質(zhì)膜12，被返回到LED內(nèi)部的S型偏振光22，對(duì)于具有旋光陣列結(jié)構(gòu)10來說，其振動(dòng)方向和X軸方向成45度夾角的線偏振光，根據(jù)菲涅耳理論，該方向的線偏振光經(jīng)相互垂直的兩個(gè)表面反射后，其振動(dòng)方向?qū)⒑蚗軸方向成-45度角，故S型偏振光22經(jīng)旋光陣列結(jié)構(gòu)10和寬帶高反介質(zhì)膜12反射后,對(duì)于所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9的結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過所述偏振分光膜11時(shí)便轉(zhuǎn)化為P型偏振光，從而再次幾乎無能量損失的通過偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9射出，從而不經(jīng)過外部器件，發(fā)光二極管即自身實(shí)現(xiàn)直接出射線偏振光。本發(fā)明還提供一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面形成旋光陣列結(jié)構(gòu)；在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成外延層，并在所述外延層上表面形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于透射自然偏振光的P型偏振光并反射自然偏振光的S型偏振光,所述襯底上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu)，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后再次出射。圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制作方法的流程示意圖。如圖6所示，以下結(jié)合圖I至圖6具體說明本發(fā)明一實(shí)施例中直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造過程，應(yīng)當(dāng)明確的是，旋光陣列結(jié)構(gòu)與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的形成方法、具體結(jié)構(gòu)以及外延層上設(shè)置的其他結(jié)構(gòu)并不僅限制于本實(shí)施例的描述，其他能夠?qū)崿F(xiàn)所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)能夠透射P型偏振光，反射S型偏振光，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺銎穹止怅嚵薪Y(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射,并轉(zhuǎn)換為P型偏振光的其他發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)亦在本發(fā)明的思想范圍之內(nèi)。
步驟SOI :提供半導(dǎo)體襯底1，在所述半導(dǎo)體襯底上表面形成旋光陣列結(jié)構(gòu)10 ;在較佳的實(shí)施例中，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10由若干相同的第一類三棱柱IOa平行排布形成，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10與所述襯底I為一體成型，其中，可以采用紫外光刻法、ICP刻蝕法、納米壓印技術(shù)、聚焦離子束刻蝕或光刻刻蝕轉(zhuǎn)移法等形成所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10。步驟S02 :在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10上形成寬帶高反介質(zhì)膜12 ;在本實(shí)施例中，可以采用蒸鍍法或?yàn)R射法在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10上形成寬帶高反介質(zhì)膜12。步驟S03 :在所述寬帶高反介質(zhì)膜12上形成外延層5，并在所述外延層6上表面形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9 ;在較佳的實(shí)施例中,所述旋光陣列結(jié)構(gòu)10的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9的所在面平行，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9由若干相同的第二類三棱柱9a平行排布形成，所述第一類三棱柱IOa與第二類三棱柱9a形狀和尺寸相同，所述第一類三棱柱IOa的側(cè)棱與第二類三棱柱9a的側(cè)棱的夾角為45度；在較佳的實(shí)施例中，所述外延層由底層向上依次包括N型限制層2、量子阱層3和P型限制層4，可以采用金屬有機(jī)氣相沉積法依次 形成所述N型限制層2、量子阱層3和P型限制層4。所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9與P型限制層4為一體成型，其中，可以采用紫外光刻法、ICP刻蝕法、納米壓印技術(shù)、聚焦離子束刻蝕或光刻刻蝕轉(zhuǎn)移法等形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9。步驟S04 :在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)9上形成偏振分光膜11 ；步驟S05 :在所述偏振分光膜11上形成透明電極8和鈍化層8，所述透明電極8上覆蓋一鈍化保護(hù)膜6，所述鈍化保護(hù)膜6的材質(zhì)為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。綜上所述，本發(fā)明所述發(fā)光二極管通過在所述襯底上表面設(shè)置旋光陣列結(jié)構(gòu)，并在所述外延層上形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，當(dāng)偏振分光陣列結(jié)構(gòu)透射P型偏振光并反射S型偏振光，反射的S型偏振光被旋光陣列結(jié)構(gòu)反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后，再次經(jīng)過偏振分光陣列結(jié)構(gòu)發(fā)射出，因而在不需要引入外置偏振片的前提下，實(shí)現(xiàn)了直接出射線偏振光的目的，為后續(xù)二次光學(xué)設(shè)計(jì)提供了便利，也縮小相應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品的體積，降低了其生產(chǎn)成本；其次，本發(fā)明所提供的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在對(duì)P型偏振光透射的同時(shí)并沒有對(duì)相對(duì)的S型偏振光進(jìn)行吸收，而是對(duì)其回收轉(zhuǎn)換成P型偏振光后重新利用，這樣可以充分利用光能、基本無能量損失；最后，本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)制備工藝有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，工藝成熟易實(shí)施。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管由底層向上依次包括襯底和外延層，其特征在于， 所述外延層上表面具有偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于對(duì)具有P型偏振光和S型偏振光的自然偏振光產(chǎn)生分光作用，以透射P型偏振光并反射S型偏振光； 所述襯底上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu)，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后再次出射。
2.如權(quán)利要求I所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)和所述外延層之間還設(shè)置有寬帶高反介質(zhì)膜。
3.如權(quán)利要求I所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上還設(shè)置有偏振分光膜。
4.如權(quán)利要求I所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的所在面平行，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為43° 47°。
5.如權(quán)利要求4所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為45°。
6.如權(quán)利要求I所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類多邊棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類多邊棱柱平行排布形成。
7.如權(quán)利要求6所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類三棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類三棱柱平行排布形成。
8.如權(quán)利要求7所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為43° 47°。
9.如權(quán)利要求8所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為45°。
10.如權(quán)利要求7所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一類三棱柱和第二類三棱柱的底面均為等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜邊平行于所述旋 光陣列結(jié)構(gòu)的所在面。
11.如權(quán)利要求10所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述等腰直角三角形的斜邊長度范圍為50nm lOOOnm。
12.如權(quán)利要求I所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的半圓柱平行排布形成，所述半圓柱的圓弧面向外凸起，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的橫截面為半圓形。
13.如權(quán)利要求I至12中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)與所述襯底為一體成型。
14.如權(quán)利要求I至12中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述外延層由底層向上依次包括N型限制層、量子阱層和P型限制層，所述P型限制層上表面具有所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求14所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)與P型限制層為一體成型。
16.如權(quán)利要求14所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述N型限制層和P型限制層的材質(zhì)為氮化鎵。
17.如權(quán)利要求14所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管還包括P型電極和N型電極，所述P型電極設(shè)置于所述P型限制層上，所述N型電極設(shè)置于所述N型限制層上。
18.如權(quán)利要求I至12中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管還包括透明電極和鈍化保護(hù)膜，所述透明電極位于所述外延層上，所述鈍化保護(hù)膜覆蓋于所述透明電極上。
19.如權(quán)利要求I至12中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底的材料為藍(lán)寶石、碳化硅或硅。
20.—種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法,包括 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面形成旋光陣列結(jié)構(gòu)； 在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成外延層，并在所述外延層上表面形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于透射自然偏振光的P型偏振光并反射自然偏振光的S型偏振光，所述襯底上表面具有旋光陣列結(jié)構(gòu)，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射并轉(zhuǎn)換為P型偏振光后再次出射。
21.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，采用納米壓印技術(shù)、聚焦離子束刻蝕或光刻刻蝕轉(zhuǎn)移法形成所述旋光陣列結(jié)構(gòu)。
22.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，采用納米壓印技術(shù)、聚焦離子束刻蝕或光刻刻蝕轉(zhuǎn)移法形成所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)。
23.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在形成所述旋光陣列結(jié)構(gòu)和形成所述外延層的步驟之間，還包括在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成寬帶高反介質(zhì)膜，其中采用蒸鍍法或?yàn)R射法在所述旋光陣列結(jié)構(gòu)上形成寬帶高反介質(zhì)膜。
24.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在形成所述外延層的步驟之后，還包括在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成偏振分光膜，其中采用真空光學(xué)鍍膜法或?yàn)R射法在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成偏振分光膜。
25.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面與偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的所在面平行，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為43° 47°。
26.如權(quán)利要求25所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向與所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的延伸方向的夾角為45°。
27.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類多邊棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類多邊棱柱平行排布形成。
28.如權(quán)利要求27所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第一類三棱柱平行排布形成，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的第二類三棱柱平行排布形成。
29.如權(quán)利要求28所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為43° 47°。
30.如權(quán)利要求29所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述第一類三棱柱的側(cè)棱與第二類三棱柱的側(cè)棱的夾角為45°。
31.如權(quán)利要求29所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述第一類三棱柱和第二類三棱柱的底面均為等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜邊平行于所述旋光陣列結(jié)構(gòu)的所在面。
32.如權(quán)利要求31所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述等腰直角三角形的斜邊長度范圍為50nm lOOOnm。
33.如權(quán)利要求20所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的半圓柱平行排布形成，所述半圓柱的圓弧面向外凸起，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的橫截面為半圓形。
34.如權(quán)利要求20至33中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)與所述襯底為一體成型。
35.如權(quán)利要求20至33中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述外延層由底層向上依次包括N型限制層、量子阱層和P型限制層，所述P型限制層上表面具有所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，采用金屬有機(jī)氣相沉積法依次形成所述N型限制層、量子阱層和P型限制層。
36.如權(quán)利要求35所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)與P型限制層為一體成型。
37.如權(quán)利要求36所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)和形成透明電極的步驟之間，還包括在具有所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的P型限制層上形成P型電極，以及在所述N型限制層上形成N型電極。
38.如權(quán)利要求20至33中任意一項(xiàng)所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在形成所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)的步驟之后，還包括， 在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成透明電極；以及 在所述透明電極上覆蓋一鈍化保護(hù)膜，所述鈍化保護(hù)膜的材質(zhì)為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
39.如權(quán)利要求38所述的直接出射線偏振光的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)和形成透明電極的步驟中，還包括在所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)上形成偏振分光膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直接出射線偏振光的發(fā)光二極管及其制造方法，所述發(fā)光二極管通過在襯底上形成旋光陣列結(jié)構(gòu)，并在外延層上形成偏振分光陣列結(jié)構(gòu)，所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)用于對(duì)自然偏振光產(chǎn)生分光作用，以透射P型偏振光，反射S型偏振光，所述旋光陣列結(jié)構(gòu)用于將所述偏振分光陣列結(jié)構(gòu)反射的S型偏振光再次反射，并將其轉(zhuǎn)換為P型偏振光，再次經(jīng)過偏振分光陣列結(jié)構(gòu)射出，從而不需要引入外置偏振片即可實(shí)現(xiàn)直接出射線偏振光的目的，為后續(xù)二次光學(xué)設(shè)計(jì)提供了便利，也縮小相應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品的體積，降低了其生產(chǎn)成本，且光能得到充分利用、基本無能量損失，同時(shí)本發(fā)明所提供的制造方法，工藝成熟且易實(shí)施。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102751416SQ20121022423
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者丁海生, 張昊翔, 李東昇, 李超, 江忠永, 王洋, 馬新剛 申請(qǐng)人:杭州士蘭明芯科技有限公司