一種用于提高qwip-led光提取效率的二維光子晶體厚膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于提高QWIP-LED光提取效率的二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)。該二維光子晶體厚膜是刻蝕在QWIP-LED器件電極層上的有限深空氣孔陣列，厚膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)（晶格常數(shù)a,孔半徑r，孔深度d）是針對QWIP-LED發(fā)光波長進行優(yōu)化得到的。厚膜結(jié)構(gòu)的制作是可采用標準的納米加工技術(shù)，工藝簡單。該厚膜結(jié)構(gòu)在QWIP-LED器件上的應(yīng)用，一方面可大幅提升QWIP-LED器件的光提取效率，從而使器件的紅外上轉(zhuǎn)換效率得以提高；另外一方面充分保護了器件的電氣特性，從而保證了QWIP-LED圖像輸出功能不受破壞。
【專利說明】—種用于提高QWIP-LED光提取效率的二維光子晶體厚膜
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本專利涉及一種光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)。具體是指一種用于提高QWIP-LED光提取效率的二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)，該技術(shù)可用于紅外探測器的器件研制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】:
[0002]紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)一直以來是各國研究人員的一個研究熱點，其目的是為了將目標的中長波紅外光輻射轉(zhuǎn)變成近紅外光或者可見光圖像信息，然后用商用CCD或者CMOS進行成像，替代價格昂貴的傳統(tǒng)紅外面陣探測器。QWIP-LED是一種典型的紅外上轉(zhuǎn)換器件，可將入射到QWIP區(qū)域的長波紅外光(7.8 μ m)轉(zhuǎn)變成LED區(qū)域近紅外光(870nm)輸出。QWIP-LED器件是將基于GaAs/AlGaAs的多量子阱結(jié)構(gòu)QWIPs與基于InGaAs/GaAs的LED結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一起。正常工作時，器件處于恒定電壓下，QWIPs吸收成像光學(xué)系統(tǒng)入射光后產(chǎn)生光生載流子，載流子在QWIPs平面內(nèi)的分布是目標圖像具體反映。在恒定電壓作用下載流子流向LED區(qū)域，在LED有源區(qū)發(fā)生載流子和空穴復(fù)合，激發(fā)出近紅外光，對目標景物進行了圖像重現(xiàn)。
[0003]然而QWIP-LED器件的光學(xué)效率一直困擾著這種類型器件的發(fā)展。由于QWIP-LED具有較高的材料折射率(QWIP-LED約為3.5)，大部分出射的近紅外光在LED與空氣的界面上發(fā)生了全發(fā)射，使得光出射率極低，對于QWIP-LED器件該值低于2% (1/n2)。
[0004]對于傳統(tǒng)照明用途的LED，為改善其的光提取效率，人們提出了一系列的方法，包括表面粗糙化，倒金字塔結(jié)構(gòu)，制作布拉格反射結(jié)構(gòu)等。這些方法可以一定程度上改善照明用LED的光提取效率，但是并不適用于進行紅外成像探測用途的QWIP-LED器件。
[0005]二維光子晶體厚膜用于提高LED光提取效率已有先例，但也主要是應(yīng)用于照明用LED。二維光子晶體厚膜的能帶理論指出:一方面二維光子晶體厚膜存在能帶結(jié)構(gòu)中存在帶隙，頻率處于帶隙內(nèi)的導(dǎo)波模式將被抑制，從而使得出射光得到增強；另外一方面，二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波模式存在頻率上限，高于此頻率的光將以出射模式從厚膜結(jié)構(gòu)中出射。該理論很好的支持了二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)用于提高QWIP-LED器件光學(xué)效率的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]基于以上技術(shù)背景，本發(fā)明提出一種用于提高QWIP-LED光提取效率的二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)。
[0007]如圖所示，二維光子晶體厚膜2位于QWIP-LED器件LED —側(cè)的電極層I上，覆蓋整個發(fā)光面；二維光子晶體厚膜2采用GaAs材料制作，其結(jié)構(gòu)為正三角形陣列排列的孔狀結(jié)構(gòu)，孔的深度為270-290nm，孔的半徑為320_332nm，晶格常數(shù)取值范圍為700_720nm。
[0008]為了最大程度降低對QWIP-LED器件電氣特性的影響，本發(fā)明所提出的用于提高QWIP-LED光提取效率的二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)是采用標準的納米加工技術(shù)在QWIP-LED器件的電極層進行制作加工的，圖1展示了厚膜結(jié)構(gòu)在QWIP-LED器件上的加工位置。[0009]針對QWIP-LED器件中心發(fā)光波長(870nm)，對二維光子晶體厚膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。二維光子晶體厚膜的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為晶格常數(shù)a (相鄰空氣孔中心距)、填充因子(孔半徑與晶格常數(shù)比值r/a)以及孔深d。圖3-5分別是含二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)的QWIP-LED的相對光提取效率隨三個參數(shù)的變化曲線。通過頻譜分析得到，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的厚膜結(jié)構(gòu)可在QWIP-LED器件的發(fā)光范圍內(nèi)(870±5nm)將器件的光提取效率提高至原來的2倍以上。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0011]1.該二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)可以在QWIP-LED器件發(fā)光最為集中的頻譜范圍內(nèi)將其光出射效率提高至原來的2倍以上。
[0012]2.厚膜結(jié)構(gòu)制作于器件外表層，可采用激光刻蝕等方法進行，具有制作工藝簡單，成本低的有點。
[0013]3.厚膜結(jié)構(gòu)分布于器件的電極層，保證了 LED有源區(qū)的完整性，從而使得器件輸出的紅外圖像不因器件電氣特性的損壞而發(fā)生畸變。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0014]圖1中(a)是含二維光子晶體厚膜的QWIP-LED器件剖面示意圖，(b)是位于電極層的二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2中(a)是二維光子晶體厚膜最小結(jié)構(gòu)單元俯視圖以及參數(shù)a和r，(b)是結(jié)構(gòu)參數(shù)d。
[0016]圖3是QWIP-LED相對光提取效率隨晶格常數(shù)的變化曲線。
[0017]圖4是QWIP-LED相對光提取效率隨填充因子的變化曲線。
[0018]圖5是QWIP-LED相對光提取效率隨孔深的變化曲線。
【具體實施方式】:
[0019]選取QWIP-LED器件成品，例如臺面面積為0.5cmX0.5cm、可將長波紅外7.5 μ m向近紅外870nm轉(zhuǎn)換的p型QWIP-LED，作為制作二維光子晶體厚膜結(jié)構(gòu)的目標器件。
[0020]根據(jù)說明書所述的二維光子晶體厚膜的制作方法和結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用標準的納米加工技術(shù)，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)制作設(shè)計圖案的掩膜版，在利用光刻技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到器件電極層上的光刻膠上，再利用離子束刻蝕將圖案最終制作在QWIP-LED器件LED —側(cè)的電極層上。
[0021]按照權(quán)利要求書中所述的要求，選擇三組結(jié)構(gòu)參數(shù)進行二維光子晶體厚膜的制作，分別是:
[0022]二維光子晶體厚膜1:晶格常數(shù)700nm，孔半徑320nm，孔深270nm?？墒沟肣WIP-LED光提取效率提升至普通QWIP-LED的2.23倍。
[0023]二維光子晶體厚膜2:晶格常數(shù)710nm，孔半徑325nm，孔深290nm。可使得QWIP-LED光提取效率提升至普通QWIP-LED的2.32倍。
[0024]二維光子晶體厚膜3:晶格常數(shù)720nm，孔半徑330nm，孔深295nm?？墒沟肣ffIP-LED光提取效率提升至普通QWIP-LED的2.30倍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于提高QWIP-LED光提取效率的二維光子晶體厚膜，其特征在于:所述的二維光子晶體厚膜(2)位于QWIP-LED器件LED —側(cè)的電極層(I)上，覆蓋整個發(fā)光面；二維光子晶體厚膜(2)采用GaAs材料制作，其結(jié)構(gòu)為正三角形陣列排列的孔狀結(jié)構(gòu)，孔的深度為285-295nm，孔的半徑為320nm_330nm，晶格常數(shù)取值范圍為700_720nm。
【文檔編號】H01L33/36GK103915538SQ201410121172
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】侯義合, 張冬冬, 丁雷, 劉加慶, 譚嬋, 朱學(xué)謙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所