一種偏振出光發(fā)光二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種偏振出光發(fā)光二極管，具體涉及一種復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的偏振裝置。它的LED芯片包括由襯底、n型GaN層、p型GaN層、量子阱、過渡層、空氣隙和表面金屬光柵結(jié)構(gòu)組成。本實用新型在過渡層和表面金屬光柵結(jié)構(gòu)之間加入空氣隙，構(gòu)成復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)，空氣隙的厚度為60～350nm。與傳統(tǒng)的亞波長金屬光柵實現(xiàn)偏振相比，在過渡層和金屬光柵結(jié)構(gòu)中間加入空氣隙，可以實現(xiàn)更優(yōu)良的偏振特性。
【專利說明】一種偏振出光發(fā)光二極管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種發(fā)光二極(LED)，具體涉及一種具有復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的偏振裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]探索制備高亮度的、偏振出光的氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)具有重要的研究和應(yīng)用價值。比如，在偏振出光LED在液晶背光源上，如果LED芯片本身就發(fā)射偏振光的話，將帶來很多設(shè)備、體積、耗資上的節(jié)省。當(dāng)前，在LED出光端面制作亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)LED偏振出光，是一種非常有潛力的制作高質(zhì)量偏振器的方式。
[0003]亞波長表面光柵光學(xué)兀件可以反射大多數(shù)橫電波(TE)偏振光,而允許大多數(shù)橫磁波(TM)偏振光通過，展示了優(yōu)良的偏振特性。通過對不同結(jié)構(gòu)的偏振出光特性的比較發(fā)現(xiàn)，在金屬光柵和GaN基底之間加入介質(zhì)層可以有效地增強LED的偏振光透過率和消光比特性。在本實用新型作出之前，中國發(fā)明專利“一種偏振出光發(fā)光二極管”(CN102263183A)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，在P型層上表面鍍有一介質(zhì)過渡層，其上復(fù)合二維周期點陣結(jié)構(gòu)表面層，該專利未涉及空氣隙結(jié)構(gòu)，并且不能實現(xiàn)藍(lán)綠光波段的高偏振出光。中國發(fā)明專利“一種增強偏振出光發(fā)光二極管”(CN101853912A)涉及一種具有復(fù)合微納表面光柵結(jié)構(gòu)的偏振出光發(fā)光二極管，在于P型層的上表面鍍有介質(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η滿足條件:l〈n〈p型層介質(zhì)的折射率；針對GaN基LED典型發(fā)光波長440?520nm以實現(xiàn)優(yōu)良的偏振性能，但它尚不能覆蓋整個綠光波段。
[0004]目前，在LED封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)采用空氣隙復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)LED在整個藍(lán)綠光波段偏振出光的技術(shù)方案未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型所要解決的問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中偏振出光發(fā)光二極管的發(fā)光波段的局限性，提供一種新型的偏振出光發(fā)光二極管。
[0006]實現(xiàn)本實用新型目的所采用的技術(shù)方案是提供一種偏振出光發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)為η型GaN層生長于襯底之上，量子阱生長于η型GaN層之上，ρ型GaN層生長于量子阱之上，過渡層生長于P型GaN層之上，它還包括一個設(shè)置于發(fā)光二極管的出光端面上的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)，所述的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)為在過渡層和表面金屬光柵結(jié)構(gòu)之間加入空氣隙，空氣隙的厚度為60?350nm,過渡層的厚度為50?250nm,表面金屬光柵的周期為60?400nm,占空比為0.2?0.9，深度為60?400nm。
[0007]本實用新型所述的一種偏振出光發(fā)光二極管，過渡層的材料為Si02、Al2O3或TiO2中的一種；過渡層的材料還可以為聚苯乙烯。金屬光柵的材料為Al、Ag、Au和Cu，或他們的
么么
I=1-Wl O
[0008]本實用新型的原理是:由于LED芯片中量子阱發(fā)射的光無方向性，為了實現(xiàn)LED表面高偏振度的偏振出光，本實用新型采用在LED芯片的出光端面上集成制作空氣隙金屬復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)。通過合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計，復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對一個方向的偏振光具有強的反射，相應(yīng)垂直方向的偏振光具有強的反射。通過優(yōu)化設(shè)計空氣隙、過渡層、光柵周期、占空比和深度，實現(xiàn)LED的高偏振度出光。根據(jù)時域有限差分法(finite-differencetime-domain)進行計算以上參數(shù)的具體數(shù)值，設(shè)計原則以在該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)。復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)具有更大的透射率和消光比，利用薄膜光學(xué)原理和有效介質(zhì)理論方法分析，其物理原理可以得到充分的證明。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GaN基底上增加了一層增透膜，形成了類Fabry-Perot(F-P)腔，在滿足一定的干涉條件時，將引起光透射增強效應(yīng)。過渡層和空氣隙結(jié)構(gòu)的引入使得表面金屬光柵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，同時又抑制了另一偏振方向光(TE偏振)。因此，過渡層和空氣隙結(jié)構(gòu)的引入帶來了偏振光的透射增強效應(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。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的顯著特點是:通過設(shè)置空氣隙金屬光柵結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在GaN基LED發(fā)光在藍(lán)、綠光區(qū)，基本可以覆蓋整個藍(lán)綠光波段實現(xiàn)高透過率和高消光比，實現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)偏振特性，對設(shè)計和制造新型具有特殊光學(xué)性能的有源光學(xué)器件具有指導(dǎo)意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型實施例提供的一種空氣隙復(fù)合光柵偏振出光LED的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0011]圖2是本實用新型實施例1提供的偏振出光LED在可見光波段的偏振特性曲線圖；
[0012]圖3是本實用新型實施例1提供的偏振出光LED的空氣隙厚度變化的偏振特性曲線圖；
[0013]其中，1、襯底;2、n型GaN層;3、量子阱;4、p型GaN層;5、過渡層；6、空氣隙；7、表面金屬光柵結(jié)構(gòu)為過渡層深度，h2為空氣隙深度，h3為光柵深度，P為光柵周期。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步描述。
[0015]實施例1:
[0016]參見附圖1，它是本實施例提供的一種空氣隙復(fù)合光柵偏振出光LED的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。在GaN基LED表面制備偏振出光發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)為:在襯底I上生長LED發(fā)光工作區(qū)，包括η型GaN層2、p型GaN層4和量子阱3 ;在ρ型GaN層上面為過渡層結(jié)構(gòu)5,本實施例過渡層材料為SiO2 ;空氣隙6位于過渡層和表面金屬光柵結(jié)構(gòu)7之間；本實施例金屬光柵的材料為金屬Al。
[0017]根據(jù)時域有限差分法，光柵的形狀、周期、占空比、厚度進行具體的理論計算，以在藍(lán)綠光波段下達(dá)到最好的偏振消光比和透過率的組合為準(zhǔn)。在本實施例中，Al光柵周期(P)為200nm，光柵深度(h3)為200nm，光柵占空比為0.45，空氣隙厚度(h2)為 70 nm, SiO2 過渡層深度(Ii1)為 lOOnm。
[0018]參見附圖2，它是本實施例提供的LED結(jié)構(gòu)的偏振特性曲線圖，是光激發(fā)波長對LED偏振出光特性的影響和比較。由圖2可以看到，本實施例提供的發(fā)光二極管芯片，在428nm?642nm波段范圍內(nèi)TM偏振光透射率大于80%，消光比大于33分貝(dB);在433nm?600nm范圍內(nèi)的TM透射率大于85%。
[0019]參見附圖3，是本實施例提供的偏振出光LED的空氣隙厚度變化的偏振特性曲線圖；在本實施例中，Al光柵周期(P)為200nm，光柵深度(h3)為200nm，光柵占空比為0.45，SiO2過渡層深度(Ii1)為lOOnm，空氣隙厚度(h2)從O到400nm變化，以研究空氣隙厚度對LED偏振出光的影響。圖3中，Ca)圖為LED發(fā)光中心波長設(shè)定在460nm，(b)圖為LED發(fā)光中心波長設(shè)定在540nm ;由圖3可以看到，當(dāng)空氣隙厚度h2在65nm到95nm和293nm到323nm時，氮化物基LED的TM偏振光透射率大于86%，消光比大于34分貝(dB)。
【權(quán)利要求】
1.一種偏振出光發(fā)光二極管,其結(jié)構(gòu)為η型GaN層(2)生長于襯底(I)之上，量子講(3)生長于η型GaN層之上，P型GaN層(4)生長于量子阱之上，過渡層(5)生長于ρ型GaN層之上，其特征在于:在發(fā)光二極管的出光端面上設(shè)置一個復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)，所述的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)為在過渡層(5)和表面金屬光柵結(jié)構(gòu)(7)之間加入空氣隙(6)，空氣隙的厚度為60?.350nm，過渡層(5)的厚度為50?250nm，表面金屬光柵的周期為60?400nm，占空比為.0.2?0.9,深度為60?400nm。
【文檔編號】H01L33/44GK203787452SQ201420116217
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】曹冰, 邢賀, 張桂菊, 王欽華 申請人:蘇州大學(xué)