CN100355097C - 氮化镓基高单色性光源阵列 - Google Patents

氮化镓基高单色性光源阵列 Download PDF

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Abstract

本发明的高单色性光源阵列包括：金属基板，在金属基板上依次排列的氮化镓发光二极管和窄带滤光片阵列。二极管作为光源发出宽度为几十纳米的某个波段的光，而窄带滤光片阵列则把这个波段内的光在空间上分成若干束不同波长的单色光。本发明可以通过选择不同波段的发光二极管，并与相应的窄带滤光片阵列集成，以获得不同波段的高单色性发光阵列。这种发光阵列可以满足微小型光谱仪等在集成单色光源方面的需求。

Description

氮化镓基高单色性光源阵列
技术领域
本发明涉及发光光源，具体是指由氮化镓发光二极管和窄带滤光片阵列集成在一起的高单色性光源阵列。
背景技术
GaN半导体材料具有在高频、高温条件下发射蓝光的独特性能，是继Si和GaAs之后的新一代半导体材料。由GaN、InN和AlN所组成的合金InGaN、AlGaN等GaN基半导体材料，通过调整组分可以获得从1.9eV到6.2eV连续可调的带隙，覆盖从紫外光到可见光很宽范围的波段。这些GaN基半导体材料的内、外量子效率高，具备高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等优点，可制成高效的蓝、绿、紫、白色发光二极管(二极管)和激光二极管，而成为目前世界上最先进的半导体材料之一。
随着技术的突破及亮度的提升，目前二极管应用产品已经从简单的计算机或家电的电源指示灯、音响面板的背光源，发展到手机按键、彩色手机屏幕背光源，以及汽车刹车灯、尾灯、室内灯、大型看板、交通信号灯、建筑物户外造景灯等，且很可能逐渐取代目前照明用的日光灯，具有非常广阔的应用前景。
虽然二极管所发出光的谱线宽度比其它光源的都窄，但不是单色光，宽度一般有几十个纳米，还是不能满足微小型光谱仪等在集成单色光源方面的应用需求。
发明内容
为了满足微小型光谱仪等在集成单色光源方面的应用需求，本发明的目的是提出一种将氮化镓发光二极管和窄带滤光片阵列集成在一起的高单色性光源阵列。
本发明的高单色性光源阵列包括：金属基板1，在金属基板上依次排列的氮化镓发光二极管2和窄带滤光片阵列3。
所说的氮化镓发光二极管是由通过分子束外延或金属有机化学气相沉积方法依次排列生长的n-GaN下电极层201、InGaN/GaN量子阱结构或AlGaN/InGaN异质结结构的发光层202和p-GaN上电极层203组成，其中通过调节In或Al的组分可获得不同波段的发光谱。
所说的窄带滤光片阵列是由依次排列的下层膜系301、厚度不等的间隔层列阵302和上层膜系303组成，列阵＝m×n，m＝1、2、…，n＝1、2、…。上、下层膜系相同，均为(LH)n，间隔层为xL，其中H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，x为间隔层系数，x取值范围为2k+1＜x≤2k+3，k＝0，1...，n为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层的次数，膜层的光学厚度：nd为λ0/4，λ0为设计初始窄带滤光片膜系的中心波长。
本发明的发光二极管作为光源发出宽度为几十个纳米某个波段的光，而窄带滤光片阵列则把这个波段内的光在空间上分成若干束不同波长的单色光，窄带滤光片的带通越窄，所分出光的单色性就越高。金属基板起两个作用：
(1)导热性好，有助于散热，可以提高二极管器件的寿命；
(2)反射率高，有助于反向光的返回，增强前向光的效率。
本发明的优点是：
1.整个结构构成一个多色发光面阵，只要用CCD面阵来接收信号就可以立即获得整个发光波段的光谱，非常方便快捷；
2.与超窄带通滤光片阵列的匹配性设计可使每个有用的前向单色光外量子效率接近于1，即每个滤光片单元所对应波长光的发光强度和二极管器件本身在此波长的发光强度基本一致；
3.金属基板不但有助于散热、延长器件的寿命，同时有助于反向光的返回，增强前向光的效率。
附图说明
图1为本发明的高单色性光源阵列的结构示意图：(a)为立体图；(b)为截面图；(c)为其中的窄带滤光片阵列截面图。
图2为本实施例的发光二极管发光光谱图。
图3为本实施例经8×4窄带滤光片阵列滤波后的各滤光片单元的透射谱(实线)及二极管的发光光谱图(虚线)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明的高单色性光源阵列由金属基板1，在金属基板上依次排列的氮化镓发光二极管2和窄带滤光片阵列3组成。
具体制备步骤如下：
首先，通过分子束外延或金属有机化学气相沉积方法在宝石衬底上依次排列生长4μm厚的掺Si的GaN牺牲层、n-GaN下电极层、InxGa1-xN/GaN量子阱结构的发光层和p-GaN上电极层。实施例的二极管发光谱如图2所示，中心波长为525nm。
然后根据二极管的发光谱，以其发光中心波长525nm设计一个窄带滤光片膜系，要求膜系的带通峰位全部分布在二极管的发光区域内。
本实施例窄带滤光片列阵的膜系如下：
(LH)nxL(HL)n，
其中(LH)n为下层膜系，xL为间隔层，(HL)n为上层膜系，H为Ta2O5高折射率膜层，L为SiO2低折射率膜层，膜层厚度为1/4的中心波长，n为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层次数，本实施例为10，x取1.52～2.45。
在上述的发光二极管上采用真空镀膜或磁控反应溅射方法依次镀制下层膜系和厚度为2.45L的间隔层。然后中止镀膜，将已经镀好下层膜系和间隔层的样品取出，采用半导体工艺中常规的离子刻蚀方法分区域进行5次不同厚度的套刻蚀，形成32个厚度不等的间隔层列阵，参见发明专利：200310108346.5。最小间隔层厚度为1.52L，最大间隔层厚度为2.45L，每一滤光单元的x值以0.03递减，接着在此基础上镀制剩余的上层膜系，形成32个只有间隔层厚度不同、其他膜系完全相同的窄带滤光片列阵。
最后，用氰基丙烯酸盐粘合剂将上述制备好的样品上表面，即，上层膜系与掺B的p型(001)取向的硅片粘合起来，用功率为600mJ/cm2的激光脉冲从宝石衬底方向照射，使得宝石衬底与二极管的GaN牺牲层发生分解，形成N2气和金属Ga，然后低温(40℃)退火使富Ga界面熔化，完成宝石衬底的剥离过程。然后将剥离下来的发光源器件浸入丙酮中将器件与硅片之间的粘合剂溶解掉，使发光源器件与硅片分离并贴到金属基板上，具体操作过程可参见文献Applied PhysicsLetters 75，1360(1999).，最终得到本发明的高单色性光源阵列器件。
图3为8×4窄带滤光片阵列各单元的透射谱(实线)及所用二极管的发光谱(虚线)，滤光片的带通都非常窄，均小于0.3nm，因此发光二极管发出的光经过滤光片后变成一系列不同波长的单色性很高的光，而匹配性设计可使每个波长的前向单色光损失很小，外量子效率接近于1。
然后在二极管的上、下电极层上分别引出电极，只要通电，就可以获得32个不同波长的单色性很好的光，完成二极管高单色性发光阵列的制备。

Claims (1)

1.一种氮化镓基高单色性光源阵列，包括：金属基板(1)，在金属基板上依次排列的氮化镓发光二极管(2)和窄带滤光片阵列(3)，其特征在于：
所说的氮化镓发光二极管是由通过分子束外延或金属有机化学气相沉积方法依次排列生长的n-GaN下电极层(201)、InGaN/GaN量子阱结构或AlGaN/InGaN异质结结构的发光层(202)和p-GaN上电极层(203)组成，其中通过调节In或Al的组分可获得不同波段的发光谱；
所说的窄带滤光片阵列是由依次排列的下层膜系(301)、厚度不等的间隔层列阵(302)和上层膜系(303)组成，列阵＝m×n，m＝1、2、…，n＝1、2、…，上、下层膜系相同，均为(LH)n，间隔层为xL，其中H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，x为间隔层系数，x取值范围为2k+1＜x≤2k+3，k＝0，1...，n为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层的次数，膜层的光学厚度：nd为λ0/4，λ0为设计初始窄带滤光片膜系的中心波长；
所说的高折射率膜层H为Ta2O5，低折射率膜层L为SiO2。
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