CN100401544C - 氮化镓基圆盘式单色光源列阵 - Google Patents

氮化镓基圆盘式单色光源列阵 Download PDF

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Abstract

本发明的氮化镓基圆盘式单色光源列阵包括：衬底，在衬底上置底牢固结合的光子晶体微腔和波导结构。光子晶体微腔和波导结构是由在景介质材料上通过刻蚀的方法形成一系列周期性排列并含有特定缺陷的圆柱形空气柱构成的。背景介质材料由依次排列生长的n-GaN下电极层、InGaN/GaN量子阱结构或AlGaN/InGaN异质结结构的发光层和p-GaN上电极层组成。氮化镓作为光源发出宽度为几十纳米的某个波段的光，而含有不同线缺陷的光子晶体波导则可以近乎无损地把这个波段内的单色光分别耦合到圆盘四周，形成圆盘式的单色光源列阵。利用这种结构可以近乎无损地从微腔中耦合出单色性很好的单色光，甚至可以实现直角拐弯，形成一种结构紧凑的单色光源列阵。

Description

氮化镓基圆盘式单色光源列阵
技术领域
本发明涉及发光光源，具体是指基于氮化镓发光材料、由光子晶体微腔和波导结构共同构成的氮化镓基圆盘式单色光源列阵。
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
为了满足一些特殊结构、特殊场合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由光子晶体微腔和波导结构共同构成的氮化镓基圆盘式单色光源列阵。
本发明的圆盘式单色光源列阵包括：衬底1，在衬底上置有与衬底牢固结合的光子晶体微腔和波导结构。
所说的光子晶体微腔和波导结构是由在背景介质材料上通过刻蚀的方法形成一系列周期性排列并含有特定缺陷的圆柱形空气柱构成的。其中微腔由圆盘中心去掉依次排列的1～5根空气柱形成的缺陷区域构成；波导由与微腔耦合的一系列线缺陷构成。
所说的线缺陷是在微腔周围的完整周期结构的空气柱基础上，通过改变相应行或列中的空气柱直径或者去掉一行或一列空气柱形成的。
所说的背景介质材料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、InGaN/GaN量子阱结构或AlGaN/InGaN异质结结构的发光层和p-GaN上电极层组成。
所说的空气柱的深度为下电极层、发光层与上电极层的总厚度。
本发明的介质层材料作为发光光源发出宽度为几十个纳米某个波段的光，而各个不同线缺陷模的波导则分别从微腔中耦合出不同波长的单色光，并从圆盘的不同位置发出。
本发明的优点是：
1.利用光子晶体光波导可以近乎无损地从微腔中耦合出单色性很好的单色光，甚至可以近乎无损地实现直角拐弯；
2.圆盘式的单色光源列阵充分利用了各个方向，结构非常紧凑，在全光网络等应用场合可以使空间得到充分利用。
附图说明
图1为本发明的圆盘式单色光源列阵结构示意图：(a)为剖面结构示意图；(b)为俯视图，(c)图为(b)图中的光子晶体微腔放大图。
图2为本实施例的发光层的发光光谱图。
图3为本实施例从各波导中获得的单色光谱图。
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：
本发明的单色光源列阵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或碳化硅衬底1上依次排列生长n-GaN下电极层2、InxGa1-xN/GaN量子阱结构的发光层3和p-GaN上电极层4，形成背景介质材料。其中通过调节In的组分可获得不同波段的发光谱，发光峰位可由下式确定(忽略压电效应)：
Eg(x)＝EgGaN×(1-x)+EgInN×x-b×x×(1-x)，(1)
其中x为In的组分，EgGaN为GaN的带隙，室温下为3.44eV，EglnN为InN的带隙，室温下为1.89eV，b为弯曲系数，可取3.5。实施例中发光层的发光谱如图2所示，x为0.3，中心波长为525nm。
然后采用2003年文献“Y.Akahane，T.Asano，B.-S.Song & S.Noda Nature425，944-947(2003)”报导的最佳结构来设计二维光子晶体微腔，其具体结构为空气柱在背景介质材料中呈三角格子的周期性分布，去掉圆盘中心连续3根空气柱以形成光学微腔，并将微腔长度方向两端的2根空气柱分别往两边移动0.15a的距离，目的是进一步显著提高微腔的品质因子，a为晶格常数，空气柱的半径R＝0.29a，如图1(c)所示，具体原理见该文献。本发明根据上述文献将下电极层、发光层和上电极层等效为均匀的背景介质材料，然后采用传输矩阵(TMM)或有限时域差分(FDTD)等常用的光子晶体计算方法，使其光子带隙的中心波长为525nm，计算出相应结构的具体参数：a为0.28μm，空气柱的半径R为0.29a＝0.08μm。
再在微腔四周设计出一系列线缺陷光波导结构，光波导的缺陷模波长与线缺陷中空气柱的直径相关，直径或折射率越大则相应光波导的缺陷模波长越长(或频率越低)：
ω＝2πc/λ＝2πcn/(nxL)    (2)
其中，ω为缺陷模频率，c为光速，n为完整周期介电材料的折射率，nx和L分别为缺陷行空气柱的折射率和直径。
根据上述设计的光子晶体微腔和线缺陷光波导结构在生长好的背景介质材料上制作如图1(b)所示的掩模图，采用电子束光刻方法形成圆盘式单色光源列阵的基本结构。
最后在上、下电极层上分别引出电极，只要通电，就可以在圆盘的不同位置获得不同波长的单色性很好的光，完成圆盘式单色光源列阵的制备。

Claims (1)

1.一种氮化镓基圆盘式单色光源列阵，包括：衬底(1)，在衬底上置有与衬底牢固结合的光子晶体微腔和波导结构；
所说的光子晶体微腔和波导结构是由在背景介质材料上通过刻蚀的方法形成一系列周期性排列并含有特定缺陷的圆柱形空气柱(5)构成的；其中微腔由圆盘中心去掉依次排列的1～5根空气柱形成的缺陷区域构成；波导由与微腔耦合的一系列线缺陷构成；
所说的背景介质材料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(2)、InGaN/GaN量子阱结构或AlGaN/InGaN异质结结构的发光层(3)和p-GaN上电极层组成(4)；
所说的空气柱(5)的深度为下电极层、发光层与上电极层的总厚度；
所说的线缺陷其特征在于：是在微腔周围的完整周期结构的空气柱基础上，通过改变相应行或列中的空气柱(5)直径或者去掉一行或一列空气柱形成的。
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