CN101572286B - 偏振出光发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振出光发光二极管。它的发光二极管芯片包括由n型区、p型区和量子阱结构组成的工作区，衬底，绝缘介质膜，透明电极和金属电极；其特征在于：在发光二极管芯片的出光表面上制备浮雕式或嵌入式光栅，光栅的周期为50～600nm，占空比为0.2～0.9，厚度为50～400nm纳米。与传统的LED外置偏光板实现偏振相比，本发明采用将光栅结构直接集成制作于LED芯片表面技术方案，不需要外置的偏光板等结构，实现了LED芯片的出光为偏振光的目的，因此，发光器件的整体体积大大缩小，性能优化，成本降低。同时，它可通过半导体光刻工艺一次性集成在发光芯片上，易实现产业化和推广应用。

Description

偏振出光发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(LED)，特别涉及一种偏振出光的发光二极管。

背景技术

发光二极管(LED)是一种当在正向方向上被电偏置时以受激方式发光的半导体光源装置。LED发光的基本原理是：所采用的具有pn结结构的半导体芯片，当施加正向偏压时，电子和空学分别从n型区和p型区注入，电子和空穴的复合表现以光子形式释放能量，发光波长则取决于材料的禁带宽度。目前，常见的LED包含发紫、兰、绿的第三代半导体Al-In-Ga-N系列，发黄光的Al-In-Ga-P系列，发红光的Al-In-Ga-As系列，还有目前正在快速发展中的ZnO系列。

当前氮化物LED发展的两个主流方向，一是提高LED的亮度，二是赋予LED特殊的光学性能。从LED的特殊光学性能来讲，达到LED的出光特性调控具有非常重要的实际意义，例如赋予LED偏振出光的特性，偏振出光LED在液晶背光源及其它许多需要偏振光源的领域有着巨大的市场应用价值。例如对于液晶背光源，为了获得最终的偏振光，整个背光源构件中包含导光板和偏振片两部分以获得偏振出光，增加了整个系统的体积，且大大提高了制造成本，同时光源从发射至反射板、导光板、偏光片，光的利用层级递减，使得LED的光利用效率大大降低。由此可见如果LED本身就能够出偏振光将会带来多大的便利和节省。但是截至目前为止，绝大部分将LED的出光转化为偏振光的措施都未对LED芯片本身进行改进，而是设置后续光路系统，在随后的封装透镜上、或者安装偏振片上做文章。而实际情况是如果LED芯片本身就发射偏振光的话，将带来很多设备、体积、耗资上的节省。

在本发明作出之前，中国发明专利(CN 101194365A)“具有优化的光子晶体提取器的高效发光二极管”采用了在LED表面制备二维光子晶体的方法，二维光子晶体结构为一个或一个以上周期的具有可变的孔深、可变的孔周期和孔直径的孔，其目的在于通过二维光子晶体结构抑制LED内的界面全反射，提高LED的光提取效率，并未涉及LED的偏振出光。

中国发明专利(CN 1601350A)“LED光源及背光模块”，目的是为了提高LED出光的均匀度，也未涉及偏振出光性能，它采用在LED光源的光出射面上设置衍射光栅的方法，即在LED所用的封装透镜上贴附具有多个衍射光栅结构的光学薄膜，其结构设计未对LED芯片本身进行改进。

中国发明专利(CN 101088175A)“偏振的LED”，采用在LED管芯的表面上放置与管芯达到光学接触的双折射材料、线栅、多层光学膜、胆甾型材料的技术方案，由于这些介质优先将一种偏振态的光反射回LED管芯，优先使另一种偏振态的光射出，对LED的出光进行了偏振性能的调制，从而提供部分偏振的光输出。然而迄今为止，对LED芯片本身进行结构设计，以期实现高效偏振出光LED的构想尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种具有高偏振度消光比和透过率出光性能的发光二极管。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是提供一种偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括由n型区、p型区和量子阱结构组成的工作区，衬底，绝缘介质膜，透明电极和金属电极；在发光二极管芯片的出光表面上制备浮雕式或嵌入式光栅，光栅的周期为50～600nm，占空比为0.2～0.9，厚度为50～400nm纳米。

所述的浮雕式光栅为在发光二极管芯片的出光表面上制备金属膜光栅；所述的嵌入式光栅为在发光二极管芯片的光学限制层半导体材料上(n型区或p型区)上先刻制出光栅结构，再镀制金属膜；金属膜的材料为金属Al、Ag、Au和Cu或他们的合金；光栅的形状为矩形、梯形和正三角形或他们的组合。

本发明的原理是：LED的光出射是没有方向性的，为了实现LED表面高偏振度的偏振出光，本发明采用紫外光刻法、纳米压印、感应耦合等离子(ICP)刻蚀、聚焦离子束刻蚀或电子束曝光等方法，在LED芯片的出光表面上集成制作亚微米量级的光栅，通过优化设计光栅周期、占空比和厚度，以达到最优化的偏振消光比和光透过率，实现LED的高偏振度出光。

按本发明技术方案，光栅的形状、周期、占空比、厚度根据LED的具体发光波长进行调节。根据时域有限差分法(finite-difference time-domain)或严格藕合波理论(Rigorous coupled-wave analysis)等方法进行计算以上参数的具体数值，设计原则以在该LED发光波长下达到最好的偏振消光比和透过率的组合为准。

定义偏振消光比Extinction Ratio：ER＝10*log(Tp/Ts)，Tp：TM偏振光；Ts：TE偏振光。影响金属偏振器设计的结构参数主要是：1.光栅周期；2.光栅占空比；3.光栅深度。而决定光栅性能(TM偏振光透射效率和消光比)关键是：光栅周期与入射光波长的关系。根据瑞利共振条件：λ＝p(n₃±sinθ)/k，k＝1时一级衍射最大的共振波长λ＝p(n₃±sinθ)，光栅只有零级衍射的条件：

$p=\frac{\mathrm{\λ}}{n_1\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}+{(n_3^2-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\ψ})}^{1/2}}.$

光栅的形状、周期、占空比、厚度根据LED具体的发光波长而进行理论计算，根据时域有限差分法(finite-difference time-domain)或严格藕合波理论等方法进行理论计算，设计原则以在该LED发光波长下达到最好的偏振消光比和透过率的组合为准。在本发明中，金属光栅的形状可以是矩形、梯形和正三角形或不同形状组合等，金属光栅具有亚微米量级的周期，周期范围50～600nm，占空比0.2～0.9，光栅厚度50～400纳米；金属种类可以分别是Al，Ag，Au和Cu或他们的合金。

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

1.本发明采用将光栅结构直接集成制作于LED芯片表面的技术方案，实现了LED本身的出光为偏振光的效果，与传统的将LED发出的自然光外置偏光板实现的偏振相比，不需要外置的偏光板等结构，因此，发光器件的整体体积大大缩小，性能优化，成本降低。

2.针对LED发光在可见光区360～760nm之间的特点，为实现偏振，本发明技术方案所采用的表面光栅周期为亚微米量级，周期范围在50～600nm，不同于传统的在红外波段范围内实现偏振的微米量级光栅。

3.亚波长、亚微米结构的偏振性能比传统双折射材料的偏振消光比性能更优异，且可通过半导体光刻工艺一次性集成在发光芯片上，易实现产业化和推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种浮雕式光栅偏振出光发光二极管芯片的结构剖面示意图；

图2是实施例1提供的偏振出光发光二极管芯片在440nm～480nm发光波段的透射率曲线图；

图3是实施例1提供的偏振出光发光二极管芯片在440nm～480nm发光波段的偏振消光比曲线图；

图4是本发明另一个实施例提供的一种嵌入式光栅偏振出光发光二极管芯片的结构剖面示意图；

其中，1、衬底；2、n型GaN层；3、InGaN/GaN量子阱；4、p型GaN层；5、SiO₂绝缘介质膜；6、p型层透明电极；7、p型层金属电极；8、n型层金属电极；9、浮雕式金属光栅；10、嵌入式表面金属GaN光栅。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

实施例1：

参见附图1，它是本实施例提供的一种浮雕式偏振出光发光二极管芯片的结构剖面示意图。在III-V族氮化镓基LED表面制备偏振出光发光二极管芯片的结构为：在衬底材料1上生长有LED发光工作区，包括n型GaN区2、p型GaN区4和InGaN/GaN量子阱3；在p型GaN区上面依次有绝缘介质膜5，绝缘介质为SiO₂或SiN；p型层透明电极6；p型层金属电极7和浮雕式金属膜光栅9；在刻蚀暴露出来的n型GaN区上面还有n型层金属电极8。

光栅的形状、周期、占空比、厚度根据LED具体的发光波长而进行理论计算，根据时域有限差分法(finite-difference time-domain)或严格藕合波理论等方法进行理论计算，以在该LED发光波长下达到最好的偏振消光比和透过率的组合为准。在本实施例中，在p型层透明电极的上面制备浮雕式金属光栅，光栅的形状为矩形，光栅占空比为0.53，光栅厚度230nm，光栅周期260nm；金属为Al。

表面金属光栅的制备可以采用紫外光刻法、纳米压印法、感应耦合等离子(ICP)刻蚀、电子束曝光、聚焦离子束等技术。以纳米压印为例，具体过程如下：

1.LED芯片表面真空镀膜：将所需要的精确厚度金属膜采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀于LED芯片表面所选定的区域，其它不需镀膜区域以掩膜覆盖；

2.压印模板制作：采用紫外激光直写干涉法制作纳米压印所用模板；

3.样品制备：利用旋转镀膜法将紫外光固化涂料旋涂于金属膜层上，形成光刻胶薄膜样品；

4.纳米压印：模板与样品套刻对准，以紫外光源加热光刻胶至固液相转化温度，模板进行压印；

5.脱模并去除残胶。

参见附图2，它是本实施例提供的偏振出光发光二极管芯片的透射率曲线图。由图2可以看到，本实施例提供的偏振出光发光二极管芯片的光栅占空比为0.53、光栅厚度为230nm、光栅周期为260nm时，其浮雕式结构Al光栅在氮化物基LED发光波段440nm～480nm范围内TM偏振光透射率达到0.67～0.93。

参见附图3，它是本实施例提供的偏振出光发光二极管芯片的偏振消光比曲线图；由图3可以看到，光栅在氮化物基LED发光波段440nm～480nm范围内的消光比ER达到30.5～42.5分贝(dB)。

实施例2：

参见附图4，它是本实施例提供的一种嵌入式偏振出光发光二极管芯片的结构剖面示意图；在III-V族氮化镓基LED表面制备嵌入式偏振出光发光二极管芯片包括：衬底材料1；n型GaN层2；InGaN/GaN量子阱3；p型GaN层4；SiO₂绝缘介质膜5；p型层透明电极6；p型层金属电极7；n型层金属电极8和嵌入式金属GaN光栅10。

与实施例1的结构相比，不同之处在于该结构的周期性光栅制备在GaN的p型层上，以GaN的凹凸结构形成光栅。

本实施例中，经计算，确定光栅的形状为矩形，光栅占空比为0.52，光栅厚度为300nm，光栅周期为300nm；光栅的制备同样可以采用纳米压印、感应耦合等离子刻蚀、电子束曝光等方法实现，方法和步骤参见实施例1，随后再在其表面蒸发镀制Ag金属膜。

Claims (5)

1.一种偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括由n型区[2]、p型区[4]和量子阱[3]结构组成的工作区，衬底[1]，绝缘介质膜[5]，透明电极[6]和金属电极[7、8]；在衬底[1]上依次生长有n型区[2]、量子阱[3]、p型区[4]，构成所述工作区；在p型区[4]上面依次有绝缘介质膜[5]、透明电极[6]、p型层金属电极[7]；在刻蚀暴露出来的n型区[2]上面设有n型层金属电极[8]；其特征在于：在发光二极管芯片的出光表面上制备浮雕式或嵌入式光栅，光栅的周期为50～600nm，占空比为0.2～0.9，厚度50～400nm。

2.根据权利要求1所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的浮雕式光栅为在发光二极管芯片的出光面表面上制备金属膜光栅。

3.根据权利要求1所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的嵌入式光栅为在发光二极管芯片的光学限制层半导体材料上，刻制出光栅结构，再镀制金属膜覆盖。

4.根据权利要求1所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的光栅形状为矩形、梯形和正三角形或它们的组合。

5.根据权利要求2或3所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的金属膜的材料为金属Al、Ag、Au、Cu或它们的合金。

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