CN101853912A - 一种增强偏振出光发光二极管 - Google Patents

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本发明涉及一种半导体带隙结构产生光的发光二极管(LED)光源，特别涉及一种电磁波透射结构，具有复合微纳表面光栅结构的有源偏振出光光学器件。它包括基底(1)、n型层(2)、量子井(3)、p型层(4)和金属光栅(6)，其特征在于：在p型层(4)的上表面，镀有或刻有一介质过渡层(5)与金属光栅(6)的复合结构，介质过渡层的折射率n满足条件为：1.0＜n＜p型层介质(4)的折射率；所述的过渡层为薄膜结构、光栅结构和嵌入结构中的一种。上述结构的采用，能有效地增强发光二级管的传输和消光特性，在一个周期内光栅侧面的平坦度，光栅的占空比以及工作波长的范围相对于传统的单层金属光栅都有明显提高。

Description

一种增强偏振出光发光二极管
技术领域
本发明涉及一种半导体带隙结构产生光的发光二极管(LED)光源，特别涉及一种电磁波透射结构，具有复合微纳表面光栅结构的有源偏振出光光学器件。
背景技术
发光二极管(LED)是一种以电受激方式发光的半导体光源装置。LED发光的基本原理是：采用具有pn结结构的半导体芯片，当施加正向偏压时，电子和空穴分别从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，根据半导体材料的不同，LED发光波长覆盖了整个可见光波长。
近年来，氮化镓基LED作为下一代光源引起了广泛的关注，它在数字成像系统，DVD/HD-DVD的光学驱动，超高密度光盘调制，平板显示，电脑的光互联等方面有着广泛的应用。关于氮化镓基LED的研究，主要集中在提高光的内部量子效率和光发射的外部出光效率，内部量子效率受材料的影响，外部光发射出光效率受产生光的整体内部反射的限制，而这与氮化镓基材料的折射率相关。为了提高外部出光效率和增强光辐射强度，多种微结构被提出并被集成到氮化镓基的LED发射表面，比如：表面点阵列，纳米光栅或周边的微孔阵列。随着氮化镓基LED应用的增加，具有复合功能的LED，例如有直接的偏振出光特性的LED在光电产业中受到大量需求，尽管如此，到目前为止，具有直接偏振光输出的平板LCD的背光系统在学术和生产领域还没有发现。纳米结构亚波长金属光栅表现出了很好的光偏振特性，以及在光刻工艺与半导体产业中的高度集成特性。这种亚波长金属光栅可以强烈的反射某一方向(TE方向)偏振光，并允许另一方向(TM方向)偏振光通过，其功能相当于一个线性偏振的偏振器。在金属光栅偏振器中，TM偏振光的透射率和偏振消光比是偏振出光特性的两个重要指标，也是一对相互矛盾的指标。因为，要得到高的偏振消光比要求更大的金属体积，而更大的金属体积导致了金属对光的更大的吸收特性，从而降低了TM偏振光的透过率。TM偏振光透过率和偏振消光比对微纳光栅结构的变化是非常敏感的，例如，光栅周期，占空比，厚度及光栅的有效波长等。
在本发明作出之前，文献“Linearly polarized light emission fromInGaN light emitting diode with subwavelength metallic nanograting，”(Appl.Phys.Lett.95，261110，2009)公开报道了表面刻蚀具有亚波长金属铝光栅结构的InGaN/GaN基LED，具有线偏振出光特性，实验中测出偏振度为达到7∶1线偏振光输出，文献采用了严格耦合波理论(RCWA)的方法做了理论计算和模拟，从实验上提供了对制造集成偏振出光氮化镓LED可行性实验依据，从实验结果可以看出，该结构在偏振出光效果方面有待进一步提高。然而迄今为止，对于如何实现微纳光栅偏振出光特性中的偏振出光透过率和偏振出光消光比的同步提高和统一尚未见报道。
发明内容
本发明目的是提供一种结构简单，便于制造，偏振出光效果好的发光二极管。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种增强偏振出光发光二极管，它包括基底、n型层、量子井、p型层和金属光栅，在p型层的上表面，镀有或刻有一介质过渡层与金属光栅的复合结构，介质过渡层的折射率n满足条件为：1.0＜n＜p型层介质的折射率；所述的过渡层为薄膜结构、光栅结构和嵌入结构中的一种。
所述的介质过渡层为MgF2或ZnS中的一种。
所述的金属光栅材料为Al，Ag，Au，Cu或他们的合金，金属光栅的周期范围为10～500纳米，占空比为0.1～0.9，光栅厚度为10～300纳米。
本发明的原理是：过渡层和过渡光栅层结构的引入带来偏振过透过率和消光比同步增强效应，其可能的物理原因利用薄膜光学原理和有效介质理论(effective medium theory，EMT)方法分析得到解释[参考文献：D.L.Brundrett，E.N.Glytsis and T.K.Gaylord，“Homogeneous layer modelsfor high-spatial-frequency dielectric surface-relief grating：conicaldiffraction and antireflection designs，”Appl.Opt.33，2695-2706(1994).和R.E.Smith，M.E.Warren，J.R.Wendt and G.A.Vawter，“Polarization-sensitive subwavelength antireflection surfaces on asemiconductor for 975nm，”Opt.Lett.21，1201-1203(1996)]。根据薄膜光学原理可知，有效折射率层的引入相当于在LED衬底上增加了一层介质材料(介质增透膜)，形成了类Fabry-Perot腔，在满足一定的干涉条件时，将引起光透射增强效应。根据EMT方法，过渡层光栅(实施例二和三提供的结构)的引入使得金属和介质构成的等效光栅层的有效折射率的某一偏振分量(TM偏振)的有效介电常数变大，从而这一偏振光分量的透过率提高，同时又抑制了另一偏振方向光(TE偏振)。实施例一提供的结构和实施例三提供的结构相比，其过渡层可以看成是过渡层光栅的一个特例(占空比等于1)，由EMT方法可知，一样的过渡层材料下，占空比趋于1的一个等效和近似。因此，过渡层的增加带来了偏振光的透射增强效应和改善了偏振消光比是由于多层等效光栅结构的双折射效应和多层膜干涉效应综合的结果，利用EMT方法可以较合理解释这一现象。
本发明采用在金属光栅和基底之间加入一层比基底折射率低的介质模板层，能有效地增强发光二级管的传输和消光特性，在一个周期内光栅侧面的平坦度，光栅的占空比以及工作波长的范围相对于传统的单层金属光栅都有明显提高。本发明提供的技术方案，对设计、优化和制造新型氮化镓基和偏振光子器件具有十分重要的意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有薄膜介质过渡层结构增强偏振出光发光二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种具有嵌入式过渡层结构增强偏振出光发光二极管的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种具有介质过渡层光栅结构增强偏振出光发光二极管的结构示意图；
其中：1、基底；2、n型GaN层；3、InGaN/GaN量子井；4、p型GaN层；5、介质过渡层；6、金属光栅。
图4和图5是本发明实施例提供的增强偏振出光发光二极管芯片其光栅周期与偏振出光特性(偏振光透过率和消光比)关系的比较曲线图；
图6和图7是本发明实施例提供的增强偏振出光发光二极管芯片其光栅占空比与偏振出光特性(偏振光透过率和消光比)关系的比较曲线图；
图8和图9是本发明实施例提供的增强偏振出光发光二极管芯片其发光光波长与偏振出光特性(偏振光透过率和消光比)关系的比较曲线图；
图10和图11是本发明实施例提供的增强偏振出光发光二极管芯片其光发射角度与偏振出光特性(偏振光透过率和消光比)关系的比较曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1，本实施例提供了一种具有薄膜介质过渡层结构金属光栅增强偏振出光发光二极管芯片，其结构包括：LED发光在可见光范围360～760纳米之间，LED的基底1为GaN，其折射率为2.5；n型GaN层2；InGaN/GaN量子井3；p型GaN层4；金属光栅6，金属光栅材料可以为Al，Ag，Au，Cu或他们的合金，金属光栅的周期范围为10～500纳米，占空为0.1～0.9，光栅厚度为10～300纳米；介质过渡层5为薄膜结构，镀于p型GaN层上表面，与金属光栅(6)形成复合结构，介质过渡层为MgF2(折射率1.38)或ZnS(折射率2.44)，折射率均大于1.0，小于GaN的折射率2.5；介质过渡层的厚度可为10～100纳米。
实施例二：参见图2，本实施例提供了一种具有嵌入式介质过渡层结构的金属光栅增强偏振出光发光二极管芯片，其结构包括：LED发光在可见光范围360～760纳米之间，LED的基底1为GaN，其折射率为2.5，n型GaN层2，InGaN/GaN量子井3，p型GaN层4，金属光栅6，金属光栅材料可以为Al，Ag，Au，Cu或他们的合金，金属光栅的周期范围为10～500纳米，占空为0.1～0.9，光栅厚度为10～300纳米；介质过渡层5为嵌入式结构，镀于p型GaN层上表面，与金属光栅(6)形成复合结构，介质过渡层为MgF2(折射率1.38)或ZnS(折射率2.44)，折射率均大于1.0，小于GaN的折射率2.5；嵌入式结构介质过渡层中，金属光栅层(6)和p型GaN层(4)的上表面间隔为10～100纳米，嵌入金属层介质厚度和金属光栅厚度相同。
实施例三：参见图3，本发明实施例提供了一种具有介质过渡层光栅结构的金属光栅增强偏振出光发光二极管芯片，基底1；n型GaN层2；InGaN/GaN量子井3；p型GaN层4；介质过渡层光栅5；金属光栅6；选择过渡层材料分别是折射率为1.38的MgF2和折射率为2.44的ZnS，金属光栅材料为铝(Al)，铝光栅的厚度均为150纳米，占空比均为0.5。ZnS厚度40纳米，MgF2厚度30纳米，过渡层光栅占空比和铝光栅的一致为0.5。
参见图4和图5：给出了光栅周期为50～180纳米范围内偏振出光特性的比较。各图例曲线中，曲线1是没有过渡层材料的铝光栅结构的计算结果，曲线2是有ZnS过渡层光栅和铝光栅复合结构的计算结果，曲线3是有MgF2过渡层光栅和铝光栅复合结构的计算结果。由图4和图5可以看出：本实施例提供的有过渡层结构在很大程度上改善了偏振光透过率和偏振消光比。其中具有ZnS+Al复合光栅结构(曲线2)在50～160纳米范围内具有平坦的TM偏振光输出，且透过率大于83％，消光比大于38分贝；具有MgF2+Al复合光栅结构(曲线3)在50～160纳米范围内具有更高和平坦的TM偏振光输出，且透过率大于96％，消光比大于36分贝；曲线2和曲线3很大程度上优于曲线1(没有过渡层的铝光栅结构)。
参见图6和图7：给出光栅占空比为0.1～0.9范围内偏振出光特性的比较。有过渡层结构在改善了TM偏振光透过率和偏振消光比。其中具有ZnS+Al复合光栅结构(曲线2)在占空比0.1～0.6范围内具有平坦的TM偏振光输出，且透过率大于90％，消光比最高可达45分贝；具有MgF2+Al复合光栅结构(曲线3)在占空比0.1～0.75范围内具有平坦的TM偏振光输出，且透过率大于90％，消光比大于62分贝；曲线2和曲线3很大程度上优于曲线1(没有过渡层的铝光栅结构)。图6和7中，铝光栅的厚度和周期均为150纳米。
参见图8和图9：针对GaN基LED的典型的发光波长440-520纳米，给出这一发光波长范围内偏振出光特性的比较。有过渡层结构很大程度上改善了TM偏振光透过率和偏振消光比。图8可以看出，曲线2和3在整个光谱范围内，TM偏振光输出较为平坦，尤其是曲线2，透过率均大于88％。图9的消光比比较上，曲线3在整个光谱范围内都比曲线1的值高。图8和9中，铝光栅的厚度和周期均为150纳米，占空比为0.5。
参见图10和11：给出LED发光角度对偏振光输出特性的比较。有过渡层结构的引入，使得LED的偏振出光特性对光发射角度的敏感性降低，从而提高TM偏振光透过率和改善偏振消光比。图10可以看出，具有ZnS+Al复合光栅结构(曲线2)在光发射角度为+-70度范围内，TM偏振光输出平坦，且透过率大于90％；MgF2+Al复合光栅结构(曲线3)在光发射角度为+-60度范围内，TM偏振光输出平坦，且透过率大于90％，消光比在整个出射光角度范围内，较没有过渡层的光栅结构(曲线1)提高了3～5分贝。曲线1对在光出射角为+-20度范围内具有较好的平坦性(与文献J.J.Wang，W.Zhang，X.Deng，J.Deng，F.Liu，P.Sciortino，and L.Chen，High-performance nanowire-grid polarizers，Opt.Lett.，”30，195-197(2005).报道的一致)。图10和11中，铝光栅的厚度和周期均为150纳米，占空比为0.5。

Claims (3)

1.一种增强偏振出光发光二极管，它包括基底(1)、n型层(2)、量子井(3)、p型层(4)和金属光栅(6)，其特征在于：在p型层(4)的上表面，镀有或刻有一介质过渡层(5)与金属光栅(6)的复合结构，介质过渡层的折射率n满足条件为：1.0＜n＜p型层介质(4)的折射率；所述的过渡层为薄膜结构、光栅结构和嵌入结构中的一种。
2.根据权利要求1所述的增强偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的介质过渡层为MgF2或ZnS中的一种。
3.根据权利要求1所述的增强偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的金属光栅材料为Al，Ag，Au，Cu或它们的合金，金属光栅的周期范围为10～500纳米，占空比为0.1～0.9，光栅厚度为10～300纳米。
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