CN102263183B

CN102263183B - 一种偏振出光发光二极管

Info

Publication number: CN102263183B
Application number: CN 201110242940
Authority: CN
Inventors: 韩琴; 曹冰; 张桂菊; 王钦华; 王建峰; 徐科
Original assignee: Suzhou Nanowin Science And Technology Co ltd; Suzhou University
Current assignee: Suzhou Nanowin Science And Technology Co ltd; Suzhou University
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: CN102263183A

Abstract

本发明公开了一种具有二维表面周期结构的偏振出光发光二极管，它是一种有源偏振出光光学器件。它的发光二极管芯片包括基底、n型层，量子阱、p型层；在p型层的上表面制备具有二维周期结构的金属表面层；或制备一介质过渡层与具有二维周期结构的金属表面层的复合结构。二维周期点阵的一个方向x，它的周期a为70～180纳米，与x垂直的y方向的周期b为a的40%～80%。介质过渡层的折射率n满足条件为1.0<n<p型介质层的折射率。采用本发明技术方案，实现了发光二极管直接出偏振光的目的，并能有效增强发光二极管的透射率和偏振度，使发光器件的整体体积大大缩小，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。

Description

一种偏振出光发光二极管

技术领域

本发明涉及一种有源光学器件，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型区注入结区，当电子和空穴相遇而产生复合，此时放出的能量将以光子形式释放出来，它所发出的光的波长取决于结材料的禁带宽度。因此，根据材料的不同，LED可以发出近紫外线、可见光或近红外光。

以氮化镓及其合金材料为代表的第三代半导体材料，可以制成高效的发出不同波长的发光二极管和激光二极管LD（又称激光器），并可延伸到白光。以氮化镓为基础的高亮度半导体LED具有体积小、寿命长、功耗低，且容易与晶体管和集成电路结合等优点，因此其被广泛应用于大屏幕全彩显示、照明灯具、激光器、LCD背光源、探测器、光纤通讯、卫星通讯等。当前氮化物基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。为了提高外LED的亮度，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：二维点阵结构，纳米光栅或微孔阵列等。但具有特殊光学性能的LED，例如可直接出偏振光的LED尽管在光电产业中受到大量的需求，但到目前为止，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。通常偏振光的获得需要光源结合一系列的偏振片，这使得光源利用效率大大降低。如果LED本身能够出射偏振光将使器件更小更薄。利用光刻等工艺在LED表面制备纳米结构的金属点阵结构可以使其强烈的反射某一方向的偏振光，而允许垂直此方向的偏振光通过，其功能相当于一个线性偏振的偏振片。对于基于LED的偏振光源，希望其具有高的偏振光透射率和高的偏振消光比。而要得到高的偏振消光比则要求大的金属体积，大的金属体积则导致金属对光的反射和吸收增强，从而降低偏振光的透过率。因此本专利对LED表面的二维金属点阵结构的周期，金属柱体的尺寸进行了设计，获得高的透射率和消光比。

在本发明作出之前，中国发明专利（公开号CN 1214453A）“二维光子晶体偏振器及制备方法”利用两种介电材料组成二维重复周期结构，通过选择适当的介电棒尺寸与重复周期长度及合适的介电棒与背景材料的介电常数配比，获得所需工作频率的偏振器。此专利是利用二维周期结构实现对外在光源的偏振分离，属于无源器件，此偏振器自身不产生光或者偏振光。

文献“Fabrication of two-dimensional photonic crystal patterns on GaN-based light-emitting diodes using thermally curable monomer-based nanoimprint lithography”(Appl. Phys. Lett. 91, 091106, 2007) 报道了利用纳米压印技术在氮化镓基LED表面制备二维周期结构可以显著提高其出光效率，即透射率，但是并未涉及到LED的偏振出光。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，透射率高、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：一种偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括基底，n型层、量子阱和p型层；在发光二极管芯片的出光表面上制备二维周期点阵结构表面层；所述二维周期点阵的一个方向x，它的周期a为70～180纳米，与x垂直的y方向的周期b为a的40%～80%；点阵为突起的柱体或嵌入式孔穴，其形状为圆形或长方形，柱体的高度或孔穴的深度为50～400纳米,圆形点阵的直径或长方形点阵的边长为周期b的70%～100%。

基于上述技术方案，本发明还提供另一种偏振出光发光二极管，在p型层的上表面镀有或刻有一介质过渡层，其上复合二维周期点阵结构表面层；所述的介质过渡层为薄膜平面结构，薄膜为整体型或形状与其上的复合表面层相同的二维周期点阵结构；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；所述二维周期点阵的一个方向x，它的周期a为70～180纳米，与x垂直的y方向的周期b为a的40%～80%；点阵为突起的柱体或嵌入式孔穴，其形状为圆形或长方形，柱体的高度或孔穴的深度为50～400纳米,圆形点阵的直径或长方形点阵的边长为周期b的70%～100%。

本发明所述的二维周期点阵结构表面层为金属层，金属为Al、Ag、Au、Cu或它们的合金。所述的介质过渡层为MgF₂、SiO₂或ZnS中的一种。

本发明的原理是：LED芯片中量子阱发射的光是没有方向性的，为了实现LED的高偏振出光，在LED芯片表面设计了金属点阵结构。由于金属的介电常数为复数，其对应的折射率亦为复数，此折射率的实部一般小于1，而其虚部表示对光的吸收，因此通过合适的几何结构设计，可以实现对一个方向的偏振光具有强的反射，垂直方向的偏振光具有高的透射。一般来说，金属体积越大，偏振消光比越高，但同时也会引起偏振光的透射率降低。可利用时域有限差分法（finite-difference time-domain）对金属点阵的周期，点阵的形状和尺寸进行系列计算，以获得偏振消光比和透过率的最优组合。在本发明中，金属点阵的形状可以是圆柱形，长方形等柱体，其点阵在x方向上的周期a范围为70～180纳米，y方向的周期b为x方向周期a的40%～80%，点阵为柱体，点阵为柱体结构，点阵的直径（圆柱形）或者边长（长方柱形）为周期b的70%～100%，柱体的高度或者孔穴的深度为50～400纳米。

根据薄膜光学原理，在LED表面引入合适的介质材料（介质增透膜）在满足一定的干涉条件下会形成类Fabry-Perot腔，从而增强光的透射。根据有效介质场理论，金属点阵和过渡层组成的复合结构使得其有效折射率具有各向异性，使其对某一偏振方向的入射光的有效介电常数变大，从而使得这一偏振光分量的透过率高，而垂直此方向的偏振光传播被抑制，从而获得高的偏振消光比。

本发明在LED表面直接制备金属点阵结构获得可以直接出射偏振光的有源光学器件，与传统的光源和偏光板分离的结构相比，发光器件的体积大大减小，光的利用率更高，性能更好。另外，在金属点阵和基底之间加入一层比基底折射率低的介质层，能有效地增强发光二极管的透射率和消光比。金属/介质点阵结构可以和半导体工艺中的刻蚀技术相结合，易实现产业化。本发明提供的技术方案，对设计、优化和制造新型具有特殊光学性能的有源光学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偏振出光发光二极管芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种偏振出光发光二极管二维点阵结构表面层的平面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种具有平面薄膜介质过渡层的偏振出光发光二极管芯片的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种具有点阵结构介质过渡层的偏振出光发光二极管芯片的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管芯片其二维周期结构中x方向周期大小与偏振出光特性（偏振光透过率和消光比）关系的比较曲线图；

图6是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管芯片的表面金属点阵在固定x方向周期a为120nm时， y方向周期b的不同取值与偏振出光特性（偏振光透过率和消光比）关系的比较曲线图；

图7是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管芯片表面的不同金属圆柱的高度偏振出光的特性(偏振光透过率和消光比)关系的比较曲线图；

图8是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管芯片其发光波长比与偏振出光特性（偏振光透过率和消光比）关系的比较曲线图。

其中：1、基底；2、n型GaN层；3、InGaN/GaN量子阱；4、p型GaN层；5、介质过渡层；6、二维周期点阵结构表面层。

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。

实施例一：

参见附图1，它是本实施例提供的一种偏振出光发光二极管芯片的结构示意图，其结构包括：LED的基底1为GaN，其折射率为2.5；n型GaN层2；InGaN/GaN量子阱3；p型GaN层4；在发光二极管芯片的出光表面上制备二维周期点阵结构表面层6，其点阵为金属材料Al，也可采用Ag、Au、Cu或它们的合金。

参见附图2，它是本实施例提供的一种偏振出光发光二极管二维点阵结构层的平面示意图；金属点阵的周期结构、点阵的形状和尺寸根据LED具体的发光波长借助时域有限差分方法，计算获得在该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，金属点阵为圆柱体，金属点阵在沿 x方向上的周期a为80～150纳米，与x垂直的y方向的周期b为x方向周期a的40%～60%，点阵为圆柱体，直径与周期b相同，柱体的高度为100～180纳米。

实施例二：

参见附图3，它是本实施例提供的一种具有平面薄膜介质过渡层结构的偏振出光发光二极管芯片，其结构包括： LED的基底1为GaN，其折射率为2.5；n型GaN层2；InGaN/GaN量子阱3；p型GaN层4；介质过渡层5，其为整体平面结构，镀在p型GaN层上表面，与二维周期点阵6形成复合结构；介质过渡层为SiO₂(折射率1.46)，也可采用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150～220纳米。点阵为金属点阵，其材料为Al。金属点阵在x方向上的周期a范围为80～150纳米，y方向的周期b为x方向周期a的40%～60%，点阵为圆柱体，直径与周期b相同，柱体的高度为150～250纳米。

实施例三：

参见附图4，它是本发明实施例提供的一种具有点阵结构介质过渡层的偏振出光发光二极管芯片的结构示意图；其结构包括：LED的基底1为GaN，其折射率为2.5；n型GaN层2；InGaN/GaN量子阱3；p型GaN层4；具有点阵结构的介质过渡层5；金属点阵6。其中介质过渡层5具有和金属点阵同样的点阵排列结构和尺寸，介质过渡层为SiO₂、MgF₂或ZnS。金属点阵材料可以为Al、Ag、Au、Cu或它们的合金。本实施例中介质层和金属点阵在x方向上的周期a范围为80～150纳米，y方向的周期b为x方向周期a的40%～60%，点阵为圆柱体，直径与周期b相同，柱体的高度为150～250纳米。

参见附图5，给出了用时域有限差分方法计算出的金属点阵在x方向周期为40～200纳米范围内偏振光透射率及它们的消光比的结果。各图例曲线中，曲线1表示没有过渡层材料的铝金属点阵结构（实施例一）的计算结果，曲线2表示的是由SiO₂平面薄膜过渡层和铝金属点阵构成的复合结构（实施例二）的计算结果，曲线3表示的是由具有相同点阵结构的SiO₂和金属铝材料构成的复合结构（实施例三）的计算结果。由图5可以看出，本发明技术方案提供的有过渡层结构的样品在很大程度上改善了偏振光的透过率和消光比。其中具有SiO₂+Al复合光栅结构的在80～170纳米范围内具有平坦的TM偏振光输出，且透过率高于75%，消光比高于5分贝。

参见附图6，给出金属点阵在y方向周期b相对a取5%～95%范围内偏振光透射率及它们的消光比的结果。图中x方向的周期a保持为120nm，而y方向周期b相对a取5%～95%，各图例曲线如图5所述，由图6可以看出，没有过渡层的情况，TM透射随y方向周期b的增大很快降低，而有过渡层的情况，透射率降低缓慢。y方向周期b取值在40%～80%范围内可以使发光二极管同时具有高的透射率和消光比。

参见附图7，给出金属点阵的基元为圆柱体结构时，圆柱体取不同高度时偏振出光的特性。各图例曲线如图5所述，从图7可以看出，TM偏振光随着圆柱体的高度不同，透射率周期性变化，而垂直于TM偏振的TE光的透射率则很快衰减，因此TM光和TE光的消光比随着金属点阵高度的增加而提高。

参见附图8，针对GaN基LED的典型发光波长440～520纳米，给出这一发光波长范围内偏振出光的透射率和消光比。各图例曲线如图5所述，从图8可以看出，有过渡层的实施例相对没有过渡层的实施例其透射率大大提高，且在整个光谱范围内TM偏振光的透射率变化很小。没有过渡层的实施例随着入射波变长，透射率增大。但是消光比相对于没有过渡层的情况要差，但仍然高于通常的偏振片。

Claims

1.一种偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括基底（1），n型层（2）、量子阱（3）、p型层（4）；其特征在于：在发光二极管芯片的出光表面上制备二维周期点阵结构表面层（6）；所述二维周期点阵的一个方向x，它的周期a为70～180纳米，与x垂直的y方向的周期b为a的40%～80%；点阵为突起的柱体或嵌入式孔穴，其形状为圆形或长方形，柱体的高度或孔穴的深度为50～400纳米,圆形点阵的直径或长方形点阵的边长为周期b的70%～100%。

2.一种偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括基底（1），n型层（2）、量子阱（3）、p型层（4）；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），其上复合二维周期点阵结构表面层（6）；所述的介质过渡层为薄膜平面结构，薄膜为整体型或形状与其上的二维周期点阵结构表面层相同的二维周期点阵结构；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；所述二维周期点阵的一个方向x，它的周期a为70～180纳米，与x垂直的y方向的周期b为a的40%～80%；点阵为突起的柱体或嵌入式孔穴，其形状为圆形或长方形，柱体的高度或孔穴的深度为50～400纳米,圆形点阵的直径或长方形点阵的边长为周期b的70%～100%。

3.根据权利要求1或2所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的二维周期点阵结构表面层为金属层。

4.根据权利要求3所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的金属层的金属为Al、Ag、Au、Cu或它们的合金。

5.根据权利要求2所述的一种偏振出光发光二极管，其特征在于：所述的介质过渡层为MgF₂、SiO₂或ZnS中的一种。