CN102544265A

CN102544265A - 一种窄带陷波滤光输出的发光二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN102544265A
Application number: CN2012100187127A
Authority: CN
Inventors: 张桂菊; 曹冰; 王钦华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou Donghui Optical Co ltd
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN102544265B

Abstract

本发明公开了一种窄带陷波滤光输出的发光二极管及其制备方法。在发光二极管芯片的出光面上复合了一层多层波导结构，包括介质过渡层、复合光栅层和介质保护层；复合光栅层为由金属条和介质条相间组成的金属/介质光栅膜层；介质过渡层在复合光栅层的下面，它与发光二极管芯片的出光面直接接触；介质保护层在复合光栅层的上面，它与周围环境或透明电极直接接触。多层波导结构层各层的厚度，光栅的占空比和周期参数，以满足光波导模传输的共振为条件。发明采用将亚波长金属/介质复合光栅结构直接集成制作于LED芯片表面，实现了LED本身出光具有滤波的效果，与传统的被动滤波器件相比，是一种高度集成的主动式有源滤波出光器件。

Description

一种窄带陷波滤光输出的发光二极管及其制备方法

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，具有嵌入式亚波长复合光栅结构的窄带滤波发光光源，属微纳光学器件领域。

背景技术

随着纳米光刻技术的快速发展和人们对光学元件微型化和光学系统集成化的迫切需要，微纳光学器件的研究设计与制备成为学术界和工业界的广泛关注的热点，各种功能复合的微纳光学元件不断涌现。光学滤波器的主要功能是在工作波段内过滤特定波长光源，截止其他波长的入射光。传统的光学滤波器主要结构是在光学镜片一侧蒸镀多层高低折射率相间的介质层达到滤波效果，其功能和应用范围比较单一。亚波长光栅是具有纳米级特征尺度的周期结构，当入射光波长、入射角或介质参数改变时，衍射波能量传播受光栅调制，产生导模共振效应，光波能量重新分布（A. Sharon, D. Rosenblatt, and A. A. Friesem, Resonant grating–waveguide structures for visible and nearinfrared radiation, J. Opt. Soc. Am. A14(11), 2985 (1997).）（周传宏，王磊，聂娅，王植恒，介质光栅导模共振耦合波分析，物理学报，第51卷，第1期(2002).）。利用导模共振的异常光学特性，可以制作各种高效的反射 / 透射器件、窄带滤波器或光开关等等。

发光二极管（LED）是一种有源发光元件，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。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。目前，氮化镓基LED作为新一代光源引起了广泛的关注，它在数字成像系统，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LED的亮度和赋予LED特殊的光学功能。利用纳米结构亚波长金属光栅表现出高效窄带滤波特性，以及在光刻工艺与半导体产业中的高度集成特性，与LED出光表面集成，达到LED的出光特性调控具有非常重要的实际意义。

在本发明作出之前，多种微纳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，用于提高外部出光效率、增强光辐射强度和改善直接偏振出光特性（C. Y. Chen, D. M. Yeh, Y. C. Lu, C. C. Yang, Dependence of resonant coupling between surface plasmons and an InGaN quantum well on metallic structure, Appl. Phys. Lett. 89, 203113 (2006).）（Lee T. X., Gao K. F., Chien W. T., Sun C. C., Light extraction analysis of GaN-based light-emitting diodes with surface texture and/or patterned substrate, Opt. Express, 15, 6670 (2007).）（L. Zhang, J. H. Teng, S. J. Chua, and E. A. Fitzgerald, Linearly polarized light emission from InGaN light emitting diode with subwavelength metallic nanograting, Appl. Phys. Lett.95, 261110,(2009).）。

文献“反射型导模共振滤波器设计”（麻健勇等，物理学报，第57卷，第2期（2008））中，报道了一种利用多层导模光栅结构实现共振的滤波器，其光栅层是由高低两种不同折射率介质材料组成，并且要求组成光栅层的介质折射率大于其上下两层的折射率以及光栅下层基底介质的折射率大于上层覆盖介质的折射率，才能实现反射型滤波传输，是一种在材料上受限的被动滤波器，对滤波光谱没有方向选择性。

中国发明专利(CN 1710450A) “基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法”公开了一种利用亚波长金属微纳结构制作的滤波器，涉及一种单层金属膜滤波器件，金属膜层是具有不同周期排布的微纳通孔的金属层。

中国发明专利(CN 101187708A) “基于亚波长金属双光栅的可调控电磁波透射结构与制备方法”中，涉及了一种亚波长双层金属实现电磁波透射谱可调控，包括两个单层亚波长金属光栅的平行排列。

中国发明专利(CN101256246A)“基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片”，涉及在光学基板上设有多个对称分布的金属线性栅格凹槽阵列单元实现透射式增强滤波，是一种单层的多单元金属光栅结构层。

综上所述，现有技术所涉及的滤波器并非与LED芯片直接接触集成。然而迄今为止，对LED芯片本身进行结构设计，以期实现高集成度的高效有源滤波器件的构想尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种制作方便，易于实现集成化的基于亚波长金属/介质复合光栅嵌入式多层波导结构的陷波滤光出光发光二极管光源及其制备方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是提供一种具有窄带光谱滤波输出的出光发光二极管，它的芯片包括由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面上复合一层多层波导结构，所述的多层波导结构层包括介质过渡层、复合光栅层和介质保护层；所述的复合光栅层为由金属条和介质条相间组成的金属/介质光栅膜层，光栅的周期为10～500纳米, 占空比0.1～0.9，光栅厚度为10～500纳米；所述的介质过渡层在复合光栅层的下面，它与发光二极管芯片的出光面直接接触；所述的介质保护层在复合光栅层的上面，它与周围环境或透明电极直接接触。

所述光栅的形状为矩形，梯形和三角形中的一种，或它们的任意组合。

所述金属条的金属材料为Al, Ag, Au和 Cu中的一种，或它们的任意合金。

所述介质条的材料为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂、ZnS、ZnO和BK7玻璃中的一种，或它们的任意组合。

所述的透明电极在p型区的上表面直接接触，透明电极为发光二极管芯片的出光面。

所述的透明电极放在介质保护层的上表面直接接触， p型区为发光二级管芯片的出光面。

一种制备上述窄带陷波滤光输出的发光二极管的方法，它的多层波导结构的制备包括如下步骤：

（1）确定用于制备窄带陷波滤光输出的发光二极管的发光波长；

（2）选定用作发光二极管芯片的出光表面上所复合的一层多层波导结构中的介质和金属材料；

（3）依据发光二极管所需输出的滤波出光中心波长和带宽，多层波导结构层各层的材料，以满足光波导模传输的共振为条件，确定多层波导结构层各层的厚度，光栅的占空比和周期参数；

（4）按步骤（2）和（3）得到的介质过渡层材料和厚度参数，在发光二极管出光面上蒸镀相应的介质膜层，得到多层波导结构层的介质过渡层；

（5）按确定的光栅占空比和厚度，在介质过渡层上进行金属栅条制备；

（6）将金属栅条的间隙进行填充及整个表面蒸镀所确定的介质材料，得到复合于发光二极管芯片的出光表面上的多层波导结构层。

所述的金属栅条制备采用的方法为紫外光刻法，纳米压印，感应耦合等离子刻蚀，聚焦离子束刻蚀或电子束曝光中的一种。

本发明多层波导结构的原理是：将每一个波导层的边界条件带入波导方程：，求得陷波窄带光波的各波导层参数。其中U是电磁场中的电场强度或磁场强度，是与材料相关的光波传输常数，是光波的圆频率，是滤波对应的峰值波长，和分别是与材料相关的自由空间介电常数和磁导率。LED发出的光具有宽带光谱的性质，经过介质、亚波长金属复合光栅组成的多层波导传播时，满足一定结构参数的波导所支持的导模与高级次传播波发生强烈的耦合，光栅的周期性调制使得波导有泄漏，光波能量将重新分布，形成导模共振。从而在反射光谱或透射光谱的某个位置上出现一个急剧的跃变，即产生一个强共振峰。（Wood R. W., On a Remarkable Case of Uneven Distribution of Light in a Diffraction Grating Spectrum, Philos. Mag. Vol.4, 269 (1902)., Rosenblatt D., Sharon, A. and Friesem A. A., Resonant grating waveguide structure, IEEE J. Quantum Electron. 33, 2038 (1997)., Ding Y. and R. Magnusson, Resonant leaky-mode spectral-band engineering and device application, Opt. Express 12, 5661 (2004).）入射光在光栅介质内形成多级次子波传播，若第m级子波的波矢分量k _xm与多层介质光栅波导所支持的某一导波模式传播常数β相等，将出现光栅的导模共振效应，即有：，m=±1, ±2，…，，为入射角，为光栅周期。再将每一波导层的边界条件带入波导方程：；其中U是电磁场的电磁强度或磁场强度，求解。在求解波导方程时，可确定与导模的关系，即光栅结构参数与导模共振的关系，从而确定导模共振的位置。利用光学特征矩阵方法和耦合波方法都可以求解波导问题。本发明采用基于严格耦合波方法，严格求解光栅波导问题，具有比采用等效折射率近似的特征矩阵方法准确。通过设计LED芯片表面的介质/金属亚波长光栅波导的周期、厚度、占空比及材料的配比，控制出射光的共振衰减峰峰值波长及谱宽，实现直接窄带陷波滤光出光光源。

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

（1）本发明采用将亚波长金属/介质复合光栅结构直接集成制作于LED芯片表面的技术方案，实现LED本身出光具有滤波的效果，与传统的被动滤波器件相比，是一种高度集成的主动式有源滤波出光器件，不需外置光学镜片等结构。

（2）本发明采用的亚波长复合光栅的多层波导结构，通过调节金属/介质光栅层的周期和占空比、介质材料和厚度参数，采用基于严格耦合波方法的Gsolver软件，严格求解波导方程和导模传输共振条件，得到滤波峰值位置和窄带宽任意可调的光谱分布，光谱带宽从零点几纳米到几纳米，峰值位置可以在LED波长覆盖的任意位置。

（3）本发明采用多层波导结构，将金属光栅条埋入介质层中，下层介质过渡层和上层介质保护层具有增加横磁波TM分量的共振滤波效果和抑制横电波TE分量的透射效果，同时上层介质层具有保护金属膜层效果，并且组成光栅的介质和表面介质保护层可以采用同种材料一次性覆盖而成，使得陷波滤光输出的峰值和窄带带宽调节方便、结构简单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基于亚波长金属/介质复合光栅嵌入式的发光二极管有源窄带陷波滤光片结构剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的发光二极管芯片在420nm～460nm发光波段的陷波滤光光谱透射率曲线图；

图3是本发明实施例提供的发光二极管芯片在约30纳米的发光波段范围内陷波光谱峰值随着复合光栅周期改变而改变的曲线图；

图4是本发明实施例提供的发光二极管芯片在430nm～450nm发光波段的陷波窄带光谱在复合光栅的不同占空比条件下呈现不同带宽的透射率曲线图；

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、介质过渡层薄膜；10、金属/介质复合光栅；11、介质保护层薄膜。

具体实施方式

以下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基于亚波长金属复合光栅嵌入式发光二极管有源窄带陷波滤光片的结构剖面示意图。在III-V族氮化镓基LED表面制备多层波导式有源陷波滤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n型层金属电极8；介质过渡层9和介质保护层11，介质层为相同或不同的材料，可以为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂、ZnS、ZnO、BK7玻璃等透明光学薄膜材料的一种或几种；金属/介质条栅组成的复合光栅10，金属材料可以是Al, Ag, Au和 Cu等，或他们的合金。

首先设定需要陷波滤光的光谱中心位置和光谱带宽的大小，在本实施例中，设定所需中心波长439nm和半值带宽0.7nm的滤波光谱，然后选定多层波导的材料，为了制作更方便，本实施例选两种材料金属Al和BK7玻璃。将所确定的每一个波导层的边界条件带入波导方程：，以满足光波导模传输的共振条件，求得陷波窄带光波的各波导层参数。其中U是电磁场中的电场强度或磁场强度，是与材料相关的光波传输常数，是光波的圆频率，是滤波对应的峰值波长，和分别是与材料相关的自由空间介电常数和磁导率，n是材料的折射率。采用基于严格耦合波理论，由Gsolver软件进行处理，得到满足设计要求的复合光栅的占空比为0.4，周期为238nm，各波导层的厚度：介质过渡层160nm，复合光栅层210nm，介质保护层10nm。按确定的光栅占空比和厚度，在介质过渡层上进行金属栅条制备；最后按照设计参数利用镀膜和刻蚀的方法制备出多层波导层。

多层波导结构的材料选定后，窄带滤波光谱的峰值位置主要由亚波长复合光栅的周期决定；窄带光谱的带宽由复合光栅的占空比和厚度、介质膜层的厚度等决定。在本实施例中，p型层透明电极是发光二极管的出光面，多层波导结构中的金属/介质复合光栅条的形状为矩形，金属材料是上述金属材料的一种，介质材料是上述介质材料的一种。

参见附图2，它是本实施例提供的发光二极管芯片在420nm～460nm发光波段的陷波滤光光谱透射率曲线图。由图2可以看到，在氮化物基LED发光波段40nm范围内看到陷波光谱峰值处439nm，滤光光谱的半值带宽0.7nm，陷波位置以外的TM光透射率达到0.69～0.93。

实施例2

本实施例制备复合光栅的周期不同时的多层波导式陷波出光光发光二极管芯片。

按不同的滤波出光中心波长，采用实施例1的技术方案，得到二极管芯片的介质过渡层厚度为160nm，复合光栅厚度为210nm，占空比为0.5，介质保护层厚度为10nm，复合光栅的周期分别为232nm、234 nm、236 nm、238 nm、240 nm、242 nm、244nm、246 nm、248 nm和250nm。

参见附图3，它是本实施例提供的发光二极管芯片在约30纳米的发光波段范围内陷波光谱峰值随着复合光栅周期改变而改变的曲线图。由图3可以看到，在氮化物基LED发光波段近30nm范围内光栅周期改变18nm，陷波光谱峰值位置移动23.3nm。由此可见，滤波的峰值波长位置调节范围可以由复合光栅周期不同来方便调节。

实施例3

按不同的带宽，采用实施例1技术方案，得到本实施例提供的多层波导式陷波出光光发光二极管芯片的介质过渡层厚度160nm，复合光栅厚度210nm，周期240nm，介质保护层厚度10nm，对应的复合光栅占空比分别为0.35 、0.45和 0.55。

参见附图4，它是本实施例提供的发光二极管芯片在430nm～450nm发光波段的陷波窄带光谱在复合光栅的不同占空比条件下呈现不同滤波带宽的透射率曲线图。由图4可以看到，本实施例提供的多层波导式陷波出光光发光二极管芯片的介质过渡层厚度160nm，复合光栅厚度210nm，周期240nm，介质保护层厚度10nm，复合光栅占空比为0.35时，陷波光谱半值带宽0.3nm（曲线1）；复合光栅占空比为0.45时，陷波光谱半值带宽1.1nm（曲线2）；复合光栅占空比为0.55时，陷波光谱半值带宽1.9nm（曲线3）。在氮化物基LED发光波段20nm范围内，光谱峰值在441.8nm附近，光栅占空比改变0.2，陷波光谱带宽变化超过6倍。由此可见，窄带滤波的带宽调节范围可以由复合光栅占空比不同来方便调节。

Claims

1. 一种窄带陷波滤光输出的发光二极管，它的芯片包括由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面上复合一层多层波导结构，所述的多层波导结构层包括介质过渡层、复合光栅层和介质保护层；所述的复合光栅层为由金属条和介质条相间组成的金属/介质光栅膜层，光栅的周期为10～500纳米, 占空比0.1～0.9，光栅厚度为10～500纳米；所述的介质过渡层在复合光栅层的下面，它与发光二极管芯片的出光面直接接触；所述的介质保护层在复合光栅层的上面，它与周围环境或透明电极直接接触。

2. 根据权利要求1所述的一种窄带陷波滤光输出的发光二极管，其特征在于：所述光栅的形状为矩形，梯形和三角形中的一种，或它们的任意组合。

3. 根据权利要求1所述的一种窄带陷波滤光输出的发光二极管，其特征在于：所述金属条的金属材料为Al, Ag, Au和 Cu中的一种，或它们的任意合金。

4. 根据权利要求1所述的一种窄带陷波滤光输出的发光二极管，其特征在于：所述介质条的材料为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂、ZnS、ZnO和BK7玻璃中的一种，或它们的任意组合。

5. 根据权利要求1、2、3或4所述的一种窄带陷波滤光输出的发光二极管，其特征在于：所述的透明电极在p型区的上表面直接接触，透明电极为发光二极管芯片的出光面。

6. 根据权利要求1、2、3或4所述的一种窄带陷波滤光输出的发光二极管，其特征在于：所述的透明电极放在介质保护层的上表面直接接触， p型区为发光二级管芯片的出光面。

7. 一种制备如权利要求1所述的窄带陷波滤光输出的发光二极管的方法，其特征在于：多层波导结构的制备包括如下步骤：

（3）依据发光二极管所需输出的滤波出光中心波长和带宽、多层波导结构层各层的材料，以满足光波导模传输的共振为条件，确定多层波导结构层各层的厚度，光栅的占空比和周期参数；

8. 根据权利要求7所述的一种制备窄带陷波滤光输出的发光二极管的方法，其特征在于：所述的金属栅条制备采用的方法为紫外光刻法，纳米压印，感应耦合等离子刻蚀，聚焦离子束刻蚀或电子束曝光中的一种。