CN103219439B

CN103219439B - 一种纳米颗粒阵列的偏振出光发光二极管

Info

Publication number: CN103219439B
Application number: CN201310144195.2A
Authority: CN
Inventors: 曹冰; 邢贺; 张桂菊; 王钦华; 俞强; 何舜宇
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: CN103219439A

Abstract

本发明公开了一种纳米颗粒阵列的偏振出光发光二极管。它的发光二极管芯片包括由工作区衬底n型区、p型区、量子阱和纳米颗粒阵列结构组成的。本发明的主要特征是在LED的出光表面上直接制备纳米颗粒阵列，由纳米颗粒构成线光栅的偏振结构，以获得偏振出光，其光栅周期为50～400nm,占空比为0.2～0.9，厚度为50～400nm纳米，纳米颗粒的直径为5～200nm。与现有技术线光栅偏振器相比，本发明提供的偏振出光发光二极管制备简便，降低成本，且具有良好的偏振消光比和透过率。

Description

一种纳米颗粒阵列的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），具体涉及一种具有偏振结构的发光二极管。

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。根据材料的不同，LED可以发出近紫外、可见光和近红外光。

以氮化镓为代表的第三代半导体，可以制成高效的发光二极管，氮化镓及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

当前氮化镓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，例如赋予LED偏振出光的特性，具有非常重要的实际意义。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。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。

亚波长金属光栅可以反射大多数TE偏振光，而允许大多数TM偏振光通过。这类光学器件，展示了优良的偏振特性，是一种非常有潜力的制作高质量偏振器的方式。这种纳米线栅偏振器要实现高性能，周期仅为使用波长的几分之一甚至更小，且深宽比要高，制作的难度大，对工艺控制要求非常的严格。

在本发明作出之前，中国发明专利（CN201387494Y）“一种金属线栅宽带偏振器”采用了在基板上沉淀金属Al纳米线栅，可以实现高消光比和较好的透射率。中国发明专利（CN1214453A）“二维光子晶体偏振器及制备方法”采用介电棒和背景介质材料构成二维重复周期结构，实现偏振出光。但上述技术方案均为一种独立的光学器件，不能封装于LED。

中国发明专利（CN101194365A）“具有优化的光子晶体提取器的高效发光二极管”，以可变的孔排组成锥形结构，在LED表面制备二维光子晶体的方法，其目的是提高LED的光提取效率。

目前，在LED封装结构内采用纳米颗粒阵列光栅结构实现LED偏振出光的技术方案未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种制备工艺简便、具有良好的偏振消光比和透过率的发光二极管。

实现本发明目的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：衬底，n型层，量子阱，p型层；在发光二极管芯片的p型层的出光表面上设置偏振结构，所述的偏振结构为纳米颗粒阵列光栅，其光栅的周期为60～400nm,占空比为0.2～0.9，厚度为60～400nm。

本发明技术方案中，所述纳米颗粒的直径为5～200nm。所述纳米颗粒阵列的纳米颗粒堆积结构为简单立方堆积结构或密堆积结构。所述纳米颗粒的材料为金属Al、Ag、Au、Cu、Ni、Cr，或它们的合金；也可以是半导体材料Si或ZnO；还可以是高分子材料聚苯乙烯或无机材料金属硫化物等。

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表面高偏振度的偏振出光，本发明采用在LED芯片的出光表面上集成制作纳米颗粒填充的光栅结构，通过合适的结构设计，纳米颗粒阵列结构的亚波长光栅可以实现对一个方向的偏振光具有强的反射，相应垂直方向的偏振光具有强的反射；通过优化设计光栅周期、占空比、厚度及纳米颗粒的大小，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。

本发明技术方案中，纳米颗粒阵列的结构参数根据LED的具体发光波长进行调节，依据时域有限差分法（finite-differencetime-domain）设计光栅相关参数的具体数值，设计原则是以该LED发光波长下达到最好的偏振消光比和透过率的组合。

本发明所述的纳米颗粒阵列结构，相应工艺流程较简便，可先用光刻胶在LED出光表面刻出光栅沟槽，再用液态的纳米颗粒填充沟槽，烘干成型，去除光刻胶，在LED表面直接制备纳米颗粒阵列光栅结构。纳米颗粒的制备工艺可参照中国发明专利（CN101487976A）“金属光子晶体的溶液法制备”公开的技术方案。

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

1.本发明所述的纳米颗粒阵列结构，先用光刻胶在LED出光表面上刻出光栅沟槽，再用液态的纳米颗粒填充沟槽，烘干成型，去除光刻胶，从而得到新的光栅，工艺流程较简便。

2.本发明在LED表面直接制备纳米颗粒阵列结构获得可以直接出射偏振光的有源光学器件，纳米颗粒结构和传统刻蚀技术相结合，易实现产业化和推广应用。本发明提供的技术方案，对设计和制造新型具有特殊光学性能的有源光学器件具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种纳米颗粒简单立方堆积结构的偏振出光LED的结构剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管在450nm～475nm发光波段的偏振特性曲线图；

图3是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管芯片在500～540nm发光波段的偏振特性曲线图；

图4是本发明另一个实施例提供的纳米颗粒密堆积结构的偏振出光LED的结构剖面示意图；

图5是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管在450nm～475nm发光波段的偏振特性曲线图；

图6是本发明实施例提供的偏振出光发光二极管芯片在500～540nm发光波段的偏振特性曲线图；

图中，1、衬底；2、n型GaN层；3、InGaN/GaN量子阱；4、p型GaN层；5、纳米颗粒简单立方堆积结构；6、纳米颗粒密堆积结构。

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纳米颗粒简单立方堆积偏振出光发光二极管的结构剖面示意图。在氮化镓基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区上面为纳米颗粒简单立方堆积结构5；纳米颗粒的直径可在5～200nm的范围内选用，本实施例以10nm和20nm为例。

根据时域有限差分法，对光栅的形状、周期、占空比、厚度进行具体的设计，以在蓝光波长（450nm～475nm）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，纳米颗粒为金属Al，当纳米颗粒直径为10nm时，金属光栅线宽40nm，光栅厚度为100nm，光栅周期为89nm；当纳米颗粒直径为20nm时，金属光栅线宽为40nm，光栅厚度为120nm，光栅周期为102nm。纳米颗粒阵列结构可先用光刻胶在LED出光表面刻出光栅沟槽，再用液态的纳米颗粒填充沟槽，烘干成型，去除光刻胶，在LED表面直接制备纳米颗粒阵列光栅结构。纳米颗粒的制备工艺可参照公开号为CN101487976A的中国发明专利。

参见附图2，它是本实施例提供的偏振出光发光二极管在450nm～475nm发光波段的偏振特性曲线图，图a为颗粒直径10nm的偏振特性图，图b为颗粒直径20nm的偏振特性图；由图a可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒Al金属光栅在氮化物基LED发光波段450nm～475nm范围内TM偏振光透射率达到0.76～0.81，在450nm～470nm范围内的消光比ER达到24.9～25.7分贝(dB)；由图b可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒Al金属光栅在氮化物基LED发光波段450nm～475nm范围内TM偏振光透射率达到0.83～0.86，在450nm～475nm范围内的消光比ER达到24.6～25.2分贝(dB)。

实施例2：

参见附图1，它是本实施例提供一种纳米颗粒简单立方堆积偏振出光发光二极管的结构剖面示意图，该结构的LED发光波段为500nm～540nm。

对光栅的形状、周期、占空比、厚度进行具体的设计，以在绿光波长（500nm～540nm）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，纳米颗粒为金属Ni，当纳米颗粒直径为10nm时，金属光栅线宽40nm，光栅厚度为120nm，光栅周期为100nm；当纳米颗粒直径为20nm时，金属光栅线宽为40nm，光栅厚度为100nm，光栅周期为93nm。

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在500～540nm发光波段的偏振特性曲线图，图3中，图a为颗粒直径10nm的偏振特性图，图b为颗粒直径20nm的偏振特性图；由图a图可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒Ni金属光栅在氮化物基LED发光波段500nm～540nm范围内TM偏振光透射率达到0.76～0.84，在500nm～540nm范围内的消光比ER达到26.2～27.3分贝(dB)；由图b可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒Al金属光栅在氮化物基LED发光波段500nm～540nm范围内TM偏振光透射率达到0.84～0.87，在500nm～540nm范围内的消光比ER达到25.9～26.7分贝(dB)。

实施例3：

参见附图4，它是本实施例提供的一种纳米颗粒密堆积结构偏振出光发光二极管的结构剖面示意图。在氮化镓基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区上面为纳米颗粒密堆积结构6；纳米颗粒的直径可在5～200nm的范围内选用，本实施例以10nm和20nm为例。

根据时域有限差分法，光栅的形状、周期、占空比、厚度进行具体的设计算，以在蓝光波长（450nm～475nm）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，纳米颗粒为聚苯乙烯，当纳米颗粒直径为10nm时，光栅线宽40nm，光栅厚度为105nm，光栅周期为103nm；当纳米颗粒直径为20nm时，光栅线宽为40nm，光栅厚度为107nm，光栅周期为103nm。

参见附图5，它是本实施例提供的LED结构的偏振特性曲线图，其中，图a为颗粒直径10nm的偏振特性图，图b为颗粒直径20nm的偏振特性图；由图a可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒聚苯乙烯光栅在氮化物基LED发光波段450nm～475nm范围内TM偏振光透射率达到0.62～0.65，在450nm～470nm范围内的消光比ER达到23.3～24.0分贝(dB)。由图b可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒聚苯乙烯光栅在氮化物基LED发光波段450nm～475nm范围内TM偏振光透射率达到0.58～0.64，在450nm～475nm范围内的消光比ER达到23.2～24.1分贝(dB)。

实施例4：

参见附图4，它是本实施例提供的一种纳米颗粒密堆积结构偏振出光发光二极管的结构剖面示意图。该结构的LED发光波段为500nm～540nm。

对光栅的形状、周期、占空比、厚度进行具体的设计，以在绿光波长（500nm～540nm）下达到最佳的偏振消光比和透过率的组合为目标。在本实施例中，纳米颗粒为ZnO，当纳米颗粒直径为10nm时，光栅线宽40nm，光栅厚度为114nm，光栅周期为95nm；当纳米颗粒直径为20nm时，光栅线宽为40nm，光栅厚度为107nm，光栅周期为104nm。

参见附图6（a），它是本实施例提供的LED结构的偏振特性曲线图，其中，图a为颗粒直径10nm的偏振特性图，图b为颗粒直径20nm的偏振特性图；由图a可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒ZnO光栅在氮化物基LED发光波段500nm～540nm范围内TM偏振光透射率达到0.72～0.77，在500nm～540nm范围内的消光比ER达到30.4～31.4分贝(dB)；由图b可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，其纳米颗粒ZnO光栅在氮化物基LED发光波段500nm～540nm范围内TM偏振光透射率达到0.69～0.72，在500nm～540nm范围内的消光比ER达到24.6～25.5分贝(dB)。

Claims

1.一种偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括：衬底，n型层，量子阱，p型层，其特征在于：在发光二极管芯片的p型层的出光表面上设置偏振结构，所述的偏振结构为纳米颗粒阵列光栅，其光栅的周期为60～400nm,占空比为0.2～0.9，厚度为60～400nm；所述纳米颗粒的直径为10nm～20nm。

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：所述纳米颗粒阵列的纳米颗粒堆积结构为简单立方堆积结构或密堆积结构。

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：所述纳米颗粒的材料为金属Al、Ag、Au、Cu、Ni、Cr，或它们的合金。

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：所述纳米颗粒的材料为半导体材料Si或ZnO。

5.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：所述纳米颗粒的材料为高分子材料聚苯乙烯。

6.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：所述纳米颗粒的材料为金属硫化物。