CN103943733B - 一种基于垂直纳米线的led超平行光源的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其光源采用垂直硅纳米线的Si‑CdS异质pn结,微透镜采用凹面镜。制备方法具体包括:首先制备圆点掩模板以确定硅纳米线的大小;然后使用ICP‑RIE干法刻蚀技术制备硅纳米线;并且热氧化硅纳米线,去除硅纳米线顶端部分部氧化层;溅射多晶CdS薄膜,以形成Si‑CdS异质结;最后以Si‑CdS异质结为中心,采用淀积技术得到凹面镜,并且,凹面镜的轮廓为抛物线形。本发明利用硅基纳米Si‑CdS异质pn结的发光特性,结合微型凹面镜制备工艺,实现了简单、集成、高效的超平行光的发射,避免了普通光源平行化的困境。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统领域,尤其涉及一种基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法。
背景技术
一般情况下,只有激光才能发射超平行光,普通的LED光源是无法发射超平行光的。但是,普通LED光源制造工艺简单、成本低,能发射超平行光的普通LED光源,可在许多领域取代激光。同时,由于普通LED光源是非相干光源,在某些情况下具有激光所不具有的优势,比如纹影成像用于研究内燃机高温燃烧过程,相干光会干扰成像。所以,成功研制普通LED超平行光源又具有很高的实用价值。
将普通光源平行化,目前人们一般采用多个透镜或凹面反射镜组合成复杂的光学系统来实现。由于透镜或凹面反射镜只有一个焦点,只有位于该焦点之上的“点光源”(物理尺寸在衍射极限以下)才能被“绝对平行化”。实际上,普通光源不是点光源,有一定的物理尺寸,可以看作由大量点光源组成,绝对平行光只能从其中一个位于焦点之上的点光源发出,普通光源辐射出的大部分光经过透镜或凹面镜反射后并不平行,如图1所示,1表示实际光源。通常的的解决方案是采用非透明板面上开针孔的办法形成点光源,原光源的绝大部分发光均被遮挡在面板之后,如图2所示,1表示实际光源。为提高系统的效率,利用透镜或凹面反射镜将原光源聚焦到针孔上,形成尽量小的光斑,可减小被遮挡的光源部分。但是,基于同样的理由,由于原光源不是点光源,聚焦后的光斑也不可能是点光源,大部分光仍然被遮挡在面板之后。另外,当针孔直径小于衍射极限时,透过针孔的光才是严格意义上的点光源,但根据光学理论,针孔直径小于衍射极限时,通过针孔的光强度急剧降低,因此,该方案的光学系统效率(平行光功率与光源功率之比)极低。在实际应用中,为提高系统效率,人们多采用折中的办法,即采用较大的针孔,在一定程度上牺牲输出光的平行度,换取较强的输出光。
纳米技术为我们解决这难题带来了新的契机。纳米技术所研究的器件尺寸至少有一维在100纳米附近或以下。这一尺度远小于可见光波长,因此利用纳米发光器件可实现“理想”点光源。这些点光源与通过针孔形成的点光源不同,光强不受衍射极限的限制,只受器件电流运输能力和发热散热的限制,辐射光功率密度可以很高。另外,过去20年中,人们已经研制成功各种微镜技术,最成功的当属广泛用于数字相机芯片的“热再流”(Thermal re-flow)技术。该技术首先将光刻胶薄膜通过光刻,分割成独立的方块阵列,然后升温达到光刻胶的玻璃化温度后,光刻胶开始软化,由于表面张力的缘故,最初的方块光刻逐渐变成半球形,形成微透镜,将光聚焦到下面的光敏元件。该技术虽然已经商业化,但存在两点缺陷。第一,微透镜的焦点与光敏元件难于对准;第二,微透镜之间必须存在一定的空隙,因为一旦两透镜接触,由于表面张力,两者会合二为一形成一个较大的透镜,破坏原本的设计,这个空隙的存在降低了聚光效率。另外一种基于原子层淀积技术的微透镜制造技术可以很好地解决上述问题。该技术最早由由美国NanoOpto公司研发,其原理是首先在衬底上制备纳米线,然后利用原子层淀积技术的淀积速率各向高度同性的特点,围绕纳米线逐步生长数微米厚的介电材料(如二氧化硅),最终形成以纳米线为轴心的微米柱,柱子顶部成半圆形。如果柱子的直径大于相邻两根纳米线的间距,则两柱合为一体,但顶部有两个紧密相连的半球形透镜(与“热在流”技术形成的透镜阵列不同),而且透镜的焦点必然在纳米线之上(但不在纳米线上端面上),因此该技术是一套自对准工艺。除此之外,还有多种不同的微透镜制造工艺。国内微透镜技术领先的单位是中科院成都光电技术研究所。该所第四研究室微光电研究小组近年成功在曲面载体上制备微透镜阵列,微透镜直径可从几个微米拓展到毫米数量级,透镜口径形状可以为圆形、四边形、六边形或其它不规则的形状,根据不同的需要,填充因子可达100%。利用该透镜阵列形成的人工复眼可对各个空间方位进行监视,能在大视场范围内实现对目标的快速定位和观测,在军事、生物医学等领域有重要的应用价值。
在过去十年中,人们在纳米线发光器件领域开展了大量的研究工作,但是工作重点在纳米线发光器件的激射模式(即激光器)。虽然纳米线激光器在集成电路技术甚至集成光路技术具有巨大潜在应用前景,并且,纳米线异质结应力很小,可扩大激光器的材质范围,解决激光器技术的许多困境。但是,对于折射系数较高、直径不太小的纳米线发光器件,无论工作在普通模式还在激射模式,因为光波从衍射极限以下的尺度发射出来,光波主要限制在纳米线内,光波从纳米线的端头以点光源的特性发射传播。由于发散光源(特别是发散激光源)实用价值低,所以人们通常认为这是纳米激光器的一大缺陷。
综上所述,目前国内外对纳米线点光源和微透镜技术已有深入研究,取得了大量成果,但也存在一些问题,比如纳米线发光器件的表面态复合过大,严重降低了器件的量子效率。但是,还没有研究结合纳米线的点光源特性和微透镜技术研制普通LED超平行光源,
因此,本领域的技术人员致力于开发一种基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法。本方法采用垂直纳米线为点光源,利用自对准的方式在纳米线的顶部形成微型凹面反射镜,使器件发射较强的超平行光。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其特征在于,所述光源采用垂直硅纳米线的Si-CdS异质pn结,微透镜采用凹面镜;
所述制备方法包括:
步骤一,制备圆点掩模板;
步骤二,制备硅纳米线;
步骤三,热氧化所述硅纳米线,去除所述硅纳米线顶端部分的氧化层;
步骤四,溅射多晶CdS薄膜,形成Si-CdS异质pn结;
步骤五,以所述Si-CdS异质pn结为中心,采用淀积技术得到所述凹面镜。
进一步地,所述步骤一中,所述圆点掩模板采用金属铝、光刻胶或氧化物制成。
进一步地,所述圆点掩模板的大小决定所述硅纳米线的直径。
进一步地,所述步骤二中,所述硅纳米线采用ICP-RIE(感应耦合式刻蚀)干法刻蚀技术或深硅刻蚀技术完成。
进一步地,所述步骤五中,所述凹面镜是通过在所述Si-CdS异质结的表面淀积介电材料,形成凸透镜;然后在所述凸透镜外侧使用所述淀积技术淀积金属得到的。
进一步地,所述淀积技术包括PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition,等离子体增强化学气相沉积法)淀积技术,或原子层淀积技术配合ICP-RIE干法刻蚀技术。
进一步地,所述步骤五还包括利用时域差分光学仿真技术计算所述凹面镜的形状。
进一步地,所述凹面镜的轮廓为抛物线形。
本发明的一种基于垂直纳米线的LED超平行光源制备方法,突破了传统的认识,利用硅基纳米Si-CdS异质pn结的发光特性,结合微型凹面镜制备工艺,实现超平行光发射,避免了普通光源平行化的困境,实现简单、集成、高效的超平行LED光源。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是传统的采用非理想点光源的平行光技术示意图;
图2是传统的采用针孔点光源的平行光技术示意图;
图3是本发明的一种基于垂直纳米线的LED超平行光源制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的一种基于垂直纳米线的LED超平行光源制备方法,光源采用垂直硅纳米线异质结LED工艺,即Si-CdS异质pn结,微透镜选择凹面镜。本发明的制备方法具体如图3所示:
步骤一,制备圆点掩模板:
圆点掩模板一般采用金属铝、光刻胶或氧化物,在本实施例中,采用铝金属圆点掩模板。金属圆点掩模板的圆点大小决定了硅纳米线直径。对于直径为100纳米硅纳米线,铝金属圆点掩模板的直径必须在100纳米附近,普通光刻精度不够,无法制备此类铝金属圆点掩模板,必须依赖电子束光刻或先进的光刻技术。本实施例采用在硅衬底上制备大量铝圆点掩模板阵列,通过改变设备的射频功率、直流偏置、SF6和C4F8两气体的流量等因素来优化纳米线的高宽比。
步骤二,制备硅纳米线:
在本实施例中,采用ICP-RIE干法刻蚀工艺来制备硅纳米线,首先,以SF6为刻蚀气体和C4F8为钝化保护气体,结合化学腐蚀和物理轰击双重效果得到高宽比很大的硅纳米线;然后,在射频条件下,SF6气体离子化,S离子与硅发生化学反应,以各向同性的速率腐蚀硅,C4F8同时分解成聚合物,钝化所有的硅表面;最后,在直流电压的作用,物理轰击使得底部的聚合物钝化层首先被去除,从而S离子得以继续腐蚀下面的硅材料,而侧壁得到很好的保护。如此循环,在恰当的条件下,就可得到高宽比很高的硅纳米线。
步骤三,热氧化硅纳米线,去除硅纳米线顶部的氧化层:
通过步骤二所制备的硅纳米线表面有杂质原子S和F,如果外延生长多晶CdS材料后,不利于形成高质量的Si-CdS异质结,因此需要首先进行硅纳米线表面处理,高温部分氧化纳米线,然后利用HF去除纳米线顶端部分氧化层,得到质量较高的硅表面。
步骤四,溅射多晶CdS薄膜,形成Si-CdS异质pn结:
溅射多晶CdS薄膜,恰当地设置溅射靶源的温度和氩气气压,可改变CdS薄膜微晶体的大小,从而优化薄膜的光电特性。另外,硅的晶格常数为5.43A,而CdS的晶格常数为5.82A,后者略大,由于Si-CdS结构形成同轴电缆结构,可以缓解晶格失配,适当选取硅芯的大小,有可能使两者完全匹配,从而减少界面态,提高异质结的质量;
在本实施例中p-Si/n-CdS异质结发射绿光,中心波长约530纳米。相应地,在设定点光源特性时,可取点光源谱线为高斯分布,中心波长为530纳米,半高宽约为20纳米。
步骤五,以Si-CdS异质pn结为中心,采用淀积技术得到凹面镜:通过在Si-CdS异质结的表面淀积氧化物,形成凸透镜;然后在凸透镜外侧使用淀积技术淀积金属得到。
凹面镜的制备不确定性最大,比较可靠的估计是,微型凹面镜的轮廓为抛物线形,这增大了工艺制造难度,已有的“热再流”技术和原子层淀积技术不能对微透镜的轮廓进行有效控制,均难满足要求。为了保证纳米线电光源位于透镜的焦点之上,对超平行光发射至关重要,因本发明借鉴原子层淀积技术的优点,实现自对准。即以纳米线为中心,各向同速率地淀积介电材料,但缺点是透镜呈半球型。为得到抛物线轮廓的透镜,本发明采取了两种方法。第一,用PECVD淀积代理原子层淀积,控制PECVD的气压、射频功率等参数可各向淀积速率,恰当地摸索工艺条件,很有可能得到抛物线形的透镜轮廓;第二,仍然先采用原子层淀积技术的到半球形透镜,然后用反应离子刻蚀技术,以各向相异的速率刻蚀SiO2介电材料,形成抛物线形的凹面镜。另外,适当结合以上两种方案可能是最有效的办法;
此外,对于大尺寸的凹面镜可以通过Ray-tracing的办法得到凹面镜的形状,即光从焦点发出,经过镜面反射后均沿一个方向平行发射,通过解析几何的办法可以得到,对于这样的凹面镜,其外形轮廓必须是抛物线。但当凹面镜尺寸与衍射极限一个数量级时,这种Ray-tracing方法得到的结论并不准确,时域差分的光学仿真可提供更精确可靠的结论;
在本实施例中,时域差分光学仿真采用通用的商用软件Lumerical。图3下行最左端为最后器件的二维结构,凹面镜的大小需要通过仿真进一步优化。在进行仿真时,需进行三维仿真:因为真实的器件并非沿着图3的第三维无限延伸形成,而是呈圆形对称,二维仿真并不能完全反映真实的器件,因此应当进行三维器件仿真。仿真时,可以利用器件的周期性阵列结构,只研究一个器件,但设定周期性的边界。同时,由于器件涉及一个尺寸较大的微凹面反射镜,和尺寸相对较小的纳米线LED结构,图中的比例不反映真实的比例。在进行网络(Mesh)分割时应采用非线性网格(Mesh),将纳米线结构采用低于1纳米的网格分辨率,而对凹面镜部分采用较大网格分辨率,比如100纳米。通过拟添加点光源模拟器件pn结发光。点激发光源可设定在在硅纳米线上端,具体地将是p型硅纳米线与n型CdS形成pn结的部位。但由于该pn结的尺寸远小于在发射光的衍射极限,具体位置和点光源的确切数目不会影响器件功能。由于本实施例的p-Si/n-CdS异质结发射绿光,中心波长约530纳米。相应地,在设定点光源特性时,选择点光源谱线为高斯分布,中心波长为530纳米,半高宽约为20纳米。
利用时域差分光学仿真方法仿真出结果可提供最佳的凹面镜轮廓、尺寸、焦距以及反射光平行度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其特征在于,所述光源采用垂直硅纳米线的Si-CdS异质pn结,微透镜采用凹面镜;
所述制备方法包括:
步骤一,制备圆点掩模板;
步骤二,制备硅纳米线;
步骤三,热氧化所述硅纳米线,去除所述硅纳米线顶端部分的氧化层;
步骤四,溅射多晶CdS薄膜,形成Si-CdS异质pn结;
步骤五,以所述Si-CdS异质pn结为中心,采用淀积技术得到所述凹面镜;
其中,所述步骤二中,所述硅纳米线采用ICP-RIE干法刻蚀技术或深硅刻蚀技术完成;所述圆点掩模板的圆点大小决定所述硅纳米线的直径。
2.如权利要求1所述的基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其中,所述步骤一中,所述圆点掩模板采用金属铝、光刻胶或氧化物制成。
3.如权利要求1所述的基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其中,所述步骤五中,所述凹面镜是通过在所述Si-CdS异质结的表面淀积氧化物,形成凸透镜;然后在所述凸透镜外侧使用淀积技术淀积金属得到。
4.如权利要求3所述的基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其中,所述淀积技术包括PECVD淀积技术,或原子层淀积技术配合ICP-RIE干法刻蚀技术。
5.如权利要求3所述的基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其中,所述步骤五还包括利用时域差分光学仿真技术修正所述凹面镜的形状。
6.如权利要求1所述的基于垂直纳米线的LED超平行光源的制备方法,其中,所述凹面镜的轮廓为抛物线形。
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