CN103996778A - 一种偏振出光发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振出光发光二极管，具体涉及一种复合光栅结构的偏振装置。它的LED芯片包括由衬底、n型GaN层、p型GaN层、量子阱、过渡层、空气隙和表面金属光栅结构组成。本发明在过渡层和表面金属光栅结构之间加入空气隙，构成复合光栅结构，空气隙的厚度为60～350nm。与传统的亚波长金属光栅实现偏振相比，在过渡层和金属光栅结构中间加入空气隙，可以实现更优良的偏振特性。

Description

一种偏振出光发光二极管
技术领域
本发明涉及一种发光二极（LED），具体涉及一种具有复合光栅结构的偏振装置。 
背景技术
探索制备高亮度的、偏振出光的氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）具有重要的研究和应用价值。比如，在偏振出光LED在液晶背光源上，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。当前，在LED出光端面制作亚波长金属光栅结构以实现LED偏振出光，是一种非常有潜力的制作高质量偏振器的方式。 
亚波长表面光栅光学元件可以反射大多数横电波（TE）偏振光，而允许大多数横磁波（TM）偏振光通过，展示了优良的偏振特性。通过对不同结构的偏振出光特性的比较发现，在金属光栅和GaN基底之间加入介质层可以有效地增强LED的偏振光透过率和消光比特性。在本发明作出之前，中国发明专利 “一种偏振出光发光二极管” （CN102263183A）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，在p型层上表面镀有一介质过渡层，其上复合二维周期点阵结构表面层，该专利未涉及空气隙结构，并且不能实现蓝绿光波段的高偏振出光。中国发明专利 “一种增强偏振出光发光二极管 ” （CN101853912A）涉及一种具有复合微纳表面光栅结构的偏振出光发光二极管，在于p型层的上表面镀有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：1<n<p型层介质的折射率；针对GaN基LED典型发光波长440～520nm以实现优良的偏振性能，但它尚不能覆盖整个绿光波段。 
目前，在LED封装结构内采用空气隙复合光栅结构以实现LED在整个蓝绿光波段偏振出光的技术方案未见报道。 
发明内容
本发明所要解决的问题是针对现有技术中偏振出光发光二极管的发光波段的局限性，提供一种新型的偏振出光发光二极管。 
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，其结构为n型GaN层生长于衬底之上，量子阱生长于n型GaN层之上，p型GaN层生长于量子阱之上，过渡层生长于p型GaN层之上，它还包括一个设置于发光二极管的出光端面上的复合光栅结构，所述的复合光栅结构为在过渡层和表面金属光栅结构之间加入空气隙，空气隙的厚度为60～350nm，过渡层的厚度为50～250nm，表面金属光栅的周期为60～400nm, 占空比为0.2～0.9，深度为60～400nm。 
本发明所述的一种偏振出光发光二极管，过渡层的材料为SiO2、Al2O3或TiO2中的一种；过渡层的材料还可以为聚苯乙烯。金属光栅的材料为Al、Ag、Au和Cu，或他们的合金。 
本发明的原理是：由于LED芯片中量子阱发射的光无方向性，为了实现LED表面高偏振度的偏振出光，本发明采用在LED芯片的出光端面上集成制作空气隙金属复合光栅结构。通过合适的结构设计，复合光栅结构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。通过优化设计空气隙、过渡层、光栅周期、占空比和深度，实现LED的高偏振度出光。根据时域有限差分法（finite-difference time-domain）进行计算以上参数的具体数值，设计原则以在该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。复合光栅结构具有更大的透射率和消光比，利用薄膜光学原理和有效介质理论方法分析，其物理原理可以得到充分的证明。根据薄膜光学原理可知，有效折射率层的引入相当于在GaN基底上增加了一层增透膜，形成了类Fabry-Perot（F-P）腔，在满足一定的干涉条件时，将引起光透射增强效应。过渡层和空气隙结构的引入使得表面金属光栅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)。因此，过渡层和空气隙结构的引入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。 
与现有技术相比，本发明的显著特点是：通过设置空气隙金属光栅结构，并经过调整和优化相关结构参数，在 GaN基LED发光在蓝、绿光区，基本可以覆盖整个蓝绿光波段实现高透过率和高消光比，实现优异的光学偏振特性，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指导意义。 
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种空气隙复合光栅偏振出光LED的结构剖面示意图； 
图2是本发明实施例1提供的偏振出光LED在可见光波段的偏振特性曲线图；
图3是本发明实施例1提供的偏振出光LED的空气隙厚度变化的偏振特性曲线图；
其中，1、衬底；2、n型GaN层；3、量子阱；4、p型GaN层；5、过渡层；6、空气隙；7、表面金属光栅结构；h1为过渡层深度，h2为空气隙深度，h3为光栅深度，P为光栅周期。
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空气隙复合光栅偏振出光LED的结构剖面示意图。在GaN基LED表面制备偏振出光发光二极管芯片的结构为：在衬底 1上生长LED发光工作区，包括n型GaN层2、p型GaN层4和量子阱3；在p型GaN层上面为过渡层结构5，本实施例过渡层材料为SiO2；空气隙6位于过渡层和表面金属光栅结构7之间；本实施例金属光栅的材料为金属Al。
根据时域有限差分法，光栅的形状、周期、占空比、厚度进行具体的理论计算，以在蓝绿光波段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，Al光栅周期（P）为200nm，光栅深度 （h3）为200nm，光栅占空比为0.45, 空气隙厚度（ ）为70 nm, SiO2过渡层深度（h1）为100nm。 
参见附图2，它是本实施例提供的LED结构的偏振特性曲线图，是光激发波长对LED偏振出光特性的影响和比较。由图2可以看到，本实施例提供的发光二极管芯片，在428nm～642nm波段范围内TM偏振光透射率大于80%，消光比大于33分贝（dB）；在433nm～600nm范围内的TM透射率大于85%。 
参见附图3，是本实施例提供的偏振出光LED的空气隙厚度变化的偏振特性曲线图；在本实施例中， Al光栅周期（P）为200nm，光栅深度 （h3）为200nm，光栅占空比为0.45, SiO2过渡层深度（h1）为100nm，空气隙厚度（h2）从0到400nm变化，以研究空气隙厚度对LED偏振出光的影响。图3中，（a）图为LED发光中心波长设定在460nm，下图为LED发光中心波长设定在540nm；由图3可以看到，当空气隙厚度h2在65nm到95nm和293nm到323nm时，氮化物基LED的 TM偏振光透射率大于86%，消光比大于34分贝（dB）。 

Claims (4)

1.一种偏振出光发光二极管，其包括：n型GaN层(2)生长于衬底(1)之上，量子阱(3)生长于n型GaN层之上，p型GaN层(4)生长于量子阱之上，过渡层(5)生长于p型GaN层之上，其特征在于：在发光二极管的出光端面上设置一个复合光栅结构，所述的复合光栅结构为在过渡层(5)和表面金属光栅结构(7)之间加入空气隙(6)，空气隙的厚度为60～350nm，过渡层(5)的厚度为50～250nm，表面金属光栅的周期为60～400nm, 占空比为0.2～0.9，深度为60～400nm。
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：过渡层的材料为SiO2、Al2O3或TiO2中的一种。
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：过渡层的材料为聚苯乙烯。
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：金属光栅的材料为Al、Ag、Au和Cu，或它们的合金。
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