CN106299085B - 一种偏振发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种偏振发光二极管芯片，是一种棱台结构的发光二极管芯片，该棱台结构的发光二极管芯片包括自下而上依次设置的蛾眼结构增透层、周期性蛾眼结构/第二介质阵列层、以及具有完整结构可以正常发光的光二极管芯片，所述棱台结构的发光二极管芯片还包括在棱台斜面及顶面上设置的金属高反射层。本发明的优点在于：本发明为棱台结构的发光二极管芯片，进而形成斜面，且在斜面上设置金属高反射层，能够将横向的光线反射后出射，从而减小光能的损失；通过在发光二极管芯片的出光面设置周期性蛾眼结构/第二介质阵列表面层，可以使发光二极管出射偏振光；同时，通过设置的蛾眼结构增透层，提高光线的出射角，将原来发生全发射的光线出射。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件制造领域，特别涉及一种偏振发光
二极管芯片。
背景技术
发光二极管（LED）是一种以电子与空穴受激辐射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型区注入有源区，当电子和空穴分别在导带与价带相遇而产生辐射复合，此时电子从导带进入价带的能量差将以光子的形式释放出来，光子的频率即发光波长取决于有源区材料的禁带宽度。因此，根据材料的不同，LED可以发出紫外线、可见光或红外光。
近年来，第三代半导体发光二极管（LED）以其独特的性能带来巨大的应用前景，因其禁带宽度范围大，覆盖从深紫外—远红外的所有波段，无论是在白光、紫外LED，LD及红外探测器都有着广泛的发展空间。而在一些特殊应用场所，如科研中的光弹效应测量、电光效应，生活中的汽车前照灯、立体（3D）电影、LCD显示屏背光，需要使用偏振光源。
通常偏振光的获得需要使用普通光源结合一个起偏器，理论上已经损失了50%的光能，而实际应用中会大于50%，这使得光源利用率大大降低。如果能在LED芯片级别就实现出射偏振光，不仅可以使器件更小更薄，还可以在最大程度上减小光线通过起偏器时的反射损失。现利用光刻等工艺在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。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。与此同时，LED受激辐射发光时，TE模式的光波主要沿着水平方向，难以提取，所以传统LED往往浪费了这些光波。
经检索，专利CN 102263183 B公开了一种偏振出光发光二极管，其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。但该结构的偏振出光发光二极管仍存在非常大的缺陷：
1.该结构将“金属表面层”制备在P型层上面，会有如下缺陷：a）通常P型层上面需要制作ITO等接触层、金属电极等结构，这会反射从有源区照射上来的光线，降低光提取效率；b）通常，P型半导体制作比较困难，尤其在GaN基LED，光线透过P区时会发生吸光现象，而消除吸光通常是通过提高P区的禁带宽度，而禁带宽度的提高会进一步加剧制造P型半导体的困难程度，导致空穴浓度不够，光效降低；c）为解决P区的吸光现象，当前行业内多采用倒装LED芯片，即将衬底剥离，用衬底方向作为出光面替代传统的方案；上述存在的缺点，该结构都没有进行解决。
2.由于LED材料折射率大于空气，而LED的有源发光区发出的光线是向着立体角中的所有方向的，很大一部分光线在出射界面被全反射回来；另外，由于LED发出的光线分为TM模与TE模，而TE模主要沿着平行于出射面的方向，不能通过LED出光面出射。而且，当LED的注入电流越大，TE模发光越占主要地位，而传统LED一般将这部分光线舍弃，这也是导致LED在大电流注入下，实际的发光强度很难随注入电流的提高而有效提高，从而导致了LED大注入电流条件下的低效率，严重阻碍大功率LED的发展及应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以高效偏振出光的发光二极管芯片，通过将LED芯片设置成棱台结构，通过在棱台面上设置金属高反射层并准确地控制棱台斜面的角度，可有效地将水平方向光波反射提取出来，很好地解决了LED光线提取效率低的问题，同时在出光面设置的周期性蛾眼结构/第二介质阵列表面层，可以按照设计出射偏振光，满足特殊需求。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种偏振发光二极管芯片，其创新点在于：所述偏振发光二极管芯片是一种棱台结构的发光二极管芯片，该棱台结构的发光二极管芯片包括自下而上依次设置的蛾眼结构增透层、周期性蛾眼结构/第二介质阵列层、以及具有完整结构可以正常发光的光二极管芯片，所述棱台结构的发光二极管芯片还包括在棱台斜面及顶面上设置的金属高反射层。
进一步地，所述棱台结构的发光二极管芯片，其侧面与台面夹角的锐角度数为30°～60°，即相对应的钝角为150°～120°。
进一步地，所述蛾眼结构增透层的图形是具有周期结构的半椭球体或圆锥，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8。
进一步地，所述周期性蛾眼结构/第二介质阵列层，是具有复合周期的阵列结构，其中周期性蛾眼结构是具有周期结构的半椭球体图形或圆锥图形，图形的横向周期为0.3μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8；第二介质是填充的与蛾眼结构不同折射率的介质。
进一步地，所述与蛾眼结构不同折射率的介质是SiO2或SiNx。
进一步地，所述在棱台斜面和顶面上的金属高反射层，是通过在棱台斜面和顶面蒸镀或者溅镀Ag/Ni/Al/Ti反射层，其厚度为1 nm～1000 nm。
本发明的优点在于：
（1）本发明偏振发光二极管芯片，为棱台结构的发光二极管芯片，进而形成发光二极管芯片的斜面，且在斜面上设置金属高反射层，能够将横向的光线反射后出射，从而减小光能的损失，大大提高光线的提取率；通过在光二极管芯片的出光面设置周期性蛾眼结构/第二介质阵列层，可以使二极管芯片出射偏振光；同时，通过设置的蛾眼结构增强层，提高光线的出射角，将原来发生全发射的光线出射。
（2）本发明偏振发光二极管芯片，棱台结构的发光二极管芯片，其侧面与台面夹角的锐角度数为30°～60°，即相对应的钝角为150°～120°，可有效地将水平方向光波反射提取出来，进而大大减小光能的损失。
（3）本发明偏振发光二极管芯片，蛾眼结构增透层和周期性蛾眼结构/第二介质阵列层均采用了蛾眼结构，此结构等效于一个连续变化折射率的介质层，并能在一个较宽的波谱范围内抑制反射光的损失。
（4）本发明偏振发光二极管芯片，周期性蛾眼结构/第二介质阵列层中的第二介质采用SiO2或SiNx，阻碍了光向外扩散；金属高反射层为1 nm～1000 nm的Ag/Ni/Al/Ti反射层，大大提高了偏振发光二极管芯片的出光效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是实施例1偏振发光二极管芯片的结构示意图。
图2是偏振发光二极管芯片具体的层次分布图。
图3和图4是偏振发光二极管芯片中蛾眼
图5是实施例2偏振发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
本发明偏振发光二极管芯片，其是一种棱台结构的发光二极管芯片，该棱台结构的发光二极管芯片包括自下而上依次设置的蛾眼结构增透层、周期性蛾眼结构/第二介质阵列层、以及具有完整结构可以正常发光的光二极管芯片，棱台结构的发光二极管芯片还包括在棱台斜面上设置的金属高反射层。
作为实施例，更具体地实施方式为棱台结构的发光二极管芯片，其侧面与台面夹角的锐角度数为30°～60°，即相对应的钝角为150°～120°；蛾眼结构增透层的图形是具有周期结构的半椭球体或圆锥，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8；周期性蛾眼结构/第二介质阵列层，是具有复合周期的阵列结构，其中周期性蛾眼结构是具有周期结构的半椭球体图形或圆锥图形，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8；第二介质是填充的与蛾眼结构不同折射率的介质，与蛾眼结构不同折射率的介质是SiO2或SiNx；在棱台斜面和顶面上的金属高反射层，是通过在棱台斜面和顶面蒸镀或者溅镀Ag/Ni/Al/Ti反射层，其厚度为1 nm～1000 nm。
实施例1
本实施例偏振发光二极管芯片，如图1所示，是一种三棱台结构的发光二极管芯片，该三棱台结构的发光二极管芯片，侧面与台面夹角的锐角度数为30～60°，即相对应的钝角为120～150°，如图2所示，该三棱台结构的发光二极管芯片包括自下而上依次设置的蛾眼结构增透层1、周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2、以及具有完整结构可以正常发光的光二极管芯片3，棱台结构的发光二极管芯片还包括在棱台斜面和顶面上设置的金属高反射层4。
具体实施时，对具有完整结构可以正常发光的二极管芯片进行mesa刻蚀，漏出芯片的斜面，进而形成一三棱台结构的光二极管芯片3，并在光二极管芯片3出光面3的下侧面设置一层周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2，该周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2，是具有复合周期的阵列结构，其中周期性蛾眼结构，如图3所示，是具有周期结构的半椭球体图形；或如图4所示，是具有周期结构的圆锥图形，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8；第二介质是填充的与蛾眼结构不同折射率的介质，与蛾眼结构不同折射率的介质是SiO2或SiNx；周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2的设置，可以使二极管芯片出射偏振光；
该周期性蛾眼结构/第二介质阵列表面层2是由若干个周期单元组成，每个周期单元包括依次设置的蛾眼结构和第二介质阵列，且蛾眼结构是由若干个呈周期性的小蛾眼结构构成的，周期性蛾眼结构/第二介质阵列表面层2的设置，可以使二极管出射偏振光；然后在周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2的下表面刻蚀具有周期结构的半椭球体图形或圆锥图形，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8，形成蛾眼结构增透层1，该蛾眼结构增透层1可提高光线的出射角；并在棱台的斜面和顶面通过蒸镀或者溅镀在棱台面上形成厚度为1 nm～1000 nm的Ag/Ni反射层，其厚度为1 nm～1000 nm，进而形成金属高反射层4，是通过蒸镀或者溅镀在棱台面上的Ag/Ni/Al/Ti反射层，能够将横向的光线反射后出射，从而减小光能的损失，大大提高光线的提取率。
实施例2
本实施例偏振发光二极管芯片，与实施例1相比，改变偏振发光二极管芯片的外观形态，具体的层次分布不变。
如图5所示，本实施例偏振发光二极管芯片是一种四棱台结构的发光二极管芯片，该四棱台结构的发光二极管芯片，侧面与台面夹角的锐角度数为30～60°，即相对应的钝角为120～150°，如图2所示，该三棱台结构的发光二极管芯片包括自下而上依次设置的蛾眼结构增透层1、周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2、以及具有完整结构可以正常发光的光二极管芯片3，棱台结构的发光二极管芯片还包括在棱台斜面和顶面上设置的金属高反射层4。
具体实施时，对具有完整结构可以正常发光的二极管芯片进行mesa刻蚀，漏出芯片的斜面，进而形成一四棱台结构的光二极管芯片3，并在光二极管芯片3出光面3的下侧面设置一层周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2，该周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2，是具有复合周期的阵列结构，其中周期性蛾眼结构，如图3所示，是具有周期结构的半椭球体图形；或如图4所示，是具有周期结构的圆锥图形，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8；第二介质是填充的与蛾眼结构不同折射率的介质，与蛾眼结构不同折射率的介质是SiO2或SiNx；周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2的设置，可以使二极管芯片出射偏振光；
该周期性蛾眼结构/第二介质阵列表面层2是由若干个周期单元组成，每个周期单元包括依次设置的蛾眼结构和第二介质阵列，且蛾眼结构是由若干个呈周期性的小蛾眼结构构成的，周期性蛾眼结构/第二介质阵列表面层2的设置，可以使二极管出射偏振光；然后在周期性蛾眼结构/第二介质阵列层2的下表面刻蚀具有周期结构的半椭球体图形或圆锥图形，图形的横向周期为0.3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0.2～8，形成蛾眼结构增透层1，该蛾眼结构增透层1可提高光线的出射角；并在棱台的斜面和顶面通过蒸镀或者溅镀在棱台面上形成厚度为1 nm～1000 nm的Ag/Ni反射层，其厚度为1 nm～1000 nm，进而形成金属高反射层4，是通过蒸镀或者溅镀在棱台面上的Ag/Ni/Al/Ti反射层，能够将横向的光线反射后出射，从而减小光能的损失，大大提高光线的提取率。
为了比较蛾眼结构的图形不同对本发明偏振发光二极管的影响，将采用不同图形的蛾眼结构垂直入射蓝宝石的单面反射率，仿真结果见下表1。
| 蛾眼结构图形 | d/nm | H/nm | 峰值反射率 | 平均反射率 |
| 半椭球体A | 350 | 350 | 0.00827 | 0.00227 |
| 半椭球体B | 350 | 245 | 0.01137 | 0.00236 |
| 半椭球体C | 500 | 1000 | 0.00389 | 0.00173 |
| 圆锥A | 350 | 350 | 0.00785 | 0.000585 |
| 圆锥B | 350 | 245 | 0.00584 | 0.00265 |
| 圆锥C | 500 | 1000 | 0.00675 | 0.00212 |
由上表可以看出，当蛾眼结构图形的底面直径与高度一致时，圆锥的峰值反射率小于半椭球体，圆锥的平均反射率也小于半椭球体；当蛾眼结构图形的底面直径与高度不一致时，圆锥的峰值反射率既有小于，也有大于半椭球体的情况，但圆锥的平均反射率大于半椭球体；进而综上比较，圆锥的反射率相对半椭球球体较低，即有更高的透射率，因而一般选用圆锥图形。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种偏振发光二极管芯片，其特征在于：所述偏振发光二极管芯片是一种棱台结构的发光二极管芯片，该棱台结构的发光二极管芯片包括自下而上依次设置的蛾眼结构增透层、周期性蛾眼结构/第二介质阵列层、以及具有完整结构可以正常发光的光二极管芯片，所述棱台结构的发光二极管芯片还包括在棱台斜面及顶面上设置的金属高反射层；所述棱台结构的发光二极管芯片，其侧面与台面夹角的锐角度数为30°～60°，即相对应的钝角为150°～120°；所述蛾眼结构增透层的图形是具有周期结构的半椭球体或圆锥，图形的横向周期为0 .3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0 .2～8；所述周期性蛾眼结构/第二介质阵列层，是具有复合周期的阵列结构，其中周期性蛾眼结构是具有周期结构的半椭球体图形或圆锥图形，图形的横向周期为0 .3 μm ～30 μm，图形的底面直径与高度比为0 .2～8；第二介质是填充的与蛾眼结构不同折射率的介质。
2.根据权利要求1所述的偏振发光二极管芯片，其特征在于：所述与蛾眼结构不同折射率的介质是SiO2或SiNx。
3.根据权利要求1所述的偏振发光二极管芯片，其特征在于：所述在棱台斜面和顶面上的金属高反射层，是通过在棱台斜面和顶面蒸镀或者溅镀Ag/Ni/Al/Ti反射层，其厚度为1nm～1000 nm。
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Denomination of invention: Polarization light emitting diode chip Effective date of registration: 20220215 Granted publication date: 20190430 Pledgee: CIC financing guarantee Haian Co.,Ltd. Pledgor: DURA-CHIP (NANTONG) Ltd. Registration number: Y2022320010071 |
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