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Abstract

一种基于共振腔发光二极管的微图形光源芯片,属于半导体光电子领域。通过微加工工艺将微图形光源直接制作在共振腔发光二极管芯片表面,并且构成微图形光源图案的线条范围在5到30微米之间。包括上电极、介质隔离层、上布拉格反射镜、谐振腔、下布拉格反射镜、衬底、下电极,位于谐振腔上方的侧向氧化层,谐振腔中含有光辐射有源区。上、下布拉格反射镜由厚度各为1/4出射光波长的低折射率材料层和高折射率材料层交替组成。本发明将微图形光源通过微加工工艺直接制作在共振腔发光二极管芯片表面,光源体积小;利用侧向氧化限制载流子运动,减少了载流子在隔壁的非辐射复合;由于本发明采用了共振腔结构,可以实现辐射波长稳定的发光二极管。

Description

一种基于共振腔发光二极管的微图形光源
技术领域
本发明涉及一种基于共振腔发光二极管的微图形光源,属于半导体光电子领域。
背景技术
在精密对准和测量领域,尺度在微米量级的微图形光源是至关重要的组成部件。传统的微图形光源是通过在不透光的挡光板上刻蚀出透光的微图形图案,然后将一发光二极管(LED)光源置于挡光板的后面,当LED点亮时,在挡光板的正面就会显示与刻蚀图案一致的微图形光源。这种传统的微图形光源产生方法有以下问题:1.效率低,从LED光源发出的光只有一小部分透过了挡光板进行微图形显示,从LED辐射到其他方向的光都白白浪费掉了,因此有效的光利用率很低,导致LED的驱动电池寿命很短。2.体积大,该光源需将挡光板和LED光源两部分组装到一起,不但组装成本高,而且体积大,不利于系统集成微形化。3.波长不稳定,当需要调整光源的亮度时,一般是通过改变LED的驱动电流来实现的,但普通LED的辐射波长是与驱动电流有关的,这与测量技术对稳定波长的需求是矛盾的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于共振腔发光二极管的微图形光源芯片,以达到解决上述传统微图形光源存在的问题。
传统的微图形光源是通过在不透光的挡光板上刻蚀出透光的微图形图案,然后将一发光二极管(LED)光源置于挡光板的后面,当LED点亮时,在挡光板的正面就会显示与刻蚀图案一致的微图形光源。这种传统的微图形光源产生方法有以下问题:效率低,从LED光源发出的光只有一小部分透过了挡光板进行微图形显示,从LED辐射到其他方向的光都白白浪费掉了,因此有效的光利用率很低,导致LED的驱动电池寿命很短。
一种基于共振腔发光二极管的微图形光源芯片,属于半导体光电子领域。通过微加工工艺将微图形光源直接制作在共振腔发光二极管芯片表面,并且构成微图形光源图案的线条范围在5到30微米之间。包括上电极、介质隔离层、上布拉格反射镜、谐振腔、下布拉格反射镜、衬底、下电极,位于谐振腔上方的侧向氧化层,谐振腔中含有光辐射有源区。上、下布拉格反射镜由厚度各为1/4出射光波长的低折射率材料层和高折射率材料层交替组成。本发明将微图形光源通过微加工工艺直接制作在共振腔发光二极管芯片表面,光源体积小;利用侧向氧化限制载流子运动,减少了载流子在隔壁的非辐射复合;由于本发明采用了共振腔结构,可以实现辐射波长稳定的发光二极管。
通过光刻以及ICP刻蚀工艺在外延片上布拉格反射镜上光刻出所要的图案,通过湿法氧化氧化2-4微米限制载流子横向运动减少载流子的非辐射复合提高内量子效率通过PECVD工艺淀积400nm的二氧化硅薄膜形成介质隔离层由于介质隔离层的存在仅图案发光区有电流注入使注入的电流光辐射利用率高磨片衬底减薄至150微米。为了有效的散热和降温,图形微光源采用了共振腔结构,光辐射波长由共振腔的腔模波长所决定,而腔模波长受工作电流的影响很小,因此通过调节电流的大小改变本发明的微图形光源的亮度时,光辐射的波长有较好的稳定性。
其中图1(a)为微图形光源的基本图案,从左往右依次为圆点、直线和圆弧。这些图案是通过光刻、ICP、PECVD、溅射等微加工工艺直接制作在共振腔发光二极管芯片上的。图中标注的d表示圆点的直径或直线、圆弧的线宽,d的范围在5-30微米范围内。图1(b)为由微图形光源基本图案所构成的组合图案实例,从左往右依次为矩形、圆、三角形。根据具体应用需求,实际的组合图案可不仅限于图1(b)中的示例。以图1(b)中的圆图案为例,图1(c)给出了沿箭头所示方向的共振腔发光二极管微图形光源芯片的剖面图,包括上电极110,介质隔离层120,上布拉格反射镜210,谐振腔220,下布拉格反射镜230,衬底240,下电极250。位于谐振腔220上方的侧向氧化层130,谐振腔220中含有光辐射有源区221。上布拉格反射镜210由厚度各为1/4出射光波长的低折射率材料层211和高折射率材料层212交替组成。下布拉格反射镜230由厚度各为1/4出射光波长的低折射率材料层232和高折射率材料层231交替组成。
工作时,芯片的下电极250接地,上电极110接正电位,空穴经过上电极110、上布拉格反射镜210注入到有源区221,电子经过下电极250、衬底240和下布拉格反射镜230注入到芯片中的有源区221。注入有源区221中的电子和空穴发生自发辐射复合。由于共振腔220改变了有源区自发辐射强度的空间分布,光辐射强度的空间分布不再是各向同性,而是优选垂直于水平方向的竖直方向。辐射的光经出光孔辐射到芯片外部,即形成微图形光源。
现有技术都是LED本发明是基于RCLED一种微图形光源。微米量级内稳定的微图形光源,光源亮度可控,可通过改变电流大小来实现发光波长稳定的微图形光源。
本发明所述的共振腔发光二极管的微图形光源有着以下优势:
1.效率高。(1)由于介质隔离层120对电流的限制作用,仅图案发光区有电流注入,注入的电流光辐射利用率高。(2)由于共振腔220的增强作用,改变了自发辐射的空间分布,将更多的光集中到了垂直芯片表面的出光方向,光的提取效率提高。(3)侧向氧化层130对电流的横向限制,减少了载流子在隔壁的非辐射复合,提高了内量子效率。
2.体积小。本发明的微图形光源通过微加工工艺直接制作在共振腔发光二极管芯片表面的,光源的体积小。
3.波长稳定。本发明的微图形光源采用了共振腔结构,光辐射波长由共振腔的腔模波长所决定,而腔模波长受工作电流的影响很小,因此通过调节电流的大小改变本发明的微图形光源的亮度时,光辐射的波长有较好的稳定性。
附图说明
图1:共振腔发光二极管的微图形光源示意图。(a)微图形光源的基本图案,(b)由基本图案所构成的组合图案,(c)共振腔二极管微图形光源的剖面图。
图1(c)中110为上电极,120为SiO2隔离层、210为上布拉格反射镜、220为谐振腔、230为下布拉格反射镜、240为衬底、250为下电极、位于谐振腔220上方的为侧向氧化层130、且谐振腔220中含有光辐射有源区211。其中上布拉格反射镜210由厚度各为1/4入射光波长的低折射率材料层211和高折射率材料层212交替组成,下布拉格反射镜230由厚度各为1/4入射光波长的低折射率材料232和高折射率材料231交替组成。
图2:共振腔二极管微图形光源芯片的实施案例。(a)芯片的顶视图,(b)芯片发光图。
具体实施方式
如图2所示共振腔发光二极管微图形光源的实现方式如下:
一、生长外延片
首先使用MOCVD系统进行各层材料的外延生长.在N型GaAs衬底240上,利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统依次外延生长N掺杂下布拉格反射镜230,含有有源区221的谐振腔220,P掺杂下的上布拉格反射镜210。
二、微图形制作流程
1.将生长好的外延片清洗吹干后,在上布拉格反射镜210进行光刻,带胶进行电感耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺,得到所要的图案。
2.将外延片放在氧化炉中,进行湿法氧化,形成侧向氧化层130。
3.利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积适当厚度的SiO2,形成介质隔离层120。
4.利用磁控溅射仪溅射的方法形成Ti/Pt/Au的上电极层,通过电极剥离工艺形成接触电极110。
5.衬底减薄。
6.利用溅射或离子束蒸发的方法形成AuGeNi下电极250。
7.合金退火。430℃下退火40s,以实现良好的欧姆接触。
8.划片、解理,得到单个管芯,压焊在管座上并封装,完成了RCLED的制作。
三、效果
图2(b)是最后制备微图形光源的发光图案,图中圆弧的线条宽度为25微米,所加的驱动电流为100微安。

Claims (4)

1.一种基于共振腔发光二极管的微图形光源,其特征在于:通过微加工工艺将微图形光源直接制作在共振腔发光二极管芯片表面,并且构成微图形光源图案的线条范围在5到30微米之间。
2.基于权利要求1所述的共振腔发光二极管微图形光源,其特征在于:从垂直剖面来看包括上电极,介质隔离层,上布拉格反射镜,谐振腔,下布拉格反射镜,N型衬底,下电极;位于谐振腔上方的侧向氧化层,谐振腔220中含有光辐射有源区;上布拉格反射镜由厚度各为1/4出射光波长的低折射率材料层和高折射率材料层交替组成;下布拉格反射镜由厚度各为1/4出射光波长的低折射率材料层和高折射率材料层交替组成。
3.基于权利要求1所述的共振腔发光二极管微图形光源,其特征在于:上布拉格反射镜的中心反射波长,下布拉格反射镜的中心反射波长,谐振腔的谐振波长,以及有源区的辐射峰值波长相同。
4.基于权利要求1所描述的共振腔发光二极管微图形光源,其特征在于:通过光刻以及ICP刻蚀工艺在外延片上布拉格反射镜上光刻出所要的图案,通过湿法氧化氧化2-4微米,通过PECVD工艺淀积300-400nm的二氧化硅薄膜形成介质隔离层,由于介质隔离层的存在仅图案发光区有电流注入。
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1588717A (zh) * 2004-07-16 2005-03-02 北京工业大学 高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器
CN101022208A (zh) * 2006-02-15 2007-08-22 中国科学院半导体研究所 长波长垂直腔面发射激光器的结构和制作方法
CN201001004Y (zh) * 2007-01-23 2008-01-02 河北工业大学 刻蚀顶端非掺杂本征层非对称金属膜垂直腔面发射激光器
CN101202420A (zh) * 2007-01-23 2008-06-18 河北工业大学 刻蚀顶端非掺杂本征层非对称金属膜垂直腔面发射激光器
WO2013067541A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-10 Chou Stephen Y Light emitting diodes, fast photo-electron source and photodetectors with scaled nanostructures and nanoscale metallic photonic cavity and antenna, and method of making same
CN103346476A (zh) * 2013-06-24 2013-10-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光子晶体纳腔量子环单光子发射器件及其制备方法
CN105449518A (zh) * 2016-01-09 2016-03-30 北京工业大学 一种垂直腔面发射激光器及其制作方法
CN105957928A (zh) * 2016-05-31 2016-09-21 华灿光电股份有限公司 一种谐振腔发光二极管及其制造方法
CN107768979A (zh) * 2017-10-17 2018-03-06 北京工业大学 外延集成高对比度光栅外腔面发射激光器
CN111785819A (zh) * 2020-06-29 2020-10-16 厦门大学 一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法
CN112133801A (zh) * 2020-09-25 2020-12-25 厦门大学 一种氮化镓基谐振腔发光二极管及其制备方法
CN112259625A (zh) * 2020-09-24 2021-01-22 北京工业大学 一种基于共振腔增强的位置敏感传感器
CN112259653A (zh) * 2020-09-15 2021-01-22 北京工业大学 共振腔微阵列高效率发光二极管芯片

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1588717A (zh) * 2004-07-16 2005-03-02 北京工业大学 高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器
CN101022208A (zh) * 2006-02-15 2007-08-22 中国科学院半导体研究所 长波长垂直腔面发射激光器的结构和制作方法
CN201001004Y (zh) * 2007-01-23 2008-01-02 河北工业大学 刻蚀顶端非掺杂本征层非对称金属膜垂直腔面发射激光器
CN101202420A (zh) * 2007-01-23 2008-06-18 河北工业大学 刻蚀顶端非掺杂本征层非对称金属膜垂直腔面发射激光器
WO2013067541A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-10 Chou Stephen Y Light emitting diodes, fast photo-electron source and photodetectors with scaled nanostructures and nanoscale metallic photonic cavity and antenna, and method of making same
CN103346476A (zh) * 2013-06-24 2013-10-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光子晶体纳腔量子环单光子发射器件及其制备方法
CN105449518A (zh) * 2016-01-09 2016-03-30 北京工业大学 一种垂直腔面发射激光器及其制作方法
CN105957928A (zh) * 2016-05-31 2016-09-21 华灿光电股份有限公司 一种谐振腔发光二极管及其制造方法
CN107768979A (zh) * 2017-10-17 2018-03-06 北京工业大学 外延集成高对比度光栅外腔面发射激光器
CN111785819A (zh) * 2020-06-29 2020-10-16 厦门大学 一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法
CN112259653A (zh) * 2020-09-15 2021-01-22 北京工业大学 共振腔微阵列高效率发光二极管芯片
CN112259625A (zh) * 2020-09-24 2021-01-22 北京工业大学 一种基于共振腔增强的位置敏感传感器
CN112133801A (zh) * 2020-09-25 2020-12-25 厦门大学 一种氮化镓基谐振腔发光二极管及其制备方法

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