CN115986033A - 一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管。所述器件，从下到上依次为金属衬底、下反射镜、平行平面谐振腔、上电极、上反射镜；所述平行平面谐振腔的外延层包括n型层、p型层以及有源区；其中n型层、p型层以及有源区均由双折射半导体材料制成，该有源区为双折射量子阱结构。本发明具有结构简单、集成度高，光谱线宽窄，光谱模式可调等特点，在精密测量，显微组织成像，视觉成像，三维显示，光通信，量子通信等领域中有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及二极管技术领域，尤其涉及一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管。
背景技术
线偏振光源在视觉成像、显微组织观测、光通信、量子通信等领域有着重要的应用。为了可以同时获得更多的信息，采用正交双偏振光源代替单方向的线偏振光源是一种可行性较高的方案。例如，采用双频率正交激光器可精确的测量物体之间的距离，物体的移动速度，以及旋转角度，已经被广泛在精密加工仪器上。目前，获得正交偏振光源的途径主要是依靠赛曼双频正交激光器。但是该激光器工作时需要施加一定方向和强度的磁场，很难实现在较小空间内的光路集成。
双折射半导体材料是指在晶体结构中，在两个方向上存在不同的折射率，一般为斜方晶系，和密排六方晶系。或者是由外部施加应力使材料的晶体结构发生形变，从而获得双折射性质。当一束光线通过双折射半导体材料后会形成一组正交偏振光。据报道，韩国首尔大学在蓝宝石图形化条纹衬底上外延生长c-GaN外延片和量子阱，使其产生显著的各项异性，其光致发光光谱的线偏振度达到0.74。另外，由于GaN的半极性面(r-GaN)具有一定的各项异性，美国耶鲁大学Jun Han团队采用外延生长的r-GaN制备的绿光LED，其电致发光光谱的线偏振度为0.3，并且器件的可见光通信-3dB带宽达到756MHz，传输速率达到1.5Gbit/s。但上述两个案例均为单一方向的线偏振光。其主要原因是在正交方向上材料的折射率差值太小，很难清晰地观察到其双折射现象，无法将线偏振光在正交方向上分离。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，能够获得了可同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管。本发明具有结构简单、集成度高，光谱线宽窄，光谱模式可调等特点，在精密测量，显微组织成像，视觉成像，三维显示，光通信，量子通信等领域中有着广泛的应用前景。
根据本发明的一个方面，提供一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，所述器件采用垂直内腔接触结构，从下到上依次为金属衬底、下反射镜、平行平面谐振腔、上电极、上反射镜；所述平行平面谐振腔的外延层包括n型层、p型层以及有源区；其中n型层、p型层以及有源区均由双折射半导体材料制成，该有源区为对应的量子阱结构。
可以发现，以上方案，本发明使用具有双折射性质的半导体材料的有源区提供了在正交方向各向异性的折射率，使器件产生了正交线偏振光。平行平面腔结构，进一步提高器件光谱的偏振度并形成清晰的正交双偏振光。一方面，本发明具有结构简单、集成度高等特点；另一方面，谐振腔的模式选择功能和半导体材料的双折射性质产生了正交线偏振光，单方向偏振度接近1.0。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管一实施例的结构示意图；
图2是密排六方晶体结构示意图和对应的晶向指数示意图；
图3是本发明实例在不同偏振角度下所获得的同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，能够获得了可同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管。本发明具有结构简单、集成度高，光谱线宽窄，光谱模式可调等特点，在精密测量，显微组织成像，视觉成像，三维显示，光通信，量子通信等领域中有着广泛的应用前景。。
请参见图1，图1是本发明同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管一实施例的结构示意图。
所述器件采用垂直内腔接触结构，从下到上依次为金属衬底1、下反射镜2、平行平面谐振腔3、上电极4、上反射镜5；
所述平行平面谐振腔3的外延层包括n型层3.1、p型层3.3以及有源区3.2；其中n型层3.1、p型层3.3以及有源区3.2均由双折射半导体材料制成，该有源区为对应的量子阱结构。
在本实施例中，垂直内腔接触结构指在整体器件结构中谐振腔处于内部，被金属衬底所包裹，是一种典型的器件结构。其优点在于可以缓解电流拥堵效应。在本案中在满足具有谐振腔和双折射性质的可发光半导体的两个根本条件，其他结构也能产生正交偏振现象，本发明并不加以限定。
在本实施例中，双折射半导体材料是指在晶体结构中，在两个方向上(一般为正交方向)存在不同的折射率，从而产生双折射现象。当一束光线通过双折射半导体材料后，由于折射率的不同，导致折射角的不同，就会产生两束不同的折射光线，其中一束折射光线总在入射光线平面内，遵循折射定律，即入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数，通常称这条折射线为寻常光线或o光；另一条折射光线与入射光线不在一个平面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比不是一个常数，不遵循折射定律，通常称这束折射光线为非寻常光或e光。
导致材料具备双折射性质的因素主要有两点。一是：材料固有的晶体结构存在各向异性，即在两个方向上原子排列间距，原子数目，以及原子种类的不同，以密排六方晶体结构为例，请参阅图2，在平行于c轴方[0001]向和垂直于c轴方向(x轴方向[2-1-10]或y轴方向[-12-10])的原子排布状态有明显的差异性，这就导致了平行于c轴方向的折射率和x轴或y轴方向的折射率具有差异性。二是由外部施加应力使材料的晶体结构发生形变，致使原本原子排列一致的两个方向发生变化。一般情况下，受拉伸应力的方向，原子间距增大；受压缩应力的方向原子间距会减小，从而造成两个方向折射率的改变。使量子阱产生各项异性的主要方法有两种：1是采用具有各项异性的图形化衬底外延生长量子阱结构；2是生长晶体结构具有各项异性的量子阱材料。现有技术没有实现正交双偏振光的主要原因是大部分双折射半导体材料的折射率差值太小约0.01，很难清晰地观察到其双折射现象。而本案中用双折射半导体材料的目的是，一是在注入电流下发光，二是产生线偏振。
在本实施例中，所述双折射半导体材料包括ZnO、GaN、CdS，x和y的掺杂比例取值范围为：0≤x≤1，0≤y≤1。优选地，双折射半导体材料选用半极性GaN或非极性GaN，有源区为InxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N量子阱结构；其中x和y分别代表In及Al在InxGa(1-x)N及AlyGa(1-y)N中的掺杂比例。通过在0到1之间分别改变有源区中In的掺杂比例和Al的掺杂比例，可以改变发光二极管的波长，覆盖200～1700nm波段范围，其原理在于通过改变掺杂比例，可以改变半导体材料的禁带宽度，禁带宽度决定了辐射波长。需要说明的是，GaN材料作为第三代半导体材料，广泛应用于发光器件中。生长GaN材料主要通过金属有机气相沉积技术(MOCVD)。并且，沿不同晶面生长的GaN可分为极性，半极性，以及非极性。其中半极性和非极性GaN才具备双折射性质。目前大多数器件使用的还是极性GaN,也就是(1000)面GaN,该面不具由双折射性质，也就无法实现正交线偏振。
在本实施例中，为了进一步提高器件光谱的偏振程度和形成洗的正交双偏振光，谐振腔的结构采用平行平面结构。在平行平面谐振腔中，光场的模式分严格布服从如下公式：
其中Δν为相邻模式间频率差，c为光速，n为谐振腔内折射率，L为谐振腔物理长度。也就是说在同一个谐振腔内如果存在不同的折射率，就会不同模式间隔分布，从而可以产生清晰的线偏振光。区别于应用于照明领域的普通谐振腔发光二极管，本案的最主要创新点在于将谐振腔的模式选择功能和具有双折射性质的半导体材料的协同使用，制备出了可同步辐射正交线偏振光的谐振腔发光二极管。器件的电注入光谱，随观察角度的变化，程周期性变化，并且偏振度可达1.00。这一发明对正交偏振光路的集成化，和器件的小型化有着重要意义。
在本实施例中，模式的分布主要是指模式之间的间隔和出现模式的位置。模式分布主要取决于谐振腔内的折射率和谐振腔的腔长。也就是说，对于一个具体的谐振腔而言，腔内折射率和腔长是一定的，那么就有与之对应的模式分布。这也被称为谐振腔的模式选择功能。在本案中，由于采用了双折射材料，存在两个不同折射率n，就有两组不同的模式分布。
在本实施例中，所述反射镜包括由两种不同折射率的介质膜交错叠加组合而成的分布布拉格反射镜，其中每层介质膜的厚度为1/4的中心波长，介质膜组合采用SiO2介质膜和TiO2、Ta2O5或Ti3O5中的任一介质膜组合。优选地，反射镜由两种不同折射率的介质膜交错叠加而成的分布布拉格反射镜(DBR)，每层介质膜的厚度为1/4中心波长，介质膜组合采用TiO2/SiO2。需要理解的是，每层介质膜的厚度为1/4中心波长的原因在于：减小光反射镜上的反射损耗，提高器件性能，根据光学传播原理，单层介质膜的光学厚度必须是中心波长的1/4，才能最大程度降低损耗，提高反射率，和谐振腔质量。介质膜组合采用TiO2/SiO2的原因在于：折射率差较大，容易获得较高反射率；对可见光的吸收小，有助于提高器件的光输出功率；制备工艺成熟，已于获得，成本低。所述的器件的两个发射波长位于上下分布布拉格反射镜形成的高反带中，上下分布布拉格反射镜的反射率均需达到99％以上。需要注意的是，电注入器件光谱应该位于高反射带(高反射区域)内，才能形成明显的谐振效应。对于介质膜反射镜来说，两层介质膜材料折射率相差越大，越容易达到高反射率。反射率越高，光在反射过程中损耗越小，谐振效果越明显，因此限定上下分布布拉格反射镜的反射率均需达到99％以上。
本实施例以529nm和536nm同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管进行说明。二极管从下到上依次包括：Cu衬底、下电极(Cr/Au)、下分布布拉格反射镜(12对TiO2/SiO2)、平行平面谐振腔、上电极(Cr/Au)、上分布布拉格反射镜(8对TiO2/SiO2)。其中下分布布拉格反射镜(12对TiO2/SiO2)是为获得更高的反射率，减少损耗。上分布布拉格反射镜(8对TiO2/SiO2)，是要平衡反射率和光输出。上分布布拉格反射镜(8对TiO2/SiO2)反射率过高，则光在谐振腔内出不来，器件的光输出功率就会降低；上分布布拉格反射镜(8对TiO2/SiO2)反射率过低，则很难形成良好的谐振效应。
所述的平行平面谐振腔的有源区为In0.3GaN/Al0GaN量子阱结构，其中In的掺杂比例为0.3，Al的掺杂比例为0。平行平面谐振腔的有源区提供了在正交方向各向异性的折射率，使器件产生了正交线偏振光。本发明使用平行平面腔结构，具有双折射性质的半导体材料，获得了可同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管。具有结构简单、集成度高，光谱线宽窄，光谱模式可调等特点，在精密测量，显微组织成像，视觉成像，三维显示，光通信，量子通信等领域中有着广泛的应用前景。通过在0到1之间分别改变有源区中In的掺杂比例和Al的掺杂比例，可以改变发光二极管的波长，覆盖200～1700nm波段范围。请参阅图3，为本发明实例在不同偏振角度下所获得的同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管光谱图。可以发现，在偏振角为0时，器件光谱只含有Peak1；随偏振角转动，Peak1逐渐减弱，而Peak2逐渐增强。当偏振角在90°时，Peak1已经完全消失，只有Peak2。由此说明器件可在两个正交方向同步辐射Peak1,Peak2两组峰。
可以发现，以上方案，本发明使用具有双折射性质的半导体材料的有源区提供了在正交方向各向异性的折射率，使器件产生了正交线偏振光。平行平面腔结构，进一步提高器件光谱的偏振度并形成清晰的正交双偏振光。一方面，本发明具有结构简单、集成度高等特点；另一方面，谐振腔的模式选择功能和半导体材料的双折射性质产生了正交线偏振光，单方向偏振度接近1.0。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，所述器件，从下到上依次为金属衬底、下反射镜、平行平面谐振腔、上电极、上反射镜；
所述平行平面谐振腔的外延层包括n型层、p型层以及有源区；其中n型层、p型层以及有源区均由双折射半导体材料制成，该有源区为双折射量子阱结构。
2.如权利要求1所述的一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，
所述反射镜包括由两种不同折射率的介质膜交错叠加组合而成的分布布拉格反射镜，其中每层介质膜的厚度为1/4的中心波长，介质膜组合采用SiO2介质膜和TiO2、Ta2O5或Ti3O5中的任一介质膜组合。
3.如权利要求2所述的一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，
所述的器件的两个发射波长位于上下分布布拉格反射镜形成的高反带中，上下分布布拉格反射镜的反射率均需达到99％以上。
4.如权利要求1所述的一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，
所述在平行平面谐振腔中，光场的模式分布服从
其中Δν为相邻模式间频率差，c为光速，n为谐振腔内折射率，L为谐振腔物理长度。
5.如权利要求1所述的一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，
所述的电极为Au电极和Ni、Cr或Ti中的任一电极组成。
6.如权利要求1所述的一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，
所述双折射半导体材料包括ZnO、GaN、CdS。
7.如权利要求1所述的一种同步辐射正交线偏振光谐振腔发光二极管，其特征在于，
所述衬底为金属导电衬底。
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