[发明专利]一种纳米颗粒阵列的偏振出光发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管（LED），具体涉及一种具有偏振结构的发光二极管。

背景技术

发光二极管（LED）是一种当在正向方向上被电偏置时以受激方式发光的半导体光源装置。根据材料的不同，LED可以发出近紫外、可见光和近红外光。

以氮化镓为代表的第三代半导体，可以制成高效的发光二极管，氮化镓及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

当前氮化镓LED发展的两个主流方向，一是提高LED的亮度，二是赋予LED特殊的光学性能。从LED的特殊光学性能来讲，例如赋予LED偏振出光的特性，具有非常重要的实际意义。偏振出光LED在液晶背光源及其它许多需要偏振光源的领域有着巨大的市场应用价值。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。

亚波长金属光栅可以反射大多数TE偏振光，而允许大多数TM偏振光通过。这类光学器件，展示了优良的偏振特性，是一种非常有潜力的制作高质量偏振器的方式。这种纳米线栅偏振器要实现高性能，周期仅为使用波长的几分之一甚至更小，且深宽比要高，制作的难度大，对工艺控制要求非常的严格。

在本发明作出之前， 中国发明专利（CN 201387494Y）“一种金属线栅宽带偏振器”采用了在基板上沉淀金属Al纳米线栅，可以实现高消光比和较好的透射率。中国发明专利（CN 1214453A）“二维光子晶体偏振器及制备方法”采用介电棒和背景介质材料构成二维重复周期结构，实现偏振出光。但上述技术方案均为一种独立的光学器件，不能封装于LED。

中国发明专利（CN 101194365A）“具有优化的光子晶体提取器的高效发光二极管”，以可变的孔排组成锥形结构，在LED表面制备二维光子晶体的方法，其目的是提高LED的光提取效率。

目前，在LED封装结构内采用纳米颗粒阵列光栅结构实现LED偏振出光的技术方案未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种制备工艺简便、具有良好的偏振消光比和透过率的发光二极管。

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，它的发光二极管芯片包括：衬底，n型层，量子阱，p型层；在发光二极管芯片的p型层的出光表面上设置偏振结构，所述的偏振结构为纳米颗粒阵列光栅，其光栅的周期为60～400nm, 占空比为0.2～0.9，厚度为60～400nm。

本发明技术方案中，所述纳米颗粒的直径为5～200nm。所述纳米颗粒阵列的纳米颗粒堆积结构为简单立方堆积结构或密堆积结构。所述纳米颗粒的材料为金属Al、Ag、Au、Cu、Ni、Cr，或它们的合金；也可以是半导体材料Si或ZnO；还可以是高分子材料聚苯乙烯或无机材料金属硫化物等。

本发明的原理是：LED芯片中量子阱发射的光是没有方向性的，为了实现LED表面高偏振度的偏振出光，本发明采用在LED芯片的出光表面上集成制作纳米颗粒填充的光栅结构，通过合适的结构设计，纳米颗粒阵列结构的亚波长光栅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；通过优化设计光栅周期、占空比、厚度及纳米颗粒的大小，达到最优化的偏振消光比和光透过率，实现LED的高偏振度出光。

本发明技术方案中，纳米颗粒阵列的结构参数根据LED的具体发光波长进行调节，依据时域有限差分法（finite-difference time-domain）设计光栅相关参数的具体数值，设计原则是以该LED发光波长下达到最好的偏振消光比和透过率的组合。

本发明所述的纳米颗粒阵列结构，相应工艺流程较简便，可先用光刻胶在LED出光表面刻出光栅沟槽，再用液态的纳米颗粒填充沟槽，烘干成型，去除光刻胶，在LED表面直接制备纳米颗粒阵列光栅结构。纳米颗粒的制备工艺可参照中国发明专利（CN 101487976A）“金属光子晶体的溶液法制备”公开的技术方案。

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

1.本发明所述的纳米颗粒阵列结构，先用光刻胶在LED出光表面上刻出光栅沟槽，再用液态的纳米颗粒填充沟槽，烘干成型，去除光刻胶，从而得到新的光栅，工艺流程较简便。