[发明专利]一种线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），特别设计一种线偏振出光发光二极管。

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LED由于在液晶显示、偏振成像、光通信和汽车前照灯等领域有巨大的应用价值，得到高度重视。目前，有很多种提高LED偏振度的方法：一种是让LED自发发射偏振光，如利用非极性面或半极性面GaN衬底生长得到偏振光，但是这类衬底不易获得，价格昂贵；另一种办法是在发射面采用某种技术产生偏振光，如通过设计反射面把边发射的偏振光反射出去，在光出射面制作光子晶体或金属纳米光栅，或者在出射面涂一层聚苯乙烯纳米球得到偏振光。其中，制作金属纳米光栅产生偏振光因制作简单、偏振度高得到重视。

当纳米光栅结构小于波长时，只有0级光，其他级次衍生光为倏逝波，此类光栅为亚波长光栅。双层金属光栅由于具有较好的偏振特性，对工艺容差大，很多人对此做了研究。但对于可见光，尤其是蓝绿光波段的透过率低，使得其在可见光波段的应用没被推广。本文基于纳米压印技术制作双层金属光栅，并在氮化镓表面增加过渡层提高透过率，通过优化设计，得到易于制备适合工业化生产、偏振透过率均较好的线偏振出光LED。

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，虽然基于纳米压印，但是其周期过小成品率低，在可见光蓝绿光波段的透过率较低，跟本发明相对较大周期，并通过增加过渡层来提高效率有很大区别。

在[李万永, 韩彦军, 罗毅. 基于纳米压印技术制作的线偏振蓝光 LED[J]. 光电子. 激光, 2013, 24(006): 1042-1047.]文献中其制作的是单层金属光栅，对于刻蚀金属光栅，利用ICP刻蚀不能保证有较好的金属铝形貌进而影响偏振效果、同时增加成本，刻蚀金属需要的反应气体有污染，不利于大规模生产。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种易制备、光学性能好的线偏振出光发光二极管。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种线偏振出光发光二极管，它的发光二极管芯片包括基底、n型层、量子阱和p型层，在p型层的上表面设有一介质过渡层，所述介质过渡层上设有纳米双层金属光栅，所述介质过度层的厚度在50～300nm。

上述技术方案中，所述纳米双层金属光栅包括介质光栅和双层金属光栅。

上述技术方案中，所述介质光栅的周期为80～300nm，占空比为0.3～0.8，高度为50～200nm。

上述技术方案中，所述双层金属光栅为双层铝光栅。

上述技术方案中，所述双层铝光栅的高度为30～100nm,层间距10～50nm。

上述技术方案中，所述介质过渡层的材料为SiO₂、MgF或PMMA。

上述技术方案中，所述介质光栅的材料为SiO₂、MgF或PMMA。

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表面高偏振度和较高透过率的偏振出光，本发明采用在LED芯片的出光表面上增加介质过渡层并制作纳米双层金属光栅结构。通过合理设计，纳米双层金属光栅可以实现对平行于线栅的偏振光具有强的反射，相应垂直方向的偏振光具有强的透射。通过优化设计介质过渡层厚度、介质光栅周期、占空比、厚度及双层铝光栅的厚度，以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，介质过渡层厚度、纳米双层金属光栅的结构参数根据LED的具体发光波长进行调节。根据时域有限差分法（FDTD Solutions）对具体数值进行优化，设计原则以在设定的发光波长下达到最好的偏振消光比和透过率的组合为准。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：