在發光二極體中製備光子晶體的方法及其裝置的製作方法

2023-05-30 07:09:01 2

專利名稱：在發光二極體中製備光子晶體的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極體，尤其是涉及一種用全息技術在發光二極體(LED)中製備二維光子晶體的方法及其裝置。
背景技術：
高亮度LED在平板顯示、列印、照明、光互連等方面有著大量需求，但由於LED存在表面複合大和提取效率低的問題，雖然它有接近100％的內量子效率，但它的外量子效率很低，只有約1/(4n2)的發射光從LED的表面或底部射出(M Boroditsky and E Yablonovitch，Proc.SPIE，3002119，1997)，大部分光都損失掉了。為提高LED的外量子效率，最近幾年發明了在LED表面製作二維光子晶體來提高LED的提取效率和減小表面複合的方法(T N Oder，KH Kim，J Y Lin，H X Jiang，III-nitride blue and ultraviolet photonic crystal light emitting diodes，Appl.Phys.Lett.，84(4)466-468；H Ichikawa，K Inoshita，T Baba，Reduced surfacerecombination and strongly enhanced light extraction in CH4-plasma-irradiated GaInAsP photoniccrystal，IEEE 2000；A A Erchak，D J Ripin，S Fan，et al，Increased light extraction from alight-emitting diode using a two-dimensional photonic crystal，Pacific Rim Conference on Lasersand Electro-Optics，CLEO-Technical Digest，pp 125-126，2000)，取得了很好的效果。
光子晶體是由不同折射率的電介質材料周期性排列而形成的人造晶體，對可見和近紅外光波具有光禁帶。在LED的表面製作具有一定深度的二維光子晶體，目前採用的方法基本上是先用電子束在LED表面刻出光子晶體的圖形作為掩膜層，然後用感應等離子體刻蝕(ICP)或反應離子刻蝕(RI)的方法在半導體的表層刻蝕出光子晶體結構。這種掩膜層的製作方法成本高、速度慢，因為電子束設備十分昂貴，且在掩膜層刻制光子晶體圖形的過程中必須逐點進行，花費很長時間。

發明內容
本發明的目的在於針對已有技術中在發光二極體表面製備光子晶體掩膜層存在的不足，提供一種成本低、速度快，用全息的方法製備光子晶體掩膜層的方法及其裝置。
本發明所說的在發光二極體中製備光子晶體的裝置設有雷射器
擴束濾波器，設於雷射器的輸出光軸上，用於對雷射器射出的光擴束與濾波；準直透鏡，設於擴束濾波器的輸出光軸上，用於對經擴束的雷射準直，形成一束平行光；衍射光學元件，衍射光學元件設有3個相同的透射光柵，其餘區域為不透明，3個相同的透射光柵分別間隔120°，衍射光學元件設於準直透鏡的平行光束上，並相對光軸成對稱排列；光刻膠層，塗於發光二極體晶片表面，設於衍射光學元件的3個透射光柵的3束一級衍射光相遇的幹涉區域。
本發明所說的發光二極體二維光子晶體的製備方法其步驟為1、設置好上述在發光二極體中製備光子晶體的裝置；2、開啟雷射器，從雷射器射出的光經擴束濾波器擴束濾波和準直透鏡準直後成為一束平行光，平行光照射在衍射光學元件上；3、在衍射光學元件的3束一級衍射光相遇的幹涉區域放置表面塗有光刻膠層的發光二極體晶片；4、經全息記錄採用的曝光和顯影，將幹涉圖記錄到光刻膠層中；5、刻蝕，即在發光二極體中形成與光刻膠中相同的二維光子晶體結構。
在步驟4中，若採用正性光刻膠，顯影后在膠中形成許多空氣圓孔呈六角形排列。
所採用的雷射器其波長應對所用光刻膠敏感。
與已有的技術相比，本發明在LED表面的光刻膠層中製作二維光子晶體結構，只需一次曝光和顯影，即可在整個晶片上形成光子晶體圖形，製作過程十分迅速。衍射光學元件上只有三個對稱排列的光柵，很容易製作。光刻膠很容易購買，且價格低。而現有方法採用電子束製作掩模版上的圓孔，製作過程十分緩慢且設備昂貴。由於本發明所用設備簡單、便宜，成本很低，而且生產速度快，因此適合於大批量生產製作LED光子晶體。


圖1為光刻膠二維光子晶體掩膜層全息製備裝置示意圖。
圖2為衍射光學元件結構示意圖。
圖3為光刻膠表面的二維晶格結構示意圖。
圖4為LED掩膜層截面示意圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，發光二極體中製備光子晶體的裝置設有雷射器1；擴束濾波器2設於雷射器1的輸出光軸上，用於對雷射器1射出的光擴束與濾波；準直透鏡3設於擴束濾波器2的輸出光軸上，用於對經擴束的雷射準直，形成一束平行光；衍射光學元件4設有3個相同的透射光柵5，其餘區域為不透明，3個相同的透射光柵5分別間隔120°，衍射光學元件4設於準直透鏡3的平行光束上，並相對光軸成對稱排列(參見圖2)；光刻膠層6塗於發光二極體晶片7表面，設於衍射光學元件4的3個透射光柵5的3束一級衍射光相遇的幹涉區域。從雷射器1射出的光經擴束並準直後，成為一束平行光照射在衍射光學元件4上。在衍射光學元件4的背後，3個透射光柵5的一級衍射光以相同角度折向光軸。在3束光相遇的區域形成幹涉，幹涉圖案是具有六角晶格結構的二維圖形，其表面圖形示於圖3，圖中圓點為高光強點，灰色部分為低光強區。在幹涉區域放置表面塗有一層光刻膠的LED晶片7，經通常全息記錄採用的曝光和顯影工藝，將幹涉圖記錄到光刻膠層6中。只要曝光量足夠強並配合適當的顯影時間，就可使在光刻膠層6中刻出的刻蝕孔61穿透光刻膠層，這樣就形成光子晶體掩膜層。圖4是LED晶片的截面圖，可見光刻膠的開孔處對應的LED曝露於空氣中。此時採用ICP或RI刻蝕，LED表面未受光刻膠阻擋的開孔區域61受到刻蝕，並形成LED被刻蝕區域71，從而在LED中形成與光刻膠中相同的二維光子晶體結構。所用的雷射器1的波長應對所用光刻膠敏感。
權利要求
1.在發光二極體中製備光子晶體的裝置，其特徵在於設有雷射器；擴束濾波器，設於雷射器的輸出光軸上，用於對雷射器射出的光擴束與濾波；準直透鏡，設於擴束濾波器的輸出光軸上，用於對經擴束的雷射準直，形成一束平行光；衍射光學元件，衍射光學元件設有3個相同的透射光柵，其餘區域為不透明，3個相同的透射光柵分別間隔120°，衍射光學元件設於準直透鏡的平行光束上，並相對光軸成對稱排列；光刻膠層，塗於發光二極體晶片表面，設於衍射光學元件的3個透射光柵的3束一級衍射光相遇的幹涉區域。
2.發光二極體二維光子晶體的製備方法，其特徵在於其步驟為1)、設置好在發光二極體中製備光子晶體的裝置，在發光二極體中製備光子晶體的裝置設有雷射器；擴束濾波器，設於雷射器的輸出光軸上；準直透鏡，設於擴束濾波器的輸出光軸上；衍射光學元件，衍射光學元件設有3個相同的透射光柵，其餘區域為不透明，3個相同的透射光柵分別間隔120°，衍射光學元件設於準直透鏡的平行光束上，並相對光軸成對稱排列；光刻膠層，塗於發光二極體晶片表面，設於衍射光學元件的3個透射光柵的3束一級衍射光相遇的幹涉區域；2)、開啟雷射器，從雷射器射出的光經擴束濾波器擴束濾波和準直透鏡準直後成為一束平行光，平行光照射在衍射光學元件上；3)、在衍射光學元件上的3束光相遇的幹涉區域放置表面塗有光刻膠層的發光二極體晶片；4)、經全息記錄採用的曝光和顯影，將幹涉圖記錄到光刻膠層中；5)、刻蝕，即在發光二極體中形成與光刻膠中相同的二維光子晶體結構。
全文摘要
在發光二極體中製備光子晶體的方法及其裝置，涉及一種發光二極體，提供一種成本低、速度快，用全息的方法製備光子晶體掩膜層的方法及其裝置。設有雷射器，擴束濾波器設於雷射器輸出光軸上，準直透鏡設於擴束濾波器輸出光軸上，衍射光學元件設有3個相同的透射光柵，衍射光學元件設於準直透鏡的平行光束上，光刻膠層塗於發光二極體晶片表面，設於光柵的3束一級衍射光相遇的幹涉區域。其步驟為開啟雷射器，從雷射器射出的光經擴束濾波器擴束濾波和準直透鏡準直後成為一束平行光，平行光照射在衍射光學元件上；在3束光相遇的幹涉區域放置表面塗有光刻膠層的發光二極體晶片；經全息記錄採用的曝光和顯影，將幹涉圖記錄到光刻膠層中；再刻蝕。
文檔編號H01L33/00GK1688032SQ200510078438
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月10日 優先權日2005年6月10日
發明者張向蘇, 劉守, 劉影 申請人:廈門大學