一種偏振發光二極體晶片的製作方法

2023-07-09 01:45:21 1

本發明屬於半導體光電子器件製造領域，特別涉及一種偏振發光二極體晶片。
背景技術：
：發光二極體（LED）是一種以電子與空穴受激輻射方式發光的半導體光源裝置。LED發光的基本原理是：採用具有PN結結構的半導體晶片，當施加正向偏壓時，電子和空穴分別從N型區和P型區注入有源區，當電子和空穴分別在導帶與價帶相遇而產生輻射複合，此時電子從導帶進入價帶的能量差將以光子的形式釋放出來，光子的頻率即發光波長取決於有源區材料的禁帶寬度。因此，根據材料的不同，LED可以發出紫外線、可見光或紅外光。近年來，第三代半導體發光二極體（LED）以其獨特的性能帶來巨大的應用前景，因其禁帶寬度範圍大，覆蓋從深紫外—遠紅外的所有波段，無論是在白光、紫外LED，LD及紅外探測器都有著廣泛的發展空間。而在一些特殊應用場所，如科研中的光彈效應測量、電光效應，生活中的汽車前照燈、立體（3D）電影、LCD顯示屏背光，需要使用偏振光源。通常偏振光的獲得需要使用普通光源結合一個起偏器，理論上已經損失了50%的光能，而實際應用中會大於50%，這使得光源利用率大大降低。如果能在LED晶片級別就實現出射偏振光，不僅可以使器件更小更薄，還可以在最大程度上減小光線通過起偏器時的反射損失。現利用光刻等工藝在LED表面製備納米結構的金屬點陣結構可以使其強烈的反射某一方向的偏振光，而允許垂直此方向的偏振光通過，其功能相當於一個線性偏振的偏振片。對於基於LED的偏振光源，希望其具有高的偏振光透射率。而要得到高的偏振消光比則要求大的金屬體積，大的金屬體積則導致金屬對光的反射和吸收增強，從而降低偏振光的透過率。與此同時，LED受激輻射發光時，TE模式的光波主要沿著水平方向，難以提取，所以傳統LED往往浪費了這些光波。經檢索，專利CN102263183B公開了一種偏振出光發光二極體，其發光二極體晶片包括基底、N型層、量子阱、P型層，在P型層的上表面製備具有二維周期結構的金屬表面層；或製備一介質過渡層與具有二維周期結構的金屬表面層的複合結構。二維周期點陣的一個方向x，它的周期a為70～180納米，與x垂直的y方向的周期b為a的40%～80%。介質過渡層的折射率n滿足條件為1.0＜n＜p型介質的折射率。採用本發明技術方案，實現了發光二極體直接出偏振光的目的，並能有效增強發光二極體的透射率和偏振度，使發光器件的整體體積大大縮小，同時它可通過半導體光刻工藝一次性集成在發光晶片上，易實現產業化。但該結構的偏振出光發光二極體仍存在非常大的缺陷：1.該結構將「金屬表面層」製備在P型層上面，會有如下缺陷：a）通常P型層上面需要製作ITO等接觸層、金屬電極等結構，這會反射從有源區照射上來的光線，降低光提取效率；b）通常，P型半導體製作比較困難，尤其在GaN基LED，光線透過P區時會發生吸光現象，而消除吸光通常是通過提高P區的禁帶寬度，而禁帶寬度的提高會進一步加劇製造P型半導體的困難程度，導致空穴濃度不夠，光效降低；c）為解決P區的吸光現象，當前行業內多採用倒裝LED晶片，即將襯底剝離，用襯底方向作為出光面替代傳統的方案；上述存在的缺點，該結構都沒有進行解決。2.由於LED材料折射率大於空氣，而LED的有源發光區發出的光線是向著立體角中的所有方向的，很大一部分光線在出射界面被全反射回來；另外，由於LED發出的光線分為TM模與TE模，而TE模主要沿著平行於出射面的方向，不能通過LED出光面出射。而且，當LED的注入電流越大，TE模發光越佔主要地位，而傳統LED一般將這部分光線捨棄，這也是導致LED在大電流注入下，實際的發光強度很難隨注入電流的提高而有效提高，從而導致了LED大注入電流條件下的低效率，嚴重阻礙大功率LED的發展及應用。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種可以高效偏振出光的發光二極體晶片，通過將LED晶片設置成稜台結構，通過在稜台面上設置金屬高反射層並準確地控制稜台斜面的角度，可有效地將水平方向光波反射提取出來，很好地解決了LED光線提取效率低的問題，同時在出光面設置的周期性蛾眼結構/第二介質陣列表面層，可以按照設計出射偏振光，滿足特殊需求。為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：一種偏振發光二極體晶片，其創新點在於：所述偏振發光二極體晶片是一種稜台結構的發光二極體晶片，該稜台結構的發光二極體晶片包括自下而上依次設置的蛾眼結構增透層、周期性蛾眼結構/第二介質陣列層、以及具有完整結構可以正常發光的光二極體晶片，所述稜台結構的發光二極體晶片還包括在稜台斜面及頂面上設置的金屬高反射層。進一步地，所述稜台結構的發光二極體晶片，其側面與臺面夾角的銳角度數為30°～60°，即相對應的鈍角為150°～120°。進一步地，所述蛾眼結構增透層的圖形是具有周期結構的半橢球體或圓錐，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8。進一步地，所述周期性蛾眼結構/第二介質陣列層，是具有複合周期的陣列結構，其中周期性蛾眼結構是具有周期結構的半橢球體圖形或圓錐圖形，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8；第二介質是填充的與蛾眼結構不同折射率的介質。進一步地，所述與蛾眼結構不同折射率的介質是SiO2或SiNx。進一步地，所述在稜台斜面和頂面上的金屬高反射層，是通過在稜台斜面和頂面蒸鍍或者濺鍍Ag/Ni/Al/Ti反射層，其厚度為1nm～1000nm。本發明的優點在於：（1）本發明偏振發光二極體晶片，為稜台結構的發光二極體晶片，進而形成發光二極體晶片的斜面，且在斜面上設置金屬高反射層，能夠將橫向的光線反射後出射，從而減小光能的損失，大大提高光線的提取率；通過在光二極體晶片的出光面設置周期性蛾眼結構/第二介質陣列層，可以使二極體晶片出射偏振光；同時，通過設置的蛾眼結構增強層，提高光線的出射角，將原來發生全發射的光線出射。（2）本發明偏振發光二極體晶片，稜台結構的發光二極體晶片，其側面與臺面夾角的銳角度數為30°～60°，即相對應的鈍角為150°～120°，可有效地將水平方向光波反射提取出來，進而大大減小光能的損失。（3）本發明偏振發光二極體晶片，蛾眼結構增透層和周期性蛾眼結構/第二介質陣列層均採用了蛾眼結構，此結構等效於一個連續變化折射率的介質層，並能在一個較寬的波譜範圍內抑制反射光的損失。（4）本發明偏振發光二極體晶片，周期性蛾眼結構/第二介質陣列層中的第二介質採用SiO2或SiNx，阻礙了光向外擴散；金屬高反射層為1nm～1000nm的Ag/Ni/Al/Ti反射層，大大提高了偏振發光二極體晶片的出光效率。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。圖1是實施例1偏振發光二極體晶片的結構示意圖。圖2是偏振發光二極體晶片具體的層次分布圖。圖3和圖4是偏振發光二極體晶片中蛾眼圖5是實施例2偏振發光二極體晶片的結構示意圖。具體實施方式本發明偏振發光二極體晶片，其是一種稜台結構的發光二極體晶片，該稜台結構的發光二極體晶片包括自下而上依次設置的蛾眼結構增透層、周期性蛾眼結構/第二介質陣列層、以及具有完整結構可以正常發光的光二極體晶片，稜台結構的發光二極體晶片還包括在稜台斜面上設置的金屬高反射層。作為實施例，更具體地實施方式為稜台結構的發光二極體晶片，其側面與臺面夾角的銳角度數為30°～60°，即相對應的鈍角為150°～120°；蛾眼結構增透層的圖形是具有周期結構的半橢球體或圓錐，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8；周期性蛾眼結構/第二介質陣列層，是具有複合周期的陣列結構，其中周期性蛾眼結構是具有周期結構的半橢球體圖形或圓錐圖形，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8；第二介質是填充的與蛾眼結構不同折射率的介質，與蛾眼結構不同折射率的介質是SiO2或SiNx；在稜台斜面和頂面上的金屬高反射層，是通過在稜台斜面和頂面蒸鍍或者濺鍍Ag/Ni/Al/Ti反射層，其厚度為1nm～1000nm。實施例1本實施例偏振發光二極體晶片，如圖1所示，是一種三稜台結構的發光二極體晶片，該三稜台結構的發光二極體晶片，側面與臺面夾角的銳角度數為30～60°，即相對應的鈍角為120～150°，如圖2所示，該三稜台結構的發光二極體晶片包括自下而上依次設置的蛾眼結構增透層1、周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2、以及具有完整結構可以正常發光的光二極體晶片3，稜台結構的發光二極體晶片還包括在稜台斜面和頂面上設置的金屬高反射層4。具體實施時，對具有完整結構可以正常發光的二極體晶片進行mesa刻蝕，漏出晶片的斜面，進而形成一三稜台結構的光二極體晶片3，並在光二極體晶片3出光面3的下側面設置一層周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2，該周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2，是具有複合周期的陣列結構，其中周期性蛾眼結構，如圖3所示，是具有周期結構的半橢球體圖形；或如圖4所示，是具有周期結構的圓錐圖形，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8；第二介質是填充的與蛾眼結構不同折射率的介質，與蛾眼結構不同折射率的介質是SiO2或SiNx；周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2的設置，可以使二極體晶片出射偏振光；該周期性蛾眼結構/第二介質陣列表面層2是由若干個周期單元組成，每個周期單元包括依次設置的蛾眼結構和第二介質陣列，且蛾眼結構是由若干個呈周期性的小蛾眼結構構成的，周期性蛾眼結構/第二介質陣列表面層2的設置，可以使二極體出射偏振光；然後在周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2的下表面刻蝕具有周期結構的半橢球體圖形或圓錐圖形，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8，形成蛾眼結構增透層1，該蛾眼結構增透層1可提高光線的出射角；並在稜台的斜面和頂面通過蒸鍍或者濺鍍在稜台面上形成厚度為1nm～1000nm的Ag/Ni反射層，其厚度為1nm～1000nm，進而形成金屬高反射層4，是通過蒸鍍或者濺鍍在稜台面上的Ag/Ni/Al/Ti反射層，能夠將橫向的光線反射後出射，從而減小光能的損失，大大提高光線的提取率。實施例2本實施例偏振發光二極體晶片，與實施例1相比，改變偏振發光二極體晶片的外觀形態，具體的層次分布不變。如圖5所示，本實施例偏振發光二極體晶片是一種四稜台結構的發光二極體晶片，該四稜台結構的發光二極體晶片，側面與臺面夾角的銳角度數為30～60°，即相對應的鈍角為120～150°，如圖2所示，該三稜台結構的發光二極體晶片包括自下而上依次設置的蛾眼結構增透層1、周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2、以及具有完整結構可以正常發光的光二極體晶片3，稜台結構的發光二極體晶片還包括在稜台斜面和頂面上設置的金屬高反射層4。具體實施時，對具有完整結構可以正常發光的二極體晶片進行mesa刻蝕，漏出晶片的斜面，進而形成一四稜台結構的光二極體晶片3，並在光二極體晶片3出光面3的下側面設置一層周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2，該周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2，是具有複合周期的陣列結構，其中周期性蛾眼結構，如圖3所示，是具有周期結構的半橢球體圖形；或如圖4所示，是具有周期結構的圓錐圖形，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8；第二介質是填充的與蛾眼結構不同折射率的介質，與蛾眼結構不同折射率的介質是SiO2或SiNx；周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2的設置，可以使二極體晶片出射偏振光；該周期性蛾眼結構/第二介質陣列表面層2是由若干個周期單元組成，每個周期單元包括依次設置的蛾眼結構和第二介質陣列，且蛾眼結構是由若干個呈周期性的小蛾眼結構構成的，周期性蛾眼結構/第二介質陣列表面層2的設置，可以使二極體出射偏振光；然後在周期性蛾眼結構/第二介質陣列層2的下表面刻蝕具有周期結構的半橢球體圖形或圓錐圖形，圖形的橫向周期為0.3μm～30μm，圖形的底面直徑與高度比為0.2～8，形成蛾眼結構增透層1，該蛾眼結構增透層1可提高光線的出射角；並在稜台的斜面和頂面通過蒸鍍或者濺鍍在稜台面上形成厚度為1nm～1000nm的Ag/Ni反射層，其厚度為1nm～1000nm，進而形成金屬高反射層4，是通過蒸鍍或者濺鍍在稜台面上的Ag/Ni/Al/Ti反射層，能夠將橫向的光線反射後出射，從而減小光能的損失，大大提高光線的提取率。為了比較蛾眼結構的圖形不同對本發明偏振發光二極體的影響，將採用不同圖形的蛾眼結構垂直入射藍寶石的單面反射率，仿真結果見下表1。蛾眼結構圖形d/nmH/nm峰值反射率平均反射率半橢球體A3503500.008270.00227半橢球體B3502450.011370.00236半橢球體C50010000.003890.00173圓錐A3503500.007850.000585圓錐B3502450.005840.00265圓錐C50010000.006750.00212由上表可以看出，當蛾眼結構圖形的底面直徑與高度一致時，圓錐的峰值反射率小於半橢球體，圓錐的平均反射率也小於半橢球體；當蛾眼結構圖形的底面直徑與高度不一致時，圓錐的峰值反射率既有小於，也有大於半橢球體的情況，但圓錐的平均反射率大於半橢球體；進而綜上比較，圓錐的反射率相對半橢球球體較低，即有更高的透射率，因而一般選用圓錐圖形。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵以及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp