专利名称：直接出射线偏振光的发光二极管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及LED芯片制造领域，尤其涉及一种直接出射线偏振光的发光二极管。
背景技术：
随着III-V族氮化物LED加工技术的不断提高和GaN(氮化镓)基LED结构的不断成熟和完善，LED的应用领域得到了迅速的扩大，近年来LED已被应用于LCD的背光源和投影显示的照明光源，和普通光源一样，目前市面上的LED发出的光也是自然偏振光，所以将LED应用于LCD的背光源和投影显示的照明光源同样需要二次光学设计引入偏振片和配 套的光学器件获得最终的线偏振光，这不但增大了整个光学系统的体积、提高了成本，而且也造成了光能的极大浪费。如果能在衬底或芯片的出光面上制作出一些微结构，赋予LED芯片本身以偏振特性，使其能够直接出射线偏振光，那么这种结构的LED无疑将会在液晶显示领域和某些需要偏振光照明的领域(如微型验钞机、机动车辆防眩光的照明灯等)产生巨大的市场价值。专利号为CN 1547056A的中国专利公开了一种射击式偏振发光管及其偏振发光阵列，直接用透光胶将偏振片封装于壳体内，实现了可用于微型验钞仪的直接发射偏振光的发光管或发光管阵列，但该专利没有对芯片本身的结构进行设计，也不利于光能的利用。专利号为CN 101088175A的中国专利公开了一种偏振的LED，在LED管芯的表面放置双折射材料、线栅、多层光学膜、胆留型材料等优先透射一个方向的偏振光，而将另一个方向的偏振光返回LED管芯内部，从而产生部分偏振光，该专利也没有对LED管芯本身的结构进行设计。
实用新型内容本实用新型的目的是提供可直接出射线偏振光的发光二极管(LED)，采用本实用新型所提供的结构不但可以实现发光二极管直接出射线偏振光，并且能量损失少，光能能够得到充分利用。为解决上述问题，本实用新型提供一种直接出射线偏振光的发光二极管，所述发光二极管由底层向上依次包括衬底和外延层，所述外延层上表面具有能够透射P型偏振光并反射S型偏振光的偏振分光阵列结构；所述衬底上表面具有能够反射S型偏振光并将其转换成P型偏振光后再出射的旋光阵列结构。进一步的，在所述旋光阵列结构和所述外延层之间还设置有宽带高反介质膜。进一步的，在所述偏振分光阵列结构上还设置有偏振分光膜。进一步的，所述旋光阵列结构的所在面与偏振分光阵列结构的所在面平行，所述旋光阵列结构的延伸方向与所述偏振分光阵列结构的延伸方向的夹角为43° 47°。进一步的,所述旋光阵列结构的延伸方向与所述偏振分光阵列结构的延伸方向的夹角为45°。[0011]进一步的，所述旋光阵列结构由若干相同的第一类多边棱柱平行排布形成，所述偏振分光阵列结构由若干相同的第二类多边棱柱平行排布形成。进一步的，所述旋光阵列结构由若干相同的第一类三棱柱平行排布形成，所述偏振分光阵列结构由若干相同的第二类三棱柱平行排布形成。进一步的，所述第一类三棱柱的侧棱与第二类三棱柱的侧棱的夹角为43° 47。。进一步的，所述第一类三棱柱的侧棱与第二类三棱柱的侧棱的夹角为45°。进一步的，所述第一类三棱柱和第二类三棱柱的底面均为等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜边平行于所述旋光阵列结构的所在面。进一步的,所述等腰直角三角形的斜边长度范围为50nm lOOOnm。进一步的，所述偏振分光阵列结构由若干相同的半圆柱平行排布形成，所述半圆柱的圆弧面向外凸起，所述旋光阵列结构由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的横截面为半圆形。进一步的，所述旋光阵列结构与所述衬底为一体成型。如权利要求I至12中任意一项所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述外延层由底层向上依次包括N型限制层、量子阱层和P型限制层，所述P型限制层上表面具有所述偏振分光阵列结构。进一步的，所述偏振分光阵列结构与P型限制层为一体成型。 进一步的，所述N型限制层和P型限制层的材质为氮化镓。进一步的，所述发光二极管还包括P型电极和N型电极，所述P型电极设置于所述P型限制层上，所述N型电极设置于所述N型限制层上。进一步的，所述发光二极管还包括透明电极和钝化保护膜，所述透明电极位于所述外延层上，所述钝化保护膜覆盖于所述透明电极上。进一步的，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅。综上所述，本实用新型通过在所述衬底上表面设置旋光阵列结构，并在所述外延层上形成偏振分光阵列结构，偏振分光阵列结构透射P型偏振光并反射S型偏振光,反射的S型偏振光被旋光阵列结构再次反射并转换为P型偏振光后，经过偏振分光阵列结构发射出，因而本实用新型所述发光二极管在不需要引入外置偏振片的前提下，实现了直接出射线偏振光的目的，为后续二次光学设计提供了便利，也缩小相应领域应用产品的体积，降低了其生产成本；其次，本实用新型所述发光二极管结构在对P型偏振光透射的同时并没有对S型偏振光进行吸收，而是再次对其反射并转换成P型偏振光后重新利用，这样可以充分利用光能、基本无能量损失；最后，本实用新型所述发光二极管结构的制备工艺有多种方法可以实现，工艺成熟易实施。
图I为本实用新型一实施例中直接出射线偏振光的发光二极管的剖面示意图。图2为本实用新型一实施例中偏振分光阵列结构示意图。图3为本实用新型一实施例中旋光阵列结构的示意图。图4为本实用新型一实施例中偏振分光阵列结构的剖面结构示意图和偏振分光原理示意图。图5为本实用新型一实施例中旋光阵列结构的剖面示意图和旋光原理示意图。图6为本实用新型一实施例中直接出射线偏振光的发光二极管的制作方法的流程不意图。
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。其次，本实用新型利用示意图进行了详细的表述，在详述本实用新型实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本实用新型的限定。 图I为本实用新型一实施例中直接出射线偏振光的发光二极管的剖面示意图，图2为本实用新型一实施例中偏振分光阵列结构示意图，图3为本实用新型一实施例中旋光阵列结构的示意图，图4为本实用新型一实施例中偏振分光阵列结构的剖面结构示意图和偏振分光原理示意图，图5为本实用新型一实施例中旋光阵列结构的剖面示意图和旋光原理示意图。本实用新型提供一种直接出射线偏振光的发光二极管，所述发光二极管由底层向上依次包括衬底和外延层，所述外延层上表面具有能够透射P型偏振光并反射S型偏振光的偏振分光阵列结构；所述衬底上表面具有能够反射S型偏振光并将其转换成P型偏振光后再出射的旋光阵列结构。如图I所示，在本实施例中，所述发光二极管由底层向上依次包括衬底I和外延层5，所述外延层上表面具有偏振分光阵列结构，所述偏振分光阵列结构用于对具有P型偏振光和S型偏振光的自然偏振光产生分光作用，以透射P型偏振光，反射S型偏振光；所述衬底上表面具有旋光阵列结构，所述旋光阵列结构用于将所述偏振分光阵列结构反射的所述S型偏振光再次反射,并将其转换为P型偏振光后再经过偏振分光阵列结构射出。其中，自然偏振光包括P型偏振光和S型偏振光,其中P型偏振光是指振动方向平行于入射面的偏振光，S型偏振光是指振动方向垂直于入射面的偏振光。在较佳的实施例中，在所述旋光阵列结构10表面还形成有宽带高反介质膜12，在所述偏振分光阵列结构9上表面具有偏振分光膜11，所述偏振分光膜11对P型偏振光具有透射作用，对S型偏振光具有反射作用，所述宽带高反介质膜12对可见光(波长范围为300nm 800nm)波段具有高反射性(反射能量在90%以上)。此外，其他产生分光效果的膜层，亦可替代偏振分光膜11设置于所述偏振分光阵列结构9上，其他能够具有反射作用的膜层，亦可替代宽带高反介质膜12设置于旋光阵列结构10上。本实用新型所述的发光二极管可以采用蓝宝石、碳化硅或硅作为衬底I的材质，其他半导体材质的衬底亦在本实用新型的思想范围之内。在本实施例中，所述外延层5由底层向上依次包括N型限制层2、量子阱层3和P型限制层4。所述N型限制层2和P型限制层4的材质为氮化镓。所述外延层能够发射出包括S型偏振光和P型偏振光的自然偏振光。为使自然偏振光转化为线偏振光的过程中能量损失最小，通常希望自然偏振光经过所述偏振分光阵列结构9被反射的光线能够尽量以垂直的角度射向旋光阵列结构10，被旋光阵列结构10反射的光线同样尽量以垂直的方向从偏振分光阵列结构9射出。故所述旋光阵列结构10可以由若干相同的第一类多边棱柱平行排布形成，例如平行六面体(四棱柱)、五边棱柱、七边棱柱等,所述偏振分光阵列结构9可以由若干相同的第二类多边棱柱平行排布形成，例如五边棱柱、七边棱柱等。结合图I和图2,在较佳的实施例中,所述衬底I上表面具有旋光阵列结构10,其中所述衬底I与该旋光阵列结构10为一体成型，所述旋光阵列结构10由若干相同的第一类三棱柱IOa平行排布形成；结合图I和图3，所述外延层5的上表面具有偏振分光阵列结构9，在本实施例中，偏振分光阵列结构9形成于所述P型限制层4上，且偏振分光阵列结构9与所述P型限制层4为一体成型；所述偏振分光阵列结构9由若干相同的第二类三棱柱 9a平行排布形成；结合图2和图3，所述第一类三棱柱IOa与第二类三棱柱9a形状和尺寸相同，所述旋光阵列结构10的所在面与偏振分光阵列结构9的所在面平行，所述第一类三棱柱IOa的侧棱与第二类三棱柱9a的侧棱的夹角可以为43° 47°，其中较佳的为45°，所述第一类三棱柱IOa的侧棱所在面与第二类三棱柱9a的侧棱所在面平行，且所述旋光阵列结构10中由第一类三棱柱IOa组成的图形的延伸方向与偏振分光阵列结构9中由第二类三棱柱9a组成的图形的延伸方向呈43° 47°夹角，具体结合图4和图5，在本实施例中，所述旋光阵列结构10的延伸方向，即第一类三棱柱IOa侧棱的延伸方向位于XY所在平面内并与X轴呈43° 47°夹角，所述偏振分光阵列结构9的延伸方向，即所述第二类三棱柱9a侧棱的延伸方向同样位于XY所在的平面内并与X轴平行。结合图2和图3,在较佳的实施例中，所述第一类三棱柱IOa和第二类三棱柱9a的底面均为等腰直角三角形(图I所示的剖面图为沿第二类三棱柱9a侧边的延伸方向剖开，由于所述第一类三棱柱IOa和第二类三棱柱9a的延伸方向呈45度夹角，因此在如I中第二类三棱柱9a所呈的夹角不是90度，其并非实际夹角)，所述等腰直角三角形的斜边平行于所述旋光阵列结构10的所在面，所述旋光阵列结构10的所在面与偏振分光阵列结构9的所在面平行，因此第一类三棱柱IOa的等腰直角三角形的斜边平行于所述旋光阵列结构10的所在面，所述第二类三棱柱9a的斜边平行于偏振分光阵列结构9的所在面，即所述等腰直角三角形的两条直角边均为凸起的侧边，底面直角三角形的三棱柱结构能够使反射的光能够沿与入射光平行的方向射出，维持一致的光路传递方向，减少漫反射和折射，进而提高LED光线的出射亮度。在较佳的实施例中，所述等腰直角三角形的斜边长度范围为50nm IOOOnm,该范围能够较佳地选择性透射或反射所述LED发出的自然偏振光。此外，其他结构，例如所述偏振分光阵列结构9由若干相同的半圆柱平行排布形成，所述半圆柱的圆弧面向外凸起，所述旋光阵列结构10则由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的横截面为半圆形等，只要能够使自然偏振光经过所述偏振分光阵列结构9被反射的光线能够尽量以垂直的角度射向旋光阵列结构10，被旋光阵列结构10反射的光线同样尽量以垂直的方向从偏振分光阵列结构9射出，以减小自然偏振光转化为线偏振光的过程中能量的方式均在本实用新型的思想范围之内。同时，结合图I，所述发光二极管还包括P型电极7a和N型电极7b，所述P型电7a设置于所述P型限制层4上，所述N型电极7b设置于所述N型限制层2上。所述P型电极7a和N型电极7b用于给所述P型限制层4和N型限制层2施加电压，以使量子阱层3发光。P型电极7a和N型电极7b的材质为铬、钼、钛、铝、镍及金中的一种或其任意组合。此夕卜，所述发光二极管还包括本实用新型所述发光二极管还包括设置于外延层上的透明电极8和钝化保护膜6，所述透明电极8可以为铟锡氧化物半导体透明导电膜(ITO，Indium TinOxides)，或铟锡氧化物半导体透明导电膜和氧化锌(ZnO)基薄膜组合而成的双层透明导电膜。所述钝化保护膜6覆盖于所述透明电极上，用于起到绝缘作用。所述钝化保护膜6的材质可以为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。结合图4和图5，本实用新型所述的发光二极管的发光方法为所述外延层5中的量子阱层3发出包括S型偏振光和P型偏振光的自然偏振20，自然偏振20从外延层5中射出，经过所述偏振分光阵列结构9和偏振分光膜11，所述P型偏振光21被透射出去，所述S型偏振光22被所述偏振分光阵列结构9和偏振分光膜11反射回LED内部,朝向所述衬底I方向，被反射的S型偏振光22经过所述旋光阵列结构10和宽带高反介质膜12时，被反射的S型偏振光22再次被反射，并被转换为P型偏振光23，该转换后的P型偏振光23能够经过所述偏振分光阵列结构9和偏振分光膜11透射发出。发光二极管的工作过程具体为所述P电极7a和N电极7b施加正向电压，电子和空穴会在量子阱层3处复合产生光子，形成自然偏振光20向外传播，由于P型限制层4上设置有偏振分光阵列结构9，且偏振分光阵列结构9上镀有偏振分光膜11，故沿X轴方向振动的P型偏振光21能够透过偏振分光阵列结构9和偏振分光膜11,而沿Y轴方向振动的S型偏振光22被偏振分光膜11反射回LED的内部；由于衬底I上设置有旋光阵列结构10，且旋光阵列结构10上镀有宽带高反介质膜12，被返回到LED内部的S型偏振光22，对于具有旋光阵列结构10来说，其振动方向和X轴方向成45度夹角的线偏振光，根据菲涅耳理论，该方向的线偏振光经相互垂直的两个表面反射后，其振动方向将和X轴方向成-45度角，故S型偏振光22经旋光阵列结构10和宽带高反介质膜12反射后,对于所述偏振分光阵列结构9的结构，再经过所述偏振分光膜11时便转化为P型偏振光，从而几乎无能量损失的通过偏振分光阵列结构9射出，从而不经过外部器件，发光二极管即自身实现直接出射线偏振光。图6为本实用新型一实施例中直接出射线偏振光的发光二极管的制作方法的流程示意图。如图6所示，以下结合图I至图6具体说明本实用新型一实施例中直接出射线偏振光的发光二极管的制造过程，应当明确的是，旋光阵列结构与偏振分光阵列结构的形成方法、具体结构以及外延层上设置的其他结构并不仅限制于本实施例的描述，其他能够实现所述偏振分光阵列结构能够透射P型偏振光，反射S型偏振光，所述旋光阵列结构能够将所述偏振分光阵列结构反射的S型偏振光再次反射,并转换为P型偏振光的其他发光二极管的结构亦在本实用新型的思想范围之内。步骤SOl :提供半导体衬底1，在所述半导体衬底上表面形成旋光阵列结构10 ;在较佳的实施例中，所述旋光阵列结构10由若干相同的第一类三棱柱IOa平行排布形成，所述旋光阵列结构10与所述衬底I为一体成型，其中，可以采用紫外光刻法、ICP刻蚀法、纳米压印技术、聚焦离子束刻蚀或光刻刻蚀转移法等形成所述旋光阵列结构10。步骤S02 :在所述旋光阵列结构10上形成宽带高反介质膜12 ;在本实施例中，可以采用蒸镀法或溅射法在所述旋光阵列结构10上形成宽带高反介质膜12。步骤S03 :在所述宽带高反介质膜12上形成外延层5，并在所述外延层6上表面形成偏振分光阵列结构9 ;在较佳的实施例中,所述旋光阵列结构10的所在面与偏振分光阵列结构9的所在面平行，所述偏振分光阵列结构9由若干相同的第二类三棱柱9a平行排布形成，所述第一类三棱柱IOa与第二类三棱柱9a形状和尺寸相同，所述第一类三棱柱IOa的侧棱与第二类三棱柱9a的侧棱的夹角为45度；在较佳的实施例中，所述外延层由底层向上依次包括N型限制层2、量子阱层3和P型限制层4，可以采用金属有机气相沉积法依次形成所述N型限制层2、量子阱层3和P型限制层4。所述偏振分光阵列结构9与P型限制层4为一体成型，其中，可以采用紫外光刻法、ICP刻蚀法、纳米压印技术、聚焦离子束刻蚀或光刻刻蚀转移法等形成偏振分光阵列结构9。步骤S04 :在所述偏振分光阵列结构9上形成偏振分光膜11 ；步骤S05 :在所述偏振分光膜11上形成透明电极8和钝化层8，所述透明电极8上覆盖一钝化保护膜6，所述钝化保护膜6的材质为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。综上所述，本实用新型所述发光二极管通过在所述衬底上表面设置旋光阵列结构，并在所述外延层上形成偏振分光阵列结构，偏振分光阵列结构透射P型偏振光并反射S 型偏振光，反射的S型偏振光被旋光阵列结构再次反射并转换为P型偏振光后，经过偏振分光阵列结构发射出，因而本实用新型所述发光二极管在不需要引入外置偏振片的前提下，实现了直接出射线偏振光的目的，为后续二次光学设计提供了便利，也缩小相应领域应用产品的体积，降低了其生产成本；其次，本实用新型所提供的发光二极管结构在对P型偏振光透射的同时并没有对S型偏振光进行吸收，而是再次对其反射并转换成P型偏振光后重新利用，这样可以充分利用光能、基本无能量损失；最后，本实用新型所提供的结构制备工艺有多种方法可以实现，工艺成熟易实施。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求1.一种直接出射线偏振光的发光二极管，所述发光二极管由底层向上依次包括衬底和外延层，其特征在于， 所述外延层上表面具有能够透射P型偏振光并反射S型偏振光的偏振分光阵列结构； 所述衬底上表面具有能够反射S型偏振光并将其转换成P型偏振光后再出射的旋光阵列结构。
2.如权利要求I所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，在所述旋光阵列结构和所述外延层之间还设置有宽带高反介质膜。
3.如权利要求I所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，在所述偏振分光阵列结构上还设置有偏振分光膜。
4.如权利要求I所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述旋光阵列结构的所在面与偏振分光阵列结构的所在面平行，所述旋光阵列结构的延伸方向与所述偏振分光阵列结构的延伸方向的夹角为43° 47°。
5.如权利要求4所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述旋光阵列结构的延伸方向与所述偏振分光阵列结构的延伸方向的夹角为45°。
6.如权利要求I所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述旋光阵列结构由若干相同的第一类多边棱柱平行排布形成，所述偏振分光阵列结构由若干相同的第二类多边棱柱平行排布形成。
7.如权利要求6所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述旋光阵列结构由若干相同的第一类三棱柱平行排布形成，所述偏振分光阵列结构由若干相同的第二类三棱柱平行排布形成。
8.如权利要求7所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述第一类三棱柱的侧棱与第二类三棱柱的侧棱的夹角为43° 47°。
9.如权利要求8所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述第一类三棱柱的侧棱与第二类三棱柱的侧棱的夹角为45°。
10.如权利要求7所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述第一类三棱柱和第二类三棱柱的底面均为等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的斜边平行于所述旋光阵列结构的所在面。
11.如权利要求10所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述等腰直角三角形的斜边长度范围为50nm lOOOnm。
12.如权利要求I所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述偏振分光阵列结构由若干相同的半圆柱平行排布形成，所述半圆柱的圆弧面向外凸起，所述旋光阵列结构由若干相同的凹槽平行排布形成，所述凹槽的横截面为半圆形。
13.如权利要求I至12中任意一项所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述旋光阵列结构与所述衬底为一体成型。
14.如权利要求I至12中任意一项所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述外延层由底层向上依次包括N型限制层、量子阱层和P型限制层，所述P型限制层上表面具有所述偏振分光阵列结构。
15.如权利要求14所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述偏振分光阵列结构与P型限制层为一体成型。
16.如权利要求14所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述N型限制层和P型限制层的材质为氮化镓。
17.如权利要求14所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括P型电极和N型电极，所述P型电极设置于所述P型限制层上，所述N型电极设置于所述N型限制层上。
18.如权利要求I至12中任意一项所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括透明电极和钝化保护膜，所述透明电极位于所述外延层上，所述钝化保护膜覆盖于所述透明电极上。
19.如权利要求I至12中任意一项所述的直接出射线偏振光的发光二极管，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅。
专利摘要本实用新型提供一种直接出射线偏振光的发光二极管，所述发光二极管在衬底上形成旋光阵列结构，并在外延层上形成偏振分光阵列结构，所述偏振分光阵列结构用于对自然偏振光产生分光作用，以透射一类型偏振光，反射另一类型偏振光，所述旋光阵列结构用于将所述偏振分光阵列结构反射的另一类型偏振光再次反射，并将其转换为与偏振分光阵列结构透射类型相同的偏振光后，再经过偏振分光阵列结构射出，从而不需要引入外置偏振片即可实现直接出射线偏振光的目的，为后续二次光学设计提供了便利，也缩小相应领域应用产品的体积，降低了其生产成本，且光能得到充分利用、基本无能量损失，同时本实用新型所述发光二极管的制造方法工艺成熟且易实施。
文档编号H01L33/44GK202695524SQ20122031067
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者丁海生, 李东昇, 马新刚, 江忠永, 张昊翔, 王洋, 李超 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司