发射圆偏振光的LED芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种发射圆偏振光的LED芯片，包括衬底基片，在衬底基片上设有缓冲层，在缓冲层上设有非磁性或磁性的半导体底层，在半导体底层上设有发光层，在发光层上设有磁性半导体顶层，在磁性半导体顶层上设有透明电极层；在半导体底层及透明电极层上分别连接有底层电极及顶层电极；在外部设有露出底层电极及顶层电极顶面的钝化保护层。本实用新型专利技术采用在LED芯片pn结半导体层的材料中加入过渡金属的方法，使半导体层能为发光层提供极化的自旋载流子注入，这些极化的空穴或电子输运到发光层后与另一侧提供的未极化或极化的电子或空穴辐射复合，以实现LED芯片发出圆偏振光的目的。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种发射圆偏振光的LED芯片，尤其是一种发射圆偏振光的GaN 基LED芯片。
技术介绍
光电子技术是21世纪的尖端技术，LED (light emitting diode)是光电子产业中最重要的光电子材料和组件之一。LED是一种电致发光器件，它通过正向偏置的PN结中电子与空穴的辐射复合发光。在传统LED器件中，电子只被看着电荷的载体，自旋这一概念常常被人们忽略。圆偏振光最为接近自然光，适合于人眼长期观看。因此，现实应用中常用偏振片来产生偏振光。但是，使用偏振片来产生偏振光将导致光的大量损失。例如，作为液晶显示器的LED背光源，当其光通过下层偏振片时，光的浪费已达50%。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种利用LED芯片发射圆偏振光的产品，该LED芯片能够直接发射出圆偏振光，可以克服利用偏振片产生偏振光时导致大量光被损失掉的不足。本技术是这样实现的发射圆偏振光的LED芯片，包括衬底基片，在衬底基片上设有缓冲层，在缓冲层上设有非磁性或磁性的半导体底层，在半导体底层上设有发光层， 在发光层上设有磁性半导体顶层，在磁性半导体顶层上设有透明电极层；在半导体底层及透明电极层上分别连接有底层电极及顶层电极；在外部设有露出底层电极及顶层电极顶面的钝化保护层。发光层为发光层、量子阱、衬底图形化阵列生长的发光层、量子点发光层、纳米线发光层等中的一种或几种的复合结构。通过调整LED芯片的发光层结构及材料组分，可以发射出不同颜色圆偏振光；其中发光层、量子阱的层数可以为单层或多层，其层数根据所需要发光的颜色进行选择。所述的磁性的半导体底层或磁性半导体顶层是在半导体材料中加入2 7%摩尔百分比的过渡金属元素，经过沉积得到的η型层或P型层，半导体底层与磁性半导体顶层的层形相反。加入过渡金属元素后，使η型层成稀磁半导体层，以形成载流子的自旋方向有序排列，而不是很关注掺入磁性粒子的量。过渡金属元素的加入量与具体加入的元素有关，在 2 7%摩尔百分比的范围内选择比较合适；芯片的几何形状、金属电极的几何形状与位置可以按需要调整和改变。在自旋电子学领域，电子或空穴的自旋极化指的是作为载流子的电子或空穴会朝相反的方向自旋，分别称为上自旋和下自旋。例如，在费米能级处，铁磁金属中的电子是 100%的下自旋极化。如果用磁性材料将传统LED的电子或空穴极化，为传统LED芯片提供自旋极化的电子或空穴注入，就能够将材料的磁性功能与LED的发光功能结合，得到发射圆偏振光的LED。在半导体化合物材料中掺入少量的过渡金属元素可以形成一种磁性化合物半导体。其晶体结构与化学键结最能与现有电子元件中半导体材料相匹配，在居里温度以下其能带的基曼分裂(Zeeman splitting)可以产生大的自旋偏极化，因此可以用作“为传统LED提供自旋极化”的载流子源。例如掺锰的^vxMnxN薄膜，掺入的Mn离子取代部分的( 离子，除了提供Mn本身的磁矩外，还提供自旋空穴(针对ρ型Gai_xMrixN薄膜)，因而非常适合于传统氮化镓基LED载流子自旋极化需求。引入自旋载流子后的LED发射的是圆偏振光。若是直接发射圆偏振光的LED作为 LCD背光源，如果能够利用光选择定则，通过外加磁场调制其圆偏振光为线偏振光，则不再需要下偏振片，从而解决一些相应技术问题。无论在通用照明领域，还是在诸如背光源、汽车前灯、显示屏、景观照明、指示标牌、特种照明等领域，圆偏振光的LED都具有无限的应用潜能。引入自旋载流子后的LED，还涉及到另一个至关重要的问题是自旋载流子(电子或空穴)输运问题，即不考虑磁性层与发光层界面缺陷等各种工艺因素时，载流子极化自旋注入后的寿命问题或能否输运到发光层的问题。极化的自旋电子或空穴，其自旋保持(弛豫) 时间比普通电子或空穴长，即具有更长的寿命和较远的输运距离，这为更多的载流子到达发光层复合发光提供了有利条件。这就表明，在合理的工艺条件下，施加同等的电流时，经由磁性层注入到LED发光层进行辐射复合发光的电子或空穴可以比传统LED多。引入自旋载流子后的LED，还有一个重要问题，那就是制备问题，也就是是否能与现有半导体工艺兼容的问题。目前，除MOCVD法外，MBE法能在低温下得到居里温度达到或高于室温的高质量的氮化物稀磁性半导体薄膜。所得薄膜材料具有大的直接能隙，可以放出短波长的蓝光或紫外光，还具有高热导率、好的化学惰性、适合于高温条件操作等特点， 并且，可以成功掺杂为η型或P型，且适合于异质结构，能与现有半导体工艺相兼容。这表明，过渡金属掺杂的磁性化合物半导体薄膜已能尽快推广到传统LED芯片现有工艺中。MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文缩写。MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。它以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种III-V族、II -VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(IO-IOOTorr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200°C， 用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方)，H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。MBE是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)的英文缩写。MBE是一种新的晶体生长技术，其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好， 而且面积较大均勻性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。由于采用了上述的技术方案，与现有技术相比，本技术采用在LED芯片pn结半导体层的材料中加入过渡金属的方法，使半导体层能为发光层提供极化的自旋载流子注入，这些极化的空穴或电子输运到发光层后与另一侧提供的未极化或极化的电子或空穴辐射复合，以实现LED芯片发出圆偏振光的目的。并且，还可以通过调整所述LED芯片的发光层的结构及材料组分，以获得不同颜色的圆偏振光。本技术的方法简单，容易实施，产品的质量稳定性好，适用范围广，使用效果好。附图说明图1为本技术的结构示意图；图2、图3及图4为本技术的制作过程示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种发射圆偏振光的ＬＥＤ芯片，包括衬底基片（１），其特征在于：在衬底基片（１）上设有缓冲层（２），在缓冲层（２）上设有非磁性或磁性的半导体底层（３），在半导体底层（３）上设有发光层（４），在发光层（４）上设有磁性半导体顶层（５），在磁性半导体顶层（５）上设有透明电极层（６）；在半导体底层（３）及透明电极层（６）上分别连接有底层电极（７）及顶层电极（８）；在外部设有露出底层电极（７）及顶层电极（８）顶面的钝化保护层（９）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓朝勇，张荣芬，杨利忠，李绪诚，许铖，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：实用新型
国别省市：52