專利名稱：利用led芯片發(fā)射圓偏振光的方法及產(chǎn)品及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)射圓偏振光的LED芯片及其制備方法，尤其是一種發(fā)射圓偏振光的GaN基LED芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
光電子技術(shù)是21世紀(jì)的尖端技術(shù)，LED (light emitting diode)是光電子產(chǎn)業(yè)中最重要的光電子材料和組件之一。LED是一種電致發(fā)光器件，它通過正向偏置的PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光。在傳統(tǒng)LED器件中，電子只被看著電荷的載體，自旋這一概念常常被人們忽略。圓偏振光最為接近自然光，適合于人眼長期觀看。因此，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中常用偏振片來產(chǎn)生偏振光。但是，使用偏振片來產(chǎn)生偏振光將導(dǎo)致光的大量損失。例如，作為液晶顯示器的LED背光源，當(dāng)其光通過下層偏振片時，光的浪費(fèi)已達(dá)50%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用LED芯片發(fā)射圓偏振光的方法及產(chǎn)品及其制備方法，該LED芯片能夠直接發(fā)射出圓偏振光，可以克服利用偏振片產(chǎn)生偏振光時導(dǎo)致大量光被損失掉的不足。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的利用LED芯片發(fā)射圓偏振光的方法，在LED芯片頂層的η型層或P型層中加入過渡金屬，使頂層的η型層或P型層具有磁性，為LED芯片的發(fā)光層提供自旋極化的載流子注入，再將其輸運(yùn)到發(fā)光層與襯底基片一側(cè)的P型層或η型層中提供的未自旋極化的載流子輻射復(fù)合，發(fā)射出圓偏振光；或者在發(fā)光層兩側(cè)的η型層及P型層中均加入過渡金屬，使η型層及ρ型層均具有磁性，η型層及ρ型層同時注入自旋載流子，輸運(yùn)到發(fā)光層輻射復(fù)合，使LED芯片的發(fā)光層發(fā)射出圓偏振光。其中，當(dāng)ρ區(qū)和η區(qū)同時提供自旋注入時，自旋方向相反的電子或空穴復(fù)合發(fā)射熒光，自旋方向相同的電子或空穴復(fù)合發(fā)射磷光。所述的過渡金屬為Mn、Co、Fe、Cr、Ni或釙等。發(fā)射圓偏振光的LED芯片，包括襯底基片，襯底基片上的緩沖層，在緩沖層上的非磁性或磁性的半導(dǎo)體底層，在半導(dǎo)體底層上的發(fā)光層，在發(fā)光層上的磁性半導(dǎo)體頂層，在磁性半導(dǎo)體頂層上的透明電極層；在半導(dǎo)體底層及透明電極層上分別連接的底層電極及頂層電極，以及外部的露出底層電極及頂層電極頂面的鈍化保護(hù)層。發(fā)光層為發(fā)光層、量子阱、襯底圖形化陣列生長的發(fā)光層、量子點(diǎn)發(fā)光層、納米線發(fā)光層等中的一種或幾種的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整LED芯片的發(fā)光層結(jié)構(gòu)及材料組分，可以發(fā)射出不同顏色圓偏振光；其中發(fā)光層、量子阱的層數(shù)可以為單層或多層，其層數(shù)根據(jù)所需要發(fā)光的顏色進(jìn)行選擇。發(fā)光層的材料為至少含h或( 的化合物半導(dǎo)體材料。在η型層或ρ型層中加入補(bǔ)償元素。
η型側(cè)補(bǔ)償元素為Si，P型側(cè)補(bǔ)償元素為Mg或Si等。發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法，在襯底基片上生長緩沖層；在緩沖層上生長非磁性或磁性的半導(dǎo)體底層；在半導(dǎo)體底層上生長發(fā)光層；在發(fā)光層上生長磁性半導(dǎo)體頂層；在磁性半導(dǎo)體頂層的上沉積透明導(dǎo)電薄膜，并進(jìn)行光刻和刻蝕；在半導(dǎo)體底層及透明導(dǎo)電薄膜上濺射出金屬電極層，并進(jìn)行光刻和刻蝕，得到底層電極及頂層電極；最后在半成品的外表面沉積出鈍化保護(hù)薄膜，并進(jìn)行光刻和刻蝕，同時露出底層電極及頂層電極的頂面，即得到成品。在襯底基片上制備緩沖層之前，先將襯底基片在1000 1200°C下烘烤18 22min，然后在500 1000°C下對襯底基片進(jìn)行60 150s的氮化處理；在將經(jīng)過處理的襯底基片上制備緩沖層。緩沖層、半導(dǎo)體底層、發(fā)光層的制備采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法，半導(dǎo)體磁性層可以采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法或分子束外延法沉積。所述的磁性的半導(dǎo)體底層或磁性半導(dǎo)體頂層是在半導(dǎo)體材料中加入2 7%摩爾百分比的過渡金屬元素，經(jīng)過沉積得到的η型層或P型層，半導(dǎo)體底層與磁性半導(dǎo)體頂層的層形相反。加入過渡金屬元素后，使η型層成稀磁半導(dǎo)體層，以形成載流子的自旋方向有序排列，而不是很關(guān)注摻入磁性粒子的量。過渡金屬元素的加入量與具體加入的元素有關(guān)，在 2 7%摩爾百分比的范圍內(nèi)選擇比較合適；芯片的幾何形狀、金屬電極的幾何形狀與位置可以按需要調(diào)整和改變。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，電子或空穴的自旋極化指的是作為載流子的電子或空穴會朝相反的方向自旋，分別稱為上自旋和下自旋。例如，在費(fèi)米能級處，鐵磁金屬中的電子是 100%的下自旋極化。如果用磁性材料將傳統(tǒng)LED的電子或空穴極化，為傳統(tǒng)LED芯片提供自旋極化的電子或空穴注入，就能夠?qū)⒉牧系拇判怨δ芘cLED的發(fā)光功能結(jié)合，得到發(fā)射圓偏振光的LED。在半導(dǎo)體化合物材料中摻入少量的過渡金屬元素可以形成一種磁性化合物半導(dǎo)體。其晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵結(jié)最能與現(xiàn)有電子元件中半導(dǎo)體材料相匹配，在居里溫度以下其能帶的基曼分裂(Zeeman splitting)可以產(chǎn)生大的自旋偏極化，因此可以用作“為傳統(tǒng)LED提供自旋極化”的載流子源。例如摻錳的^vxMnxN薄膜，摻入的Mn離子取代部分的( 離子，除了提供Mn本身的磁矩外，還提供自旋空穴(針對ρ型Gai_xMrixN薄膜)，因而非常適合于傳統(tǒng)氮化鎵基LED載流子自旋極化需求。引入自旋載流子后的LED發(fā)射的是圓偏振光。若是直接發(fā)射圓偏振光的LED作為 LCD背光源，如果能夠利用光選擇定則，通過外加磁場調(diào)制其圓偏振光為線偏振光，則不再需要下偏振片，從而解決一些相應(yīng)技術(shù)問題。無論在通用照明領(lǐng)域，還是在諸如背光源、汽車前燈、顯示屏、景觀照明、指示標(biāo)牌、特種照明等領(lǐng)域，圓偏振光的LED都具有無限的應(yīng)用潛能。引入自旋載流子后的LED，還涉及到另一個至關(guān)重要的問題是自旋載流子(電子或空穴)輸運(yùn)問題，即不考慮磁性層與發(fā)光層界面缺陷等各種工藝因素時，載流子極化自旋注入后的壽命問題或能否輸運(yùn)到發(fā)光層的問題。極化的自旋電子或空穴，其自旋保持(弛豫) 時間比普通電子或空穴長，即具有更長的壽命和較遠(yuǎn)的輸運(yùn)距離，這為更多的載流子到達(dá)發(fā)光層復(fù)合發(fā)光提供了有利條件。這就表明，在合理的工藝條件下，施加同等的電流時，經(jīng)由磁性層注入到LED發(fā)光層進(jìn)行輻射復(fù)合發(fā)光的電子或空穴可以比傳統(tǒng)LED多。
引入自旋載流子后的LED，還有一個重要問題，那就是制備問題，也就是是否能與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容的問題。目前，除MOCVD法外，MBE法能在低溫下得到居里溫度達(dá)到或高于室溫的高質(zhì)量的氮化物稀磁性半導(dǎo)體薄膜。所得薄膜材料具有大的直接能隙，可以放出短波長的藍(lán)光或紫外光，還具有高熱導(dǎo)率、好的化學(xué)惰性、適合于高溫條件操作等特點(diǎn)， 并且，可以成功摻雜為η型或P型，且適合于異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝相兼容。這表明，過渡金屬摻雜的磁性化合物半導(dǎo)體薄膜已能盡快推廣到傳統(tǒng)LED芯片現(xiàn)有工藝中。MOCVD是金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文縮寫。MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。它以III族、II族元素的有機(jī)化合物和V、VI族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長各種III-V族、II -VI族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長都是在常壓或低壓(IO-IOOTorr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200°C， 用射頻感應(yīng)加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方)，H2通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長區(qū)。MBE是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)的英文縮寫。MBE是一種新的晶體生長技術(shù)，其方法是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中(也在腔體內(nèi))。由分別加熱到相應(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的(可薄至單原子層水平)單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。分子束外延主要研究的是不同結(jié)構(gòu)或不同材料的晶體和超晶格的生長。該法生長溫度低，能嚴(yán)格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度，但系統(tǒng)復(fù)雜，生長速度慢，生長面積也受到一定限制。分子束外延是50年代用真空蒸發(fā)技術(shù)制備半導(dǎo)體薄膜材料發(fā)展而來的。隨著超高真空技術(shù)的發(fā)展而日趨完善，由于分子束外延技術(shù)的發(fā)展開拓了一系列嶄新的超晶格器件，擴(kuò)展了半導(dǎo)體科學(xué)的新領(lǐng)域，進(jìn)一步說明了半導(dǎo)體材料的發(fā)展對半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件的影響。分子束外延的優(yōu)點(diǎn)就是能夠制備超薄層的半導(dǎo)體材料；外延材料表面形貌好， 而且面積較大均勻性較好；可以制成不同摻雜劑或不同成份的多層結(jié)構(gòu)；外延生長的溫度較低，有利于提高外延層的純度和完整性；利用各種元素的粘附系數(shù)的差別，可制成化學(xué)配比較好的化合物半導(dǎo)體薄膜。由于采用了上述的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用在LED芯片pn結(jié)半導(dǎo)體層的材料中加入過渡金屬的方法，使半導(dǎo)體層能為發(fā)光層提供極化的自旋載流子注入， 這些極化的空穴或電子輸運(yùn)到發(fā)光層后與另一側(cè)提供的未極化或極化的電子或空穴輻射復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)LED芯片發(fā)出圓偏振光的目的。并且，還可以通過調(diào)整所述LED芯片的發(fā)光層的結(jié)構(gòu)及材料組分，以獲得不同顏色的圓偏振光。本發(fā)明的方法簡單，容易實(shí)施，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性好，適用范圍廣，使用效果好。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的方法流程圖3、圖4及圖5為本發(fā)明的制作過程示意圖；圖6為鈍化保護(hù)后待切割的芯片平面示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例1 發(fā)射圓偏振光的LED芯片，芯片頂層為ρ型磁性層，在頂部的ρ 型層中摻雜Mn，使頂層的ρ型層成為具有磁性的半導(dǎo)體層，ρ型層為發(fā)光層提供自旋載流子 (空穴)注入，輸運(yùn)到發(fā)光層中的自旋載流子與η型層中輸運(yùn)的未自旋極化的載流子(電子) 輻射復(fù)合，使發(fā)光層發(fā)出圓偏振光(發(fā)光層為10個周期的氮化鎵銦(GalnN/GaN)多量子阱結(jié)構(gòu))。上述發(fā)射圓偏振光的LED芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括襯底基片1，在襯底基片1 上設(shè)有緩沖層2，在緩沖層2的上設(shè)有非磁性的半導(dǎo)體底層3，在半導(dǎo)體底層3上設(shè)有發(fā)光層4，在發(fā)光層4上設(shè)有磁性半導(dǎo)體頂層5，在磁性半導(dǎo)體頂層5上設(shè)有透明電極層6 ；在半導(dǎo)體底層3及透明電極層6上分別連接有底層電極7及頂層電極8 ；在外部設(shè)有露出底層電極7及頂層電極8頂面的鈍化保護(hù)層9。上述發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法a對襯底基片進(jìn)行處理先將藍(lán)寶石作為材料的襯底基片在1100°C下烘烤20min，然后在800°C下對襯底基片進(jìn)行IOOs的氮化處理；b生長η型一側(cè)薄膜在經(jīng)過處理的襯底基片上采用MOCVD法，在800°C的條件下，生長厚度為8nm的AlN緩沖層；600°C的條件下，生長厚度為2um的GaN緩沖層；在600°C的條件下，生長厚度為IOOnm的GaN層；在600°C的條件下，摻雜Si生長厚度為IOOnm的η型GaN 層；c生長多量子阱發(fā)光層1)在600°C的條件下，生長厚度為50nm的GaN層；2)600°C的條件下，生長厚度為IOnm的氮化鎵銦(InGaN)發(fā)光層；3)在600°C的條件下，生長厚度為50nm 的GaN層；4)將步驟2)及步驟3)重復(fù)10個周期，最后一個GaN層可以為P型；d采用MBE 法生長ρ型(GivxMnx) N磁性半導(dǎo)體薄膜在240°C的條件下，利用共摻雜方式加入Mn以及比N原子半徑小的Mg，生長厚度為80nm的ρ型Gai_xMnxN頂接觸層(x=3% 5%)；在略低于生長溫度的條件下退火1小時，得到的外延片結(jié)構(gòu)見附圖3 ；e清洗使用H2SO4溶液、H2O2溶液、氫氟酸溶液、鹽酸、NH4OH等結(jié)合超聲波清洗技術(shù)去除所述LED外延片表面的有機(jī)雜質(zhì)和金屬離子；f沉積透明電極層采用濺射法在P型(Gai_xMnx) N磁性半導(dǎo)體薄膜上沉積一層ITO透明電極，厚度為200nm ；g去除η區(qū)的透明電極層在ITO上涂一層光刻膠，對η區(qū)的方形區(qū)域進(jìn)行光刻、刻蝕，刻蝕方法為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，刻蝕完畢后除去光刻膠；h對 η電極區(qū)平臺光刻、刻蝕對芯片進(jìn)行清洗后，涂厚的光刻膠；在附圖4所示η區(qū)位置光刻出一個需要的幾何區(qū)域，其位置也根據(jù)需要可調(diào)；刻蝕出比較深的η側(cè)電極區(qū)平臺，既要保證刻蝕到η型GaN裸露，又不能將η型GaN層刻穿；刻蝕的方法采用增強(qiáng)等離子刻蝕(ICP) 法；刻蝕完畢后去除光刻膠，退火處理；i沉積P區(qū)和η區(qū)電極對芯片進(jìn)行清洗后，采用磁控濺射的方法在P型(GivxMnx) N層和η型GaN區(qū)沉積Cu電極，厚度為200nm ；對芯片進(jìn)行清洗后，涂光刻膠，針對P區(qū)和η區(qū)的金屬電極進(jìn)行光刻、刻蝕；剝離殘留的光刻膠，進(jìn)行退火處理，得到的結(jié)構(gòu)見附圖5 ;j制備SiO2保護(hù)層對芯片進(jìn)行清洗后，用MOCVD設(shè)備生長一層SiO2保護(hù)層。涂光刻膠，對η電極和ρ電極的露出部分的圖形進(jìn)行光刻；用氟化氫(HF) 溶液對電極區(qū)的SW2進(jìn)行刻蝕，完畢后除去光刻膠；k芯片的后期處理對芯片的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行研磨、減薄、劃片、切割和成品測試等工序，最后對芯片進(jìn)行封裝。按照所述步驟和工藝，能夠制備出含質(zhì)量較好的P型^vxMnxN磁性薄膜的LED芯片，其中的P型磁性半導(dǎo)體薄膜與發(fā)光層上方的GaN構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，成為極化自旋空穴注入器。通過該磁性自旋載流子注入器，可以向發(fā)光層注入極化空穴，到達(dá)發(fā)光層的極化自旋空穴與η型GaN提供的未極化的電子發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)射出圓偏振光。通過調(diào)整發(fā)光層結(jié)構(gòu)及材料組分可以發(fā)出不同顏色的圓偏振光。本發(fā)明的實(shí)施例2 發(fā)射圓偏振光的LED芯片，芯片的頂層為ρ型磁性層、底層為η 型磁性層，即將頂部的P型層及底部的η型層中摻雜Fe，同時在P型層中加入Si降低受主補(bǔ)償、在η型層中加入Si增加施主電荷，使頂層的ρ型層及底部的η型層成為具有磁性的半導(dǎo)體層，P型層及η型層同時為發(fā)光層提供自旋載流子注入，輸運(yùn)到發(fā)光層中輻射復(fù)合， 使發(fā)光層發(fā)出圓偏振光(發(fā)光層為5個周期的氮化鎵銦(GalnN/GaN)多量子阱結(jié)構(gòu))。上述可發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法為，a對襯底基片進(jìn)行處理先將藍(lán)寶石作為材料的襯底基片在1000°c下烘烤22min，然后在500°C下對襯底基片進(jìn)行160s的氮化處理；b生長η型一側(cè)薄膜在經(jīng)過處理的襯底基片上采用MOCVD法，在500°C的條件下， 生長厚度為IOnm的AlN緩沖層；500°C的條件下，生長厚度為2um的GaN緩沖層；在500°C 的條件下，生長厚度為200nm的GaN層；在500°C的條件下，摻雜!^e及Si生長厚度為200nm 的η型(Gai_xFex) N層(x=3% 5%) ；c生長多量子阱發(fā)光層1)在500°C的條件下，生長厚度為IOOnm的GaN層；2) 500°C的條件下，生長厚度為15nm的氮化鎵銦(InGaN)發(fā)光層；3) 在500°C的條件下，生長厚度為IOOnm的GaN層；4)將步驟2)及步驟3)重復(fù)5個周期，最后一個GaN層可以為P型；d采用MOCVD法生長ρ型(Gai_xFi3x)N磁性半導(dǎo)體薄膜在500°C 的條件下，利用共摻雜方式加入狗以及Zn，生長厚度為SOnm的ρ型(Gai_xFex) N頂接觸層 (x=2. 5% 5%); e清洗使用H2SO4溶液、H2A溶液、氫氟酸溶液、鹽酸、NH4OH等結(jié)合超聲波清洗技術(shù)去除所述LED外延片表面的有機(jī)雜質(zhì)和金屬離子；f沉積透明電極層采用濺射法在ρ型(Gi^xFi5x)N磁性半導(dǎo)體薄膜上沉積一層ITO透明電極，厚度為200nm ；去除η區(qū)的透明電極層。在ITO上涂一層光刻膠，對η區(qū)的方形區(qū)域進(jìn)行光刻、刻蝕，刻蝕方法為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，刻蝕完畢后除去光刻膠；g對η電極區(qū)平臺光刻、刻蝕對芯片進(jìn)行清洗后， 涂厚的光刻膠；在η區(qū)位置光刻出一個需要的幾何區(qū)域，其位置也根據(jù)需要可調(diào)；刻蝕出比較深的η側(cè)電極區(qū)平臺，既要保證刻蝕到η型GaN裸露，又不能將η型GaN層刻穿；刻蝕的方法采用增強(qiáng)等離子刻蝕(ICP)法；刻蝕完畢后去除光刻膠，退火處理；h沉積ρ區(qū)和η區(qū)電極對芯片進(jìn)行清洗后，采用磁控濺射的方法在ρ型(Gi^xFex) N層和η型(Gi^xFex) N區(qū)沉積Au電極，厚度為200nm ；對芯片進(jìn)行清洗后，涂光刻膠，針對ρ區(qū)和η區(qū)的金屬電極進(jìn)行光刻、刻蝕；剝離殘留的光刻膠，進(jìn)行退火處理；i制備SiO2保護(hù)層對芯片進(jìn)行清洗后，用 MOCVD設(shè)備生長一層SiO2保護(hù)層。涂光刻膠，對η電極和ρ電極的露出部分的圖形進(jìn)行光刻；用氟化氫(HF)溶液對電極區(qū)的SW2進(jìn)行刻蝕，完畢后除去光刻膠；j芯片的后期處理 對芯片的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行研磨、減薄、劃片、切割和成品測試等工序，最后對芯片進(jìn)行封裝。本發(fā)明的實(shí)施例3 發(fā)射圓偏振光的LED芯片，芯片為反轉(zhuǎn)的LED外延層結(jié)構(gòu)，即頂層為η型磁性層的LED芯片。方法是將頂部的η型層中摻雜Co和Si、底部ρ型層中加入Mg，使頂層的η型層成為具有磁性的半導(dǎo)體層，該η型層為發(fā)光層提供自旋載流子(電子) 注入，輸運(yùn)到發(fā)光層中的自旋載流子與P型層中輸運(yùn)的未自旋極化的載流子(空穴)輻射復(fù)合，使發(fā)光層發(fā)出圓偏振光(發(fā)光層為15個周期的氮化鎵銦(GalnN/GaN)多量子阱結(jié)構(gòu))。上述可發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法為，a對襯底基片進(jìn)行處理先將藍(lán)寶石作為材料的襯底基片在1200°C下烘烤18min，然后在1000°C下對襯底基片進(jìn)行60s的氮化處理；b生長ρ型層一側(cè)薄膜在經(jīng)過處理的襯底基片上采用MOCVD法，在1000°C的條件下，生長厚度為5nm的AlN緩沖層；700°C的條件下，生長厚度為2um的GaN緩沖層；在700°C 的條件下，生長厚度為50nm的GaN層；在700°C的條件下，摻雜Mg生長厚度為50nm的ρ型 GaN層；c生長多量子阱發(fā)光層1)在650°C的條件下，生長厚度為IOOnm的GaN層；2)650°C 的條件下，生長厚度為5nm的氮化鎵銦(InGaN)發(fā)光層；3)在650°C的條件下，生長厚度為 IOOnm的GaN層；4)將步驟2)及步驟3)重復(fù)15個周期；d采用MBE法生長η型(Gi^xC0x) N磁性半導(dǎo)體薄膜在220°C的條件下，利用共摻雜方式加入Co以及Si，生長厚度為20nm的 ρ型(Gai_xCox) N頂接觸層(x=3% 5%)；在略低于生長溫度的條件下退火1小時；e清洗 使用溶液、H2A溶液、氫氟酸溶液、鹽酸、NH4OH等結(jié)合超聲波清洗技術(shù)去除所述LED外延片表面的有機(jī)雜質(zhì)和金屬離子；f沉積透明電極層采用濺射法在η型(Gai_xCox) N磁性半導(dǎo)體薄膜上沉積一層ITO透明電極，厚度為200nm ；g去除ρ區(qū)的透明電極層在ITO上涂一層光刻膠，對P區(qū)的方形區(qū)域進(jìn)行光刻、刻蝕，刻蝕方法為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，刻蝕完畢后除去光刻膠；h對ρ電極區(qū)平臺光刻、刻蝕對芯片進(jìn)行清洗后，涂厚的光刻膠；在ρ區(qū)位置光刻出一個需要的幾何區(qū)域，其位置也根據(jù)需要可調(diào)；刻蝕出比較深的P側(cè)電極區(qū)平臺，既要保證刻蝕到P型GaN裸露，又不能將ρ型GaN層刻穿；刻蝕的方法采用增強(qiáng)等離子刻蝕(ICP)法；刻蝕完畢后去除光刻膠，退火處理；i沉積ρ區(qū)和η區(qū)電極對芯片進(jìn)行清洗后，采用磁控濺射的方法在η型(((;ai_xC0x) N層和ρ型GaN區(qū)沉積Cu電極，厚度為200nm ； 對芯片進(jìn)行清洗后，涂光刻膠，針對P區(qū)和η區(qū)的金屬電極進(jìn)行光刻、刻蝕；剝離殘留的光刻膠，進(jìn)行退火處理；j制備SW2保護(hù)層對芯片進(jìn)行清洗后，用MOCVD設(shè)備生長一層SW2保護(hù)層。涂光刻膠，對η電極和ρ電極的露出部分的圖形進(jìn)行光刻；用氟化氫(HF)溶液對電極區(qū)的SW2進(jìn)行刻蝕，完畢后除去光刻膠；k芯片的后期處理對芯片的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行研磨、減薄、劃片、切割和成品測試等工序，最后對芯片進(jìn)行封裝。 按照所述步驟和工藝，能夠制備出含質(zhì)量較好的η型(GivxCox) N磁性薄膜的LED 芯片，其中的η型(Gai_xCox) N磁性半導(dǎo)體薄膜與發(fā)光層上方的GaN構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，成為極化自旋電子注入器，通過該磁性自旋載流子注入器，可以向發(fā)光層注入極化電子，到達(dá)發(fā)光層的極化自旋電子與P型GaN提供的未極化的空穴發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)射出圓偏振光。
權(quán)利要求
1.一種利用LED芯片發(fā)射圓偏振光的方法，其特征在于在LED芯片頂層的η型層或 P型層中加入過渡金屬，使頂層的η型層或P型層具有磁性，為LED芯片的發(fā)光層提供自旋極化的載流子注入，再將其輸運(yùn)到發(fā)光層與襯底基片一側(cè)的P型層或η型層中提供的未自旋極化的載流子輻射復(fù)合，使LED芯片的發(fā)光層發(fā)出圓偏振光；或者在發(fā)光層兩側(cè)的η型層及P型層中均加入過渡金屬，使η型層及ρ型層均具有磁性，η型層及ρ型層同時注入自旋載流子，輸運(yùn)到發(fā)光層輻射復(fù)合，使LED芯片的發(fā)光層發(fā)出圓偏振光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用LED芯片發(fā)射圓偏振光的方法，其特征在于所述的過渡金屬為 Mn、Co、Fe、Cr、Ni 或 Sb。
3.一種發(fā)射圓偏振光的LED芯片，其特征在于在襯底基片(1)上設(shè)有緩沖層(2)，在緩沖層(2)上設(shè)有非磁性或磁性的半導(dǎo)體底層(3)，在半導(dǎo)體底層(3)上設(shè)有發(fā)光層(4)，在發(fā)光層(4)上設(shè)有磁性半導(dǎo)體頂層(5)，在磁性半導(dǎo)體頂層(5)上設(shè)有透明電極層(6);在半導(dǎo)體底層(3 )及透明電極層(6 )上分別連接有底層電極(7 )及頂層電極(8 )；在外部設(shè)有露出底層電極(7)及頂層電極(8)頂面的鈍化保護(hù)層(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)射圓偏振光的LED芯片，其特征在于發(fā)光層(4)為發(fā)光層、量子阱、襯底圖形化陣列生長的發(fā)光層、量子點(diǎn)發(fā)光層、納米線發(fā)光層中的一種或幾種的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)射圓偏振光的LED芯片，其特征在于發(fā)光層(4)的材料為至少含h或( 的化合物半導(dǎo)體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)射圓偏振光的LED芯片，其特征在于采用共摻雜方式，在 η型或ρ型磁性層中加入微量補(bǔ)償元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)射圓偏振光的LED芯片，其特征在于n型側(cè)的補(bǔ)償元素為 Si，ρ型側(cè)補(bǔ)償元素為Mg或Si。
8.一種發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法，其特征在于在襯底基片上生長緩沖層； 在緩沖層上生長非磁性或磁性的半導(dǎo)體底層；在半導(dǎo)體底層上生長發(fā)光層；在發(fā)光層上生長磁性半導(dǎo)體頂層；在磁性半導(dǎo)體頂層上沉積透明導(dǎo)電薄膜，并進(jìn)行光刻和刻蝕；在半導(dǎo)體底層及透明導(dǎo)電薄膜上濺射出金屬電極層，并進(jìn)行光刻和刻蝕，得到底層電極及頂層電極；最后在半成品的外表面沉積出鈍化保護(hù)薄膜，并進(jìn)行光刻和刻蝕，同時露出底層電極及頂層電極的頂面，即得到成品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法，其特征在于半導(dǎo)體磁性層的生長可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法或分子束外延法。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)射圓偏振光的LED芯片的制備方法，其特征在于所述的磁性的半導(dǎo)體底層及磁性半導(dǎo)體頂層是在半導(dǎo)體材料中加入2 7%摩爾百分比的過渡金屬元素，經(jīng)過沉積得到的η型層或P型層，半導(dǎo)體底層與磁性半導(dǎo)體頂層的層形相反。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用LED芯片發(fā)射圓偏振光的方法及產(chǎn)品及其制備方法，在LED芯片頂層的n型層或p型層中加入過渡金屬，使頂層的n型層或p型層具有磁性，為LED芯片的發(fā)光層提供自旋極化的載流子注入，再將其輸運(yùn)到發(fā)光層與襯底基片一側(cè)的p型層或n型層中提供的未自旋極化的載流子輻射復(fù)合，使LED芯片的發(fā)光層發(fā)射出圓偏振光。本發(fā)明采用在LED芯片pn結(jié)半導(dǎo)體層材料中加入過渡金屬引入磁性的方法，使pn結(jié)半導(dǎo)體層能為發(fā)光層提供極化的自旋載流子注入，以實(shí)現(xiàn)LED芯片發(fā)出圓偏振光的目的。并且，還可以通過調(diào)整所述LED芯片的發(fā)光層的結(jié)構(gòu)及材料組分，以獲得不同顏色的圓偏振光。
文檔編號H01L33/02GK102255015SQ20111019010
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者張榮芬, 李緒誠, 楊利忠, 許鋮, 鄧朝勇 申請人:貴州大學(xué)