[实用新型]发射圆偏振光的LED芯片

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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%。

发明内容

本实用新型的目的是：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。

本实用新型是这样实现的：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n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n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Ga_1-xMn_xN薄膜，掺入的Mn离子取代部分的Ga离子，除了提供Mn本身的磁矩外，还提供自旋空穴（针对p型Ga_1-xMn_xN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。