[发明专利]一种用于提高QWIP-LED光提取效率的二维光子晶体厚膜

说明书

技术领域：

本专利涉及一种光学薄膜结构。具体是指一种用于提高QWIP-LED光提取效率的二维光子晶体厚膜结构，该技术可用于红外探测器的器件研制领域。

背景技术：

红外上转换技术一直以来是各国研究人员的一个研究热点，其目的是为了将目标的中长波红外光辐射转变成近红外光或者可见光图像信息，然后用商用CCD或者CMOS进行成像，替代价格昂贵的传统红外面阵探测器。QWIP-LED是一种典型的红外上转换器件，可将入射到QWIP区域的长波红外光（7.8μm）转变成LED区域近红外光（870nm）输出。QWIP-LED器件是将基于GaAs/AlGaAs的多量子阱结构QWIPs与基于InGaAs/GaAs的LED结构串联在一起。正常工作时，器件处于恒定电压下，QWIPs吸收成像光学系统入射光后产生光生载流子，载流子在QWIPs平面内的分布是目标图像具体反映。在恒定电压作用下载流子流向LED区域，在LED有源区发生载流子和空穴复合，激发出近红外光，对目标景物进行了图像重现。

然而QWIP-LED器件的光学效率一直困扰着这种类型器件的发展。由于QWIP-LED具有较高的材料折射率（QWIP-LED约为3.5），大部分出射的近红外光在LED与空气的界面上发生了全发射，使得光出射率极低，对于QWIP-LED器件该值低于2%（1/n²）。

对于传统照明用途的LED，为改善其的光提取效率，人们提出了一系列的方法，包括表面粗糙化，倒金字塔结构，制作布拉格反射结构等。这些方法可以一定程度上改善照明用LED的光提取效率，但是并不适用于进行红外成像探测用途的QWIP-LED器件。

二维光子晶体厚膜用于提高LED光提取效率已有先例，但也主要是应用于照明用LED。二维光子晶体厚膜的能带理论指出：一方面二维光子晶体厚膜存在能带结构中存在带隙，频率处于带隙内的导波模式将被抑制，从而使得出射光得到增强；另外一方面，二维光子晶体厚膜结构中的导波模式存在频率上限，高于此频率的光将以出射模式从厚膜结构中出射。该理论很好的支持了二维光子晶体厚膜结构用于提高QWIP-LED器件光学效率的应用前景。

发明内容：

基于以上技术背景，本发明提出一种用于提高QWIP-LED光提取效率的二维光子晶体厚膜结构。

如图所示，二维光子晶体厚膜2位于QWIP-LED器件LED一侧的电极层1上，覆盖整个发光面；二维光子晶体厚膜2采用GaAs材料制作，其结构为正三角形阵列排列的孔状结构，孔的深度为270-290nm，孔的半径为320-332nm，晶格常数取值范围为700-720nm。

为了最大程度降低对QWIP-LED器件电气特性的影响，本发明所提出的用于提高QWIP-LED光提取效率的二维光子晶体厚膜结构是采用标准的纳米加工技术在QWIP-LED器件的电极层进行制作加工的，图1展示了厚膜结构在QWIP-LED器件上的加工位置。

针对QWIP-LED器件中心发光波长（870nm），对二维光子晶体厚膜的结构参数进行了优化设计。二维光子晶体厚膜的主要结构参数为晶格常数a（相邻空气孔中心距）、填充因子（孔半径与晶格常数比值r/a）以及孔深d。图3-5分别是含二维光子晶体厚膜结构的QWIP-LED的相对光提取效率随三个参数的变化曲线。通过频谱分析得到，经过优化设计的厚膜结构可在QWIP-LED器件的发光范围内（870±5nm）将器件的光提取效率提高至原来的2倍以上。

本发明的优点在于：

1.该二维光子晶体厚膜结构可以在QWIP-LED器件发光最为集中的频谱范围内将其光出射效率提高至原来的2倍以上。

2.厚膜结构制作于器件外表层，可采用激光刻蚀等方法进行，具有制作工艺简单，成本低的有点。

3.厚膜结构分布于器件的电极层，保证了LED有源区的完整性，从而使得器件输出的红外图像不因器件电气特性的损坏而发生畸变。

附图说明：

图1中（a）是含二维光子晶体厚膜的QWIP-LED器件剖面示意图，（b）是位于电极层的二维光子晶体厚膜结构示意图。

图2中（a）是二维光子晶体厚膜最小结构单元俯视图以及参数a和r,(b)是结构参数d。

图3是QWIP-LED相对光提取效率随晶格常数的变化曲线。

图4是QWIP-LED相对光提取效率随填充因子的变化曲线。

图5是QWIP-LED相对光提取效率随孔深的变化曲线。

具体实施方式：