一种具有复合结构的偏振发光二极管技术领域
本发明属于半导体光电子器件制造领域，涉及一种发光二极管，特别涉及一种具
有复合结构的偏振发光二极管。
背景技术
发光二极管（LED）是一种当在正向方向上被电偏置时以受激方式发光的半导体光
源装置。根据材料的不同，LED可以发出近紫外、可见光和近红外光。
以氮化镓为代表的第三代半导体，可以制成高效的LED，氮化镓及其合金的带隙覆
盖了从红外到紫外的光谱范围。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定
性好等性质和强的抗辐射能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着
广阔的前景。当前LED发展的两个主流方向，一是提高LED的发光效率，而是赋予LED特殊的
光学性能，从LED的特殊光学性能来讲，例如赋予LED偏振出光的特性，具有非常重要的实际
意义。如果LED芯片本身就发射偏振光的话，将带来很多设备、体积、耗资上的节省。基于偏
振型 LED结构紧凑、体积小、反应速度快、光损耗低、能量转化效率高等优点，几乎所有的传
统的偏振光源都可以使用偏振型LED代替，例如3D放映机的照明光源、磁光存储的激光头
等。所以，研究、设计、制造偏振型LED对加深LED的理论研究、扩展应用范围、提高应用质量
具有重要价值。
经检索，专利CN 103746057 A 公开了一种线偏振出光发光二极管，如图1所示，包
括基底1，、n型层2，、量子阱3，和p型层4，，在p型层4，的上表面设有介质过渡层5，，所述介质过
渡层5，上设有纳米双层金属光栅6，，所述介质过渡层5，上的厚度在50～300nm；本发明针对
氮化镓基LED发光在蓝、绿光区，经过调整和优化相关结构参数，可以实现优异的光学偏振
特性及较好的透过率。但该结构的线偏振出光发光二极管仍存在一定的缺陷：1.通过合理
设计，纳米双层金属光栅可以实现对平行于线栅的偏振光具有强的反射，相应垂直方向的
偏振光具有强的透射，但该结构设计不能保证发光二极管的内量子效率；2. 该结构通过优
化介质过渡层厚度、介质光栅周期、占空比、厚度及双层光栅的厚度，实现LED的高偏振度出
光，但不能使原来发生全发射的光线全部出射，进而发光效率还有待提高，偏振度也有待提
高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高发光效率及增强内量子效率的具
有复合结构的偏振发光二极管。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种具有复合结构的偏振发光二极
管，其创新点在于：所述偏振发光二极管包括自下而上依次设置的具有完整结构可以正常
发光的发光二极管芯片、周期性结构增透层以及纳米金属颗粒光子晶体层。
进一步地，所述周期性结构增透层的图形是具有周期结构的半椭球体、圆锥、四棱
锥、三棱锥、四棱台或圆台中的一种，优选半椭球体和圆锥，图形的横向周期为0.1 μm ～20
μm，图形的底面直径与高度比为0.1～10。
进一步地，所述纳米金属颗粒的光子晶体层，光子晶体可以是一维光子晶体、二维
光子晶体或三维光子晶体。
进一步地，所述纳米金属颗粒的光子晶体层，三维光子晶体的晶格结构可以是三
维面心立方晶格、三维立方晶格或三维六角晶格中的一种。
进一步地，所述纳米金属颗粒的光子晶体层，金属纳米颗粒为周期性分布或非周
期性分布的金属纳米球。
进一步地，所述纳米金属颗粒的光子晶体层，金属纳米颗粒的直径为1-800nm。
进一步地，所述纳米金属颗粒的光子晶体层，金属纳米颗粒的材料为Al、Ag、Au、
Cu、Ni、Cr或它们的合金。
本发明的优点在于：本发明具有复合结构的偏振发光二极管，通过纳米金属颗粒
构成的光子晶体的偏振结构，可获得偏振出光；同时，纳米金属颗粒的使用，可以充分利用
等离子体激元效应，从而可以有效地增强LED的内量子效率；此外，周期性结构增透层可提
高光线的出射角，将原来发生全发射的光线出射，大大提高发光效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是CN 103746057 A 中线偏振出光发光二极管的结构示意图。
图2是本发明具有复合结构的偏振发光二极管的结构示意图。
图3和图4是具有复合结构的偏振发光二极管中周期性结构增透层的结构示意图。
图5、图6和图7是具有复合结构的偏振发光二极管中纳米金属颗粒的光子晶体层
的结构示意图。
图8和图9是光线垂直入射单面半椭球体（无背面反射），反射率随高宽比变化的关
系图。
图10是光线垂直入射单面半椭球体（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比
变化的关系图。
图11是光线垂直入射双面半椭球体（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比
变化的关系图。
图12和图13是光线垂直入射单面圆锥（无背面反射），反射率随高宽比变化的关系
图。
图14是光线垂直入射单面圆锥（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比变化
的关系图。
图15是光线垂直入射双面圆锥（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比变化
的关系图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发
明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例具有复合结构的偏振发光二极管，如图2所示，该偏振发光二极管包括自
下而上依次设置的具有完整结构可以正常发光的发光二极管芯片1、周期性结构增透层2以
及纳米金属颗粒光子晶体层3。
作为实施例，更具体地实施方式为周期性结构增透层2的图形，如图3所示，是具有
周期性的半椭球体；或如图4所示，是具有周期性的圆锥；这些图形的横向周期为0.1 μm ～
20 μm，图形的底面直径与高度比为0.1～10；周期性结构增透层2可提高光线的出射角，将
原来发生全发射的光线出射，大大提高发光效率。
纳米金属颗粒的光子晶体层3，通过纳米金属颗粒构成的光子晶体的偏振结构，可
获得偏振出光；同时，纳米金属颗粒的使用，可以充分利用等离子体激元效应，从而可以有
效地增强LED的内量子效率。
光子晶体可以是如图5所示，一维光子晶体；或如图6所示，二维光子晶体；或如图7
所示，三维光子晶体；且三维光子晶体的晶格结构可以是三维面心立方晶格、三维立方晶格
或三维六角晶格中的一种；纳米金属颗粒的光子晶体层，金属纳米颗粒为周期性分布或非
周期性分布的金属纳米球；且金属纳米颗粒的直径为1-800nm；纳米金属颗粒的光子晶体
层，金属纳米颗粒的材料为Al、Ag、Au、Cu、Ni、Cr或它们的合金。
为了比较周期性结构增透层的图形的高宽比不同对本发明具有复合结构的偏振
发光二极管的影响，将光线垂直入射到不同高宽比的周期性结构上，其结果见图8、图9、图
10、图11、图12、图13、图14和图15。
图8和图9为光线垂直入射单面半椭球体（无背面反射），反射率随高宽比变化的关
系图；由图8可知，高宽比2:1的结构减反效果好于高宽比为1:1的图形化结构；由图9可知，
高宽比0.7:1的结构减反效果好于高宽比为1:1的图形化结构；且结合图8和图9可知，高宽
比0.7:1的结构减反效果好于高宽比为2:1的图形化结构。
图10为光线垂直入射单面半椭球体（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比
变化的关系图；由图10可知，高宽比1:1的结构、高宽比2:1的结构及高宽比0.7:1的结构减
反效果依次递增。
图11为光线垂直入射双面半椭球体（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比
变化的关系图；由图11可知，高宽比1:1的结构、高宽比2:1的结构及高宽比0.7:1的结构减
反效果依次递增。
图12和图13为光线垂直入射单面圆锥（无背面反射），反射率随高宽比变化的关系
图；由图12可知，高宽比1:1的结构减反效果好于高宽比为0.7:1的图形化结构；由图13可
知，高宽比2:1的结构减反效果好于高宽比为1:1的图形化结构。
图14为光线垂直入射单面圆锥（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比变化
的关系图；由图14可知，高宽比1:1的结构、高宽比2:1的结构及高宽比0.7:1的结构减反效
果依次递增。
图15为光线垂直入射双面圆锥（考虑背面反射-接触空气），反射率随高宽比变化
的关系图；由图15可知，高宽比1:1的结构、高宽比2:1的结构及高宽比0.7:1的结构减反效
果依次递增。
综上所述，高宽比0.7:1的结构减反效果较好，一般优选高宽比0.7:1的结构。
为了比较周期性结构的图形不同对本发明具有复合结构的偏振发光二极管的影
响，将光线垂直入射到不同图形的周期性结构上，其结果见下表。
结构
d/nm
H/nm
最优反射率
蓝宝石单面
7.713%
蓝宝石双面
14.285%
半椭球体A（无背面反射）
500
1000
0.159%
半椭球体B（背面空气接触）
350
245
4.178%
半椭球体C（两面空气接触）
245
245
1.448%
圆锥A（无背面反射）
500
1000
0.072%
圆锥B（背面空气接触）
350
245
3.654%
圆锥C（两面空气接触）
245
245
2.104%
由上表可以看出，当周期性结构图形的底面直径与高度一致时，圆锥的最优反射
率大于半椭球体，当周期性结构图形的底面直径与高度不一致时，圆锥的最优反射率小于
半椭球体；进而综上比较，圆锥的反射率相对半椭球球体较低，即有更高的透射率，因而一
般选用圆锥图形。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技
术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明
本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些
变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及
其等效物界定。