CN1818798B - 在发光二极管上制作光子晶体掩膜层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光多光束干涉技术在发光二极管上制作二维光子晶体覆层掩膜的优化设计方法和装置。本发明的方法是将一束激光经过空间滤波、扩束和准直后，再分成三束，然后由反射镜将三束激光会聚到发光二极管芯片表面的光刻胶掩膜层上，调整各束激光的入射角度、强度和偏振态，形成设定的二维干涉图样，经过曝光、显影后得到二维的光子晶体掩膜。实现该方法的装置包括沿光轴设置的激光器、扩束滤波器、准直透镜和分束器，对应每束激光设有反射镜，沿着通过分束器后的各束激光的光轴，放置有偏振衰减控制器。本发明所用的装置简单、灵活度高、成本低，生产速度快，适合于大规模制作发光二极管表面的光子晶体掩膜。

Description

在发光二极管上制作光子晶体掩膜层的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种光子晶体掩膜层制作方法和装置，特别是一种利用激光多光束干涉技术在发光二极管上制作二维光子晶体覆层掩膜的优化设计方法和装置。

背景技术

近年来在固体照明技术领域，高亮度发光二极管(LED)显示出了非常强的竞争力。与传统的照明光源相比，LED具有能耗低、尺寸小、寿命长等众多优点，产业化发展十分迅速。研究LED的关键问题是如何提高LED的发光效率，以降低能耗且提高使用寿命。在已有产业化的LED产品中，尽管LED的内部量子效率已接近100％，但是产生的大部分光子受限于全反射和横向导波的现象，被高折射率材料吸收，无法有效传递出组件，而不能对照明做贡献(抽取效率低)。因此，十分迫切地需要寻找一种有效途径，通过提高抽取效率来提高LED的发光效率。

作为现代光子学领域最重要的成就之一，光子晶体(PhotonicCrystal)可以有效地控制光的行为。光子晶体是一种人工制作的周期性结构[J.D.Joannopoulos，Photonic crystals：Molding the flow oflight，Princeton，1995]，利用介质材料如二氧化硅、硅、氮化镓等制作的二维周期性结构，也可以是在介质背景中二维周期性分布的金属柱子阵列。所述的二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个柱子的中心的连线构成等腰直角三角形的正方晶格，或构成等边三角形的三角晶格等。最短连线的长度称为晶格常数。

在传统的LED中，引入光子晶体履层结构，利用光子晶体的禁带等特性将普通LED结构中被高折射率履层材料捕获而不能对照明做贡献的导波模的光能量尽可能地转换为泄漏模释放出来[S.Fan，P.P.Villeneuve and J.D.Joannopoluos，High extraction effeiciencyof spontaneous emission from slabs of photonic crystals，Phys. Rev.Lett.78 3294，1997]。发光二极管的制造商便有机会去操控光子的行为，可以极大提高半导体LED的发光效率，并改善光的输出特性。

目前，通常用电子束刻蚀的方法在LED上制作二维周期性的光子晶体履层掩膜，然后用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)和反应离子刻蚀(RIE)在半导体上刻蚀出光子晶体履层结构。这种掩膜的制作方法速度慢，成本高，无法满足大规模产业化的要求。

发明内容

本发明的目的针对目前技术的不足，提供一种能满足大规模模产业化的需求、快速、灵活、廉价、基于激光多光束干涉技术制备光子晶体履层掩膜的方法和装置。

本发明的方法是将一束激光经过空间滤波、扩束和准直后，再分成三束，然后由反射镜将三束激光会聚到发光二极管芯片表面的光刻胶掩膜层上，根据设定的分别干涉图样的晶格点阵调整各束激光的入射角度，根据设定的干涉图样的对比度和各个单元的光斑图样调整各束激光的强度和偏振态，形成设定的二维干涉图样，经过曝光、显影后得到二维的光子晶体掩膜。

所述的调整各束激光的入射角度是根据预先设计好的二维光子晶体的晶格图样，根据公式(1)调整每束激光的极角θ和激光束的方位角φ_m，(m＝1，2，3)。

${\mathrm{\φ}}_2={\tan }^{-1}\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\cos \mathrm{\γ}-b/a}$

φ₁＝2γ-φ₂                        (1)

φ₃＝-φ₂

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\λ}/b}{2{\sin \mathrm{\φ}}_2\sin \mathrm{\γ}}$

其中，a，b是二维光子晶体的晶格常数，γ是晶格基矢之间的夹角。极角和方位角决定了非共面的三束激光的波矢，

$\stackrel{\→}{k_m}=2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}({\cos \mathrm{\φ}}_m\sin \mathrm{\θ},{\sin \mathrm{\φ}}_m\sin \mathrm{\θ},\cos \mathrm{\θ}),(m=\mathrm{1,2,3})---\left(2\right)$

三束光干涉后的光强分布写为：

$I_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)=c_0+c_{12}\cos (\stackrel{\→}{G_{12}}\·\stackrel{\→}{r})+c_{23}\cos (\stackrel{\→}{G_{23}}\·\stackrel{\→}{r})+c_{13}\cos (\stackrel{\→}{G_{13}}\·\stackrel{\→}{r})---\left(3\right)$

其中，

$\stackrel{\→}{G_{\mathrm{lm}}}=(\stackrel{\→}{k_l}-\stackrel{\→}{k_m})$

$c_{\mathrm{lm}}=\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{E_m^{*}}$ 1≤l≤m≤3

$c_0={\left|\stackrel{\→}{E_1}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_2}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_3}\right|}^2$

其中， 

表示三束光的强度与偏振态。

所述调整各束激光的强度和偏振态是根据预先设计好的光子晶体的单元图样和公式(3)式，确定c_lm。由c_lm的值来决定为获得所要求的结构的光束参数 $\stackrel{\→}{E_l}(l=\mathrm{1,2,3}),$ 即光束的强度与偏振态；在c₀最小时对比度V＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)最大，其中I_max为最大光强、I_min为最小光强，

$c_0={\left|\stackrel{\→}{E_1}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_2}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_3}\right|}^2---\left(4\right)$

c₀在约束条件 $\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{k_l}=0,$ l＝1，2，3和 $\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{E_m^{*}}=c_{\mathrm{lm}},$ 1≤l≤m≤3下最小。

实现上述方法的装置为：由激光器输出激光，沿光轴，依次放置扩束滤波器、准直透镜和分束器，激光经过分束器后分成三束，对应每束激光，有一块反射镜，沿着通过分束器后的各束激光的光轴，放置有偏振衰减控制器。

本发明在发光二极管表面制作二维光子晶体掩膜，只需要一次的曝光和显影，即可在整个芯片上形成大面积，高质量的二维光子晶体掩膜层。采用一块衍射光学器件实现分光，降低了光路结构的复杂度，提高了光路的稳定度。在计算机数值模拟、优化设计的基础上，独立控制每一束激光的强度与偏振态，有利于得到高质量的干涉图样。由反光镜分别将三束激光反射到芯片表面，使装置具有相当高的灵活性，针对不同结构的晶格常数，只需要调整反光镜的角度就可以满足生产适合不同波长高发光效率LED的二维光子晶体履层结构的要求。本发明所用的装置简单、灵活度高、成本低，生产速度快，适合于大规模制作发光二极管表面的光子晶体掩膜。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为三束激光入射到光刻胶表面的示意图。

具体实施方式

如图1所示，该装置设有激光器1，扩束滤波器2设于激光器1的输出光轴上，用于对激光器1射出的光扩束与滤波；准直透镜3设于扩束滤波器2的输出光轴上，用于准直扩束后的激光，形成平行光束；衍射分光器4将入射的平行光束分成三束；每一束激光经过偏振衰减控制器5，在计算机数值模拟优化设计的基础上，调整每一束激光的强度与偏振态，然后由反光镜6根据设计的要求，以一定的角度将激光束反射到涂于发光二极管芯片8表面的光刻胶层7上，合理的控制曝光强度与曝光时间，在光刻胶层7上形成干涉图样。显影后，可以将干涉图样记录到光刻胶层7上，形成可以制作二维周期性光子晶体履层的掩膜层。如图2所示，经过反射镜反射后，三束激光入射到光刻胶层表面。干涉图样的晶格点阵是由反射后的三束激光的极角θ和方位角φ_m决定。干涉图样的对比度和各个单元的光斑图样由三束激光的强度和偏振态共同决定。所用的激光器1的波长对应于所采用的光刻胶的吸收波长。

例如制作二维周期性的三角晶格光子晶体掩膜，为了得到二维周期性的三角晶格结构，由公式(1)得出，非共面的三束激光，光束的方位角应分别为φ₁＝0，φ₂＝120°，φ₃＝-120°，极角θ＝sin^-10.667λ/a。光束的波矢为 

发生干涉，三束光干涉后的光强分布可以写为：

$I_0(x,y)=c_0+{2c}_{12}\cos \left[\frac{4\mathrm{\π}}{\sqrt{3}a}(x\sqrt{3}/2-y/2)\right]---\left(5\right)$

$+2c_{13}\cos \left[\frac{4\mathrm{\π}}{\sqrt{3}a}(x\sqrt{3}/2+y/2)\right]+2c_{23}\cos \left[\frac{4\mathrm{\π}}{\sqrt{3}a}y\right]$

其中 

1≤l≤m≤3。

光刻胶在干涉光斑下曝光、显形后可以得到二维周期结构掩膜。一般来讲，当光子晶体的单元图案设定后，可以决定(5)式中的c_lm。

为了使干涉图样具有最大的对比度，需要选择合适的结构参数，即控制光束的偏振态和强度。我们由c_lm的值来决定为获得所要求的结构的光束参数 

(l＝1，2，3)，同时，使得c₀最小(相应于干涉斑的背景强度)从而使得对比度V＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)(I_min最小光强，I_max最大光强)最大。当所有常数c_lm(1≤l≤m≤3)确定后，最小的c₀就意味着最大的V。因此，问题就变为如何使得

$c_0={\left|\stackrel{\→}{E_1}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_2}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_3}\right|}^2$

在约束条件 $\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{k_l}=0,l=\mathrm{1,2,3}$ 和 $\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{E_m^{*}}=c_{\mathrm{lm}},$ 1≤l≤m≤3下最小。这样就成了非线性约束的非线性规划问题，可以用Sequential QuadraticProgramming(SQP)method来求解，Matlab^TM提供了这个程序。

Claims (2)

1.在发光二极管上制作光子晶体掩膜层的方法，其特征在于将一束激光经过空间滤波、扩束和准直后，再分成三束，然后由反射镜将三束激光会聚到发光二极管芯片表面的光刻胶掩膜层上，根据设定的干涉图样的晶格点阵分别调整各束激光的入射角度，根据设定的干涉图样的对比度和各个单元的光斑图样分别调整各束激光的强度和偏振态，形成设定的二维干涉图样，经过曝光、显影后得到二维的光子晶体掩膜；

所述的调整各束激光的入射角度是根据预先设计好的二维光子晶体的晶格图样，根据公式(1)调整每束激光的极角θ和激光束的方位角φ_m，其中m＝1，2，3

${\mathrm{\φ}}_2={\tan }^{-1}\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\cos \mathrm{\γ}-b/a}$

φ₁＝2γ-φ₂    (1)

φ₃＝-φ₂

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\λ}/b}{2{\sin \mathrm{\φ}}_2\sin \mathrm{\γ}}$

其中，a，b是二维光子晶体的晶格常数，γ是晶格基矢之间的夹角；极角和方位角决定了非共面的三束激光的波矢，

$\stackrel{\→}{k_m}=2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}(\cos {\mathrm{\φ}}_m\sin \mathrm{\θ},\sin {\mathrm{\φ}}_m\sin \mathrm{\θ},\cos \mathrm{\θ}),$ 其中m＝1，2，3    (2)

三束光干涉后的光强分布为：

$I_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)=c_0+c_{12}\cos (\stackrel{\→}{G_{12}}\·\stackrel{\→}{r})+c_{23}\cos (\stackrel{\→}{G_{23}}\·\stackrel{\→}{r})+c_{13}\cos (\stackrel{\→}{G_{13}}\·\stackrel{\→}{r})---\left(3\right)$

其中，

$\stackrel{\→}{G_{\mathrm{lm}}}=(\stackrel{\→}{k_l}-\stackrel{\→}{k_m})$

$c_{\mathrm{lm}}=\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{E_m^{*}}$ 1≤l≤m≤3

$c_0={\left|\stackrel{\→}{E_1}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_2}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_3}\right|}^2$

其中，

表示三束光的强度与偏振态；

所述调整各束激光的强度和偏振态是根据预先设计好的光子晶体的单元图样和公式(3)式，确定c_lm；由c_lm的值来决定为获得所要求的结构的光束参数

即光束的强度与偏振态，其中l＝1，2，3；在c₀最小时对比度V＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)最大，其中I_max为最大光强、I_min为最小光强，

$c_0={\left|\stackrel{\→}{E_1}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_2}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{E_3}\right|}^2---\left(4\right)$

c₀在约束条件 $\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{k_l}=0,l=\mathrm{1,2,3}$ 和 $\stackrel{\→}{E_l}\·\stackrel{\→}{E_m^{*}}=c_{\mathrm{lm}},1\≤l\≤m\≤3$ 下最小。

2.采用权利要求1方法所使用的装置，其特征在于沿光轴依次设置的激光器、扩束滤波器、准直透镜和分束器，对应经过分束器后的三束激光位置分别设置有反射镜，沿着通过分束器后的各束激光的光轴，放置有偏振衰减控制器。

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