基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光led的制作方法

文档序号:10727838阅读:740来源:国知局
基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光led的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,其可根据结构参数进行调制工作波段,其中在450nm~650nm可见光范围消光比大于20dB,TM波透过率高于60%。本发明在荧光陶瓷基底表面引入一层低折射率的过渡层,过渡层的引入不仅提高了器件的效果而且避免了对金属的刻蚀,使得制作工艺更为方便快捷,并且在过渡层表面集成一种介质光栅和双层金属的复合结构,将复合结构与蓝光GaN基LED相耦合,最终实现偏振白光出射。过渡层和介质层光栅为氟化镁、二氧化硅、PMMA等半导体材料构成,纳米光栅为铝、银、金等金属材料构成。
【专利说明】
基于黄光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED
技术领域
[0001] 本发明设及光学元件制备技术,具体设及一种基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构 的GaN基偏振白光L邸的设计及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球能源问题的不断加剧,节能环保已渐渐成为全世界各国发展的主题。LED (light emitting diode)具有发光效率高、污染少、节约能源等特点,在很多应用中显示出 巨大优势。而白光二极管(LED)作为一种光源,W其光效高、寿命久的特点在固态照明、液晶 显示、汽车前照灯等领域应用十分广泛,各国政府和企业在运方面的投入也越来越大,应用 前景极为看好。
[0003] 在白光Lm)日益发展的同时,偏振白光光源作为普通白光的一种功能上的扩展,在 CCD偏振成像、光学存储、光通信、光电探测、平板背光等方面具有特殊的应用。尤其是在LCD (liquid crys化1 display)背光源中能代替传统的非偏振光,运样可W舍弃目前背光源模 组中的下偏振片和增亮片,而舍弃的下偏振片原先要吸收29.3%的光效。显而易见,偏振白 光光源应用在LCD中可W降低能耗、提高能量转化效率W及获得高对比度成像,符合节能环 保的时代主题。
[0004] 在过去几十年的发展中,人们对于器件偏振特性的研究不在少数,但是运些器件 主要还是应用在红外波段。对于可见光波段的偏振器件,由于加工工艺限制,很多设计的应 用在可见光范围的纳米结构器件离真正的实际应用还有一段距离。随着深紫外光刻、电子 束曝光、纳米压印、离子束刻蚀等微纳米工艺的发展,微纳米级别偏振器件也得到较快的发 展。所W利用纳米结构来实现高效偏振光(高透射率、高消光比或位相转换)的输出尤其是 偏振白光,对于众多领域的实际应用来说,具有较高的现实意义。白光LED作为极具发展潜 力的新型光源,在很多方面都有应用,近几年来发展十分迅速。白光Lm)行业做的比较成熟 的主要是美国、欧盟还有日本。我国和运些国家主要的差距体现在蓝光忍片和紫外忍片的 研制上。目前,主要可W通过立种方式获取白光LED,第一种是利用"蓝光忍片+巧光粉"的组 合方式来形成白光,第二种是利用多种单色光混合形成白光。第=种是多量子阱型。运几种 方法都已能成功产生白光器件。从制作工艺、生产效率及效益等方面来说,目前,可W投入 大量生产的还是蓝光忍片和黄色巧光粉运种组合方式。比如日本日亚化学公司就是利用运 种方法将黄色巧光粉与蓝光Lm)结合,研发了白光LED。经过了一段时间的发展,运种生产方 式已成为主流。随着发光亮度和功率的不断提高,传统的点胶工艺W及有机封装材料例如 环氧树脂,使得器件出光均匀性很难保证,而且不耐高溫,材料容易老化进而影响使用寿 命。
[0005] 为了应对运些问题,各国将重点放在了巧光材料的研究上,W及进一步优化L邸的 封装方式。目前主要通过表面粗化处理、光子晶体、倒装技术、巧光粉层远离等方式来提高 L抓的光提取效率。巧光封装材料方面,2005年日本电气玻璃公司制备了用于白光LED的微 晶玻璃陶瓷巧光体;荷兰飞利浦公司2008年报导了将巧光粉渗杂到氧化侣多晶陶瓷中,实 现与蓝光忍片的封装;国内中山大学在YAG单晶中渗杂稀±再与蓝光忍片封装,得到白光; 华南师范大学则将制备的玻璃巧光体直接用于封装白光LED"2010年第十届全球固态照明 国际会议上,飞利浦公司再次展示了用巧光陶瓷封装L邸的最新成果,获得显色指数达90的 各种色溫的白光。2011年上海国际新光源&新能源照明展览上日亚公司展出了其采用Ce: YAG透明陶瓷封装的白光LED产品。2015年上海光机所研究出的MgAb化-Ce: YAG透明巧光陶 瓷在相关色溫5000K的条件下,最大流明效率达到991m/W。
[0006] 目前,主要有=种方式来实现Lm)的偏振出光。(1)将磁性元素渗入材料体系中,运 样能直接产生偏振光,但是渗杂的难度比较大,实现起来比较困难;(2)可W通过外延生长 的方式,在半极性或者非极性表面直接长GaN基LED,获取偏振光,但是运种偏振L抓制作工 艺复杂,材料生长困难,而且偏振光的消光比也不是很高;(3)利用纳米光学结构集成在LED 忍片的表面,实现偏振出光。在OLm)领域实现偏振白光主要是通过一些有机物的混合,运些 有机物在特定溫度条件下具有特殊的性质从而产生偏振白光,往往运种偏振白光的偏振度 比较低,热稳定性也存在一定问题,与实际的工业应用还有一段距离;而如果不考虑本身 OLED的白光偏振,在外部设计结构来实现白光偏振输出,运对偏振度的提高有很大的帮助, 但是对于实际生产应用来说还是略显复杂。随着偏振L邸的研究W及光刻工艺越来越成熟, 利用微结构与白光Lm)相结合的方式来产生偏振白光,无论从出射白光质量还是加工工艺 方面来说,都是很有前景的。因此很有必要研发新的方法将微纳米结构与巧光陶瓷相结合, 获取局品质偏振白光。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的是提供一种基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,能 够实现激发偏振白光的功能,并具波段较宽,偏振出光的角度适应性强,结构简单,易于制 作的特点;本发明公开的偏振白光L抓在450nm~650nm波段内透过率高于60%,消光比大于 20地(±60。)。
[0008] 为达到上述发明目的,本发明采用的技术方案是: 一种基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,包括蓝光LED、巧光陶瓷基底、 过渡层、介质光栅层、金属层;所述巧光陶瓷基底一面禪合蓝光LED,另一面复合过渡层;所 述介质光栅层位于过渡层表面;所述金属层位于介质光栅层的凹槽W及凸起的表面;所述 介质光栅层的周期为140 nm-160nm,占空比为0.4-〇.6,高度为7〇11111-9〇11111;所述金属层的高 度为 40nm-60nm。
[0009] 本发明基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光Lm)在巧光陶瓷基底表面引 入一层低折射率的过渡层,并且在过渡层表面集成介质光栅和金属层,得到双层纳米光栅 的复合结构;最终将复合结构与GaN基蓝光L邸相禪合,最终实现偏振白光出射。基底为巧光 陶瓷基底材料,过渡层和介质层光栅为氣化儀、二氧化娃、PMMA等材料构成,金属为侣、银、 金等金属材料构;纳米光栅是介质光栅与金属复合而成的双层光栅且双层光栅结构覆盖于 过渡层之上,将巧光陶瓷复合双层纳米光栅结构与GaN基蓝光L抓结构禪合实现白光L抓器 件。本发明的过渡层和介质光栅的材料可W-样也可W不一样,具备较低的折射率,优选材 料一致,对器件的制备和生产效率有利,只需在基底上锻一层IOOnm的膜,再在膜上涂压印 胶,进行纳米压印做出掩模版,再对膜进行刻蚀即可。
[0010] 本发明中,复合结构为双层纳米介质-金属结构,金属产生TE偏振激发金属线的电 子而产生电流,使得该方向上的偏振光反射,而TM偏振光由于在该方向上有空气间隙将金 属线阻拦而无法产生电流,此时光波会透过光栅,能够达到较高的偏振光透过率和较高的 消光比。
[0011] 本发明中,介质光栅及过渡层为氣化儀、二氧化娃、PMMA等;本发明优选氣化儀作 为过渡层W及介质光栅层,与巧光陶瓷基体复合,传输层氣化儀具有较高的折射率(n~ 1.83),该结构在550nmW下的短波范围内TM波透过率和消光比都有明显的提升,从而提高 器件的TM波透过率和消光比。优选过渡层为氣化儀过渡层、介质光栅层为氣化儀光栅层、金 属层为侣层。过渡层与介质光栅材料一致为氣化儀,可W获得较低折射率,而且能原料来源 广泛,经济实用,也便于刻蚀,金属层材料为侣,产品性能好,尤其能获得比较高的透过率, 同时侣祀材比较常见,而且易保存。
[0012] 本发明中,所述基底为巧光陶瓷;巧光陶瓷的许多性能指标都优于传统的Lm)封装 材料环氧树脂和有机娃,为白光Lm)封装W及巧光转换提供了一种新的方法,并对高品质白 光的获取具有重大的参考价值。
[0013] 优选的技术方案中,基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光Lm)中,低折射 率过渡层厚度册=20nm;双层纳米光栅结构的介质光栅的周期为P=I5化m,占空比DC=O. 5,介 质光栅层高度H2=80nm,金属层的高度为Hl=SOnm;过渡层高度H3=20nm。将巧光陶瓷复合双 层纳米光栅结构与GaN基蓝光L抓结构禪合实现白光L抓器件。运组优化参数,可W使结构 达到波段最宽,具有很好的角度适应性,TM波透过率和消光比达到最高的优点。本发明的基 于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光Lm)对应的工作波段为可见光波段;通过结构 参数的选取,本发明可W适用不同工作波段,其中在450nm~650nm可见光范围消光比大于 20地,TM波透过率高于60%;其消光比在±60°的范围内均大于20dB,具有很好的角度适应 性。
[0014] 本发明还公开了一种基于巧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构,包括巧光陶瓷基 底、过渡层、介质光栅层、金属层;所述巧光陶瓷基底一面复合过渡层;所述介质光栅层位于 过渡层表面;所述金属层位于介质光栅层的凹槽W及凸起的表面;所述介质光栅层的周期 为140 nm-160皿,占空比为0.4-0.6,高度为70皿-90皿;所述金属层的高度为40皿-60皿;介 质光栅的高度高于金属层30nm左右获得性能最佳的产品。
[0015] 上述基于巧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构中,所述过渡层为氣化儀过渡层、 二氧化娃过渡层或者PMMA过渡层;所述介质光栅层为氣化儀光栅层、二氧化娃光栅层或者 PMMA光栅层;所述金属层为侣层、银层或者金层;所述介质光栅层的周期为P=150nm,占空比 DC=O. 5,高度肥=SOnm;所述金属层的高度为Hl=SOnm;过渡层厚度册为20nm。
[0016] 将基于巧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构与蓝光L邸比如GaN基蓝光L邸结构 禪合实现白光Lm)器件。本发明W巧光陶瓷为基底利用纳米压印,离子束刻蚀,电子束蒸发 锻膜等高校微纳制备技术制造的白光偏振L邸所公开的偏振白光L邸在450nm~650nm波段内 透过率高于60%,消光比大于20地(±60°);并且具有体积小,极易与其他光电器件集成,生 产效率高成本低等优点。因此本发明还公开了上述基于巧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结 构在制备偏振白光LED中的应用。
[0017] 进一步的,本发明还公开了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构的制备方 法,包括W下步骤:在清洗后的巧光陶瓷基底表面锻过渡层材料;然后在过渡层材料表面制 备介质光栅层,最后在介质光栅层的凹槽W及凸起的表面锻金属层即得到基于巧光陶瓷及 双层纳米光栅的封装结构。将基于巧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构与蓝光Lm)禪合,得 到基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED。
[0018] 具体的,首先,对基底进行清洗去除基片表面的脏点和油污从而使基片表面具有 较好的清洁度W及粘附力;然后利用离子束瓣射沉积在基底上,锻一层过渡介质层,接着利 用旋涂法涂布上一层压印胶,利用紫外固化纳米压印技术刻出纳米光栅光刻胶结构,再使 用离子束(IBE)工艺刻蚀,接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅,最后利用离子束瓣射沉 积在介质光栅的凹槽W及凸起的上表面锻一层金属层,得到基于巧光陶瓷及双层纳米光栅 的封装结构;与蓝光L邸禪合,得到基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED。可W 采用电子束直写曝光并显影;用反应离子束刻蚀光刻胶;利用丙酬去除残余光刻胶。
[0019] 由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点: 1.本发明首次公开了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED,具有较 好的TM波透过率和消光比,从而实现激发偏振白光的功能,其在450nm~650nm可见光范围内 的消光比大于20地,TM波透过率高于60%,取得了意想不到的技术效果。
[0020] 2.本发明所公开的基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L抓结构 合理、易于制作,基于巧光陶瓷的双层纳米光栅尺寸参数可调,制备方法与现有的半导体制 作工艺完全兼容;克服了现有技术需要繁琐的制备过程才能得到偏振出光器件的缺陷。
[0021] 3.本发明公开的基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED原料来 源广、制备简易,相比现有技术财力、时间成本更低;并且性能优异,在光学传感系统、先进 的纳米光子器件W及结构光学系统中,具有很大的应用价值。
[0022] 4.本发明将纳米光栅与巧光陶瓷相结合,设计微纳结构来获得高的白光的透过 率和偏振度,在巧光陶瓷表面引入了 一层低折射率过渡层,并在过渡层表面集成介质/金属 复合纳米光栅结构,可W有效的提高结构的透过率和偏振消光比,实现了高效偏振GaN基白 光LED的可行性;尤其是搭建了偏振特性测量平台,对制成的样品进行光学性能的检测与分 析,本发明得到偏振白光L抓在450nm~650nm波段内透过率高于60%,消光比大于20dB(± 60° ),具有很好的角度适应性,取得了意想不到的技术效果。
【附图说明】
[0023] 图1为实施例一的基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L抓结构示 意图; 图2为实施例一的基于巧光陶瓷和双层纳米光栅结构的GaN基白光L抓主视结构示意 图; 图3为实施例二中基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L抓结构示意 图; 其中:1、金属层;2、介质光栅层;3、过渡层;4、巧光陶瓷基底;5、蓝光LED; 图4为实施例一的基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的折射率曲 线图; 图5为实施例一的光由基底入射基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光 L邸的折射率曲线后的TM透过率和消光比曲线图; 图6为实施例一的基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L抓的蓝光光谱 曲线图,中屯、波长是458nm; 图7为实施例一的实际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光L抓的TM 波和TE波光谱; 图8为实施例一的实际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光Lm)的消 光比曲线图; 图9为实施例一的实际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光L抓的TM 波的透过率曲线图; 图10为实施例一的实际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光L抓的TM 波透过率随角度变化的曲线图; 图11为实施例一的实际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光Lm)的消 光比随角度变化的曲线图; 图12为实施例一的过渡层厚度化3)对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振 白光L邸的透过率的影响图; 图13为实施例一的过渡层厚度化3)对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振 白光L邸的消光比的影响图; 图14为实施例一的介质光栅高度化2)对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏 振白光L邸的透过率的影响图; 图15为实施例一的介质光栅高度化2)对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏 振白光L邸的消光比的影响图; 图16为实施例一的金属光栅高度化1)对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏 振白光L邸的透过率的影响图; 图17为实施例一的金属光栅高度化1)对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏 振白光L邸的消光比的影响图; 图18为实施例一的占空比DC对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光 L邸的透过率的影响图; 图19为实施例一的占空比DC对基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光 L邸的消光比的影响图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述: 实施例一:参见附图1所示,基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED, 包括1、金属层;2、介质光栅层;3、过渡层;4、巧光陶瓷基底;5、蓝光LEDsGaN基蓝光L抓发出 蓝光经基巧光陶瓷的双层纳米金属光栅,发出偏振白光,即为基于巧光陶瓷及双层纳米光 栅结构的GaN基偏振白光LED。
[0025] 参见附图2,基于巧光陶瓷和双层纳米光栅结构的GaN基白光L抓主视结构示意图; 其中:介质光栅层周期P=15化m;占空比DC= Ll/P=0.5;金属层高度化=50nm;介质光栅高度 H2=80nm;过渡层厚度H3=20nm。上述双层纳米光栅结构基于巧光陶瓷基片并与GaN基蓝光 L邸结构禪合实现白光L邸器件。
[0026] 上述基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L邸的制作方法,包括如 下步骤: (1) 对巧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使巧光陶瓷表面具有较好的清洁 度W及粘附力; (2) 利用离子束瓣射沉积在巧光陶瓷上锻一层厚度为IOOnm的二氧化娃介质层; (3) 利用旋涂法涂布上一层压印胶; (4) 利用紫外固化纳米压印技术刻出纳米光栅光刻胶结构; (5) 使用离子束(I肥)工艺刻蚀,接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅; (6) 最后利用离子束瓣射沉积在介质光栅的凹槽W及凸起上面锻一层厚度为50nm的侣 金属层; (7) 本实施例制备的样品面积为2英寸,结构区域20mmX 20mm,从结构区域裁剪一小块 样品,用光学粘合剂(折射率1.7左右)将运一小块样品与蓝光忍片化aN基蓝光LED)做贴合, 运样就形成了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
[0027] 实施例二 参见附图3,基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED,包括1、金属层; 2、介质光栅层;3、过渡层;4、巧光陶瓷基底;5、蓝光LED;其中:介质光栅层周期P=15化m;占 空比DC= Ll/P=0.5;金属层高度化=5化m;介质光栅(二氧化娃)高度H2=80nm;过渡层(氣化 儀)厚度H3=20nm。上述双层纳米光栅结构基于巧光陶瓷基片并与GaN基蓝光L抓结构禪合实 现白光LED器件。
[0028] 基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L邸的制作方法,包括如下步 骤: (1) 对巧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使巧光陶瓷表面具有较好的清洁 度W及粘附力; (2) 利用离子束瓣射沉积在巧光陶瓷上锻一层厚度为20nm的氣化儀薄膜作为过渡层, 再继续锻SOnm的二氧化娃介质层作为制作介质光栅的材料; (3) 利用旋涂法涂布上一层压印胶; (4) 利用紫外固化纳米压印技术刻出纳米光栅光刻胶结构; 巧)使用离子反应去胶机去除残余光刻胶得到压印胶介质纳米光栅; (6) 使用离子束(IBE)工艺W压印胶介质纳米光栅作为掩膜版对二氧化娃层进行刻蚀, 刻蚀深度为80皿,接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅; (7) 最后利用离子束瓣射沉积在介质光栅的凹槽W及凸起上面锻一层厚度为50nm的侣 层; (8) 从结构区域裁剪一小块样品,用光学粘合剂(折射率1.7左右)将运一小块样品与蓝 光忍片(GaN基蓝光LED)做贴合,运样就形成了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基 偏振白光LED。
[0029] 实施例S 基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L邸参数与实施例一一致,制作方 法包括如下步骤: (1) 对巧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使巧光陶瓷表面具有较好的清洁 度W及粘附力; (2) 利用离子束瓣射沉积在巧光陶瓷上锻一层厚度为IOOnm的氣化儀介质层; (3) 利用旋涂法涂布上一层压印胶; (4) 利用紫外固化纳米压印技术刻出纳米光栅光刻胶结构; 巧)使用离子反应去胶机去除残余光刻胶得到压印胶介质纳米光栅; (6) 使用离子束(I肥)工艺刻蚀,接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅; (7) 最后利用离子束瓣射沉积在介质光栅的凹槽W及凸起上面锻一层厚度为50nm的金 层; (8) 从结构区域裁剪一小块样品,用光学粘合剂(折射率1.7左右)将运一小块样品与蓝 光忍片(GaN基蓝光LED)做贴合,运样就形成了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基 偏振白光LED。
[0030] 实施例四 基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED,其中介质光栅层周期P= 155皿;占空比DC= L1/P=0.45;金属层高度化=52皿;介质光栅高度肥=85皿;过渡层厚度H3= 20nm。制作方法包括如下步骤: (1) 对巧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使巧光陶瓷表面具有较好的清洁 度W及粘附力; (2) 利用离子束瓣射沉积在巧光陶瓷上锻一层厚度为105nm的氣化儀介质层; (3) 利用旋涂法涂布上一层压印胶; (4) 利用紫外固化纳米压印技术刻出纳米光栅光刻胶结构; 巧)使用离子反应去胶机去除残余光刻胶得到压印胶介质纳米光栅; (6) 使用离子束(I肥)工艺刻蚀,接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅; (7) 最后利用离子束瓣射沉积在介质光栅的凹槽W及凸起上面锻一层厚度为52nm的侣 层; (8) 从结构区域裁剪一小块样品,用光学粘合剂(折射率1.7左右)将运一小块样品与蓝 光忍片(GaN基蓝光LED)做贴合,运样就形成了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基 偏振白光LED。
[0031] 实施例五 基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED,其中介质光栅层周期P= 145nm;占空比DC= Ll/P=0.5;金属层高度Hl=55nm;介质光栅高度H2=88nm;过渡层厚度H3= 20nm。制作方法包括如下步骤: (1) 对巧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使巧光陶瓷表面具有较好的清洁 度W及粘附力; (2) 利用离子束瓣射沉积在巧光陶瓷上锻一层厚度为IOSnm的二氧化娃介质层; (3) 利用旋涂法涂布上一层压印胶; (4) 利用紫外固化纳米压印技术刻出纳米光栅光刻胶结构; 巧)使用离子反应去胶机去除残余光刻胶得到压印胶介质纳米光栅; (6)使用离子束(I肥)工艺刻蚀,接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅; (7) 最后利用离子束瓣射沉积在介质光栅的凹槽W及凸起上面锻一层厚度为55nm的侣 层; (8) 从结构区域裁剪一小块样品,用光学粘合剂(折射率1.7左右)将运一小块样品与蓝 光忍片(GaN基蓝光LED)做贴合,运样就形成了基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基 偏振白光LED。
[0032] W实施例一的产品为对象进行W下测试: 利用抑TD Solution(化nada)软件来模拟计算光场,选用2D模式搭建结构,在水平方向 上设置周期性边界条件。在垂直方向由于多种介质存在,边界条件利用完美匹配层,模拟光 源为平面波设置在巧光陶瓷内部,波长范围是400nm~700nm,沿垂直方向入射,通过楠偏仪 检测,得到上述基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L抓的折射率曲线,参 见附图4,在整个可见光波段,巧光陶瓷的折射率在1.82-一1.87,折射率变化不大,比较稳 定,适合作为基底与纳米光栅结合做白光偏振LED。由于巧光陶瓷衬底相对于传输层氣化儀 (n~1.38)具有较高的折射率(n~1.83),该结构在550nmW下的短波范围内TM波透过率和消 光比都有明显的提升。
[0033] 附图5为光由基底入射基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L邸的 折射率曲线后的TM透过率和消光比曲线图,参见附图4,P=150nm,Hl=50nm,H2=80nm,H3= 20nm,DC=0.5的参数下,在450皿~750皿波段,整体的透过率和消光比分别高于70%和30地, 偏振特性好。
[0034] 附图6为基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L邸蓝光光谱,用GaN 基蓝光L邸作为白光的激发光源,中屯、波长是458nm。从图6中可W看出GaN基蓝光L邸在波长 为458nm时能量最高,而且中屯、波长光谱较窄,单色性较好,适合作为白光的激发光源。
[0035] 样品面积为2英寸,结构区域20mmX20mm,从结构区域裁剪一小块样品,用光学粘 合剂(折射率1.7左右)将运一小块样品与蓝光忍片做贴合,形成了集成式的偏振白光Lm)忍 片。将白光Lm)固定在小型激光器套筒里面,运样固定W后更加稳定,便于测量。用两根导线 连接引脚,并与电源相连。出射的白光会透过检偏器,通过检偏器角度e的旋转,来检测白光 的偏振特性。偏振片后面是光谱仪,用光纤探头来接收光,也可W用聚焦透镜,将白光聚焦 到光谱仪的接收口进行探测。消光比的测量主要是调整检偏器的角度,边旋转检偏器,边观 察出射白光的光谱变化。分别记录最强和最弱两次光谱,分别对应TM波和TE波。附图7为实 际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光L抓的TM波和TE波光谱;可W看出 在400-700nm波段内,TM波能够透过一部分,在458nm波长左右能够透过很大的能量,而TE在 整个400-700nm波段几乎不透过。
[0036] 附图8为实际测量的光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的白光Lm)的消光比 曲线图;白光L抓光谱的谱带范围较宽,TM波光谱到TE波光谱变化比较明显,提取两条谱线 的实际数值,按照消光比计算公式:1???綻讀!案誠事|誠吏1:捶巧W得到消光比曲线如 图8。
[0037] W纯巧光陶瓷基片为对象,上面没有任何微结构,也没有沉积任何过渡层,直接用 蓝光L邸激发,测量不存在偏振特性的白光光谱;W带有双层纳米光栅结构的巧光陶瓷基片 为对象,测量偏振白光的光谱。第二次光谱数值与第一次之比所得的曲线即为TM波透过率 曲线,参见图9,从图9中可W看出,本发明的出光效率在60%上下,非常稳定,可W投入到生 产中。
[0038] 附图10和附图11,为基于巧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光L邸不同 角度出光情况下的偏振特性,可W看出,透过率随角度变化下降的比较明显,而消光比在 60°的范围内都能保持在20地,对于消光比来说体现了很好的角度适应性,符合在实际应用 中,白光LED宽角度发散发光的要求。
[0039] 附图12和附图13给出了在整个可见光范围内,传输层厚度的变化对透过率和消光 比的影响。从图中可W看出,由于巧光陶瓷衬底相对于传输层氣化儀(n~1.38)具有较高的 折射率(n~1.83),该结构在550nmW下的短波范围内TM波透过率和消光比都有明显的提升, 综合比较不同厚度处的透过率和消光比,传输层厚度在H3=20nm时,透过率在整个可见光波 段范围处于较高的位置,而且在可见光波段,整体透过率高于70%,消光比大于30地。相对于 没有传输层的情况,短波的透过率提高了 15%,消光比提高了 5%。透过率和消光比的提高可 W理解为介质传输层与巧光陶瓷基底及光栅层形成的=层之间干设增强。
[0040] 附图14和附图15给出了白光L抓表面TM光的透过率和消光比邸随着介质光栅高度 变化曲线。对应的参数是:光栅周期P=150nm,Hl=50nm,册=20nm,DC=0.5。从图中可W看出, TM波的透过率和消光比都对介质光栅高度的变化十分敏感,运个也是比较容易理解,因为 光传播通过下面的金属时有一部分被上层金属反射,导致在上下两层金属之间来回传播, 形成干设相长或相消。当介质光栅高度为50nm,和金属光栅高度一致时,TM波透过率几乎为 零。当介质光栅高度取SOnm时,透过率和消光比都是最优的情况,所W对H2的优选结果为 SOnm。
[0041 ]附图16和附图17给出了白光L抓表面TM光的透过率和消光比邸随着金属光栅高度 变化曲线。对应的参数是:光栅周期P=I 50nm,肥=SOnm,册=20nm,DC=O. 5。从附图16中可W看 出消光比随着金属光栅高度的增加而增加,当Hl=SOnm时,虽然消光比是最高的,但是实际 情况是形成了连续的金属层,导致透过率很低。透过率曲线短波处总体随着金属光栅高度 的增加而增加,而长波处相反,综合考虑整个可见光波段的透过率,选取50nm左右最为合 适。
[0042] 附图18和附图19给出了白光L抓表面TM光的透过率和消光比邸随着光栅占空比变 化的曲线。对应的模拟参数是:光栅周期P=150nm,Hl=50nm H2=80nm,册=20nm。从图18和19 中可W看出,TM透过率和消光比随占空比的变化趋势基本上是一致的,占空比从0.1变化至 0.5,透过率和消光比都在增加,到0.5时,两者同时达到最大,随着占空比的增加,透过率和 消光比又同时减小,可见,占空比选择0.5理论上是最为合适的,而且从实验制备的角度来 说,0.5的占空比相对来说更加容易控制和实现。对于占空比最小和最大时,分别对应于下 层金属光栅和上层金属光栅金属侣比较多,所W透过率比较低。m?的变化亦是如此。
[0043] 巧光陶瓷在白光LED中主要起两方面的作用:(1)作为巧光材料:巧光陶瓷具有巧 光转换的作用,当蓝光入射到巧光陶瓷时,一部分会转化为黄光,剩下的蓝光与转化成的黄 光一起出射,形成白光。而且巧光陶瓷的制作工艺能够保证巧光转换物质在陶瓷基体中能 够较为均匀的分布,还可W通过调整巧光转换物质的渗杂量W及陶瓷片的整体厚度来产生 不同相关色溫和显色指数的白光。(2)作为封装外壳:由于巧光陶瓷的透光性较好,而且不 易碎稳定性好,可直接用来封装白光LED,其折射率(n=l.8)比传统的封装材料环氧树脂(n= 1.5)要高,有研究表明,当封装材料的折射率提高时,光的提取效率也会相应提高。而且陶 瓷材料的热导率比有机材料要高,可W缓解溫度对于Lm)的影响。同时,拥有耐腐蚀等方面 的特性,使得白光Lm)的寿命更长,并且能在某些特殊的环境下使用。由于巧光陶瓷的许多 性能指标都优于传统的L邸封装材料环氧树脂和有机娃。本发明为现有白光L邸封装W及巧 光转换提供了一种新的方法,并对高品质白光的获取具有重大的参考价值。
[0044]本发明利用磁控瓣射锻膜的方法在巧光陶瓷基底上锻一层厚约IOOnm的均匀介质 薄膜,然后在薄膜上旋图纳米压印胶,利用纳米压印机进行纳米压印制作掩膜版,利用离子 束刻蚀根据之前制作的掩膜版在介质上制备光栅结构,然后利用电子束蒸发锻膜的方法锻 一层金属膜,电子束蒸发锻膜是一种方向性很强的锻膜方式,对槽型的忠诚度很高,在光栅 的矩形槽和光栅的凸起的表面都会沉积有金属,金属的形貌忠诚于介质光栅的形貌,也成 矩形。光栅的周期是150nm,工作在可见光波段;本发明只需刻蚀介质再锻膜,再利用巧光陶 瓷基底,激发高纯度的偏振白光,工艺比较简单,效率高,成功率高,适合工业生产;解决了 现有技术由于制备工艺复杂比如需要同时刻蚀金属和介质,而无法工业化的缺陷。
【主权项】
1. 一种基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,其特征在于:所述基于荧光 陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED包括蓝光LED、荧光陶瓷基底、过渡层、介质光栅 层、金属层;所述荧光陶瓷基底一面耦合蓝光LED,另一面复合过渡层;所述介质光栅层位于 过渡层表面;所述金属层位于介质光栅层的凹槽以及凸起的表面;所述介质光栅层的周期 为140 nm-160nm,占空比为0 · 4-0 · 6,高度为70nm-90nm;所述金属层的高度为40nm-60nm。2. 根据权利要求1所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,其特征在 于:所述蓝光LED为GaN基蓝光LED;所述过渡层为氟化镁过渡层、二氧化硅过渡层或者PMMA 过渡层;所述介质光栅层为氟化镁光栅层、二氧化硅光栅层或者PMMA光栅层;所述金属层为 铝层、银层或者金层。3. 根据权利要求2所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,其特征在 于:所述过渡层为氟化镁过渡层;所述介质光栅层为氟化镁光栅层;所述金属层为铝层。4. 根据权利要求1所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,其特征在 于:所述介质光栅层的周期为150nm,占空比为0.5,高度为80nm;所述金属层的高度为50nm; 所述过渡层的高度为20nm〇5. 根据权利要求1所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED,其特征在 于:所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED对应的工作波段为可见光波段。6. -种基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构,其特征在于:所述基于荧光陶瓷及 双层纳米光栅的封装结构包括荧光陶瓷基底、过渡层、介质光栅层、金属层;所述荧光陶瓷 基底一面复合过渡层;所述介质光栅层位于过渡层表面;所述金属层位于介质光栅层的凹 槽以及凸起的表面;所述介质光栅层的周期为140 nm-160nm,占空比为0.4-0.6,高度为 70nm_90nm;所述金属层的高度为40nm_60nm。7. 根据权利要求6所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构,其特征在于:所述过 渡层为氟化镁过渡层、二氧化硅过渡层或者PMMA过渡层;所述介质光栅层为氟化镁光栅层、 二氧化硅光栅层或者PMMA光栅层;所述金属层为铝层、银层或者金层;所述介质光栅层的周 期为150nm,占空比为0.5,高度为80nm;所述金属层的高度为50nm;所述过渡层的高度为 20nm〇8. 权利要求6所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构在制备偏振白光LED中的 应用。9. 权利要求6所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构的制备方法,其特征在于, 包括以下步骤:在清洗后的荧光陶瓷基底表面镀过渡层材料;然后在过渡层材料表面制备 介质光栅层,最后在介质光栅层的凹槽以及凸起的表面镀金属层即得到基于荧光陶瓷及双 层纳米光栅的封装结构。10. 根据权利要求1所述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED的制备方 法,其特征在于:包括以下步骤:在清洗后的荧光陶瓷基底表面镀过渡层材料;然后在过渡 层材料表面制备介质光栅层,接着在介质光栅层的凹槽以及凸起的表面镀金属层即得到基 于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构;最后将基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构 与蓝光LED耦合,得到基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED。
【文档编号】B82Y20/00GK106098910SQ201610714744
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】林雨, 王钦华, 陈玲华, 王淼, 胡敬佩, 曹冰
【申请人】苏州大学
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