基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光led的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，其可根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)制工作波段，其中在450nm~650nm可見光范圍消光比大于20dB，TM波透過率高于60%。本發(fā)明在熒光陶瓷基底表面引入一層低折射率的過渡層，過渡層的引入不僅提高了器件的效果而且避免了對金屬的刻蝕，使得制作工藝更為方便快捷，并且在過渡層表面集成一種介質(zhì)光柵和雙層金屬的復合結(jié)構(gòu)，將復合結(jié)構(gòu)與藍光GaN基LED相耦合，最終實現(xiàn)偏振白光出射。過渡層和介質(zhì)層光柵為氟化鎂、二氧化硅、PMMA等半導體材料構(gòu)成，納米光柵為鋁、銀、金等金屬材料構(gòu)成。
【專利說明】
基于黃光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及光學元件制備技術(shù)，具體設及一種基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu) 的GaN基偏振白光L邸的設計及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球能源問題的不斷加劇，節(jié)能環(huán)保已漸漸成為全世界各國發(fā)展的主題。LED (light emitting diode)具有發(fā)光效率高、污染少、節(jié)約能源等特點，在很多應用中顯示出 巨大優(yōu)勢。而白光二極管(LED)作為一種光源，W其光效高、壽命久的特點在固態(tài)照明、液晶 顯示、汽車前照燈等領域應用十分廣泛，各國政府和企業(yè)在運方面的投入也越來越大，應用 前景極為看好。
[0003] 在白光Lm)日益發(fā)展的同時，偏振白光光源作為普通白光的一種功能上的擴展，在 CCD偏振成像、光學存儲、光通信、光電探測、平板背光等方面具有特殊的應用。尤其是在LCD (liquid crys化1 display)背光源中能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的非偏振光，運樣可W舍棄目前背光源模 組中的下偏振片和增亮片，而舍棄的下偏振片原先要吸收29.3%的光效。顯而易見，偏振白 光光源應用在LCD中可W降低能耗、提高能量轉(zhuǎn)化效率W及獲得高對比度成像，符合節(jié)能環(huán) 保的時代主題。
[0004] 在過去幾十年的發(fā)展中，人們對于器件偏振特性的研究不在少數(shù)，但是運些器件 主要還是應用在紅外波段。對于可見光波段的偏振器件，由于加工工藝限制，很多設計的應 用在可見光范圍的納米結(jié)構(gòu)器件離真正的實際應用還有一段距離。隨著深紫外光刻、電子 束曝光、納米壓印、離子束刻蝕等微納米工藝的發(fā)展，微納米級別偏振器件也得到較快的發(fā) 展。所W利用納米結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效偏振光(高透射率、高消光比或位相轉(zhuǎn)換）的輸出尤其是 偏振白光，對于眾多領域的實際應用來說，具有較高的現(xiàn)實意義。白光LED作為極具發(fā)展?jié)?力的新型光源，在很多方面都有應用，近幾年來發(fā)展十分迅速。白光Lm)行業(yè)做的比較成熟 的主要是美國、歐盟還有日本。我國和運些國家主要的差距體現(xiàn)在藍光忍片和紫外忍片的 研制上。目前，主要可W通過立種方式獲取白光LED,第一種是利用"藍光忍片+巧光粉"的組 合方式來形成白光，第二種是利用多種單色光混合形成白光。第=種是多量子阱型。運幾種 方法都已能成功產(chǎn)生白光器件。從制作工藝、生產(chǎn)效率及效益等方面來說，目前，可W投入 大量生產(chǎn)的還是藍光忍片和黃色巧光粉運種組合方式。比如日本日亞化學公司就是利用運 種方法將黃色巧光粉與藍光Lm)結(jié)合，研發(fā)了白光LED。經(jīng)過了一段時間的發(fā)展，運種生產(chǎn)方 式已成為主流。隨著發(fā)光亮度和功率的不斷提高，傳統(tǒng)的點膠工藝W及有機封裝材料例如 環(huán)氧樹脂，使得器件出光均勻性很難保證，而且不耐高溫，材料容易老化進而影響使用壽 命。
[0005] 為了應對運些問題，各國將重點放在了巧光材料的研究上，W及進一步優(yōu)化L邸的 封裝方式。目前主要通過表面粗化處理、光子晶體、倒裝技術(shù)、巧光粉層遠離等方式來提高 L抓的光提取效率。巧光封裝材料方面，2005年日本電氣玻璃公司制備了用于白光LED的微 晶玻璃陶瓷巧光體;荷蘭飛利浦公司2008年報導了將巧光粉滲雜到氧化侶多晶陶瓷中，實 現(xiàn)與藍光忍片的封裝；國內(nèi)中山大學在YAG單晶中滲雜稀±再與藍光忍片封裝，得到白光； 華南師范大學則將制備的玻璃巧光體直接用于封裝白光LED"2010年第十屆全球固態(tài)照明 國際會議上，飛利浦公司再次展示了用巧光陶瓷封裝L邸的最新成果，獲得顯色指數(shù)達90的 各種色溫的白光。2011年上海國際新光源&新能源照明展覽上日亞公司展出了其采用Ce: YAG透明陶瓷封裝的白光LED產(chǎn)品。2015年上海光機所研究出的MgAb化-Ce: YAG透明巧光陶 瓷在相關色溫5000K的條件下，最大流明效率達到991m/W。
[0006] 目前，主要有=種方式來實現(xiàn)Lm)的偏振出光。（1)將磁性元素滲入材料體系中，運 樣能直接產(chǎn)生偏振光，但是滲雜的難度比較大，實現(xiàn)起來比較困難；（2)可W通過外延生長 的方式，在半極性或者非極性表面直接長GaN基LED，獲取偏振光，但是運種偏振L抓制作工 藝復雜，材料生長困難，而且偏振光的消光比也不是很高；（3)利用納米光學結(jié)構(gòu)集成在LED 忍片的表面，實現(xiàn)偏振出光。在OLm)領域?qū)崿F(xiàn)偏振白光主要是通過一些有機物的混合，運些 有機物在特定溫度條件下具有特殊的性質(zhì)從而產(chǎn)生偏振白光，往往運種偏振白光的偏振度 比較低，熱穩(wěn)定性也存在一定問題，與實際的工業(yè)應用還有一段距離；而如果不考慮本身 OLED的白光偏振，在外部設計結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)白光偏振輸出，運對偏振度的提高有很大的幫助， 但是對于實際生產(chǎn)應用來說還是略顯復雜。隨著偏振L邸的研究W及光刻工藝越來越成熟， 利用微結(jié)構(gòu)與白光Lm)相結(jié)合的方式來產(chǎn)生偏振白光，無論從出射白光質(zhì)量還是加工工藝 方面來說，都是很有前景的。因此很有必要研發(fā)新的方法將微納米結(jié)構(gòu)與巧光陶瓷相結(jié)合， 獲取局品質(zhì)偏振白光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED,能 夠?qū)崿F(xiàn)激發(fā)偏振白光的功能，并具波段較寬，偏振出光的角度適應性強，結(jié)構(gòu)簡單，易于制 作的特點；本發(fā)明公開的偏振白光L抓在450nm~650nm波段內(nèi)透過率高于60%，消光比大于 20地（±60。）。
[0008] 為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，包括藍光LED、巧光陶瓷基底、 過渡層、介質(zhì)光柵層、金屬層;所述巧光陶瓷基底一面禪合藍光LED,另一面復合過渡層;所 述介質(zhì)光柵層位于過渡層表面;所述金屬層位于介質(zhì)光柵層的凹槽W及凸起的表面;所述 介質(zhì)光柵層的周期為140 nm-160nm，占空比為0.4-〇.6，高度為7〇11111-9〇11111;所述金屬層的高 度為 40nm-60nm。
[0009] 本發(fā)明基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光Lm)在巧光陶瓷基底表面引 入一層低折射率的過渡層，并且在過渡層表面集成介質(zhì)光柵和金屬層，得到雙層納米光柵 的復合結(jié)構(gòu);最終將復合結(jié)構(gòu)與GaN基藍光L邸相禪合，最終實現(xiàn)偏振白光出射?；诪榍晒?陶瓷基底材料，過渡層和介質(zhì)層光柵為氣化儀、二氧化娃、PMMA等材料構(gòu)成，金屬為侶、銀、 金等金屬材料構(gòu);納米光柵是介質(zhì)光柵與金屬復合而成的雙層光柵且雙層光柵結(jié)構(gòu)覆蓋于 過渡層之上，將巧光陶瓷復合雙層納米光柵結(jié)構(gòu)與GaN基藍光L抓結(jié)構(gòu)禪合實現(xiàn)白光L抓器 件。本發(fā)明的過渡層和介質(zhì)光柵的材料可W-樣也可W不一樣，具備較低的折射率，優(yōu)選材 料一致，對器件的制備和生產(chǎn)效率有利，只需在基底上鍛一層IOOnm的膜，再在膜上涂壓印 膠，進行納米壓印做出掩模版，再對膜進行刻蝕即可。
[0010] 本發(fā)明中，復合結(jié)構(gòu)為雙層納米介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)，金屬產(chǎn)生TE偏振激發(fā)金屬線的電 子而產(chǎn)生電流，使得該方向上的偏振光反射，而TM偏振光由于在該方向上有空氣間隙將金 屬線阻攔而無法產(chǎn)生電流，此時光波會透過光柵，能夠達到較高的偏振光透過率和較高的 消光比。
[0011] 本發(fā)明中，介質(zhì)光柵及過渡層為氣化儀、二氧化娃、PMMA等;本發(fā)明優(yōu)選氣化儀作 為過渡層W及介質(zhì)光柵層，與巧光陶瓷基體復合，傳輸層氣化儀具有較高的折射率（n~ 1.83)，該結(jié)構(gòu)在550nmW下的短波范圍內(nèi)TM波透過率和消光比都有明顯的提升，從而提高 器件的TM波透過率和消光比。優(yōu)選過渡層為氣化儀過渡層、介質(zhì)光柵層為氣化儀光柵層、金 屬層為侶層。過渡層與介質(zhì)光柵材料一致為氣化儀，可W獲得較低折射率，而且能原料來源 廣泛，經(jīng)濟實用，也便于刻蝕，金屬層材料為侶，產(chǎn)品性能好，尤其能獲得比較高的透過率， 同時侶祀材比較常見，而且易保存。
[0012] 本發(fā)明中，所述基底為巧光陶瓷;巧光陶瓷的許多性能指標都優(yōu)于傳統(tǒng)的Lm)封裝 材料環(huán)氧樹脂和有機娃，為白光Lm)封裝W及巧光轉(zhuǎn)換提供了一種新的方法，并對高品質(zhì)白 光的獲取具有重大的參考價值。
[0013] 優(yōu)選的技術(shù)方案中，基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光Lm)中，低折射 率過渡層厚度冊=20nm;雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的介質(zhì)光柵的周期為P=I5化m，占空比DC=O. 5，介 質(zhì)光柵層高度H2=80nm，金屬層的高度為Hl=SOnm;過渡層高度H3=20nm。將巧光陶瓷復合雙 層納米光柵結(jié)構(gòu)與GaN基藍光L抓結(jié)構(gòu)禪合實現(xiàn)白光L抓器件。運組優(yōu)化參數(shù)，可W使結(jié)構(gòu) 達到波段最寬，具有很好的角度適應性，TM波透過率和消光比達到最高的優(yōu)點。本發(fā)明的基 于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光Lm)對應的工作波段為可見光波段;通過結(jié)構(gòu) 參數(shù)的選取，本發(fā)明可W適用不同工作波段，其中在450nm~650nm可見光范圍消光比大于 20地，TM波透過率高于60%;其消光比在±60°的范圍內(nèi)均大于20dB，具有很好的角度適應 性。
[0014] 本發(fā)明還公開了一種基于巧光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)，包括巧光陶瓷基 底、過渡層、介質(zhì)光柵層、金屬層;所述巧光陶瓷基底一面復合過渡層;所述介質(zhì)光柵層位于 過渡層表面;所述金屬層位于介質(zhì)光柵層的凹槽W及凸起的表面;所述介質(zhì)光柵層的周期 為140 nm-160皿，占空比為0.4-0.6，高度為70皿-90皿;所述金屬層的高度為40皿-60皿;介 質(zhì)光柵的高度高于金屬層30nm左右獲得性能最佳的產(chǎn)品。
[0015] 上述基于巧光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)中，所述過渡層為氣化儀過渡層、 二氧化娃過渡層或者PMMA過渡層;所述介質(zhì)光柵層為氣化儀光柵層、二氧化娃光柵層或者 PMMA光柵層;所述金屬層為侶層、銀層或者金層;所述介質(zhì)光柵層的周期為P=150nm，占空比 DC=O. 5，高度肥=SOnm;所述金屬層的高度為Hl=SOnm;過渡層厚度冊為20nm。
[0016] 將基于巧光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)與藍光L邸比如GaN基藍光L邸結(jié)構(gòu) 禪合實現(xiàn)白光Lm)器件。本發(fā)明W巧光陶瓷為基底利用納米壓印，離子束刻蝕，電子束蒸發(fā) 鍛膜等高校微納制備技術(shù)制造的白光偏振L邸所公開的偏振白光L邸在450nm~650nm波段內(nèi) 透過率高于60%，消光比大于20地（±60°);并且具有體積小，極易與其他光電器件集成，生 產(chǎn)效率高成本低等優(yōu)點。因此本發(fā)明還公開了上述基于巧光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié) 構(gòu)在制備偏振白光LED中的應用。
[0017] 進一步的，本發(fā)明還公開了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)的制備方 法，包括W下步驟:在清洗后的巧光陶瓷基底表面鍛過渡層材料;然后在過渡層材料表面制 備介質(zhì)光柵層，最后在介質(zhì)光柵層的凹槽W及凸起的表面鍛金屬層即得到基于巧光陶瓷及 雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)。將基于巧光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)與藍光Lm)禪合，得 到基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED。
[0018] 具體的，首先，對基底進行清洗去除基片表面的臟點和油污從而使基片表面具有 較好的清潔度W及粘附力;然后利用離子束瓣射沉積在基底上，鍛一層過渡介質(zhì)層，接著利 用旋涂法涂布上一層壓印膠，利用紫外固化納米壓印技術(shù)刻出納米光柵光刻膠結(jié)構(gòu)，再使 用離子束(IBE)工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到介質(zhì)納米光柵，最后利用離子束瓣射沉 積在介質(zhì)光柵的凹槽W及凸起的上表面鍛一層金屬層，得到基于巧光陶瓷及雙層納米光柵 的封裝結(jié)構(gòu);與藍光L邸禪合，得到基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED?？蒞 采用電子束直寫曝光并顯影;用反應離子束刻蝕光刻膠;利用丙酬去除殘余光刻膠。
[0019] 由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點： 1.本發(fā)明首次公開了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED,具有較 好的TM波透過率和消光比，從而實現(xiàn)激發(fā)偏振白光的功能，其在450nm~650nm可見光范圍內(nèi) 的消光比大于20地，TM波透過率高于60%，取得了意想不到的技術(shù)效果。
[0020] 2.本發(fā)明所公開的基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L抓結(jié)構(gòu) 合理、易于制作，基于巧光陶瓷的雙層納米光柵尺寸參數(shù)可調(diào)，制備方法與現(xiàn)有的半導體制 作工藝完全兼容;克服了現(xiàn)有技術(shù)需要繁瑣的制備過程才能得到偏振出光器件的缺陷。
[0021] 3.本發(fā)明公開的基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED原料來 源廣、制備簡易，相比現(xiàn)有技術(shù)財力、時間成本更低;并且性能優(yōu)異，在光學傳感系統(tǒng)、先進 的納米光子器件W及結(jié)構(gòu)光學系統(tǒng)中，具有很大的應用價值。
[0022] 4.本發(fā)明將納米光柵與巧光陶瓷相結(jié)合，設計微納結(jié)構(gòu)來獲得高的白光的透過 率和偏振度，在巧光陶瓷表面引入了 一層低折射率過渡層，并在過渡層表面集成介質(zhì)/金屬 復合納米光柵結(jié)構(gòu)，可W有效的提高結(jié)構(gòu)的透過率和偏振消光比，實現(xiàn)了高效偏振GaN基白 光LED的可行性;尤其是搭建了偏振特性測量平臺，對制成的樣品進行光學性能的檢測與分 析，本發(fā)明得到偏振白光L抓在450nm~650nm波段內(nèi)透過率高于60%，消光比大于20dB(± 60° )，具有很好的角度適應性，取得了意想不到的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0023] 圖1為實施例一的基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L抓結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖2為實施例一的基于巧光陶瓷和雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基白光L抓主視結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖3為實施例二中基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L抓結(jié)構(gòu)示意 圖； 其中：1、金屬層;2、介質(zhì)光柵層;3、過渡層;4、巧光陶瓷基底;5、藍光LED; 圖4為實施例一的基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED的折射率曲 線圖； 圖5為實施例一的光由基底入射基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光 L邸的折射率曲線后的TM透過率和消光比曲線圖； 圖6為實施例一的基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L抓的藍光光譜 曲線圖，中屯、波長是458nm; 圖7為實施例一的實際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光L抓的TM 波和TE波光譜； 圖8為實施例一的實際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光Lm)的消 光比曲線圖； 圖9為實施例一的實際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光L抓的TM 波的透過率曲線圖； 圖10為實施例一的實際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光L抓的TM 波透過率隨角度變化的曲線圖； 圖11為實施例一的實際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光Lm)的消 光比隨角度變化的曲線圖； 圖12為實施例一的過渡層厚度化3)對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振 白光L邸的透過率的影響圖； 圖13為實施例一的過渡層厚度化3)對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振 白光L邸的消光比的影響圖； 圖14為實施例一的介質(zhì)光柵高度化2)對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏 振白光L邸的透過率的影響圖； 圖15為實施例一的介質(zhì)光柵高度化2)對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏 振白光L邸的消光比的影響圖； 圖16為實施例一的金屬光柵高度化1)對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏 振白光L邸的透過率的影響圖； 圖17為實施例一的金屬光柵高度化1)對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏 振白光L邸的消光比的影響圖； 圖18為實施例一的占空比DC對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光 L邸的透過率的影響圖； 圖19為實施例一的占空比DC對基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光 L邸的消光比的影響圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述： 實施例一:參見附圖1所示，基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED, 包括1、金屬層;2、介質(zhì)光柵層;3、過渡層;4、巧光陶瓷基底;5、藍光LEDsGaN基藍光L抓發(fā)出 藍光經(jīng)基巧光陶瓷的雙層納米金屬光柵，發(fā)出偏振白光，即為基于巧光陶瓷及雙層納米光 柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED。
[0025] 參見附圖2,基于巧光陶瓷和雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基白光L抓主視結(jié)構(gòu)示意圖； 其中：介質(zhì)光柵層周期P=15化m;占空比DC= Ll/P=0.5;金屬層高度化=50nm;介質(zhì)光柵高度 H2=80nm;過渡層厚度H3=20nm。上述雙層納米光柵結(jié)構(gòu)基于巧光陶瓷基片并與GaN基藍光 L邸結(jié)構(gòu)禪合實現(xiàn)白光L邸器件。
[0026] 上述基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L邸的制作方法，包括如 下步驟： (1) 對巧光陶瓷進行清洗去除表面的臟點和油污從而使巧光陶瓷表面具有較好的清潔 度W及粘附力； (2) 利用離子束瓣射沉積在巧光陶瓷上鍛一層厚度為IOOnm的二氧化娃介質(zhì)層； (3) 利用旋涂法涂布上一層壓印膠； (4) 利用紫外固化納米壓印技術(shù)刻出納米光柵光刻膠結(jié)構(gòu)； (5) 使用離子束(I肥)工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到介質(zhì)納米光柵； (6) 最后利用離子束瓣射沉積在介質(zhì)光柵的凹槽W及凸起上面鍛一層厚度為50nm的侶 金屬層； (7) 本實施例制備的樣品面積為2英寸，結(jié)構(gòu)區(qū)域20mmX 20mm，從結(jié)構(gòu)區(qū)域裁剪一小塊 樣品，用光學粘合劑(折射率1.7左右)將運一小塊樣品與藍光忍片化aN基藍光LED)做貼合， 運樣就形成了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED。
[0027] 實施例二 參見附圖3,基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED,包括1、金屬層； 2、介質(zhì)光柵層;3、過渡層;4、巧光陶瓷基底;5、藍光LED;其中：介質(zhì)光柵層周期P=15化m;占 空比DC= Ll/P=0.5;金屬層高度化=5化m;介質(zhì)光柵（二氧化娃）高度H2=80nm;過渡層（氣化 儀)厚度H3=20nm。上述雙層納米光柵結(jié)構(gòu)基于巧光陶瓷基片并與GaN基藍光L抓結(jié)構(gòu)禪合實 現(xiàn)白光LED器件。
[0028] 基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L邸的制作方法，包括如下步 驟： (1) 對巧光陶瓷進行清洗去除表面的臟點和油污從而使巧光陶瓷表面具有較好的清潔 度W及粘附力； (2) 利用離子束瓣射沉積在巧光陶瓷上鍛一層厚度為20nm的氣化儀薄膜作為過渡層， 再繼續(xù)鍛SOnm的二氧化娃介質(zhì)層作為制作介質(zhì)光柵的材料； (3) 利用旋涂法涂布上一層壓印膠； (4) 利用紫外固化納米壓印技術(shù)刻出納米光柵光刻膠結(jié)構(gòu)； 巧)使用離子反應去膠機去除殘余光刻膠得到壓印膠介質(zhì)納米光柵； (6) 使用離子束(IBE)工藝W壓印膠介質(zhì)納米光柵作為掩膜版對二氧化娃層進行刻蝕， 刻蝕深度為80皿，接著去除殘余光刻膠得到介質(zhì)納米光柵； (7) 最后利用離子束瓣射沉積在介質(zhì)光柵的凹槽W及凸起上面鍛一層厚度為50nm的侶 層； (8) 從結(jié)構(gòu)區(qū)域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑(折射率1.7左右)將運一小塊樣品與藍 光忍片(GaN基藍光LED)做貼合，運樣就形成了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基 偏振白光LED。
[0029] 實施例S 基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L邸參數(shù)與實施例一一致，制作方 法包括如下步驟： (1) 對巧光陶瓷進行清洗去除表面的臟點和油污從而使巧光陶瓷表面具有較好的清潔 度W及粘附力； (2) 利用離子束瓣射沉積在巧光陶瓷上鍛一層厚度為IOOnm的氣化儀介質(zhì)層； (3) 利用旋涂法涂布上一層壓印膠； (4) 利用紫外固化納米壓印技術(shù)刻出納米光柵光刻膠結(jié)構(gòu)； 巧)使用離子反應去膠機去除殘余光刻膠得到壓印膠介質(zhì)納米光柵； (6) 使用離子束(I肥)工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到介質(zhì)納米光柵； (7) 最后利用離子束瓣射沉積在介質(zhì)光柵的凹槽W及凸起上面鍛一層厚度為50nm的金 層； (8) 從結(jié)構(gòu)區(qū)域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑(折射率1.7左右)將運一小塊樣品與藍 光忍片(GaN基藍光LED)做貼合，運樣就形成了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基 偏振白光LED。
[0030] 實施例四 基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED,其中介質(zhì)光柵層周期P= 155皿；占空比DC= L1/P=0.45;金屬層高度化=52皿;介質(zhì)光柵高度肥=85皿;過渡層厚度H3= 20nm。制作方法包括如下步驟： (1) 對巧光陶瓷進行清洗去除表面的臟點和油污從而使巧光陶瓷表面具有較好的清潔 度W及粘附力； (2) 利用離子束瓣射沉積在巧光陶瓷上鍛一層厚度為105nm的氣化儀介質(zhì)層； (3) 利用旋涂法涂布上一層壓印膠； (4) 利用紫外固化納米壓印技術(shù)刻出納米光柵光刻膠結(jié)構(gòu)； 巧)使用離子反應去膠機去除殘余光刻膠得到壓印膠介質(zhì)納米光柵； (6) 使用離子束(I肥)工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到介質(zhì)納米光柵； (7) 最后利用離子束瓣射沉積在介質(zhì)光柵的凹槽W及凸起上面鍛一層厚度為52nm的侶 層； (8) 從結(jié)構(gòu)區(qū)域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑(折射率1.7左右)將運一小塊樣品與藍 光忍片(GaN基藍光LED)做貼合，運樣就形成了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基 偏振白光LED。
[0031] 實施例五 基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光LED,其中介質(zhì)光柵層周期P= 145nm;占空比DC= Ll/P=0.5;金屬層高度Hl=55nm;介質(zhì)光柵高度H2=88nm;過渡層厚度H3= 20nm。制作方法包括如下步驟： (1) 對巧光陶瓷進行清洗去除表面的臟點和油污從而使巧光陶瓷表面具有較好的清潔 度W及粘附力； (2) 利用離子束瓣射沉積在巧光陶瓷上鍛一層厚度為IOSnm的二氧化娃介質(zhì)層； (3) 利用旋涂法涂布上一層壓印膠； (4) 利用紫外固化納米壓印技術(shù)刻出納米光柵光刻膠結(jié)構(gòu)； 巧)使用離子反應去膠機去除殘余光刻膠得到壓印膠介質(zhì)納米光柵； (6)使用離子束(I肥)工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到介質(zhì)納米光柵； (7) 最后利用離子束瓣射沉積在介質(zhì)光柵的凹槽W及凸起上面鍛一層厚度為55nm的侶 層； (8) 從結(jié)構(gòu)區(qū)域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑(折射率1.7左右)將運一小塊樣品與藍 光忍片(GaN基藍光LED)做貼合，運樣就形成了基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基 偏振白光LED。
[0032] W實施例一的產(chǎn)品為對象進行W下測試： 利用抑TD Solution(化nada)軟件來模擬計算光場，選用2D模式搭建結(jié)構(gòu)，在水平方向 上設置周期性邊界條件。在垂直方向由于多種介質(zhì)存在，邊界條件利用完美匹配層，模擬光 源為平面波設置在巧光陶瓷內(nèi)部，波長范圍是400nm~700nm，沿垂直方向入射，通過楠偏儀 檢測，得到上述基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L抓的折射率曲線，參 見附圖4，在整個可見光波段，巧光陶瓷的折射率在1.82-一1.87，折射率變化不大，比較穩(wěn) 定，適合作為基底與納米光柵結(jié)合做白光偏振LED。由于巧光陶瓷襯底相對于傳輸層氣化儀 (n~1.38)具有較高的折射率(n~1.83)，該結(jié)構(gòu)在550nmW下的短波范圍內(nèi)TM波透過率和消 光比都有明顯的提升。
[0033] 附圖5為光由基底入射基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L邸的 折射率曲線后的TM透過率和消光比曲線圖，參見附圖4，P=150nm，Hl=50nm，H2=80nm，H3= 20nm，DC=0.5的參數(shù)下，在450皿~750皿波段，整體的透過率和消光比分別高于70%和30地， 偏振特性好。
[0034] 附圖6為基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L邸藍光光譜，用GaN 基藍光L邸作為白光的激發(fā)光源，中屯、波長是458nm。從圖6中可W看出GaN基藍光L邸在波長 為458nm時能量最高，而且中屯、波長光譜較窄，單色性較好，適合作為白光的激發(fā)光源。
[0035] 樣品面積為2英寸，結(jié)構(gòu)區(qū)域20mmX20mm，從結(jié)構(gòu)區(qū)域裁剪一小塊樣品，用光學粘 合劑(折射率1.7左右)將運一小塊樣品與藍光忍片做貼合，形成了集成式的偏振白光Lm)忍 片。將白光Lm)固定在小型激光器套筒里面，運樣固定W后更加穩(wěn)定，便于測量。用兩根導線 連接引腳，并與電源相連。出射的白光會透過檢偏器，通過檢偏器角度e的旋轉(zhuǎn)，來檢測白光 的偏振特性。偏振片后面是光譜儀，用光纖探頭來接收光，也可W用聚焦透鏡，將白光聚焦 到光譜儀的接收口進行探測。消光比的測量主要是調(diào)整檢偏器的角度，邊旋轉(zhuǎn)檢偏器，邊觀 察出射白光的光譜變化。分別記錄最強和最弱兩次光譜，分別對應TM波和TE波。附圖7為實 際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光L抓的TM波和TE波光譜;可W看出 在400-700nm波段內(nèi)，TM波能夠透過一部分，在458nm波長左右能夠透過很大的能量，而TE在 整個400-700nm波段幾乎不透過。
[0036] 附圖8為實際測量的光由基底入射通過雙層納米金屬光柵后的白光Lm)的消光比 曲線圖；白光L抓光譜的譜帶范圍較寬，TM波光譜到TE波光譜變化比較明顯，提取兩條譜線 的實際數(shù)值，按照消光比計算公式:1???綻讀!案誠事|誠吏1：捶巧W得到消光比曲線如 圖8。
[0037] W純巧光陶瓷基片為對象，上面沒有任何微結(jié)構(gòu)，也沒有沉積任何過渡層，直接用 藍光L邸激發(fā)，測量不存在偏振特性的白光光譜；W帶有雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的巧光陶瓷基片 為對象，測量偏振白光的光譜。第二次光譜數(shù)值與第一次之比所得的曲線即為TM波透過率 曲線，參見圖9,從圖9中可W看出，本發(fā)明的出光效率在60%上下，非常穩(wěn)定，可W投入到生 產(chǎn)中。
[0038] 附圖10和附圖11，為基于巧光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的GaN基偏振白光L邸不同 角度出光情況下的偏振特性，可W看出，透過率隨角度變化下降的比較明顯，而消光比在 60°的范圍內(nèi)都能保持在20地，對于消光比來說體現(xiàn)了很好的角度適應性，符合在實際應用 中，白光LED寬角度發(fā)散發(fā)光的要求。
[0039] 附圖12和附圖13給出了在整個可見光范圍內(nèi)，傳輸層厚度的變化對透過率和消光 比的影響。從圖中可W看出，由于巧光陶瓷襯底相對于傳輸層氣化儀(n~1.38)具有較高的 折射率(n~1.83)，該結(jié)構(gòu)在550nmW下的短波范圍內(nèi)TM波透過率和消光比都有明顯的提升， 綜合比較不同厚度處的透過率和消光比，傳輸層厚度在H3=20nm時，透過率在整個可見光波 段范圍處于較高的位置，而且在可見光波段，整體透過率高于70%，消光比大于30地。相對于 沒有傳輸層的情況，短波的透過率提高了 15%，消光比提高了 5%。透過率和消光比的提高可 W理解為介質(zhì)傳輸層與巧光陶瓷基底及光柵層形成的=層之間干設增強。
[0040] 附圖14和附圖15給出了白光L抓表面TM光的透過率和消光比邸隨著介質(zhì)光柵高度 變化曲線。對應的參數(shù)是：光柵周期P=150nm，Hl=50nm，冊=20nm，DC=0.5。從圖中可W看出， TM波的透過率和消光比都對介質(zhì)光柵高度的變化十分敏感，運個也是比較容易理解，因為 光傳播通過下面的金屬時有一部分被上層金屬反射，導致在上下兩層金屬之間來回傳播， 形成干設相長或相消。當介質(zhì)光柵高度為50nm，和金屬光柵高度一致時，TM波透過率幾乎為 零。當介質(zhì)光柵高度取SOnm時，透過率和消光比都是最優(yōu)的情況，所W對H2的優(yōu)選結(jié)果為 SOnm。
[0041 ]附圖16和附圖17給出了白光L抓表面TM光的透過率和消光比邸隨著金屬光柵高度 變化曲線。對應的參數(shù)是:光柵周期P=I 50nm，肥=SOnm，冊=20nm，DC=O. 5。從附圖16中可W看 出消光比隨著金屬光柵高度的增加而增加，當Hl=SOnm時，雖然消光比是最高的，但是實際 情況是形成了連續(xù)的金屬層，導致透過率很低。透過率曲線短波處總體隨著金屬光柵高度 的增加而增加，而長波處相反，綜合考慮整個可見光波段的透過率，選取50nm左右最為合 適。
[0042] 附圖18和附圖19給出了白光L抓表面TM光的透過率和消光比邸隨著光柵占空比變 化的曲線。對應的模擬參數(shù)是：光柵周期P=150nm，Hl=50nm H2=80nm，冊=20nm。從圖18和19 中可W看出，TM透過率和消光比隨占空比的變化趨勢基本上是一致的，占空比從0.1變化至 0.5,透過率和消光比都在增加，到0.5時，兩者同時達到最大，隨著占空比的增加，透過率和 消光比又同時減小，可見，占空比選擇0.5理論上是最為合適的，而且從實驗制備的角度來 說，0.5的占空比相對來說更加容易控制和實現(xiàn)。對于占空比最小和最大時，分別對應于下 層金屬光柵和上層金屬光柵金屬侶比較多，所W透過率比較低。m?的變化亦是如此。
[0043] 巧光陶瓷在白光LED中主要起兩方面的作用：（1)作為巧光材料:巧光陶瓷具有巧 光轉(zhuǎn)換的作用，當藍光入射到巧光陶瓷時，一部分會轉(zhuǎn)化為黃光，剩下的藍光與轉(zhuǎn)化成的黃 光一起出射，形成白光。而且巧光陶瓷的制作工藝能夠保證巧光轉(zhuǎn)換物質(zhì)在陶瓷基體中能 夠較為均勻的分布，還可W通過調(diào)整巧光轉(zhuǎn)換物質(zhì)的滲雜量W及陶瓷片的整體厚度來產(chǎn)生 不同相關色溫和顯色指數(shù)的白光。（2)作為封裝外殼：由于巧光陶瓷的透光性較好，而且不 易碎穩(wěn)定性好，可直接用來封裝白光LED,其折射率(n=l.8)比傳統(tǒng)的封裝材料環(huán)氧樹脂(n= 1.5)要高，有研究表明，當封裝材料的折射率提高時，光的提取效率也會相應提高。而且陶 瓷材料的熱導率比有機材料要高，可W緩解溫度對于Lm)的影響。同時，擁有耐腐蝕等方面 的特性，使得白光Lm)的壽命更長，并且能在某些特殊的環(huán)境下使用。由于巧光陶瓷的許多 性能指標都優(yōu)于傳統(tǒng)的L邸封裝材料環(huán)氧樹脂和有機娃。本發(fā)明為現(xiàn)有白光L邸封裝W及巧 光轉(zhuǎn)換提供了一種新的方法，并對高品質(zhì)白光的獲取具有重大的參考價值。
[0044]本發(fā)明利用磁控瓣射鍛膜的方法在巧光陶瓷基底上鍛一層厚約IOOnm的均勻介質(zhì) 薄膜，然后在薄膜上旋圖納米壓印膠，利用納米壓印機進行納米壓印制作掩膜版，利用離子 束刻蝕根據(jù)之前制作的掩膜版在介質(zhì)上制備光柵結(jié)構(gòu)，然后利用電子束蒸發(fā)鍛膜的方法鍛 一層金屬膜，電子束蒸發(fā)鍛膜是一種方向性很強的鍛膜方式，對槽型的忠誠度很高，在光柵 的矩形槽和光柵的凸起的表面都會沉積有金屬，金屬的形貌忠誠于介質(zhì)光柵的形貌，也成 矩形。光柵的周期是150nm，工作在可見光波段;本發(fā)明只需刻蝕介質(zhì)再鍛膜，再利用巧光陶 瓷基底，激發(fā)高純度的偏振白光，工藝比較簡單，效率高，成功率高，適合工業(yè)生產(chǎn);解決了 現(xiàn)有技術(shù)由于制備工藝復雜比如需要同時刻蝕金屬和介質(zhì)，而無法工業(yè)化的缺陷。
【主權(quán)項】
1. 一種基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，其特征在于:所述基于熒光 陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED包括藍光LED、熒光陶瓷基底、過渡層、介質(zhì)光柵 層、金屬層;所述熒光陶瓷基底一面耦合藍光LED，另一面復合過渡層;所述介質(zhì)光柵層位于 過渡層表面;所述金屬層位于介質(zhì)光柵層的凹槽以及凸起的表面;所述介質(zhì)光柵層的周期 為140 nm-160nm，占空比為0 · 4-0 · 6，高度為70nm-90nm;所述金屬層的高度為40nm-60nm。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，其特征在 于:所述藍光LED為GaN基藍光LED;所述過渡層為氟化鎂過渡層、二氧化硅過渡層或者PMMA 過渡層;所述介質(zhì)光柵層為氟化鎂光柵層、二氧化硅光柵層或者PMMA光柵層;所述金屬層為 鋁層、銀層或者金層。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，其特征在 于:所述過渡層為氟化鎂過渡層;所述介質(zhì)光柵層為氟化鎂光柵層;所述金屬層為鋁層。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，其特征在 于:所述介質(zhì)光柵層的周期為150nm，占空比為0.5,高度為80nm;所述金屬層的高度為50nm; 所述過渡層的高度為20nm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED，其特征在 于:所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED對應的工作波段為可見光波段。6. -種基于熒光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基于熒光陶瓷及 雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)包括熒光陶瓷基底、過渡層、介質(zhì)光柵層、金屬層;所述熒光陶瓷 基底一面復合過渡層;所述介質(zhì)光柵層位于過渡層表面;所述金屬層位于介質(zhì)光柵層的凹 槽以及凸起的表面;所述介質(zhì)光柵層的周期為140 nm-160nm，占空比為0.4-0.6,高度為 70nm_90nm;所述金屬層的高度為40nm_60nm。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述過 渡層為氟化鎂過渡層、二氧化硅過渡層或者PMMA過渡層;所述介質(zhì)光柵層為氟化鎂光柵層、 二氧化硅光柵層或者PMMA光柵層;所述金屬層為鋁層、銀層或者金層;所述介質(zhì)光柵層的周 期為150nm，占空比為0.5,高度為80nm;所述金屬層的高度為50nm;所述過渡層的高度為 20nm〇8. 權(quán)利要求6所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)在制備偏振白光LED中的 應用。9. 權(quán)利要求6所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于， 包括以下步驟:在清洗后的熒光陶瓷基底表面鍍過渡層材料;然后在過渡層材料表面制備 介質(zhì)光柵層，最后在介質(zhì)光柵層的凹槽以及凸起的表面鍍金屬層即得到基于熒光陶瓷及雙 層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED的制備方 法，其特征在于:包括以下步驟:在清洗后的熒光陶瓷基底表面鍍過渡層材料;然后在過渡 層材料表面制備介質(zhì)光柵層，接著在介質(zhì)光柵層的凹槽以及凸起的表面鍍金屬層即得到基 于熒光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu);最后將基于熒光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結(jié)構(gòu) 與藍光LED耦合，得到基于熒光陶瓷及雙層納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振白光LED。
【文檔編號】B82Y20/00GK106098910SQ201610714744
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發(fā)明人】林雨, 王欽華, 陳玲華, 王淼, 胡敬佩, 曹冰
【申請人】蘇州大學