CN106098910A - 基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光led - Google Patents

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Abstract

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。

Description

基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED
技术领域
本发明涉及光学元件制备技术，具体涉及一种基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的设计及其制备方法。
背景技术
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，以其光效高、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，各国政府和企业在这方面的投入也越来越大，应用前景极为看好。
在白光LED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 crystal display）背光源中能代替传统的非偏振光，这样可以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中可以降低能耗、提高能量转化效率以及获得高对比度成像，符合节能环保的时代主题。
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，但是这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。所以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LED行业做的比较成熟的主要是美国、欧盟还有日本。我国和这些国家主要的差距体现在蓝光芯片和紫外芯片的研制上。目前，主要可以通过三种方式获取白光LED，第一种是利用“蓝光芯片+荧光粉”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。第三种是多量子阱型。这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，可以投入大量生产的还是蓝光芯片和黄色荧光粉这种组合方式。比如日本日亚化学公司就是利用这种方法将黄色荧光粉与蓝光LED结合，研发了白光LED。经过了一段时间的发展，这种生产方式已成为主流。随着发光亮度和功率的不断提高，传统的点胶工艺以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，而且不耐高温，材料容易老化进而影响使用寿命。
为了应对这些问题，各国将重点放在了荧光材料的研究上，以及进一步优化LED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、荧光粉层远离等方式来提高LED的光提取效率。荧光封装材料方面，2005年日本电气玻璃公司制备了用于白光LED的微晶玻璃陶瓷荧光体；荷兰飞利浦公司2008年报导了将荧光粉掺杂到氧化铝多晶陶瓷中，实现与蓝光芯片的封装；国内中山大学在YAG单晶中掺杂稀土再与蓝光芯片封装，得到白光；华南师范大学则将制备的玻璃荧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荧光陶瓷封装LED的最新成果，获得显色指数达90的各种色温的白光。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MgAl2O4-Ce:YAG透明荧光陶瓷在相关色温5000K的条件下，最大流明效率达到99lm/W。
目前，主要有三种方式来实现LED的偏振出光。（1）将磁性元素掺入材料体系中，这样能直接产生偏振光，但是掺杂的难度比较大，实现起来比较困难；（2）可以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，但是这种偏振LED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芯片的表面，实现偏振出光。在OLED领域实现偏振白光主要是通过一些有机物的混合，这些有机物在特定温度条件下具有特殊的性质从而产生偏振白光，往往这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，这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LED的研究以及光刻工艺越来越成熟，利用微结构与白光LED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荧光陶瓷相结合，获取高品质偏振白光。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于荧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LED在450nm~650nm波段内透过率高于60%，消光比大于20dB（±60°）。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种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。
本发明基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED在荧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LED相耦合，最终实现偏振白光出射。基底为荧光陶瓷基底材料，过渡层和介质层光栅为氟化镁、二氧化硅、PMMA等材料构成，金属为铝、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，将荧光陶瓷复合双层纳米光栅结构与GaN基蓝光LED结构耦合实现白光LED器件。本发明的过渡层和介质光栅的材料可以一样也可以不一样，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，只需在基底上镀一层100nm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。
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。
本发明中，介质光栅及过渡层为氟化镁、二氧化硅、PMMA等；本发明优选氟化镁作为过渡层以及介质光栅层，与荧光陶瓷基体复合，传输层氟化镁具有较高的折射率（n~1.83），该结构在550nm以下的短波范围内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。优选过渡层为氟化镁过渡层、介质光栅层为氟化镁光栅层、金属层为铝层。过渡层与介质光栅材料一致为氟化镁，可以获得较低折射率，而且能原料来源广泛，经济实用，也便于刻蚀，金属层材料为铝，产品性能好，尤其能获得比较高的透过率，同时铝靶材比较常见，而且易保存。
本发明中，所述基底为荧光陶瓷；荧光陶瓷的许多性能指标都优于传统的LED封装材料环氧树脂和有机硅，为白光LED封装以及荧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。
优选的技术方案中，基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的偏振白光LED中，低折射率过渡层厚度H3=20nm；双层纳米光栅结构的介质光栅的周期为P=150nm，占空比DC=0.5，介质光栅层高度H2=80nm，金属层的高度为H1=50nm；过渡层高度H3=20nm。将荧光陶瓷复合双层纳米光栅结构与GaN基蓝光 LED结构耦合实现白光LED器件。这组优化参数，可以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；通过结构参数的选取，本发明可以适用不同工作波段，其中在450nm~650nm可见光范围消光比大于20dB，TM波透过率高于60%；其消光比在±60°的范围内均大于20dB，具有很好的角度适应性。
本发明还公开了一种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；介质光栅的高度高于金属层30nm左右获得性能最佳的产品。
上述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构中，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P=150nm，占空比DC=0.5，高度H2=80nm；所述金属层的高度为H1=50nm；过渡层厚度H3为20nm。
将基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构与蓝光 LED比如GaN基蓝光 LED结构耦合实现白光LED器件。本发明以荧光陶瓷为基底利用纳米压印，离子束刻蚀，电子束蒸发镀膜等高校微纳制备技术制造的白光偏振LED所公开的偏振白光LED在450nm~650nm波段内透过率高于60%，消光比大于20dB（±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。
进一步的，本发明还公开了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的封装结构的制备方法，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。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。
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以及粘附力；然后利用离子束溅射沉积在基底上，镀一层过渡介质层，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，最后利用离子束溅射沉积在介质光栅的凹槽以及凸起的上表面镀一层金属层，得到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。可以采用电子束直写曝光并显影；用反应离子束刻蚀光刻胶；利用丙酮去除残余光刻胶。
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荧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20dB，TM波透过率高于60%，取得了意想不到的技术效果。
2．本发明所公开的基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED结构合理、易于制作，基于荧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。
3．本发明公开的基于荧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以及结构光学系统中，具有很大的应用价值。
4. 本发明将纳米光栅与荧光陶瓷相结合，设计微纳结构来获得高的白光的透过率和偏振度，在荧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，可以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LED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
图1为实施例一的基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED结构示意图；
图2为实施例一的基于荧光陶瓷和双层纳米光栅结构的GaN基白光LED主视结构示意图；
图3为实施例二中基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED结构示意图；
其中： 1、金属层；2、介质光栅层；3、过渡层；4、荧光陶瓷基底；5、蓝光LED；
图4为实施例一的基于荧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荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的折射率曲线后的TM透过率和消光比曲线图；
图6为实施例一的基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的蓝光光谱曲线图，中心波长是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LED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LED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LED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LED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LED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(H3)对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的透过率的影响图；
图13为实施例一的过渡层厚度(H3)对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的消光比的影响图；
图14为实施例一的介质光栅高度(H2)对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的透过率的影响图；
图15为实施例一的介质光栅高度(H2)对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的消光比的影响图；
图16为实施例一的金属光栅高度(H1)对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的透过率的影响图；
图17为实施例一的金属光栅高度(H1)对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的消光比的影响图；
图18为实施例一的占空比DC对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的透过率的影响图；
图19为实施例一的占空比DC对基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的消光比的影响图。
具体实施方式
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，基于荧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、荧光陶瓷基底；5、蓝光LED。GaN基蓝光LED发出蓝光经基荧光陶瓷的双层纳米金属光栅，发出偏振白光，即为基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
参见附图2，基于荧光陶瓷和双层纳米光栅结构的GaN基白光LED主视结构示意图；其中：介质光栅层周期P=150nm；占空比DC= L1/P=0.5；金属层高度H1=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荧光陶瓷基片并与GaN基蓝光LED结构耦合实现白光LED器件。
上述基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的制作方法，包括如下步骤：
（1）对荧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使荧光陶瓷表面具有较好的清洁度以及粘附力；
（2）利用离子束溅射沉积在荧光陶瓷上镀一层厚度为100nm的二氧化硅介质层；
（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（IBE）工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅；
（6）最后利用离子束溅射沉积在介质光栅的凹槽以及凸起上面镀一层厚度为50nm的铝金属层；
（7）本实施例制备的样品面积为2英寸，结构区域20mm×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）将这一小块样品与蓝光芯片（GaN基蓝光LED）做贴合，这样就形成了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
实施例二
参见附图3，基于荧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、荧光陶瓷基底；5、蓝光LED；其中：介质光栅层周期P=150nm；占空比DC= L1/P=0.5；金属层高度H1=50nm；介质光栅（二氧化硅）高度H2=80nm；过渡层（氟化镁）厚度H3=20nm。上述双层纳米光栅结构基于荧光陶瓷基片并与GaN基蓝光LED结构耦合实现白光LED器件。
基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的制作方法，包括如下步骤：
（1）对荧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使荧光陶瓷表面具有较好的清洁度以及粘附力；
（2）利用离子束溅射沉积在荧光陶瓷上镀一层厚度为20nm的氟化镁薄膜作为过渡层，再继续镀80nm的二氧化硅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；
（5）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）工艺以压印胶介质纳米光栅作为掩膜版对二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀深度为80nm，接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅；
（7）最后利用离子束溅射沉积在介质光栅的凹槽以及凸起上面镀一层厚度为50nm的铝层；
（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）将这一小块样品与蓝光芯片（GaN基蓝光LED）做贴合，这样就形成了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
实施例三
基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED参数与实施例一一致，制作方法包括如下步骤：
（1）对荧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使荧光陶瓷表面具有较好的清洁度以及粘附力；
（2）利用离子束溅射沉积在荧光陶瓷上镀一层厚度为100nm的氟化镁介质层；
（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）最后利用离子束溅射沉积在介质光栅的凹槽以及凸起上面镀一层厚度为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）将这一小块样品与蓝光芯片（GaN基蓝光LED）做贴合，这样就形成了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
实施例四
基于荧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=155nm；占空比DC= L1/P=0.45；金属层高度H1=52nm；介质光栅高度H2=85nm；过渡层厚度H3=20nm。制作方法包括如下步骤：
（1）对荧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使荧光陶瓷表面具有较好的清洁度以及粘附力；
（2）利用离子束溅射沉积在荧光陶瓷上镀一层厚度为105nm的氟化镁介质层；
（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）最后利用离子束溅射沉积在介质光栅的凹槽以及凸起上面镀一层厚度为52nm的铝层；
（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）将这一小块样品与蓝光芯片（GaN基蓝光LED）做贴合，这样就形成了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
实施例五
基于荧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= L1/P=0.5；金属层高度H1=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）对荧光陶瓷进行清洗去除表面的脏点和油污从而使荧光陶瓷表面具有较好的清洁度以及粘附力；
（2）利用离子束溅射沉积在荧光陶瓷上镀一层厚度为108nm的二氧化硅介质层；
（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）最后利用离子束溅射沉积在介质光栅的凹槽以及凸起上面镀一层厚度为55nm的铝层；
（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）将这一小块样品与蓝光芯片（GaN基蓝光LED）做贴合，这样就形成了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED。
以实施例一的产品为对象进行以下测试:
利用FDTD Solution（Canada）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荧光陶瓷内部，波长范围是400nm~700nm，沿垂直方向入射，通过椭偏仪检测，得到上述基于荧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，参见附图4，在整个可见光波段，荧光陶瓷的折射率在1.82——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。由于荧光陶瓷衬底相对于传输层氟化镁（n~1.38）具有较高的折射率（n~1.83），该结构在550nm以下的短波范围内TM波透过率和消光比都有明显的提升。
附图5为光由基底入射基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED的折射率曲线后的TM透过率和消光比曲线图，参见附图4，P=150nm，H1=50nm，H2=80nm，H3=20nm，DC=0.5的参数下，在450nm~750nm波段，整体的透过率和消光比分别高于70%和30dB，偏振特性好。
附图6为基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED蓝光光谱，用GaN基蓝光LED作为白光的激发光源，中心波长是458nm。从图6中可以看出GaN基蓝光LED在波长为458nm时能量最高，而且中心波长光谱较窄，单色性较好，适合作为白光的激发光源。
样品面积为2英寸，结构区域20mm×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）将这一小块样品与蓝光芯片做贴合，形成了集成式的偏振白光LED芯片。将白光LED固定在小型激光器套筒里面，这样固定以后更加稳定，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θ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，也可以用聚焦透镜，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LED的TM波和TE波光谱；可以看出在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。
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LED的消光比曲线图；白光LED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：可以得到消光比曲线如图8。
以纯荧光陶瓷基片为对象，上面没有任何微结构，也没有沉积任何过渡层，直接用蓝光LED激发，测量不存在偏振特性的白光光谱；以带有双层纳米光栅结构的荧光陶瓷基片为对象，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中可以看出，本发明的出光效率在60%上下，非常稳定，可以投入到生产中。
附图10和附图11，为基于荧光陶瓷及双层纳米光栅结构的GaN基偏振白光LED不同角度出光情况下的偏振特性，可以看出，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20dB，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。
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。从图中可以看出，由于荧光陶瓷衬底相对于传输层氟化镁（n~1.38）具有较高的折射率（n~1.83），该结构在550nm以下的短波范围内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30dB。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以理解为介质传输层与荧光陶瓷基底及光栅层形成的三层之间干涉增强。
附图14和附图15给出了白光LED表面TM光的透过率和消光比ER随着介质光栅高度变化曲线。对应的参数是：光栅周期P=150nm，H1=50nm，H3=20nm，DC=0.5。从图中可以看出，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，这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，形成干涉相长或相消。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80nm时，透过率和消光比都是最优的情况，所以对H2的优选结果为80nm。
附图16和附图17给出了白光LED表面TM光的透过率和消光比ER随着金属光栅高度变化曲线。对应的参数是：光栅周期P=150nm，H2=80nm，H3=20nm，DC=0.5。从附图16中可以看出消光比随着金属光栅高度的增加而增加，当H1=80nm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。
附图18和附图19给出了白光LED表面TM光的透过率和消光比ER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，H1=50nm H2=80nm，H3=20nm。从图18和19中可以看出，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铝比较多，所以透过率比较低。ER的变化亦是如此。
荧光陶瓷在白光LED中主要起两方面的作用：（1）作为荧光材料：荧光陶瓷具有荧光转换的作用，当蓝光入射到荧光陶瓷时，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。而且荧光陶瓷的制作工艺能够保证荧光转换物质在陶瓷基体中能够较为均匀的分布，还可以通过调整荧光转换物质的掺杂量以及陶瓷片的整体厚度来产生不同相关色温和显色指数的白光。（2）作为封装外壳：由于荧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=1.8）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，可以缓解温度对于LED的影响。同时，拥有耐腐蚀等方面的特性，使得白光LED的寿命更长，并且能在某些特殊的环境下使用。由于荧光陶瓷的许多性能指标都优于传统的LED封装材料环氧树脂和有机硅。本发明为现有白光LED封装以及荧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。
本发明利用磁控溅射镀膜的方法在荧光陶瓷基底上镀一层厚约100nm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镀膜的方法镀一层金属膜，电子束蒸发镀膜是一种方向性很强的镀膜方式，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镀膜，再利用荧光陶瓷基底，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。

Claims (10)

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。
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。
6.一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。
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。
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