基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的偏振白光LED及其封装结构制造技术

本实用新型专利技术公开了基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的偏振白光LED及其封装结构，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%。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于荧光陶瓷及双层纳米光栅的偏振白光LED及其封装结构
本技术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及其封装结构。
技术介绍
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（lightemittingdiode）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（liquidcrystaldisplay）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。
技术实现思路
本技术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；本专利技术公开的偏振白光LED在450nm~650nm波段内透过率高于60%，消光比大于20dB（±60°）。为达到上述专利技术目的，本技术采用的技术方案是：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140nm-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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术中，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。本专利技术中，介质光栅及过渡层为氟化镁、二氧化硅、PMMA等；本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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140nm-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。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：...

【专利技术属性】
技术研发人员：林雨，王钦华，陈玲华，王淼，胡敬佩，曹冰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32