一種硅納米顆粒陣列增強白光led及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于發光二極管技術領域，具體涉及一種硅納米顆粒陣列增強白光LED，同 時還涉及一種硅納米顆粒陣列增強白光LED的制備方法。
【背景技術】
[0002] 發光二極管（LED)具有耗能少、體積小、可靠性高和壽命長等優點，利用發光二極 管產生白光取代傳統的白熾燈光源，是全球認可的固態照明（SolidStateLighting，SSL) 領域發展趨勢。目前獲得白光LED的商業化方法主要有兩種：一種是用紅、綠、藍三基色LED 合成白光，然而這種方法因綠光LED的低量子效率以及紅光LED對溫度的依賴而受到限制； 第二種方法較為通用，即與顏色轉換層（Color-convertinglayer)結合，也就是在紫外或 藍光LED芯片上覆蓋一層能被紫外或藍光激發的熒光粉，芯片發出的光與熒光物質發出的 低頻光互補形成白光。目前，SSL領域的研宄多數集中在發展高效的藍光LED和白光LED用 熒光粉方面。然而，包括GaN在內所有材料的LED都面臨著發光效率低的問題。為了獲得 高亮度、高效率的白光LED，人們致力于提高LED的光提取效率和內量子效率，改善顏色轉 換層（LED熒光粉）的光轉換效率，開發新型的高效熒光粉等。
[0003] 近年來，人們已證實在LED發光器件內引入微納結構，比如格柵、納米粗糙化 (nano-texturing)、光子晶體等可以有效提高LED的光提取效率。另一方面，利用金屬納米 顆粒的表面等離激元共振（Surfaceplasmonresonances，SPRs)可以改變金屬表面附近分 子的消光性能，顯著提高附近分子的熒光輻射強度，調控其發光性能。早在上世紀70年代， K.Drexhage就發現了這一現象，但直到1999年，由于在生物傳感和生物醫學方面的應用價 值，才受到人們的重視。2010年，韓國的S.M.Lee等利用金屬顆粒的表面等離激元共振效 應，通過調控銀納米顆粒的形貌和濃度增強白光LED熒光粉顆粒的發光，使其發光強度增加 T36% (S.M.Leeetal.，EnhancedemissionfromBaMgAl10O17:Eu2+bylocalizedsurface plasmonresonanceofsilverparticles,Opt.Express18(2010) 12144-12152)〇2013年， G.Lozano及其同事利用金屬鋁納米顆粒的周期結構增強LED顏色轉換層內熒光分子發光， 證實在激光或藍光LED激勵下，熒光發射強度可提高60倍或20倍，同時實現了光的高度定 向發身寸（G.Lozano,etal. ,Plasmonicsforsolid-statelighting:enhancedexcitation anddirectionalemissionofhighlyefficientlightsources,Light:ScienceMppli cations2 (2013)e66)。但是，金屬納米結構共振發生時不可避免的歐姆損耗以及焚光淬滅 效應會減弱熒光物質發光強度和發光效率，使其在納米光子學相關領域的應用受到限制。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種硅納米顆粒陣列增強白光LED，解決現有金屬納米顆粒 陣列增強白光LED的發光強度及發光效率受限的問題。
[0005] 本發明的第二個目的是提供一種硅納米顆粒陣列增強白光LED的制備方法。
[0006] 為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是：
[0007] -種硅納米顆粒陣列增強白光LED，包括基底層，所述基底層的一側裝有藍光LED 芯片或近紫外LED芯片，另一側設有顏色轉換層；所述顏色轉換層包括硅納米顆粒周期陣 列和熒光膠，所述硅納米顆粒周期陣列緊貼基底層設置。
[0008] 所述硅納米顆粒周期陣列為二維周期陣列，即完全相同的基本結構單元在二維平 面上成周期性重復排列。所述硅納米顆粒周期陣列中，固定周期P為370~520nm。其中固 定周期為陣列所在x-y平面內，兩個相鄰硅納米顆粒幾何中心在二維軸向上的距離（也稱 為固定晶格常數）。
[0009] 形成娃納米顆粒周期陣列的娃納米顆粒為圓柱形的娃納米柱。
[0010] 優選的，所述娃納米柱的直徑d為140~200nm，娃納米柱的高度h為100~ 180nm〇
[0011] 所述顏色轉換層的厚度t為400~950nm〇
[0012] 所述硅納米顆粒周期陣列為平行四邊形陣列。優選的，所述硅納米顆粒周期陣列 為正四邊形陣列或菱形陣列。完全相同的基本結構單元為正四邊形或菱形，硅納米顆粒位 于正四邊形或菱形的頂點。優選的，所述菱形陣列中菱形的一頂角為60°。
[0013] 進一步優選的，所述硅納米顆粒周期陣列為正四邊形陣列，平面固定周期P= 370~450nm，娃納米柱直徑d= 140~200nm，娃納米柱高度h= 100~170nm，顏色轉換 層厚度t= 425~925nm;或者所述娃納米顆粒周期陣列為菱形陣列，平面固定周期p= 440~520nm，娃納米柱直徑d= 140~200nm，娃納米柱高度h= 100~180nm，顏色轉換 層厚度t= 500~950nm。
[0014] 所述基底層為SiO2、石英或玻璃基底。
[0015] 所述熒光膠由以下重量百分比的組分組成：聚合物95%~97%、熒光物質3%~ 5%。其中，所述聚合物為聚苯乙烯；所述熒光物質為染料分子、稀土離子或量子點。所述染 料分子為有機染料分子，如LumogenFRed305 (BASF);所述稀土離子為Ce3+或Eu2+;所述 量子點為II-VI族的半導體量子點，如CdSe/ZnS。
[0016] 顏色轉換層的厚度和熒光膠中染料分子所占質量百分比決定入射的藍光轉 化為紅光的比例。若顏色轉換層厚度為700nm，染料分子（BASF，LumogenFRed305) 在熒光膠中的質量百分比為3%，此時入射的藍光約有25 %轉化為紅光（G.Lozano etal. ,Tailor-madedirectionalemissioninnanoimprintedplasmonic-based light-emittingdevices,Nanoscale6 (2014)9223 - 9229)〇
[0017] 一種上述的硅納米顆粒陣列增強白光LED的制備方法，包括下列步驟：
[0018] 1)取基底層，在基底層上氣相沉積硅納米薄膜；
[0019] 2)在娃納米薄膜上刻蝕出娃納米顆粒陣列；
[0020] 3)將熒光膠旋涂在基底層上有硅納米顆粒陣列的一面，形成顏色轉換層；
[0021] 4)在基底層上與顏色轉換層相對的一面裝上藍光LED芯片或近紫外LED芯片，即 得。
[0022] 步驟1)中，在基底層上氣相沉積硅納米薄膜的方法為低壓化學氣相沉積法 (low-pressurechemicalvapourdeposition，LPCVD)，以硅烷為原料氣體，硅烷壓力為 13. 3~26. 6Pa，沉積溫度為580~640°C，薄膜生長速率為5~10nm/min。
[0023] 步驟2)中，采用電子束光刻技術（electron-beamlithography，EBL)在娃納米薄 膜上刻蝕出硅納米顆粒陣列，具體包括下列步驟：
[0024] a.在硅納米薄膜表面旋涂電子抗蝕劑，形成電子抗蝕劑層；
[0025] b.在電子抗蝕劑層表面旋涂導電液后，利用電子束光刻在電子抗蝕劑層刻蝕出所 需的陣列圖案，除去導電液，得圖案化的電子抗蝕劑層；
[0026] c.以圖案化的電子抗蝕劑層為掩膜版，用SF6氣體的原子束在硅納米薄膜上刻蝕 出相應的硅納米顆粒陣列，然后用O2等離子體灰化除去殘留的電子抗蝕劑。
[0027] 其中，所述電子抗蝕劑層的厚度為140~160nm。
[0028] 上述電子束光刻技術具體操作過程可參看文獻（Kanamorieta.，Reflection colorfiltersofthethreeprimarycolorswithwideviewingangles usingcommon-thicknesssiliconsubwavelengthgratings,Opt.Express 22(2014)25663-25672)。
[0029] 此外，包含硅納米顆粒陣列的顏色轉換層的制備方法還可以結合納米壓印 (nanoimprintlithography，NIL)、反應離子刻蝕(reactiveionetching，RIE)以 及旋涂法（spin-coating)，基于基底層上的娃納米薄膜來進行制備，制備工藝可參考 文獻(G.Lozanoetal. ,Tailor-madedirectionalemissioninnanoimprinted plasmonic-basedlight-emittingdevices,Nanoscale6(2014)9223 - 9229)。
[0030] 電介質共振器用低損的位移電流取代損耗的歐姆電流，支持電偶極、磁偶極以及 它們的多級共振。因此，利用電介質硅納米結構能夠有效解決金屬材料的損耗問題，并 且可以通過調控電、磁偶極共振實現對入射光的定向散射（Y.H.Fuetal.,Directional visiblelightscatteringbysiliconnanoparticles,NatureComm. 4(2013) 1527 ； I.Staudeetal. ,TailoringDirectionalScatteringthroughMagneticandElectric ResonancesinSubwave