基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的偏振白光LED及其封裝結構的製作方法
2023-04-30 02:17:46
本實用新型涉及光學元件製備技術，具體涉及一種基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED及其封裝結構。
背景技術：
隨著全球能源問題的不斷加劇，節能環保已漸漸成為全世界各國發展的主題。LED（light emitting diode）具有發光效率高、汙染少、節約能源等特點，在很多應用中顯示出巨大優勢。而白光二極體（LED）作為一種光源，以其光效高、壽命久的特點在固態照明、液晶顯示、汽車前照燈等領域應用十分廣泛，各國政府和企業在這方面的投入也越來越大，應用前景極為看好。
在白光LED日益發展的同時，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 crystal display）背光源中能代替傳統的非偏振光，這樣可以捨棄目前背光源模組中的下偏振片和增亮片，而捨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中可以降低能耗、提高能量轉化效率以及獲得高對比度成像，符合節能環保的時代主題。
在過去幾十年的發展中，人們對於器件偏振特性的研究不在少數，但是這些器件主要還是應用在紅外波段。對於可見光波段的偏振器件，由於加工工藝限制，很多設計的應用在可見光範圍的納米結構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展，微納米級別偏振器件也得到較快的發展。所以利用納米結構來實現高效偏振光（高透射率、高消光比或位相轉換）的輸出尤其是偏振白光，對於眾多領域的實際應用來說，具有較高的現實意義。白光LED作為極具發展潛力的新型光源，在很多方面都有應用，近幾年來發展十分迅速。白光LED行業做的比較成熟的主要是美國、歐盟還有日本。我國和這些國家主要的差距體現在藍光晶片和紫外晶片的研製上。目前，主要可以通過三種方式獲取白光LED，第一種是利用「藍光晶片+螢光粉」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。第三種是多量子阱型。這幾種方法都已能成功產生白光器件。從製作工藝、生產效率及效益等方面來說，目前，可以投入大量生產的還是藍光晶片和黃色螢光粉這種組合方式。比如日本日亞化學公司就是利用這種方法將黃色螢光粉與藍光LED結合，研發了白光LED。經過了一段時間的發展，這種生產方式已成為主流。隨著發光亮度和功率的不斷提高，傳統的點膠工藝以及有機封裝材料例如環氧樹脂，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。
為了應對這些問題，各國將重點放在了螢光材料的研究上，以及進一步優化LED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、螢光粉層遠離等方式來提高LED的光提取效率。螢光封裝材料方面，2005年日本電氣玻璃公司製備了用於白光LED的微晶玻璃陶瓷螢光體；荷蘭飛利浦公司2008年報導了將螢光粉摻雜到氧化鋁多晶陶瓷中，實現與藍光晶片的封裝；國內中山大學在YAG單晶中摻雜稀土再與藍光晶片封裝，得到白光；華南師範大學則將製備的玻璃螢光體直接用於封裝白光LED。2010年第十屆全球固態照明國際會議上，飛利浦公司再次展示了用螢光陶瓷封裝LED的最新成果，獲得顯色指數達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採用Ce:YAG透明陶瓷封裝的白光LED產品。2015年上海光機所研究出的MgAl2O4-Ce:YAG透明螢光陶瓷在相關色溫5000K的條件下，最大流明效率達到99lm/W。
目前，主要有三種方式來實現LED的偏振出光。（1）將磁性元素摻入材料體系中，這樣能直接產生偏振光，但是摻雜的難度比較大，實現起來比較困難；（2）可以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，但是這種偏振LED製作工藝複雜，材料生長困難，而且偏振光的消光比也不是很高；（3）利用納米光學結構集成在LED晶片的表面，實現偏振出光。在OLED領域實現偏振白光主要是通過一些有機物的混合，這些有機物在特定溫度條件下具有特殊的性質從而產生偏振白光，往往這種偏振白光的偏振度比較低，熱穩定性也存在一定問題，與實際的工業應用還有一段距離；而如果不考慮本身OLED的白光偏振，在外部設計結構來實現白光偏振輸出，這對偏振度的提高有很大的幫助，但是對於實際生產應用來說還是略顯複雜。隨著偏振LED的研究以及光刻工藝越來越成熟，利用微結構與白光LED相結合的方式來產生偏振白光，無論從出射白光質量還是加工工藝方面來說，都是很有前景的。因此很有必要研發新的方法將微納米結構與螢光陶瓷相結合，獲取高品質偏振白光。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED，能夠實現激發偏振白光的功能，並具波段較寬，偏振出光的角度適應性強，結構簡單，易於製作的特點；本發明公開的偏振白光LED在450nm~650nm波段內透過率高於60%，消光比大於20dB（±60°）。
為達到上述發明目的，本實用新型採用的技術方案是：
一種基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED，包括藍光LED、螢光陶瓷基底、過渡層、介質光柵層、金屬層；所述螢光陶瓷基底一面耦合藍光LED，另一面複合過渡層；所述介質光柵層位於過渡層表面；所述金屬層位於介質光柵層的凹槽以及凸起的表面；所述介質光柵層的周期為140 nm-160nm，佔空比為0.4-0.6，高度為70nm-90nm；所述金屬層的高度為40nm-60nm。
本發明基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED在螢光陶瓷基底表面引入一層低折射率的過渡層，並且在過渡層表面集成介質光柵和金屬層，得到雙層納米光柵的複合結構；最終將複合結構與GaN基藍光LED相耦合，最終實現偏振白光出射。基底為螢光陶瓷基底材料，過渡層和介質層光柵為氟化鎂、二氧化矽、PMMA等材料構成，金屬為鋁、銀、金等金屬材料構；納米光柵是介質光柵與金屬複合而成的雙層光柵且雙層光柵結構覆蓋於過渡層之上，將螢光陶瓷複合雙層納米光柵結構與GaN基藍光LED結構耦合實現白光LED器件。本發明的過渡層和介質光柵的材料可以一樣也可以不一樣，具備較低的折射率，優選材料一致，對器件的製備和生產效率有利，只需在基底上鍍一層100nm的膜，再在膜上塗壓印膠，進行納米壓印做出掩模版，再對膜進行刻蝕即可。
本發明中，複合結構為雙層納米介質-金屬結構，金屬產生TE偏振激發金屬線的電子而產生電流，使得該方向上的偏振光反射，而TM偏振光由於在該方向上有空氣間隙將金屬線阻攔而無法產生電流，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。
本發明中，介質光柵及過渡層為氟化鎂、二氧化矽、PMMA等；本發明優選氟化鎂作為過渡層以及介質光柵層，與螢光陶瓷基體複合，傳輸層氟化鎂具有較高的折射率（n~1.83），該結構在550nm以下的短波範圍內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。優選過渡層為氟化鎂過渡層、介質光柵層為氟化鎂光柵層、金屬層為鋁層。過渡層與介質光柵材料一致為氟化鎂，可以獲得較低折射率，而且能原料來源廣泛，經濟實用，也便於刻蝕，金屬層材料為鋁，產品性能好，尤其能獲得比較高的透過率，同時鋁靶材比較常見，而且易保存。
本發明中，所述基底為螢光陶瓷；螢光陶瓷的許多性能指標都優於傳統的LED封裝材料環氧樹脂和有機矽，為白光LED封裝以及螢光轉換提供了一種新的方法，並對高品質白光的獲取具有重大的參考價值。
優選的技術方案中，基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED中，低折射率過渡層厚度H3=20nm；雙層納米光柵結構的介質光柵的周期為P=150nm，佔空比DC=0.5，介質光柵層高度H2=80nm，金屬層的高度為H1=50nm；過渡層高度H3=20nm，螢光陶瓷基底的高度為0.5-1cm。將螢光陶瓷複合雙層納米光柵結構與GaN基藍光 LED結構耦合實現白光LED器件。這組優化參數，可以使結構達到波段最寬，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點。本發明的基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED對應的工作波段為可見光波段；通過結構參數的選取，本發明可以適用不同工作波段，其中在450nm~650nm可見光範圍消光比大於20dB，TM波透過率高於60%；其消光比在±60°的範圍內均大於20dB，具有很好的角度適應性。
本發明還公開了一種基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構，包括螢光陶瓷基底、過渡層、介質光柵層、金屬層；所述螢光陶瓷基底一面複合過渡層；所述介質光柵層位於過渡層表面；所述金屬層位於介質光柵層的凹槽以及凸起的表面；所述介質光柵層的周期為140 nm-160nm，佔空比為0.4-0.6，高度為70nm-90nm；所述金屬層的高度為40nm-60nm；介質光柵的高度高於金屬層30nm左右獲得性能最佳的產品。
上述基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構中，所述過渡層為氟化鎂過渡層、二氧化矽過渡層或者PMMA過渡層；所述介質光柵層為氟化鎂光柵層、二氧化矽光柵層或者PMMA光柵層；所述金屬層為鋁層、銀層或者金層；所述介質光柵層的周期為P=150nm，佔空比DC=0.5，高度H2=80nm；所述金屬層的高度為H1=50nm；過渡層厚度H3為20nm。
將基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構與藍光 LED比如GaN基藍光 LED結構耦合實現白光LED器件。本發明以螢光陶瓷為基底利用納米壓印，離子束刻蝕，電子束蒸發鍍膜等高校微納製備技術製造的白光偏振LED所公開的偏振白光LED在450nm~650nm波段內透過率高於60%，消光比大於20dB（±60°）；並且具有體積小，極易與其他光電器件集成，生產效率高成本低等優點。因此本發明還公開了上述基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構在製備偏振白光LED中的應用。
進一步的，本發明還公開了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構的製備方法，包括以下步驟：在清洗後的螢光陶瓷基底表面鍍過渡層材料；然後在過渡層材料表面製備介質光柵層，最後在介質光柵層的凹槽以及凸起的表面鍍金屬層即得到基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構。將基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構與藍光LED耦合，得到基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED。
具體的，首先，對基底進行清洗去除基片表面的髒點和油汙從而使基片表面具有較好的清潔度以及粘附力；然後利用離子束濺射沉積在基底上，鍍一層過渡介質層，接著利用旋塗法塗布上一層壓印膠，利用紫外固化納米壓印技術刻出納米光柵光刻膠結構，再使用離子束（IBE）工藝刻蝕，接著去除殘餘光刻膠得到介質納米光柵，最後利用離子束濺射沉積在介質光柵的凹槽以及凸起的上表面鍍一層金屬層，得到基於螢光陶瓷及雙層納米光柵的封裝結構；與藍光LED耦合，得到基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的偏振白光LED。可以採用電子束直寫曝光並顯影；用反應離子束刻蝕光刻膠；利用丙酮去除殘餘光刻膠。
由於上述技術方案運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點:
1．本實用新型首次公開了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED，具有較好的TM波透過率和消光比，從而實現激發偏振白光的功能，其在450nm~650nm可見光範圍內的消光比大於20dB，TM波透過率高於60%，取得了意想不到的技術效果。
2．本實用新型所公開的基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED結構合理、易於製作，基於螢光陶瓷的雙層納米光柵尺寸參數可調，製備方法與現有的半導體製作工藝完全兼容；克服了現有技術需要繁瑣的製備過程才能得到偏振出光器件的缺陷。
3．本實用新型公開的基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED原料來源廣、製備簡易，相比現有技術財力、時間成本更低；並且性能優異，在光學傳感系統、先進的納米光子器件以及結構光學系統中，具有很大的應用價值。
4. 本實用新型將納米光柵與螢光陶瓷相結合，設計微納結構來獲得高的白光的透過率和偏振度，在螢光陶瓷表面引入了一層低折射率過渡層，並在過渡層表面集成介質/金屬複合納米光柵結構，可以有效的提高結構的透過率和偏振消光比，實現了高效偏振GaN基白光LED的可行性；尤其是搭建了偏振特性測量平臺，對製成的樣品進行光學性能的檢測與分析，本發明得到偏振白光LED在450nm~650nm波段內透過率高於60%，消光比大於20dB（±60°），具有很好的角度適應性，取得了意想不到的技術效果。
附圖說明
圖1為實施例一的基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED結構示意圖；
圖2為實施例一的基於螢光陶瓷和雙層納米光柵結構的GaN基白光LED主視結構示意圖；
圖3為實施例二中基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED結構示意圖；
其中： 1、金屬層；2、介質光柵層；3、過渡層；4、螢光陶瓷基底；5、藍光LED；
圖4為實施例一的基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的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於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的折射率曲線後的TM透過率和消光比曲線圖；
圖6為實施例一的基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的藍光光譜曲線圖，中心波長是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後的白光LED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後的白光LED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後的白光LED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後的白光LED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後的白光LED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(H3)對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的透過率的影響圖；
圖13為實施例一的過渡層厚度(H3)對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的消光比的影響圖；
圖14為實施例一的介質光柵高度(H2)對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的透過率的影響圖；
圖15為實施例一的介質光柵高度(H2)對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的消光比的影響圖；
圖16為實施例一的金屬光柵高度(H1)對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的透過率的影響圖；
圖17為實施例一的金屬光柵高度(H1)對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的消光比的影響圖；
圖18為實施例一的佔空比DC對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的透過率的影響圖；
圖19為實施例一的佔空比DC對基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的消光比的影響圖。
具體實施方式
下面結合實施例、附圖對本實用新型作進一步描述:
實施例一：參見附圖1所示，基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED，包括1、金屬層；2、介質光柵層；3、過渡層；4、螢光陶瓷基底；5、藍光LED。GaN基藍光LED發出藍光經基螢光陶瓷的雙層納米金屬光柵，發出偏振白光，即為基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED。
參見附圖2，基於螢光陶瓷和雙層納米光柵結構的GaN基白光LED主視結構示意圖；其中：介質光柵層周期P=150nm；佔空比DC= L1/P=0.5；金屬層高度H1=50nm；介質光柵高度H2=80nm；過渡層厚度H3=20nm。上述雙層納米光柵結構基於螢光陶瓷基片並與GaN基藍光LED結構耦合實現白光LED器件。
上述基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的製作方法，包括如下步驟：
（1）對螢光陶瓷進行清洗去除表面的髒點和油汙從而使螢光陶瓷表面具有較好的清潔度以及粘附力；
（2）利用離子束濺射沉積在螢光陶瓷上鍍一層厚度為100nm的二氧化矽介質層；
（3）利用旋塗法塗布上一層壓印膠；
（4）利用紫外固化納米壓印技術刻出納米光柵光刻膠結構；
（5）使用離子束（IBE）工藝刻蝕，接著去除殘餘光刻膠得到介質納米光柵；
（6）最後利用離子束濺射沉積在介質光柵的凹槽以及凸起上面鍍一層厚度為50nm的鋁金屬層；
（7）本實施例製備的樣品面積為2英寸，結構區域20mm×20mm，從結構區域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑（折射率1.7左右）將這一小塊樣品與藍光晶片（GaN基藍光LED）做貼合，這樣就形成了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED。
實施例二
參見附圖3，基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED，包括1、金屬層；2、介質光柵層；3、過渡層；4、螢光陶瓷基底；5、藍光LED；其中：介質光柵層周期P=150nm；佔空比DC= L1/P=0.5；金屬層高度H1=50nm；介質光柵（二氧化矽）高度H2=80nm；過渡層（氟化鎂）厚度H3=20nm。上述雙層納米光柵結構基於螢光陶瓷基片並與GaN基藍光LED結構耦合實現白光LED器件。
基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的製作方法，包括如下步驟：
（1）對螢光陶瓷進行清洗去除表面的髒點和油汙從而使螢光陶瓷表面具有較好的清潔度以及粘附力；
（2）利用離子束濺射沉積在螢光陶瓷上鍍一層厚度為20nm的氟化鎂薄膜作為過渡層，再繼續鍍80nm的二氧化矽介質層作為製作介質光柵的材料；
（3）利用旋塗法塗布上一層壓印膠；
（4）利用紫外固化納米壓印技術刻出納米光柵光刻膠結構；
（5）使用離子反應去膠機去除殘餘光刻膠得到壓印膠介質納米光柵；
（6）使用離子束（IBE）工藝以壓印膠介質納米光柵作為掩膜版對二氧化矽層進行刻蝕，刻蝕深度為80nm，接著去除殘餘光刻膠得到介質納米光柵；
（7）最後利用離子束濺射沉積在介質光柵的凹槽以及凸起上面鍍一層厚度為50nm的鋁層；
（8）從結構區域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑（折射率1.7左右）將這一小塊樣品與藍光晶片（GaN基藍光LED）做貼合，這樣就形成了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED。
實施例三
基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED參數與實施例一一致，製作方法包括如下步驟：
（1）對螢光陶瓷進行清洗去除表面的髒點和油汙從而使螢光陶瓷表面具有較好的清潔度以及粘附力；
（2）利用離子束濺射沉積在螢光陶瓷上鍍一層厚度為100nm的氟化鎂介質層；
（3）利用旋塗法塗布上一層壓印膠；
（4）利用紫外固化納米壓印技術刻出納米光柵光刻膠結構；
（5）使用離子反應去膠機去除殘餘光刻膠得到壓印膠介質納米光柵；
（6）使用離子束（IBE）工藝刻蝕，接著去除殘餘光刻膠得到介質納米光柵；
（7）最後利用離子束濺射沉積在介質光柵的凹槽以及凸起上面鍍一層厚度為50nm的金層；
（8）從結構區域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑（折射率1.7左右）將這一小塊樣品與藍光晶片（GaN基藍光LED）做貼合，這樣就形成了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED。
實施例四
基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED，其中介質光柵層周期P=155nm；佔空比DC= L1/P=0.45；金屬層高度H1=52nm；介質光柵高度H2=85nm；過渡層厚度H3=20nm。製作方法包括如下步驟：
（1）對螢光陶瓷進行清洗去除表面的髒點和油汙從而使螢光陶瓷表面具有較好的清潔度以及粘附力；
（2）利用離子束濺射沉積在螢光陶瓷上鍍一層厚度為105nm的氟化鎂介質層；
（3）利用旋塗法塗布上一層壓印膠；
（4）利用紫外固化納米壓印技術刻出納米光柵光刻膠結構；
（5）使用離子反應去膠機去除殘餘光刻膠得到壓印膠介質納米光柵；
（6）使用離子束（IBE）工藝刻蝕，接著去除殘餘光刻膠得到介質納米光柵；
（7）最後利用離子束濺射沉積在介質光柵的凹槽以及凸起上面鍍一層厚度為52nm的鋁層；
（8）從結構區域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑（折射率1.7左右）將這一小塊樣品與藍光晶片（GaN基藍光LED）做貼合，這樣就形成了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED。
實施例五
基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED，其中介質光柵層周期P=145nm；佔空比DC= L1/P=0.5；金屬層高度H1=55nm；介質光柵高度H2=88nm；過渡層厚度H3=20nm。製作方法包括如下步驟：
（1）對螢光陶瓷進行清洗去除表面的髒點和油汙從而使螢光陶瓷表面具有較好的清潔度以及粘附力；
（2）利用離子束濺射沉積在螢光陶瓷上鍍一層厚度為108nm的二氧化矽介質層；
（3）利用旋塗法塗布上一層壓印膠；
（4）利用紫外固化納米壓印技術刻出納米光柵光刻膠結構；
（5）使用離子反應去膠機去除殘餘光刻膠得到壓印膠介質納米光柵；
（6）使用離子束（IBE）工藝刻蝕，接著去除殘餘光刻膠得到介質納米光柵；
（7）最後利用離子束濺射沉積在介質光柵的凹槽以及凸起上面鍍一層厚度為55nm的鋁層；
（8）從結構區域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑（折射率1.7左右）將這一小塊樣品與藍光晶片（GaN基藍光LED）做貼合，這樣就形成了基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED。
以實施例一的產品為對象進行以下測試:
利用FDTD Solution（Canada）軟體來模擬計算光場，選用2D模式搭建結構，在水平方向上設置周期性邊界條件。在垂直方向由於多種介質存在，邊界條件利用完美匹配層，模擬光源為平面波設置在螢光陶瓷內部，波長範圍是400nm~700nm，沿垂直方向入射，通過橢偏儀檢測，得到上述基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的折射率曲線，參見附圖4，在整個可見光波段，螢光陶瓷的折射率在1.82——1.87，折射率變化不大，比較穩定，適合作為基底與納米光柵結合做白光偏振LED。由於螢光陶瓷襯底相對於傳輸層氟化鎂（n~1.38）具有較高的折射率（n~1.83），該結構在550nm以下的短波範圍內TM波透過率和消光比都有明顯的提升。
附圖5為光由基底入射基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED的折射率曲線後的TM透過率和消光比曲線圖，參見附圖4，P=150nm，H1=50nm，H2=80nm，H3=20nm，DC=0.5的參數下，在450nm~750nm波段，整體的透過率和消光比分別高於70%和30dB，偏振特性好。
附圖6為基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED藍光光譜，用GaN基藍光LED作為白光的激發光源，中心波長是458nm。從圖6中可以看出GaN基藍光LED在波長為458nm時能量最高，而且中心波長光譜較窄，單色性較好，適合作為白光的激發光源。
樣品面積為2英寸，結構區域20mm×20mm，從結構區域裁剪一小塊樣品，用光學粘合劑（折射率1.7左右）將這一小塊樣品與藍光晶片做貼合，形成了集成式的偏振白光LED晶片。將白光LED固定在小型雷射器套筒裡面，這樣固定以後更加穩定，便於測量。用兩根導線連接引腳，並與電源相連。出射的白光會透過檢偏器，通過檢偏器角度θ的旋轉，來檢測白光的偏振特性。偏振片後面是光譜儀，用光纖探頭來接收光，也可以用聚焦透鏡，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整檢偏器的角度，邊旋轉檢偏器，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後的白光LED的TM波和TE波光譜；可以看出在400-700nm波段內，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。
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後的白光LED的消光比曲線圖；白光LED光譜的譜帶範圍較寬，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值，按照消光比計算公式： 可以得到消光比曲線如圖8。
以純螢光陶瓷基片為對象，上面沒有任何微結構，也沒有沉積任何過渡層，直接用藍光LED激發，測量不存在偏振特性的白光光譜；以帶有雙層納米光柵結構的螢光陶瓷基片為對象，測量偏振白光的光譜。第二次光譜數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中可以看出，本實用新型的出光效率在60%上下，非常穩定，可以投入到生產中。
附圖10和附圖11，為基於螢光陶瓷及雙層納米光柵結構的GaN基偏振白光LED不同角度出光情況下的偏振特性，可以看出，透過率隨角度變化下降的比較明顯，而消光比在60°的範圍內都能保持在20dB，對於消光比來說體現了很好的角度適應性，符合在實際應用中，白光LED寬角度發散發光的要求。
附圖12和附圖13給出了在整個可見光範圍內，傳輸層厚度的變化對透過率和消光比的影響。從圖中可以看出，由於螢光陶瓷襯底相對於傳輸層氟化鎂（n~1.38）具有較高的折射率（n~1.83），該結構在550nm以下的短波範圍內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範圍處於較高的位置，而且在可見光波段，整體透過率高於70%，消光比大於30dB。相對於沒有傳輸層的情況，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以理解為介質傳輸層與螢光陶瓷基底及光柵層形成的三層之間幹涉增強。
附圖14和附圖15給出了白光LED表面TM光的透過率和消光比ER隨著介質光柵高度變化曲線。對應的參數是：光柵周期P=150nm，H1=50nm，H3=20nm，DC=0.5。從圖中可以看出，TM波的透過率和消光比都對介質光柵高度的變化十分敏感，這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，形成幹涉相長或相消。當介質光柵高度為50nm，和金屬光柵高度一致時，TM波透過率幾乎為零。當介質光柵高度取80nm時，透過率和消光比都是最優的情況，所以對H2的優選結果為80nm。
附圖16和附圖17給出了白光LED表面TM光的透過率和消光比ER隨著金屬光柵高度變化曲線。對應的參數是：光柵周期P=150nm，H2=80nm，H3=20nm，DC=0.5。從附圖16中可以看出消光比隨著金屬光柵高度的增加而增加，當H1=80nm時，雖然消光比是最高的，但是實際情況是形成了連續的金屬層，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。
附圖18和附圖19給出了白光LED表面TM光的透過率和消光比ER隨著光柵佔空比變化的曲線。對應的模擬參數是：光柵周期P=150nm，H1=50nm H2=80nm，H3=20nm。從圖18和19中可以看出，TM透過率和消光比隨佔空比的變化趨勢基本上是一致的，佔空比從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，隨著佔空比的增加，透過率和消光比又同時減小，可見，佔空比選擇0.5理論上是最為合適的，而且從實驗製備的角度來說，0.5的佔空比相對來說更加容易控制和實現。對於佔空比最小和最大時，分別對應於下層金屬光柵和上層金屬光柵金屬鋁比較多，所以透過率比較低。ER的變化亦是如此。
螢光陶瓷在白光LED中主要起兩方面的作用：（1）作為螢光材料：螢光陶瓷具有螢光轉換的作用，當藍光入射到螢光陶瓷時，一部分會轉化為黃光，剩下的藍光與轉化成的黃光一起出射，形成白光。而且螢光陶瓷的製作工藝能夠保證螢光轉換物質在陶瓷基體中能夠較為均勻的分布，還可以通過調整螢光轉換物質的摻雜量以及陶瓷片的整體厚度來產生不同相關色溫和顯色指數的白光。（2）作為封裝外殼：由於螢光陶瓷的透光性較好，而且不易碎穩定性好，可直接用來封裝白光LED，其折射率（n=1.8）比傳統的封裝材料環氧樹脂（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，可以緩解溫度對於LED的影響。同時，擁有耐腐蝕等方面的特性，使得白光LED的壽命更長，並且能在某些特殊的環境下使用。由於螢光陶瓷的許多性能指標都優於傳統的LED封裝材料環氧樹脂和有機矽。本實用新型為現有白光LED封裝以及螢光轉換提供了一種新的方法，並對高品質白光的獲取具有重大的參考價值。
本實用新型利用磁控濺射鍍膜的方法在螢光陶瓷基底上鍍一層厚約100nm的均勻介質薄膜，然後在薄膜上旋圖納米壓印膠，利用納米壓印機進行納米壓印製作掩膜版，利用離子束刻蝕根據之前製作的掩膜版在介質上製備光柵結構，然後利用電子束蒸發鍍膜的方法鍍一層金屬膜，電子束蒸發鍍膜是一種方向性很強的鍍膜方式，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，金屬的形貌忠誠於介質光柵的形貌，也成矩形。光柵的周期是150nm，工作在可見光波段；本實用新型只需刻蝕介質再鍍膜，再利用螢光陶瓷基底，激發高純度的偏振白光，工藝比較簡單，效率高，成功率高，適合工業生產；解決了現有技術由於製備工藝複雜比如需要同時刻蝕金屬和介質，而無法工業化的缺陷。