[发明专利]一种硅纳米颗粒阵列增强白光LED及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于发光二极管技术领域，具体涉及一种硅纳米颗粒阵列增强白光LED，同时还涉及一种硅纳米颗粒阵列增强白光LED的制备方法。

背景技术

发光二极管(LED)具有耗能少、体积小、可靠性高和寿命长等优点，利用发光二极管产生白光取代传统的白炽灯光源，是全球认可的固态照明(Solid State Lighting，SSL)领域发展趋势。目前获得白光LED的商业化方法主要有两种：一种是用红、绿、蓝三基色LED合成白光，然而这种方法因绿光LED的低量子效率以及红光LED对温度的依赖而受到限制；第二种方法较为通用，即与颜色转换层(Color-converting layer)结合，也就是在紫外或蓝光LED芯片上覆盖一层能被紫外或蓝光激发的荧光粉，芯片发出的光与荧光物质发出的低频光互补形成白光。目前，SSL领域的研究多数集中在发展高效的蓝光LED和白光LED用荧光粉方面。然而，包括GaN在内所有材料的LED都面临着发光效率低的问题。为了获得高亮度、高效率的白光LED，人们致力于提高LED的光提取效率和内量子效率，改善颜色转换层(LED荧光粉)的光转换效率，开发新型的高效荧光粉等。

近年来，人们已证实在LED发光器件内引入微纳结构，比如格栅、纳米粗糙化(nano-texturing)、光子晶体等可以有效提高LED的光提取效率。另一方面，利用金属纳米颗粒的表面等离激元共振(Surface plasmon resonances，SPRs)可以改变金属表面附近分子的消光性能，显著提高附近分子的荧光辐射强度，调控其发光性能。早在上世纪70年代，K.Drexhage就发现了这一现象，但直到1999年，由于在生物传感和生物医学方面的应用价值，才受到人们的重视。2010年，韩国的S.M.Lee等利用金属颗粒的表面等离激元共振效应，通过调控银纳米颗粒的形貌和浓度增强白光LED荧光粉颗粒的发光，使其发光强度增加了36％(S.M.Lee et al.,Enhanced emission from BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺by localized surface plasmon resonance of silver particles,Opt.Express 18(2010)12144-12152)。2013年，G.Lozano及其同事利用金属铝纳米颗粒的周期结构增强LED颜色转换层内荧光分子发光，证实在激光或蓝光LED激励下，荧光发射强度可提高60倍或20倍，同时实现了光的高度定向发射(G.Lozano,et al.,Plasmonics for solid-state lighting:enhanced excitation and directional emission of highly efficient light sources,Light:Science&Applications 2(2013)e66)。但是，金属纳米结构共振发生时不可避免的欧姆损耗以及荧光淬灭效应会减弱荧光物质发光强度和发光效率，使其在纳米光子学相关领域的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅纳米颗粒阵列增强白光LED，解决现有金属纳米颗粒阵列增强白光LED的发光强度及发光效率受限的问题。

本发明的第二个目的是提供一种硅纳米颗粒阵列增强白光LED的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种硅纳米颗粒阵列增强白光LED，包括基底层，所述基底层的一侧装有蓝光LED芯片或近紫外LED芯片，另一侧设有颜色转换层；所述颜色转换层包括硅纳米颗粒周期阵列和荧光胶，所述硅纳米颗粒周期阵列紧贴基底层设置。

所述硅纳米颗粒周期阵列为二维周期阵列，即完全相同的基本结构单元在二维平面上成周期性重复排列。所述硅纳米颗粒周期阵列中，固定周期p为370～520nm。其中固定周期为阵列所在x-y平面内，两个相邻硅纳米颗粒几何中心在二维轴向上的距离(也称为固定晶格常数)。

形成硅纳米颗粒周期阵列的硅纳米颗粒为圆柱形的硅纳米柱。

优选的，所述硅纳米柱的直径d为140～200nm，硅纳米柱的高度h为100～180nm。

所述颜色转换层的厚度t为400～950nm。