光子晶體濾色實(shí)現(xiàn)五基色顯示

孟憲芹，王 維，譚紀(jì)風(fēng)，孟憲東，陳小川

(京東方科技集團(tuán)股份有限公司 顯示器件研究院，北京 100176)

1 引 言

在現(xiàn)有的主流顯示中，彩色顯示一般采用傳統(tǒng)紅綠藍(lán)(RGB)彩膜，通過透射背光中顯示目標(biāo)波長的光，吸收其他波長的光，實(shí)現(xiàn)RGB顯色[1-2]。這種利用吸收背光實(shí)現(xiàn)彩色顯示的方式通常帶寬較寬，使色純度不高，且RGB濾光彩膜一般為化學(xué)染料彩膜，污染環(huán)境，另外，傳統(tǒng)彩膜通過吸收過濾的方式實(shí)現(xiàn)彩色，使顯示設(shè)備的功耗高。為了實(shí)現(xiàn)寬色域、高色純度、低功耗且環(huán)境友好的彩色顯示，一種新的可替代的吸收彩膜顯色的顯色方式的研發(fā)迫在眉睫。

光子晶體(Photonic Crystal, PC)是在1987年由Yablonovitch[3]和John[4]分別獨(dú)立提出的一個(gè)新概念，是指不同折射率的介質(zhì)周期性排列的人工微結(jié)構(gòu)，也稱為具有光子帶隙(Photonic Band-Gap, PBG)特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波，使能量處在光子帶隙內(nèi)的光子不能進(jìn)入光子晶體。在自然界中，也存在擁有光子晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，比如蛋白石、蝴蝶翅膀、昆蟲眼睛等，即特定頻率范圍內(nèi)的光被禁止在光子晶體中傳播，而被反射到人眼里。光子晶體被廣泛應(yīng)用到光通信和濾波器等領(lǐng)域，以及非線性光子晶體器件、光偏振器、光分束器光耦合器等其他領(lǐng)域。在光子晶體彩膜的研究方面，國內(nèi)外不同的研究組織根據(jù)實(shí)際應(yīng)用也做了一些理論方面和實(shí)際應(yīng)用方面的研究，如國外Utah大學(xué)[5]和國內(nèi)浙江大學(xué)[6]為代表的研究單位利用金屬薄膜和微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)透射或反射式的色彩選擇。

本文在傳統(tǒng)顯示行業(yè)所用的玻璃基片上沉積超薄硅基材料，在硅薄膜上設(shè)計(jì)二維光子晶體結(jié)構(gòu)，不用傳統(tǒng)彩膜，就能實(shí)現(xiàn)RGB、青色(C)和黃色(Y)顏色反射過濾(Color Filter, CF)。通過調(diào)整光子晶體的幾何參數(shù)，如周期、占空比和高度，就能實(shí)現(xiàn)特定波長范圍內(nèi)的光被反射而顯色，其他波長的光被硅光子晶體吸收或者透射。通過優(yōu)化光子晶體的幾何參數(shù)，使RGB和CY對(duì)應(yīng)的頻譜實(shí)現(xiàn)較窄的頻譜半峰寬(FWHM)，提高了RGBCY的色純度。最后，介紹了如何通過現(xiàn)有的微納加工方式，實(shí)現(xiàn)不同光子晶體結(jié)構(gòu)加工。

2 波長選擇及原理分析

2.1 建模計(jì)算方法介紹

本文建模和計(jì)算都是利用Lumerical公司開發(fā)的基于時(shí)域有限差分法的軟件FDTD Solutions[7]。FDTD Solutions采用時(shí)域有限差分(Finite Different Time Domain, FDTD) 法將空間網(wǎng)格化，在時(shí)域和頻域精確嚴(yán)格求解三維矢量的麥克斯韋方程，來設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化納米光子器件和材料等。該軟件也廣泛地用于微納結(jié)構(gòu)相關(guān)的光學(xué)和光電子學(xué)研究當(dāng)中[8]。整個(gè)建模和計(jì)算的光源為平面光源，光源正入射到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，波長范圍為白光范圍(380～720 nm)， 網(wǎng)格精度(Mesh accuracy)選擇為3級(jí)，光子晶體結(jié)構(gòu)周邊的網(wǎng)格選擇共形網(wǎng)格(Conformal mesh)，細(xì)化光子晶體結(jié)構(gòu)附近的網(wǎng)格精度，增大計(jì)算精度。邊界條件在X和Y軸方向選擇為周期邊界條件條件，Z軸方向?yàn)橥昝榔ヅ鋵樱M可能實(shí)現(xiàn)接近于真實(shí)環(huán)境光照射到光子晶體結(jié)構(gòu)上的情況建立模擬計(jì)算和優(yōu)化。

2.2 波長選擇實(shí)現(xiàn)和原理分析

通過FDTD Solution在玻璃基板設(shè)計(jì)一層厚度為120 nm的硅層，硅的光學(xué)參數(shù)(n,k)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化計(jì)算中應(yīng)用的硅材料的折射系數(shù)(n)和消光系數(shù)(k)Fig.1 Refractive index of n (Black line) and extinction coefficient index of k (Blue line)

設(shè)計(jì)中光子晶體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，玻璃基板的折射率n=1.52，其上生長了一層厚度為120 nm的硅層，再把硅層加工成二維周期性的納米柱狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過改變二維柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)的周期(p)，柱的直徑(d)和高度(h)來實(shí)現(xiàn)波長選擇。同時(shí)，與現(xiàn)有彩色顯示中所用的吸收彩膜做對(duì)比，說明光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彩色顯示的特點(diǎn)。

圖2 建模設(shè)計(jì)的二維柱狀硅光子晶體的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖(a)和俯視圖(b)Fig.2 Profile view(a) and top view (b) of designed 2D pillars of silicon photonic crystals structure

當(dāng)二維柱狀光子晶體的p、d和h滿足一定條件時(shí)，形成特定的光子帶隙，實(shí)現(xiàn)特定波長的選擇，宏觀表象就是實(shí)現(xiàn)特定波長的光被反射而顯色。

當(dāng)硅層厚度為120 nm，二維納米結(jié)構(gòu)的周期在330～450 nm以20 nm為步長，圓柱面積占空比在25%～75%之間變化時(shí)，以在600～720 nm范圍內(nèi)反射紅光且以紅色反射最強(qiáng)優(yōu)化參數(shù)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)周期為350 nm，二維圓柱的直徑為198 nm時(shí)，得到600～700 nm范圍內(nèi)的紅色反射出光。優(yōu)化得到的紅色光子晶體彩膜的反射率接近85%，半峰寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)彩膜的半峰寬，實(shí)現(xiàn)了高飽和度的紅色顯示。本文傳統(tǒng)彩膜RGB均為有機(jī)溶劑和彩色染料的混合物，由欣奕華材料有限公司提供。

圖3 二維反射式光子晶體圓柱實(shí)現(xiàn)紅色顯色的光譜圖Fig.3 Reflection of 2D photonic crystal pillar when p=350 nm, d=198 nm, h=120 nm.

同上理，綠色、藍(lán)色都可以通過類似的優(yōu)化模式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)綠色時(shí)的幾何參數(shù)分別為：p=240 nm,d=135 nm,h=120 nm。實(shí)現(xiàn)藍(lán)色波長選擇的光子晶體的優(yōu)化的幾何參數(shù)分別為：p=180 nm,d=102 nm,h=100 nm。實(shí)現(xiàn)波長選擇后的結(jié)果如圖4所示。另外，如果選用p=180 nm,d=102 nm,h=120 nm實(shí)現(xiàn)藍(lán)色時(shí)，比優(yōu)化后的100 nm的光子晶體高度具有稍寬的半峰寬，主出光波長紅移。

通過圖3和4可以觀察到光子晶體彩膜可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)彩膜更窄的半峰寬，且反射過濾光強(qiáng)度與傳統(tǒng)彩膜透射過濾相類似，未被反射的光被硅層吸收或者被透射。被透射的光通過設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二次利用的目的

圖4 二維反射式光子晶體圓柱實(shí)現(xiàn)綠色(a)和藍(lán)色(b)顯色的光譜圖Fig.4 Reflection of 2D photonic crystal pillar for getting (a) green and blue (b) corlor

同理，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)色青色和黃色也可以通過調(diào)整和優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。如當(dāng)p=220 nm,d=124 nm,h=100 nm 和p=300 nm,d=170 nm,h=120 nm時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)青色和黃色顯示。青色和黃色波長選擇后的光譜圖如圖5(a)和(b)所示。

通過圖5可以看到，青色和黃色的反射率均在70%左右，且半峰寬在505±50 nm和580±50 nm之間，實(shí)現(xiàn)了類似紅綠藍(lán)的半峰寬。

另外，考慮到加工的便利性，希望薄膜硅層的厚度是一致的。但是，從以上的計(jì)算結(jié)果可以看到，實(shí)現(xiàn)短波長的藍(lán)色和青色的出光時(shí)，硅柱的高度(硅層的厚度)為100 nm，這與實(shí)現(xiàn)其他三色的120 nm有20 nm的差別。如果青色和藍(lán)色都選用120 nm厚的硅層，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)顏色出光時(shí)，會(huì)引起出射特定波長出光的FWHM稍微變寬，且主出光波長紅移20 nm左右。

圖5 二維反射式光子晶體圓柱實(shí)現(xiàn)青色(a)和黃色(b)顯色的光譜圖Fig.5 Reflection of 2D photonic crystal pillar for getting cyan (a) and yellow(b) corlor

光子晶體具有光子帶隙，光子帶隙能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波，使能量處在光子帶隙內(nèi)的光子不能進(jìn)入光子晶體被反射，而能量不處于光子帶隙中的光子通過光子晶體被透射或者被光子晶體本身的慢布洛赫模式(Slow Bloch Mode)吸收損失。不同光子晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)不同，使光子帶隙發(fā)生變化，這種變化導(dǎo)致不同波長的光被光子晶體結(jié)構(gòu)反射，完成了濾色或者篩色的目的。

2.3 光子晶體色譜分析

在國際照明委員會(huì) (Commission Internationale de L'Eclairage， CIE) 1976 (L*,u*,v*)色度空間中，將光子晶體結(jié)構(gòu)得到的RGB三基色和RGBCY的五基色算出色坐標(biāo)(u’,v’)值，繪入CIE 1976中，與NTSC的RGB形成的三角形進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 光子晶體三基色(黃線)與五基色(黑線)和NTSC在CIE1976系統(tǒng)色度圖上的對(duì)比(x,y軸分別為色坐標(biāo)u,v)Fig.6 Comparison of the photonic crystals generated three-primary-colors and the five-primary-colors to the NTSC on CIE1976 system (x, y axis are color coordinates of u, v respectively)

可以看到反射式光子晶體得到的RGB和RGBCY可以將NTSC的RGB色域(白色虛線)分別擴(kuò)展121%和143%，拓寬了色域，使顯示屏所見更加接近于現(xiàn)實(shí)所見色彩。

綜上，通過在硅薄膜上設(shè)計(jì)不同周期、直徑和高度的二維圓柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)，通過透射的方式實(shí)現(xiàn)了高反射率、窄半峰寬的紅綠藍(lán)三基色，同時(shí)，通過改變光子晶體參數(shù)，也實(shí)現(xiàn)了黃色和青色的補(bǔ)色，文章通過光子晶體納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彩色顯示所需的RGBCY五基色，拓寬了色域，同時(shí)，由于每個(gè)顏色的反射出光的半峰寬較傳統(tǒng)彩膜低，提高了色飽和度。

3 二維柱狀光子晶體彩膜制備方法

光子晶體結(jié)構(gòu)矩陣的制備可以應(yīng)用電子束刻蝕(E-beam Litho.)，也可以通過納米壓印(Nano-imprint Litho.)的方法制得。本論文集中E-beam Litho.的方式為主，介紹光子晶體結(jié)構(gòu)的制備方法。如圖7(a)所示，在玻璃基片上沉積一層120 nm的硅層，再在硅層上沉積一層100 nm的SiO2作為刻蝕過程中的硬母版；再在其上旋涂一層光刻膠(圖7(b));在光刻膠上用E-beam直寫的方式寫上目標(biāo)周期和占空比的圓柱狀結(jié)構(gòu)(圖7(c))；通過光刻膠，用干刻蝕的方法通過光刻膠刻蝕SiO2硬母版(圖7(d));再通過硬母版和光刻膠刻蝕硅層刻蝕Si (圖7)；最后清理掉光刻膠和SiO2硬母版[9]，形成了硅基光子晶體結(jié)構(gòu)(圖7(f))。

圖7 制備二維圓柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)的制備步驟Fig.7 Process for generating a group of 2 dimensional pillar photonic crystals array

通過以上介紹的E-beam Litho.的方法適合制備微米和幾個(gè)毫米級(jí)面積的光柵。如果是大面積的微納結(jié)構(gòu)寫入時(shí)，光刻膠會(huì)因?yàn)槌潆娦?yīng)而不能保證寫入的一致性和準(zhǔn)確性。因此工業(yè)化應(yīng)用時(shí)，將通過制備母版，用納米壓印的方式實(shí)現(xiàn)多種像素、大面積制備。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用時(shí)域有限差分法設(shè)計(jì)優(yōu)化二維柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)反射式RGBCY波長選擇。通過在玻璃基片上沉積一層120 nm的硅薄膜，通過調(diào)整二維柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)的周期、直徑和高度，來達(dá)到調(diào)整光子帶隙的作用。不同的光子禁帶反射特定波長的光，讓其他波長的光透射或者吸收，從而實(shí)現(xiàn)RGBCY顯色。用納米柱狀光子晶體實(shí)現(xiàn)了FWHM ±50 nm左右的顯色，相比于傳統(tǒng)彩膜，實(shí)現(xiàn)了較窄的FWHM，提高了色純度。同時(shí)，光子晶體RGB三基色和RGBCY五基色可以分別將NTSC拓寬121%和143%。最后，簡單介紹了一種實(shí)現(xiàn)文章中所述的柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，為實(shí)際制備提供了一種思路。未來的批量化生產(chǎn)中，可以用納米壓印來實(shí)現(xiàn)彩色顯示中所需的大面積大批量生產(chǎn)的需求，這是進(jìn)一步研發(fā)的重點(diǎn)。