光子晶体滤色实现五基色显示

孟宪芹，王 维，谭纪风，孟宪东，陈小川

(京东方科技集团股份有限公司 显示器件研究院，北京 100176)

1 引 言

在现有的主流显示中，彩色显示一般采用传统红绿蓝(RGB)彩膜，通过透射背光中显示目标波长的光，吸收其他波长的光，实现RGB显色[1-2]。这种利用吸收背光实现彩色显示的方式通常带宽较宽，使色纯度不高，且RGB滤光彩膜一般为化学染料彩膜，污染环境，另外，传统彩膜通过吸收过滤的方式实现彩色，使显示设备的功耗高。为了实现宽色域、高色纯度、低功耗且环境友好的彩色显示，一种新的可替代的吸收彩膜显色的显色方式的研发迫在眉睫。

光子晶体(Photonic Crystal, PC)是在1987年由Yablonovitch[3]和John[4]分别独立提出的一个新概念，是指不同折射率的介质周期性排列的人工微结构，也称为具有光子带隙(Photonic Band-Gap, PBG)特性的人造周期性电介质结构。光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波，使能量处在光子带隙内的光子不能进入光子晶体。在自然界中，也存在拥有光子晶体结构的物质，比如蛋白石、蝴蝶翅膀、昆虫眼睛等，即特定频率范围内的光被禁止在光子晶体中传播，而被反射到人眼里。光子晶体被广泛应用到光通信和滤波器等领域，以及非线性光子晶体器件、光偏振器、光分束器光耦合器等其他领域。在光子晶体彩膜的研究方面，国内外不同的研究组织根据实际应用也做了一些理论方面和实际应用方面的研究，如国外Utah大学[5]和国内浙江大学[6]为代表的研究单位利用金属薄膜和微纳结构，实现透射或反射式的色彩选择。

本文在传统显示行业所用的玻璃基片上沉积超薄硅基材料，在硅薄膜上设计二维光子晶体结构，不用传统彩膜，就能实现RGB、青色(C)和黄色(Y)颜色反射过滤(Color Filter, CF)。通过调整光子晶体的几何参数，如周期、占空比和高度，就能实现特定波长范围内的光被反射而显色，其他波长的光被硅光子晶体吸收或者透射。通过优化光子晶体的几何参数，使RGB和CY对应的频谱实现较窄的频谱半峰宽(FWHM)，提高了RGBCY的色纯度。最后，介绍了如何通过现有的微纳加工方式，实现不同光子晶体结构加工。

2 波长选择及原理分析

2.1 建模计算方法介绍

本文建模和计算都是利用Lumerical公司开发的基于时域有限差分法的软件FDTD Solutions[7]。FDTD Solutions采用时域有限差分(Finite Different Time Domain, FDTD) 法将空间网格化，在时域和频域精确严格求解三维矢量的麦克斯韦方程，来设计、分析和优化纳米光子器件和材料等。该软件也广泛地用于微纳结构相关的光学和光电子学研究当中[8]。整个建模和计算的光源为平面光源，光源正入射到设计结构中，波长范围为白光范围(380～720 nm)， 网格精度(Mesh accuracy)选择为3级，光子晶体结构周边的网格选择共形网格(Conformal mesh)，细化光子晶体结构附近的网格精度，增大计算精度。边界条件在X和Y轴方向选择为周期边界条件条件，Z轴方向为完美匹配层，尽可能实现接近于真实环境光照射到光子晶体结构上的情况建立模拟计算和优化。

2.2 波长选择实现和原理分析

通过FDTD Solution在玻璃基板设计一层厚度为120 nm的硅层，硅的光学参数(n,k)如图1所示。

图1 优化计算中应用的硅材料的折射系数(n)和消光系数(k)Fig.1 Refractive index of n (Black line) and extinction coefficient index of k (Blue line)

设计中光子晶体的结构如图2所示，玻璃基板的折射率n=1.52，其上生长了一层厚度为120 nm的硅层，再把硅层加工成二维周期性的纳米柱状结构，如图2所示。通过改变二维柱状光子晶体结构的周期(p)，柱的直径(d)和高度(h)来实现波长选择。同时，与现有彩色显示中所用的吸收彩膜做对比，说明光子晶体结构实现彩色显示的特点。

图2 建模设计的二维柱状硅光子晶体的结构的侧视图(a)和俯视图(b)Fig.2 Profile view(a) and top view (b) of designed 2D pillars of silicon photonic crystals structure

当二维柱状光子晶体的p、d和h满足一定条件时，形成特定的光子带隙，实现特定波长的选择，宏观表象就是实现特定波长的光被反射而显色。

当硅层厚度为120 nm，二维纳米结构的周期在330～450 nm以20 nm为步长，圆柱面积占空比在25%～75%之间变化时，以在600～720 nm范围内反射红光且以红色反射最强优化参数。发现当周期为350 nm，二维圆柱的直径为198 nm时，得到600～700 nm范围内的红色反射出光。优化得到的红色光子晶体彩膜的反射率接近85%，半峰宽远远小于传统彩膜的半峰宽，实现了高饱和度的红色显示。本文传统彩膜RGB均为有机溶剂和彩色染料的混合物，由欣奕华材料有限公司提供。

图3 二维反射式光子晶体圆柱实现红色显色的光谱图Fig.3 Reflection of 2D photonic crystal pillar when p=350 nm, d=198 nm, h=120 nm.

同上理，绿色、蓝色都可以通过类似的优化模式实现。实现绿色时的几何参数分别为：p=240 nm,d=135 nm,h=120 nm。实现蓝色波长选择的光子晶体的优化的几何参数分别为：p=180 nm,d=102 nm,h=100 nm。实现波长选择后的结果如图4所示。另外，如果选用p=180 nm,d=102 nm,h=120 nm实现蓝色时，比优化后的100 nm的光子晶体高度具有稍宽的半峰宽，主出光波长红移。

通过图3和4可以观察到光子晶体彩膜可以实现比传统彩膜更窄的半峰宽，且反射过滤光强度与传统彩膜透射过滤相类似，未被反射的光被硅层吸收或者被透射。被透射的光通过设计器件结构，实现二次利用的目的

图4 二维反射式光子晶体圆柱实现绿色(a)和蓝色(b)显色的光谱图Fig.4 Reflection of 2D photonic crystal pillar for getting (a) green and blue (b) corlor

同理，实现补色青色和黄色也可以通过调整和优化光子晶体结构的几何参数来实现。如当p=220 nm,d=124 nm,h=100 nm 和p=300 nm,d=170 nm,h=120 nm时就可以实现青色和黄色显示。青色和黄色波长选择后的光谱图如图5(a)和(b)所示。

通过图5可以看到，青色和黄色的反射率均在70%左右，且半峰宽在505±50 nm和580±50 nm之间，实现了类似红绿蓝的半峰宽。

另外，考虑到加工的便利性，希望薄膜硅层的厚度是一致的。但是，从以上的计算结果可以看到，实现短波长的蓝色和青色的出光时，硅柱的高度(硅层的厚度)为100 nm，这与实现其他三色的120 nm有20 nm的差别。如果青色和蓝色都选用120 nm厚的硅层，实现相应颜色出光时，会引起出射特定波长出光的FWHM稍微变宽，且主出光波长红移20 nm左右。

图5 二维反射式光子晶体圆柱实现青色(a)和黄色(b)显色的光谱图Fig.5 Reflection of 2D photonic crystal pillar for getting cyan (a) and yellow(b) corlor

光子晶体具有光子带隙，光子带隙能够调制具有相应波长的电磁波，使能量处在光子带隙内的光子不能进入光子晶体被反射，而能量不处于光子带隙中的光子通过光子晶体被透射或者被光子晶体本身的慢布洛赫模式(Slow Bloch Mode)吸收损失。不同光子晶体结构的几何参数不同，使光子带隙发生变化，这种变化导致不同波长的光被光子晶体结构反射，完成了滤色或者筛色的目的。

2.3 光子晶体色谱分析

在国际照明委员会 (Commission Internationale de L'Eclairage， CIE) 1976 (L*,u*,v*)色度空间中，将光子晶体结构得到的RGB三基色和RGBCY的五基色算出色坐标(u’,v’)值，绘入CIE 1976中，与NTSC的RGB形成的三角形进行对比，如图6所示。

图6 光子晶体三基色(黄线)与五基色(黑线)和NTSC在CIE1976系统色度图上的对比(x,y轴分别为色坐标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体得到的RGB和RGBCY可以将NTSC的RGB色域(白色虚线)分别扩展121%和143%，拓宽了色域，使显示屏所见更加接近于现实所见色彩。

综上，通过在硅薄膜上设计不同周期、直径和高度的二维圆柱状光子晶体结构，通过透射的方式实现了高反射率、窄半峰宽的红绿蓝三基色，同时，通过改变光子晶体参数，也实现了黄色和青色的补色，文章通过光子晶体纳米结构实现彩色显示所需的RGBCY五基色，拓宽了色域，同时，由于每个颜色的反射出光的半峰宽较传统彩膜低，提高了色饱和度。

3 二维柱状光子晶体彩膜制备方法

光子晶体结构矩阵的制备可以应用电子束刻蚀(E-beam Litho.)，也可以通过纳米压印(Nano-imprint Litho.)的方法制得。本论文集中E-beam Litho.的方式为主，介绍光子晶体结构的制备方法。如图7(a)所示，在玻璃基片上沉积一层120 nm的硅层，再在硅层上沉积一层100 nm的SiO2作为刻蚀过程中的硬母版；再在其上旋涂一层光刻胶(图7(b));在光刻胶上用E-beam直写的方式写上目标周期和占空比的圆柱状结构(图7(c))；通过光刻胶，用干刻蚀的方法通过光刻胶刻蚀SiO2硬母版(图7(d));再通过硬母版和光刻胶刻蚀硅层刻蚀Si (图7)；最后清理掉光刻胶和SiO2硬母版[9]，形成了硅基光子晶体结构(图7(f))。

图7 制备二维圆柱状光子晶体结构的制备步骤Fig.7 Process for generating a group of 2 dimensional pillar photonic crystals array

通过以上介绍的E-beam Litho.的方法适合制备微米和几个毫米级面积的光栅。如果是大面积的微纳结构写入时，光刻胶会因为充电效应而不能保证写入的一致性和准确性。因此工业化应用时，将通过制备母版，用纳米压印的方式实现多种像素、大面积制备。

4 结 论

本文应用时域有限差分法设计优化二维柱状光子晶体结构，实现反射式RGBCY波长选择。通过在玻璃基片上沉积一层120 nm的硅薄膜，通过调整二维柱状光子晶体结构的周期、直径和高度，来达到调整光子带隙的作用。不同的光子禁带反射特定波长的光，让其他波长的光透射或者吸收，从而实现RGBCY显色。用纳米柱状光子晶体实现了FWHM ±50 nm左右的显色，相比于传统彩膜，实现了较窄的FWHM，提高了色纯度。同时，光子晶体RGB三基色和RGBCY五基色可以分别将NTSC拓宽121%和143%。最后，简单介绍了一种实现文章中所述的柱状光子晶体结构的制备方法，为实际制备提供了一种思路。未来的批量化生产中，可以用纳米压印来实现彩色显示中所需的大面积大批量生产的需求，这是进一步研发的重点。