藍(lán)光Photonic Crystal LED技術(shù)獲得大突破
在1987年，國籍相異且分居不同地點(diǎn)的兩位學(xué)者，Eli Yablonovitch與Sajeev John幾乎同一時(shí)間在理論上發(fā)現(xiàn)，電磁波在周期性介電質(zhì)中的傳播狀態(tài)具有頻帶結(jié)構(gòu)，利用兩種以上不同折射率（或介電常數(shù)）材料做周期性變化來達(dá)成光子能帶的物質(zhì)。所以光子晶體（Photonic Crystal）被發(fā)現(xiàn)已將近20年后的今天，在各領(lǐng)域的應(yīng)用有著相當(dāng)令人激賞的表現(xiàn)，一直是備受研發(fā)者所關(guān)心的一項(xiàng)技術(shù)。
為回避日亞化學(xué)的藍(lán)光LED加熒光粉制技術(shù)專利，各業(yè)者紛紛投入其它能達(dá)到散發(fā)出白光的LED技術(shù)，目前最被期待的技術(shù)是利用UV LED來達(dá)到白光的目的，但是，UV LED仍舊有著光外漏及低亮度兩個(gè)不易克服的困難。使得除了繼續(xù)努力來解決相關(guān)的問題外，不得不再去尋求其它的材料或技術(shù)來達(dá)到散發(fā)出白光的LED技術(shù)。
目前利用二次元光子晶體來達(dá)到完成白光LED的技術(shù)，已陸續(xù)出現(xiàn)突破性的發(fā)展，使得未來Photonic Crystal LED已成為眾所矚目的焦點(diǎn)與擺脫日亞化學(xué)專利的期望寄托。
■光子晶體特性與結(jié)構(gòu)
光子晶體隨著波長不同，會(huì)出現(xiàn)于周期性的結(jié)構(gòu)，可以分別發(fā)展出一次元、二次元及三次元的光子晶體。而在這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中，最出名的應(yīng)該是屬于三次元的光子晶體結(jié)構(gòu)，但是，三次元的光子晶體在制造上及商品化，就今天的技術(shù)而言是非常困難的。原因是目前主要研究的領(lǐng)域還是保留在二次元的光子晶體，所以，今天在LED領(lǐng)域各業(yè)者相競開發(fā)的光子晶體LED，也是二次元的光子晶體。
一般的材料構(gòu)造是屬于固定構(gòu)造，所以材料本身會(huì)具有的一定的折射率。圖一A是說明波數(shù)（Wave Number）與頻率對于一般材料折射率的影響，橫軸是物質(zhì)的波數(shù)（Wave Number）、縱軸是頻率、斜線就代表折射率。從（圖一）中可以發(fā)現(xiàn)折射率是非常等比例的成長，也就是代表說不管什么樣的波數(shù)、什么樣的波長，它的折射率都是一定的。
那么光子晶體是什么樣的結(jié)構(gòu)，再從另外一個(gè)角度來說明。光子晶體的特性就是周期構(gòu)造，也因此會(huì)產(chǎn)生多重反射。圖一B表示了光子晶體所構(gòu)成的波數(shù)向量數(shù)和光的頻率比例，可以發(fā)現(xiàn)頻率的曲線不像圖一A是那么單純，曲線已經(jīng)會(huì)變得非常復(fù)雜，這個(gè)曲線會(huì)隨著光的多方向性，就是異向性而出現(xiàn)變化，而隨著它的偏旋光性，就可以運(yùn)用來設(shè)計(jì)出不同的產(chǎn)品。光子晶體它有一個(gè)很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一個(gè)光能隙。
在光能隙這個(gè)區(qū)域里面，光線是不存在的。這邊的曲線也跟圖一A是的斜率意義是一樣的，是折射率的相反。只要在這一點(diǎn)，斜率等于零。所以在這一點(diǎn)以外，光的速度就不會(huì)產(chǎn)生零這個(gè)現(xiàn)象。所以也可以說，光子晶體也可以控制光的速度。就簡單來說，運(yùn)用光子晶體的目的濃縮成一句話，就是要利用周期構(gòu)造，以人工的方式來控制這個(gè)光學(xué)特性。
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▲圖一：光子晶體特性與一般材料比較。
■光子晶體與有固態(tài)發(fā)光組件差異
光子晶體有3個(gè)光學(xué)特性，可以利用人工的方式來加以控制而達(dá)到不同的目的。
第一個(gè)特性是，如果利用光能隙的話，就可以遮蔽光通過。利用這個(gè)特性可以把光鎖在一個(gè)相當(dāng)狹小的區(qū)域里面。目前產(chǎn)業(yè)界中，就有利用這個(gè)特性把光聚集在一個(gè)區(qū)域里面，制作成一個(gè)集成電路。
另外一個(gè)特性是，就是光子晶體有異向性，光子晶體的光會(huì)朝向很多方向散射，原因是光子晶體可以隨著光的偏光角度，出現(xiàn)透光與不透光（某個(gè)角度它可以透過，但是有些角度是沒辦法透過）。
第三個(gè)特性就是，光子晶體的曲線非常復(fù)雜、變化多端。因?yàn)楣庾泳w的曲線變化非常快，非常不規(guī)則，所以只要波長稍有變化，那就可以看到進(jìn)入光子晶體的光，它的角度就會(huì)偏離得非常大。
在優(yōu)點(diǎn)方面，光子晶體的面積要比傳統(tǒng)集成電路縮小了千分之一，所以，相對的，電路的積集度就比過去增加了1,000倍。而另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是折旋光性倍數(shù)可以達(dá)到以往1,000倍。另外，也可以利用偏旋光性，改變光的性質(zhì)，可以將以往正方形的偏光濃縮成以往體積的千分之一。
簡單來說，光子晶體它有什么樣的好處與特性？
一、積集度高，二、體積小，三、成本低。
■利用光子晶體制作出LED
除此之外，光子晶體還有其它的特性。利用它的特性，可以制作出光子晶體LED。（圖二）是利用光子晶體制作出的二極管。
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▲圖二：利用光子晶體制作出的LED與LD。
大致上可以分為2種，一種是LED，一種是雷射二極管（Laser Diode）。LD雷射二極管部分我們可以分為光子晶體 DFB雷射二極管（Photonic crystal DFB LD）與Photonic crystal defect LD。光子晶體DFB雷射二極管是大家比較了解的結(jié)構(gòu)，其雷射值可以控制在非常低的區(qū)域來做發(fā)射，這樣子的結(jié)構(gòu)，是必須存在光能隙的區(qū)域，也因?yàn)槭侨绱?，所以這樣結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)商品化是比較困難。相對的利用光子晶體的結(jié)構(gòu)制作成LED是比較簡單。
有關(guān)光子晶體常常被混淆的部分是，以為是利用DFB雷射，所以就會(huì)有人認(rèn)為是不是利用特定的周期或波長來運(yùn)用？其實(shí)答案是不對的。理由是DFB雷射跟光子晶體LD，它的入射（Incident）和衍射（Diffracted）的光是受限制的。但是相對光子晶體的入射光角度和衍射光角度是不受限制的。所以并不是利用特定的周期或波長來加強(qiáng)效率，這個(gè)特性對于LED來說是非常重要的（圖三）。
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▲圖三：光子晶體與LD入射光和衍射光角度差異。
■光子晶體藍(lán)色LED
（圖四）說明了利用藍(lán)色LED來制作的白光LED，藍(lán)色LED會(huì)發(fā)出藍(lán)色的光，但是各個(gè)藍(lán)色的光會(huì)根據(jù)YAG熒光粉部分會(huì)轉(zhuǎn)換成黃光，利用藍(lán)色和黃色的光，可以讓LED產(chǎn)生出白光，白光LED被應(yīng)用在白光照明燈跟液晶背光的光源，這種白光LED被稱為固體白色照明（圖五）。這種光有3個(gè)特色：一、體積小，二、省能源，三、壽命長，但是有一個(gè)很大的問題需要克服：比起熒光燈，這樣的白光LED發(fā)光效率比較差，為了解決這個(gè)問題，便可以利用光子晶體來解決這樣的問題。
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▲圖四：一般白光LED（藍(lán)光LED＋熒光粉）發(fā)光原理。
?▲圖五：固態(tài)照明效率演進(jìn)。
為了克服，藍(lán)光LED發(fā)光效率比較低的問題，可以將光子晶體放在藍(lán)光LED里，利用光子晶體來提高發(fā)光效率，這樣生產(chǎn)出的藍(lán)光光子晶體LED的特色是周期長，要讓發(fā)光效率提升，有幾個(gè)很重要的技術(shù)。
傳統(tǒng)的LED制作非常簡單，但是存在的問題點(diǎn)就是發(fā)光效率比較差，因?yàn)槭莻鹘y(tǒng)的藍(lán)光LED表面的全反射，從活性層出來的光線，會(huì)被表面全反射掉。這樣的光就沒有辦法發(fā)射到LED外面。
■日本松下電器利用二次元集積表面解決效率不佳
針對這個(gè)問題，CREE在制作過程中做了一些改善的動(dòng)作，在（圖六）的Deformed Chip中可看到活性層旁邊是一個(gè)斜面，利用這樣斜面的結(jié)構(gòu)，可以讓發(fā)光效率提高，同樣是針對提高效率的問題，日本松下電器設(shè)計(jì)出了二次元的集積表面，利用這樣子的結(jié)構(gòu)，可以讓表面的發(fā)光效率提高，所以日本松下電器是利用半導(dǎo)體的Planar技術(shù)，這是一個(gè)很精密的技術(shù)，用來控制這個(gè)構(gòu)造。
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▲圖六：解決光子晶體效率不佳方式。
?。▓D七）是導(dǎo)入光子晶體的LED的不同設(shè)計(jì)模式，除了日本松下電器所發(fā)展的Planar技術(shù)結(jié)構(gòu)外，目前在技術(shù)上另外還有2種設(shè)計(jì)。
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▲圖七：效率不佳解決方式于顯微鏡下結(jié)構(gòu)。
Penetration是利用二次元的活性層讓光穿過，這樣的結(jié)構(gòu)可以使發(fā)光效率高達(dá)80％，但是也有一個(gè)問題需要克服，那就是內(nèi)部量子效率會(huì)降低。由于為了要讓光透過活性層，就會(huì)因?yàn)檫_(dá)到透過活性層這個(gè)目的而降低內(nèi)部量子效率。
Resonant Cavity 是在光子晶體LED上面加載共振器，這個(gè)設(shè)計(jì)稱為共振器LED，在LED的周邊，我們配置上光子晶體，利用這個(gè)設(shè)計(jì)，可以把他LED效率提高60％，而前面提到日本松下電器利用Planar技術(shù)所開發(fā)出來的Surface Grating的設(shè)計(jì)方式雖然不錯(cuò)，但是在電流的注入上會(huì)有一些問題。
與Surface Grating相較下，雖然Resonant Cavity在電流的注入上會(huì)比較容易，不過，Resonant Cavity 本身也會(huì)有問題存在，那就是共振器LED在制作上比較困難，制作困難就代表說成本就會(huì)提高，對于LED大家都希望可以以低成本量產(chǎn)，這就造成了發(fā)展瓶頸，Penetration與Resonant Cavity這2個(gè)設(shè)計(jì)，只是在LED上面加上一個(gè)二次元的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)是可以用上原本既有的LED上。
■光子晶體藍(lán)色LED運(yùn)作原理
?。▓D八）左邊是現(xiàn)有的LED結(jié)構(gòu)，可以看到他的全反射，現(xiàn)有的LED臨界度是比較小的，主要是因?yàn)楸砻鎸⒐馊糠瓷?，相對的，光子晶體藍(lán)色LED所設(shè)計(jì)出來的LED，由于衍射的關(guān)系，可以修正光的角度，修正后的光可以比臨界角還小，并可進(jìn)入臨界角投射到外面，改善過去LED的光會(huì)全部反射的問題。
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▲圖八：光子晶體與一般LED反射臨界角。
從LED的活性層發(fā)射出來的光，我們可以360度放射出去，但以往的LED只能受限于臨界角，只能在臨界角范圍內(nèi)發(fā)光，在臨界角內(nèi)的光才能發(fā)射出去，我們知道臨界角范圍內(nèi)的面積只占整個(gè)范圍的4％，所以相對光子晶體的光就比較廣，能有更多的面積將光反射出去，就是利用這個(gè)原理將發(fā)光效率提高。
■光子晶體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在光子晶體的設(shè)計(jì)上有一些重點(diǎn)，有一個(gè)指針是周期這一部分，周期和衍射的距離有關(guān)，如果周期越小，衍射的距離就越大，縱使經(jīng)過修正后還是沒有辦法將光發(fā)射到外面去。相對的如果周期變大，衍射的距離越小，因?yàn)檫@樣的關(guān)系，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計(jì)上需要找到一個(gè)最適合的周期。
還有一個(gè)要點(diǎn)就是高度，高度跟衍射的效率有相當(dāng)緊密的相關(guān)聯(lián)性，實(shí)際上并不是所有的光都會(huì)受到衍射的影響，受到衍射影響的光都會(huì)跟衍射率產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)，所以這兩個(gè)重要指標(biāo)就是在開發(fā)光子晶體LED時(shí)，需要計(jì)算出最適當(dāng)數(shù)值的G值，所以在設(shè)計(jì)上就必須經(jīng)過相當(dāng)精的密計(jì)算來取得G值（圖九）。
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▲圖九：G值將影響衍射率與相光效率。
而在設(shè)計(jì)中，如何去計(jì)算出LED表面需要多少光，可以利用FDTD計(jì)算方式來做一些運(yùn)算（圖十），這個(gè)計(jì)算方式在光子晶體上是普遍被運(yùn)用的一個(gè)方式，具體的計(jì)算方式，圖十A中淺藍(lán)色內(nèi)計(jì)算方式，而右面所示是計(jì)算出來的數(shù)值。
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▲圖十：G值計(jì)算結(jié)果與發(fā)光組件相互關(guān)系。
非光子晶體的LED，是屬于表面比較平坦的一種LED。圖十B左下方是LED的內(nèi)部，圖十B右上方是LED的外部，可以發(fā)現(xiàn)到，非光子晶體的LED產(chǎn)生光后，跟空氣接觸的光源那部分，會(huì)因?yàn)楸砻嫒瓷涞?。而光子晶體LED的設(shè)計(jì)，從圖十C中的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以讓光不受反射影響，將光反射到外面。
（圖十一）是日本松下電器針對光子晶體LED設(shè)計(jì)出來的效率結(jié)果，X軸是周期，Y軸是高度，Z軸是現(xiàn)實(shí)的發(fā)光效率，發(fā)光效率1.0是指表面是平面的LED發(fā)出的效率數(shù)值。從這個(gè)圖形可以看出，周期越長，效率會(huì)增加，但到了一個(gè)高度后會(huì)下降。
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▲圖十一：利用周期與高度計(jì)算出最佳發(fā)光點(diǎn)。
而高度的部分也是成曲線分布，到某一個(gè)高度時(shí)，效率是最高的，可以看見發(fā)光效率最高的周期是在1.5微米的地方（紅線部分），而發(fā)光效率最高是0.25微米（紅線部分），由此可見，在這個(gè)區(qū)域是一個(gè)非常長的周期，非常短的高度，這就顯示說光子晶體的制作非常簡單，只要找出最適合的周期1.5微米，比發(fā)光波長還要長的一個(gè)周期，然而常說現(xiàn)有的LED至少要克服這樣的條件，但是從這里的設(shè)計(jì)可以看出，即使這個(gè)周期很長，還是可以達(dá)到高效率，所以對于這種光子晶體設(shè)計(jì)，稱之為長周期光子晶體。
圖十一是將長周期光子晶體作進(jìn)一步分析，可以看出來如果設(shè)計(jì)和活性層表面越短的話，發(fā)光的效率就會(huì)越高，最適合的周期會(huì)越長，所以長周期的光子晶體，除了發(fā)光效率外，整個(gè)散亂也會(huì)影響。
所以，日本松下電器所設(shè)計(jì)的光子晶體LED周期是比較長的，此外，還有另外的一個(gè)特色，就是日本松下電器在光子晶體的表面鍍上一整面的薄膜，這個(gè)薄膜就是透明電極，透過這個(gè)薄膜設(shè)計(jì)，光可以從整個(gè)面都可以發(fā)光出去。
■日本松下電器光子晶體LED制程
?。▓D十二）是日本松下電器對光子晶體LED上透明電極的影響作的解釋，藍(lán)色線是沒有透明電極的狀態(tài)，紅色是顯示有透明電極的狀態(tài)，可以看到，無論有沒有涂上透明電極，對發(fā)光效率并沒有很大影響。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，日本松下電器就很放心的在光子晶體上覆上一層透明電極。
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▲圖十二：透明電極對發(fā)光效率影響。
日本松下電器是利用藍(lán)寶石作為基板，再經(jīng)過MOCVD、EB和RIE ETCHING等等制程，制作出來二次元的光子晶體LED。根據(jù)日本松下電器的說法，目前暫時(shí)是利用EB的方式，但以后在正式量產(chǎn)或商品化時(shí)，就會(huì)用另一個(gè)成本更低的做法，另外還會(huì)做干式（Dry）Etching，再形成一個(gè)透明電極和電極板。
?。▓D十三）顯示的是日本松下電器的光子晶體藍(lán)光LED在電子顯微鏡下的結(jié)構(gòu)，左邊是在電子顯微鏡下看到的表面狀態(tài)，在右上方的N電極和左下方的P電極的中間形成光子晶體。右邊是光子晶體藍(lán)光LED在電子顯微鏡下的斷面圖，看起來像布丁狀態(tài)的構(gòu)造，分布在二次元的空間上，可以看到這個(gè)透明電極它很均勻的分布在光子晶體上。
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▲圖十三：電子顯微鏡下光子晶體藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)。
?。▓D十四）是光子晶體在運(yùn)作狀態(tài)下的顯微鏡相片，可以看到光子晶體是全面在發(fā)光的。從這個(gè)結(jié)果可以斷言說，日本松下電器所覆蓋這一層透明電極，確實(shí)有達(dá)到所期待的效果。
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▲圖十四：電子顯微鏡下光子晶體的運(yùn)作狀態(tài)。
?。▓D十五）所顯示的是日本松下電器所做的光子晶體的輸出和電流的特性評價(jià)。為了比較，除了光子晶體外，日本松下電器同時(shí)也量測了另外一個(gè)一般的LED，從結(jié)果可以看出，光子晶體LED與一般LED的光輸出運(yùn)作和電流效果是不同的。藍(lán)色是一般的LED，紅色是光子晶體LED，光子晶體LED的效率比一般的LED高出50％。
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▲圖十五：光子晶體的發(fā)光效率和電流的特性評價(jià)。
就理論來說，在計(jì)算后的結(jié)果應(yīng)該是高出3倍的，但是在這次實(shí)驗(yàn)后，得出的結(jié)果卻只有高出50％。分析原因有可能是在光子晶體形成的制造過程中，所使用的數(shù)值并不是最適當(dāng)?shù)臄?shù)值。所以日本松下電器相信，只要改變這個(gè)流程，發(fā)光效率應(yīng)該就會(huì)像計(jì)算的數(shù)值一樣達(dá)到3倍。此外，另外一個(gè)可能是在制程中出現(xiàn)一小瑕疵，那就是在芯片中有一個(gè)小裂縫，而這個(gè)裂縫的出現(xiàn)，也會(huì)影響到整個(gè)LED的發(fā)光效能。
■透過透明電極可達(dá)到大面積的發(fā)光
日本松下電器是第一個(gè)將光子晶體運(yùn)用導(dǎo)入藍(lán)色LED，而且很成功。發(fā)光效率達(dá)到1.5倍。相信業(yè)界透過這樣不斷的研究，顯示出固體白光照明的商品化應(yīng)該是指日可待的。這個(gè)技術(shù)絕對可以運(yùn)用并量產(chǎn)。
另外一點(diǎn)，光子晶體的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得長周期構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣的長周期構(gòu)造讓GaN的光子晶體的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)。另外，經(jīng)過實(shí)際的制作后，日本松下電器也證實(shí)了一件事，在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。