藍(lán)光LED光子晶體技術(shù)原理及制作流程

為回避日亞化學(xué)的藍(lán)光LED 加螢光粉制技術(shù)專(zhuān)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(lái)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(lái)解決相關(guān)的問(wèn)題外，不得不再去尋求其它的材料或技術(shù)來(lái)達(dá)到散發(fā)出白光的LED 技術(shù)。

　　在1987 年，國(guó)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(lái)達(dá)成光子能帶的物質(zhì)。所以光子晶體(PhotonicCrystal)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)。

　　目前利用二次元光子晶體來(lái)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(lái)Photonic Crystal LED 已成為眾所矚目的焦點(diǎn)與擺脫日亞化學(xué)專(zhuān)利的期望寄托。

　　1、光子晶體特性與結(jié)構(gòu)

　　光子晶體隨著波長(zhǎng)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(jìng)開(kāi)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。波數(shù)(Wave Number)與頻率對(duì)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。折射率是非常等比例的成長(zhǎng)，也就是代表說(shuō)不管什么樣的波數(shù)、什么樣的波長(zhǎng)，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?gòu)牧硗庖粋€(gè)角度來(lái)說(shuō)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。

　　光子晶體所構(gòu)成的波數(shù)矢量數(shù)和光的頻率比例，頻率的曲線不是那么單純，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，而隨著它的偏光性，就可以運(yùn)用來(lái)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(shuō)，光子晶體也可以控制光的速度。

　　就簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)控制這個(gè)光學(xué)特性。

　　2、光子晶體與有固態(tài)發(fā)光元件差異

　　光子晶體有3 個(gè)光學(xué)特性，可以利用人工的方式來(lái)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(guò)。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(guò)，但是有些角度是沒(méi)辦法透過(guò))。

　　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?？欤浅２灰?guī)則，所以只要波長(zhǎng)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(duì)的，電路的積集度就比過(guò)去增加了1,000 倍。而另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是折光性倍數(shù)可以達(dá)到以往1,000 倍。

　　另外，也可以利用偏光性，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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光子晶體它有什么樣的好處與特性?積集度高，體積小，成本低。3、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。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(lái)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(duì)的利用光子晶體的結(jié)構(gòu)制作成LED 是比較簡(jiǎn)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(zhǎng)來(lái)運(yùn)用?其實(shí)答案是不對(duì)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(duì)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(zhǎng)來(lái)加強(qiáng)效率，這個(gè)特性對(duì)于LED來(lái)說(shuō)是非常重要的。

　　4、光子晶體藍(lán)色LED

　　利用藍(lán)色LED 來(lái)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 螢光粉部分會(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(chēng)為固體白色照明。這種光有3 個(gè)特色：體積小，省能源，壽命長(zhǎng)，但是有一個(gè)很大的問(wèn)題需要克服：比起螢光燈，這樣的白光LED 發(fā)光效率比較差，為了解決這個(gè)問(wèn)題，便可以利用光子晶體來(lái)解決這樣的問(wèn)題。

　　為了克服，藍(lán)光LED 發(fā)光效率比較低的問(wèn)題，可以將光子晶體放在藍(lán)光LED 里，利用光子晶體來(lái)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(zhǎng)，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(jiǎn)單，但是存在的問(wèn)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(lái)的光線，會(huì)被表面全反射掉。這樣的光就沒(méi)有辦法發(fā)射到LED外面。

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，CREE 在制作過(guò)程中做了一些改善的動(dòng)作，在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(duì)提高效率的問(wèn)題，我們?cè)O(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，所以我們是利用半導(dǎo)體的Planar 技術(shù)，這是一個(gè)很精密的技術(shù)，用來(lái)控制這個(gè)構(gòu)造。

　　Penetration 是利用二次元的活性層讓光穿過(guò)，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(wèn)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(guò)活性層，就會(huì)因?yàn)檫_(dá)到透過(guò)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(chēng)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%，而前面提到我們利用Planar 技術(shù)所開(kāi)發(fā)出來(lái)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(wèn)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(guò)，ResonantCavity 本身也會(huì)有問(wèn)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(shuō)成本就會(huì)提高，對(duì)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。

　　5、光子晶體藍(lán)色LED 運(yùn)作原理

　　現(xiàn)有的LED 結(jié)構(gòu)，可以看到他的全反射，臨界度是比較小的，主要是因?yàn)楸砻鎸⒐馊糠瓷洌鄬?duì)的，光子晶體藍(lán)色LED 所設(shè)計(jì)出來(lái)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(guò)去LED 的光會(huì)全部反射的問(wèn)題。從LED 的活性層發(fā)射出來(lái)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(duì)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。

　　6、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)指標(biāo)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(guò)修正后還是沒(méi)有辦法將光發(fā)射到外面去。相對(duì)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(kāi)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(guò)相當(dāng)精的密計(jì)算來(lái)取得G 值。

　　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(lái)做一些運(yùn)算，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。非光子晶體的LED，是屬于表面比較平坦的一種LED。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瓷涞簟?/p>

　　而光子晶體LED 的設(shè)計(jì)，可以讓光不受反射影響，將光反射到外面。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(jiàn)發(fā)光效率最高的周期是在1.5 微米的地方，而發(fā)光效率最高是0.25 微米，由此可見(jiàn)，在這個(gè)區(qū)域是一個(gè)非常長(zhǎng)的周期，非常短的高度，這就顯示說(shuō)光子晶體的制作非常簡(jiǎn)單，只要找出最適合的周期1.5 微米，比發(fā)光波長(zhǎng)還要長(zhǎng)的一個(gè)周期，然而常說(shuō)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(zhǎng)，還是可以達(dá)到高效率，所以對(duì)于這種光子晶體設(shè)計(jì)，稱(chēng)之為長(zhǎng)周期光子晶體。

　　所以，設(shè)計(jì)的光子晶體LED周期是比較長(zhǎng)的，此外，還有另外的一個(gè)特色，就是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(guò)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。7、光子晶體LED制程

　　制作的光子晶體LED 上透明電極的影響作的解釋?zhuān)梢钥吹?，無(wú)論有沒(méi)有涂上透明電極，對(duì)發(fā)光效率并沒(méi)有很大影響。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，我們就很放心的在光子晶體上覆上一層透明電極。利用藍(lán)寶石作為基板，再經(jīng)過(guò)MOCVD、EB 和RIE ETCHING 等等制程，制作出來(lái)二次元的光子晶體LED。

　　根據(jù)我們的說(shuō)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)做乾式(Dry)Etching，再形成一個(gè)透明電極和電極板。就理論來(lái)說(shuō)，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(guò)程中，所使用的數(shù)值并不是最適當(dāng)?shù)臄?shù)值。所以我們相信，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

　　8、透過(guò)透明電極可達(dá)到大面積的發(fā)光

　　我們是第一個(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(guò)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(duì)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(zhǎng)周期構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣的長(zhǎng)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(guò)實(shí)際的制作后，我們也證實(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)。