藍(lán)光LED光子晶體技術(shù)原理及制程詳解

為回避日亞化學(xué)的藍(lán)光LED 加螢光粉制技術(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)。

　　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(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。

　　1、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。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。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。

　　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。

　　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?？?，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。簡單來說，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。

　　4、光子晶體藍(lán)色LED

　　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 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，但是有一個(gè)很大的問題需要克服：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)問題，便可以利用光子晶體來解決這樣的問題。

　　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。

　　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，我們設(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)，用來控制這個(gè)構(gòu)造。

　　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%，而前面提到我們利用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。