為回避日亞化學的藍光LED 加螢光粉制技術(shù)專利，各業(yè)者紛紛投入其它能達到散發(fā)出白光的LED 技術(shù)，目前最被期待的技術(shù)是利用UV LED 來達到白光的目的，但是，UV LED 仍舊有著光外漏及低亮度兩個不易克服的困難。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的兩位學者，Eli Yablonovitch 與Sajeev John 幾乎同一時間在理論上發(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)域的應用有著相當令人激賞的表現(xiàn)，一直是備受研發(fā)者所關(guān)心的一項技術(shù)。
目前利用二次元光子晶體來達到完成白光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與擺脫日亞化學專利的期望寄托。
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)當中，最出名的應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)，再從另外一個角度來說明。光子晶體的特性就是周期構(gòu)造，也因此會產(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)會變得非常復雜，這個曲線會隨著光的多方向性，就是異向性而出現(xiàn)變化，而隨著它的偏光性，就可以運用來設(shè)計出不同的產(chǎn)品。光子晶體它有一個很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一個光能隙。在光能隙這個區(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，斜率等于零。所以在這一點以外，光的速度就不會產(chǎn)生零這個現(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光學特性。
2、光子晶體與有固態(tài)發(fā)光元件差異
光子晶體有3 個光學特性，可以利用人工的方式來加以控制而達到不同的目的。第一個特性是，如果利用光能隙的話，就可以遮蔽光通過。利用這個特性可以把光鎖在一個相當狹小的區(qū)域里面。目前產(chǎn)業(yè)界中，就有利用這個特性把光聚集在一個區(qū)域里面，制作成一個集成電路。
另外一個特性是，就是光子晶體有異向性，光子晶體的光會朝向很多方向散射，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(某個角度它可以透過，但是有些角度是沒辦法透過)。
第三個特性就是，光子晶體的曲線非常復雜、變化多端。因為光子晶體的曲線變化非?？欤浅２灰?guī)則，所以只要波長稍有變化，那就可以看到進入光子晶體的光，它的角度就會偏離得非常大。在優(yōu)點方面，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。而另一個優(yōu)點是折光性倍數(shù)可以達到以往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，也因為是如此，所以這樣結(jié)構(gòu)要實現(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，所以就會有人認為是不是利用特定的周期或波長來運用?其實答案是不對的。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效率，這個特性對于LED來說是非常重要的。
4、光子晶體藍色LED
利用藍色LED 來制作的白光LED，藍色LED 會發(fā)出藍色的光，但是各個藍色的光會根據(jù)YAG 螢光粉部分會轉(zhuǎn)換成黃光，利用藍色和黃色的光，可以讓LED 產(chǎn)生出白光，白光LED 被應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 個特色：體積小，省能源，壽命長，但是有一個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，為了解決這個問題，便可以利用光子晶體來解決這樣的問題。
為了克服，藍光LED 發(fā)光效率比較低的問題，可以將光子晶體放在藍光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，但是存在的問題點就是發(fā)光效率比較差，因為是傳統(tǒng)的藍光LED表面的全反射，從活性層出來的光線，會被表面全反射掉。這樣的光就沒有辦法發(fā)射到LED外面。
針對這個問題，CREE 在制作過程中做了一些改善的動作，在Deformed Chip 中可看到活性層旁邊是一個斜面，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體的Planar 技術(shù)，這是一個很精密的技術(shù)，用來控制這個構(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80%，但是也有一個問題需要克服，那就是內(nèi)部量子效率會降低。由于為了要讓光透過活性層，就會因為達到透過活性層這個目的而降低內(nèi)部量子效率。Resonant Cavity 是在光子晶體LED 上面加載共振器，這個設(shè)計稱為共振器LED，在LED的周邊，我們配置上光子晶體，利用這個設(shè)計，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)計方式雖然不錯，但是在電流的注入上會有一些問題。[!--empirenews.page--]
與Surface Grating 相較下，雖然Resonant Cavity 在電流的注入上會比較容易，不過，ResonantCavity 本身也會有問題存在，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 個設(shè)計，只是在LED 上面加上一個二次元的設(shè)計，這樣的設(shè)計是可以用上原本既有的LED 上。
5、光子晶體藍色LED 運作原理
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，主要是因為表面將光全部反射，相對的，光子晶體藍色LED 所設(shè)計出來的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，并可進入臨界角投射到外面，改善過去LED 的光會全部反射的問題。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，就是利用這個原理將發(fā)光效率提高。
6、光子晶體的設(shè)計要點
在光子晶體的設(shè)計上有一些重點，有一個指標是周期這一部分，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，因為這樣的關(guān)系，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計上需要找到一個最適合的周期。
還有一個要點就是高度，高度跟衍射的效率有相當緊密的相關(guān)聯(lián)性，實際上并不是所有的光都會受到衍射的影響，受到衍射影響的光都會跟衍射率產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)，所以這兩個重要指標就是在開發(fā)光子晶體LED 時，需要計算出最適當數(shù)值的G 值，所以在設(shè)計上就必須經(jīng)過相當精的密計算來取得G 值。
而在設(shè)計中，如何去計算出LED 表面需要多少光，可以利用FDTD 計算方式來做一些運算，這個計算方式在光子晶體上是普遍被運用的一個方式。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，會因為表面全反射掉。
而光子晶體LED 的設(shè)計，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，到某一個高度時，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，而發(fā)光效率最高是0.25 微米，由此可見，在這個區(qū)域是一個非常長的周期，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)計可以看出，即使這個周期很長，還是可以達到高效率，所以對于這種光子晶體設(shè)計，稱之為長周期光子晶體。
所以，設(shè)計的光子晶體LED周期是比較長的，此外，還有另外的一個特色，就是在光子晶體的表面鍍上一整面的薄膜，這個薄膜就是透明電極，透過這個薄膜設(shè)計，光可以從整個面都可以發(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，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)我們的說法，目前暫時是利用EB 的方式，但以后在正式量產(chǎn)或商品化時，就會用另一個成本更低的做法，另外還會做乾式(Dry)Etching，再形成一個透明電極和電極板。就理論來說，在計算后的結(jié)果應該是高出3 倍的，但是在這次實驗后，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?shù)臄?shù)值。所以我們相信，只要改變這個流程，發(fā)光效率應該就會像計算的數(shù)值一樣達到3 倍。
此外，另外一個可能是在制程中出現(xiàn)一小瑕疵，那就是在芯片中有一個小裂縫，而這個裂縫的出現(xiàn)，也會影響到整個LED 的發(fā)光效能
8、透過透明電極可達到大面積的發(fā)光
我們是第一個將光子晶體運用導入藍色LED，而且很成功。發(fā)光效率達到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該是指日可待的。這個技術(shù)絕對可以運用并量產(chǎn)。另外一點，光子晶體的獨特設(shè)計使得長周期構(gòu)造可以實現(xiàn)。因為這樣的長周期構(gòu)造讓GaN的光子晶體的應用更容易實現(xiàn)。另外，經(jīng)過實際的制作后，我們也證實了一件事，在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨特設(shè)計，使得大面積的發(fā)光能夠具體實現(xiàn)。
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