蓝光Photonic Crystal LED技术获得大突破

蓝光Photonic Crystal LED技术获得大突破

在1987年，国籍相异且分居不同地点的两位学者，Eli Yablonovitch与Sajeev John几乎同一时间在理论上发现，电磁波在周期性介电质中的传播状态具有频带结构，利用两种以上不同折射率（或介电常数）材料做周期性变化来达成光子能带的物质。所以光子晶体（Photonic Crystal）被发现已将近20年后的今天，在各领域的应用有着相当令人激赏的表现，一直是备受研发者所关心的一项技术。

　为回避日亚化学的蓝光LED加荧光粉制技术专利，各业者纷纷投入其它能达到散发出白光的LED技术，目前最被期待的技术是利用UV LED来达到白光的目的，但是，UV LED仍旧有着光外漏及低亮度两个不易克服的困难。使得除了继续努力来解决相关的问题外，不得不再去寻求其它的材料或技术来达到散发出白光的LED技术。

　目前利用二次元光子晶体来达到完成白光LED的技术，已陆续出现突破性的发展，使得未来Photonic Crystal LED已成为众所瞩目的焦点与摆脱日亚化学专利的期望寄托。

■光子晶体特性与结构

　光子晶体随着波长不同，会出现于周期性的结构，可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这些结构当中，最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构，但是，三次元的光子晶体在制造上及商品化，就今天的技术而言是非常困难的。原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体，所以，今天在LED领域各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。

　一般的材料构造是属于固定构造，所以材料本身会具有的一定的折射率。图一A是说明波数（Wave Number）与频率对于一般材料折射率的影响，横轴是物质的波数（Wave Number）、纵轴是频率、斜线就代表折射率。从（图一）中可以发现折射率是非常等比例的成长，也就是代表说不管什么样的波数、什么样的波长，它的折射率都是一定的。

　那么光子晶体是什么样的结构，再从另外一个角度来说明。光子晶体的特性就是周期构造，也因此会产生多重反射。图一B表示了光子晶体所构成的波数向量数和光的频率比例，可以发现频率的曲线不像图一A是那么单纯，曲线已经会变得非常复杂，这个曲线会随着光的多方向性，就是异向性而出现变化，而随着它的偏旋光性，就可以运用来设计出不同的产品。光子晶体它有一个很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一个光能隙。

　在光能隙这个区域里面，光线是不存在的。这边的曲线也跟图一A是的斜率意义是一样的，是折射率的相反。只要在这一点，斜率等于零。所以在这一点以外，光的速度就不会产生零这个现象。所以也可以说，光子晶体也可以控制光的速度。就简单来说，运用光子晶体的目的浓缩成一句话，就是要利用周期构造，以人工的方式来控制这个光学特性。

 

▲图一：光子晶体特性与一般材料比较。

■光子晶体与有固态发光组件差异

　光子晶体有3个光学特性，可以利用人工的方式来加以控制而达到不同的目的。

　第一个特性是，如果利用光能隙的话，就可以遮蔽光通过。利用这个特性可以把光锁在一个相当狭小的区域里面。目前产业界中，就有利用这个特性把光聚集在一个区域里面，制作成一个集成电路。

　另外一个特性是，就是光子晶体有异向性，光子晶体的光会朝向很多方向散射，原因是光子晶体可以随着光的偏光角度，出现透光与不透光（某个角度它可以透过，但是有些角度是没办法透过）。

　第三个特性就是，光子晶体的曲线非常复杂、变化多端。因为光子晶体的曲线变化非常快，非常不规则，所以只要波长稍有变化，那就可以看到进入光子晶体的光，它的角度就会偏离得非常大。

　在优点方面，光子晶体的面积要比传统集成电路缩小了千分之一，所以，相对的，电路的积集度就比过去增加了1,000倍。而另一个优点是折旋光性倍数可以达到以往1,000倍。另外，也可以利用偏旋光性，改变光的性质，可以将以往正方形的偏光浓缩成以往体积的千分之一。

　简单来说，光子晶体它有什么样的好处与特性？

　一、积集度高，二、体积小，三、成本低。

■利用光子晶体制作出LED

　除此之外，光子晶体还有其它的特性。利用它的特性，可以制作出光子晶体LED。（图二）是利用光子晶体制作出的二极管。

 
▲图二：利用光子晶体制作出的LED与LD。

　大致上可以分为2种，一种是LED，一种是雷射二极管（Laser Diode）。LD雷射二极管部分我们可以分为光子晶体 DFB雷射二极管（Photonic crystal DFB LD）与Photonic crystal defect LD。光子晶体DFB雷射二极管是大家比较了解的结构，其雷射值可以控制在非常低的区域来做发射，这样子的结构，是必须存在光能隙的区域，也因为是如此，所以这样结构要实现商品化是比较困难。相对的利用光子晶体的结构制作成LED是比较简单。

　有关光子晶体常常被混淆的部分是，以为是利用DFB雷射，所以就会有人认为是不是利用特定的周期或波长来运用？其实答案是不对的。理由是DFB雷射跟光子晶体LD，它的入射（Incident）和衍射（Diffracted）的光是受限制的。但是相对光子晶体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长来加强效率，这个特性对于LED来说是非常重要的（图三）。

 
▲图三：光子晶体与LD入射光和衍射光角度差异。

■光子晶体蓝色LED

　（图四）说明了利用蓝色LED来制作的白光LED，蓝色LED会发出蓝色的光，但是各个蓝色的光会根据YAG荧光粉部分会转换成黄光，利用蓝色和黄色的光，可以让LED产生出白光，白光LED被应用在白光照明灯跟液晶背光的光源，这种白光LED被称为固体白色照明（图五）。这种光有3个特色：一、体积小，二、省能源，三、寿命长，但是有一个很大的问题需要克服：比起荧光灯，这样的白光LED发光效率比较差，为了解决这个问题，便可以利用光子晶体来解决这样的问题。

 
▲图四：一般白光LED（蓝光LED＋荧光粉）发光原理。

 ▲图五：固态照明效率演进。

　为了克服，蓝光LED发光效率比较低的问题，可以将光子晶体放在蓝光LED里，利用光子晶体来提高发光效率，这样生产出的蓝光光子晶体LED的特色是周期长，要让发光效率提升，有几个很重要的技术。

　传统的LED制作非常简单，但是存在的问题点就是发光效率比较差，因为是传统的蓝光LED表面的全反射，从活性层出来的光线，会被表面全反射掉。这样的光就没有办法发射到LED外面。

■日本松下电器利用二次元集积表面解决效率不佳

　针对这个问题，CREE在制作过程中做了一些改善的动作，在（图六）的Deformed Chip中可看到活性层旁边是一个斜面，利用这样斜面的结构，可以让发光效率提高，同样是针对提高效率的问题，日本松下电器设计出了二次元的集积表面，利用这样子的结构，可以让表面的发光效率提高，所以日本松下电器是利用半导体的Planar技术，这是一个很精密的技术，用来控制这个构造。

 
▲图六：解决光子晶体效率不佳方式。

　（图七）是导入光子晶体的LED的不同设计模式，除了日本松下电器所发展的Planar技术结构外，目前在技术上另外还有2种设计。

 
▲图七：效率不佳解决方式于显微镜下结构。

　Penetration是利用二次元的活性层让光穿过，这样的结构可以使发光效率高达80％，但是也有一个问题需要克服，那就是内部量子效率会降低。由于为了要让光透过活性层，就会因为达到透过活性层这个目的而降低内部量子效率。

　Resonant Cavity 是在光子晶体LED上面加载共振器，这个设计称为共振器LED，在LED的周边，我们配置上光子晶体，利用这个设计，可以把他LED效率提高60％，而前面提到日本松下电器利用Planar技术所开发出来的Surface Grating的设计方式虽然不错，但是在电流的注入上会有一些问题。

　与Surface Grating相较下，虽然Resonant Cavity在电流的注入上会比较容易，不过，Resonant Cavity 本身也会有问题存在，那就是共振器LED在制作上比较困难，制作困难就代表说成本就会提高，对于LED大家都希望可以以低成本量产，这就造成了发展瓶颈，Penetration与Resonant Cavity这2个设计，只是在LED上面加上一个二次元的设计，这样的设计是可以用上原本既有的LED上。

■光子晶体蓝色LED运作原理

　（图八）左边是现有的LED结构，可以看到他的全反射，现有的LED临界度是比较小的，主要是因为表面将光全部反射，相对的，光子晶体蓝色LED所设计出来的LED，由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以比临界角还小，并可进入临界角投射到外面，改善过去LED的光会全部反射的问题。

 
▲图八：光子晶体与一般LED反射临界角。

　从LED的活性层发射出来的光，我们可以360度放射出去，但以往的LED只能受限于临界角，只能在临界角范围内发光，在临界角内的光才能发射出去，我们知道临界角范围内的面积只占整个范围的4％，所以相对光子晶体的光就比较广，能有更多的面积将光反射出去，就是利用这个原理将发光效率提高。

■光子晶体的设计要点

　在光子晶体的设计上有一些重点，有一个指针是周期这一部分，周期和衍射的距离有关，如果周期越小，衍射的距离就越大，纵使经过修正后还是没有办法将光发射到外面去。相对的如果周期变大，衍射的距离越小，因为这样的关系，光就可以移到外面去了，所以在设计上需要找到一个最适合的周期。

　还有一个要点就是高度，高度跟衍射的效率有相当紧密的相关联性，实际上并不是所有的光都会受到衍射的影响，受到衍射影响的光都会跟衍射率产生相关联，所以这两个重要指标就是在开发光子晶体LED时，需要计算出最适当数值的G值，所以在设计上就必须经过相当精的密计算来取得G值（图九）。

 
▲图九：G值将影响衍射率与相光效率。

　而在设计中，如何去计算出LED表面需要多少光，可以利用FDTD计算方式来做一些运算（图十），这个计算方式在光子晶体上是普遍被运用的一个方式，具体的计算方式，图十A中浅蓝色内计算方式，而右面所示是计算出来的数值。

 
▲图十：G值计算结果与发光组件相互关系。

　非光子晶体的LED，是属于表面比较平坦的一种LED。图十B左下方是LED的内部，图十B右上方是LED的外部，可以发现到，非光子晶体的LED产生光后，跟空气接触的光源那部分，会因为表面全反射掉。而光子晶体LED的设计，从图十C中的结果发现，可以让光不受反射影响，将光反射到外面。

　（图十一）是日本松下电器针对光子晶体LED设计出来的效率结果，X轴是周期，Y轴是高度，Z轴是现实的发光效率，发光效率1.0是指表面是平面的LED发出的效率数值。从这个图形可以看出，周期越长，效率会增加，但到了一个高度后会下降。

 
▲图十一：利用周期与高度计算出最佳发光点。

　而高度的部分也是成曲线分布，到某一个高度时，效率是最高的，可以看见发光效率最高的周期是在1.5微米的地方（红线部分），而发光效率最高是0.25微米（红线部分），由此可见，在这个区域是一个非常长的周期，非常短的高度，这就显示说光子晶体的制作非常简单，只要找出最适合的周期1.5微米，比发光波长还要长的一个周期，然而常说现有的LED至少要克服这样的条件，但是从这里的设计可以看出，即使这个周期很长，还是可以达到高效率，所以对于这种光子晶体设计，称之为长周期光子晶体。

　图十一是将长周期光子晶体作进一步分析，可以看出来如果设计和活性层表面越短的话，发光的效率就会越高，最适合的周期会越长，所以长周期的光子晶体，除了发光效率外，整个散乱也会影响。

　所以，日本松下电器所设计的光子晶体LED周期是比较长的，此外，还有另外的一个特色，就是日本松下电器在光子晶体的表面镀上一整面的薄膜，这个薄膜就是透明电极，透过这个薄膜设计，光可以从整个面都可以发光出去。

■日本松下电器光子晶体LED制程

　（图十二）是日本松下电器对光子晶体LED上透明电极的影响作的解释，蓝色线是没有透明电极的状态，红色是显示有透明电极的状态，可以看到，无论有没有涂上透明电极，对发光效率并没有很大影响。根据这个结果，日本松下电器就很放心的在光子晶体上覆上一层透明电极。

 
▲图十二：透明电极对发光效率影响。

　日本松下电器是利用蓝宝石作为基板，再经过MOCVD、EB和RIE ETCHING等等制程，制作出来二次元的光子晶体LED。根据日本松下电器的说法，目前暂时是利用EB的方式，但以后在正式量产或商品化时，就会用另一个成本更低的做法，另外还会做干式（Dry）Etching，再形成一个透明电极和电极板。

　（图十三）显示的是日本松下电器的光子晶体蓝光LED在电子显微镜下的结构，左边是在电子显微镜下看到的表面状态，在右上方的N电极和左下方的P电极的中间形成光子晶体。右边是光子晶体蓝光LED在电子显微镜下的断面图，看起来像布丁状态的构造，分布在二次元的空间上，可以看到这个透明电极它很均匀的分布在光子晶体上。

 
▲图十三：电子显微镜下光子晶体蓝光LED的结构。

　（图十四）是光子晶体在运作状态下的显微镜相片，可以看到光子晶体是全面在发光的。从这个结果可以断言说，日本松下电器所覆盖这一层透明电极，确实有达到所期待的效果。

 
▲图十四：电子显微镜下光子晶体的运作状态。

　（图十五）所显示的是日本松下电器所做的光子晶体的输出和电流的特性评价。为了比较，除了光子晶体外，日本松下电器同时也量测了另外一个一般的LED，从结果可以看出，光子晶体LED与一般LED的光输出运作和电流效果是不同的。蓝色是一般的LED，红色是光子晶体LED，光子晶体LED的效率比一般的LED高出50％。

 
▲图十五：光子晶体的发光效率和电流的特性评价。

　就理论来说，在计算后的结果应该是高出3倍的，但是在这次实验后，得出的结果却只有高出50％。分析原因有可能是在光子晶体形成的制造过程中，所使用的数值并不是最适当的数值。所以日本松下电器相信，只要改变这个流程，发光效率应该就会像计算的数值一样达到3倍。此外，另外一个可能是在制程中出现一小瑕疵，那就是在芯片中有一个小裂缝，而这个裂缝的出现，也会影响到整个LED的发光效能。

■透过透明电极可达到大面积的发光

　日本松下电器是第一个将光子晶体运用导入蓝色LED，而且很成功。发光效率达到1.5倍。相信业界透过这样不断的研究，显示出固体白光照明的商品化应该是指日可待的。这个技术绝对可以运用并量产。

　另外一点，光子晶体的独特设计使得长周期构造可以实现。因为这样的长周期构造让GaN的光子晶体的应用更容易实现。另外，经过实际的制作后，日本松下电器也证实了一件事，在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。