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光子晶体效率蓝光LED光子晶体技术原理及制程详解

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为回避日亚化学的蓝光LED 加萤光粉制技术专利,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 仍旧有著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。

  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(PhotonicCrystal)被发现已将近20 年后的今天,在各领域的应用有著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。

  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。

  1、光子晶体特性与结构

  光子晶体随著波长不同,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。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。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。

  光子晶体所构成的波数矢量数和光的频率比例,频率的曲线不是那么单纯,曲线已经会变得非常复杂,这个曲线会随著光的多方向性,就是异向性而出现变化,而随著它的偏光性,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。

  2、光子晶体与有固态发光元件差异

  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著光的偏光角度,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。而另一个优点是折光性倍数可以达到以往1,000 倍。

  另外,也可以利用偏光性,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?积集度高,体积小,成本低。3、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。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。

  4、光子晶体蓝色LED

  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 萤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。这种光有3 个特色:体积小,省能源,寿命长,但是有一个很大的问题需要克服:比起萤光灯,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。

  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。

  针对这个问题,CREE 在制作过程中做了一些改善的动作,在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,我们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,所以我们是利用半导体的Planar 技术,这是一个很精密的技术,用来控制这个构造。

  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%,而前面提到我们利用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,ResonantCavity 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。

  5、光子晶体蓝色LED 运作原理

  现有的LED 结构,可以看到他的全反射,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。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。

  6、光子晶体的设计要点

  在光子晶体的设计上有一些重点,有一个指标是周期这一部分,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。

  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,这个计算方式在光子晶体上是普遍被运用的一个方式。非光子晶体的LED,是属于表面比较平坦的一种LED。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,可以让光不受反射影响,将光反射到外面。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,而发光效率最高是0.25 微米,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。

  所以,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。7、光子晶体LED制程

  制作的光子晶体LED 上透明电极的影响作的解释,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,我们就很放心的在光子晶体上覆上一层透明电极。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。

  根据我们的说法,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,另外还会做乾式(Dry)Etching,再形成一个透明电极和电极板。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。所以我们相信,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

  8、透过透明电极可达到大面积的发光

  我们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,我们也证实了一件事,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。

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