光子晶體(photonic crystal)被美國Science雜志評為21世紀(jì)十大熱點研究領(lǐng)域之一。如同半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了計算機(jī)一樣，光子晶體將會為未來光學(xué)界帶來革命性的變化。利用光子晶體可以制作許多新型光電元件，可以大幅縮小元件體積，可以進(jìn)行更加密集的集成。

最近十年來，光電科技在新材料成長技術(shù)、新制程技術(shù)，高功能元件之設(shè)計與制作，以及成熟穩(wěn)定系統(tǒng)的完成等方面都有驚人的成績，其中最矚目的當(dāng)屬光子晶體(photonic crystal)。由于光子晶體的雜質(zhì)態(tài)制造與半導(dǎo)體行業(yè)的摻雜工藝性質(zhì)非常相似，因此，光子晶體又經(jīng)常被比喻成未來的光學(xué)“半導(dǎo)體”。

在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，為回避日亞化學(xué)的藍(lán)光LED加螢光粉制程技術(shù)專利，各業(yè)者紛紛投入巨大力量尋求新型材料或技術(shù)來達(dá)到散發(fā)出白光的LED技術(shù)。其中，利用二維光子晶體來實現(xiàn)白光LED的技術(shù)已出現(xiàn)突破性發(fā)展，使得光子晶體LED成為眾所矚目的焦點與擺脫日亞化學(xué)專利的期望寄托。

一、概述

在1987年，國籍相異且位于不同地點的兩位學(xué)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))材料的周期性變化可以制作成光子能帶物質(zhì)——光子晶體(Photonic Crystal)。但是由于當(dāng)時周邊技術(shù)發(fā)展不成熟，光子晶體一直沒有受到太多的注意，直到最近幾年才引起大家的關(guān)注。

基本上，光子晶體是在二維或三維空間中，讓材料折射率(或介電常數(shù))產(chǎn)生周期性變化的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)模仿原子在固態(tài)晶體中的排列。類似電子于固態(tài)晶體中的能帶結(jié)構(gòu)，在光子晶體中就產(chǎn)生光子的能帶結(jié)構(gòu)。因此，在光子晶體中電磁波的傳播特性，包括振幅、相位、偏極化方向和波長，都可以經(jīng)由控制發(fā)光頻譜、群速色散、偏極特性、相位匹配等光子晶體的特性而得以大幅度調(diào)變。特別是，如果在周期性的排列中故意安排一些瑕疵，將會在光子晶體的能隙范圍內(nèi)產(chǎn)生一些狹窄的光子穿透頻道，進(jìn)而衍生很多可以應(yīng)用在元件上的新奇現(xiàn)象。

光子晶體可應(yīng)用于許多光電元件，包括微小化低電流的半導(dǎo)體鐳射、可調(diào)式半導(dǎo)體鐳射、可調(diào)放射波長且高效率的發(fā)光二極管、高效率光放大器、低耗損的彎曲波導(dǎo)、微腔振蕩器、可調(diào)式窄波通光柵、加減濾波器、多工器和分工器、動態(tài)增益平衡器、高效率開關(guān)、調(diào)幅器、小型化耦和器、光回旋器、光路由器、高敏感性的感測器、超寬頻光源產(chǎn)生器、短脈沖產(chǎn)生設(shè)施等等。

另外，如果能善用最大折射率的對比(空氣和所用材料的對比)，那么二維或三維空間光柵所需要的尺寸將會大大地減小，這讓極度緊密的元件集成更容易實現(xiàn)。既然這種人造晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)大小可以任意控制，各種光學(xué)元件密集整合將會更容易。

二、光子晶體二極管

光子晶體二極管大致上可以分為兩種：一種是LED，一種是鐳射二極管(Laser Diode)。LD鐳射二極管可分為光子晶體分布反饋鐳射二極管(Distributed Feedback Laser Diode，DFB LD)與Photonic crystal defect LD。光子晶體DFB鐳射二極管的鐳射值可以控制在非常低的區(qū)域來做發(fā)射，因此必須存在光能隙區(qū)域，所以這樣的結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)商品化是比較困難。相對來說，利用光子晶體的結(jié)構(gòu)制作成LED比較簡單。

有關(guān)光子晶體常常被混淆的部分是，人們通常以為是利用DFB鐳射，所以就會有人認(rèn)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，因為DFB鐳射和光子晶體LD的入射(Incident)和衍射(Diffracted)的光是受限制的。相對來說，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。

1、光子晶體藍(lán)色LED

藍(lán)色LED會發(fā)出藍(lán)色的光，但是各個藍(lán)色的光會根據(jù)YAG螢光粉部分轉(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，有幾個很重要的技術(shù)。

其中，CREE在藍(lán)光LED制作過程中做了一些改善動作，其未成型晶片的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，日本松下電器設(shè)計出了二維的表面，利用這樣子的結(jié)構(gòu)，可以讓表面的發(fā)光效率提高，所以日本松下電器是利用半導(dǎo)體平面(Planar)技術(shù)，這是一個很精密的技術(shù)，用來控制這個構(gòu)造。

滲透(Penetration)技術(shù)是利用二維的活性層讓光穿過，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(dá)到透過活性層這個目的而降低內(nèi)部量子效率。

共振腔(Resonant Cavity)技術(shù)是在光子晶體LED上面載入共振器，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LED效率提高60%，而前面提到日本松下電器利用平面(Planar)技術(shù)所開發(fā)出來的表面光柵(Surface Grating)設(shè)計方式雖然不錯，但是在電流的注入上會有一些問題。

與表面光柵方法相較下，雖然共振腔技術(shù)在電流的注入上會比較容易，不過，共振腔技術(shù)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；而滲透與共振腔這兩個設(shè)計，只是在LED上面加上一個二維的設(shè)計，該設(shè)計就可以應(yīng)用在現(xiàn)有的LED工藝上。

2、光子晶體藍(lán)色LED原理

現(xiàn)有的LED臨界角度是比較小的，主要是因為表面將光全部反射。相對的，光子晶體藍(lán)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(jìn)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°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。

日本松下電器所設(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，就是日本松下電器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。

三、日本松下電器光子晶體LED制程

日本松下電器是第一個將光子晶體應(yīng)用導(dǎo)入藍(lán)色LED領(lǐng)域，而且很成功。發(fā)光效率達(dá)到1.5倍。因此經(jīng)過不斷研究，固體白光照明的商品化應(yīng)該是指日可待的。

另外，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(yīng)用更容易實現(xiàn)。另外，經(jīng)過實際的制作后，日本松下電器也證實了一件事，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)。

日本松下電器是利用藍(lán)寶石作為基板，再經(jīng)過MOCVD、EB和RIE ETCHING等制程，制作出來二維的光子晶體LED。根據(jù)日本松下電器的說法，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，另外還會做干式(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(yīng)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(dāng)?shù)臄?shù)值。所以日本松下電器相信，只要改變這個流程，發(fā)光效率應(yīng)該就會像計算的數(shù)值一樣達(dá)到3倍。此外，另外一個可能是在制程中出現(xiàn)一小瑕疵，那就是在晶片中有一個小裂縫，而這個裂縫的出現(xiàn)，也會影響到整個LED的發(fā)光效能。
 

參考資料：

1、淺談光子晶體發(fā)光二極管，械工業(yè)雜志245期，P117
2、Photonic Crystal Blue LEDs，哲田賢兒，日本松下電器
3、新世紀(jì)奈米級光電材料結(jié)構(gòu)-- 光子晶體，楊志忠，國立臺灣大學(xué)光電所
4、光通訊波長二維光子晶體雷射發(fā)展簡介，盧贊文、李柏
5、Photonic crystals improve LED efficiency，Daniel L. Barton and Arthur J. Fischer
6、Seeing the Future in Photonic Crystals，Jennifer Ouellette，The Industrial Physicist，JANUARY 2002
7、http://www.neci.nj.nec.com/homepages/vlasov/photonic.html
8、http://jdj.mit.edu/photons/index.html
9、http://www.lostseaopals.com.au/opals/index.asp
10、http://nano.nchc.gov.tw/
11、http://web.mit.edu/cmse/www/IRG-I.nzug02.html
12、21世紀(jì)熱點技術(shù)之一：光子晶體，《無線電技術(shù)》，2007年6月