利用光子晶體制作出LED - 藍(lán)光LED光子晶體技術(shù)原理及制程詳解

　　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 會發(fā)出藍(lán)色的光，但是各個(gè)藍(lán)色的光會根據(jù)YAG 螢光粉部分會轉(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)部量子效率會降低。由于為了要讓光透過活性層，就會因?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有一些問題。

　　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(gè)設(shè)計(jì)，只是在LED 上面加上一個(gè)二次元的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)是可以用上原本既有的LED 上。

　　5、光子晶體藍(lán)色LED 運(yùn)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?yàn)楸砻鎸⒐馊糠瓷洌鄬Φ?，光子晶體藍(lán)色LED 所設(shè)計(jì)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 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(gè)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(gè)原理將發(fā)光效率提高。

　　6、光子晶體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　在光子晶體的設(shè)計(jì)上有一些重點(diǎn)，有一個(gè)指標(biāo)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?yàn)檫@樣的關(guān)系，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計(jì)上需要找到一個(gè)最適合的周期。

　　還有一個(gè)要點(diǎn)就是高度，高度跟衍射的效率有相當(dāng)緊密的相關(guān)聯(lián)性，實(shí)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(gè)重要指標(biāo)就是在開發(fā)光子晶體LED 時(shí)，需要計(jì)算出最適當(dāng)數(shù)值的G 值，所以在設(shè)計(jì)上就必須經(jīng)過相當(dāng)精的密計(jì)算來取得G 值。

　　而在設(shè)計(jì)中，如何去計(jì)算出LED 表面需要多少光，可以利用FDTD 計(jì)算方式來做一些運(yùn)算，這個(gè)計(jì)算方式在光子晶體上是普遍被運(yùn)用的一個(gè)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?yàn)楸砻嫒瓷涞簟?/p>

　　而光子晶體LED 的設(shè)計(jì)，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(gè)高度時(shí)，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(gè)區(qū)域是一個(gè)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(gè)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(jì)可以看出，即使這個(gè)周期很長，還是可以達(dá)到高效率，所以對于這種光子晶體設(shè)計(jì)，稱之為長周期光子晶體。

　　所以，設(shè)計(jì)的光子晶體LED周期是比較長的，此外，還有另外的一個(gè)特色，就是在光子晶體的表面鍍上一整面的薄膜，這個(gè)薄膜就是透明電極，透過這個(gè)薄膜設(shè)計(jì)，光可以從整個(gè)面都可以發(fā)光出去。