光学半导体：光子晶体(photonic crystal) - 半导体器件（技术聚焦）－全球企业门户

在1987年，国籍相异且位于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)材料的周期性变化可以制作成光子能带物质——光子晶体(Photonic Crystal)。但是由于当时周边技术发展不成熟，光子晶体一直没有受到太多的注意，直到最近几年才引起大家的关注。

基本上，光子晶体是在二维或三维空间中，让材料折射率(或介电常数)产生周期性变化的结构，这种结构模仿原子在固态晶体中的排列。类似电子于固态晶体中的能带结构，在光子晶体中就产生光子的能带结构。因此，在光子晶体中电磁波的传播特性，包括振幅、相位、偏极化方向和波长，都可以经由控制发光频谱、群速色散、偏极特性、相位匹配等光子晶体的特性而得以大幅度调变。特别是，如果在周期性的排列中故意安排一些瑕疵，将会在光子晶体的能隙范围内产生一些狭窄的光子穿透频道，进而衍生很多可以应用在元件上的新奇现象。

光子晶体可应用于许多光电元件，包括微小化低电流的半导体镭射、可调式半导体镭射、可调放射波长且高效率的发光二极管、高效率光放大器、低耗损的弯曲波导、微腔振荡器、可调式窄波通光栅、加减滤波器、多工器和分工器、动态增益平衡器、高效率开关、调幅器、小型化耦和器、光回旋器、光路由器、高敏感性的感测器、超宽频光源产生器、短脉冲产生设施等等。

另外，如果能善用最大折射率的对比(空气和所用材料的对比)，那么二维或三维空间光栅所需要的尺寸将会大大地减小，这让极度紧密的元件集成更容易实现。既然这种人造晶格的结构参数大小可以任意控制，各种光学元件密集整合将会更容易。

二、光子晶体的制作

1、光子晶体工艺基础：杂质态

虽然只有完美的光子晶体才可能拥有绝对能隙，但就应用的角色来看，科学家们对不完美的光子晶体更感兴趣，原因就在杂质态(impurity state)的概念。除在光子晶体制造一瑕疵点外，也可以制造瑕疵线，使光仅能在此线上传播，实现光学导波效果，这可能是光子晶体目前最重要应用。

在二维或三维的光子晶体中加入或移去一些介电物质，便可以产生杂质或缺陷(defect)。因为在光电子元件中，我们大都需要通过光学波导将光束缚在一狭小区域，使之不散开以便进行调变。但一般传统的光学波导是制造一个具有较高折射率的区域，利用其与较低折射率介质间形成的全反射，而将光局限在高折射率介质中，因此光的能量传递、色散效应及可弯曲程度等皆受到诸多限制。相对于此全反射式波导，光在具有光子能隙的结构中，光场以各种不同的入射角度进入而无法传递出去，若在此能隙结构中制造一通道，则光波将被强迫在此通道中前进(其他任何方向均无法传递)。

有别于传统之光学波导需受限于高折射率的介质中传播，这种波导可以在折射率低如空气的环境下传播，也可以在90°(甚至可达120°以上)大转弯的光学波导中转弯，而仅有非常少的能量损失。以传统集成光学所制作之波导，其弯曲的角度通常不会大于1°，如此在波导中运行的光才不致离开波导，使光子能量局限于波导之中。由于其制作出的元件尺寸(数十到数千微米)，又远小于传统集成光学元件的大小，此种在光子能隙中新的导波行为有很多很重要的应用，尤其在以光子晶体取代光纤作为光通讯通路上与集成光学元件上，更是具有非常大的商业价值。

与半导体的情况类似，所谓光子系统的杂质态也多半落在能隙内，这使得原来为无法传递的能隙出现了一线生机。能隙给了人类局限电磁波的能力，而杂质所提供的一线生机则使我们有导引电磁波的可能，这点在光电上极具应用价值。因此，在光子晶体相关领域内，“杂质态(结构)”的设计与制作是个重要的研究课题。

由于杂质态可以通过改变杂质的大小或其介电常数而加以调整，因此只要设计妥当，我们便可按需求制造出具有特定能量或位于特定空间的杂质态，与半导体藉由搀入杂质来调整载子性质非常相似，因此，光子晶体又经常被比喻成未来光学界的“半导体”。

2、光子晶体的制作

已经发展许久的薄膜科技便是光子晶体的基本技术，以两种以上的薄膜交互成长所构成的多层膜称为一维光子晶体。如果于平面的基材上挖洞，所形成的孔洞以类似矩阵的周期形式排列，便可建构二维光子晶体。若将二维的周期性结构加以堆积，便成为三维光子晶体。

一维光子晶体(即为多层膜结构)用于传统光学中已有数十年的历史。二维与三维光子晶体，便是从纳米制程技术成熟之后，才逐渐伴随着光子晶体的理论一起发展起来。基本上，由于二维光子晶体的光局限效应有限，光能量便不容易局限于光子晶体当中，因此三维光子晶体便可能是未来元件实际制作的基本架构。

目前三维光子晶体的建构方法，一种是以电子束显影法(e-beam photolithography)制作栅栏状的结构，再加以堆积形成网格状的结构。其制作方法繁杂，堆积的对准也是一个挑战，但此方法可精确设计晶格缺陷的大小与位置，元件制作的可重复性较高，但时间与成本均相当可观。另一种方式是以聚苯乙烯(Polystyrene)或SiO2所合成的小球加以堆积，此方法可堆积较厚的三维光子晶体结构，制作速度与困难度也相对低了许多，但此方式仍无法依据设计将晶格缺陷制作于光子晶体当中。此外，由于三维光子晶体比二维光子晶体多了一个空间自由度，三维光子晶体的研究仍有相当大的发展空间。

实际上，能使红外光与可见光反射的光子晶体，其晶体之晶格大小约为波长的1/3到1/2左右，相当于200-500纳米。要以人工的方式制作这样周期大小的光子晶体，一种方式是使用比传统微米级更优良的光显影技术(Photolithography)；另一种方式则是以成长、沉积或化学合成的技术，建构薄膜(Thin Film)或纳米颗粒(Nanoparticles)。在光子晶体理论发展的同时，以人工的方式建构能使红外光与可见光反射的光子晶体，才能使光子晶体的研究得以蓬勃发展。

除了三维光子晶体外，人们对二维光子晶体的制作也有许多的研究。二维光子晶体有许多用途，制作比三维的要相对容易。在微波或厘米波波段，可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法；在红外和光学波段用刻蚀等方法。最早制作的二维光子晶体是用机械或用介质棒。目前，二维光子晶体的能隙已经达到红外和光学波段。制作二维光子晶体的实际例子是Bath大学的Philip Russell和Jonathan Knight以及他们的合作伙伴研制的特别不寻常的“多孔纤维”。这种纤维具有规则的气孔晶格，并且可以无散射的长度连续的传播光波。

这是通过围绕一个在中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的。由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下把这个结构加热拉伸产生直径只有几微米的长纤维而成。这种纤维就有了不通常的属性，即使孔的直径很大，它也能传播单模光线。

三、光子晶体二极管

光子晶体二极管大致上可以分为两种：一种是LED，一种是镭射二极管(Laser Diode)。LD镭射二极管可分为光子晶体分布反馈镭射二极管(Distributed Feedback Laser Diode，DFB LD)与Photonic crystal defect LD。光子晶体DFB镭射二极管的镭射值可以控制在非常低的区域来做发射，因此必须存在光能隙区域，所以这样的结构要实现商品化是比较困难。相对来说，利用光子晶体的结构制作成LED比较简单。

有关光子晶体常常被混淆的部分是，人们通常以为是利用DFB镭射，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，因为DFB镭射和光子晶体LD的入射(Incident)和衍射(Diffracted)的光是受限制的。相对来说，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。

1、光子晶体蓝色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。

其中，CREE在蓝光LED制作过程中做了一些改善动作，其未成型晶片的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维的表面，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平面(Planar)技术，这是一个很精密的技术，用来控制这个构造。

渗透(Penetration)技术是利用二维的活性层让光穿过，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。

共振腔(Resonant Cavity)技术是在光子晶体LED上面载入共振器，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LED效率提高60%，而前面提到日本松下电器利用平面(Planar)技术所开发出来的表面光栅(Surface Grating)设计方式虽然不错，但是在电流的注入上会有一些问题。

与表面光栅方法相较下，虽然共振腔技术在电流的注入上会比较容易，不过，共振腔技术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；而渗透与共振腔这两个设计，只是在LED上面加上一个二维的设计，该设计就可以应用在现有的LED工艺上。

2、光子晶体蓝色LED原理

现有的LED临界角度是比较小的，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°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。

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。

四、日本松下电器光子晶体LED制程

日本松下电器是第一个将光子晶体应用导入蓝色LED领域，而且很成功。发光效率达到1.5倍。因此经过不断研究，固体白光照明的商品化应该是指日可待的。

另外，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。

日本松下电器是利用蓝宝石作为基板，再经过MOCVD、EB和RIE ETCHING等制程，制作出来二维的光子晶体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。

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，那就是在晶片中有一个小裂缝，而这个裂缝的出现，也会影响到整个LED的发光效能。

参考资料：

1、浅谈光子晶体发光二极管，械工业杂志245期，P117
2、Photonic Crystal Blue LEDs，哲田贤儿，日本松下电器
3、新世纪奈米级光电材料结构-- 光子晶体，杨志忠，国立台湾大学光电所
4、光通讯波长二维光子晶体雷射发展简介，卢赞文、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世纪热点技术之一：光子晶体，《无线电技术》，2007年6月