光子晶体二极管(photonic crystal diode) - 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。

三、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