光子晶體(photonic crystal)被美國(guó)Science雜志評(píng)為21世紀(jì)十大熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。如同半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)一樣，光子晶體將會(huì)為未來(lái)光學(xué)界帶來(lái)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(lái)，光電科技在新材料成長(zhǎng)技術(shù)、新制程技術(shù)，高功能元件之設(shè)計(jì)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(jī)，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(lái)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(lái)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(lái)實(shí)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(diǎn)與擺脫日亞化學(xué)專利的期望寄托。

一、簡(jiǎn)介

在1987年，國(guó)籍相異且位于不同地點(diǎn)的兩位學(xué)者，Eli Yablonovitch與Sajeev John幾乎同一時(shí)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(shí)周邊技術(shù)發(fā)展不成熟，光子晶體一直沒(méi)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(lèi)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(zhǎng)，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(huì)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(zhǎng)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(dòng)態(tài)增益平衡器、高效率開(kāi)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(cè)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(duì)比(空氣和所用材料的對(duì)比)，那么二維或三維空間光柵所需要的尺寸將會(huì)大大地減小，這讓極度緊密的元件集成更容易實(shí)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(huì)更容易。

二、光子晶體的制作

1、光子晶體工藝基礎(chǔ)：雜質(zhì)態(tài)

雖然只有完美的光子晶體才可能擁有絕對(duì)能隙，但就應(yīng)用的角色來(lái)看，科學(xué)家們對(duì)不完美的光子晶體更感興趣，原因就在雜質(zhì)態(tài)(impurity state)的概念。除在光子晶體制造一瑕疵點(diǎn)外，也可以制造瑕疵線，使光僅能在此線上傳播，實(shí)現(xiàn)光學(xué)導(dǎo)波效果，這可能是光子晶體目前最重要應(yīng)用。

在二維或三維的光子晶體中加入或移去一些介電物質(zhì)，便可以產(chǎn)生雜質(zhì)或缺陷(defect)。因?yàn)樵诠怆娮釉校覀兇蠖夹枰ㄟ^(guò)光學(xué)波導(dǎo)將光束縛在一狹小區(qū)域，使之不散開(kāi)以便進(jìn)行調(diào)變。但一般傳統(tǒng)的光學(xué)波導(dǎo)是制造一個(gè)具有較高折射率的區(qū)域，利用其與較低折射率介質(zhì)間形成的全反射，而將光局限在高折射率介質(zhì)中，因此光的能量傳遞、色散效應(yīng)及可彎曲程度等皆受到諸多限制。相對(duì)于此全反射式波導(dǎo)，光在具有光子能隙的結(jié)構(gòu)中，光場(chǎng)以各種不同的入射角度進(jìn)入而無(wú)法傳遞出去，若在此能隙結(jié)構(gòu)中制造一通道，則光波將被強(qiáng)迫在此通道中前進(jìn)(其他任何方向均無(wú)法傳遞)。

有別于傳統(tǒng)之光學(xué)波導(dǎo)需受限于高折射率的介質(zhì)中傳播，這種波導(dǎo)可以在折射率低如空氣的環(huán)境下傳播，也可以在90°(甚至可達(dá)120°以上)大轉(zhuǎn)彎的光學(xué)波導(dǎo)中轉(zhuǎn)彎，而僅有非常少的能量損失。以傳統(tǒng)集成光學(xué)所制作之波導(dǎo)，其彎曲的角度通常不會(huì)大于1°，如此在波導(dǎo)中運(yùn)行的光才不致離開(kāi)波導(dǎo)，使光子能量局限于波導(dǎo)之中。由于其制作出的元件尺寸(數(shù)十到數(shù)千微米)，又遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)集成光學(xué)元件的大小，此種在光子能隙中新的導(dǎo)波行為有很多很重要的應(yīng)用，尤其在以光子晶體取代光纖作為光通訊通路上與集成光學(xué)元件上，更是具有非常大的商業(yè)價(jià)值。

與半導(dǎo)體的情況類(lèi)似，所謂光子系統(tǒng)的雜質(zhì)態(tài)也多半落在能隙內(nèi)，這使得原來(lái)為無(wú)法傳遞的能隙出現(xiàn)了一線生機(jī)。能隙給了人類(lèi)局限電磁波的能力，而雜質(zhì)所提供的一線生機(jī)則使我們有導(dǎo)引電磁波的可能，這點(diǎn)在光電上極具應(yīng)用價(jià)值。因此，在光子晶體相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，“雜質(zhì)態(tài)(結(jié)構(gòu))”的設(shè)計(jì)與制作是個(gè)重要的研究課題。

由于雜質(zhì)態(tài)可以通過(guò)改變雜質(zhì)的大小或其介電常數(shù)而加以調(diào)整，因此只要設(shè)計(jì)妥當(dāng)，我們便可按需求制造出具有特定能量或位于特定空間的雜質(zhì)態(tài)，與半導(dǎo)體藉由攙入雜質(zhì)來(lái)調(diào)整載子性質(zhì)非常相似，因此，光子晶體又經(jīng)常被比喻成未來(lái)光學(xué)界的“半導(dǎo)體”。

2、光子晶體的制作

已經(jīng)發(fā)展許久的薄膜科技便是光子晶體的基本技術(shù)，以兩種以上的薄膜交互成長(zhǎng)所構(gòu)成的多層膜稱為一維光子晶體。如果于平面的基材上挖洞，所形成的孔洞以類(lèi)似矩陣的周期形式排列，便可建構(gòu)二維光子晶體。若將二維的周期性結(jié)構(gòu)加以堆積，便成為三維光子晶體。

一維光子晶體(即為多層膜結(jié)構(gòu))用于傳統(tǒng)光學(xué)中已有數(shù)十年的歷史。二維與三維光子晶體，便是從納米制程技術(shù)成熟之后，才逐漸伴隨著光子晶體的理論一起發(fā)展起來(lái)。基本上，由于二維光子晶體的光局限效應(yīng)有限，光能量便不容易局限于光子晶體當(dāng)中，因此三維光子晶體便可能是未來(lái)元件實(shí)際制作的基本架構(gòu)。

目前三維光子晶體的建構(gòu)方法，一種是以電子束顯影法(e-beam photolithography)制作柵欄狀的結(jié)構(gòu)，再加以堆積形成網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)。其制作方法繁雜，堆積的對(duì)準(zhǔn)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，但此方法可精確設(shè)計(jì)晶格缺陷的大小與位置，元件制作的可重復(fù)性較高，但時(shí)間與成本均相當(dāng)可觀。另一種方式是以聚苯乙烯(Polystyrene)或SiO2所合成的小球加以堆積，此方法可堆積較厚的三維光子晶體結(jié)構(gòu)，制作速度與困難度也相對(duì)低了許多，但此方式仍無(wú)法依據(jù)設(shè)計(jì)將晶格缺陷制作于光子晶體當(dāng)中。此外，由于三維光子晶體比二維光子晶體多了一個(gè)空間自由度，三維光子晶體的研究仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

實(shí)際上，能使紅外光與可見(jiàn)光反射的光子晶體，其晶體之晶格大小約為波長(zhǎng)的1/3到1/2左右，相當(dāng)于200-500納米。要以人工的方式制作這樣周期大小的光子晶體，一種方式是使用比傳統(tǒng)微米級(jí)更優(yōu)良的光顯影技術(shù)(Photolithography)；另一種方式則是以成長(zhǎng)、沉積或化學(xué)合成的技術(shù)，建構(gòu)薄膜(Thin Film)或納米顆粒(Nanoparticles)。在光子晶體理論發(fā)展的同時(shí)，以人工的方式建構(gòu)能使紅外光與可見(jiàn)光反射的光子晶體，才能使光子晶體的研究得以蓬勃發(fā)展。

除了三維光子晶體外，人們對(duì)二維光子晶體的制作也有許多的研究。二維光子晶體有許多用途，制作比三維的要相對(duì)容易。在微波或厘米波波段，可以用介質(zhì)棒來(lái)構(gòu)成或用機(jī)械鉆孔的辦法；在紅外和光學(xué)波段用刻蝕等方法。最早制作的二維光子晶體是用機(jī)械或用介質(zhì)棒。目前，二維光子晶體的能隙已經(jīng)達(dá)到紅外和光學(xué)波段。制作二維光子晶體的實(shí)際例子是Bath大學(xué)的Philip Russell和Jonathan Knight以及他們的合作伙伴研制的特別不尋常的“多孔纖維”。這種纖維具有規(guī)則的氣孔晶格，并且可以無(wú)散射的長(zhǎng)度連續(xù)的傳播光波。

這是通過(guò)圍繞一個(gè)在中心的固體玻璃核包裹一系列的中空玻璃管來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由幾百個(gè)傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列，然后在2000度下把這個(gè)結(jié)構(gòu)加熱拉伸產(chǎn)生直徑只有幾微米的長(zhǎng)纖維而成。這種纖維就有了不通常的屬性，即使孔的直徑很大，它也能傳播單模光線。

三、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(lái)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(shí)現(xiàn)商品化是比較困難。相對(duì)來(lái)說(shuō)，利用光子晶體的結(jié)構(gòu)制作成LED比較簡(jiǎn)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(huì)有人認(rèn)為是不是利用特定的周期或波長(zhǎng)來(lái)運(yùn)用？其實(shí)答案是不對(duì)的，因?yàn)镈FB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(duì)來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)來(lái)加強(qiáng)效率，這個(gè)特性對(duì)于LED來(lái)說(shuō)是非常重要的。

1、光子晶體藍(lán)色LED

藍(lán)色LED會(huì)發(fā)出藍(lán)色的光，但是各個(gè)藍(lán)色的光會(huì)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(gè)特色：體積小、省能源、壽命長(zhǎng)，但是有一個(gè)很大的問(wèn)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(wèn)題，可以將光子晶體放在藍(lán)光LED里，利用光子晶體來(lái)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(zhǎng)，要讓發(fā)光效率提升，有幾個(gè)很重要的技術(shù)。

其中，CREE在藍(lán)光LED制作過(guò)程中做了一些改善動(dòng)作，其未成型晶片的活性層旁邊是一個(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(duì)提高效率的問(wèn)題，日本松下電器設(shè)計(jì)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(gè)很精密的技術(shù)，用來(lái)控制這個(gè)構(gòu)造。

滲透(Penetration)技術(shù)是利用二維的活性層讓光穿過(guò)，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(wèn)題需要克服，那就是內(nèi)部量子效率會(huì)降低。由于為了要讓光透過(guò)活性層，就會(huì)因?yàn)檫_(dá)到透過(guò)活性層這個(gè)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(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(kāi)發(fā)出來(lái)的表面光柵(Surface Grating)設(shè)計(jì)方式雖然不錯(cuò)，但是在電流的注入上會(huì)有一些問(wèn)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(huì)比較容易，不過(guò)，共振腔技術(shù)本身也會(huì)有問(wèn)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(shuō)成本就會(huì)提高，對(duì)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(gè)設(shè)計(jì)，只是在LED上面加上一個(gè)二維的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)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?yàn)楸砻鎸⒐馊糠瓷�。相�?duì)的，光子晶體藍(lán)色LED所設(shè)計(jì)出來(lái)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(guò)去LED的光會(huì)全部反射的問(wèn)題。

從LED的活性層發(fā)射出來(lái)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(gè)范圍的4%，所以相對(duì)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。

日本松下電器所設(shè)計(jì)的光子晶體LED周期是比較長(zhǎng)的，此外，還有另外的一個(gè)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(gè)薄膜就是透明電極，透過(guò)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。

四、日本松下電器光子晶體LED制程

日本松下電器是第一個(gè)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(guò)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(dú)特設(shè)計(jì)使得長(zhǎng)周期構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣的長(zhǎng)周期構(gòu)造讓GaN的光子晶體的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)。另外，經(jīng)過(guò)實(shí)際的制作后，日本松下電器也證實(shí)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(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。

日本松下電器是利用藍(lán)寶石作為基板，再經(jīng)過(guò)MOCVD、EB和RIE ETCHING等制程，制作出來(lái)二維的光子晶體LED。根據(jù)日本松下電器的說(shuō)法，目前暫時(shí)是利用EB的方式，但以后在正式量產(chǎn)或商品化時(shí)，就會(huì)用另一個(gè)成本更低的做法，另外還會(huì)做干式(Dry Etching)，再形成一個(gè)透明電極和電極板。

就理論來(lái)說(shuō)，在計(jì)算后的結(jié)果應(yīng)該是高出3倍的，但是在這次實(shí)驗(yàn)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(guò)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(gè)流程，發(fā)光效率應(yīng)該就會(huì)像計(jì)算的數(shù)值一樣達(dá)到3倍。此外，另外一個(gè)可能是在制程中出現(xiàn)一小瑕疵，那就是在晶片中有一個(gè)小裂縫，而這個(gè)裂縫的出現(xiàn)，也會(huì)影響到整個(gè)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(jí)光電材料結(jié)構(gòu)-- 光子晶體，楊志忠，國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)光電所
4、光通訊波長(zhǎng)二維光子晶體雷射發(fā)展簡(jiǎn)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
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11、http://web.mit.edu/cmse/www/IRG-I.nzug02.html
12、21世紀(jì)熱點(diǎn)技術(shù)之一：光子晶體，《無(wú)線電技術(shù)》，2007年6月