為回避日亞化學(xué)的藍(lán)光LED 加螢光粉制技術(shù)專利,，各業(yè)者紛紛投入其它能達(dá)到散發(fā)出白光的LED 技術(shù)，目前最被期待的技術(shù)是利用UV LED 來達(dá)到白光的目的,，但是,，UV LED 仍舊有著光外漏及低亮度兩個不易克服的困難。使得除了繼續(xù)努力來解決相關(guān)的問題外,，不得不再去尋求其它的材料或技術(shù)來達(dá)到散發(fā)出白光的LED 技術(shù),。

　　在1987 年,，國籍相異且分居不同地點的兩位學(xué)者,，Eli Yablonovitch 與Sajeev John 幾乎同一時間在理論上發(fā)現(xiàn)，電磁波在周期性介電質(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)）材料做周期性變化來達(dá)成光子能帶的物質(zhì),。所以光子晶體" title="光子晶體">光子晶體（PhotonicCrystal）被發(fā)現(xiàn)已將近20 年后的今天，在各領(lǐng)域的應(yīng)用有著相當(dāng)令人激賞的表現(xiàn),，一直是備受研發(fā)者所關(guān)心的一項技術(shù),。

　　目前利用二次元光子晶體來達(dá)到完成白光LED" title="白光LED">白光LED 的技術(shù)，已陸續(xù)出現(xiàn)突破性的發(fā)展,，使得未來Photonic Crystal LED 已成為眾所矚目的焦點與擺脫日亞化學(xué)專利的期望寄托,。

　　1、光子晶體特性與結(jié)構(gòu)

　　光子晶體隨著波長不同,，會出現(xiàn)于周期性的結(jié)構(gòu),，可以分別發(fā)展出一次元、二次元及三次元的光子晶體,。而在這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中,，最出名的應(yīng)該是屬于三次元的光子晶體結(jié)構(gòu)，但是,，三次元的光子晶體在制造上及商品化,，就今天的技術(shù)而言是非常困難的。原因是目前主要研究的領(lǐng)域還是保留在二次元的光子晶體,，所以,，今天在LED 領(lǐng)域各業(yè)者相競開發(fā)的光子晶體LED，也是二次元的光子晶體,。

　　一般的材料構(gòu)造是屬于固定構(gòu)造,，所以材料本身會具有的一定的折射率。波數(shù)（Wave Number）與頻率對于一般材料折射率的影響,，橫軸是物質(zhì)的波數(shù)（Wave Number）,、縱軸是頻率、斜線就代表折射率,。折射率是非常等比例的成長,，也就是代表說不管什么樣的波數(shù),、什么樣的波長，它的折射率都是一定的,。那么光子晶體是什么樣的結(jié)構(gòu),，再從另外一個角度來說明。光子晶體的特性就是周期構(gòu)造,，也因此會產(chǎn)生多重反射,。

　　光子晶體所構(gòu)成的波數(shù)矢量數(shù)和光的頻率比例，頻率的曲線不是那么單純,，曲線已經(jīng)會變得非常復(fù)雜,，這個曲線會隨著光的多方向性，就是異向性而出現(xiàn)變化,，而隨著它的偏光性,，就可以運用來設(shè)計出不同的產(chǎn)品。光子晶體它有一個很出名的特性,，相信大家都知道,，就是它有一個光能隙。在光能隙這個區(qū)域里面,，光線是不存在的,。這邊的曲線也跟圖一A 是的斜率意義是一樣的，是折射率的相反,。只要在這一點,，斜率等于零。所以在這一點以外,，光的速度就不會產(chǎn)生零這個現(xiàn)象,。所以也可以說，光子晶體也可以控制光的速度,。

　　就簡單來說,，運用光子晶體的目的濃縮成一句話，就是要利用周期構(gòu)造,，以人工的方式來控制這個光學(xué)特性,。

　　為回避日亞化學(xué)的藍(lán)光LED 加螢光粉制技術(shù)專利，各業(yè)者紛紛投入其它能達(dá)到散發(fā)出白光的LED 技術(shù),，目前最被期待的技術(shù)是利用UV LED 來達(dá)到白光的目的,，但是，UV LED 仍舊有著光外漏及低亮度兩個不易克服的困難,。使得除了繼續(xù)努力來解決相關(guān)的問題外,，不得不再去尋求其它的材料或技術(shù)來達(dá)到散發(fā)出白光的LED 技術(shù)。

　　在1987 年,，國籍相異且分居不同地點的兩位學(xué)者,，Eli Yablonovitch 與Sajeev John 幾乎同一時間在理論上發(fā)現(xiàn),，電磁波在周期性介電質(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)）材料做周期性變化來達(dá)成光子能帶的物質(zhì),。所以光子晶體（PhotonicCrystal）被發(fā)現(xiàn)已將近20 年后的今天,，在各領(lǐng)域的應(yīng)用有著相當(dāng)令人激賞的表現(xiàn)，一直是備受研發(fā)者所關(guān)心的一項技術(shù),。

　　目前利用二次元光子晶體來達(dá)到完成白光LED 的技術(shù),，已陸續(xù)出現(xiàn)突破性的發(fā)展，使得未來Photonic Crystal LED 已成為眾所矚目的焦點與擺脫日亞化學(xué)專利的期望寄托,。

　　1,、光子晶體特性與結(jié)構(gòu)

　　光子晶體隨著波長不同，會出現(xiàn)于周期性的結(jié)構(gòu),，可以分別發(fā)展出一次元,、二次元及三次元的光子晶體。而在這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中,，最出名的應(yīng)該是屬于三次元的光子晶體結(jié)構(gòu)，但是,，三次元的光子晶體在制造上及商品化,，就今天的技術(shù)而言是非常困難的。原因是目前主要研究的領(lǐng)域還是保留在二次元的光子晶體,，所以,，今天在LED 領(lǐng)域各業(yè)者相競開發(fā)的光子晶體LED，也是二次元的光子晶體,。

　　一般的材料構(gòu)造是屬于固定構(gòu)造,，所以材料本身會具有的一定的折射率。波數(shù)（Wave Number）與頻率對于一般材料折射率的影響,，橫軸是物質(zhì)的波數(shù)（Wave Number）,、縱軸是頻率、斜線就代表折射率,。折射率是非常等比例的成長,，也就是代表說不管什么樣的波數(shù)、什么樣的波長,，它的折射率都是一定的,。那么光子晶體是什么樣的結(jié)構(gòu)，再從另外一個角度來說明,。光子晶體的特性就是周期構(gòu)造,，也因此會產(chǎn)生多重反射。

　　光子晶體所構(gòu)成的波數(shù)矢量數(shù)和光的頻率比例,，頻率的曲線不是那么單純,，曲線已經(jīng)會變得非常復(fù)雜,，這個曲線會隨著光的多方向性，就是異向性而出現(xiàn)變化,，而隨著它的偏光性,，就可以運用來設(shè)計出不同的產(chǎn)品。光子晶體它有一個很出名的特性,，相信大家都知道,，就是它有一個光能隙。在光能隙這個區(qū)域里面,，光線是不存在的,。這邊的曲線也跟圖一A 是的斜率意義是一樣的，是折射率的相反,。只要在這一點,，斜率等于零。所以在這一點以外,，光的速度就不會產(chǎn)生零這個現(xiàn)象,。所以也可以說，光子晶體也可以控制光的速度,。

　　就簡單來說,，運用光子晶體的目的濃縮成一句話，就是要利用周期構(gòu)造,，以人工的方式來控制這個光學(xué)特性,。

　　2、光子晶體與有固態(tài)發(fā)光元件差異

　　光子晶體有3 個光學(xué)特性,，可以利用人工的方式來加以控制而達(dá)到不同的目的,。第一個特性是，如果利用光能隙的話,，就可以遮蔽光通過,。利用這個特性可以把光鎖在一個相當(dāng)狹小的區(qū)域里面。目前產(chǎn)業(yè)界中,，就有利用這個特性把光聚集在一個區(qū)域里面,，制作成一個集成電路。

　　另外一個特性是,，就是光子晶體有異向性,，光子晶體的光會朝向很多方向散射，原因是光子晶體可以隨著光的偏光角度,，出現(xiàn)透光與不透光（某個角度它可以透過,，但是有些角度是沒辦法透過）。

　　第三個特性就是，光子晶體的曲線非常復(fù)雜,、變化多端,。因為光子晶體的曲線變化非常快,，非常不規(guī)則,，所以只要波長稍有變化，那就可以看到進入光子晶體的光,，它的角度就會偏離得非常大,。在優(yōu)點方面，光子晶體的面積要比傳統(tǒng)集成電路縮小了千分之一,，所以,，相對的，電路的積集度就比過去增加了1,000 倍,。而另一個優(yōu)點是折光性倍數(shù)可以達(dá)到以往1,000 倍,。

　　另外，也可以利用偏光性,，改變光的性質(zhì),，可以將以往正方形的偏光濃縮成以往體積的千分之一。簡單來說,，光子晶體它有什么樣的好處與特性,？積集度高，體積小,，成本低。

　　3,、利用光子晶體制作出LED

　　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,，也因為是如此,，所以這樣結(jié)構(gòu)要實現(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用？其實答案是不對的,。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效率,，這個特性對于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,，為了解決這個問題,，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,，但是存在的問題點就是發(fā)光效率比較差，因為是傳統(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,。

　　針對這個問題,，CREE 在制作過程中做了一些改善的動作，在Deformed Chip 中可看到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，我們設(shè)計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),，這是一個很精密的技術(shù),，用來控制這個構(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。Resonant Cavity 是在光子晶體LED 上面加載共振器,，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)計方式雖然不錯,，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 個設(shè)計，只是在LED 上面加上一個二次元的設(shè)計,，這樣的設(shè)計是可以用上原本既有的LED 上,。

　　5、光子晶體藍(lán)色LED 運作原理

　　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,。

　　6,、光子晶體的設(shè)計要點

　　在光子晶體的設(shè)計上有一些重點，有一個指標(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,，因為這樣的關(guān)系,，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計上需要找到一個最適合的周期,。

　　還有一個要點就是高度,，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),，所以這兩個重要指標(biāo)就是在開發(fā)光子晶體LED 時，需要計算出最適當(dāng)數(shù)值的G 值,，所以在設(shè)計上就必須經(jīng)過相當(dāng)精的密計算來取得G 值,。

　　而在設(shè)計中，如何去計算出LED 表面需要多少光,，可以利用FDTD 計算方式來做一些運算,，這個計算方式在光子晶體上是普遍被運用的一個方式,。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，會因為表面全反射掉,。

　　而光子晶體LED 的設(shè)計,，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,，到某一個高度時，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,，在這個區(qū)域是一個非常長的周期,，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)計可以看出,，即使這個周期很長，還是可以達(dá)到高效率,，所以對于這種光子晶體設(shè)計,，稱之為長周期光子晶體。

　　所以,，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,。

　　7、光子晶體LED制程

　　制作的光子晶體LED 上透明電極的影響作的解釋,，可以看到，無論有沒有涂上透明電極,，對發(fā)光效率并沒有很大影響,。根據(jù)這個結(jié)果,，我們就很放心的在光子晶體上覆上一層透明電極。利用藍(lán)寶石作為基板,，再經(jīng)過MOCVD,、EB 和RIE ETCHING 等等制程，制作出來二次元的光子晶體LED,。

　　根據(jù)我們的說法,，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,，另外還會做乾式（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,。所以我們相信,，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，那就是在芯片中有一個小裂縫,，而這個裂縫的出現(xiàn),，也會影響到整個LED 的發(fā)光效能

　　8、透過透明電極可達(dá)到大面積的發(fā)光

　　我們是第一個將光子晶體運用導(dǎo)入藍(lán)色LED,，而且很成功,。發(fā)光效率達(dá)到1.5 倍。相信業(yè)界透過這樣不斷的研究,，顯示出固體白光照明的商品化應(yīng)該是指日可待的,。這個技術(shù)絕對可以運用并量產(chǎn)。另外一點,，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,，我們也證實了一件事，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),。