光子晶體提升LED之發光效率 最近一系列的報告表示，在LED中採用光子晶體後，LED可以從市場狹小的背光應用突破到大規模的高亮度LED應用。 Unilite宣布，將在高亮度照明產品中採用其子公司Luxaltek開發的光子晶體技術。 Lumileds開發了薄層（700 nm）光子晶體LED，其提取率達73%。 Luminus Devices較早的採用了光子晶體，並在二月與Nichia Chemical Industries簽署了交*授權協議Cree Research宣布，去年年底獲得了107 lm/W的光子晶體LED，成為該器件新的性能標誌。 Luxaltek收購了Mesophotonics的知識產權，並於去年向瑞典的Obducat訂購了價值一千三百萬美元的壓印設備。 在LED領域，十年前就已經有關於光子晶體的研究，可以改進LED的光提取和束斑形狀。 LED中的半導體是一塊具有高折射係數的平板材料，可以作為非常高效的波導，將波導中激發的光束縛在其中。為了從LED波導中提取光，研究人員進行了很多努力，其中包括將表面粗糙化以及增加反射層。 典型的波導光子晶體可以捕獲從波導中射出的光。 一個替代的方案是採用光子晶體。採用光子晶體的典型應用是作為波導的輸出偶極。其想法是如果波導具有尺寸合適的亞波長通孔陣列，那麼沒有光可以通過該波導，所有的光都只能通過垂直於波導屏幕的方向射出。用光子晶體的"語言"來講，在波導中存在一個"光帶隙"。 不幸的是，在LED中，產生光子的量子阱無法帶有通孔，並且這樣的通孔也會與到達量子阱的電子的通道產生干涉。結果是產業界這些公司無法利用"典型"的光子晶體。來自麻省理工學院（MIT）、Cree、Luminus Devices、Lumileds、Mesophotonics、Nanonex和其他大學的研究小組已經發布了關於如何在實際LED器件中採用光子晶體的論文。更薄LED的趨勢使得LED中的光子晶體可以作為經典光子晶體的一個近似，並且更具吸引力。 Luminus Devices Inc.是第一個銷售帶有光子晶體LED的公司，其目標是投影顯示器市場。 恰逢其時？ LED在效率上已經做得不錯了，下一個目標是降低成本。如果像交通信號燈那樣，有較高的維護成本，則LED現在就具有成本優勢。當前的最大障礙是熱沉。儘管LED採用的功率較低，但仍需比傳統光源的工作溫度低很多，因此LED器件必須採用熱沉體材。 如果光子晶體可以通過更高的提取效率，或者指向功能--對成本的增加微乎其微--降低功耗，那麼最終將會使LED實現大規模普及。一片LED晶圓的價值為數百美元，那麼價值數十美元的光刻工藝則可以接受，而通過壓印光刻可以輕鬆實現這一目標。光子晶體的影響是否是削弱LED效率提升的最大因素，問題的抉擇掌握在LED設計人員手中。一旦確認，那些大的LED公司將在這一方面投入大量的金錢和人力。 誰將受益？ 考慮到光子晶體LED的專利掌握在幾家主要公司手中，第一個答案很可能是捲入這些法律紛爭的律師們。其次，專利持有人和代理人將得到好處。 Nichia、Unilite、Cree和Lumileds是LED市場上的中流砥柱，如果在通用高亮度LED市場的上高端產品中採用光子晶體，則它們無疑將會是最大的贏家。 其他贏家還包括在LED上實現壓印光子晶體技術的整個供應鏈。這些技術包括光刻和刻蝕。按照當今的標準，光刻的要求並不苛刻--一般是λ/4或200 nm。其挑戰是晶圓並不平整，會有數微米尺寸的表面突起，並且晶圓不很清潔。幾十微米的翹曲是襯底材料熱膨脹係數不一致的結果，比如碳化矽或藍寶石與外延生長的半導體材料，如氮化鎵，其生長溫度高於900°C。這兩層材料實際上像雙層金屬片一樣，會形成類似薯片的翹曲結構。熱應力也阻礙了使用更大尺寸的晶圓。表面突起是外延生長的副產品，如果襯底和半導體材料的晶格不能完全匹配，就會產生突起。最後，LED還需要50 µm的接觸焊盤，而焊盤的製作通常是在潔淨度較差的fab中完成的。 大部分對光子晶體的研究都是通過電子束光刻和早期手動壓印系統完成的。很多小組的研究，特別在手動壓印工具上，已經採用了Transfer Devices Inc.（TDI，加州Santa Clara）生產的可溶性掩膜，該公司也還開發了分子轉移光刻技術。 Obducat已經接到了來自Luxaltek的第一批對自動生產系統的訂單，這也是來自LED製造商最大的一筆多套壓印設備訂單。 |
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