蓝光Photonic Crystal LED技能获得大打破
在1987年，国籍相异且分家不同地址的两位学者，Eli Yablonovitch与Sajeev John简直同一时间在理论上发现，电磁波在周期性介电质中的传达状况具有频带结构，运用两种以上不同折射率（或介电常数）资料做周期性改动来到达光子能带的物质。所以光子晶体（Photonic Crystal）被发现已将近20年后的今日，在各范畴的运用有着恰当令人激赏的体现，一直是备受研制者所关怀的一项技能。
为逃避日亚化学的蓝光LED加荧光粉制技能专利，各业者纷繁投入其它能到达散宣布白光的LED技能，现在最被等待的技能是运用UV LED来到达白光的意图，可是，UV LED依旧有着光外漏及低亮度两个不易战胜的困难。使得除了持续尽力来处理相关的问题外，不得不再去寻求其它的资料或技能来到达散宣布白光的LED技能。
现在运用二次元光子晶体来到达完结白光LED的技能，已连续呈现打破性的开展，使得未来Photonic Crystal LED已成为众所瞩意图焦点与脱节日亚化学专利的期望寄予。
■光子晶体特性与结构
光子晶体跟着波长不同，会呈现于周期性的结构，可以别离开展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这些结构傍边，最知名的应该是归于三次元的光子晶体结构，可是，三次元的光子晶体在制造上及产品化，就今日的技能而言是十分困难的。原因是现在首要研讨的范畴仍是保留在二次元的光子晶体，所以，今日在LED范畴各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。
一般的资料结构是归于固定结构，所以资料自身会具有的必定的折射率。图一A是阐明波数（Wave Number）与频率关于一般资料折射率的影响，横轴是物质的波数（Wave Number）、纵轴是频率、斜线就代表折射率。从（图一）中可以发现折射率是十分等份额的生长，也便是代表说不论什么样的波数、什么样的波长，它的折射率都是必定的。
那么光子晶体是什么样的结构，再从别的一个视点来阐明。光子晶体的特性便是周期结构，也因此会发生多重反射。图一B表明晰光子晶体所构成的波数向量数和光的频率份额，可以发现频率的曲线不像图一A是那么单纯，曲线已经会变得十分复杂，这个曲线会跟着光的多方向性，便是异向性而呈现改动，而跟着它的偏旋光性，就可以运用来规划出不同的产品。光子晶体它有一个很知名的特性，信任咱们都知道，便是它有一个光能隙。
在光能隙这个区域里边，光线是不存在的。这边的曲线也跟图一A是的斜率含义是相同的，是折射率的相反。只需在这一点，斜率等于零。所以在这一点以外，光的速度就不会发生零这个现象。所以也可以说，光子晶体也可以操控光的速度。就简略来说，运用光子晶体的意图浓缩成一句话，便是要运用周期结构，以人工的方法来操控这个光学特性。
▲图一：光子晶体特性与一般资料比较。
■光子晶体与有固态发光组件差异
光子晶体有3个光学特性，可以运用人工的方法来加以操控而到达不同的意图。
第一个特性是，假如运用光能隙的话，就可以遮盖光通过。运用这个特性可以把光锁在一个恰当狭小的区域里边。现在产业界中，就有运用这个特性把光集合在一个区域里边，制造成一个集成电路。
别的一个特性是，便是光子晶体有异向性，光子晶体的光会朝向许多方向散射，原因是光子晶体可以跟着光的偏光视点，呈现透光与不透光（某个视点它可以透过，可是有些视点是没办法透过）。
第三个特性便是，光子晶体的曲线十分复杂、改动多端。由于光子晶体的曲线改动十分快，十分不规则，所以只需波长稍有改动，那就可以看到进入光子晶体的光，它的视点就会违背得十分大。
在长处方面，光子晶体的面积要比传统集成电路缩小了千分之一，所以，相对的，电路的积集度就比曩昔添加了1,000倍。而另一个长处是折旋光性倍数可以到达以往1,000倍。别的，也可以运用偏旋光性，改动光的性质，可以将以往正方形的偏光浓缩成以往体积的千分之一。
简略来说，光子晶体它有什么样的优点与特性？
一、积集度高，二、体积小，三、本钱低。
■运用光子晶体制造出LED
除此之外，光子晶体还有其它的特性。运用它的特性，可以制造出光子晶体LED。（图二）是运用光子晶体制造出的二极管。
▲图二：运用光子晶体制造出的LED与LD。
大致上可以分为2种，一种是LED，一种是雷射二极管（Laser Diode）。LD雷射二极管部分咱们可以分为光子晶体 DFB雷射二极管（Photonic crystal DFB LD）与Photonic crystal defect LD。光子晶体DFB雷射二极管是咱们比较了解的结构，其雷射值可以操控在十分低的区域来做发射，这姿态的结构，是有必要存在光能隙的区域，也由于是如此，所以这样结构要完成产品化是比较困难。相对的运用光子晶体的结构制造成LED是比较简略。
有关光子晶体常常被混杂的部分是，以为是运用DFB雷射，所以就会有人以为是不是运用特定的周期或波长来运用？其实答案是不对的。理由是DFB雷射跟光子晶体LD，它的入射（Incident）和衍射（Diffracted）的光是受约束的。可是相对光子晶体的入射光视点和衍射光视点是不受约束的。所以并不是运用特定的周期或波长来加强功率，这个特性关于LED来说是十分重要的（图三）。
▲图三：光子晶体与LD入射光和衍射光视点差异。
■光子晶体蓝色LED
（图四）阐明晰运用蓝色LED来制造的白光LED，蓝色LED会宣布蓝色的光，可是各个蓝色的光会依据YAG荧光粉部分会转换成黄光，运用蓝色和黄色的光，可以让LED发生出白光，白光LED被运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（图五）。这种光有3个特征：一、体积小，二、省动力，三、寿命长，可是有一个很大的问题需求战胜：比起荧光灯，这样的白光LED发光功率比较差，为了处理这个问题，便可以运用光子晶体来处理这样的问题。
▲图四：一般白光LED（蓝光LED＋荧光粉）发光原理。
▲图五：固态照明功率演进。
为了战胜，蓝光LED发光功率比较低的问题，可以将光子晶体放在蓝光LED里，运用光子晶体来进步发光功率，这样生产出的蓝光光子晶体LED的特征是周期长，要让发光功率进步，有几个很重要的技能。
传统的LED制造十分简略，可是存在的问题点便是发光功率比较差，由于是传统的蓝光LED外表的全反射，从活性层出来的光线，会被外表全反射掉。这样的光就没有办法发射到LED外面。
■日本松下电器运用二次元集积外表处理功率欠安
针对这个问题，CREE在制造过程中做了一些改进的动作，在（图六）的Deformed Chip中可看到活性层周围是一个斜面，运用这样斜面的结构，可以让发光功率进步，同样是针对进步功率的问题，日本松下电器规划出了二次元的集积外表，运用这姿态的结构，可以让外表的发光功率进步，所以日本松下电器是运用半导体的Planar技能，这是一个很精细的技能，用来操控这个结构。
▲图六：处理光子晶体功率欠安方法。
（图七）是导入光子晶体的LED的不同规划形式，除了日本松下电器所开展的Planar技能结构外，现在在技能上别的还有2种规划。
▲图七：功率欠安处理方法于显微镜下结构。
PenetraTIon是运用二次元的活性层让光穿过，这样的结构可以使发光功率高达80％，可是也有一个问题需求战胜，那便是内部量子功率会下降。由于为了要让光透过活性层，就会由于到达透过活性层这个意图而下降内部量子功率。
Resonant Cavity 是在光子晶体LED上面加载共振器，这个规划称为共振器LED，在LED的周边，咱们装备上光子晶体，运用这个规划，可以把他LED功率进步60％，而前面说到日本松下电器运用Planar技能所开宣布来的Surface GraTIng的规划方法尽管不错，可是在电流的注入上会有一些问题。
与Surface GraTIng相较下，尽管Resonant Cavity在电流的注入上会比较简略，不过，Resonant Cavity 自身也会有问题存在，那便是共振器LED在制造上比较困难，制造困难就代表说本钱就会进步，关于LED咱们都期望可以以低本钱量产，这就造成了开展瓶颈，PenetraTIon与Resonant Cavity这2个规划，只是在LED上面加上一个二次元的规划，这样的规划是可以用上本来既有的LED上。
■光子晶体蓝色LED运作原理
（图八）左面是现有的LED结构，可以看到他的全反射，现有的LED临界度是比较小的，首要是由于外表将光悉数反射，相对的，光子晶体蓝色LED所规划出来的LED，由于衍射的联系，可以修正光的视点，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，改进曩昔LED的光会悉数反射的问题。
▲图八：光子晶体与一般LED反射临界角。
从LED的活性层发射出来的光，咱们可以360度放射出去，但以往的LED只能受限于临界角，只能在临界角规模内发光，在临界角内的光才干发射出去，咱们知道临界角规模内的面积只占整个规模的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，便是运用这个原理将发光功率进步。
■光子晶体的规划关键
在光子晶体的规划上有一些关键，有一个指针是周期这一部分，周期和衍射的间隔有关，假如周期越小，衍射的间隔就越大，纵使通过修正后仍是没有办法将光发射到外面去。相对的假如周期变大，衍射的间隔越小，由于这样的联系，光就可以移到外面去了，所以在规划上需求找到一个最适合的周期。
还有一个关键便是高度，高度跟衍射的功率有恰当严密的相关联性，实践上并不是一切的光都会遭到衍射的影响，遭到衍射影响的光都会跟衍射率发生相关联，所以这两个重要目标便是在开发光子晶体LED时，需求核算出最恰当数值的G值，所以在规划上就有必要通过恰当精的密核算来获得G值（图九）。
▲图九：G值将影响衍射率与相光功率。
而在规划中，怎么去核算出LED外表需求多少光，可以运用FDTD核算方法来做一些运算（图十），这个核算方法在光子晶体上是遍及被运用的一个方法，详细的核算方法，图十A中浅蓝色内核算方法，而右面所示是核算出来的数值。
▲图十：G值核算成果与发光组件相互联系。
非光子晶体的LED，是归于外表比较平整的一种LED。图十B左下方是LED的内部，图十B右上方是LED的外部，可以发现到，非光子晶体的LED发生光后，跟空气触摸的光源那部分，会由于外表全反射掉。而光子晶体LED的规划，从图十C中的成果发现，可以让光不受反射影响，将光反射到外面。
（图十一）是日本松下电器针对光子晶体LED规划出来的功率成果，X轴是周期，Y轴是高度，Z轴是实践的发光功率，发光功率1.0是指外表是平面的LED宣布的功率数值。从这个图形可以看出，周期越长，功率会添加，但到了一个高度后会下降。
▲图十一：运用周期与高度核算出最佳发光点。
而高度的部分也是成曲线散布，到某一个高度时，功率是最高的，可以看见发光功率最高的周期是在1.5微米的当地（红线部分），而发光功率最高是0.25微米（红线部分），由此可见，在这个区域是一个十分长的周期，十分短的高度，这就显现说光子晶体的制造十分简略，只需找出最适合的周期1.5微米，比发光波长还要长的一个周期，可是常说现有的LED至少要战胜这样的条件，可是从这儿的规划可以看出，即便这个周期很长，仍是可以到达高功率，所以关于这种光子晶体规划，称之为长周期光子晶体。
图十一是将长周期光子晶体作进一步剖析，可以看出来假如规划和活性层外表越短的话，发光的功率就会越高，最适合的周期会越长，所以长周期的光子晶体，除了发光功率外，整个散乱也会影响。
所以，日本松下电器所规划的光子晶体LED周期是比较长的，此外，还有别的的一个特征，便是日本松下电器在光子晶体的外表镀上一整面的薄膜，这个薄膜便是通明电极，透过这个薄膜规划，光可以从整个面都可以发光出去。
■日本松下电器光子晶体LED制程
（图十二）是日本松下电器对光子晶体LED上通明电极的影响作的解说，蓝色线是没有通明电极的状况，赤色是显现有通明电极的状况，可以看到，不管有没有涂上通明电极，对发光功率并没有很大影响。依据这个成果，日本松下电器就很定心的在光子晶体上覆上一层通明电极。
▲图十二：通明电极对发光功率影响。
日本松下电器是运用蓝宝石作为基板，再通过MOCVD、EB和RIE ETCHING等等制程，制造出来二次元的光子晶体LED。依据日本松下电器的说法，现在暂时是运用EB的方法，但今后在正式量产或产品化时，就会用另一个本钱更低的做法，别的还会做干式（Dry）Etching，再构成一个通明电极和电极板。
（图十三）显现的是日本松下电器的光子晶体蓝光LED在电子显微镜下的结构，左面是在电子显微镜下看到的外表状况，在右上方的N电极和左下方的P电极的中心构成光子晶体。右边是光子晶体蓝光LED在电子显微镜下的断面图，看起来像布丁状况的结构，散布在二次元的空间上，可以看到这个通明电极它很均匀的散布在光子晶体上。
▲图十三：电子显微镜下光子晶体蓝光LED的结构。
（图十四）是光子晶体在运作状况下的显微镜相片，可以看到光子晶体是全面在发光的。从这个成果可以断言说，日本松下电器所掩盖这一层通明电极，的确有到达所等待的作用。
▲图十四：电子显微镜下光子晶体的运作状况。
（图十五）所显现的是日本松下电器所做的光子晶体的输出和电流的特性点评。为了比较，除了光子晶体外，日本松下电器一起也量测了别的一个一般的LED，从成果可以看出，光子晶体LED与一般LED的光输出运作和电流作用是不同的。蓝色是一般的LED，赤色是光子晶体LED，光子晶体LED的功率比一般的LED高出50％。
▲图十五：光子晶体的发光功率和电流的特性点评。
就理论来说，在核算后的成果应该是高出3倍的，可是在这次试验后，得出的成果却只有高出50％。剖析原因有可能是在光子晶体构成的制造过程中，所运用的数值并不是最恰当的数值。所以日本松下电器信任，只需改动这个流程，发光功率应该就会像核算的数值相同到达3倍。此外，别的一个可能是在制程中呈现一小瑕疵，那便是在芯片中有一个小裂缝，而这个裂缝的呈现，也会影响到整个LED的发光效能。
■透过通明电极可到达大面积的发光
日本松下电器是第一个将光子晶体运用导入蓝色LED，并且很成功。发光功率到达1.5倍。信任业界透过这样不断的研讨，显现出固体白光照明的产品化应该是指日可下的。这个技能肯定可以运用并量产。
别的一点，光子晶体的共同规划使得长周期结构可以完成。由于这样的长周期结构让GaN的光子晶体的运用更简略完成。别的，通过实践的制造后，日本松下电器也证明了一件事，在光子晶体的外表都覆上了一整面的通明电极，这样一个共同规划，使得大面积的发光可以详细完成。
