光子晶體(photonic crystal)被美國Science雜志評為21世紀十大熱點研究領域之一。如同半導體的發現產生了計算機一樣，光子晶體將會為未來光學界帶來革命性的變化。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，可以進行更加密集的集成。

最近十年來，光電科技在新材料成長技術、新制程技術，高功能元件之設計與制作，以及成熟穩定系統的完成等方面都有驚人的成績，其中最矚目的當屬光子晶體(photonic crystal)。由于光子晶體的雜質態制造與半導體行業的摻雜工藝性質非常相似，因此，光子晶體又經常被比喻成未來的光學“半導體”。

在半導體照明領域，為回避日亞化學的藍光LED加螢光粉制程技術專利，各業者紛紛投入巨大力量尋求新型材料或技術來達到散發出白光的LED技術。其中，利用二維光子晶體來實現白光LED的技術已出現突破性發展，使得光子晶體LED成為眾所矚目的焦點與擺脫日亞化學專利的期望寄托。

一、概述

在1987年，國籍相異且位于不同地點的兩位學者，Eli Yablonovitch與Sajeev John幾乎同一時間在理論上發現，電磁波在周期性介質中的傳播狀態具有頻帶結構，利用兩種以上不同折射率(或介電常數)材料的周期性變化可以制作成光子能帶物質——光子晶體(Photonic Crystal)。但是由于當時周邊技術發展不成熟，光子晶體一直沒有受到太多的注意，直到最近幾年才引起大家的關注。

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)產生周期性變化的結構，這種結構模仿原子在固態晶體中的排列。類似電子于固態晶體中的能帶結構，在光子晶體中就產生光子的能帶結構。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，都可以經由控制發光頻譜、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變。特別是，如果在周期性的排列中故意安排一些瑕疵，將會在光子晶體的能隙范圍內產生一些狹窄的光子穿透頻道，進而衍生很多可以應用在元件上的新奇現象。

光子晶體可應用于許多光電元件，包括微小化低電流的半導體鐳射、可調式半導體鐳射、可調放射波長且高效率的發光二極管、高效率光放大器、低耗損的彎曲波導、微腔振蕩器、可調式窄波通光柵、加減濾波器、多工器和分工器、動態增益平衡器、高效率開關、調幅器、小型化耦和器、光回旋器、光路由器、高敏感性的感測器、超寬頻光源產生器、短脈沖產生設施等等。

另外，如果能善用最大折射率的對比(空氣和所用材料的對比)，那么二維或三維空間光柵所需要的尺寸將會大大地減小，這讓極度緊密的元件集成更容易實現。既然這種人造晶格的結構參數大小可以任意控制，各種光學元件密集整合將會更容易。

二、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域來做發射，因此必須存在光能隙區域，所以這樣的結構要實現商品化是比較困難。相對來說，利用光子晶體的結構制作成LED比較簡單。

有關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，所以就會有人認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，因為DFB鐳射和光子晶體LD的入射(Incident)和衍射(Diffracted)的光是受限制的。相對來說，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。

1、光子晶體藍色LED

藍色LED會發出藍色的光，但是各個藍色的光會根據YAG螢光粉部分轉換成黃光，利用藍色和黃色的光，可以讓LED產生出白光，白光LED被應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發光效率比較差。

為了克服藍光LED發光效率比較低的問題，可以將光子晶體放在藍光LED里，利用光子晶體來提高發光效率，這樣生產出的藍光光子晶體LED的特色是周期長，要讓發光效率提升，有幾個很重要的技術。

其中，CREE在藍光LED制作過程中做了一些改善動作，其未成型晶片的活性層旁邊是一個斜面，利用這樣斜面的結構可以讓發光效率提高。同樣是針對提高效率的問題，日本松下電器設計出了二維的表面，利用這樣子的結構，可以讓表面的發光效率提高，所以日本松下電器是利用半導體平面(Planar)技術，這是一個很精密的技術，用來控制這個構造。

滲透(Penetration)技術是利用二維的活性層讓光穿過，這樣的結構可以使發光效率高達80%，但是也有一個問題需要克服，那就是內部量子效率會降低。由于為了要讓光透過活性層，就會因為達到透過活性層這個目的而降低內部量子效率。

共振腔(Resonant Cavity)技術是在光子晶體LED上面載入共振器，這個設計稱為共振器LED，在LED的周邊，我們配置上光子晶體，利用這個設計，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)技術所開發出來的表面光柵(Surface Grating)設計方式雖然不錯，但是在電流的注入上會有一些問題。

與表面光柵方法相較下，雖然共振腔技術在電流的注入上會比較容易，不過，共振腔技術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，這就造成了發展瓶頸；而滲透與共振腔這兩個設計，只是在LED上面加上一個二維的設計，該設計就可以應用在現有的LED工藝上。

2、光子晶體藍色LED原理

現有的LED臨界角度是比較小的，主要是因為表面將光全部反射。相對的，光子晶體藍色LED所設計出來的LED，由于衍射的關系，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的活性層發射出來的光，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發光，在臨界角內的光才能發射出去，我們知道臨界角范圍內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光效率提高。

日本松下電器所設計的光子晶體LED周期是比較長的，此外，還有另外的一個特色，就是日本松下電器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，透過這個薄膜設計，光可以從整個面都可以發光出去。

三、日本松下電器光子晶體LED制程

日本松下電器是第一個將光子晶體應用導入藍色LED領域，而且很成功。發光效率達到1.5倍。因此經過不斷研究，固體白光照明的商品化應該是指日可待的。

另外，光子晶體的獨特設計使得長周期構造可以實現。因為這樣的長周期構造讓GaN的光子晶體的應用更容易實現。另外，經過實際的制作后，日本松下電器也證實了一件事，在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨特設計，使得大面積的發光能夠具體實現。

日本松下電器是利用藍寶石作為基板，再經過MOCVD、EB和RIE ETCHING等制程，制作出來二維的光子晶體LED。根據日本松下電器的說法，目前暫時是利用EB的方式，但以后在正式量產或商品化時，就會用另一個成本更低的做法，另外還會做干式(Dry Etching)，再形成一個透明電極和電極板。

就理論來說，在計算后的結果應該是高出3倍的，但是在這次實驗后，得出的結果卻只有高出50%。分析原因有可能是在光子晶體形成的制造過程中，所使用的數值并不是最適當的數值。所以日本松下電器相信，只要改變這個流程，發光效率應該就會像計算的數值一樣達到3倍。此外，另外一個可能是在制程中出現一小瑕疵，那就是在晶片中有一個小裂縫，而這個裂縫的出現，也會影響到整個LED的發光效能。
 

參考資料：

1、淺談光子晶體發光二極管，械工業雜志245期，P117
2、Photonic Crystal Blue LEDs，哲田賢兒，日本松下電器
3、新世紀奈米級光電材料結構-- 光子晶體，楊志忠，國立臺灣大學光電所
4、光通訊波長二維光子晶體雷射發展簡介，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
10、http://nano.nchc.gov.tw/
11、http://web.mit.edu/cmse/www/IRG-I.nzug02.html
12、21世紀熱點技術之一：光子晶體，《無線電技術》，2007年6月