LED的應(yīng)用面很廣，然而晶片本身價格過高和發(fā)光效率有待提升的問題，始終是應(yīng)用面遲遲無法有效打開的最重要因素。 發(fā)光效率要提升，就要有效增加取出效率，其中，「表面粗化」技術(shù)，已經(jīng)廣泛受到業(yè)者使用。發(fā)光效率要提升，就要有效增加取出效率，其中，「表面粗化」技術(shù)，已經(jīng)廣泛受到業(yè)者使用。
其他不同的方式也能夠提升亮度到不同的程度；以現(xiàn)階段業(yè)界的技術(shù)來說，若配合現(xiàn)在在學(xué)術(shù)界相當(dāng)熱門的光子晶體週期特性，事實上可以達到更佳的發(fā)光效率；這樣的研究在中央大學(xué)光電系有所進展，並且也技轉(zhuǎn)給業(yè)界。其他不同的方式也能夠提升亮度到不同的程度；以現(xiàn)階段業(yè)界的技術(shù)來說，若配合現(xiàn)在在學(xué)術(shù)界相當(dāng)熱門的光子晶體周期特性，事實上可以達到更佳的發(fā)光效率；這樣的研究在中央大學(xué)光電系有所進展，并且也技轉(zhuǎn)給業(yè)界。
由於中央大學(xué)在LED的研究較為領(lǐng)先，因此，本期「CTO技術(shù)觀」專訪對光子晶體特別有研究的陳啟昌副教授，以他和博士後研究員詹佳樺對材料的共同研究，發(fā)表了合成奈米級小球大面積鋪排技術(shù)，若應(yīng)用於LED晶片，發(fā)光效率因而可以提升48％。由于中央大學(xué)在LED的研究較為領(lǐng)先，因此，本期「CTO技術(shù)觀」專訪對光子晶體特別有研究的陳啟昌副教授，以他和博士后研究員詹佳樺對材料的共同研究，發(fā)表了合成奈米級小球大面積鋪排技術(shù)，若應(yīng)用于LED晶片，發(fā)光效率因而可以提升48％。
LED表面處理技術(shù)LED表面處理技術(shù)
在介紹陳啟昌老師的合成奈米級小球技術(shù)之前，我們先來簡單描述一下表面處理技術(shù)。在介紹陳啟昌老師的合成奈米級小球技術(shù)之前，我們先來簡單描述一下表面處理技術(shù)。
LED若不加任何技術(shù)，只經(jīng)由原本P-N Junction電子電洞結(jié)合的方式形成光子取出來，大約只有15％能夠轉(zhuǎn)換成光，其他則會因為折射、反射而留在半導(dǎo)體內(nèi)部，被材料吸收，成為熱能損失。LED若不加任何技術(shù)，只經(jīng)由原本P-NJunction電子電洞結(jié)合的方式形成光子取出來，大約只有15％能夠轉(zhuǎn)換成光，其他則會因為折射、反射而留在半導(dǎo)體內(nèi)部，被材料吸收，成為熱能損失。
因此LED業(yè)者便需要發(fā)展許多技術(shù)，減少反射、設(shè)計有效折射或增加光耦合，儘量讓光的取出效率增加，其中表面光子晶體化是一個相當(dāng)成功的方式，使用該方式可以減少內(nèi)部反射及向外散射的光。因此LED業(yè)者便需要發(fā)展許多技術(shù)，減少反射、設(shè)計有效折射或增加光耦合，盡量讓光的取出效率增加，其中表面光子晶體化是一個相當(dāng)成功的方式，使用該方式可以減少內(nèi)部反射及向外散射的光。
學(xué)術(shù)上，Shuji Nakamura和在加州大學(xué)聖塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）的同事，結(jié)合雷射剝離技術(shù)及光電蝕刻技術(shù)，在覆晶封裝的GaN LED表面，製造規(guī)律的凹凸形狀。學(xué)術(shù)上，ShujiNakamura和在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSantaBarbara）的同事，結(jié)合雷射剝離技術(shù)及光電蝕刻技術(shù)，在復(fù)晶封裝的GaNLED表面，制造規(guī)律的凹凸形狀。 與平滑表面的元件相比，這些LED在2分鐘蝕刻後的輸出功率增加了1.9倍，10分鐘蝕刻後則增加了2.3倍。與平滑表面的元件相比，這些LED在2分鐘蝕刻后的輸出功率增加了1.9倍，10分鐘蝕刻后則增加了2.3倍。
雖然表面粗化技術(shù)受到業(yè)界普遍使用，不過陳啟昌認(rèn)為，儘管有些業(yè)者宣稱應(yīng)用到光子晶體或奈米技術(shù)，然而事實上，一般的粗化其實只是任意的蝕刻，這種蝕刻並沒有利用到光子晶體的特性，若要做到週期性的奈米等級，常使用電子束微影法或奈米壓印，成本就非常貴；然而若真使用到光子晶體異常折射率的特性，LED的發(fā)光效率還可以提升得更高。雖然表面粗化技術(shù)受到業(yè)界普遍使用，不過陳啟昌認(rèn)為，盡管有些業(yè)者宣稱應(yīng)用到光子晶體或奈米技術(shù)，然而事實上，一般的粗化其實只是任意的蝕刻，這種蝕刻并沒有利用到光子晶體的特性，若要做到周期性的奈米等級，常使用電子束微影法或奈米壓印，成本就非常貴；然而若真使用到光子晶體異常折射率的特性，LED的發(fā)光效率還可以提升得更高。 他的發(fā)明就使用到週期性的特性。他的發(fā)明就使用到周期性的特性。
光子晶體具週期特性光子晶體具周期特性
光子晶體是在1987年，由Sajeev John教授和Eli Yablonovitch教授不約而同地發(fā)現(xiàn)，並定義出「光子晶體」（Photonic crystals）或「光子能隙」（Photonic band gap）。光子晶體是在1987年，由SajeevJohn教授和EliYablonovitch教授不約而同地發(fā)現(xiàn)，并定義出「光子晶體」（Photoniccrystals）或「光子能隙」（Photonicbandgap）。 光子晶體是指週期性的介電質(zhì)分佈結(jié)構(gòu)，在光子晶體中，某些頻率的電磁波可以往特定的方向傳播，而某些方向則不能傳播，形成光子能隙，通常光子能隙的波長為光子晶體週期的2∼3倍。光子晶體是指周期性的介電質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，在光子晶體中，某些頻率的電磁波可以往特定的方向傳播，而某些方向則不能傳播，形成光子能隙，通常光子能隙的波長為光子晶體周期的2∼3倍。
光子晶體現(xiàn)在經(jīng)常應(yīng)用於眼鏡上的多層膜與光通訊濾波器，未來可以應(yīng)用的範(fàn)圍相信更多。光子晶體現(xiàn)在經(jīng)常應(yīng)用于眼鏡上的多層膜與光通訊濾波器，未來可以應(yīng)用的范圍相信更多。 技術(shù)上，只要使用2種材料交錯成長在晶片上，形成週期性折射指數(shù)變化的結(jié)構(gòu)，在光學(xué)上就被稱為光子晶體。技術(shù)上，只要使用2種材料交錯成長在晶片上，形成周期性折射指數(shù)變化的結(jié)構(gòu)，在光學(xué)上就被稱為光子晶體。
圖說：上圖顯示使用2種不同的材料交錯長在晶片上，形成週期性折射指數(shù)變化的結(jié)構(gòu)，造成光子能隙，讓光過不去，即可以控制光進行的方向；這也就是光通訊領(lǐng)域常使用的波導(dǎo)（waveguide）。圖說：上圖顯示使用2種不同的材料交錯長在晶片上，形成周期性折射指數(shù)變化的結(jié)構(gòu)，造成光子能隙，讓光過不去，即可以控制光進行的方向；這也就是光通訊領(lǐng)域常使用的波導(dǎo)（waveguide）。 現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)1.31µm和1.55µm波長的波導(dǎo)耦合器。現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)1.31µm和1.55µm波長的波導(dǎo)耦合器。 （資料來源：中央大學(xué)光電系陳啟昌老師與電機系詹益仁老師）（資料來源：中央大學(xué)光電系陳啟昌老師與電機系詹益仁老師）
使用光子晶體技術(shù)，可藉由週期性的結(jié)構(gòu)把光速慢下來，甚至停止，換句話說，就可以抓住光。使用光子晶體技術(shù)，可藉由周期性的結(jié)構(gòu)把光速慢下來，甚至停止，換句話說，就可以抓住光。 現(xiàn)在訊號的傳遞通常是由電訊號轉(zhuǎn)為磁訊號而存下來，若換成光纖波導(dǎo)，利用晶格的缺陷讓光通過去，則光的訊號可以直接抓住，不需要轉(zhuǎn)成別的訊號，速度就會較現(xiàn)階段快得多�，F(xiàn)在訊號的傳遞通常是由電訊號轉(zhuǎn)為磁訊號而存下來，若換成光纖波導(dǎo)，利用晶格的缺陷讓光通過去，則光的訊號可以直接抓住，不需要轉(zhuǎn)成別的訊號，速度就會較現(xiàn)階段快得多。
長期來看，希望能夠在晶片上植入偵測器，可以知道光出來有多少，進一步連CPU都可以用光來計算。長期來看，希望能夠在晶片上植入偵測器，可以知道光出來有多少，進一步連CPU都可以用光來計算。 屆時雷射偵測器、邏輯閳都用光，計算速度會更快。屆時雷射偵測器、邏輯閳都用光，計算速度會更快。
奈米小球技術(shù)不需半導(dǎo)體製程 即可達到光子晶體化的效果奈米小球技術(shù)不需半導(dǎo)體制程 即可達到光子晶體化的效果
光子晶體應(yīng)用於投影機的多層膜和光通訊領(lǐng)域的濾波器較為成熟，事實上在LED也有其應(yīng)用意義。光子晶體應(yīng)用于投影機的多層膜和光通訊領(lǐng)域的濾波器較為成熟，事實上在LED也有其應(yīng)用意義。 近來有人在LED的表面週期性地挖洞，造成像毛玻璃一樣，但如此一來，會有全反射的問題，若再增加粗糙性，則又可能粗到光透不過去。近來有人在LED的表面周期性地挖洞，造成像毛玻璃一樣，但如此一來，會有全反射的問題，若再增加粗糙性，則又可能粗到光透不過去。 事實上，這樣的做法，並沒有使用到光子晶體的特性，例如光子能隙。事實上，這樣的做法，并沒有使用到光子晶體的特性，例如光子能隙。
陳啟昌和詹佳樺的做法是，用某種材料，合成奈米級小球，利用小球不同的大小，可以產(chǎn)生不同的光子能隙。陳啟昌和詹佳樺的做法是，用某種材料，合成奈米級小球，利用小球不同的大小，可以產(chǎn)生不同的光子能隙。
 這些小球的直徑落於50nm∼2 µm，材料則是氧化矽、二氧化鈦等聚合物，或PMMA壓克力、苯乙烯等，這些材料通常稱為人造蛋白石；當(dāng)然，若使用天然蛋白石也可以，只是價格高昂。這些小球的直徑落于50nm∼2µm，材料則是氧化矽、二氧化鈦等聚合物，或PMMA壓克力、苯乙烯等，這些材料通常稱為人造蛋白石；當(dāng)然，若使用天然蛋白石也可以，只是價格高昂。
技術(shù)上，專長為材料科學(xué)的詹佳樺，在不同材料的試驗中，偶然發(fā)現(xiàn)了使用某一種特定的材料，能夠大面積均勻單一層地鋪排在晶片上，而且可以大到4吋的晶片。技術(shù)上，專長為材料科學(xué)的詹佳樺，在不同材料的試驗中，偶然發(fā)現(xiàn)了使用某一種特定的材料，能夠大面積均勻單一層地鋪排在晶片上，而且可以大到4吋的晶片。
這樣的性質(zhì)相當(dāng)特殊，因為使用傳統(tǒng)方式，只能像牛奶一樣滴在晶片上，等到乾了之後，必然會有不均勻的現(xiàn)象；並且受到表面張力影響，無法單層大面積均勻排列。這樣的性質(zhì)相當(dāng)特殊，因為使用傳統(tǒng)方式，只能像牛奶一樣滴在晶片上，等到干了之后，必然會有不均勻的現(xiàn)象；并且受到表面張力影響，無法單層大面積均勻排列。
而能夠使用奈米小球技術(shù)大面積均勻單一層地鋪排，就只需要使用液體即能達到一般所謂的「光子晶體化」的效果，而不需要使用半導(dǎo)體製程做蝕刻，光經(jīng)過這個週期性結(jié)構(gòu)出來較原本多，以實驗數(shù)據(jù)來看，藍光LED的發(fā)光效率增加幅度可以達到48％。而能夠使用奈米小球技術(shù)大面積均勻單一層地鋪排，就只需要使用液體即能達到一般所謂的「光子晶體化」的效果，而不需要使用半導(dǎo)體制程做蝕刻，光經(jīng)過這個周期性結(jié)構(gòu)出來較原本多，以實驗數(shù)據(jù)來看，藍光LED的發(fā)光效率增加幅度可以達到48％。
事實上，上述各種材料都屬於塑膠，然而若使用金屬材料也可以，將金屬層放於LED表面，讓量子井發(fā)光層光子與週期性結(jié)構(gòu)耦合，便可導(dǎo)致量子井發(fā)光效率增加。事實上，上述各種材料都屬于塑膠，然而若使用金屬材料也可以，將金屬層放于LED表面，讓量子井發(fā)光層光子與周期性結(jié)構(gòu)耦合，便可導(dǎo)致量子井發(fā)光效率增加。 中央大學(xué)光電中心的李建階博士對此即有相當(dāng)研究成果。中央大學(xué)光電中心的李建階博士對此即有相當(dāng)研究成果。
好比若使用含銀的小球，則容易產(chǎn)生表面電漿，與量子井耦合之後，光出來的量就會增加一些。好比若使用含銀的小球，則容易產(chǎn)生表面電漿，與量子井耦合之后，光出來的量就會增加一些。
週期性材料的發(fā)現(xiàn)周期性材料的發(fā)現(xiàn)
使用週期性材料能夠利用到光子晶體的特性，讓LED的發(fā)光效率增加，但是要用什麼樣的材料，則需要對材料的掌握。使用周期性材料能夠利用到光子晶體的特性，讓LED的發(fā)光效率增加，但是要用什么樣的材料，則需要對材料的掌握。
上述可以大面積單層均勻鋪排的材料是怎麼發(fā)現(xiàn)的呢？上述可以大面積單層均勻鋪排的材料是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？ 詹佳樺針對各種不同的材料做實驗，看到使用該材料理論上不應(yīng)該有光，然而卻有光的產(chǎn)生，因而推測此材料具有週期性的特性。詹佳樺針對各種不同的材料做實驗，看到使用該材料理論上不應(yīng)該有光，然而卻有光的產(chǎn)生，因而推測此材料具有周期性的特性。
理論上來說，倘若週期性不佳，則不易達到單層鋪排的目的，但是此一材料卻能夠大面積均勻鋪排，實驗顯示它的週期特性非常好。理論上來說，倘若周期性不佳，則不易達到單層鋪排的目的，但是此一材料卻能夠大面積均勻鋪排，實驗顯示它的周期特性非常好。
圖說：（左）使用微米級小球所做出之單層排列結(jié)構(gòu)週期性良好，可以得到大尺寸的鋪排材料。圖說：（左）使用微米級小球所做出之單層排列結(jié)構(gòu)周期性良好，可以得到大尺寸的鋪排材料。 （右）利用週期性結(jié)構(gòu)所製造出反轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)已可應(yīng)用在藍寶石基板與氮化鎵材料上。（右）利用周期性結(jié)構(gòu)所制造出反轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)已可應(yīng)用在藍寶石基板與氮化鎵材料上。 （資料來源：中央大學(xué)光電系陳啟昌老師與詹佳樺博士）（資料來源：中央大學(xué)光電系陳啟昌老師與詹佳樺博士）
奈米小球在太陽電池的應(yīng)用奈米小球在太陽電池的應(yīng)用
奈米小球技術(shù)能夠增加出光效率，應(yīng)用領(lǐng)域不限於LED，像是光電轉(zhuǎn)換效率也力求增加的太陽能電池也是一個絕佳應(yīng)用；根據(jù)陳啟昌和詹佳樺的實驗，可以在可見光範(fàn)圍提升光的穿透率，讓太陽電池的光電效率增加75％。奈米小球技術(shù)能夠增加出光效率，應(yīng)用領(lǐng)域不限于LED，像是光電轉(zhuǎn)換效率也力求增加的太陽能電池也是一個絕佳應(yīng)用；根據(jù)陳啟昌和詹佳樺的實驗，可以在可見光范圍提升光的穿透率，讓太陽電池的光電效率增加75％。
圖說：使用光子晶體透鏡技術(shù)，就好像凸透鏡的聚焦效果，傳統(tǒng)上好幾厘米才能聚焦，經(jīng)過光子晶體週期性質(zhì)，可以短至40µm即達到相同效果。圖說：使用光子晶體透鏡技術(shù)，就好像凸透鏡的聚焦效果，傳統(tǒng)上好幾厘米才能聚焦，經(jīng)過光子晶體周期性質(zhì)，可以短至40µm即達到相同效果。 （資料來源：Fraunhofer IOF Annual Report 2005）（資料來源：FraunhoferIOFAnnualReport2005）
上圖顯示聚焦的距離大幅縮短，便使得太陽電池在吸收太陽能後很快就能夠進行光電轉(zhuǎn)換。上圖顯示聚焦的距離大幅縮短，便使得太陽電池在吸收太陽能后很快就能夠進行光電轉(zhuǎn)換。
以過去的技術(shù)來說，通常以抗反射層來達到現(xiàn)在奈米小球技術(shù)的效果，例如在太陽電池或眼鏡上鍍一層膜。以過去的技術(shù)來說，通常以抗反射層來達到現(xiàn)在奈米小球技術(shù)的效果，例如在太陽電池或眼鏡上鍍一層膜。 然而這些都需要使用半導(dǎo)體製程才能夠鋪上去，相對於使用液體來說，成本多出許多，這也是奈米小球技術(shù)的最大意義。然而這些都需要使用半導(dǎo)體制程才能夠鋪上去，相對于使用液體來說，成本多出許多，這也是奈米小球技術(shù)的最大意義。 目前技術(shù)已經(jīng)技轉(zhuǎn)給李洲。目前技術(shù)已經(jīng)技轉(zhuǎn)給李洲。
 陳啟昌小檔案
•生日：1969年<br />•學(xué)歷：淡江大學(xué)電子系、法國波爾多第一大學(xué)（Université Bordeaux I）電子博士課程學(xué)位（DEA）、法國法蘭西康德大學(xué)（Université de Franche-Comté）應(yīng)用工程博士學(xué)位。•生日：1969年<br/>•學(xué)歷：淡江大學(xué)電子系、法國波爾多第一大學(xué)（UniversitéBordeauxI）電子博士課程學(xué)位（DEA）、法國法蘭西康德大學(xué)（UniversitédeFranche-Comté）應(yīng)用工程博士學(xué)位。
•經(jīng)歷：畢業(yè)後在法蘭西康德大學(xué)光學(xué)實驗室繼續(xù)高速鈮酸鋰調(diào)制器的研究，1999年於中央大學(xué)物理系擔(dān)任博士後研究員，2002年於中央大學(xué)光電所任教至今。•經(jīng)歷：畢業(yè)后在法蘭西康德大學(xué)光學(xué)實驗室繼續(xù)高速鈮酸鋰調(diào)制器的研究，1999年于中央大學(xué)物理系擔(dān)任博士后研究員，2002年于中央大學(xué)光電所任教至今。 研究主題包括光子晶體，微光學(xué)與光通訊用被動波導(dǎo)元件。研究主題包括光子晶體，微光學(xué)與光通訊用被動波導(dǎo)元件。 著有光子晶體與逐夢法國二書。著有光子晶體與逐夢法國二書。 |
