高清蓝光Photonic Crystal LED技术性得到大提升

在1987年，国藉不同且两地分居不一样地方的俩位专家学者，Eli Yablonovitch与Sajeev John基本上同一时间在理论上发觉，无线电波在规律性介电质中的散播情况具备频段构造，运用2种之上不一样折光率（或相对介电常数）原材料做规律性改变来达到光量子可带的化学物质。因此 光子晶体（Photonic Crystal）被发觉已接近20年之后的今日，在各方面的使用拥有非常让人钦羡的主要表现，一直是深受产品研发者所在意的一项技术性。

　为逃避日亚有机化学的高清蓝光LED加夜光粉制技术性专利权，各商家陆续资金投入其他能做到释放出白光灯的LED技术性，现阶段最被希望的新技术是运用UV LED来做到亮光的目地，可是，UV LED依然拥有光外露及低色度2个难于解决的艰难。促使除开再接再厉来处理相应的情况外，迫不得已再去寻找其他的原料或技术性来做到释放出白光灯的LED技术性。

　现阶段运用二次元光子晶体来做到进行白光LED的技术性，已相继发生开创性的发展趋势，促使将来Photonic Crystal LED已变成 众所瞩目的聚焦与解决日亚有机化学专利权的希望寄予。

■光子晶体特点与构造

　光子晶体伴随着光波长不一样，会发生于规律性的构造，能够各自发展趋势出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这种构造之中，最闻名的应该是归属于三次元的光子晶体构造，可是，三次元的光子晶体在生产制造上及商业化，就现在的技术性来讲是十分艰难的。缘故是当前具体分析的方面或是保存在二次元的光子晶体，因此 ，今日在LED行业各商家相竞开发设计的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。

　一般的材质结构是归属于固定不动结构，因此 原材料实际上会具备的一定的折光率。图一A是表明峰位（Wave Number）与頻率针对一般原材料折光率的危害，横坐标是有机物的峰位（Wave Number）、纵坐标是頻率、斜杠就意味着折光率。从（图一）中还可以发觉折光率是十分等百分比的发展，也就是意味着说无论怎样的峰位、哪些的光波长，它的折光率全是一定的。

　那麼光子晶体是哪样的构造，再从此外一个视角来表明。光子晶体的特征便是周期时间结构，也为此会造成多种反射面。图一B表明了光子晶体所造成的峰位空间向量数和光的频率占比，能够 发觉頻率的曲线图并不像图一A是那麼单纯性，曲线图早已会显得比较复杂，这一曲线图会伴随着光的多专一性，便是异抗逆性而发生转变 ，而伴随它的偏旋光性，就可以应用设计制作出不一样的商品。光子晶体它有一个很知名的特点，坚信大家都了解，便是它有一个太阳能隙。

　在太阳能隙这一地区里边，光源是找不到的。这里的曲线图也跟图一A是的切线斜率实际意义是一样的，是折光率的反过来。只需在这里一点，切线斜率等于零。因此 在这里一点之外，光的传播速度就不容易造成零这一状况。因此 还可以说，光子晶体还可以操纵光的传播速度。就简易而言，应用光子晶体的目地浓缩成一句话，便是要运用周期时间结构，以人造的方法来操纵这一电子光学特点。

▲图一：光子晶体特点与一般原材料较为。

■光子晶体与有固体发亮部件差别

　光子晶体有3个电子光学特点，能够运用人造的方法来加以控制而实现不一样的目地。

　第一个特点是，假如光折射能隙得话，就可以遮掩光根据。运用这一特点能够把光锁在一个非常狭窄的范围里边。现阶段工业界中，就会有运用这一特点把光集聚在一个地区里边，制做成一个集成电路芯片。

　此外一个特点是，便是光子晶体有异抗逆性，光子晶体的眼会房屋朝向许多方位透射，缘故是光子晶体能够伴随着光的偏光视角，发生透光性与不透（某一视角它还可以通过，可是有一些视角是无法通过）。

　第三个特点便是，光子晶体的曲线图比较复杂、变幻无常。由于光子晶体的线条转变 特别快，十分不规律，因此 只需光波长稍有转变，那么就能够见到进到光子晶体的光，它的方向便会偏移得特别大。

　在特点层面，光子晶体的范围要比传统式集成电路芯片变小了千分之一，因此 ，相对性的，电源电路的积集度就比以前提高了1,000倍。而另一个特点是折旋光性倍率能够做到过去1,000倍。此外，还可以运用偏旋光性，更改光的特性，能够将过去方形的偏光浓缩成过去容积的千分之一。

　简易而言，光子晶体它有怎样的作用与特点？

　一、积集度提高，二、体型小，三、低成本。

■运用光子晶体制做出LED

　此外，光子晶体也有其他的的特点。运用它的特点，能够制造出光子晶体LED。（图二）是运用光子晶体制做出的二极管。

▲图二：运用光子晶体制做出的LED与LD。

　大概上还可以分成2种，一种是LED，一种是镭射二极管（Laser Diode）。LD镭射二极管一部分我们可以分成光子晶体 DFB镭射二极管（Photonic crystal DFB LD）与Photonic crystal defect LD。光子晶体DFB镭射二极管是我们较为了解的结构，其镭射值能够调节在极低的地区来做发送，这样子的构造，是一定存有太阳能隙的地区，也是因为是这般，因此 那样构造要完成商业化是非常艰难。相对性的运用光子晶体的构造制做成LED是非常简单。

　相关光子晶体经常被弄混的部位是，认为是运用DFB镭射，因此便会有些人觉得是否运用相应的期限或光波长来应用？实际上 回答不是对的。原因是DFB镭射跟光子晶体LD，它的出射（Incident）和透射（Diffracted）的仅是受到限制的。可是相对性光子晶体的入射角视角和透射光视角不是受限的。因此 并没有运用相应的期限或光波长来提升高效率，这一特点针对LED而言是十分关键的（图三）。

▲图三：光子晶体与LD入射角和透射光视角差别。

■光子晶体深蓝色LED

　（图四）表明了运用深蓝色LED来制造的白光LED，深蓝色LED会产生深蓝色的光，可是每个深蓝色的眼会依据YAG夜光粉一部分会转化成白光，运用蓝色和黄色的光，能够让LED造成出白光灯，白光LED被使用在白光灯照明灯具跟液晶led背光的灯源，这类白光LED被称作固态乳白色照明灯具（图五）。这类光有3个特点：一、体型小，二、省电力能源，三、使用寿命长，可是有一个非常大的情况必须 摆脱：相比荧光灯管，那样的白光LED发亮高效率较为差，为了更好地彻底解决这个问题，便能够运用光子晶体来处理那样的难题。

▲图四：一般白光LED（高清蓝光LED＋夜光粉）发亮基本原理。

▲图五：固体照明灯具高效率演变。

　为了更好地摆脱，高清蓝光LED发亮高效率非常低的难题，能够将光子晶体放到高清蓝光LED里，运用光子晶体来提升发亮高效率，那样生产制造出的高清蓝光光子晶体LED的特点是时间长，要让发亮高效率提高，几个很重要的技术性。

　传统式的LED制做比较简单，可是存在的不足点便是发亮高效率较为差，由于是传统式的高清蓝光LED表层的全反射，从活力层出去的光源，会被表层全反射掉。那样的光就没有办法发送到LED外边。

■日本松下电器运用二次元集积表层处理高效率不佳

　对于这个问题，CREE在制作过程中干了一些改进的姿势，在（图六）的Deformed Chip中可见到活力层边上是一个斜坡，运用那样斜坡的构造，能够让发亮高效率提升，一样是对于提高工作效率的难题，日本松下电器设计方案出了二次元的集积表层，运用这样子的构造，能够让表层的发亮高效率提升，因此 日本松下电器是运用半导体材料的Planar技术，这是一个很精细的技术性，用于操纵这一结构。

▲图六：处理光子晶体高效率不佳方法。

　（图七）是导进光子晶体的LED的不一样策略模式，除开日本松下电器所进步的Planar技术构造外，现阶段从技术上此外也有2种设计方案。

▲图七：高效率不佳处理方法于显微镜下构造。

　PenetraTIon是运用二次元的活力层让光越过，那样的构造还可以使发亮高效率达80％，可是也有一个难题必须 摆脱，那便是內部量子效率会减少。因为为了更好地要让光通过活力层，便会由于做到通过活力层这一目标而减少內部量子效率。

　Resonant Cavity 是在光子晶体LED上边载入共振器，这一设计方案称之为共振器LED，在LED的附近，大家配备上光子晶体，运用这一设计方案，能够把他LED高效率提升60％，而前边提及日本松下电器运用Planar技术所研发出來的Surface GraTIng的制定方法尽管非常好，可是在交流电的引入上面有一些难题。

　与Surface GraTIng相比下，尽管Resonant Cavity在交流电的引入上面较为非常容易，但是，Resonant Cavity 自身也会有什么问题存有，那便是共振器LED在制造上非常艰难，制做艰难就意味着说成本费便会提升，针对LED大家都期望能够以成本低批量生产，这就导致了瓶颈问题，PenetraTIon与Resonant Cavity这2个设计方案，仅仅在LED上边再加上一个二次元的设计方案，那样的制定是可以用上本来不仅有的LED上。

■光子晶体深蓝色LED运行基本原理

　（图八）左侧是目前的LED构造，能够见到他的全反射，目前的LED临界值度是非常小的，关键是由于表层将光所有反射面，相对性的，光子晶体深蓝色LED所制定出來的LED，因为透射的关联，能够调整光的视角，调整后的光能够比临界角还小，并可进到临界角投影到外边，改进以往LED的眼会所有反射面的难题。

▲图八：光子晶体与一般LED反射面临界角。

　从LED的活力层发送出去的光，我们可以360度放射性出来 ，但过去的LED只有受制于临界角，只有在临界角范畴内发亮，在临界角内的光才可以发送出来 ，我们知道临界角范畴内的范围只占全部范畴的4％，因此相对性光子晶体的光就非常广，能有越多的范围将光的反射出来 ，便是使用这一基本原理将发亮高效率提升。

■光子晶体的制定关键点

　在光子晶体的制定上面有一些关键，有一个表针是周期时间这一部分，周期时间和散射的间距相关，假如周期时间越小，透射的距離就越大，纵然历经调整后或是没有办法将光发送到外边去。相对性的假如周期时间增大，透射的间距越小，由于那样的关联，光就可以移到外边来到，因此 在设计方案上必须 寻找一个最适用的周期时间。

　还有一个关键点便是高宽比，高宽比跟透射的效果有非常密切的相关联性，事实上并并不一定的光都是会遭受透射的危害，遭受透射危害的光都是会跟透射率造成密切相关，因此 这两个关键标准便是在开发设计光子晶体LED时，必须 估算出最适度标值的G值，因此 在设计方案上就需要历经非常精的密测算来获得G值（图九）。

▲图九：G值将危害透射率与相光高效率。

　而在制定中，如何去测算出LED表层必须 是多少光，能够运用FDTD测算方法来做一些计算（图十），这一测算方法在光子晶体上是广泛被使用的一个方法，实际的测算方法，图十A中淡蓝色内测算方法，而右边所显示是算出的标值。

▲图十：G值数值与发亮部件内在联系。

　非光子晶体的LED，是归属于表层较为平整的一种LED。图十B左下角是LED的內部，图十B右上角是LED的外界，能够 察觉到，非光子晶体的LED造成光后，跟气体触碰的灯源那一部分，会由于表层全反射掉。而光子晶体LED的设计方案，从图十C中的結果发觉，能够让光不会受到反射面危害，将光的反射到外边。

　（图十一）是日本松下电器对于光子晶体LED设计方案出來的高效率結果，X轴是周期时间，Y轴是高宽比，Z轴是事实的发亮高效率，发亮高效率1.0就是指表层是平面图的LED传出的高效率标值。从这一图型能够看得出，周期时间越长，高效率会提升，但到一个高宽比后会降低。

▲图十一：运用周期时间与高宽比测算出最好发亮点。

　而高宽比的一部分也是成曲线图遍布，到某一个高宽比时，高效率是最大的，能够看到发亮高效率最大的时间是在1.5μm的地区（红杠一部分），而发亮高效率最大是0.25μm（红杠一部分），不难看出，在这个地区是一个十分长的周期时间，十分短的高宽比，这就表明说光子晶体的制做比较简单，只需找到最适用的周期时间1.5μm，比发亮光波长还需要长的一个周期时间，殊不知常说目前的LED最少要摆脱如此的标准，可是从这儿的制定还可以看得出，即便 这一周期时间较长，或是能够做到效率高，因此针对这类光子晶体设计方案，称作长周期光子晶体。

　图十一是将长周期光子晶体作进一步剖析，能看出去假如制定和活力层表层越少得话，发亮的高效率便会越高，最适用的时间会越长，因此 长周期的光子晶体，除开发亮高效率外，全部较为散乱也会危害。

　因此 ，日本松下电器所制定的光子晶体LED周期时间是非常长的，除此之外，也有此外的一个特点，便是日本松下电器在光子晶体的表层镶上一整块的塑料薄膜，这一塑料薄膜便是全透明电级，通过这一塑料薄膜设计方案，光能够从全部面都能够发亮出来 。

■日本松下电器光子晶体LED制造

　（图十二）是日本松下电器对光子晶体LED上全透明电级的危害作的表述，深蓝色线是沒有全透明电级的情况，鲜红色是表明有全透明电级的情况，能够见到，不管是否有涂上全透明电级，对发亮效果并沒有非常大危害。依据这一結果，日本松下电器就很安心的在光子晶体上揉弄一层全透明电级。

▲图十二：全透明电级对发亮高效率危害。

　日本松下电器是运用蓝色宝石做为基钢板，再历经MOCVD、EB和RIE ETCHING这些制造，制做出去二次元的光子晶体LED。依据日本松下电器的叫法，现阶段目前是运用EB的方法，但之后在开始批量生产或商业化时，便会用另一个成本费更低的作法，此外还会继续做干试（Dry）Etching，再产生一个全透明电级和电极板。

　（图十三）表明的是日本松下电器的光子晶体高清蓝光LED在光学显微镜下的构造，左侧是在透射电镜下见到的外表情况，在右上角的N电级和左下角的P电级的正中间产生光子晶体。右侧是光子晶体高清蓝光LED在光学显微镜下的断面图，看上去像牛奶布丁情况的结构，遍布在二次元的区域上，能够见到这一全透明电级它很匀称的分散在光子晶体上。

▲图十三：透射电镜下光子晶体高清蓝光LED的构造。

　（图十四）是光子晶体在运行情况下的光学显微镜照片，能够见到光子晶体是全方位在闪光的。从这些效果能够肯定说，日本松下电器所涵盖这一层全透明电级，的确有做到所希望的实际效果。

▲图十四：透射电镜下光子晶体的运行情况。

　（图十五）所展示的是日本松下电器所做的光子晶体的输入输出和交流电的特点点评。为了更好地较为，除开光子晶体外，日本松下电器与此同时也测量了此外一个一般的LED，从结论还可以看得出，光子晶体LED与一般LED的光輸出运行和电流量实际效果是不一样的。深蓝色是一般的LED，鲜红色是光子晶体LED，光子晶体LED的工作效率比一般的LED高于50％。

▲图十五：光子晶体的发亮效果和交流电的特点点评。

　就基础理论而言，在预估后的结论应该是高于3倍的，可是在此次试验后，得到的結果却仅有高于50％。剖析缘故有可能是在光子晶体产生的生产流程中，所运用的数据并没有最恰当的标值。因此 日本松下电器坚信，只需更改这一步骤，发亮高效率应当便会像测算的标值一样做到3倍。除此之外，此外一个很有可能是在制造中发生一小缺陷，那便是在集成ic中有一个小缝隙，而这一缝隙的发生，也会直接影响到全部LED的发亮效率。

■通过全透明电级可做到大规模的发亮

　日本松下电器是第一个将光子晶体应用导进深蓝色LED，并且很取得成功。发亮效果做到1.5倍。坚信业内通过那样不停的科学研究，表明出固态白光灯照明灯具的商业化应当就是指日终有一别的。这一技术性肯定能够应用并批量生产。

　此外一点，光子晶体的与众不同设计方案促使长周期结构能够完成。由于那样的长周期结构让GaN的光子晶体的运用更易于完成。此外，历经现实的制做后，日本松下电器也证明了一件事，在光子晶体的外表都覆上一整块的通透电级，那样一个与众不同设计方案，促使大规模的发亮可以实际完成。

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