看好光子晶體技術LED,眾廠商積極搶灘

為了改進光提取和光束形狀,通過在LED中採用光子晶體,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。有鑑於此,眾多LED製造商正在積極開發光子晶體LED。

Unilite表示,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簽署了交叉授權協議。Cree Research在2008年底獲得了107 lm/W的光子晶體LED,成為該組件新的性能標誌。Luxaltek收購Mesophotonics的知識產權,並於2008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,十年前就開始了關於改進LED的光提取和束斑形狀放的光子晶體的研究。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,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,就是在波導中存在一個「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,最終產業公司還是無法利用「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佈了關於如何在實際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。

光子晶體LED照亮了誰?

由於光子晶體LED的專利掌握在幾家主要公司手中,第一個受益者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。

其他受惠者還包括在LED上實現壓印光子晶體技術的整個供應鏈,其中包括光刻和刻蝕等技術。光刻的要求並不苛刻——一般是λ/4或200 nm,而主要的挑戰源於晶圓不平整,數微米尺寸的表面突起、以及晶圓表面的不清潔。幾十微米的翹曲是襯底材料熱膨脹係數不一致的結果,比如碳化硅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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