发光二极管采用压印光刻引领光子晶体浪潮

　　发光二极管（LED）可以通过采用压印光刻的光子晶体提高效率。为了改进光提取和光束形状，很多LED制造商正在开发光子晶体LED。其挑战主要是晶圆并非非常清洁和平整，并容易带有数微米尺寸的表面突起。

　　最近一系列的报告表面，在发光二极管（LED）中采用光子晶体可以后，LED可以从市场狭小的背光应用突破到大规模的高亮度LED应用。

　　Unilite宣布，将在高亮度照明产品中采用其子公司Luxaltek开发的光子晶体技术。Lumileds开发了薄层（700 nm）光子晶体LED，其提取率达73%。Luminus Devices较早的采用了光子晶体，并在二月与Nichia Chemical Industries签署了交叉授权协议Cree Research宣布，去年年底获得了107 lm/W的光子晶体LED，成为该器件新的性能标志。Luxaltek收购了Mesophotonics的知识产权，并于去年向瑞典的Obducat订购了价值一千三百万美元的压印设备。

　　在LED领域，十年前就已经有关于光子晶体的研究，可以改进LED的光提取和束斑形状。LED中的半导体是一块具有高折射系数的平板材料，可以作为非常高效的波导，将波导中激发的光束缚在其中。为了从LED波导中提取光，研究人员进行了很多努力，其中包括将表面粗糙化以及增加反射层。

　　典型的波导光子晶体可以捕获从波导中射出的光。

　　一个替代的方案是采用光子晶体。采用光子晶体的典型应用是作为波导的输出偶极。其想法是如果波导具有尺寸合适的亚波长通孔阵列，那么没有光可以通过该波导，所有的光都只能通过垂直于波导屏幕的方向射出。用光子晶体的“语言”来讲，在波导中存在一个“光带隙”。

　　不幸的是，在LED中，产生光子的量子阱无法带有通孔，并且这样的通孔也会与到达量子阱的电子的通道产生干涉。结果是产业界这些公司无法利用“典型”的光子晶体。来自麻省理工学院（MIT）、Cree、Luminus Devices、Lumileds、Mesophotonics、Nanonex和其他大学的研究小组已经发布了关于如何在实际LED器件中采用光子晶体的论文。更薄LED的趋势使得LED中的光子晶体可以作为经典光子晶体的一个近似，并且更具吸引力。Luminus Devices Inc.是第一个销售带有光子晶体LED的公司，其目标是投影显示器市场。

　　恰逢其时？

　　LED在效率上已经做得不错了，下一个目标是降低成本。如果像交通信号灯那样，有较高的维护成本，则LED现在就具有成本优势。当前的最大障碍是热沉。尽管LED采用的功率较低，但仍需比传统光源的工作温度低很多，因此LED器件必须采用热沉体材。

　　如果光子晶体可以通过更高的提取效率，或者指向功能——对成本的增加微乎其微——降低功耗，那么最终将会使LED实现大规模普及。一片LED晶圆的价值为数百美元，那么价值数十美元的光刻工艺则可以接受，而通过压印光刻可以轻松实现这一目标。光子晶体的影响是否是削弱LED效率提升的最大因素，问题的抉择掌握在LED设计人员手中。一旦确认，那些大的LED公司将在这一方面投入大量的金钱和人力。

　　谁将受益？

　　考虑到光子晶体LED的专利掌握在几家主要公司手中，第一个答案很可能是卷入这些法律纷争的律师们。其次，专利持有人和代理人将得到好处。Nichia、Unilite、Cree和Lumileds是LED市场上的中流砥柱，如果在通用高亮度LED市场的上高端产品中采用光子晶体，则它们无疑将会是最大的赢家。

　　其他赢家还包括在LED上实现压印光子晶体技术的整个供应链。这些技术包括光刻和刻蚀。按照当今的标准，光刻的要求并不苛刻——一般是λ/4或200 nm。其挑战是晶圆并不平整，会有数微米尺寸的表面突起，并且晶圆不很清洁。几十微米的翘曲是衬底材料热膨胀系数不一致的结果，比如碳化硅或蓝宝石与外延生长的半导体材料，如氮化镓，其生长温度高于900°C。这两层材料实际上像双层金属片一样，会形成类似薯片的翘曲结构。热应力也阻碍了使用更大尺寸的晶圆。表面突起是外延生长的副产品，如果衬底和半导体材料的晶格不能完全匹配，就会产生突起。最后，LED还需要50 µm的接触焊盘，而焊盘的制作通常是在洁净度较差的fab中完成的。

　　大部分对光子晶体的研究都是通过电子束光刻和早期手动压印系统完成的。很多小组的研究，特别在手动压印工具上，已经采用了Transfer Devices Inc.（TDI，加州Santa Clara）生产的可溶性掩膜，该公司也还开发了分子转移光刻技术。Obducat已经接到了来自Luxaltek的第一批对自动生产系统的订单，这也是来自LED制造商最大的一笔多套压印设备订单。