光子晶體LED入主液晶電視背光

　　陰極射線管基本上已被淘汰出局了。現在走進任何一家電子商店，你會看到成排的電視和電腦液晶顯示器。即便是等離子顯示器技術——先前被視作技術更佳、更具競爭力的對手，現在也受到了基于最新技術的液晶電視的挑戰，它表現為：效率更高、更亮且影像更清晰。

　　與等離子顯示不同，液晶顯示屏需要使用背光模組（BLU）向液晶面板投射白光。通常選擇冷陰極熒光燈（CCFL），但LED背光提供了另一種選擇，它能通過局部暗化來提高對比度。由于LED背光有更高的效率，可以延長電池的續航時間，因而在膝上型電腦上大行其道。

　　LED的優勢包括可以進一步減少背光模組的重量、厚度和能效。固態光源與動態對比度控制更兼容，所用技術通過關閉顯示圖像中黑色區域的LED，使得對比度高達10000 : 1。

　　LED的選擇

　　BLU產生的白光既可以通過細致地混合紅、綠和藍三色LED發出的光，也可利用藍光LED和黃光熒光粉來實現。兩種選擇都需要基于GaN的藍光LED，所有不同類型的這種器件都有一個共同的缺點：大部分的光被束縛在有源區內，不能有效地提取出來。

　　這個低效的缺點意味著背光模組需要更多的LED，這就增加了成本。為了提高光提取效率，研究者們開發出了幾種技術來提取被內部全反射束縛在芯片中的光。

　　商業LED制造商偏愛晶片頂部表面粗化技術。這種簡單而具有成本效益的隨機表面結構能增加光逃逸角，顯著提高光提取效率。

　　因為缺少光分布的方向性控制，該技術并不適合背光模組。經過表面粗化的LED芯片在光發射錐內實際上具有無方向性的光強分布。這一特點適應絕大多數通用照明應用的要求，但用作LED背光模組卻是不合適的，因為它需要一種更有規律的光強分布，將光導向最合適的地方。

　　將光取出

　　光是如何被束縛的，如何將它從LED中取出？研究這些是有好處的。計算和模擬表明在GaN外延層和藍寶石襯底中存在水平束縛態，并且在LED發生端表面加入一個有規律的多孔光柵結構能有效地把光提取出來。最流行的做法是使用周期或準周期性的淺盲孔陣列來形成一個二維光子晶體柵格。

　　研究顯示，采用了刻蝕光子晶格的LED與未做表面處理的對照相比，表面亮度能加倍，并且改變器件的空間發光分布。平面LED產生的朗伯分布并不適合背光模組，但通過優化光子晶體的結構就能使輻射強度分布趨向于特殊散光器和增光薄膜的特性。

　　美國公司Luminus Device Inc.正在享受著，光子晶體PhatLight LED給它帶來的成功。該器件已經用在某些高端電視中，例如三星56寸背投電視。這家制造商相信，這類高價的LED引入旗艦產品中是物有所值的。但光子晶體LED若要對整個市場產生影響的話，特別是關鍵的液晶電視產業，它們的制造成本必須要大幅減低到與CCFL持平。

　　在2007年5月，“用于顯示照明的準光子晶體”（PQLDI）項目正式啟動，而它的首要目標就是開發出一種低成本的生產技術。

　　該項目歷時兩年，耗資120萬英鎊（約合240萬美元），它是由英國科技策略委員會提供資助的。項目成員來自格拉斯哥大學電子與電氣系的團隊、斯特拉斯克萊德大學（University of Strathclyde）光子研究中心以及夏普歐洲實驗室。

　　準晶體的優點

　　傳統的光子晶體LED，例如Luminus制造的產品，已經吸引了強大的專利組合。于是，我們避其鋒銳直接致力于研究準周期性光子晶體結構。當用作顯示背光照明時，與傳統光子晶體相比這種光子晶體的主要優勢在于：準周期性的空洞結構排布為優化輸出光分布提供了更大的自由度，這反過來簡化了設計。

　　形成光子晶體結構是制造這類器件的關鍵工藝步驟。現代的“深亞微米”光刻系統是一個理所當然的選擇，但并非最佳的。盡管它能產生深亞微米尺度的光子晶體圖形，但絕大多數的LED晶片廠中都沒有這種昂貴的設備。

圖1.（左）感光納米壓印光刻的主要步驟包括：使用透明的石英模板壓制晶片上的抗蝕劑涂層，對其進行紫外光感光，之后刻蝕形成光子晶體結構。
圖2.（上）用于顯示照明項目的準光子晶體LED仍采用常規的LED外延結構。

　　一個成本更低的替代方法就是電子束光刻，光子晶體器件領域的研究人員能負擔起這筆費用，因而被廣泛采用。然而，我們必須指出一點，它的刻寫速度極慢，這意味著圖形的制造成本相當高。

　　刻寫只有幾個平方英寸的面積就需要幾十個小時，換而言之就是幾千英鎊的成本——而這對于大規模商用芯片的制造是絕對不能承受的。

　　因此我們使用了納米壓印技術（nano-imprint lithography, NIL）。該技術能使用某些合適的堅硬材料制成模板，如石英或硅，在LED外延片上擠壓形成圖形。如直寫電子束光刻這樣的高分辨率技術就能用來制造模板，由于每塊模板能壓印制造出許多塊晶片，成本反而低到讓人接受了。在實際的制造環境中，能使用一個母板來制造若干個有效子板。

　　我們的納米壓印工藝使用Obducat的設備，在一定的壓力和溫度下，模板上的圖形被“轉移到”特殊的NIL抗蝕劑上（圖1）。聚合物之間的交叉聯合能在幾秒鐘內發生，并在模板移開之前形成堅硬的抗蝕層。干法刻蝕將抗蝕層的圖形復制到下面的晶片上（圖2）。

　　我們首先通過電子束光刻形成硅納米壓印模板圖形，然后利用干法刻蝕形成陽模。這些模板使用效果良好，在我們有限數量的研發樣品中沒有出現磨損的情況。然而，我們發現硅模板不能承受高的工作壓力，因此石英或碳化硅模板是更好的選擇。

　　透明的石英還能用于感光納米壓印（flash NIL），輻照能穿過模板材料使整個納米壓印抗蝕劑定型，這樣就不用加熱模板了。以上優點促使我們采用更先進的刻蝕工藝來制造高分辨率的NIL模板，并用它來壓印GaN LED晶片，使得器件發光波長達360nm。

　　基于納米壓印的圖形工藝要求兩次刻蝕，因為壓印留下了一個抗蝕劑薄層，甚至向周圍延伸到了本應該沒有抗蝕劑的區域。這是因為在壓印的接觸階段處于柔性狀態的抗蝕劑材料發生了位移。幸運的是，納米壓印技術不需要抗蝕劑顯影工藝。因此可以在對外延層進行刻蝕之前除去殘留的抗蝕劑薄層。

　　在GaN的干法刻蝕之前，通常進行一步氧等離子工藝。若干種氣體被混合起來使用。甲烷和氫氣組合是其中的一種，但我們與其他團隊發現含氯氣的混合氣體能產生更好的效果。

　　我們的干法刻蝕采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕設備，它幾乎能制造垂直的表面輪廓。這種方法還能將刻蝕速率提高到每分鐘幾百納米，這意味著在整塊晶片上形成光子晶體結構只需要大約5分鐘。較短的工藝時間使該工藝適合大規模制造的要求。

　　開發一種能用于大規模生長的工藝要求我們面臨許多的挑戰，包括制作圖形清晰的模板、保證模板的所有圖形區域都與抗蝕劑良好地接觸、防止模板與抗蝕劑粘連使其在壓印和抗蝕劑定形后能輕易的脫模。軟的抗蝕劑的回流造成壓印后殘留了一個抗蝕劑的薄層，在光子晶體LED的制造工藝中必須除去這一薄層，之后才將圖形轉移至襯底材料。

　　我們開發的工藝流程擁有專利權，它解決了上面的所有問題，形成了高質量的圖形并最終刻蝕到襯底材料上。通過使用電子顯微鏡，觀察硅納米壓印模板（圖3）和一個涂有抗蝕劑的晶片壓印后的截面（圖4），圖片展示了我們工藝的精度。

　　這些圖片顯示了清晰的光子晶體孔洞。納米級圖形的高保真復制是納米壓印一個很突出的特點，使其成為面向CMOS芯片制造的下一代光刻技術強有力的競爭者之一。

　　為了加快實際大規模生產環境下納米尺度圖形轉移工藝，必須在分步重復設備中使用納米壓印模板，在幾小時內能壓印成千上萬的芯片。這也許并沒有看上去那么困難，因為它對準的要求比硅芯片低得多。

　　我們與其他成員一道正在探討輥軸壓印的可能性。它有潛力以高速形成非常大面積的圖形，并且它比分步重復壓印更簡單，那是因為只需要一個旋轉運動。

　　該工藝通過使用一個帶有陽模圖形的堅硬輥軸在抗蝕劑涂層上壓印。圖形轉移可通過熱壓技術或感光成型技術，因為GaN外延片沉積生長在對紫外光透明的藍寶石襯底上，紫外光可通過晶片的背面入射。

　　該領域的研究工作仍在進行中，初期的結果顯示特定方法不同的優勢。感光壓印對平坦的晶片表面效果更佳，而不平坦的表面更適合使用熱壓工藝。盡管這些技術仍需要更多的研究，我們相信LED制造商將來會應用這些技術，很可能就是當GaN LED晶片尺寸超過6英寸之時。

圖3.準晶體圖形避免了傳統周期性結構的專利問題，同時也為調整發射光的分布提供了更大的自由度，以適應特定用途。

圖4.通過使用含有氯氣的混合氣體作為工藝氣體，ICP工藝只需5分鐘就能生成高保真的光子晶體結構。

圖5.邊長是350祄的準光子晶體LED芯片在頂面具有非常均勻的發射光強分布。

　　形成圖形之后，就可以采用標準的工藝步驟來完成LED的制造。我們在尺寸為350×350祄的芯片上制造陣列，并加入一個特有的p型電流擴散層能將電流均勻地傳導至器件的整個頂面上。這是一個關鍵的步驟，因為電流擴散層需要與刻蝕的光子晶體圖形在結構上能夠兼容。

　　我們器件（圖5）的工作電流是200mA以上，并且在器件區域內發光均勻。光強角分布與傳統LED的朗伯分布不同，現在正與我們的背光開發團隊合作以期進一步優化它。

　　項目進行到最后一年，我們將致力于優化工藝、提高器件性能，并為納米壓印工藝尋求新的軟掩模方法。除此以外，我們還希望尋求更多來自政府和產業界的支持，繼續從事用于主流照明的大尺寸LED芯片的研究。這些器件有其特殊的困難需要克服，比如有效的熱管理、大面積的電流擴散以及從藍光到全色光譜的高效色彩轉換。