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?，F(xiàn)在走進(jìn)任何一家電子商店，你會(huì)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(shù)——先前被視作技術(shù)更佳、更具競(jìng)爭(zhēng)力的對(duì)手，現(xiàn)在也受到了基于最新技術(shù)的液晶電視的挑戰(zhàn)，它表現(xiàn)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(guò)局部暗化來(lái)提高對(duì)比度。由于LED背光有更高的效率，可以延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間，因而在膝上型電腦上大行其道。

　　LED的優(yōu)勢(shì)包括可以進(jìn)一步減少背光模組的重量、厚度和能效。固態(tài)光源與動(dòng)態(tài)對(duì)比度控制更兼容，所用技術(shù)通過(guò)關(guān)閉顯示圖像中黑色區(qū)域的LED，使得對(duì)比度高達(dá)10000 : 1。

　　LED的選擇

　　BLU產(chǎn)生的白光既可以通過(guò)細(xì)致地混合紅、綠和藍(lán)三色LED發(fā)出的光，也可利用藍(lán)光LED和黃光熒光粉來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種選擇都需要基于GaN的藍(lán)光LED，所有不同類型的這種器件都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：大部分的光被束縛在有源區(qū)內(nèi)，不能有效地提取出來(lái)。

　　這個(gè)低效的缺點(diǎn)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(kāi)發(fā)出了幾種技術(shù)來(lái)提取被內(nèi)部全反射束縛在芯片中的光。

　　商業(yè)LED制造商偏愛(ài)晶片頂部表面粗化技術(shù)。這種簡(jiǎn)單而具有成本效益的隨機(jī)表面結(jié)構(gòu)能增加光逃逸角，顯著提高光提取效率。

　　因?yàn)槿鄙俟夥植嫉姆较蛐钥刂?，該技術(shù)并不適合背光模組。經(jīng)過(guò)表面粗化的LED芯片在光發(fā)射錐內(nèi)實(shí)際上具有無(wú)方向性的光強(qiáng)分布。這一特點(diǎn)適應(yīng)絕大多數(shù)通用照明應(yīng)用的要求，但用作LED背光模組卻是不合適的，因?yàn)樗枰环N更有規(guī)律的光強(qiáng)分布，將光導(dǎo)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(jì)算和模擬表明在GaN外延層和藍(lán)寶石襯底中存在水平束縛態(tài)，并且在LED發(fā)生端表面加入一個(gè)有規(guī)律的多孔光柵結(jié)構(gòu)能有效地把光提取出來(lái)。最流行的做法是使用周期或準(zhǔn)周期性的淺盲孔陣列來(lái)形成一個(gè)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(duì)照相比，表面亮度能加倍，并且改變器件的空間發(fā)光分布。平面LED產(chǎn)生的朗伯分布并不適合背光模組，但通過(guò)優(yōu)化光子晶體的結(jié)構(gòu)就能使輻射強(qiáng)度分布趨向于特殊散光器和增光薄膜的特性。

　　美國(guó)公司Luminus Device Inc.正在享受著，光子晶體PhatLight LED給它帶來(lái)的成功。該器件已經(jīng)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(jià)的LED引入旗艦產(chǎn)品中是物有所值的。但光子晶體LED若要對(duì)整個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)生影響的話，特別是關(guān)鍵的液晶電視產(chǎn)業(yè)，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(zhǔn)光子晶體”（PQLDI）項(xiàng)目正式啟動(dòng)，而它的首要目標(biāo)就是開(kāi)發(fā)出一種低成本的生產(chǎn)技術(shù)。

　　該項(xiàng)目歷時(shí)兩年，耗資120萬(wàn)英鎊（約合240萬(wàn)美元），它是由英國(guó)科技策略委員會(huì)提供資助的。項(xiàng)目成員來(lái)自格拉斯哥大學(xué)電子與電氣系的團(tuán)隊(duì)、斯特拉斯克萊德大學(xué)（University of Strathclyde）光子研究中心以及夏普歐洲實(shí)驗(yàn)室。

　　準(zhǔn)晶體的優(yōu)點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的光子晶體LED，例如Luminus制造的產(chǎn)品，已經(jīng)吸引了強(qiáng)大的專利組合。于是，我們避其鋒銳直接致力于研究準(zhǔn)周期性光子晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)用作顯示背光照明時(shí)，與傳統(tǒng)光子晶體相比這種光子晶體的主要優(yōu)勢(shì)在于：準(zhǔn)周期性的空洞結(jié)構(gòu)排布為優(yōu)化輸出光分布提供了更大的自由度，這反過(guò)來(lái)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

　　形成光子晶體結(jié)構(gòu)是制造這類器件的關(guān)鍵工藝步驟?，F(xiàn)代的“深亞微米”光刻系統(tǒng)是一個(gè)理所當(dāng)然的選擇，但并非最佳的。盡管它能產(chǎn)生深亞微米尺度的光子晶體圖形，但絕大多數(shù)的LED晶片廠中都沒(méi)有這種昂貴的設(shè)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(duì)其進(jìn)行紫外光感光，之后刻蝕形成光子晶體結(jié)構(gòu)。
圖2.（上）用于顯示照明項(xiàng)目的準(zhǔn)光子晶體LED仍采用常規(guī)的LED外延結(jié)構(gòu)。

　　一個(gè)成本更低的替代方法就是電子束光刻，光子晶體器件領(lǐng)域的研究人員能負(fù)擔(dān)起這筆費(fèi)用，因而被廣泛采用。然而，我們必須指出一點(diǎn)，它的刻寫(xiě)速度極慢，這意味著圖形的制造成本相當(dāng)高。

　　刻寫(xiě)只有幾個(gè)平方英寸的面積就需要幾十個(gè)小時(shí)，換而言之就是幾千英鎊的成本——而這對(duì)于大規(guī)模商用芯片的制造是絕對(duì)不能承受的。

　　因此我們使用了納米壓印技術(shù)（nano-imprint lithography, NIL）。該技術(shù)能使用某些合適的堅(jiān)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(xiě)電子束光刻這樣的高分辨率技術(shù)就能用來(lái)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(shí)際的制造環(huán)境中，能使用一個(gè)母板來(lái)制造若干個(gè)有效子板。

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

　　我們首先通過(guò)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(yáng)模。這些模板使用效果良好，在我們有限數(shù)量的研發(fā)樣品中沒(méi)有出現(xiàn)磨損的情況。然而，我們發(fā)現(xiàn)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?。╢lash NIL），輻照能穿過(guò)模板材料使整個(gè)納米壓印抗蝕劑定型，這樣就不用加熱模板了。以上優(yōu)點(diǎn)促使我們采用更先進(jìn)的刻蝕工藝來(lái)制造高分辨率的NIL模板，并用它來(lái)壓印GaN LED晶片，使得器件發(fā)光波長(zhǎng)達(dá)360nm。

　　基于納米壓印的圖形工藝要求兩次刻蝕，因?yàn)閴河×粝铝艘粋€(gè)抗蝕劑薄層，甚至向周?chē)由斓搅吮緫?yīng)該沒(méi)有抗蝕劑的區(qū)域。這是因?yàn)樵趬河〉慕佑|階段處于柔性狀態(tài)的抗蝕劑材料發(fā)生了位移。幸運(yùn)的是，納米壓印技術(shù)不需要抗蝕劑顯影工藝。因此可以在對(duì)外延層進(jìn)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(jìn)行一步氧等離子工藝。若干種氣體被混合起來(lái)使用。甲烷和氫氣組合是其中的一種，但我們與其他團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)含氯氣的混合氣體能產(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)只需要大約5分鐘。較短的工藝時(shí)間使該工藝適合大規(guī)模制造的要求。

　　開(kāi)發(fā)一種能用于大規(guī)模生長(zhǎng)的工藝要求我們面臨許多的挑戰(zhàn)，包括制作圖形清晰的模板、保證模板的所有圖形區(qū)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(gè)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(zhuǎn)移至襯底材料。

　　我們開(kāi)發(fā)的工藝流程擁有專利權(quán)，它解決了上面的所有問(wèn)題，形成了高質(zhì)量的圖形并最終刻蝕到襯底材料上。通過(guò)使用電子顯微鏡，觀察硅納米壓印模板（圖3）和一個(gè)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(jí)圖形的高保真復(fù)制是納米壓印一個(gè)很突出的特點(diǎn)，使其成為面向CMOS芯片制造的下一代光刻技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者之一。

　　為了加快實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境下納米尺度圖形轉(zhuǎn)移工藝，必須在分步重復(fù)設(shè)備中使用納米壓印模板，在幾小時(shí)內(nèi)能壓印成千上萬(wàn)的芯片。這也許并沒(méi)有看上去那么困難，因?yàn)樗鼘?duì)準(zhǔn)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(fù)壓印更簡(jiǎn)單，那是因?yàn)橹恍枰粋€(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　該工藝通過(guò)使用一個(gè)帶有陽(yáng)模圖形的堅(jiān)硬輥軸在抗蝕劑涂層上壓印。圖形轉(zhuǎn)移可通過(guò)熱壓技術(shù)或感光成型技術(shù)，因?yàn)镚aN外延片沉積生長(zhǎng)在對(duì)紫外光透明的藍(lán)寶石襯底上，紫外光可通過(guò)晶片的背面入射。

　　該領(lǐng)域的研究工作仍在進(jìn)行中，初期的結(jié)果顯示特定方法不同的優(yōu)勢(shì)。感光壓印對(duì)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(shù)仍需要更多的研究，我們相信LED制造商將來(lái)會(huì)應(yīng)用這些技術(shù)，很可能就是當(dāng)GaN LED晶片尺寸超過(guò)6英寸之時(shí)。

圖3.準(zhǔn)晶體圖形避免了傳統(tǒng)周期性結(jié)構(gòu)的專利問(wèn)題，同時(shí)也為調(diào)整發(fā)射光的分布提供了更大的自由度，以適應(yīng)特定用途。

圖4.通過(guò)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(jié)構(gòu)。

圖5.邊長(zhǎng)是350祄的準(zhǔn)光子晶體LED芯片在頂面具有非常均勻的發(fā)射光強(qiáng)分布。

　　形成圖形之后，就可以采用標(biāo)準(zhǔn)的工藝步驟來(lái)完成LED的制造。我們?cè)诔叽鐬?50×350祄的芯片上制造陣列，并加入一個(gè)特有的p型電流擴(kuò)散層能將電流均勻地傳導(dǎo)至器件的整個(gè)頂面上。這是一個(gè)關(guān)鍵的步驟，因?yàn)殡娏鲾U(kuò)散層需要與刻蝕的光子晶體圖形在結(jié)構(gòu)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(qū)域內(nèi)發(fā)光均勻。光強(qiáng)角分布與傳統(tǒng)LED的朗伯分布不同，現(xiàn)在正與我們的背光開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)合作以期進(jìn)一步優(yōu)化它。

　　項(xiàng)目進(jìn)行到最后一年，我們將致力于優(yōu)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(lái)自政府和產(chǎn)業(yè)界的支持，繼續(xù)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(kuò)散以及從藍(lán)光到全色光譜的高效色彩轉(zhuǎn)換。