光子晶体LED入主液晶电视背光

　　阴极射线管基本上已被淘汰出局了。现在走进任何一家电子商店，你会看到成排的电视和电脑液晶显示器。即便是等离子显示器技术——先前被视作技术更佳、更具竞争力的对手，现在也受到了基于最新技术的液晶电视的挑战，它表现为：效率更高、更亮且影像更清晰。

　　与等离子显示不同，液晶显示屏需要使用背光模组（BLU）向液晶面板投射白光。通常选择冷阴极荧光灯（CCFL），但LED背光提供了另一种选择，它能通过局部暗化来提高对比度。由于LED背光有更高的效率，可以延长电池的续航时间，因而在膝上型电脑上大行其道。

LED的优势包括可以进一步减少背光模组的重量、厚度和能效。固态光源与动态对比度控制更兼容，所用技术通过关闭显示图像中黑色区域的LED，使得对比度高达10000 : 1。

LED的选择

　　BLU产生的白光既可以通过细致地混合红、绿和蓝三色LED发出的光，也可利用蓝光LED和黄光荧光粉来实现。两种选择都需要基于GaN的蓝光LED，所有不同类型的这种器件都有一个共同的缺点：大部分的光被束缚在有源区内，不能有效地提取出来。

　　这个低效的缺点意味着背光模组需要更多的LED，这就增加了成本。为了提高光提取效率，研究者们开发出了几种技术来提取被内部全反射束缚在芯片中的光。

　　商业LED制造商偏爱晶片顶部表面粗化技术。这种简单而具有成本效益的随机表面结构能增加光逃逸角，显著提高光提取效率。

　　因为缺少光分布的方向性控制，该技术并不适合背光模组。经过表面粗化的LED芯片在光发射锥内实际上具有无方向性的光强分布。这一特点适应绝大多数通用照明应用的要求，但用作LED背光模组却是不合适的，因为它需要一种更有规律的光强分布，将光导向最合适的地方。

将光取出

　　光是如何被束缚的，如何将它从LED中取出？研究这些是有好处的。计算和模拟表明在GaN外延层和蓝宝石衬底中存在水平束缚态，并且在LED发生端表面加入一个有规律的多孔光栅结构能有效地把光提取出来。最流行的做法是使用周期或准周期性的浅盲孔阵列来形成一个二维光子晶体栅格。

　　研究显示，采用了刻蚀光子晶格的LED与未做表面处理的对照相比，表面亮度能加倍，并且改变器件的空间发光分布。平面LED产生的朗伯分布并不适合背光模组，但通过优化光子晶体的结构就能使辐射强度分布趋向于特殊散光器和增光薄膜的特性。

　　美国公司Luminus Device Inc.正在享受着，光子晶体PhatLight LED给它带来的成功。该器件已经用在某些高端电视中，例如三星56寸背投电视。这家制造商相信，这类高价的LED引入旗舰产品中是物有所值的。但光子晶体LED若要对整个市场产生影响的话，特别是关键的液晶电视产业，它们的制造成本必须要大幅减低到与CCFL持平。

　　在2007年5月，“用于显示照明的准光子晶体”（PQLDI）项目正式启动，而它的首要目标就是开发出一种低成本的生产技术。

　　该项目历时两年，耗资120万英镑（约合240万美元），它是由英国科技策略委员会提供资助的。项目成员来自格拉斯哥大学电子与电气系的团队、斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）光子研究中心以及夏普欧洲实验室。

准晶体的优点

　　传统的光子晶体LED，例如Luminus制造的产品，已经吸引了强大的专利组合。于是，我们避其锋锐直接致力于研究准周期性光子晶体结构。当用作显示背光照明时，与传统光子晶体相比这种光子晶体的主要优势在于：准周期性的空洞结构排布为优化输出光分布提供了更大的自由度，这反过来简化了设计。

　　形成光子晶体结构是制造这类器件的关键工艺步骤。现代的“深亚微米”光刻系统是一个理所当然的选择，但并非最佳的。尽管它能产生深亚微米尺度的光子晶体图形，但绝大多数的LED晶片厂中都没有这种昂贵的设备。

图1.（左）感光纳米压印光刻的主要步骤包括：使用透明的石英模板压制晶片上的抗蚀剂涂层，对其进行紫外光感光，之后刻蚀形成光子晶体结构。
图2.（上）用于显示照明项目的准光子晶体LED仍采用常规的LED外延结构。

　　一个成本更低的替代方法就是电子束光刻，光子晶体器件领域的研究人员能负担起这笔费用，因而被广泛采用。然而，我们必须指出一点，它的刻写速度极慢，这意味着图形的制造成本相当高。

　　刻写只有几个平方英寸的面积就需要几十个小时，换而言之就是几千英镑的成本——而这对于大规模商用芯片的制造是绝对不能承受的。

　　因此我们使用了纳米压印技术（nano-imprint lithography, NIL）。该技术能使用某些合适的坚硬材料制成模板，如石英或硅，在LED外延片上挤压形成图形。如直写电子束光刻这样的高分辨率技术就能用来制造模板，由于每块模板能压印制造出许多块晶片，成本反而低到让人接受了。在实际的制造环境中，能使用一个母板来制造若干个有效子板。

　　我们的纳米压印工艺使用Obducat的设备，在一定的压力和温度下，模板上的图形被“转移到”特殊的NIL抗蚀剂上（图1）。聚合物之间的交叉联合能在几秒钟内发生，并在模板移开之前形成坚硬的抗蚀层。干法刻蚀将抗蚀层的图形复制到下面的晶片上（图2）。

　　我们首先通过电子束光刻形成硅纳米压印模板图形，然后利用干法刻蚀形成阳模。这些模板使用效果良好，在我们有限数量的研发样品中没有出现磨损的情况。然而，我们发现硅模板不能承受高的工作压力，因此石英或碳化硅模板是更好的选择。

　　透明的石英还能用于感光纳米压印（flash NIL），辐照能穿过模板材料使整个纳米压印抗蚀剂定型，这样就不用加热模板了。以上优点促使我们采用更先进的刻蚀工艺来制造高分辨率的NIL模板，并用它来压印GaN LED晶片，使得器件发光波长达360nm。

　　基于纳米压印的图形工艺要求两次刻蚀，因为压印留下了一个抗蚀剂薄层，甚至向周围延伸到了本应该没有抗蚀剂的区域。这是因为在压印的接触阶段处于柔性状态的抗蚀剂材料发生了位移。幸运的是，纳米压印技术不需要抗蚀剂显影工艺。因此可以在对外延层进行刻蚀之前除去残留的抗蚀剂薄层。

　　在GaN的干法刻蚀之前，通常进行一步氧等离子工艺。若干种气体被混合起来使用。甲烷和氢气组合是其中的一种，但我们与其他团队发现含氯气的混合气体能产生更好的效果。

　　我们的干法刻蚀采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀设备，它几乎能制造垂直的表面轮廓。这种方法还能将刻蚀速率提高到每分钟几百纳米，这意味着在整块晶片上形成光子晶体结构只需要大约5分钟。较短的工艺时间使该工艺适合大规模制造的要求。

　　开发一种能用于大规模生长的工艺要求我们面临许多的挑战，包括制作图形清晰的模板、保证模板的所有图形区域都与抗蚀剂良好地接触、防止模板与抗蚀剂粘连使其在压印和抗蚀剂定形后能轻易的脱模。软的抗蚀剂的回流造成压印后残留了一个抗蚀剂的薄层，在光子晶体LED的制造工艺中必须除去这一薄层，之后才将图形转移至衬底材料。

　　我们开发的工艺流程拥有专利权，它解决了上面的所有问题，形成了高质量的图形并最终刻蚀到衬底材料上。通过使用电子显微镜，观察硅纳米压印模板（图3）和一个涂有抗蚀剂的晶片压印后的截面（图4），图片展示了我们工艺的精度。

　　这些图片显示了清晰的光子晶体孔洞。纳米级图形的高保真复制是纳米压印一个很突出的特点，使其成为面向CMOS芯片制造的下一代光刻技术强有力的竞争者之一。

　　为了加快实际大规模生产环境下纳米尺度图形转移工艺，必须在分步重复设备中使用纳米压印模板，在几小时内能压印成千上万的芯片。这也许并没有看上去那么困难，因为它对准的要求比硅芯片低得多。

　　我们与其他成员一道正在探讨辊轴压印的可能性。它有潜力以高速形成非常大面积的图形，并且它比分步重复压印更简单，那是因为只需要一个旋转运动。

　　该工艺通过使用一个带有阳模图形的坚硬辊轴在抗蚀剂涂层上压印。图形转移可通过热压技术或感光成型技术，因为GaN外延片沉积生长在对紫外光透明的蓝宝石衬底上，紫外光可通过晶片的背面入射。

　　该领域的研究工作仍在进行中，初期的结果显示特定方法不同的优势。感光压印对平坦的晶片表面效果更佳，而不平坦的表面更适合使用热压工艺。尽管这些技术仍需要更多的研究，我们相信LED制造商将来会应用这些技术，很可能就是当GaN LED晶片尺寸超过6英寸之时。

图3.准晶体图形避免了传统周期性结构的专利问题，同时也为调整发射光的分布提供了更大的自由度，以适应特定用途。

图4.通过使用含有氯气的混合气体作为工艺气体，ICP工艺只需5分钟就能生成高保真的光子晶体结构。

图5.边长是350祄的准光子晶体LED芯片在顶面具有非常均匀的发射光强分布。

　　形成图形之后，就可以采用标准的工艺步骤来完成LED的制造。我们在尺寸为350×350祄的芯片上制造阵列，并加入一个特有的p型电流扩散层能将电流均匀地传导至器件的整个顶面上。这是一个关键的步骤，因为电流扩散层需要与刻蚀的光子晶体图形在结构上能够兼容。

　　我们器件（图5）的工作电流是200mA以上，并且在器件区域内发光均匀。光强角分布与传统LED的朗伯分布不同，现在正与我们的背光开发团队合作以期进一步优化它。

　　项目进行到最后一年，我们将致力于优化工艺、提高器件性能，并为纳米压印工艺寻求新的软掩模方法。除此以外，我们还希望寻求更多来自政府和产业界的支持，继续从事用于主流照明的大尺寸LED芯片的研究。这些器件有其特殊的困难需要克服，比如有效的热管理、大面积的电流扩散以及从蓝光到全色光谱的高效色彩转换。