其他不同的方式也能夠提升亮度到不同的程度；以現階段業界的技術來說，若配合現在在學術界相當熱門的光子晶體週期特性，事實上可以達到更佳的發光效率；這樣的研究在中央大學光電系有所進展，並且也技轉給業界。其他不同的方式也能够提升亮度到不同的程度；以现阶段业界的技术来说，若配合现在在学术界相当热门的光子晶体周期特性，事实上可以达到更佳的发光效率；这样的研究在中央大学光电系有所进展，并且也技转给业界。

由於中央大學在LED的研究較為領先，因此，本期「CTO技術觀」專訪對光子晶體特別有研究的陳啟昌副教授，以他和博士後研究員詹佳樺對材料的共同研究，發表了合成奈米級小球大面積鋪排技術，若應用於LED晶片，發光效率因而可以提升48％。由于中央大学在LED的研究较为领先，因此，本期「CTO技术观」专访对光子晶体特别有研究的陈启昌副教授，以他和博士后研究员詹佳桦对材料的共同研究，发表了合成奈米级小球大面积铺排技术，若应用于LED晶片，发光效率因而可以提升48％。

LED表面處理技術LED表面处理技术

在介紹陳啟昌老師的合成奈米級小球技術之前，我們先來簡單描述一下表面處理技術。在介绍陈启昌老师的合成奈米级小球技术之前，我们先来简单描述一下表面处理技术。

LED若不加任何技術，只經由原本P-N Junction電子電洞結合的方式形成光子取出來，大約只有15％能夠轉換成光，其他則會因為折射、反射而留在半導體內部，被材料吸收，成為熱能損失。LED若不加任何技术，只经由原本P-NJunction电子电洞结合的方式形成光子取出来，大约只有15％能够转换成光，其他则会因为折射、反射而留在半导体内部，被材料吸收，成为热能损失。

因此LED業者便需要發展許多技術，減少反射、設計有效折射或增加光耦合，儘量讓光的取出效率增加，其中表面光子晶體化是一個相當成功的方式，使用該方式可以減少內部反射及向外散射的光。因此LED业者便需要发展许多技术，减少反射、设计有效折射或增加光耦合，尽量让光的取出效率增加，其中表面光子晶体化是一个相当成功的方式，使用该方式可以减少内部反射及向外散射的光。

學術上，Shuji Nakamura和在加州大學聖塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）的同事，結合雷射剝離技術及光電蝕刻技術，在覆晶封裝的GaN LED表面，製造規律的凹凸形狀。学术上，ShujiNakamura和在加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSantaBarbara）的同事，结合雷射剥离技术及光电蚀刻技术，在复晶封装的GaNLED表面，制造规律的凹凸形状。 與平滑表面的元件相比，這些LED在2分鐘蝕刻後的輸出功率增加了1.9倍，10分鐘蝕刻後則增加了2.3倍。与平滑表面的元件相比，这些LED在2分钟蚀刻后的输出功率增加了1.9倍，10分钟蚀刻后则增加了2.3倍。

雖然表面粗化技術受到業界普遍使用，不過陳啟昌認為，儘管有些業者宣稱應用到光子晶體或奈米技術，然而事實上，一般的粗化其實只是任意的蝕刻，這種蝕刻並沒有利用到光子晶體的特性，若要做到週期性的奈米等級，常使用電子束微影法或奈米壓印，成本就非常貴；然而若真使用到光子晶體異常折射率的特性，LED的發光效率還可以提升得更高。虽然表面粗化技术受到业界普遍使用，不过陈启昌认为，尽管有些业者宣称应用到光子晶体或奈米技术，然而事实上，一般的粗化其实只是任意的蚀刻，这种蚀刻并没有利用到光子晶体的特性，若要做到周期性的奈米等级，常使用电子束微影法或奈米压印，成本就非常贵；然而若真使用到光子晶体异常折射率的特性，LED的发光效率还可以提升得更高。 他的發明就使用到週期性的特性。他的发明就使用到周期性的特性。

光子晶體具週期特性光子晶体具周期特性

光子晶體是在1987年，由Sajeev John教授和Eli Yablonovitch教授不約而同地發現，並定義出「光子晶體」（Photonic crystals）或「光子能隙」（Photonic band gap）。光子晶体是在1987年，由SajeevJohn教授和EliYablonovitch教授不约而同地发现，并定义出「光子晶体」（Photoniccrystals）或「光子能隙」（Photonicbandgap）。 光子晶體是指週期性的介電質分佈結構，在光子晶體中，某些頻率的電磁波可以往特定的方向傳播，而某些方向則不能傳播，形成光子能隙，通常光子能隙的波長為光子晶體週期的2∼3倍。光子晶体是指周期性的介电质分布结构，在光子晶体中，某些频率的电磁波可以往特定的方向传播，而某些方向则不能传播，形成光子能隙，通常光子能隙的波长为光子晶体周期的2∼3倍。

光子晶體現在經常應用於眼鏡上的多層膜與光通訊濾波器，未來可以應用的範圍相信更多。光子晶体现在经常应用于眼镜上的多层膜与光通讯滤波器，未来可以应用的范围相信更多。 技術上，只要使用2種材料交錯成長在晶片上，形成週期性折射指數變化的結構，在光學上就被稱為光子晶體。技术上，只要使用2种材料交错成长在晶片上，形成周期性折射指数变化的结构，在光学上就被称为光子晶体。

圖說：上圖顯示使用2種不同的材料交錯長在晶片上，形成週期性折射指數變化的結構，造成光子能隙，讓光過不去，即可以控制光進行的方向；這也就是光通訊領域常使用的波導（waveguide）。图说：上图显示使用2种不同的材料交错长在晶片上，形成周期性折射指数变化的结构，造成光子能隙，让光过不去，即可以控制光进行的方向；这也就是光通讯领域常使用的波导（waveguide）。 現在已經實現1.31µm和1.55µm波長的波導耦合器。现在已经实现1.31µm和1.55µm波长的波导耦合器。 （資料來源：中央大學光電系陳啟昌老師與電機系詹益仁老師）（资料来源：中央大学光电系陈启昌老师与电机系詹益仁老师）

使用光子晶體技術，可藉由週期性的結構把光速慢下來，甚至停止，換句話說，就可以抓住光。使用光子晶体技术，可藉由周期性的结构把光速慢下来，甚至停止，换句话说，就可以抓住光。 現在訊號的傳遞通常是由電訊號轉為磁訊號而存下來，若換成光纖波導，利用晶格的缺陷讓光通過去，則光的訊號可以直接抓住，不需要轉成別的訊號，速度就會較現階段快得多。现在讯号的传递通常是由电讯号转为磁讯号而存下来，若换成光纤波导，利用晶格的缺陷让光通过去，则光的讯号可以直接抓住，不需要转成别的讯号，速度就会较现阶段快得多。

長期來看，希望能夠在晶片上植入偵測器，可以知道光出來有多少，進一步連CPU都可以用光來計算。长期来看，希望能够在晶片上植入侦测器，可以知道光出来有多少，进一步连CPU都可以用光来计算。 屆時雷射偵測器、邏輯閳都用光，計算速度會更快。届时雷射侦测器、逻辑閳都用光，计算速度会更快。

奈米小球技術不需半導體製程　即可達到光子晶體化的效果奈米小球技术不需半导体制程　即可达到光子晶体化的效果

光子晶體應用於投影機的多層膜和光通訊領域的濾波器較為成熟，事實上在LED也有其應用意義。光子晶体应用于投影机的多层膜和光通讯领域的滤波器较为成熟，事实上在LED也有其应用意义。 近來有人在LED的表面週期性地挖洞，造成像毛玻璃一樣，但如此一來，會有全反射的問題，若再增加粗糙性，則又可能粗到光透不過去。近来有人在LED的表面周期性地挖洞，造成像毛玻璃一样，但如此一来，会有全反射的问题，若再增加粗糙性，则又可能粗到光透不过去。 事實上，這樣的做法，並沒有使用到光子晶體的特性，例如光子能隙。事实上，这样的做法，并没有使用到光子晶体的特性，例如光子能隙。

陳啟昌和詹佳樺的做法是，用某種材料，合成奈米級小球，利用小球不同的大小，可以產生不同的光子能隙。陈启昌和詹佳桦的做法是，用某种材料，合成奈米级小球，利用小球不同的大小，可以产生不同的光子能隙。

這些小球的直徑落於50nm∼2 µm，材料則是氧化矽、二氧化鈦等聚合物，或PMMA壓克力、苯乙烯等，這些材料通常稱為人造蛋白石；當然，若使用天然蛋白石也可以，只是價格高昂。这些小球的直径落于50nm∼2µm，材料则是氧化矽、二氧化钛等聚合物，或PMMA压克力、苯乙烯等，这些材料通常称为人造蛋白石；当然，若使用天然蛋白石也可以，只是价格高昂。

技術上，專長為材料科學的詹佳樺，在不同材料的試驗中，偶然發現了使用某一種特定的材料，能夠大面積均勻單一層地鋪排在晶片上，而且可以大到4吋的晶片。技术上，专长为材料科学的詹佳桦，在不同材料的试验中，偶然发现了使用某一种特定的材料，能够大面积均匀单一层地铺排在晶片上，而且可以大到4吋的晶片。

這樣的性質相當特殊，因為使用傳統方式，只能像牛奶一樣滴在晶片上，等到乾了之後，必然會有不均勻的現象；並且受到表面張力影響，無法單層大面積均勻排列。这样的性质相当特殊，因为使用传统方式，只能像牛奶一样滴在晶片上，等到干了之后，必然会有不均匀的现象；并且受到表面张力影响，无法单层大面积均匀排列。

而能夠使用奈米小球技術大面積均勻單一層地鋪排，就只需要使用液體即能達到一般所謂的「光子晶體化」的效果，而不需要使用半導體製程做蝕刻，光經過這個週期性結構出來較原本多，以實驗數據來看，藍光LED的發光效率增加幅度可以達到48％。而能够使用奈米小球技术大面积均匀单一层地铺排，就只需要使用液体即能达到一般所谓的「光子晶体化」的效果，而不需要使用半导体制程做蚀刻，光经过这个周期性结构出来较原本多，以实验数据来看，蓝光LED的发光效率增加幅度可以达到48％。

事實上，上述各種材料都屬於塑膠，然而若使用金屬材料也可以，將金屬層放於LED表面，讓量子井發光層光子與週期性結構耦合，便可導致量子井發光效率增加。事实上，上述各种材料都属于塑胶，然而若使用金属材料也可以，将金属层放于LED表面，让量子井发光层光子与周期性结构耦合，便可导致量子井发光效率增加。 中央大學光電中心的李建階博士對此即有相當研究成果。中央大学光电中心的李建阶博士对此即有相当研究成果。

好比若使用含銀的小球，則容易產生表面電漿，與量子井耦合之後，光出來的量就會增加一些。好比若使用含银的小球，则容易产生表面电浆，与量子井耦合之后，光出来的量就会增加一些。

週期性材料的發現周期性材料的发现

使用週期性材料能夠利用到光子晶體的特性，讓LED的發光效率增加，但是要用什麼樣的材料，則需要對材料的掌握。使用周期性材料能够利用到光子晶体的特性，让LED的发光效率增加，但是要用什么样的材料，则需要对材料的掌握。

上述可以大面積單層均勻鋪排的材料是怎麼發現的呢？上述可以大面积单层均匀铺排的材料是怎么发现的呢？ 詹佳樺針對各種不同的材料做實驗，看到使用該材料理論上不應該有光，然而卻有光的產生，因而推測此材料具有週期性的特性。詹佳桦针对各种不同的材料做实验，看到使用该材料理论上不应该有光，然而却有光的产生，因而推测此材料具有周期性的特性。

理論上來說，倘若週期性不佳，則不易達到單層鋪排的目的，但是此一材料卻能夠大面積均勻鋪排，實驗顯示它的週期特性非常好。理论上来说，倘若周期性不佳，则不易达到单层铺排的目的，但是此一材料却能够大面积均匀铺排，实验显示它的周期特性非常好。

圖說：（左）使用微米級小球所做出之單層排列結構週期性良好，可以得到大尺寸的鋪排材料。图说：（左）使用微米级小球所做出之单层排列结构周期性良好，可以得到大尺寸的铺排材料。 （右）利用週期性結構所製造出反轉錄結構已可應用在藍寶石基板與氮化鎵材料上。（右）利用周期性结构所制造出反转录结构已可应用在蓝宝石基板与氮化镓材料上。 （資料來源：中央大學光電系陳啟昌老師與詹佳樺博士）（资料来源：中央大学光电系陈启昌老师与詹佳桦博士）

奈米小球在太陽電池的應用奈米小球在太阳电池的应用

奈米小球技術能夠增加出光效率，應用領域不限於LED，像是光電轉換效率也力求增加的太陽能電池也是一個絕佳應用；根據陳啟昌和詹佳樺的實驗，可以在可見光範圍提升光的穿透率，讓太陽電池的光電效率增加75％。奈米小球技术能够增加出光效率，应用领域不限于LED，像是光电转换效率也力求增加的太阳能电池也是一个绝佳应用；根据陈启昌和詹佳桦的实验，可以在可见光范围提升光的穿透率，让太阳电池的光电效率增加75％。

圖說：使用光子晶體透鏡技術，就好像凸透鏡的聚焦效果，傳統上好幾厘米才能聚焦，經過光子晶體週期性質，可以短至40µm即達到相同效果。图说：使用光子晶体透镜技术，就好像凸透镜的聚焦效果，传统上好几厘米才能聚焦，经过光子晶体周期性质，可以短至40µm即达到相同效果。 （資料來源：Fraunhofer IOF Annual Report 2005）（资料来源：FraunhoferIOFAnnualReport2005）

上圖顯示聚焦的距離大幅縮短，便使得太陽電池在吸收太陽能後很快就能夠進行光電轉換。上图显示聚焦的距离大幅缩短，便使得太阳电池在吸收太阳能后很快就能够进行光电转换。

以過去的技術來說，通常以抗反射層來達到現在奈米小球技術的效果，例如在太陽電池或眼鏡上鍍一層膜。以过去的技术来说，通常以抗反射层来达到现在奈米小球技术的效果，例如在太阳电池或眼镜上镀一层膜。 然而這些都需要使用半導體製程才能夠鋪上去，相對於使用液體來說，成本多出許多，這也是奈米小球技術的最大意義。然而这些都需要使用半导体制程才能够铺上去，相对于使用液体来说，成本多出许多，这也是奈米小球技术的最大意义。 目前技術已經技轉給李洲。目前技术已经技转给李洲。

 陈启昌小档案

•生日：1969年<br />•學歷：淡江大學電子系、法國波爾多第一大學（Université Bordeaux I）電子博士課程學位（DEA）、法國法蘭西康德大學（Université de Franche-Comté）應用工程博士學位。•生日：1969年<br/>•学历：淡江大学电子系、法国波尔多第一大学（UniversitéBordeauxI）电子博士课程学位（DEA）、法国法兰西康德大学（UniversitédeFranche-Comté）应用工程博士学位。
•經歷：畢業後在法蘭西康德大學光學實驗室繼續高速鈮酸鋰調制器的研究，1999年於中央大學物理系擔任博士後研究員，2002年於中央大學光電所任教至今。•经历：毕业后在法兰西康德大学光学实验室继续高速铌酸锂调制器的研究，1999年于中央大学物理系担任博士后研究员，2002年于中央大学光电所任教至今。 研究主題包括光子晶體，微光學與光通訊用被動波導元件。研究主题包括光子晶体，微光学与光通讯用被动波导元件。 著有光子晶體與逐夢法國二書。着有光子晶体与逐梦法国二书。

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