CN1638016A - 金属光子盒及其制作方法与光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可增强特定光波长之发光强度的金属光子盒及其制作方法与光源。其包括：金属包围壁，其中该金属包围壁形成一共振腔；及不导电介质，其系充填于该共振腔中；其中该金属光子盒可形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振。

Description

金属光子盒及其制作方法与光源

技术领域

本发明关于一种金属光子盒，特别是一种可增强特定波长光发光效率的金属光子盒及其制造方法与应用。

背景技术

自一八九七年爱迪生发明电灯泡后，人们就不断地想尽各种方法想改进照明的技术，最终目的当然是更省电，发光效率更好，价格低廉能供大众普及使用的发光组件，能够带给人类更好的生活品质。目前全球电力约有百分之三十用在照明，在全球天然资源逐渐耗尽的情况下，如何创造更省电及更有效率的发光组件是人类亟欲解决的问题。

早期的照明主要是白炽电灯泡，白炽电灯泡是利用钨丝通电后产生热阻效应上升至高温(约2,500℃)以发出黑体辐射的可见光供照明。白光炽钨丝灯泡有低效率、高耗电、寿命短、易碎等缺点。

近几十年来，由于科技的发展快速，许多创新的主动发光照明组件也一一问世，例如：日光灯管，白光发光二极管(LED，LightEmitting Diode)…等。现分别说明如下：

日光灯：日光灯管简单地说就是个密闭的气体放电管，长形玻璃放电管的两端个别装有一组灯丝，灯丝上涂布电子放射物，如氧化钾或氧化钙。玻璃管内壁涂布萤光粉，管内充有氩气、氖气及氪气三种惰性气体及加入少量水银。当两极间施以电压时，极间开始放电，射出电子，并与管内的水银原子互相碰撞而形成气体放电状态，并释出波长为253.7纳米的紫外光。当紫外光激发萤光粉时，即可发出可见光，发光波长则由萤光物质的原子结构决定。因此，若将灯管内壁混合涂上多种萤光物质，便可产生多种不同颜色的可见光。日光灯所使用的萤光粉主要有氧化钇掺杂铕、磷酸化镧铈掺杂铽、及氧化钡镁铝掺杂铕。日光灯输入的电能约60％可转换成紫外光，而其它的能量则转换成热能。一般紫外光转换为可见光的效率约为40％。因此，日光灯的效率约为60％×40％＝24％，大约为相同功率钨丝灯的两倍。日光灯虽省电，仍有废弃物含汞污染、易碎等问题。

白光发光二极管：白光发光二极管具有体积小、无热幅射、耗电量低、寿命长和反应速度佳等优点，能解决许多过去传统灯泡所难以克服的问题，但白光发光二极管对材料的选择，以及长晶的要求极高，制作上并不容易。  近年来，欧美和日本等国基于节约能源与环境保护的共识，皆决定选择白光发光二极管作为二十一世纪照明的新光源。再加上目前许多国家的能源都仰赖进口，使得它在照明市场上的发展极具价值。根据专家评估，日本若是将所有白炽灯以白光发光二极管取代，则每年可省下1～2座发电厂的发电量，间接减少的耗油量达10亿公升，而且在发电过程中所排放的二氧化碳也会减少，进而抑制了温室效应。

在台湾，由于核四厂兴建问题引发很大的争议，促使目前新能源的开发以及提高能源使用率的课题也深受大众重视。若台湾四分之一的照明设备能省电达30％，则每年可省下110亿度的电力，相当于一座核能电厂每年的发电量，同时减少二氧化碳排放，每年节省约上亿升的原油消耗(资料来源：光电协进会2000/7)。由此可见，节省能源所得到的效益是多么地惊人。

因此，亟需一种能提高传统照明设备的发光效率，且能达到省电效果的发光源。

发明内容

本发明的主要目的系提供一种可增强特定波长光发光效率的金属光子盒及其制造方法，其中该金属光子盒可形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振。

本发明的另一目的系提供含有前述金属光子盒之光源，其中该光源因光波能量转移到短波段的区域，因此可增强该短波段的区域中特定光波长之发光强度。

本发明公开了一种可增强特定光波长之发光强度的金属光子盒，其包括：金属包围壁，形成一共振腔；及不导电介质，置于该共振腔中，其中该不导电介质具有特定之尺寸，以形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振，其中当该金属光子盒于一定温度下产生辐射光时，其一定波段之发光强度将得以强化。

本发明还公开了一种制造可产生所欲光波长之金属光子盒的方法，其包括下列步骤：

(a)在一基板上形成一金属层；

(b)在该金属层上形成一不导电介质层；

(c)以显影术在该不导电介质层上定义出光阻之区域；

(d)除去该不导电介质层上没有光阻覆盖之区城；

(e)在该不导电介质层上形成一金属层；

(f)剥除该光阻；及

(g)在该不导电介质层上形成一金属掩盖层。

下面将结合附图对本发明的目的、功能与优点，进行详细说明。

附图说明

图1为黑体辐射在三种不同温度下的频谱图。

图2将含有本发明的金属光子盒的试片置于加热基座进行热效应实验的示意图。

图3是将含有本发明的金属光子盒的试片直接置于可产生热的高耐热电传导物质上进行热效应实验的示意图。

图4是显示制造本发明实施例的金属光子盒的制作结构示意图。

图5为图4的上视图，此为光阻的数组结构。

图6为本发明实施例的金属光子盒的结构完成图。

图7为220纳米的金属光子盒发光频谱，温度约在摄氏700度左右。由图可观察到，在467纳米的位置，光强度被放大了5～6倍左右，与图6相比较，可以发现长波长部份被压抑许多，而只在金属光子盒的截止波长出现一放大五至六倍的强度，使得可见光所占能量的比例大辐提高20～30％，致使可见光范围的发光效率大辐提高。

图8为铂表面的发光频谱(无金属光子盒之黑体辐射)，温度约在摄氏700度。

具体实施方式

本发明利用高温发出黑体辐射且透过金属光子盒，造成可见光范围的波段强度大辐增强，并能充分发挥其预期之功效。因此，本发明提供一种可增强特定光波长之发光强度的金属光子盒，其包括：金属包围壁，其中该金属包围壁形成一共振腔；及不导电介质，其系充填于该共振腔中，其中该金属光子盒可形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振。

金属在高温会发出显著的黑体辐射现象，请参阅图1，可看出在不同温度之下其频谱的分布，而随着温度及波长的不同，其辐射强度也随之改变，其依循着普朗克黑体辐射的公式：

$E(\mathrm{\λ},T)=\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{\mathrm{hc}/\mathrm{\λkT}}-1)}$

其中主要的参数：λ为波长，T是黑体绝对温度，c是光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数。随着温度上升，频谱最强的波长位置之随之左移，参阅图1，在温度2500K的时候，辐射最强的波长大约在1.2微米，此为红外光发光波长，所以人的肉眼无法观察到；然后温度上升到4000K时，其辐射最强的波长已开始进入到可见光的范围；若再上升到5800K时，对人的肉眼而言，会呈现亮白色的颜色。

本发明利用金属光子盒所含之共振腔，使得发出的黑体辐射改变。透过共振腔这样的屏蔽封闭体，能够把电磁场完全封闭在金属导体壁内，达到共振而产生驻波的效应，因此对应出不同的截止波长，依照电磁学的理论，如果此金属光子盒为正立方体，其不同模态波长为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{klm}}=\frac{2\mathrm{na}}{\sqrt{k^2+l^2+m^2}}$

其中主要的参数：λ_klm为不同模态的波长，α是立方体共振腔的边长，n是共振腔内部介质之折射率，k、l、m分为不同的模态数，若对应主模模态的情况，也就是可对应最长的波长，称之为截止波长(Cut-off wavelength)，公式可简化为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{klm}}=\sqrt{2}\mathrm{na}$

所以，欲制作对应波长467纳米之蓝光的金属光子盒，而假设n介质的折射率为1.5，所设计的结构a立方体边长约为220纳米。若金属光子盒为其它形状，也可以达到类似的效果，其截止波长可依照电磁学的理论另外计算。

根据本发明的金属光子盒，可将无法在该金属光子盒共振的光波能量转移到短波段的区域，以增强该短波段的区域中特定光波长之发光强度。不同尺寸的金属光子盒，可应用于其它领域，例如光通讯所需要传输的1.55微米红外光波长，亦可利用本发明的技术达成。因此，其应用及发展空间极为广泛。本发明的特色是，改变发光波长时，并不需要更换材料组成，只需透过金属光子盒的尺寸变更，应用相同的制程技术就可达成，与其它类发光技术相比，是较容易在各式波长发光的新技术。

因此，该金属光子盒可以任何形状存在，例如但不限于正立方体形状、长方体形状、球体形状、椭球体形状、金字塔形状及其它可以用半导体制程制作之几何形状，较佳为正立方体形状。

本发明的金属光子盒，其金属包围壁的金属，较佳具有厚度系介于1nm至10μm之间。该金属可为任何熟习此项技术者所习知之任一种具高熔点的金属，较佳为铂、钨或金。再者，该金属光子盒的不导电介质，可为各式各样熟习此项技术者所习知的介电材料，例如但不限于二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、空气或真空。

根据本发明的金属光子盒，其可用半导体制程技术，将其制作于白炽灯泡内之钨丝外面，将可大辐提高原本白炽灯泡之发光效率以及更为省电。由于传统灯泡发光能量约只有5％的能量集中在可见光，利用金属光子盒的设计能确定将非可见光的能量转移到可见光，达到照明效果更强，更为省电的目的，应用在照明产业上，每年将可省下上亿度电，相当于一座核能发电厂每年所提供的电量。

因此，本发明另提供一种制造可产生所欲光波长的金属光子盒的方法，其包括下列步骤：

(a)在一基板上形成一金属层；

(b)在该金属层上形成一不导电介质层；

(c)以显影术在该不导电介质层上定义出光阻之区域；

(d)除去该不导电介质层上没有光阻覆盖之区城；

(e)在该不导电介质层上形成一金属层；

(f)剥除该光阻；及

(g)在该不导电介质层上形成一金属掩盖层。

根据该方法的步骤(a)，其中所使用之基板可为但不限于硅基板、玻璃基板、金属基板或导热基板。该步骤(a)的金属层，较佳系具有厚度介于5nm至1μm之间。

根据该方法的步骤(b)，其中所使用之不导电介质层系以PECVD、蒸镀、溅镀或旋涂方式涂覆于该基板上。其中该不导电介质层系选自包括下列的任一种介质：二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、空气及真空。

根据该方法的步骤(c)，其中该显影术可为但不限于光学显影术(photolithography)、电子束显影术(E-beamlithography)、离子束显影术(ion-beam lithography)、原子力显影术(Atomic forcelithography)或扫瞄电子穿隧显影术(Scanning tuning electronlithography)。

根据该方法，其中该金属层及金属掩盖层的金属系为熟习此项技术者所习知的任一种具高熔点之金属，较佳为铂、钨或金。

根据该方法，其中步骤(g)的金属掩护层系具有厚度介于1nm至500nm之间。

如前所述，本发明的金属光子盒可以任何形状存在，能选自包括下列之一的任一形状：正立方体形状、长方体形状、球体形状、椭球形状、金字塔形状及其它可以用半导体制程制作的几何形状。当欲制成正立方体时，该方法的步骤(b)中不导电介质层的厚度为所欲光波长的约50％，步骤(c)的光阻区域系为边长为所欲光波长的约50％之正方形，且步骤(e)的不导电介质层的厚度为步骤(b)中的介质层厚度或小于此厚度。

本发明可利用纳米尺度的金属光子盒被覆于例如灯泡的钨丝表面，利用钨丝热电阻效应上升至高温的情形下，发出黑体辐射，再利用电磁波在金属光子盒里的共振腔行为，大幅增加可见光的发光效率，亦可增加其稳定性，在相同亮度需求下，电流也可降低，达到省电的功能。

因此，本发明又提供一种光源，是应用上述可增强特定光波长发光强度的金属光子盒的光源，其包括：

一黑体辐射发射体，其具有预定纳米尺寸的金属光子盒；及

一加热源，其可加热该金属光子盒之金属，

其中该金属光子盒可形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振。

有关本发明所提供的光源，兹进一步说明如后：其中该金属光子盒是将无法在该金属光子盒共振的光波能量转移到短波段的区域，以增强该短波段的区域中特定光波长的发光强度。其中该金属光子盒系选自包括下列的任一种形状：正立方体形状、长方体形状、球体形状、椭球体形状、金字塔形状及其它可以用于半导体制程制作的几何形状。其中该金属光子盒的金属包围壁的金属厚度介于1nm至101μm之间。

请参阅图2，将金属光子盒结构制作完成后，连同试片一起放到加热的基座上，基座设计的方法是利用石墨或钨片或其它可产生热之高耐热电传导物质，两端通过电流下产生热效应，进而达到加热的效果，而整个加热的基台置于一真空腔体下进行。

或者请参阅图3，直接将金属光子盒结构制作在可产生热的高耐热电传导物质上，或金属光子盒的金属即为可产生热的高耐热电传导物质上，例如钨的材质，制作完成后直接通过电流产生热效应，亦可达到加热的效果。

上述加热的温度，比目前灯泡的温度低，因为金属光子盒可以改变黑体幅射的光谱，加强光在所设计波长的强度，因此要达到可见光或其它设计波长的同样强度，其温度会比传统的黑体幅射温度低。再者，上述加热的金属光子盒可置于真空(压力远低于一大气压，如133Pa以下)封装内，以降低金属在高温下被氧化的速率。

本发明的金属光子盒亦可用利用不同尺寸的金属光子盒对应不同的光波长之特性，设计成发射不同可见光光源而控制光的颜色。其所遵守的公式为电磁学空腔共振体之截止波长公式：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{klm}}=\frac{2\mathrm{na}}{\sqrt{k^2+l^2+m^2}}$

其中n为折射率，α为金属光子盒的边长，k，l，m为共振腔不同模态，最小为0或1。例如欲对应红色光源，金属光子盒尺寸为300纳米，对应绿色光源之金属光子盒尺寸为250纳米，对应蓝色光源之金属光子盒尺寸为220纳米，其它颜色以此类推。若要达到高亮度的白光光源(照明技术的首要目标)，可设计对应不同尺寸的金属光子盒，例蓝、黄的金属光子盒混合排列，或红、绿、蓝三种金属光子盒混合排列，均可轻易达到白光光源的效果，而不需要复杂的长晶技术或特定材料以发出特定颜色的光，利用此技术也可增强在其它非可见光的特定波长的发光强度。不同颜色的金属光子盒可以利用半导体制程做在同一基板上，只是光罩的图样根据需要改变。因此在样品上可以同时有不同波长的金属光子盒，以同时发出不同颜色的光。

有关本发明的金属光子盒，其应用非常广泛，例如照明所需要的白光光源，可利用三种尺寸的金属光子盒(红，绿，蓝)制作在同一试片上加热，即可达到，若取代传流钨丝灯之灯丝，发光效率将大为提高，所产生的光源也不会是偏黄的光线。此外，白色光光源亦可应用在最近发展成熟的液晶显示器，其所需的背光源，加上金属光子盒体积极小(纳米尺寸)，将可大辐降低液晶显示器的体积。

若金属光子盒的尺寸固定，其发光颜色也将固定，可以做为指示灯或交通号志用。与传统需要彩色玻璃的指示灯相比，其在该颜色的光之发光效率佳，可以省电，而且可以用同一种材料制造就可以做出不同颜色的指示灯，比半导体之LED用不同材料以达到不同颜色相比，金属光子盒指示灯或交通号志更容易制作，生产成本更低。

另一方面，金属光子盒亦可直接应用在显示方面，将金属光子盒分区域，每一区域代表某一颜色的波长和像素(pixel)，控制不同电流通过不同区域金属光子盒，可以达到不同区域的颜色显示，因此可以达到彩色的显像。加上金属光子盒尺寸小的缘故，每一个像素(pixel)可以小到金属光子盒的尺寸，(比μm还小)，因此可制作高分辨率的显示器。此类显示器与目前的液晶显示器相比，不需背光板，不需滤光片(color filter)，不需液晶材料等等，制作更容易，生产成本更低。而且在制作完成后，由于金属的可弯曲性，金属光子盒可以做在弯曲表面上，使显示器的形状更多变化。

金属光子盒亦可制作在通讯组件上，制作出通讯所需要的1.55μm波长或其它波长，其所对应的金属光子盒尺寸约为730纳米，其它各领域所需要之光源亦以此类推来制作。

下列的实施例并非用以限定本发明实施的范围，任何熟习此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，即凡依本发明所做的均等变化与修饰，应为本发明专利范围所涵盖。

实施例

有关本发明之金属光子盒，其详细的制作流程如下：

1.参阅图4，在硅基板上蒸镀一层金属-铂(白金)，厚度约为100纳米。然而此技术不限定基板的材质。

2.制作一层厚度为220纳米之介质层，利用旋涂SOG(spin-onglass)来成长。

3.以电子束显影(E-beam lithography)的方式定义出光阻的区域，边长为220纳米的正方型，间隔为100纳米(上视图，参见图5)当作光罩(mask)。

4.利用干蚀刻(RIE，Reactive Ion Etch)的技术蚀刻掉没有光阻的的区城。

5.蒸镀厚度为220纳米的金属-铂(白金)，之后再将光阻清洗掉。

6.参见图6，再蒸镀厚度为10纳米的掩盖层(cover)金属即完成。

经过上述步骤的制造，将所制得之金属光子盒置入高温量测系统，可观察到发出467纳米的波长，其频谱请参阅图7，温度约在摄氏700度左右，完全达到我们所欲观察到的波长，且其频谱压抑了截止波长467纳米以上的波段，将其能量转移到短波长的区域，所以467纳米的强度也被放大了五到六倍左右，大辐提高了原本可见光波段的发光效率。就能源观点来看，电流只需原本的五分之一，即可达到相同的亮度，达到大辐省电的效果。与图8相比较，其显示了无金属光子盒之黑体辐射下铂表面之发光频谱。可以发现长波长部份被压抑许多，而只在金属光子盒之截止波长出现一放大五至六倍的强度，使得可见光所占能量的比例大辐提高20～30％，致使可见光范围的发光效率大辐提高。

Claims (23)

1.一种金属光子盒，其特征在于：包括一金属包围壁，形成一共振腔；以及不导电介质，置于该共振腔中，其中该不导电介质具有特定的尺寸，以形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振，其中该金属光子盒于一定温度下产生辐射光，其一定波段的发光强度将得以强化。

2.根据权利要求1所述的金属光子盒，其特征在于，系将无法在该金属光子盒共振的光波能量转移到短波段的区域，以增强该短波段的区域中特定光波长之发光强度。

3.根据权利要求1所述的金属光子盒，其特征在于，该金属光子盒系选自包括下列之任一种形状：正立方体形状、长方体形状、球体形状、椭球体形状、金字塔形状及其它可以用半导体制程制作的几何形状。

4.根据权利要求1所述的金属光子盒，其特征在于，其中该不导电介质系选自包括下列之任一种介质：二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、空气及真空。

5.根据权利要求1所述的金属光子盒，其特征在于，其中该金属包围壁之金属，其厚度系介于1nm至10μm之间。

6.根据权利要求1所述的金属光子盒，其特征在于，其中该金属系选自包括下列的任一种具高熔点的金属：铂、钨及金。

7.一种制作如权利要求1所述的金属光子盒的方法，其特征在于包括下列步骤：

(a)在一基板上形成一金属层；

(b)在该金属层上形成一不导电介质层；

(c)以显影术在该不导电介质层上定义出光阻之区域；

(d)除去该不导电介质层上没有光阻覆盖之区城；

(e)在该不导电介质层上形成一金属层；及

(f)剥除该光阻；及

(g)在该不导电介质层上形成一金属掩盖层。

8.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(a)的基板系为硅基板、玻璃基板、金属基板或导热基板。

9.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(a)的金属层厚度系介于5nm至1μm之间。

10.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中该金属层及金属掩盖层的金属系选自包括下列之任一种具高熔点之金属：铂、钨及金。

11.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(b)的不导电介质层系以PECVD、蒸镀、溅镀或旋涂方式涂覆于该基板上。

12.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(c)的显影术为光学显影术、电子束显影术、离子束显影术、原子力显影术或扫瞄电子穿隧显影术。

13.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中该所制得的金属光子盒系选自包括下列之任一种形状：正立方体形状、长方体形状、球体形状、椭球体形状、金字塔形状及其它可以用半导体制程制作的几何形状。

14.根据权利要求13所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中该所制得的金属光子盒系为正立方体形状。

15.根据权利要求14所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(b)的不导电介质层厚度约为所欲光波长的50％。

16.根据权利要求14所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(c)的光阻区域系为边长约为所欲光波长的50％的正方形。

17.根据权利要求14所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(e)的不导电介质层的厚度为步骤(b)中的介质层厚度或小于此厚度。

18.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中步骤(g)的金属掩护层系具有厚度介于1nm至500nm之间。

19.根据权利要求7所述的制作金属光子盒的方法，其特征在于，其中该不导电介质层系选自包括下列之任一种介质：二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、空气及真空。

20.一种应用可增强特定光波长发光强度的金属光子盒的光源，其特征在于包括：

一黑体辐射发射体，其具有预定纳米尺寸的金属光子盒；及一加热源，其可加热该金属光子盒的金属，

其中该金属光子盒可形成一截止波长，使得大于该截止波长的光波段无法在该金属光子盒共振。

21.根据权利要求20所述的金属光子盒的光源，其特征在于，其中该金属光子盒系将无法在该金属光子盒共振的光波能量转移到短波段的区域，以增强该短波段的区域中特定光波长的发光强度。

22.根据权利要求20所述的金属光子盒的光源，其特征在于，其中该金属光子盒系选自包括下列之任一种形状：正立方体形状、长方体形状、球体形状、椭球体形状、金字塔形状及其它可以用半导体制程制作的几何形状。

23根据权利要求20所述的金属光子盒的光源，其特征在于，其中该金属光子盒的金属包围壁的金属，其厚度系介于1nm至10μm之间。

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