TWI253518B - Metallic photonic box and its fabrication techniques - Google Patents

Description

1253518 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種金屬光子盒，特別是一種可增強特定波長光發光效率 之光子盒及其製造方法。 【先前技術】 自西70—八九七元愛迪生發明電燈泡後，人們就不斷地想盡各種方 法想改進照明的技術，最終目的當然是更省電，發光效率更好，價格低廉 月bt、大眾普及使用的發光元件，能夠帶給人類更好的生活品質。目前全球 电力約有百分之二十用在照明，在全球天然資源骑耗盡的情況下，如何 創更省電及更有效率的發光元件是人類虽欲解決的問題。 早期的照明主要為自熾紐泡，白熾紐泡侧闕絲通電後產生熱阻 效應上升至高溫（約2, 5GGT)以發出黑體輕射的可見光供照明。白光熾鶴 絲燈泡亦有倾率、高耗電、壽輕1鱗缺點。 成十年來φ於科技的發展快速，許多創新的主動發光照日月元件也一 :問世，例如：日光燈管，白光發光二極體(LED，Light EmittingDiode)·.. 等。茲分別說明如下：

BJtM ± 間早地說就是個密閉的氣體放電管，長形玻魏電管的兩端個 j衣有，，且燈、、.糸，燈絲上塗布電子放射物，如氧化卸或氧化妈。玻璃管内 ，塗布螢输’充錢氣髮顧三及⑽量水銀。 田兩極間㈣電壓時’極間開始放電，射出電子，並與管内的水銀原子互 12535.18 相碰撞而形成氣體放電狀態，並釋出波長為253.7奈米的紫外光。當紫外 光激發螢光粉時，即可發出可見光，發光波長則由螢光物質的原子結構決 定。因此，若將燈管内壁混合塗上多種螢光物質，便可產生多種不同顏色 的可見光。日光燈所使用的螢光粉主要有氧化釔摻雜銪、磷酸化鑭鈽摻雜 铽、及氧化鋇鎂鋁摻雜銪。日光燈輸入的電能約6〇%可轉換成紫外光，而 其他的能量則轉換成熱能。一般紫外光轉換為可見光的效率約為40%。因 此，曰光燈的效率約為60% X鄕=24%，大約為相同功率鎢絲燈的兩 L。日光燈雖省電，仍有廢棄物含汞污染、易碎等問題。 白光發光二極體具有體積小、無熱幅射、耗電量低、壽命長和反應速度 仫等優點，能解決非常多過去傳統燈泡所難以克服的問題，但白光發光二 極體對材料的選擇，以及長晶的要求極高，製作上並不容易。近年來，歐 美和日本等國基於節_源與環境保護的共識，皆決定選擇白光發光二極 體作為二十—世紀照明的新光源。再加上目前許多國家的能源都仰賴進 口，使得它在照明市場上的發展極具價值。根據專家評估，日本若是將所 有白熾燈以白光發光二極體取代，騎年可省下卜2座發電廠的發電量， 間接減少的條量達1G億公升，而且在魏職巾簡_二氧化礙也會 減少，進而抑制了溫室效應。 在臺灣，由於核四廠興建問題引發很大的爭議，促使目前新能源的開發 以及提高能源制率的課題也深受大眾重視。若臺灣四分之—的照明設備 能省電達_ ’聽年可省下11G億度的電力，相t於—趣能電廠每年的 1253518 發電量’同時減少二氧化碳排放，每年節·上億升的原油消耗（資料來 源：光電協進會2GGG/7)。由此可見，節省能源所得到的效益是多麼地驚 因此，亟需一種能提高傳統照面設備的發光效率，且能達到省電效果的 發光源。 【發明内容】 本發明利用高溫發出黑魏射且透過金屬光子盒，造成可見絲圍的波 段強度大輻增強，並能充分發揮其預期之功效。因此，本發明提供一種可 增強特定光波長之發光強度之金屬光子盒，其包括： 金屬包圍壁，其中該金屬包圍壁形成一共振腔；及 不導電介質，其係充填於該共振腔中， 其中該金屬光子盒可形成一截止波長，使得大於該截止波長的光波段無 法在該金屬光子盒共振。 金屬在高溫會發出顯著的黑體輻射現象，如圖一說明，我們可看出在不 同溫度之下其頻譜的分佈，而隨著溫度及波長的不同，其輕射強度也隨之 改變，其依循著蒲朗克黑體輻射的公式： 五(又， 2nhc2 X5(ehc/m-l) 其中主要的參數：為波長，Γ是絕對溫度，c是光速，其它為基本的 物理參數。隨著溫度上升，頻譜最強的波長位置之隨之左移，以圖一說明， 在溫度2500K的時候，韓射最強的波長大約在1· 2微米，此為紅外光發光 波長，所以人的肉眼無法觀察到；然後溫度上升到4000K時，其輻射最強 1253518 的波長已開始進入到可見光的範圍；若再上升到5_κ時，對人的肉眼而 言，大概是會呈現亮白色醜色，所以太陽才會發出熾熱的白色光。 本發明利用金屬光子盒所含之共振腔，餅發丨的黑魏紐變。透過 共振腔這樣的屏_閉體’能夠把電磁場完全封閉在金屬導體壁内，達到 共振而產生駐波的效應，因此對應出不_截止波長，依照電磁學的理論， 如果此金屬光子盒為正立方體，其不同模態波長為 ；一 2ηα λΙ k +12 + m2 ，中主要的參數.“為不_態的波長立方體共振腔的邊長，石 =振朗部介質之折鱗’ w、时為不嗎趙數，若對應主模模態 的情況，也就是可對應最長的波長，稱之為截止》皮長(Cut 〇ff wavelength)，公式可簡化為： yilna 旦欲製作對應波長467奈米之藍光的金屬光子盒，所設計之結構a ^ 7 可以達咖_效果，其截止波長可依照電磁學的理論另外 叶异。 移到二乂二Γ、:子盒’可將無法在該金屬光子盒共振之級能量轉 同尺♦的二:二叫醜短波段的^域巾特定光波長之發^強度。不 m外本冰I子1 ’可應用於其它領域，例如光通訊所需要傳輸的h 55 二二、，亦可_本發明之技術達成。因此，其應用及發展空間 極為廣泛。本發_特色是，改變發光波 麟先技_比，是餘綠各績紐光晴技術。 ^金屬光子孤可以任何形狀存在，例如但不限於正立方體形狀、 1253518 長方體形狀、球體形狀、橢球體形狀、金字塔形狀及其他可以用半導體製 程製作之幾何形狀，較佳為正立方體形狀。 本發明之金屬光子盒，其金屬包酸之金屬，較佳具有厚度係介於i nm 至ίο //m之間。該金屬可為任何熟習此項技術者所習知之任一種具高熔點 之至屬較仏為銘、鎢或金。再者，該金屬光子盒之不導電介質，可為各 式各樣热習此項技術者所習知之介電材料，例如但不限於二氧化矽、氮化 矽、二氧化鈦、空氣或真空。 " 、、根據本個之金屬光子盒，其可財倾餘技術，將其製作於白織燈 /包内之ϋ絲外面，將可大輪提高原本白熾燈泡之發光效率以及更為省電。 =於傳統燈泡發光能制只有5%_量針在可見光，棚金屬光子盒的 設計能確定將非可見光的能量轉移到可見光，達到 電之目的，應用在照明產業上，每年將可省下上億度電，=一】= 發電廠每年所提供的電量。 因此，本發明另提供-種製造可產生所欲光波長之金屬光子盒之方法， 其包括下列步驟： (a) 在一基板上形成一金屬層； (b) 在該金屬層上形成一不導電介質層； (c) 以顯影術在該不導電介質層上定義出光阻之區域； (d) 除去該不導電介質層上沒有光阻覆蓋之區城； (e) 在該不導電介質層上形成一金屬層； (f) 剝除該光阻；及 (g)在该不導電介質層上形成一金屬掩蓋層。 根據該方法之步驟(a)，其中所使用之基板可為但不限於雜板、玻璃 1253518 基板、金屬基板或導熱基板。該步驟(a)之金屬層，較佳係具有厚度介於5nm 至1 /zm之間。 根據該方法之步驟(b)，其中所使用之不導電介質層係以pecvd、蒸鍍、 藏鍵或旋塗方式塗覆於該基板上。 根據該方法之步驟（c)，其中該顯影術可為但不限於光學顯影術 (photolithography)、電子束顯影術(E-beam lithography)、離子束顯影 術（ion-beam lithography)、原子力顯影術(Atomic force lithography) 或掃瞄電子穿隧顯影術(Scanning tuning electron lithography)。 根據遠方法，其中該金屬層及金屬掩蓋層之金屬係為熟習此項技術者所習 知之任一種具高熔點之金屬，較佳為鉑、鎢或金。 根據該方法，其中步驟(g)之金屬掩護層係具有厚度介於lnm至5〇〇nm之間。 如前所述，本發明之金屬光子盒可以任何形狀存在，當欲製成正立方體時， 該方法之步驟(b)中不導電介質層之厚度為所欲光波長之約5〇%，步驟(c) 之光阻區域係為邊長為所欲光波長之約5〇%之正方形，且步驟(e)之不導電 介質層之厚度為步驟⑹中之介質層厚度或小於此厚度。 本發明可奈米尺度的金屬光子盒被覆於例如燈泡_絲表面，利用 嫣絲熱電阻效應上升至高溫的情形下，發出黑體輻射，再利用電磁波在金 屬光子盒裡的共振腔行為，大幅增加可見光的發光效率，亦可增加其穩定 性，在相同亮度需求下，電流也可降低，達到省電的功能。 因此，本發明又提供一種光源，其包括： 一黑體輻射發射體，其具有預定奈米尺寸的金屬光子盒；及 一加熱源，其可加熱該金屬光子盒之金屬， 12535.18 其中該金屬光子盒可形成一截止波長，使得大於該截止波長的光波壯 法在該金屬光子盒共振。 有關本發明所提供之光源，茲進一步說明如后·· 將金屬光子盒2結構製作完成後，連同試片一起放到加熱的基座*上 基座設計的方法是糊石墨或郁或其它可產生熱之高耐熱電傳導物質 兩端通過電流下產生熱效應，進而達到加熱的效果 置於一真空腔體下進行，如第2圖所示。 ’而整個加熱的基台4 或者’直接_光子盒6結構製作在可產生熱之高耐熱電傳導物質8 上’或金屬光子盒之金屬即為可產生熱之高耐熱電傳導物質上，例如鶴的 材質’製作完錢直親職缝生應，材麵城敝果，如第 三圖所示。 上述加熱的溫度’比目前燈泡的溫度低，因為金屬光子盒可以改變黑體 幅射的光譜’加絲麵設収長_度，因此要_可見絲其他設計 波長的同樣強度，其溫度會轉統的黑舰射溫度低。再者，上述加熱的 金屬光子盒可置於練壓力遠低於—錄壓，如丨咖以下)封裝内，以 降低金屬在高溫下被氧化的速率。 本發明之金屬光子盒亦可用_不同尺寸的金屬光子盒對應不同的光 皮長之特& 成發射不同可見光光源而控制光的顏色。其所遵守的公 式為電磁學雛共鐘线止波長，其巾n k2 +/2 +w2 率，a為金屬光子盒的邊長，k，丨，m為共振腔不同模態最小為q或丄。例 如欲對應紅色光源’金屬光子盒尺寸為咖奈米，對應綠色光源之金屬光 11 1253518 子盖尺寸為250奈米，對應監色光源之金屬光子盒尺寸為mo奈米，其它 顏色以此類推。若要達到高亮度的白光光源（照明技術的首要目標），可設 計對應不同尺寸之金屬光子盒，舰、黃的金屬光子盒混合制，或紅、 綠、藍三種金屬光子盒混合排列，均可輕易達到白光光源的效果，而不需 要複雜的長晶技術或特定材料以發出特定顏色的光，利用此技術也可增強 在其他非可見光之特定波長的發光強度。不同顏色的金屬光子盒可以利用 半導體製紐在同-基板上，只是鮮_樣根據㈣改變。因此在樣品 上可以同時有不同波長的金屬光子盒，以同時發出不同顏色的光。 有關本發明之金屬光子盒，其應用非常廣泛，例如照明所需要的白光光 源，可利用二種尺寸之金屬光子盒（紅，、綠，藍）製作在同一試片上加熱， 即可達到，若取代傳流鎢絲燈之燈絲，發光效率將大為提升，所產生之光 源也不會是偏黃的光線。此外，白色絲源亦可細在最近發展成熟的液 晶顯示器，其所需的背光源，加上金屬光子盒體積極小（奈米尺寸），將可 大輻降低液晶顯示器的體積。 若金屬光子盒之尺寸固定，其發光顏色也將固定，可以做為指示燈或交 通號誌用。與傳統需要彩色玻璃的指示燈相比，其在該顏色的光之發光效 率仏’可以省電’而且可以用同一種材料製造就可以做出不同顏色的指示 燈，比半導狀LED用不同材料以達到不同顏色相比，金屬光子盒指示燈 或交通號誌更容易製作，生產成本更低。 另一方面，金屬光子盒亦可直接應用在顯示方面，將金屬光子盒分區 域，每一區域代表某一顏色的波長和像素(pixel)，控制不同電流通過不同 12 1253518 區域金屬光子盒，可以達到不同區域的顏色顯示，因此可以達到彩色的顯 像。加上金屬光子盒尺寸小的緣故，每一個像素(pixel)可以小到金屬光子 盒的尺寸，（比//m還小），因此可製作高解析度的顯示器。此類顯示器與目 前的液晶顯示器相比，不需背光板，不需濾光片（c〇1〇r filter)，不需液 晶材料等等，製作更容易，生產成本更低。而且在製作完成後，由於金屬 的可彎曲性，金屬光子盒可以做在彎曲表面上，使顯示器的形狀更多變化。 金屬光子盒亦可製作在通訊元件上，製作出通訊所需要的L 55#m波長 或其他波長，其所對應的金屬光子盒尺寸約為73〇奈米，其它各領域所需要 之光源亦以此類推來製作。 下列之實施例並非用以限定本發明實施之範圍，任何熟習此項技術者， 在不脫離本個之精神和範_，t可作些狀更軸麟，即凡依本發 明所做的均等變化與修飾，應為本發明專利範圍所涵蓋。 【實施方式】 有關本發明之金屬光子盒，其詳細的製作流程如下： 1.如第4圖所示，树基板上驗—層金屬—麵（白金），厚度約為⑽ 奈米。然而此技術不限定基板的材質。 2·製作-層厚度為220奈米之介質層，利用旋塗s〇G(spin—〇nglass)來成 長。 3·以電子束顯影(E-beam lithography)的方式定義出光阻的區域，邊長為 220奈米的正方型，間隔為1〇〇奈米（上視圖，如第5圖所示）當作光 罩(mask)。 4.利用乾侧㈣，Reactive IonEtch)的技術姓刻掉沒有光阻的的區城。 13 1253518 5·蒸鍍厚度為220奈米的金屬一鉑（白金），之後再將光阻清洗掉。 6·再蒸鍍厚度為10奈米的掩蓋層（cover)金屬即完成，如第6圖所示。 經過上述步驟的製造，將所製得之金屬光子盒置入高溫量測系統，可 觀察到發出467奈米之波長，其頻譜如第7圖所示，溫度約在攝氏7〇〇度 左右，完全達到我們所欲觀察到的波長，且其頻譜壓抑了截止波長467奈 米以上的波段，將其能量轉移到短波長的區域，所以467奈米的強度亦被 放大了五到六倍左右’大輪提咼了原本可見光波段的發光效率。就能源觀 點來看，電流只需原本的五分之一，即可達到相同的亮度，達到大輻省電 的效果。與第8圖相比較，其顯示了無金屬光子盒之黑體輻射下鉑表面之 發光頻譜。可以發現長波長部份被壓抑許多，而只在金屬光子盒之截止波 長出現一放大五至六倍的強度，使得可見光所佔能量的比例大輻提高 20〜30%，致使可見光範圍的發光效率大輻提高。 【圖式簡單說明】 第1圖係為黑體輪射在三種不同溫度下的頻譜圖。 第2圖係將含有本發明之金屬光子盒之試片置於加熱基座進行熱效應時 之示意圖。 第3圖係將含有本發明之金屬光子盒之試片直接置於可產生熱之高财熱 電傳導物質上進行熱效應實驗之示意圖。 第4圖係顯示製造本發明實施例之金屬光子盒之製作結構示意圖。 第5圖係為第4圖的上視圖，此為光阻的陣列結構。 1253518 26圖係為本购實施例之金屬光子盒之結構完成圖。 第7圖係220奈米之金屬光子盒發光頻譜，溫度約在攝氏700度左右。 由圖可觀察到，在467奈米的位置，光強度被放大了 5〜6倍左右， 與第6圖相比較，可以發現長波長部份被壓抑許多，而只在金屬 光子盒之截止波長出現一放大五至六倍的強度，使得可見光所佔 能量的比例大輻提高20〜30%，致使可見光範圍的發光效率大輻提 南。 第8圖係鉑表面之發光頻譜（無金屬光子盒之黑體輻射），溫度約在攝氏 700 度。 【主要元件符號說明】 2金屬光子盒 4加熱基座 6金屬光子盒 8可產生熱之高耐熱電傳導物質 15

Claims (1)

1253518 十、申請專利範圍： 1. 一種可增強特定光波長之發光強度之金屬光子盒，其包括： 金屬包圍壁，形成一共振腔；及 不導電介質，置於該共振腔中，其中該不導電介質呈 2· 請專利範圍第i項所述之金屬光子盒，係將 金ίίκίϊ，?移到短波段的區域’以増強該s波段的fig 3· 橢球體形狀、金子塔形狀及其他可以用半導體製程製作之幾何开^。 4. 圍第1項所述之金屬光子盒，其中該不導電介質将、登 I包括下列之任一種介質··二氧化石夕、氮化石夕、二氧化工 5· rilSSi 6· 其中該金屬係選自包括 7· -種製造可產生所欲光波長之金屬光子盒之方法，其包括下列步驟： (a)在一基板上形成一金屬層； (b)在a亥金屬層上形成一不導電介質層； ⑹以顯影術在該不導電介質層上定義出光阻之區域； (d) 除去該不導電介質層上沒有光阻覆蓋之區城； (e) 在該不導電介質層上形成一金屬層；及 16