導(dǎo)論
目前，電致發(fā)光二極管(electro-luminance light emitting diode/EL-led)面臨的問題，主要集中在電光轉(zhuǎn)換的效率不盡理想，且大部分的出光被局限于組件的薄膜結(jié)構(gòu)中，故許多研究團(tuán)隊(duì)都致力于解決上述的問題。
在一般的電致發(fā)光二極管中，外部效率(external efficiency)可大致由三個(gè)因子來表示：
圖一：
這三個(gè)因子分別為電流注入效率(injection efficiency)、光汲出效率(extraction efficiency)和光輻射效率(radiative efficiency)。由組件的角度來觀察，光子晶體可以分別藉由不同的物理機(jī)制來達(dá)到改善效率的目的；當(dāng)光子晶體或準(zhǔn)光子晶體層置于主動(dòng)發(fā)光的區(qū)域(請(qǐng)參考圖一)，可以透過普色效應(yīng)(Purcell Effect)來達(dá)到電子空穴對(duì)接合形成有效的光輻射比例的提升，換言之，隨而增進(jìn)了光輻射效率；而當(dāng)光子晶體置于組件表面或置于材料折射率變化較大的層與層間，則有達(dá)到破壞全反射的功能，提升出光錐(extraction cone)，及設(shè)計(jì)出光之光束模態(tài)(beam shaping)、場(chǎng)分布(field profile)及光束方向性(directionality)等等設(shè)計(jì)效果，簡單地說，在合適的設(shè)計(jì)下，可以提升出光效率、并達(dá)到光場(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的目的；最近，金屬光子晶體和表面等離子極化子(surface plasmon polariton)的耦合作用同樣吸引了許多研究上的注意，然若，在不考慮此作用的簡化狀態(tài)，可以利用表面光子晶體的孔洞和金屬電極形狀和位置作一個(gè)優(yōu)化的考慮，亦可以改善在有光子晶體的電致發(fā)光二極管的電流注入效益。
圖2
近來有許多的研究報(bào)告，利用各式各樣的組件表面圖案來提高出光效率的方法，包含了微米尺度的粗糙化(micro-roughening)、微透鏡(microlensing)或金字塔形(micro-pyramid)的表面處理方式；也有利用光子重復(fù)反射的架構(gòu)(photon-recycling scheme)，如布拉格反射鏡(deflected Bragg reflector/DBR)，或是考慮薄膜技術(shù)及金屬反射鏡的結(jié)構(gòu)，又稱為微共振腔方法(micro-cavity)；至于表面光子晶體相關(guān)的研究課題，則包含了常見的二維光子晶體，可分為三角形晶格和方形晶格(請(qǐng)參考圖二(a)(b))，將高折射率材料中的導(dǎo)光模態(tài)(guided mode)耦合成為出光模態(tài)(air mode)；而研究顯示，具有高對(duì)稱性的準(zhǔn)光子晶體(photonic quasi-crystal)可更進(jìn)一步的提高出光效率。
光子晶體(Photonic Crystal)和準(zhǔn)光子晶體(Photonic Quasi-crystal)
相比一般的光子晶體在光通訊及高功率激光器的應(yīng)用上，在電致發(fā)光二極管中，光子晶體所扮演的角色逐漸受到重視。利用二維光子晶體機(jī)制，可藉由改變不同材料間的折射率對(duì)比、孔洞大小和晶格周期的比例(請(qǐng)參考圖二(c))，改變光子能帶結(jié)構(gòu)，尤其是光子能隙(photonic band gap/PBG)的位置及大小，更是設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)。不過，同時(shí)是橫向電模態(tài)(TE mode)和橫向磁模態(tài)(TM mode )的寬光子能隙，并不容易得到。對(duì)二維光子晶體而言，因?yàn)槿切尉Ц窬哂休^高的對(duì)稱性，故較常為利用來做為提高出光(light output)的排列。但對(duì)準(zhǔn)光子晶體而言，它的排列變化較多，其中有些甚而可形成8、9、10、12重(－fold)等的高旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(rotational symmetry)，這樣的對(duì)稱性使得在反晶格的高對(duì)稱點(diǎn)上出現(xiàn)能階簡并(degeneracy)，而有更大的可能性出現(xiàn)寬能隙。
準(zhǔn)光子晶體簡單而言，是一種不具周期性但仍為長程有序(long-range order)的物質(zhì)，由于它可以具有比二維光子晶體還高的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此更容易形成完全能隙。繼擁有光子能隙的一維及二維準(zhǔn)晶體問世后，人造的三維光子準(zhǔn)晶體也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生了。
目前可見的二維準(zhǔn)晶體，包含有潘羅斯(Penrose tiling)、風(fēng)火輪(pinwheel)、向日葵(sunflower).....等等，來自不規(guī)則瓷磚拼花墻面的概念，利用一種以上的簡單幾何形依數(shù)學(xué)數(shù)列做排列，形成的準(zhǔn)晶體或是準(zhǔn)晶格，短程上(short-range)多是不規(guī)則的，但卻有長程上的規(guī)則性，往往可以在真實(shí)空間固定距離上找到高對(duì)稱中心；而這種雖不具傳遞對(duì)稱性(translational symmetry)的晶格，也正因?yàn)椴皇芷湎?，能夠?chuàng)造出更高更理想的點(diǎn)群對(duì)稱性。
機(jī)制、模擬與制作
二維光子晶體利用平面波展開法(plane-wave expansion method)可以得到在二維空間中的能帶分布圖表示，了解在層狀結(jié)構(gòu)中的傳輸模態(tài)(guided mode)和輻射模態(tài)(radiative mode)的物理性質(zhì)。
由物理的直觀來看，非等向性的光子能隙(anisotropic photonic bandgap)來自于光子晶體晶格中的布里淵區(qū)(first Brillouin Zone)的低對(duì)稱性；而一個(gè)完全的光子能隙(complete photonic bandgap)，或稱為等向性的光子能隙(isotropic photonic bandgap)，則可藉由改善布里
