金屬光子盒及其製作方法與光源的製作方法
2023-04-25 15:40:46 1
專利名稱：金屬光子盒及其製作方法與光源的製作方法
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的金屬光子盒及其製造方法與應用。
背景技術：
自一八九七年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，價格低廉能供大眾普及使用的發光組件，能夠帶給人類更好的生活品質。目前全球電力約有百分之三十用在照明，在全球天然資源逐漸耗盡的情況下，如何創造更省電及更有效率的發光組件是人類亟欲解決的問題。
早期的照明主要是白熾電燈泡，白熾電燈泡是利用鎢絲通電後產生熱阻效應上升至高溫(約2,500℃)以發出黑體輻射的可見光供照明。白光熾鎢絲燈泡有低效率、高耗電、壽命短、易碎等缺點。
近幾十年來，由於科技的發展快速，許多創新的主動發光照明組件也一一問世，例如日光燈管，白光發光二極體(LED，LightEmitting Diode)…等。現分別說明如下日光燈日光燈管簡單地說就是個密閉的氣體放電管，長形玻璃放電管的兩端個別裝有一組燈絲，燈絲上塗布電子放射物，如氧化鉀或氧化鈣。玻璃管內壁塗布螢光粉，管內充有氬氣、氖氣及氪氣三種惰性氣體及加入少量水銀。當兩極間施以電壓時，極間開始放電，射出電子，並與管內的水銀原子互相碰撞而形成氣體放電狀態，並釋出波長為253.7納米的紫外光。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，若將燈管內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、磷酸化鑭鈰摻雜鋱、及氧化鋇鎂鋁摻雜銪。日光燈輸入的電能約60％可轉換成紫外光，而其它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，日光燈的效率約為60％×40％＝24％，大約為相同功率鎢絲燈的兩倍。日光燈雖省電，仍有廢棄物含汞汙染、易碎等問題。
白光發光二極體白光發光二極體具有體積小、無熱幅射、耗電量低、壽命長和反應速度佳等優點，能解決許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約能源與環境保護的共識，皆決定選擇白光發光二極體作為二十一世紀照明的新光源。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，則每年可省下1～2座發電廠的發電量，間接減少的耗油量達10億公升，而且在發電過程中所排放的二氧化碳也會減少，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使用率的課題也深受大眾重視。若臺灣四分之一的照明設備能省電達30％，則每年可省下110億度的電力，相當於一座核能電廠每年的發電量，同時減少二氧化碳排放，每年節省約上億升的原油消耗(資料來源光電協進會2000/7)。由此可見，節省能源所得到的效益是多麼地驚人。
因此，亟需一種能提高傳統照明設備的發光效率，且能達到省電效果的發光源。
發明內容
本發明的主要目的系提供一種可增強特定波長光發光效率的金屬光子盒及其製造方法，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。
本發明的另一目的系提供含有前述金屬光子盒之光源，其中該光源因光波能量轉移到短波段的區域，因此可增強該短波段的區域中特定光波長之發光強度。
本發明公開了一種可增強特定光波長之發光強度的金屬光子盒，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，其中該不導電介質具有特定之尺寸，以形成一截止波長，使得大於該截止波長的光波段無法在該金屬光子盒共振，其中當該金屬光子盒於一定溫度下產生輻射光時，其一定波段之發光強度將得以強化。
本發明還公開了一種製造可產生所欲光波長之金屬光子盒的方法，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)在該不導電介質層上形成一金屬掩蓋層。
下面將結合附圖對本發明的目的、功能與優點，進行詳細說明。
圖1為黑體輻射在三種不同溫度下的頻譜圖。
圖2將含有本發明的金屬光子盒的試片置於加熱基座進行熱效應實驗的示意圖。
圖3是將含有本發明的金屬光子盒的試片直接置於可產生熱的高耐熱電傳導物質上進行熱效應實驗的示意圖。
圖4是顯示製造本發明實施例的金屬光子盒的製作結構示意圖。
圖5為圖4的上視圖，此為光阻的數組結構。
圖6為本發明實施例的金屬光子盒的結構完成圖。
圖7為220納米的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納米的位置，光強度被放大了5～6倍左右，與圖6相比較，可以發現長波長部份被壓抑許多，而只在金屬光子盒的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8為鉑表面的發光頻譜(無金屬光子盒之黑體輻射)，溫度約在攝氏700度。
具體實施例方式
本發明利用高溫發出黑體輻射且透過金屬光子盒，造成可見光範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的金屬光子盒，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，其系充填於該共振腔中，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，請參閱圖1，可看出在不同溫度之下其頻譜的分布，而隨著溫度及波長的不同，其輻射強度也隨之改變，其依循著普朗克黑體輻射的公式E(,T)=2hc25(ehc/kT-1)]]>其中主要的參數λ為波長，T是黑體絕對溫度，c是光速，h為普朗克常數，k為玻爾茲曼常數。隨著溫度上升，頻譜最強的波長位置之隨之左移，參閱圖1，在溫度2500K的時候，輻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，其輻射最強的波長已開始進入到可見光的範圍；若再上升到5800K時，對人的肉眼而言，會呈現亮白色的顏色。
本發明利用金屬光子盒所含之共振腔，使得發出的黑體輻射改變。透過共振腔這樣的屏蔽封閉體，能夠把電磁場完全封閉在金屬導體壁內，達到共振而產生駐波的效應，因此對應出不同的截止波長，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klm=2nak2+l2+m2]]>其中主要的參數λklm為不同模態的波長，α是立方體共振腔的邊長，n是共振腔內部介質之折射率，k、l、m分為不同的模態數，若對應主模模態的情況，也就是可對應最長的波長，稱之為截止波長(Cut-off wavelength)，公式可簡化為klm=2na]]>所以，欲製作對應波長467納米之藍光的金屬光子盒，而假設n介質的折射率為1.5，所設計的結構a立方體邊長約為220納米。若金屬光子盒為其它形狀，也可以達到類似的效果，其截止波長可依照電磁學的理論另外計算。
根據本發明的金屬光子盒，可將無法在該金屬光子盒共振的光波能量轉移到短波段的區域，以增強該短波段的區域中特定光波長之發光強度。不同尺寸的金屬光子盒，可應用於其它領域，例如光通訊所需要傳輸的1.55微米紅外光波長，亦可利用本發明的技術達成。因此，其應用及發展空間極為廣泛。本發明的特色是，改變發光波長時，並不需要更換材料組成，只需透過金屬光子盒的尺寸變更，應用相同的製程技術就可達成，與其它類發光技術相比，是較容易在各式波長發光的新技術。
因此，該金屬光子盒可以任何形狀存在，例如但不限於正立方體形狀、長方體形狀、球體形狀、橢球體形狀、金字塔形狀及其它可以用半導體製程製作之幾何形狀，較佳為正立方體形狀。
本發明的金屬光子盒，其金屬包圍壁的金屬，較佳具有厚度系介於1nm至10μm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的金屬，較佳為鉑、鎢或金。再者，該金屬光子盒的不導電介質，可為各式各樣熟習此項技術者所習知的介電材料，例如但不限於二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、空氣或真空。
根據本發明的金屬光子盒，其可用半導體製程技術，將其製作於白熾燈泡內之鎢絲外面，將可大輻提高原本白熾燈泡之發光效率以及更為省電。由於傳統燈泡發光能量約只有5％的能量集中在可見光，利用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，達到照明效果更強，更為省電的目的，應用在照明產業上，每年將可省下上億度電，相當於一座核能發電廠每年所提供的電量。
因此，本發明另提供一種製造可產生所欲光波長的金屬光子盒的方法，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)在該不導電介質層上形成一金屬掩蓋層。
根據該方法的步驟(a)，其中所使用之基板可為但不限於矽基板、玻璃基板、金屬基板或導熱基板。該步驟(a)的金屬層，較佳系具有厚度介於5nm至1μm之間。
根據該方法的步驟(b)，其中所使用之不導電介質層系以PECVD、蒸鍍、濺鍍或旋塗方式塗覆於該基板上。其中該不導電介質層系選自包括下列的任一種介質二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、空氣及真空。
根據該方法的步驟(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-beamlithography)、離子束顯影術(ion-beam lithography)、原子力顯影術(Atomic forcelithography)或掃瞄電子穿隧顯影術(Scanning tuning electronlithography)。
根據該方法，其中該金屬層及金屬掩蓋層的金屬係為熟習此項技術者所習知的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)的金屬掩護層系具有厚度介於1nm至500nm之間。
如前所述，本發明的金屬光子盒可以任何形狀存在，能選自包括下列之一的任一形狀正立方體形狀、長方體形狀、球體形狀、橢球形狀、金字塔形狀及其它可以用半導體製程製作的幾何形狀。當欲製成正立方體時，該方法的步驟(b)中不導電介質層的厚度為所欲光波長的約50％，步驟(c)的光阻區域係為邊長為所欲光波長的約50％之正方形，且步驟(e)的不導電介質層的厚度為步驟(b)中的介質層厚度或小於此厚度。
本發明可利用納米尺度的金屬光子盒被覆於例如燈泡的鎢絲表面，利用鎢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，是應用上述可增強特定光波長發光強度的金屬光子盒的光源，其包括一黑體輻射發射體，其具有預定納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，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。
有關本發明所提供的光源，茲進一步說明如後其中該金屬光子盒是將無法在該金屬光子盒共振的光波能量轉移到短波段的區域，以增強該短波段的區域中特定光波長的發光強度。其中該金屬光子盒系選自包括下列的任一種形狀正立方體形狀、長方體形狀、球體形狀、橢球體形狀、金字塔形狀及其它可以用於半導體製程製作的幾何形狀。其中該金屬光子盒的金屬包圍壁的金屬厚度介於1nm至101μm之間。
請參閱圖2，將金屬光子盒結構製作完成後，連同試片一起放到加熱的基座上，基座設計的方法是利用石墨或鎢片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，而整個加熱的基臺置於一真空腔體下進行。
或者請參閱圖3，直接將金屬光子盒結構製作在可產生熱的高耐熱電傳導物質上，或金屬光子盒的金屬即為可產生熱的高耐熱電傳導物質上，例如鎢的材質，製作完成後直接通過電流產生熱效應，亦可達到加熱的效果。
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，加強光在所設計波長的強度，因此要達到可見光或其它設計波長的同樣強度，其溫度會比傳統的黑體幅射溫度低。再者，上述加熱的金屬光子盒可置於真空(壓力遠低於一大氣壓，如133Pa以下)封裝內，以降低金屬在高溫下被氧化的速率。
本發明的金屬光子盒亦可用利用不同尺寸的金屬光子盒對應不同的光波長之特性，設計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空腔共振體之截止波長公式klm=2nak2+l2+m2]]>其中n為折射率，α為金屬光子盒的邊長，k，l，m為共振腔不同模態，最小為0或1。例如欲對應紅色光源，金屬光子盒尺寸為300納米，對應綠色光源之金屬光子盒尺寸為250納米，對應藍色光源之金屬光子盒尺寸為220納米，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的金屬光子盒，例藍、黃的金屬光子盒混合排列，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它非可見光的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程做在同一基板上，只是光罩的圖樣根據需要改變。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。
有關本發明的金屬光子盒，其應用非常廣泛，例如照明所需要的白光光源，可利用三種尺寸的金屬光子盒(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，發光效率將大為提高，所產生的光源也不會是偏黃的光線。此外，白色光光源亦可應用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(納米尺寸)，將可大輻降低液晶顯示器的體積。
若金屬光子盒的尺寸固定，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佳，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，比半導體之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μm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(color 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組件上，製作出通訊所需要的1.55μm波長或其它波長，其所對應的金屬光子盒尺寸約為730納米，其它各領域所需要之光源亦以此類推來製作。
下列的實施例並非用以限定本發明實施的範圍，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，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。
實施例有關本發明之金屬光子盒，其詳細的製作流程如下1.參閱圖4，在矽基板上蒸鍍一層金屬-鉑(白金)，厚度約為100納米。然而此技術不限定基板的材質。
2.製作一層厚度為220納米之介質層，利用旋塗SOG(spin-onglass)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納米的正方型，間隔為100納米(上視圖，參見圖5)當作光罩(mask)。
4.利用幹蝕刻(RIE，Reactive Ion Etch)的技術蝕刻掉沒有光阻的的區城。
5.蒸鍍厚度為220納米的金屬-鉑(白金)，之後再將光阻清洗掉。
6.參見圖6，再蒸鍍厚度為10納米的掩蓋層(cover)金屬即完成。
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納米的波長，其頻譜請參閱圖7，溫度約在攝氏700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納米以上的波段，將其能量轉移到短波長的區域，所以467納米的強度也被放大了五到六倍左右，大輻提高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。與圖8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。
權利要求
1.一種金屬光子盒，其特徵在於包括一金屬包圍壁，形成一共振腔；以及不導電介質，置於該共振腔中，其中該不導電介質具有特定的尺寸，以形成一截止波長，使得大於該截止波長的光波段無法在該金屬光子盒共振，其中該金屬光子盒於一定溫度下產生輻射光，其一定波段的發光強度將得以強化。
2.根據權利要求1所述的金屬光子盒，其特徵在於，系將無法在該金屬光子盒共振的光波能量轉移到短波段的區域，以增強該短波段的區域中特定光波長之發光強度。
3.根據權利要求1所述的金屬光子盒，其特徵在於，該金屬光子盒系選自包括下列之任一種形狀正立方體形狀、長方體形狀、球體形狀、橢球體形狀、金字塔形狀及其它可以用半導體製程製作的幾何形狀。
4.根據權利要求1所述的金屬光子盒，其特徵在於，其中該不導電介質系選自包括下列之任一種介質二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、空氣及真空。
5.根據權利要求1所述的金屬光子盒，其特徵在於，其中該金屬包圍壁之金屬，其厚度系介於1nm至10μm之間。
6.根據權利要求1所述的金屬光子盒，其特徵在於，其中該金屬系選自包括下列的任一種具高熔點的金屬鉑、鎢及金。
7.一種製作如權利要求1所述的金屬光子盒的方法，其特徵在於包括下列步驟(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；及(f)剝除該光阻；及(g)在該不導電介質層上形成一金屬掩蓋層。
8.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(a)的基板係為矽基板、玻璃基板、金屬基板或導熱基板。
9.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(a)的金屬層厚度系介於5nm至1μm之間。
10.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中該金屬層及金屬掩蓋層的金屬系選自包括下列之任一種具高熔點之金屬鉑、鎢及金。
11.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(b)的不導電介質層系以PECVD、蒸鍍、濺鍍或旋塗方式塗覆於該基板上。
12.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(c)的顯影術為光學顯影術、電子束顯影術、離子束顯影術、原子力顯影術或掃瞄電子穿隧顯影術。
13.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中該所製得的金屬光子盒系選自包括下列之任一種形狀正立方體形狀、長方體形狀、球體形狀、橢球體形狀、金字塔形狀及其它可以用半導體製程製作的幾何形狀。
14.根據權利要求13所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中該所製得的金屬光子盒係為正立方體形狀。
15.根據權利要求14所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(b)的不導電介質層厚度約為所欲光波長的50％。
16.根據權利要求14所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(c)的光阻區域係為邊長約為所欲光波長的50％的正方形。
17.根據權利要求14所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(e)的不導電介質層的厚度為步驟(b)中的介質層厚度或小於此厚度。
18.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中步驟(g)的金屬掩護層系具有厚度介於1nm至500nm之間。
19.根據權利要求7所述的製作金屬光子盒的方法，其特徵在於，其中該不導電介質層系選自包括下列之任一種介質二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、空氣及真空。
20.一種應用可增強特定光波長發光強度的金屬光子盒的光源，其特徵在於包括一黑體輻射發射體，其具有預定納米尺寸的金屬光子盒；及一加熱源，其可加熱該金屬光子盒的金屬，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。
21.根據權利要求20所述的金屬光子盒的光源，其特徵在於，其中該金屬光子盒系將無法在該金屬光子盒共振的光波能量轉移到短波段的區域，以增強該短波段的區域中特定光波長的發光強度。
22.根據權利要求20所述的金屬光子盒的光源，其特徵在於，其中該金屬光子盒系選自包括下列之任一種形狀正立方體形狀、長方體形狀、球體形狀、橢球體形狀、金字塔形狀及其它可以用半導體製程製作的幾何形狀。
23根據權利要求20所述的金屬光子盒的光源，其特徵在於，其中該金屬光子盒的金屬包圍壁的金屬，其厚度系介於1nm至10μm之間。
全文摘要
本發明公開了一種可增強特定光波長之發光強度的金屬光子盒及其製作方法與光源。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，其系充填於該共振腔中；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。
文檔編號H01K3/02GK1638016SQ20041001164
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者林清富, 趙家忻 申請人:林清富