制备正交光子晶体的过程分析

　　光子晶体作为一种提高 LED 发光效率的有效手段，成为了目前研究的热门之一。全息干涉技术制备光子晶体以其制备迅速、一次成型、成本低等特点使得低成本实现高出光率光子晶体 LED 制作成为可能。

　　1 双光束两次曝光法制备正交光子晶体

　　目前制作光子晶体的方法成本高，不适合制作大面积结构。而激光全息技术可以制作微米和亚微米级光子晶体，光子晶体尺寸可以达到厘米级，制作成本较低，便于产业化生产。全息技术制作二维正交光子晶体的方法有很多，双光束两次曝光法光路简单，只有两束相干光，光束的光强和偏振态容易调节，并且一次成型，不需要制作全息光学组件 （HOE:Holographic optical components） 等光学元件。双光束两次曝光法制备光子晶体的光路图见图 1 所示。

　　2 制备正交光子晶体的过程

　　2.1 样品的配制

　　试验中所用的光刻胶为 SU-8 型环氧树脂，它在整个可见光波段都具有良好的透光性，且光散射较低，适合于深层固化。引发剂为环戊二烯基异丙苯铁六氟磷酸盐 Irgacure261,它在 532nm 波段有较好的吸收特性，可以用可见光引发产生阳离子，进而引起感光树脂的聚合。溶剂为 1,4. 丁内酯，它可以把预聚体和引发剂充分溶解和混合。配制光刻胶时，按 1:l 质量比将环氧树脂 SU.8 溶于溶剂 l,4. 丁内酯中，再加入一定量（ 约为 SU.8 和 1,4. 丁内酯总质量的 4.0% ） 的阳离子光引发剂Irgacure261.充分溶解后，滴加并涂覆在带有 ITO 薄膜的外延片上，利用匀胶机将光刻胶旋转展成薄膜。光刻胶的厚度为 700nm 左右。涂覆光刻胶后的外延片，需要经过一定的温度和时间的烘焙处理。温度和时间的控制是烘焙处理的关键，试验中采用恒温干燥箱进行烘烤，把光刻胶膜置于 90℃左右的烘箱中高温加热 30 分钟。

　　2.2 曝光

　　在制备二维正交光子晶体的过程中，保持两束相干光的强度不变 （ 中心光强 35mw,光斑光强 137.2mw 左右 ），通过改变曝光时间，多次试验，将结果进行比对，从而得到制备占空比为1:

　　1 的光子晶体的最佳曝光时间

　　在实验中，将曝光时间分别控制在 6×6s、7×7s、8×8s进行多次试验。在将实验结果进行比对后发现，只有曝光时间8×8s 的情况下所制备的光子晶体占空比约为 1:1.

　　2.3 聚合反应

　　曝光后的样品尚需要高温烘焙来实现有效的聚合反应。因为虽然在引发剂受到干涉光照射后，在光场的相长干涉极大值附近容易产生阳离子，但是只有高温条件下环氧基的有效的阳离子聚合反应才能发生。将曝光后的样品置于 90℃的恒温干燥箱中加热，烘焙时间约 30 分钟，才能完成交联聚合反应，然后让其自然冷却。为了防止胶膜发生裂纹，宜采取缓慢升温和缓慢冷却的方法。

　　2.4 显影

　　显影就是把曝光烘焙后的样品用显影液除去应该去掉的部分光刻胶。曝光部分的光刻胶发生了光化学反应，从而大大的改变了这部分光刻胶在显影液中的溶解度。对于负性光刻胶，这部分将不溶于显影液，而未曝光部分的光刻胶将溶于显影液。把样品浸泡在盛有显影液的容器中，浸泡 2 分 30 秒，然后用丙酮清洗残留的洗液。丙酮的挥发性很大，可让样品自然干燥。

　　之后通过拍摄扫描电镜图来分析实验结果。在制作光刻胶光子晶体掩膜时，曝光时间，显影时间以及显影液浓度是关键性的条件。显影后的样品以一定角度观察样品，会看到因衍射产生的彩色。从 SEM 上测量光子晶体的周期，约为 1.5um 左右。

　　2.5 湿法腐蚀

　　腐蚀主要分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种。由于 ITO 薄膜非常牢固、坚硬、耐碱、耐热、耐潮湿且性能稳定，但耐酸性较差，所以可以采用湿法腐蚀对 ITO 薄膜进行刻蚀。干法刻蚀包括等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子束刻蚀三种。上述方法具有各向异性和对光刻胶的选择性好等优点。但与湿法刻蚀相比，其缺点是对反应条件的控制要求比较高，价格昂贵。由于 LED外延片对酸有极强的耐腐蚀性，ITO 容易被酸腐蚀，本实验采用酸湿法腐蚀 ITO.

　　腐蚀所用的酸溶液采用体积比为 50:3:50 的浓 HCI,浓HNO3 和水的混合液在 50℃进行，腐蚀完毕后用去离子水清洗干净。腐蚀结束后将外延片放置到 500℃的管式炉中，大气氛围下烧掉 ITO 上方的光刻胶，得到 ITO 二维光子晶体结构。

　　3 光子晶体在 LED 发光效率中的作用
　　
　　LED 作为新型高效光源，对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用，然而由于在半导体材料与空气界面的折射率差引起的全反射损耗，使 LED 的光提取效率很低。

　　为提高光的提取效率，许多方法被提出，如表面粗化、金属表面等离激元、光子晶体等。在众多方法中，光子晶体的效果最为显着。以上述制备的光子晶体便可以使 LED 的发光效率提高 20%.对于光子晶体提高 LED 发光效率的研究仍然需要改进和完善，但这种制作光子晶体的方法，工艺简单，造价低廉，适合进行产业化生产。

　　3 结语

　　本文提出了利用双光束两次曝光制备光子晶体的方法，这种方法光路简单，易于调节，并且一次成型，以 532nm 可见光为光源，这种光源更易获得，并且在平台搭建和光路调节方面更具优势，配制了感光波长在 532nm 的光刻胶，成功制备占空比为 l:1 的二维正交光子晶体。本文所得结果对于光学集成及能源利用具有重要的参考价值。

　　参考文献：
　　[1]Knight J C,Birks T A. All-silica single-mode optical fiber with hotonic crystal cladding. Optics Letters.1996,21:1547-1549.