光子晶體作為一種提高 LED 發光效率的有效手段，成為了目前研究的熱門之一。全息干涉技術制備光子晶體以其制備迅速、一次成型、成本低等特點使得低成本實現高出光率光子晶體 LED 制作成為可能。
1 雙光束兩次曝光法制備正交光子晶體
目前制作光子晶體的方法成本高，不適合制作大面積結構。而激光全息技術可以制作微米和亞微米級光子晶體，光子晶體尺寸可以達到厘米級，制作成本較低，便于產業化生產。全息技術制作二維正交光子晶體的方法有很多，雙光束兩次曝光法光路簡單，只有兩束相干光，光束的光強和偏振態容易調節，并且一次成型，不需要制作全息光學組件 （HOE:Holographic optical components） 等光學元件。雙光束兩次曝光法制備光子晶體的光路圖見圖 1 所示。
2 制備正交光子晶體的過程
2.1 樣品的配制
試驗中所用的光刻膠為 SU-8 型環氧樹脂，它在整個可見光波段都具有良好的透光性，且光散射較低，適合于深層固化。引發劑為環戊二烯基異丙苯鐵六氟磷酸鹽 Irgacure261,它在 532nm 波段有較好的吸收特性，可以用可見光引發產生陽離子，進而引起感光樹脂的聚合。溶劑為 1,4. 丁內酯，它可以把預聚體和引發劑充分溶解和混合。配制光刻膠時，按 1:l 質量比將環氧樹脂 SU.8 溶于溶劑 l,4. 丁內酯中，再加入一定量（ 約為 SU.8 和 1,4. 丁內酯總質量的 4.0% ） 的陽離子光引發劑Irgacure261.充分溶解后，滴加并涂覆在帶有 ITO 薄膜的外延片上，利用勻膠機將光刻膠旋轉展成薄膜。光刻膠的厚度為 700nm 左右。涂覆光刻膠后的外延片，需要經過一定的溫度和時間的烘焙處理。溫度和時間的控制是烘焙處理的關鍵，試驗中采用恒溫干燥箱進行烘烤，把光刻膠膜置于 90℃左右的烘箱中高溫加熱 30 分鐘。
2.2 曝光
在制備二維正交光子晶體的過程中，保持兩束相干光的強度不變 （ 中心光強 35mw,光斑光強 137.2mw 左右 ），通過改變曝光時間，多次試驗，將結果進行比對，從而得到制備占空比為1:
1 的光子晶體的最佳曝光時間
在實驗中，將曝光時間分別控制在 6×6s、7×7s、8×8s進行多次試驗。在將實驗結果進行比對后發現，只有曝光時間8×8s 的情況下所制備的光子晶體占空比約為 1:1.
2.3 聚合反應
曝光后的樣品尚需要高溫烘焙來實現有效的聚合反應。因為雖然在引發劑受到干涉光照射后，在光場的相長干涉極大值附近容易產生陽離子，但是只有高溫條件下環氧基的有效的陽離子聚合反應才能發生。將曝光后的樣品置于 90℃的恒溫干燥箱中加熱，烘焙時間約 30 分鐘，才能完成交聯聚合反應，然后讓其自然冷卻。為了防止膠膜發生裂紋，宜采取緩慢升溫和緩慢冷卻的方法。
2.4 顯影
顯影就是把曝光烘焙后的樣品用顯影液除去應該去掉的部分光刻膠。曝光部分的光刻膠發生了光化學反應，從而大大的改變了這部分光刻膠在顯影液中的溶解度。對于負性光刻膠，這部分將不溶于顯影液，而未曝光部分的光刻膠將溶于顯影液。把樣品浸泡在盛有顯影液的容器中，浸泡 2 分 30 秒，然后用丙酮清洗殘留的洗液。丙酮的揮發性很大，可讓樣品自然干燥。
之后通過拍攝掃描電鏡圖來分析實驗結果。在制作光刻膠光子晶體掩膜時，曝光時間，顯影時間以及顯影液濃度是關鍵性的條件。顯影后的樣品以一定角度觀察樣品，會看到因衍射產生的彩色。從 SEM 上測量光子晶體的周期，約為 1.5um 左右。
2.5 濕法腐蝕
腐蝕主要分為濕法腐蝕和干法刻蝕兩種。由于 ITO 薄膜非常牢固、堅硬、耐堿、耐熱、耐潮濕且性能穩定，但耐酸性較差，所以可以采用濕法腐蝕對 ITO 薄膜進行刻蝕。干法刻蝕包括等離子體刻蝕、反應離子刻蝕、離子束刻蝕三種。上述方法具有各向異性和對光刻膠的選擇性好等優點。但與濕法刻蝕相比，其缺點是對反應條件的控制要求比較高，價格昂貴。由于 LED外延片對酸有極強的耐腐蝕性，ITO 容易被酸腐蝕，本實驗采用酸濕法腐蝕 ITO.
腐蝕所用的酸溶液采用體積比為 50:3:50 的濃 HCI,濃HNO3 和水的混合液在 50℃進行，腐蝕完畢后用去離子水清洗干凈。腐蝕結束后將外延片放置到 500℃的管式爐中，大氣氛圍下燒掉 ITO 上方的光刻膠，得到 ITO 二維光子晶體結構。
3 光子晶體在 LED 發光效率中的作用
LED 作為新型高效光源，對于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用，然而由于在半導體材料與空氣界面的折射率差引起的全反射損耗，使 LED 的光提取效率很低。
為提高光的提取效率，許多方法被提出，如表面粗化、金屬表面等離激元、光子晶體等。在眾多方法中，光子晶體的效果最為顯著。以上述制備的光子晶體便可以使 LED 的發光效率提高 20%.對于光子晶體提高 LED 發光效率的研究仍然需要改進和完善，但這種制作光子晶體的方法，工藝簡單，造價低廉，適合進行產業化生產。
3 結語
本文提出了利用雙光束兩次曝光制備光子晶體的方法，這種方法光路簡單，易于調節，并且一次成型，以 532nm 可見光為光源，這種光源更易獲得，并且在平臺搭建和光路調節方面更具優勢，配制了感光波長在 532nm 的光刻膠，成功制備占空比為 l:1 的二維正交光子晶體。本文所得結果對于光學集成及能源利用具有重要的參考價值。
參考文獻：
[1]Knight J C,Birks T A. All-silica single-mode optical fiber with hotonic crystal cladding. Optics Letters.1996,21:1547-1549.
