特殊金屬結構在三原色 (RGB) 彩色濾波片上的應用

在先前的研究以及製程中，常見的彩色濾波片，大多採用有機染料、或是介 電質材料堆疊，極少利用金屬材料，製作三原色 (RGB) 彩色濾波片，原因來自於 各種金屬皆在可見光波段的具高吸收性，光不易穿透金屬膜，因此難以製作彩色 濾波片。然而在前面章節所提到，在奈米尺度下，透過特殊結構設計，金屬結構 會產生表面電漿，而能產生異常穿透現象，此現象有助於光在特定波段，有極大 的穿透，也顯示了金屬材料製作彩色濾波片的可能性。

在本章節將針對以金屬材料，製作特殊結構，作為分光之用的各類型濾波片，

詳細介紹與探討。

一、牛眼結構 (Bull's Eye):

此為金屬膜上製作單一孔洞，並在周圍製作圍繞週期性的溝槽，當光進入此 種結構，如同天線一般，使在共振波段的入射光，可以有效耦合成表面電漿模態，

而在溝槽中心，即孔洞位置，於所設計之波段有極高穿透，如圖 2-15 所示。在 2008 年 T.W. Ebbesen 等人以單一孔洞與折曲金屬膜表面 (antenna) 的製作，即是俗稱的 牛眼 (Bull´s eye) 結構[33]，來達到極佳選波段特性，藉由調變溝槽金屬膜的週期 性，來使表面電漿的異常穿透波段調控到所需要的位置，再由中心孔洞將光波導 出。

圖 2-15 金屬牛眼結構[33]

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圖 2-16 不同週期牛眼 (Bull´s eye) 結構的表面電漿異常穿透頻譜[33]

如圖 2-16，各個穿透峰值上面的數字為其折曲金屬膜表面的結構週期，明顯 可看到此種結構的能有窄波段的異常穿透頻譜，且由於光僅會在孔洞位置穿透，

因此此種結構，在面積歸一化後，單位孔洞面積下有極高的穿透效率，然而此種 結構需要足夠多的外圍溝槽，才能耦合出增益穿透值，因此總體穿透率，較其他 結構為低。

二、孔洞週期陣列 (Hole Arrays):

在 2003 年 T.W. Ebbesen 以實驗證明，調控週期性金屬孔洞陣列之週期，即可 使表面電漿所增益的異常穿透峰值，產生紅、藍、綠三原色的波段[12]，如圖 2-17 為銀薄膜週期性方型孔洞異常穿透峰頻譜，紅、綠、藍三原色所對應的金屬結構 週期為 300nm、450nm 與 550nm。

圖 2-17 不同週期孔洞陣列結構之穿透頻譜[12]

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圖 2-18 週期孔洞陣列與其穿透圖[11]

在 2007 年，T. W. Ebbesen，在銀膜上製作不同週期之洞，如圖 2-18 可看到 當此結構照射白光後，穿透的光譜，會受到銀膜上孔洞之週期不同，而顯示出不 同顏色[11]， (在此紅色穿透光其孔洞週期為 550nm，綠色穿透光孔洞週期為 450nm ) ，此亦顯示相鄰之孔洞陣列，藉由週期之改變，可以有良好的選光效果。

在 2011 年，Daisuke Inoue 等人，以鋁作為金屬材料，在鋁膜上做孔洞週期陣 列，調控孔洞週期陣列之週期，而可做到涵蓋可見光波段之各波段的穿透光譜[34]，

如圖 2-19 所示，且不同孔洞之形狀，如三角形、圓形；最密堆積或是矩形陣列，

皆可做出穿透度可在 30%以上彩色濾波片，如圖 2-20 所示，此研究透過模擬和實 際實驗證明，以鋁膜所製作之週期孔洞陣列可以做為良好的彩色濾波片。

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圖 2-19 不同週期孔洞陣列與其穿透圖[34]

圖 2-20 最密堆積孔洞週期陣列與其穿透頻譜[34]

三、金屬-絕緣體-金屬 (Metal-Insulator-Metal , MIM) :

2009 年，Kenneth Diest 等人，利用金膜-氮化矽-銀膜，設計金屬-絕緣體-金屬 的形式，製作出分光結構[35]，其主要是利用光在金屬-絕緣體-金屬此結構中的干 涉 (interference) 和共振 (resonance) 現象，以作為濾波分光之用。如圖 2-21 所示，

當光入此結構後，光從前狹縫中進入此結構而形成光波導，而此金屬-絕緣體-金屬 結構，形成橫向的 Fabry-Perot resonator，而透過準確的設計狹縫深度和位置，使 進入之光波導，從不同的狹縫位置出來，因為耦合模態的差異，而能有不同的顏

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色，以作為分光。

圖 2-21 金屬-絕緣體-金屬共振腔結構[35]

此種結構的優點在於由於 MIM 上下層皆為金屬，因此可直接作為電極，且中 間層材料可以用電光材料 (electro-optic material) ，而可以做為主動式的光學元件，

如：可變式的彩色濾波片，然而此種元件較大的限制在於其極低的光穿透效率，

非常少的入射光可以耦合出狹縫，因此難以應用在實際層面。

在 2010 年 Ting Xu 和 Yi-Kuei Wu 提出另一種 MIM 的結構，此結構中心為硒 化鋅 (ZnSe) ，上下為鋁膜，而作為光柵的結構[36]，如圖 2-22 所示。

圖 2-22 金屬-絕緣體-金屬光柵結構[36]

白光從下方入射入此結構，光穿過此光柵結構，透過調控光柵之週期，以產 生分光的效果，且上下兩層金屬會再產生耦合，而可以增進穿透，如圖 2-23 所示。

圖 2-23 金屬絕緣體金屬光柵結構之穿透圖與其穿透頻譜圖[36]

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由圖 2-23 中可看到此結構有高穿透度，已可和現今液晶螢幕之中所使用的濾 波片相比較，且其尺寸較薄的多，另一方面此為結構已具備極化片 (polarizer) 的 功用，不須額外的極化選擇層，然而由於此結構對偏振型態較敏感，因此不利於 應用在全彩式光偵測器。

四、局部表面電漿共振 (localized surface plasmon resonance, LSPR):

在表面電漿波的研究之中，其中有一部分的討論，專注於在比光波長還要小 的奈米尺寸，電磁波會侷限在局部的奈米金屬結構之中，產生局域化局部電子共 振，此即為局部表面電漿共振現象，此現象會使奈米尺寸的金屬結構，會在特定 波段有異常的吸收。在 2012 年，Tal Ellenbogen 等人，以奈米尺度之金屬十字架的 結構，製作出利用局部表面電漿共振現象，所形成的濾波片[37]，如圖 2-24 所示，

此奈米尺寸的金屬結構，可吸收特定波段的光波，而有分光的效果。由於金屬長 短軸的不同，此濾波片具極化現象，因此當偏振光隨著入射角度不同，而可以改 變穿透光譜之位置，而改變不同顏色。

圖 2-24 奈米金屬十字架製作彩色濾波片[37]

在此對各類型的彩色濾波片，從其應用於彩色濾波片等需考量的因素，如穿 透率、分光純度、應用範疇等，和其對應各種不同應用領域的元件製作，深入地 分析、討論。

1. 穿透率：

在此將各類型的濾波片 (染料、一維光子晶體、牛眼結構、孔洞週期陣列、金 屬-介電質-金屬光柵結構) 的在三原色藍光的穿透率，製表整理，如表 2-1 所示，

可以看到，染料所製作的濾波片有較高的穿透率，可達 60%，多層光學薄膜結構

22 屬孔洞週期陣列（Hole arrays）、或是金屬奈米十字結構，都能達到 30%以上的穿 透率，也因為需要整體穿透率達到一定程度，因此利用像是金屬電漿耦合的現象，

使僅在局部區域有極大的穿透，如：牛眼結構等，有極高的單位面積穿透效率，

但是整體穿透率卻僅有 10% ，較不適用於大面積的彩色濾波片之應用。

表 2-1 各類型彩色濾波片其整體穿透率

Pigment 1D photonic crystal Bull’s Eye Hole Arrays MIM Transmission

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表 2-3 各類型彩色濾波片其半高波寬和 CIE 1931 色彩空間比較

Pigment 1D photonic crystal

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Pigment 1D photonic

crystal Bull’s Eye Hole

Arrays MIM Polarization Insensitive Insensitive Insensitive Insensitive Sensitive

Reference [29] [32] [33] [34] [36]

5. 元件製作：

現今的彩色濾波片，通常為實際元件所應用中很重要的一部分，因此需考量 各種類型的彩色濾波片的製程設計，所需的成本與時間，以及是否能和現有半導 體 製 程 做 整 合 ， 如 ： 結 合 互 補 式 金 屬 氧 化 物 半 導 體 (Complementary

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Metal-Oxide-Semiconductor , CMOS) ，以製作感光元件。在此將各類型的彩色濾波 片，其三原色彩色濾波片所需要的製程方式，製表整理，如表 2-5 所示。

Fabrication Multilayer process

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染料通常使用不同材料，作為三原色的分光，因此在縮小面積下，進行三原 色染料的塗布，需定義三原色不同區域，且由於染料多為高分子材料，染料塗布 會受限於製程之因素，而使單一染料之線寬無法縮到很小，製作要求尺寸精度的 單一濾波片較困難，此為製作超高像素光偵測器的一大困難。

多層膜堆疊結構，其主要是透過縱向的折射率改變作為分光機制，因此橫向 尺寸較不受限制，在製程條件控制下，透過光學對準方式，做多層膜堆疊，可以 將單一顏色之濾波片，縮小尺寸，而在有限面積中，提高像素數目。

以金屬結構作為分光的濾波片，在探討其縮小尺寸下的分光效果，需考慮其 分光機制，如以牛眼結構或是孔洞週期陣列產生表面電漿共振現象，做為分光的 效果，其單一結構大小及週期性結構的數目會影響在特定波段的異常穿透現象，

因此類型的濾波片之大小，會受限於具有一定數目週期性高低起伏金屬結構作為 分光的面積，因此單一像素面積要有一定大小，才能達到分光效果。然而，此類 型的金屬結構尺寸製作，皆為次波長的尺寸，因此相較於染料分子的較難控制其 分子大小和分布，金屬結構在製作縮小面積的彩色濾波片，在製程仍具有異於調 控的優勢。

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