CN102709416B - 圆形光子晶体结构、发光二极管元件以及光电转换元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆形光子晶体结构、发光二极管元件以及光电转换元件。通过应用圆形光子晶体结构来提升发光二极管元件、有机发光二极管元件或太阳能电池等光电转换元件的光学性质的方法，是将圆形光子晶体结构设置于光电转换元件所接收或发出的一光线所通过的两个不同介质之间的一接面上。所述圆形光子晶体结构可以提供具有均向对称特性的光子能隙，有助于提升光电转换元件的光萃取效率。

Description

圆形光子晶体结构、发光二极管元件以及光电转换元件

技术领域

本发明是有关于半导体元件，特别是有关于一种圆形光子晶体结构、发光二极管元件以及应用此圆形光子晶体结构的光电转换元件。

背景技术

发光二极管(light emitting diode，LED)元件，因具有寿命长、色彩饱和鲜明、反应速度快和稳定性佳等优点，已经成为新一代光源装置的主流，例如：交通信号灯、液晶屏幕的背光模块和高功率输出的照明设备等，都可见到LED的应用。

LED的发光效率决定于其外部量子效率(external quantum efficiency)，而外部量子效率又与光萃取效率(light extraction efficiency)有关。然而，一般LED元件受限于元件与外部介质间的全反射效应，大部分的光线会被局限于元件内部，导致光萃取效率低落。

类似的，其它类型的光电转换元件，例如有机发光二极管、太阳能电池等，也都受到前述因素影响，使得光电转换效率受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆形光子晶体结构、发光二极管元件以及光电转换元件，通过应用圆形光子晶体结构来提高光电转换元件的光萃取效率。此外，若是将圆形光子晶体结构应用于发光元件，还可以提高发光元件的出光角度的均向性。

为实现本发明的目的而提供一种圆形光子晶体结构，适于设置在一光电转换元件所接收或发出的一光线所通过的两个不同介质之间的一接面上。所述圆形光子晶体结构包括一第一孔洞以及多个第二孔洞，其中第一孔洞位于圆形光子晶体结构中央，而所述多个第二孔洞以第一孔洞为中心点排列成多个同心圆。

圆形光子晶体结构的第一孔洞与第二孔洞的中心位置的直角坐标可以由下列方程式所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b),$

其中，N为该同心圆的圈数，d为相邻两同心圆之间的距离，a为各该同心圆上的该孔洞数量的基数，m为1至a·N之间的整数数列，b为起始相位。

为实现本发明的目的还提供应用所述圆形光子晶体结构的一种光电转换元件。所述光电转换元件包括一光电转换体、一第一介质以及所述圆形光子晶体结构。光电转换体适于发出或接收一光线。第一介质位于光电转换体外围。光线通过第一介质以及第一介质之外的一第二介质，其中第一介质与第二介质具有不同的光折射率。所述圆形光子晶体结构设置于光线所通过的第一介质与第二介质之间的一接面上，该圆形光子晶体结构包括多个孔洞，其中一个孔洞位于该圆形光子晶体结构中央，而其余孔洞以该孔洞为中心点排列成多个同心圆。借以改善光电转换元件的光萃取效率。

其中该孔洞的中心位置的直角坐标可以由下列方程式所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b),$

其中，N为该同心圆的圈数，d为相邻两同心圆之间的距离，a为各该同心圆上的该孔洞数量的基数，m为1至a·N之间的整数数列，b为起始相位。

本申请提出应用所述圆形光子晶体结构的一种发光二极管元件。所述发光二极管元件包括一基板、一第一型半导体层、一第二型半导体层、一主动区、一第一电极、一第二电极以及一圆形光子晶体结构。第一型半导体层配置于基板上。第二型半导体层配置于第一型半导体层上。主动区位于第一型半导体层与第二型半导体层之间。第一电极配置于第一型半导体层上。第二电极配置于第二型半导体层上。圆形光子晶体结构设置于第二型半导体层的一顶面上或是设置于第一型半导体层与基板之间，该圆形光子晶体结构包括多个孔洞，其中一个孔洞位于该圆形光子晶体结构中央，而其余孔洞以该孔洞为中心点排列成多个同心圆。借以提升发光二极管元件的光萃取效率。

其中该孔洞的中心位置的直角坐标可以由下列方程式所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b),$

其中，N为该同心圆的圈数，d为相邻两同心圆之间的距离，a为各该同心圆上的该孔洞数量的基数，m为1至a·N之间的整数数列，b为起始相位。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为依照本发明的一实施例的一种光电转换元件的剖面图；

图2为图1的光电转换元件上的圆形光子晶体结构的正视图；

图3A与3B分别是本发明的另外两种圆形光子晶体结构；

图4是应用本发明的圆形光子晶体结构的一种发光二极管元件。

其中，附图标记

100：光电转换元件

110：光电转换体

120：第一介质

130：圆形光子晶体结构

132a：第一孔洞

132b：第二孔洞

140：第二介质

310、320：圆形光子晶体结构

410：基板

420：第一型半导体层

430：第二型半导体层

430a：第二型半导体层的顶面

440：主动区

450：第一电极

460：第二电极

470：圆形光子晶体结构

C₁～C_N：同心圆

d：相邻两同心圆之间的距离

L1、L2、L1’、L2’、L1”、L2”、L3、L4：光线

具体实施方式

本发明提供的圆形光子晶体属于光子准晶体的一种，其结构具有非常高的旋转对称性。将此圆形光子晶体结构形成于光电转换元件外部的介质表面时，可以减少所述介质表面可能发生的全反射效应，使得大部分的光线得以通过介质出射至外界，或是由外界进入到介质内。此外，光子晶体结构除了具有上述降低全反射的效果之外，还具有光子能隙(photonic band gap，PBG)的特性，与传导(guided)和漏失(leaky)模态等，均有助于提高出光率，并增加出光角度的均向性。特别是，本发明的圆形光子晶体结构具有较高的旋转对称性，因此可以得到均向(i sotropic)对称特性的光子能隙，较之已知的光子晶体结构更能提高光电转换元件的光萃取效率，改善其光学特性。

另一方面，本发明的圆形光子晶体结构可由特定的方程式来定义。适当地调整圆形光子晶体的相位或其它参数便可以改变圆形光子晶体的旋转对称性，进而改善光电转换元件的光萃取效率。

图1为依照本发明的一实施例的一种光电转换元件的剖面图。如图1所示，本实施例的光电转换元件100包括一光电转换体110、一第一介质120以及一圆形光子晶体结构130。光电转换体110适于发出或接收一光线。更具体而言，光电转换体110例如是一发光二极管或一有机电激发光体，以发出光线L1。或者，光电转换体110例如是应用于太阳能电池的一光致发电体，以接收外界的光线L2。

第一介质120位于光电转换体110外围。依据前述光电转换体110的各种类型，第一介质120可以是半导体材料、有机材料或是其它可能的材料。光线L1或L2通过第一介质120以及外界的第二介质140，其中第一介质120与第二介质140具有不同的光折射率，使得光线L1或L2在通过第一介质120与第二介质140之间的接面时可能发生全反射效应，而无法有效地由第一介质120出射到第二介质140(如L1’所示)，或是无法有效地由第二介质140进入到第一介质120而被光电转换体110所吸收(如L2’所示)。

鉴此，本实施例将圆形光子晶体结构130设置于光线L1或L2所通过的第一介质120与第二介质140之间的接面上，借以降低全反射效应，使得光线L1得以由第一介质120出射到第二介质140(如L1”所示)，或是光线L2得以由第二介质140进入到第一介质120而被光电转换体110所吸收(如L2”所示)。当然，本实施例所绘示的接面位置仅是举例之用，举凡所述光线L1或L2行进路径上所经过的不同介质的接面且可设置圆形光子晶体结构130，借以降低不同介质之间的全反射效应，提高出光量。例如，发光二极管元件的半导体层表面、基板表面或封装体(molding compound)表面、有机发光二极管元件的电子注入层表面、电洞注入层表面或基板表面，或是，太阳能电池的半导体层表面等等。

图2为图1的光电转换元件100上的圆形光子晶体结构130的正视图。如图2所示，本实施例的圆形光子晶体结构130包括圆形的第一孔洞132a与多个第二孔洞132b，其中第一孔洞132a位于圆形光子晶体结构130中央，而其余的第二孔洞132b以第一孔洞132a为中心点排列成多个同心圆C₁～C_N。

本实施例的圆形光子晶体结构130可由下列的方程式来定义。换言之，第一孔洞132a以及第二孔洞132b的中心位置的直角坐标由下列方程式(1)与(2)所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b)......\left(1\right);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b)......\left(2\right).$

N为同心圆C₁～C_N的圈数。d为相邻两同心圆之间的距离。a为各同心圆C₁～C_N上的第二孔洞132b数量的基数，亦即，同心圆C₁的第二孔洞132b的数量为a，同心圆C₂的第二孔洞132b的数量为2a，…，同心圆C_N的第二孔洞132b的数量为N·a，第二孔洞132b的数量随着同心圆C₁～C_N的圈数以a的整数倍递增。m为1至a·N之间的整数数列。b为起始相位。

更具体而言，以图2所绘示的圆形光子晶体结构130为例，各同心圆C₁～C_N上的第二孔洞132b数量的基数a为6，即同心圆C₁的第二孔洞132b的数量为6，同心圆C₂的第二孔洞132b的数量为12，…，同心圆C_N的第二孔洞132b的数量为6N。起始相位b为0。

然而，前述方程式(1)与(2)的各个参数可以视需求，被调整在一个适当的范围内。例如，初始相位b可为常数、随机数，或是随着同心圆C₁～C_N的圈数递增的N·Δθ_N。各同心圆C₁～C_N上的第二孔洞132b数量的基数a例如介于5～8之间，即5≤a≤8。相邻两同心圆之间的距离例如介于300纳米(nm)至2000纳米(nm)之间。第一孔洞132a以及第二孔洞132b的深度介于50纳米(nm)至300纳米(nm)之间。另外，第一孔洞132a以及第二孔洞132b的填充率介于0.2至0.5之间。当然，第一孔洞132a以及第二孔洞132b的形状并不限为圆形。在本发明的其它实施例中，第一孔洞132a以及第二孔洞132b还可以是椭圆形、矩形，或者其它可能的形状。此处的填充率被定义为第一孔洞132a或第二孔洞132b的平均半径与前述相邻两同心圆之间的距离d的比值。

如图2所示的初始相位b为0的圆形光子晶体结构130已然具有高度的旋转对称性，可大幅提高光电转换元件100的光萃取效率。再者，发现适当地调制初始相位b，可更进一步提高圆形光子晶体结构130的旋转对称性。

图3A与3B分别是采用前述方程式(1)与(2)定义的另外两种圆形光子晶体结构。图3A的圆形光子晶体结构310与图3B的圆形光子晶体结构320相较于图2的圆形光子晶体结构130的主要差异在于：图3A的圆形光子晶体结构310与图3B的圆形光子晶体结构320的初始相位b皆随着同心圆C₁～C_N的圈数递增，即b＝N·Δθ_N，其中图3A的圆形光子晶体结构310的Δθ_N为10°，图3B的圆形光子晶体结构320的Δθ_N为15°。图3A的圆形光子晶体结构310与图3B的圆形光子晶体结构320的其余部份的结构特征与图2的圆形光子晶体结构130类似，此处不再赘述。

当然，本发明的圆形光子晶体结构除了可由前述方程式(1)与(2)来定义之外，亦能视随实际状况与设计需求采用其他方程序或其它配置来定义圆形光子晶体结构。

本发明的圆形光子晶体结构在制作上可以直接对光电转换元件的特定位置加工形成孔洞，或是借由纳米转印等转写技术先在模仁上形成圆形光子晶体图案，再借由模仁将圆形光子晶体图案转写到光电转换元件的特定位置上。此外，形成所述圆形光子晶体结构或图案的方法包括电子束微影术(e-beamlithography)、聚焦离子束(focusing ion beam)、激光束(laser beam)等微加工技术(micromachining)或是反应式离子蚀刻(reactive ion etching)等蚀刻技术。

本发明提出的圆形光子晶体借由高旋转对称性，可以提供均向对称特性的光子能隙，提高光电转换元件的光萃取效率。此外，若是将圆形光子晶体结构应用于发光元件，还可以提高发光元件的发光角度的均向性。

下文以发光二极管元件为例来说明本发明的圆形光子晶体结构的实际应用情形。

图4是应用本发明的圆形光子晶体结构的一种发光二极管元件。图4所示，发光二极管元件400包括一基板410、一第一型半导体层420、一第二型半导体层430、一主动区440、一第一电极450、一第二电极460以及一圆形光子晶体结构470。本实施例的发光二极管元件400作为示范例，仅绘示必要的几个部份，实际上，发光二极管元件400还可能包括其它未绘示的缓冲层、透明导电层等部份。

基板410例如是蓝宝石基板，第一型半导体层420配置于基板410上。第一型半导体层420例如是N型半导体层，材质可为N型氮化镓。第二型半导体层430配置于第一型半导体层420上。第二型半导体层430例如是P型半导体层，材质可为P型氮化镓。主动区440位于第一型半导体层420与第二型半导体层430之间。主动区440例如是多重量子井结构。第二型半导体层430、主动区440以及部份的第一型半导体层420构成高原(mesa)结构。第一电极450配置于高原结构所暴露的第一型半导体层420上，而第二电极460配置于第二型半导体层430的顶面430a。

由第一型半导体层420与第二型半导体层430传输的电子、电洞可在主动区440的多重量子井(multiple quantum wells，MQW)结构中结合，发出光线L3或L4。光线L3是指由发光二极管元件400顶部，即第二型半导体层430的顶面430a出射的光线。光线L4是指射向发光二极管元件400底部，即基板410的光线。

圆形光子晶体结构470例如是前述的圆形光子晶体结构130、310或320，或者其它可能的圆形光子晶体结构。本实施例可以选择将圆形光子晶体结构470设置于第二型半导体层430的顶面430a上或是设置于第一型半导体层420与基板410之间，以借由圆形光子晶体结构470的特性来改变光线L3或L4在发光二极管元件400内部的行为，借以提高发光二极管元件400的光萃取效率，并且改善发光二极管元件400的发光角度的均向性。

本实施例的发光二极管元件400仅是举例之用。在本发明的其它实施例中，发光二极管元件可为其它可能的型态。此外，本发明的圆形光子晶体结构也可以应用在例如有机发光二极管或是太阳能电池等各类型的光电转换元件上。即如前文所提的，将圆形光子晶体结构设置于光电转换元件中光线所通过的两个不同介质之间的接面上，例如，发光二极管元件的半导体层表面、基板表面或封装体(molding compound)表面、有机发光二极管元件的电子注入层表面、电洞注入层表面或基板表面，或是，太阳能电池的半导体层表面等等，借以降低全反射效应，并且改善光萃取效率以及出光效果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (29)

1.一种光电转换元件，其特征在于，包括：

一光电转换体，适于发出或接收一光线；

一第一介质，位于该光电转换体外围，该光线通过该第一介质以及该第一介质之外的一第二介质，其中该第一介质与该第二介质具有不同的光折射率；以及一圆形光子晶体结构，设置于该光线所通过的该第一介质与该第二介质之间的一接面上，该圆形光子晶体结构包括多个孔洞，其中一个孔洞位于该圆形光子晶体结构中央，而其余孔洞以该孔洞为中心点排列成多个同心圆，其中，该孔洞的中心位置的直角坐标由下列方程式所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b),$

其中，N为该同心圆的圈数，d为相邻两同心圆之间的距离，a为各该同心圆上的该孔洞数量的基数，m为1至a·N之间的整数数列，b为起始相位。

2.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，b＝N·Δθ_N，其中θ_N为位于该圆形光子晶体结构中央的一孔洞圆心与第N圈同心圆上的一孔洞圆心构成的一直线和位于该圆形光子晶体结构中央的该孔洞圆心与与第N圈相邻的同心圆上的一孔洞圆心构成的一直线之间构成的最小夹角。

3.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，b为随机数。

4.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，b为常数。

5.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，a为整数，且5≦a≦8。

6.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，相邻两同心圆之间的距离介于300纳米至2000纳米之间。

7.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，该孔洞的深度介于50纳米至300纳米之间。

8.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，该孔洞的填充率介于0.2至0.5之间。

9.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，该孔洞的形状包括圆形、椭圆形、矩形。

10.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，该光电转换体包括发光二极管、有机电激发光体或光致发电体。

11.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，该第一介质包括半导体材料或有机材料。

12.一种发光二极管元件，其特征在于，包括：

一基板；

一第一型半导体层，配置于该基板上；

一第二型半导体层，配置于该第一型半导体层上；

一主动区，位于该第一型半导体层与该第二型半导体层之间；

一第一电极，配置于该第一型半导体层上；

一第二电极，配置于该第二型半导体层上；以及

一圆形光子晶体结构，设置于该第二型半导体层的一顶面上或是设置于该第一型半导体层与该基板之间，该圆形光子晶体结构包括多个孔洞，其中一个孔洞位于该圆形光子晶体结构中央，而其余孔洞以该孔洞为中心点排列成多个同心圆，其中，该孔洞的中心位置的直角坐标由下列方程式所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b),$

其中，N为该同心圆的圈数，d为相邻两同心圆之间的距离，a为各该同心圆上的该孔洞数量的基数，m为1至a·N之间的整数数列，b为起始相位。

13.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，b＝N·Δθ_N，其中θ_N为位于该圆形光子晶体结构中央的一孔洞圆心与第N圈同心圆上的一孔洞圆心构成的一直线和位于该圆形光子晶体结构中央的该孔洞圆心与与第N圈相邻的同心圆上的一孔洞圆心构成的一直线之间构成的最小夹角。

14.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，b为随机数。

15.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，b为常数。

16.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，a为整数，且5≦a≦8。

17.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，相邻两同心圆之间的距离介于300纳米至2000纳米之间。

18.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，该孔洞的深度介于50纳米至300纳米之间。

19.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，该孔洞的填充率介于0.2至0.5之间。

20.根据权利要求12所述的发光二极管元件，其特征在于，该孔洞的形状包括圆形、椭圆形、矩形。

21.一种圆形光子晶体结构，适于设置在一光电转换元件所接收或发出的一光线所通过的两个不同介质之间的一接面上，其特征在于，该圆形光子晶体结构包括：

一第一孔洞，位于该圆形光子晶体结构中央；以及

多个第二孔洞，以该第一孔洞为中心点排列成多个同心圆，其中，该第一孔洞与该第二孔洞的中心位置的直角坐标由下列方程式所决定：

$x=d\·N\·\sin (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b);$ 以及

$y=d\·N\·\cos (\frac{2\mathrm{m\π}}{a\·N}+b),$

其中，N为该同心圆的圈数，d为相邻两同心圆之间的距离，a为各该同心圆上的该第二孔洞数量的基数，m为1至a·N之间的整数数列，b为起始相位。

22.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，b＝N·Δθ_N，其中θ_N为位于该圆形光子晶体结构中央的一孔洞圆心与第N圈同心圆上的一孔洞圆心构成的一直线和位于该圆形光子晶体结构中央的该孔洞圆心与与第N圈相邻的同心圆上的一孔洞圆心构成的一直线之间构成的最小夹角。

23.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，b为随机数。

24.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，b为常数。

25.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，a为整数，且5≦a≦8。

26.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，相邻两同心圆之间的距离介于300纳米至2000纳米之间。

27.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，该第一孔洞与该第二孔洞的深度介于50纳米至300纳米之间。

28.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，该第一孔洞与该第二孔洞的填充率介于0.2至0.5之间。

29.根据权利要求21所述的圆形光子晶体结构，其特征在于，该第一孔洞与该第二孔洞的形状包括圆形、椭圆形、矩形。