TW201505191A

TW201505191A - 用於光擷取增強的多尺度表面粗糙化

Info

Publication number: TW201505191A
Application number: TW103122382A
Authority: TW
Inventors: Song-Nan Wu; Stephane Turcotte
Original assignee: Koninkl Philips Nv
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-02-01
Also published as: WO2014207662A1

Abstract

按實質上不同之尺度之兩個或兩個以上粗糙化程序之一組合係用於粗糙化一發光裝置之一介面表面。按一相對大之尺度應用一無序粗糙化，且按一相對小之尺度應用有序或無序之另一粗糙化。該大尺度粗糙化藉由按變化角度提供一增加之逃離錐體數目而改良光擷取效率。該小尺度粗糙化藉由散射照射該等較小特徵之該光而改良光擷取效率。該大尺度無序粗糙化改良該光輸出分佈且可減少多個全內反射之發生，同時保留一類似朗伯輻射圖案。

Description

用於光擷取增強的多尺度表面粗糙化

本發明係關於光電裝置之領域，且特定言之係關於用以增強一發光裝置之一表面之光擷取效率之表面粗糙化。本發明亦可用於減小來自一偵測器或一太陽能電池裝置之一表面之光反射。

不斷擴大使用半導體發光裝置已對此等裝置產生一高度競爭性之市場。在此市場中，對於提供供應商間之產品區分，效能及價格常具有重要意義。

一習知半導體發光元件係由一雙異質結構組成，該異質結構包含夾置於一N型包覆層與一P型包覆層之間的一發光(作用)區域。當電荷載體(電子及電洞)被注入作用區域時，此等電荷載體可再組合且可釋放一光子(產生光)。該產生之光可以任何方向行進。市售發光元件通常包含朝向一預期光擷取表面再導引光以增加照射該光擷取表面之光量之反射表面。然而，光可按幾乎任何角度照射該擷取表面。若光按超過該擷取表面之臨界角之一角度入射於該擷取表面，光將被全反射，且即使入射角小於該臨界角，該光之一些部分仍將被內反射(菲涅爾(Fresnel)反射)。

在兩個介質之間的一介面之臨界角係由兩個介質之折射率n1及n2判定，且對於自具有一折射率n1之介質行進至具有一較小折射率n2 之一介質之光該臨界角係等於：sin^-1(n2/n1)。 (方程式1)

按大於臨界角之一角度照射該表面之光將被全內反射，且將不會離開穿過該表面。術語「離開錐體」係用來界定在其內光將離開穿過該表面之角度範圍。

用以減少且最小化在一裝置之光擷取表面處之內反射之一普通技術係採取一「經圖案化」或「粗糙」之光擷取表面而非一平坦表面，而容許一較大比例之光自該發光裝置之內側離開。如在1973年6月12日頒予A.A.Bergh、M.Hill、R.H.Saul及S.Plains之USP 3,739,217中揭示，用以增強光擷取之另一方式係粗糙化用來朝向該光擷取表面反射光之反射器之表面。

針對本揭示內容之目的，術語「有序」及「無序」在本文中係用於區分產生在一表面上重複之特徵之一圖案之一粗糙化程序(一「有序粗糙化」)與產生並不符合一具體界定之圖案之特徵之一程序(一「無序粗糙化」)。

一有序粗糙化大體上提供以一所需空間配置位於表面上之具有一特定大小或形狀之表面特徵。一普通有序粗糙化包含(例如)產生均勻分佈於該表面上之錐形結構。基於該發光元件之所期望之發射特性，此等錐形結構可具有一特定大小、形狀及/或分佈。基於在此等材料之間的介面之任一側上之材料之折射特性，此等結構亦可具有一特定大小、形狀或分佈。具有不同大小或形狀之結構/特徵可用來提供所需之擷取效應之一組合。

一無序粗糙化可提供在該表面上之特徵之一隨機分佈、該等特徵之形狀或尺寸之一隨機分佈或此等分佈之組合。舉例而言，一表面之一微珠噴擊可提供具有特定特性(諸如微珠噴擊之特性之一特定紋理)之一經粗糙化表面，但各微珠並未經控制以敲擊一特定位置處之表面之事實導致一「無序」粗糙化(如本文使用之術語)。以類似方式，若在任何特定位置處之該特徵之大小或形狀未被控制，則即使該等特徵在空間上對齊，產生變化大小或形狀之特徵之一粗糙化仍係一無序粗糙化。為一般化，若一特徵、圖案或紋理之形狀(在一特定位置上方或在其整個表面上方)不能提前被預計或係隨機性的結果，則其等可被視為無序的。

在「基於GaN之高功率LED之最新進展」(2009年之第14屆光電與通信會議)中，Hao-chung Kuo揭示有序及無序粗糙化技術之一組合，其中該發光表面首先經圖案化以提供具有一特定主要斜率之均勻間隔之錐形特徵，接著經受按一較小尺度之一無序粗糙化程序。

提供具有經改良之光擷取效率之一發光元件將係有利的。提供可經控制以提供經改良之光擷取效率及/或一經改良之光輸出分佈之一表面粗糙化程序將係有利的。

為較佳地解決一或多個此等顧慮，在本發明之一實施例中，按實質上不同尺度之兩個或兩個以上之粗糙化程序之一組合係用來粗糙化一發光裝置之一擷取表面。按一相對大尺度應用一無序粗糙化，且按一相對小尺度應用有序或無序之另一粗糙化。該大尺度粗糙化藉由按變化角度提供一增加之離開錐體數目而改良光擷取效率。該小尺度粗糙化藉由散射照射該等較小特徵之光而改良光擷取效率。該大尺度無序粗糙化改良該光輸出分佈且可減少多個全內反射之出現，同時保留一類似朗伯輻射圖案。

在各粗糙化程序中，該程序之參數可經控制以提供一特定效應、紋理及/或形態，諸如一特定粗糙度、深度、密度及由該程序產生之該等特徵之類似物。

可使用各種習知技術(包含蝕刻、微噴擊、研磨、奈米壓印及其他)之任一者來粗糙化發光裝置之擷取表面。取決於使用之技術及與該程序相關之參數，可控制粗糙化程度以及粗糙化之粗糙度。

100‧‧‧結構

101‧‧‧離開錐體

101'‧‧‧離開錐體

102‧‧‧下表面

104‧‧‧上表面/表面

110‧‧‧發光元件

111‧‧‧光

112‧‧‧光

113‧‧‧光

114‧‧‧光

115‧‧‧光

116‧‧‧光

117‧‧‧光

118‧‧‧光

119‧‧‧光

120‧‧‧錐形結構/結構/特徵/大特徵/微特徵

130‧‧‧平坦表面/表面/特徵/大特徵/微特徵

140‧‧‧小特徵/奈米特徵

145‧‧‧光圖案/散射光/散射

200‧‧‧結構

204‧‧‧表面

211‧‧‧光

212‧‧‧光

213‧‧‧光

216‧‧‧光

217‧‧‧光

300‧‧‧結構

301‧‧‧上表面/表面

302‧‧‧下表面

304‧‧‧粗糙化表面/表面

306‧‧‧介質

308‧‧‧介質

311‧‧‧光

312‧‧‧光

313‧‧‧光

316‧‧‧光

317‧‧‧光

319‧‧‧光

320‧‧‧反射介面/介面

340‧‧‧奈米特徵

345‧‧‧圖案

參考隨附圖式進一步詳細(且藉由實例)解釋本發明，其中：

圖1A至圖1B繪示組合有序及無序粗糙化之一實例先前技術粗糙化技術。

圖2繪示按一大尺度之一無序粗糙化與按一小尺度之一無序粗糙化之一實例組合。

圖3繪示按一大尺度之一無序粗糙化與按一小尺度之一無序粗糙化之一替代實例組合。

遍及該等圖式，相同參考數字指示相似或對應之特徵或功能。包含該等圖式僅係為闡釋性目的且並不意在限制本發明之範疇。

在下列描述中，為解釋而非限制之目的，闡述特定細節(諸如特定架構、介面、技術等等)以提供對本發明之概念之一徹底理解。然而，熟習此項技術者將明白可在脫離此等特定細節之其他實施例中實踐本發明。以類似方式，此描述之文字係關於如在圖中繪示之實例實施例，且並非意在限制超過明確包含於專利申請範圍中之限制之主張之本發明。為簡化及闡明之目的，省略已知裝置、電路及方法之實施方式以便不用不必要之細節來模糊本發明之描述。

為易於參考及理解，本文使用一發光裝置之一光擷取表面之範例來呈現本發明。然而，熟習此項技術者將認識到，本文呈現之原理可用於經改良之光接收以及經改良之光傳輸，且可(例如)應用於其他光電裝置(諸如光感測器、IR感測器、太陽能電池及類似物)之表面。

圖1A至圖1B繪示組合上文引用之有序及無序粗糙化之一實例先前技術粗糙化技術(諸如由Kuo教示)。

圖1A繪示一結構100，其包含一發光元件110。結構100之下表面102包含一反射元件，其用來朝向上表面104向上反射來自發光元件之光，上表面104係結構100之光擷取表面。在此實例中，結構100之折射率係大於結構100外之介質之折射率，且該等折射率之間之差異判定在表面104處之臨界角。

如上文詳細描述，按相對於法線在大於臨界角之一角度處之一角度照射表面104之光將被全內反射，且按小於臨界角之一角度照射表面之光將射出結構100(即使具有回至結構100中之一些菲涅爾反射)。在三維空間中，在表面104上之各點處臨界角之跨距形成一錐體，其通常被稱為離開錐體或離開區。圖1A之離開錐體101(由虛線繪示)係具有在表面104上之一頂點、與表面104垂直且具有由TIR角度判定一立體角之一錐體。

在此實例中，表面104包含產生由實質上平坦區域130隔開之錐形結構120之一有序粗糙化。發光元件110提供由實例光線111、112、113、114繪示之光。照射離開錐體101內之表面104之實質上平坦區域130之光111射出結構100，且照射表面之離開錐體101外側之表面130之光112被反射回至結構100中。

如由在結構120上藉由光113照射之位置處之離開錐體101'繪示，錐形結構120用來改變相對於發光元件之離開錐體之定向。按與自表面130被內反射之光112相同之角度發射此光113，又因為離開錐體101'被再定向，故光113能夠離開結構100。

相較於一平坦表面，此等結構120亦增加表面104之表面區域，且從而增加可能離開錐體之數目。

然而，由於在結構100之表面104上之特徵120、130之有序配置，故一些光可以其被重複被內反射直到其最終於結構100內被吸收之一方式照射表面104。即，舉例而言，表面104之對稱可使一反射光最終以如導致第一全內反射事件之條件之等效或近似等效條件再照射表面。在此情況下，光線可經歷全內反射之多個週期直到光最終照射於一離開錐體內；且隨著各週期，藉由吸收減弱光強度。

圖1B繪示在藉由一第二程序粗糙化後之結構100。在此實例中，粗糙化係按實質上小於圖1之有序粗糙化之一尺度，且產生隨機分佈於表面104上方之小特徵140。圖1B之結構100展現由平坦表面130分離之主要錐形結構120，但不具有圖1A之光滑輪廓。

為易於參考，大特徵120、130被稱為微特徵，且小特徵140被稱為奈米特徵。微特徵120、130具有實質上大於由發光元件110發射之光之波長之尺寸，而奈米特徵140具有相當於或小於發射光之波長之尺寸。如本文所使用，術語大小或尺寸係指一特徵之一給定特性且可包含深度、高度、大小、密度、粗糙度及界定此特徵之任何幾何參數(包含但不限於其定向及角性質)。

如在圖1A中，照射表面104而未照射一奈米特徵140之光115、116在其於離開錐體101內時將離開結構100，且在其照射離開錐體外側之表面時被內反射。

因為奈米特徵140之尺寸係相當於或小於發射光之波長，故當光117、118照射一奈米特徵140時，其透過具有較低強度之若干光束散射，具有取決於該特定散射事件之一角分佈。如所繪示，在此圖案145中之一些光將離開結構100，且一些光將被反射回至結構100內。然而，此散射效應可實質上較不取決於相對於在入射點處之表面之標稱法線之光之入射角，且因此否則將被內反射之光被散射而非被反射，且散射光145之至少一個部分將離開結構100。另外，歸因於散射線之角度再分佈，被散射回至結構100中之一些光119當其再次照射表面104時可實質上離開結構100。

特別在靠近原始入射點及/或在相同入射角處或靠近相同入射角再照射的情況下，由於此散射，光進入全內反射之一重複週期之可能性減少，此係因為光可在重複內反射之多個週期之一者期間照射一奈米特徵140。然而，因為散射具方向性，沿入射光線向前及向後分佈向，故一些散射光可繼續靠近原始入射點之軸及/或在相同入射角處或靠近相同入射角再照射。

另一方面，否則將藉由照射離開錐體內之表面而離開之光亦可在其照射一奈米特徵140時被散射，且散射光145之一部分將被反射回至結構100中。

在光輸出中之淨增益(來自另外內反射光之增益減去來自另外離開光之損失)將係取決於各種因素，包含在奈米粗糙化之前藉由微粗糙化表面內反射之光量、多個內反射可能性、奈米特徵之相對密度等等。

儘管微粗糙化及奈米粗糙化之組合可提供可射出光擷取表面之光量中之一實質增加，如在圖1A及圖1B中繪示之一有序微粗糙化可展現非所要之光輸出特性。

舉例而言，一有序粗糙化將大體上提供一非朗伯輻射圖案，其可呈現與擷取表面之有序性質相關之對稱或定序圖案。在圖1A及圖1B之實例中，如由在圖1A中之光114之路徑繪示，由於反射光被導引於錐體之上直到其離開穿過各錐形結構120之頂部，故射出頂部之光可係多於射出該結構之側之光。如此，各錐體結構120可表現為由一較暗光環圍繞之一亮點。儘管歸因於微特徵之尺度，裸眼可能未偵測此有序光輸出圖案，但在一些應用中，此一圖案之存在當與其他有序光學元件(諸如一像素陣列)組合時可產生不需要之光學效應(諸如疊紋或其他干擾圖案)，及其他不必要光學假影。

以類似方式，射出錐形結構120之側之光之方向大體上按相對於發光元件110之表面之法線之一銳角，此在需要在與發光元件110垂直之一方向上之一朗伯光輸出分佈之應用中係不利的。

圖2繪示避免可由圖1A及圖1B之有序微粗糙化程序造成之上述不必要光學效應之一雙尺度粗糙化技術。

圖2繪示一結構200，其包含已經歷一無序微粗糙化及一無序奈米粗糙化之一表面204。如所繪示，表面204之整體(微)輪廓包含隨機大小及形狀之各種凸部及凹部。表面204亦包含具有相當於或小於發射光之波長之尺寸之奈米特徵140。

照射表面204而未照射一奈米特徵140之光211、212、213將基於相對於離開錐體101之其入射角被折射或反射。如上文提及，基於在表面204之任一側上之介質之折射率及在入射點處之表面204之斜率，離開錐體之大小及定向係由對於全內反射之臨界角判定。

由於微粗糙化，總表面區域204係大於一平坦表面之表面區域，而容許具有變化定向之更多之潛在離開區。然而，如與圖1A至圖1B之有序微粗糙化對比，圖2之無序微粗糙化將產生一更均勻之輻射圖案。即，儘管圖2之微特徵將可能穿過特徵之「頂部」比自特徵之側提供更多光，及/或自特徵之斜側按相對銳角提供光，但此等特徵之無序分佈將用來使此等變化不可區分。

如上文提及，在圖1A、圖1B中之結構100之光輸出圖案之有序性質大體上對裸眼將係不可區分的，但可(諸如當與亦具有一有序配置之光學元件組合時)在特定應用中呈現干擾圖案或其他光學假影。另一方面，在圖2中之結構200之情況下，具有可產生與一無序光輸出圖案之此干擾之一圖案之另一光學元件之可能性幾乎為零。

以類似方式，在結構200中之微特徵之變化形狀將用來導引變化方向上之折射或反射光，且因此將可能提供比具有微特徵之一有序組之一結構(諸如圖1A至圖1B之結構100)更接近於一朗伯分佈之一光輸出分佈。

另外，在圖2中之結構200之微特徵之不對稱性質實質上將減少進入一重複週期之光按相同入射角或近似於相同入射角照射在相同入射點處或附近之可能性。

熟習此項技術者亦將認識到產生一無序微粗糙化實質上可係比產生一有序微粗糙化之程序更簡單。舉例而言，在一有序微粗糙化中，必須常需要一多步驟程序來控制各微特徵之大小、形狀及位置。舉例而言，在一無序微粗糙化中，各微特徵之大小、形狀及位置實質上將需要較少控制，且可以一單一步驟產生經無序微粗糙化之表面。

可藉由首先使用光阻或介電層界定在裝置表面上之圖案接著選擇性濕化學蝕刻或乾蝕刻而實現在表面204上之微特徵。儘管一錐形形狀可係典型的，但由一化學蝕刻產生之特徵大體上將具有藉由蝕刻液與被蝕刻之材料之特定組成判定之一形狀及紋理。特徵之大小、密度及深度大體上將取決於蝕刻液與被蝕刻之材料之相對化學結構、蝕刻液之分佈及蝕刻之持續時間。另一方面，一稀疏分佈之強蝕刻液可產生具有陡斜率之寬間隔之峰部，而一較弱蝕刻液可產生具有較小斜率之較淺凹部。乾蝕刻亦可提供具有可控制之形狀、大小、深度及密度之特性特徵。習知地用經控制之參數來應用一特定程序以提供具有一所需標稱大小、形狀、深度及密度之特徵。

其他程序(諸如微珠噴擊)亦可提供具有半球形形狀之特徵，其具有係取決於相對於被粗糙化之材料之用於噴擊之材料之一紋理。特徵之大小將取決於微珠之大小，且特徵之深度及密度大體上將各自取決於將微珠投射至表面上之力及噴擊之持續時間。

可以與微特徵相似之一方式但用不同之程序參數來實現奈米特徵。亦可藉由僅採取濕或乾蝕刻或其等兩者而無一光阻或介電圖案轉移實現奈米特徵。此一技術可係取決於特定裝置表面合成且可需要精確之程序控制以控制奈米特徵之密度及大小。奈米壓印技術亦可用於產生奈米特徵。亦可藉由於介面表面上應用一特定材料而產生奈米特徵，該介面表面具有多孔、非晶形或粗糙之性質，或可在某種處理(諸如UV曝露或退火)後變為如此。

在一實例實施例中，可使用程序之一組合。可藉由組合表面104之一PEC(光電化學)濕蝕刻與一ICP(感應耦合電漿)乾蝕刻而產生微特徵及奈米特徵。可藉由PEC濕蝕刻粗糙化曝露之磊晶矽表面以產生具有1微米及1微米以上之尺度之微特徵。可藉由在微粗糙化表面104上產生具有100奈米數量級之奈米特徵之ICP乾蝕刻而再次粗糙化所得之磊晶矽表面。藉由對粗糙化條件之一適當控制，可提供自數十奈米直至微米之混合表面粗糙紋理。

在結構200之表面204上之奈米特徵140用於與在結構100之表面104上之奈米特徵140相同之目的。因為奈米特徵140之尺寸係相當於或小於由發光元件110發射之光之波長，故當光216、217照射一奈米特徵時，其將被散射145。不管在入射點處之離開錐體之大小或定向，此散射145將發生。因此，否則將被全內反射之光將被散射，而容許此光之至少一部分離開穿過表面104。類似地，在一離開錐體內之光(其否則將射出表面104)亦被散射，且此光之一部分將被反射回至結構200中。

如上文考慮圖1B之結構100所提及，在光輸出中之淨增益(來自另外內反射光之增益減去來自另外離開光之損失)將係取決於各種因素，包含在奈米粗糙化之前藉由微粗糙化表面內反射之光量、多個內反射之可能性、奈米特徵之相對密度等等。然而，歸因於無序微特徵之不對稱性質，可期望在圖2之結構200中之多個內反射之週期之可能性係實質上小於在圖1B之結構100之有序(對稱)特徵中之多個內反射之週期之可能性。

儘管繪示一無序奈米粗糙化，但熟習此項技術者將認識到亦可使用一有序奈米粗糙化。如與有序微粗糙化對比，奈米粗糙化造成入射光之散射之事實將用來避免有序粗糙化之上述潛在問題。即，舉例而言，自藉由一有序奈米粗糙化造成之散射之光輸出將為有序的係不太可能的，且散射光將進入反射之一重複週期係不太可能的。藉由無序微粗糙化進一步增強藉由由一有序奈米粗糙化產生之散射而避免上述潛在問題，該無序微粗糙化將用來進一步變化隨後直接照射微特徵之散射光之方向。

圖3繪示在介質306與介質308之間的一反射介面320上具有一粗糙化表面304之一結構300之一替代配置。在此實例結構中，光透過結構300之上表面301擷取。為易於繪示及解釋，表面301被繪示為一平坦表面，但熟習此項技術者將認識到此表面301亦可使用各種粗糙化技術之任一者而被粗糙化以增強光擷取效率。

表面304包含一有序微粗糙化及產生奈米特徵340之一無序奈米粗糙化。照射表面304而未照射一奈米特徵340之光311、312、313將自反射介面320被反射。此反射介面320可係一反射元件，其位於介質306、介質308之間，或介質306可係一反射材料。視情況而定，介質306、介質308可經選擇以具有提供一非常小之臨界角之折射率，使得實質上大部分發射光將在介面320處被全內反射。結構300之下表面302亦可包含一反射材料，使得可進入介質306之光將被反射回至介面320。

如由圖案345繪示，照射一奈米特徵340之光316、317將被散射。儘管圖案345僅繪示背後散射光(在一金屬反射器的情況下假定具有非常少之向前散射光)，為易於繪示，熟習此項技術者將認識到向前及向後散射光兩者之強度皆取決於使用之反射器之性質、在入射點處之介面320之斜率以及其他因素。

如繪示，來自介面320之反射光以及自發光元件110向上發射之光 319將照射表面301且將射出結構300或被內反射回至結構300中。如上文提及，表面301亦可經粗糙化以增加光射出表面301之可能性。

如在圖2之結構200中，在表面304上之無序微特徵之不對稱用來按變化之角度朝向光擷取表面301反射光，從而避免產生一有序、週期性或對稱之光輸出圖案，且最小化光進入多個內反射之一重複週期之可能性。來自不對稱無序微特徵之反射以及來自奈米特徵之散射亦用來產生比由有序微特徵所產生更類似之一朗伯光輸出分佈。

雖然已在圖式及先前描述中詳細繪示及描述本發明，但此繪示及描述將被視為闡釋性或例示性而非限制性的；本發明不限於所揭示之實施例。

舉例而言，在其中作用區域係一吸光元件而非一發光元件(諸如可用於光偵測裝置或太陽能電池裝置中)之一實施例中操作本發明係可能的。即，此技術可經應用至發光表面、接收光表面、光反射器表面或穿過介面之較佳光傳輸可導致較佳裝置效能之其他介面(基於色度學、光度學及LED量測學之度量)。

熟習此項技術者可在實踐主張之本發明中自圖式、揭示內容及隨附之申請專利範圍之一研究而理解及影響所揭示之實施例之其他變化。在申請專利範圍中，字詞「包括」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」並不排除複數。在互不相同之附屬項中敘述某些量測之純粹事實並不指示此等量測之一組合不可有利地使用。在申請專利範圍中任何參考符號不應被視為限制範疇。