TWI419356B - 週期性結構之製作方法及發光元件之製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種週期性結構之製作方法，此週期性結構可為光子晶體，且本發明特別是關於一種於發光二極體元件中，製作表面週期性結構之方法。
在現代科技發展中，光電科技乃為新興領域，其應用涵蓋各重要範疇。隨著光電科技在基礎研究上不斷的突破，它已經在我們的日常生活中造成重大影響，這樣的影響力將持續的擴大。
近年來，因為各種製作相關結構的製程技術發展成熟，光子晶體受到相當的注目。基本上，光子晶體是在二維或三維空間中，讓材料折射率(或介電常數)產生週期性變化的結構，這種結構模仿原子在固態晶體中的排列。光子晶體係類似電子於固態晶體中的能帶結構，於其中產生光子的能帶結構。因此，在光子晶體中電磁波的傳播特性，包括振幅、相位、偏極化方向和波長，都可以經由控制光子晶體的特性而得以大幅度的調變。
有研究顯示將光子晶體之技術應用在發光二極體元件，可大幅提升發光二極體元件之發光效率。然而，由於光子晶體結構之製作牽涉到相當微小尺寸之圖形刻化技術，光子晶體結構的尺寸約為光訊號在材料內波長的四分之一，在大部份光電應用波段內，其尺寸在25到100奈米之間。因此，光子晶體的製作方法主要利用電子束微影，再加上乾式蝕刻技術，在三五族半導體上產生空氣洞。此種方法雖然可以精確的形成光子晶體結構，但其設備相當昂貴，且產率相當低，所以仍無法實際應用於產品之生產。
根據上述問題，本發明提出一種光子晶體結構之製作方法，一種於發光二極體元件中，製作光子晶體結構之方法及相關的製造設備。
本發明提供一種光子晶體結構之製作方法，包括以下步驟：提供一結構層，提供一光調制單元(optical modulation element)，以一光束通過光調制單元形成重新分佈的光場強度，照射於結構層上，藉由強度重新分佈的光場，進行一光輔助電化學蝕刻製程，於結構層形成光子晶體。此一重新分佈的光場可以是干涉條紋。
本發明提供一種發光元件之製作方法，包括以下步驟：提供一發光單元，至少包括一第一型半導體層，提供一光調制單元(optical modulation element)，以一光束通過光調制單元形成重新分佈的光場強度，照射於發光元件之第一型半導體層上，藉此重新分佈的光場強度，進行一光輔助電化學蝕刻製程，於第一型半導體層形成週期性之結構。
本發明提供一種製作發光元件之設備，包括以下單元：一儲存槽，儲存一電解液，一光調制單元，一光源，可發射出一光束，其中藉由光調制單元可使光束穿過光調制單元，於一發光元件上形成干涉條紋。
以下配合第1A圖和第1B圖描述本發明之機制。如第1A圖所示，當一雷射光束102穿過一相位光罩104時，會產生0級(0 order)、+1級(+1 order)和-1級(-1 order)之不同繞射級數之光線106、108、110，主要繞射光場+1及-1級(108、110)之間會形成
干涉，於一結構層114上形成干涉條紋112。干涉條紋112於結構層114上，依位置不同有不同的強度。接著再以光輔助電化學蝕刻(photoelectrochemical etching，PEC)蝕刻結構層114，光輔助電化學蝕刻之機制主要是使用光束在結構層114表面(一般是半導體層)產生電子電洞對，來幫助結構層114的氧化和電化學反應物的還原，因此蝕刻反應係和光束的強度成正比，也就是說，當光束的強度越強時，蝕刻速率越快。根據上述，如第1B圖所示，在結構層114上之干涉條紋112可在光輔助電化學蝕刻中，於結構層114表面形成光子晶體116，光子晶體116之週期約為2~300奈米，尺寸約為1~200奈米。
以下配合第2A圖和第2B圖描述本發明一實施例於發光二極體製作光子晶體結構之製程，但本發明不特別限定於發光二極體之製程，其它元件或結構相關於光子晶體結構之製作都可應用本發明之技術。請參照第2A圖，提供一儲存槽206，其中注入一電解液208，在本實施例中，電解液208為氫氧化鉀(KOH)。將一發光元件212固定於一基座210上，浸入電解液208中。第2B圖為第2A圖晶片212之局部放大圖，如第2B圖所示，在本實施例中，發光元件212為一氮化鎵(GaN)為主體之發光二極體元件，至少包括一第一型半導體層218、一主動層220和一第二型半導體層222，第一型半導體層218例如為N型氮化鎵(n-GaN)、第二型半導體層222例如為P型氮化鎵(p-GaN)，主動層220例如為氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)量子井。一例如金和鈦堆疊層之第一型電極224形成於第一型半導體層218上，為簡潔，發光元件212之第二型電極和/或其它單元則予以省略。請再參照第2A圖，一電化學反應使用之例如鉑的第一電極226接觸發光元件212之第一型電極224。另外一例如鉑之第二電極
204亦浸入電解液208中，第一電極226和第二電極204間則以導線216相連接。
以一同調光源(例如雷射)或非同調光源(例如氙器燈)發出一光束202通過一相位光罩214，於發光元件212之第一型半導體層218上形成干涉條紋，為使蝕刻製程能順利進行，光束202之光子能量需大於氮化鎵之能帶，在本實施例中，光束202為波長325奈米之He-Cd雷射光。電壓源228透過第一電極226施加負偏壓，使發光元件212作為陽極，第二電極204作為陰極，並且以一電流計211量測其中之電流量。本實施例之相位光罩214為一維之光柵，光束202通過相位光罩214，於發光元件212之第一型半導體層218上，形成一維之干涉條紋，使第一型半導體層218產生電子電洞對。電子會飄移置第二電極204(陰極)，電洞會使第一型半導體層218表面氧化，氧化物會溶解於電解液中，進而發生蝕刻。本實施例一維之干涉條紋會於第一型半導體層218上形成一維之光子晶體，若要製作二維之光子晶體，本實施例另可將發光元件212旋轉例如90°之特定角度，再進行多次上述之照光蝕刻步驟，形成二維之光子晶體。值得注意的是，本發明另可使用二維之相位光罩，於一次的照光蝕刻步驟中形成二維之光子晶體。請注意，本發明不限定於使用相位光罩，本發明亦可應用其它的光調制單元(optical modulation element)，例如微透鏡陣列，於第一型半導體層上形成光場強度的重新分佈。
根據上述，本發明LED中之週期性結構之製作設備至少包括一儲存槽206，儲存一電解液208，一光調制單元214，一第一電極226連接一發光元件212，一光源可發射出一光束202，穿過光調制單元214於發光元件212上形成一干涉條紋。
【實施範例】
以下為描述本發明之一範例及相關的實驗數據，補充說明本發明。將一晶片浸入一氫氧化鉀(KOH)電解液中，晶片之p-GaN層上形成有一12nm/180nm之Ti/Au層作為P型電極，n-GaN層上形成有一30nm/120nm之Ni/Au層作為N型電極。對半導體晶片施加0.7V之負偏壓，並以一波長為325奈米之He-Cd雷射，通過一相位光罩，照射半導體晶片之p-GaN層，以進行光輔助電化學蝕刻，將通過相位光罩之干涉條紋用作紫外光寫入光束(UV writing beam)，於p-GaN層上刻化柵欄狀的圖案。
上述範例之發光二極體元件和一般發光二極體元件之比較如第3圖所示：當以PEC對發光二極體元件蝕刻35奈米之深度時，其光輸出能量較蝕刻65奈米之深度時之發光二極體元件高，且本範例之發光二極體元件相較於一般發光二極體元件約可增加90%之輸出能量。
根據本發明上述實施例及實驗結果，本發明一實施例光子晶體之製作方法的確可用於發光二極體元件之製作，且可有效提升發光二極體元件之發光效率，或製作具有特定極化態之發光二極體。
以上提供之實施例係用以描述本發明不同之技術特徵，但根據本發明之概念，其可包括或運用於更廣泛之技術範圍。須注意的是，實施例僅用以揭示本發明製程、裝置、組成、製造和使用之特定方法，並不用以限定本發明，舉例來說，本發明不特別限定於製作發光元件，其它元件或結構，例如被動元件，以可屬於本發明之範疇。任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍，當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102‧‧‧雷射光束
104‧‧‧相位光罩
106‧‧‧光線
108‧‧‧光線
110‧‧‧光線
112‧‧‧干涉條紋
114‧‧‧結構層
116‧‧‧光子晶體
202‧‧‧光束
204‧‧‧第二電極
206‧‧‧儲存槽
208‧‧‧電解液
210‧‧‧基座
211‧‧‧電流計
212‧‧‧發光元件
214‧‧‧相位光罩
216‧‧‧導線
218‧‧‧第一型半導體層
220‧‧‧主動層
222‧‧‧第二型半導體層
224‧‧‧第一型電極
226‧‧‧第一電極
228‧‧‧電壓源
第1A圖和第1B圖揭示本發明製作光子晶體結構之機制。
第2A圖和第2B圖揭示本發明一實施例於發光二極體製作光子晶體結構之製程。
第3圖顯示輸入電流和輸出能量之關係圖，對本發明一範例發光二極體元件和一般發光二極體元件進行比較。
202‧‧‧光束
204‧‧‧第二電極
206‧‧‧儲存槽
208‧‧‧電解液
210‧‧‧基座
211‧‧‧電流計
212‧‧‧發光元件
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218‧‧‧第一型半導體層
220‧‧‧主動層
222‧‧‧第二型半導體層
224‧‧‧第一型電極
226‧‧‧第一電極
228‧‧‧電壓源
Claims (16)
- 一種週期性結構之製作方法，包括：提供一結構層；提供一光調制單元(optical modulation elernent)；以一光束通過該光調制單元形成干涉圖案，照射於該結構層上；藉由該干涉圖案，進行一光輔助電化學蝕刻製程，於形成該週期性結構；及將該結構層旋轉一特定角度，再進行上述之光輔助電化學蝕刻製程，形成二維之光子晶體。
- 如申請專利範圍第1項所述之週期性結構之製作方法，其中該光調制單元為一相位光罩。
- 如申請專利範圍第1項所述之週期性結構之製作方法，其中該光調制單元為一微透鏡陣列。
- 如申請專利範圍第1項所述之週期性結構之製作方法，其中該週期性結構為光子晶體結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之週期性結構之製作方法，其中該結構層為一半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之週期性結構之製作方法，其中該光輔助電化學蝕刻製程係將該結構層浸入一電解液，該干涉條紋於該結構層上，依位置不同有不同的強度，當光束的強度越強時，蝕刻速率越快，藉此形成該週期性結構。
- 如申請專利範圍第6項所述之週期性結構之製作方法，其中該光調制單元係浸入該電解液。
- 如申請專利範圍第6項所述之週期性結構之製作方法，其中該電解液為氫氧化鉀(KOH)。
- 如申請專利範圍第1項所述之週期性結構之製作方法，不包括使用光阻曝光之微影技術。
- 一種發光元件之製作方法，包括：提供一發光單元，至少包括一第一型半導體層；提供一光調制單元(optical modulation element)；以一光束通過該光調制單元形成干涉條紋，照射於該發光單元之第一型半導體層上；及藉由該干涉條紋，進行一光輔助電化學蝕刻製程，於該第一型半導體層形成週期性之結構；及將該發光元件旋轉一特定角度，再進行上述之光輔助電化學蝕刻製程，形成二維之光子晶體。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件之製作方法，其中該光調制單元為一相位光罩或一微透鏡陣列。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件之製作方法，其中該第一型半導體層為N型氮化鎵(n-GaN)或P型氮化鎵(p-GaN)。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件之製作方法，其中該發光單元為一發光二極體，且該發光單元尚包括一第二型半導體層，和一位於該第一型半導體層和該第二型半導體層間之主動層。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件之製作方法，其中該光輔助電化學蝕刻製程係將該發光單元浸入一電解液，該干 涉條紋於該發光單元上，依位置不同有不同的強度，當光束的強度越強時，蝕刻速率越快，藉此形成該週期性之結構。
- 如申請專利範圍第14項所述之發光元件之製作方法，其中該光調制單元係浸入該電解液。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件之製作方法，不包括使用光阻曝光之微影技術。
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