TWI420694B - 光電元件 - Google Patents

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TWI420694B TW097128758A TW97128758A TWI420694B TW I420694 B TWI420694 B TW I420694B TW 097128758 A TW097128758 A TW 097128758A TW 97128758 A TW97128758 A TW 97128758A TW I420694 B TWI420694 B TW I420694B
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光電元件
本發明是關於一種光電元件，特別是一種具有高效率反射層之發光二極體元件。
發光二極體與傳統的白熾燈泡與冷陰極燈管相較，具有省電以及使用壽命更長的優越特性，所以被廣泛應用於各種領域之中，例如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備與通訊儲存裝置等產業。
為提升發光二極體的出光效率，通常於發光二極體結構之適當位置，如基板與發光疊層之間，設置一反射層，可減少基板的吸光效應，使發光層所產生的光透過上述反射層之反射作用而增加出光。反射層多採用具有高反射特性的金屬材料，例如金(Au)或銀(Ag)，來做為單一反射金屬層。此種反射層之反射能力，取決於所選用的反射金屬層之材料其反射係數之大小，例如金(Au)大約是86%、銀(Ag)大約是92%。
另一經常運用於發光二極體結構中之反射層為布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector：DBR)。布拉格反射鏡(DBR)是由厚度為約四分之一光波長之多層具不同折射率之材料所組成的結構，其組成材料選擇眾多，例如是由SiO2 /TiO2 所形成的多層結構或是由磊晶製程所形成之不同組成之半導體層所堆疊而成的多層結構。其反射率取決多層結構的層數與折射率變化的搭配設計。
於發光二極體結構中，尚可以採用一種全方向性反射層(omni－direction reflector：ODR)之設計，其通常具有比一般金屬反射層更好的反射效果。全方向性反射層(ODR)是由半導體層、低折射率層與金屬層所堆疊形成的結構，其中低折射率層(low index layer)之厚度為四分之一光波長的倍數，且通常為絕緣材料，例如二氧化矽(SiO2 )或氮化矽(Si3 N4 )，所以並不具有導電的特性。
如上所述，設置一反射層於發光二極體結構中的適當位置，來增加元件的出光效率，是一個習知而且有效的方法，但如何設計一個反射效率更高的反射層，便成為一個大家所追求的目標。
本發明係提供一種光電元件，其包含一半導體層，其表面具有許多凹陷；一中間層，形成於半導體層之表面，並將這些凹陷形成內含空氣(折射係數約為1)的孔洞；以及一反射層，形成於中間層之上，以形成一具有高反射效率之全方向性反射層(ODR)；其中上述之中間層可以是透明導電層或介電層。
本發明係再提供一種光電元件，其包含一半導體發光疊層，具有一第一半導體層、一主動層與一第二半導體層，且第一半導體層之表面，具有許多凹陷；一透明導電層，形成於第一半導體層之表面，並將這些凹陷形成內含空氣(折射係數約為1)的孔洞；一金屬反射層，形成於透明導電層之上，以便形成一具有高反射效率之全方向性反射層(ODR)。
本發明主要是希望藉由上述於半導體層與透明導電層之間所形成的孔洞設計，來達到降低透明導電層之折射係數的效果，以提昇全方向性反射層(ODR)的反射效率，使得由主動層所產生的光可以經由全方向性反射層(ODR)之反射作用而出光，以增加元件的出光效率。
第1圖為本發明之第一實施例。如圖所示為一發光元件，例如一發光二極體結構，是於基板200上以磊晶方式形成一第一半導體層210，再於第一半導體層210上形成一主動層220，最後形成一第二半導體層230於主動層220之上，其中第一半導體層210與第二半導體層230兩者的電性相異。接者，於第二半導體層230之表面形成複數個凹陷232，並於其上方覆蓋一透明導電層240，此時透明導電層240並不會將凹陷232填滿，因而形成複數個孔洞231，其中大致包含空氣(折射係數約為1)。然後再於透明導電層240之上方，形成一金屬反射層250，此時第二半導體層230、透明導電層240與金屬反射層250形成一具有高反射效率之全方向性反射層(omni－direction reflector：ODR)。最後分別於第一半導體層210與金屬反射層250之上方，形成一第一電極270與一第二電極280，便可完成本實施例之發光二極體之結構。
上述之複數個孔洞231其大小以使其上方之透明導電層無法填入孔洞231為原則，其最大直徑較佳約為小於200nm，使其中大致包含空氣(折射係數約為1)；其形狀並無限制，可以是六角形孔穴、倒金字塔形，不規則的多邊形等；其排列方式並無限制，例如是週期性排列或不規則排列。凹陷230的形 成方式也並不受侷限，舉例如下：(a)磊晶法－－於形成第二半導體層230之磊晶製程中，藉由控制磊晶條件，使得第二半導體層230之表面自然形成複數個凹陷232；(b)濕式蝕刻法－－當完成第二半導體層230之後，依據第二半導體層230之材質，選擇適當的蝕刻溶液如鹽酸或磷酸，對第二半導體層230之表面進行奈米微影蝕刻，形成凹陷232；(C)奈米壓印法(nano－imprint)－－完成第二半導體層230之後，於其表面進行奈米印刷製程步驟，以形成具有奈米級的複數個凹陷232；(d)奈米球體散佈法－－當完成第二半導體層230之後，於其表面散佈如SiO2 、Al2 O3 、TiO2 、MgO、ZnO等奈米球體，便可以於第二半導體層230之表面形成複數個凹陷232；(e)高溫合金球法－－於第二半導體層230之表面先形成一薄金屬層，再利用高溫合金法，將此薄金屬層轉變為金屬球體，便可以在第二半導體層230之表面形成複數個凹陷232；(f)機械式粗化法－－於第二半導體層230之表面，利用機械研磨的方式形成複數個凹陷232於第二半導體層230之表面；(g)乾式蝕刻法－－－於第二半導體層230之表面，利用乾式蝕刻法如電漿蝕刻法、電子束蝕刻法或雷射蝕刻法等，對第二半導體層230之表面進行蝕刻，形成複數個凹陷232。形成此些凹陷232是為了於半導體層230與透明導電層240之間，形成內含空氣(折射率大約為1)的孔洞231之結構，透過孔洞231之結構設計來達到降低透明導電層240之折射係數的效果，進而提高全方向性反射層(ODR)的反射能力。
上述實施例中基板200，可以是Al2 O3 、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl2 O4 及玻璃所構成之材料組群中至少一種材料或其它可代替之材料取代之；第一半導體層210、主動層220以及第二半導體層230可選自於GaN、AlGaN、InGaN、AlGaInP及AlInGaN等材料；第一電極270 與一第二電極280係選自於Al、Ti、Ti/Al、Cr/Al、Ti/Au、Cr/Au、Ni/Au、TiW、TiN、WSi、Au/Ge、Pt、Pd及Rb所構成之材料組群中至少一種材料；透明導電層240係選自於氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構成之材料組群中至少一種材料；金屬反射層250，為具有高反射率之導電性的材料，例如鋁(Al)或銀(Ag)。
如第2圖所示為本發明之第二實施例。本實施例之結構與第一實施例不同的地方，是由第一半導體層210、透明導電層240與金屬反射層250所形成的全方向性反射層(ODR)係位於基板200與主動層220之間，使得由主動層220所產生向下發射的光經由全方向性反射層(ODR)的反射作用而反射出光，而避免為下方基板所吸收，進而提高出光效率。其中透明導電層240除了是由氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫等透明導電材料所構成以外；也可以一介電層所取代，此介電層可以是無機介電材料，例如二氧化矽(SiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(SiNx )、或旋塗玻璃(spin－on glass)等，或是有機介電材料，例如環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)等。
如第3圖所示為本發明之第三實施例。本實施例是一利用基板轉移方法所形成之發光二極體結構，其具有一導電基板300；其下方設置有一第一電極370；其上方係透過一連結層310連接一多層結構，包含連結層310上方之金屬反射層320；金屬反射層320上方之透明導電層330；以及透明導電層330上方之磊晶疊層，包含一第一半導體層340，並於第一半導體層340上形成一主動層350，以及於主動層350上形成一第二半導體層360，其中第一半導體層340與第二半導體層360兩者的電性相異；最後於第二半導體層360之上方形成一第二電 極380。其中於第一半導體層340與透明導電層330接觸之界面處，於第一半導體層340之表面形成複數個凹陷342，且透明導電層330並不會將凹陷342填滿，而形成複數個孔洞341，其中大致包含空氣(折射係數約為1)，其中本實施例之孔洞341的形成方法、大小、形狀、與排列方式與前述之實施例相同。由第一半導體層340、透明導電層330與金屬反射層320，所形成的全方向性反射層(omni－direction reflector：ODR)具有高反射效率，可以使由發光疊層所產生的光往下發射時，經由全方向性反射層(ODR)的反射作用而反射出光，以避免光為下方的基板所吸收，進而提高出光效率。
本實施例中基板300，為具有導電特性的基板，例如矽基板、銅基板及SiC所構成之材料組群中至少一種材料或其它可代替之材料取代之；第一半導體層340、主動層350以及第二半導體層360可選自於GaN、AlGaN、InGaN、AlGaInP及AlInGaN所構成材料群組中的一種材料；第一電極370與一第二電極380係選自於Al、Ti、Ti/Al、Cr/Al、Ti/Au、Cr/Au、Ni/Au、TiW、TiN、WSi、Au/Ge、Pt、Pd及Rb所構成材料組群中之至少一種材料；透明導電層330係選自於氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構成材料組群中之至少一種材料；金屬反射層320，為具有高反射率之導電性的材料，例如鋁(Al)或銀(Ag)；黏結層310係選自於環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)所構成材料組群中之至少一種材料。
上述之所有實施例並不侷限於發光二極體元件，可以將具有孔洞結構設計之全方向性反射層(ODR)，應用於任何需要反射層之光電元件的任何適當位置，如太陽能電池(Solar Cell)或雷射二極體(Laser Diode)等。
第4圖顯示本發明之背光模組結構。其中背光模組裝置600包含：由本發明上述任意實施例之發光元件611所構成的一光源裝置610；一光學裝置620置於光源裝置610之出光路徑上，將光做適當處理後出光；以及一電源供應系統630，提供上述光源裝置610所需之電源。
第5圖顯示本發明之照明裝置結構。上述照明裝置700可以是車燈、街燈、手電筒、路燈、指示燈等等。其中照明裝置700包含：一光源裝置710，係由本發明上述之任意實施例的發光元件711所構成；一電源供應系統720，提供光源裝置710所需之電源；以及一控制元件730控制電源輸入光源裝置710。
雖然發明已藉各實施例說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。
200‧‧‧基板
210‧‧‧第一半導體層
220‧‧‧主動層
230‧‧‧第二半導體層
231‧‧‧孔洞
232‧‧‧凹陷
240‧‧‧透明導電層
250‧‧‧金屬反射層
270‧‧‧第一電極
280‧‧‧第二電極
300‧‧‧基板
310‧‧‧連結層
320‧‧‧金屬反射層
330‧‧‧透明導電層
340‧‧‧第一半導體層
341‧‧‧孔洞
342‧‧‧凹陷
350‧‧‧主動層
360‧‧‧第二半導體層
370‧‧‧第一電極
380‧‧‧第二電極
600‧‧‧背光模組裝置
610‧‧‧光源裝置
611‧‧‧發光元件
620‧‧‧光學裝置
630‧‧‧電源供應系統
700‧‧‧照明裝置
710‧‧‧光源裝置
711‧‧‧發光元件
720‧‧‧電源供應系統
730‧‧‧控制元件
第1圖係利用本發明之第一實施例。
第2圖係利用本發明之第二實施例。
第3圖係利用本發明之第三實施例。
第4圖係利用本發明之背光模組結構圖。
第5圖係利用本發明之照明裝置結構圖。
200‧‧‧基板
210‧‧‧第一半導體層
220‧‧‧主動層
230‧‧‧第二半導體層
231‧‧‧孔洞
232‧‧‧凹陷
240‧‧‧透明導電層
250‧‧‧金屬反射層
270‧‧‧第一電極
280‧‧‧第二電極

Claims (32)

  1. 一種光電元件，包含一半導體發光疊層，具有一第一半導體層、一主動層與一第二半導體層，其中該一第一半導體層之一表面，具有複數個凹陷；一透明導電層，形成於該第一半導體層之該表面上，使得該些凹陷，形成複數個孔洞；以及一金屬反射層，形成於該透明導電層之上。
  2. 如請求項1所述之光電元件，其中該孔洞之最大直徑小於200nm。
  3. 如請求項1所述之光電元件，其中該孔洞之折射係數為1。
  4. 如請求項1所述之光電元件，其中該孔洞之形狀可以是六角形孔穴、倒金字塔形或不規則的多邊形。
  5. 如請求項1所述之光電元件，其中該孔洞可以是週期性排列或不規則排列。
  6. 如請求項1所述之光電元件，其中形成該凹陷之方法可以是磊晶法、濕式蝕刻法、奈米印刷法、奈米球體散佈法、高溫合金球法、機械式粗化法或乾式蝕刻法。
  7. 如請求項1所述之光電元件，其中該透明導電層係選自於氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構成 材料組群中之至少一種材料。
  8. 如請求項1所述之光電元件，其中該透明導電層係為一介電層所取代。
  9. 如請求項8所述之光電元件，其中該介電層可以是無機介電材料，例如二氧化矽(SiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(SiNx)、或旋塗玻璃(spin－on glass)等。
  10. 如請求項8所述之光電元件，其中該介電層可以是有機介電材料，例如環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)等。
  11. 一種光電元件，包含一半導體層，其表面具有複數個凹陷；一中間層，形成於該半導體層之該表面，使得該些凹陷形成複數個孔洞；以及一反射層，形成於該中間層之上。
  12. 如請求項11所述之光電元件，其中該中間層為透明導電層或介電層。
  13. 如請求項12所述之光電元件，其中該透明導電層係包含選自於氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構成材料組群中之至少一種材料。
  14. 如請求項12所述之光電元件，其中該介電層可以是無機介電材料，例如二氧化矽(SiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(SiNx)、或旋塗玻璃(spin－on glass)等。
  15. 如請求項12所述之光電元件，其中該介電層可以是有機介電材料，例如環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)等。
  16. 如請求項11所述之光電元件，其中該孔洞之之最大直徑小於200nm。
  17. 如請求項11所述之光電元件，其中該孔洞之折射係數為1。
  18. 如請求項11所述之光電元件，其中該孔洞之形狀可以是六角形孔穴、倒金字塔形，不規則的多邊形等。
  19. 如請求項11所述之光電元件，其中該孔洞可以是週期性排列或不規則排列。
  20. 如請求項11所述之光電元件，其中形成該凹陷之方法可以是磊晶法、濕式蝕刻法、奈米壓印法、奈米球體散佈法、高溫合金球法、機械式粗化法或乾式蝕刻法。
  21. 如請求項11所述之光電元件，其中該反射層是一金屬反射層。
  22. 如請求項21所述之光電元件，其中該金屬反射層為鋁(Al)或銀(Ag)。
  23. 一種光電元件製造方法，其步驟包含：形成具有一第一半導體層、一主動層與一第二半導體層之一半導體發光疊層； 形成複數個凹陷於該一第一半導體層之一表面上；形成一透明導電層於該第一半導體層之該表面上，並使得該些凹陷形成複數個孔洞；以及形成一金屬反射層於該透明導電層之上。
  24. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個凹陷之方法是以一磊晶製程進行，係藉由控制該第一半導體層之磊晶條件，使得該第一半導體層之該表面自然形成該複數個凹陷。
  25. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個凹陷之方法是以一濕式蝕刻製程進行，係選擇一適當的蝕刻溶液，對該第一半導體層之該表面進行奈米微影蝕刻。
  26. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個凹陷之方法係利用一奈米壓印製程步驟於該第一半導體層之該表面形成具有奈米級的該複數個凹陷。
  27. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個凹陷之方法是以一奈米球體散佈法，於該第一半導體層之該表面，散佈複數個如SiO2 、Al2 O3 、TiO2 、MgO、ZnO等奈米球體，以形成該複數個凹陷。
  28. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個凹陷之方法是以一高溫合金球製成於該第一半導體層之該表面形成一薄金屬層，再利用高溫合金法，將該薄金屬層轉變為複數個金屬球體，以形成該複數個凹陷。
  29. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個 凹陷之方法是以機械式粗化法於該第一半導體層之該表面，利用機械研磨的方式形成該複數個凹陷。
  30. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數個凹陷之方法是以乾式蝕刻如電漿蝕刻法、電子束蝕刻法或雷射蝕刻法等，於該第一半導體層之該表面進行蝕刻，形成該複數個凹陷。
  31. 一種背光模組裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~30項所述之發光元件所組成；一光學裝置，置於該光源裝置之出光路徑上；以及一電源供應系統，提供該光源裝置所需之電源。
  32. 一種照明裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~30項所述之發光元件所組成；一電源供應系統，係提供該光源裝置所需之電源；以及一控制元件，係控制該電源輸入該光源裝置。
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