TWI425250B - 微透鏡的製作方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光學透鏡的製作方法，特別是指一種用於半導體光電元件之微透鏡的製作方法。
半導體光電元件，例如LED元件的光電效率高低，通常是以外部量子效率(External Quantum Efficiency;ηext)表示。所謂外部量子效率為每秒由半導體元件內部射出的光子數量除以每秒流進半導體元件的電子數目。而外部量子效率又可為內部量子效率(Internal Quantum Efficiency;ηint)與光萃取效率(Extraction Efficiency;ηextraction)的乘積，即ηext=ηint×ηextraction，其中，內部量子效率為該半導體元件的作動層(Active Layer)每秒發射的光子量除以每秒流入半導體光電元件的電子數目，而光萃取效率則為該半導體光電元件作動層的光子產生量與成功離開半導體光電元件內部之光子量的比值。
內部量子效率與半導體光電元件作動層的磊晶品質息息相關；而光萃取效率，由斯涅爾定律(Snell’s Law)得知：當光由具有高折射率的半導體材料射入低折射率的空氣介質時，會受到臨界角度的影響而形成光的全反射現象，而以LED元件作動層常用的GaN類半導體材料為例而言，GaN的折射率(n)約為2.5，空氣為1，經計算後得知其全反射臨界角為23°，因此當由作動層產生之光在接觸該作動層與空氣的介面時，大部分的會因為全反射的結果而無法向外發出，使得該LED元件實際的光逃脫量只有4%，所以如何有效提升半導體光電元件的光萃取效率，以提升半導體光電元件整體的外部量子效率，已為目前業界努力研究的重要課題之一。
目前常用來提升LED元件光萃取效率的方法，大都是以蝕刻方式在LED元件形成規則或不規則形狀的粗化結構，藉由改變作動層出光面的結構，而改變光子與該作動層出光面的接觸角度，減少光的全反射作用，以提升LED元件的光萃取效率。然而，以蝕刻方式對LED元件表面進行粗化後製得的LED元件，其電性的表現會有較為顯著的不良影響，而表面粗化製程的另一缺點為LED表面不規則的奈米結構會有出光亮度不均勻的問題產生；而利用在LED元件的頂面製作2D光子晶體結構來增加LED的光萃取效率的方式，如Yik-Khoon等人(Yik-Khoon Ee,Ronald A.Arif,ans Nelson Tansu,APPLIED PHYSICS LETTERS 91,221107,2007)提出，利用在LED元件的半導體表面先依序形成一由複數聚苯乙烯(n=1.58)微球構成的第一微球層，及一由複數二氧化矽(n=1.46)微球所構成的第二微球層，利用聚苯乙烯在高溫會融熔的特性，將該LED元件加熱到不小於140℃，令該第一微球層的聚苯乙烯微球熔融，而於該LED元件表面形成一由該些二氧化矽微球構成的半球形微結構。前述方式雖然可以解決出光均勻性的問題，而利用具有不同性質的微球排列成雙層結構後再加以熔融，形成由二氧化矽微球構成的半球形微結構，則因受限於材料的
選擇，而無法靈活的運用各種材料於此製程方法中。另一方面以光子晶體於LED的製程方式而言，一般為採用電子束微影技術、奈米印微影技術，或全像微影技術，而這些技術不僅使用的設備昂貴且製程速率緩慢，因此並不適合使用於低成本考量的LED產業。
因此，如何發展一製程簡便，且可有效提升半導體元件的光萃取效率的方法，以提升半導體元件整體的外部量子效率，已成為目前業界努力研究的重要課題之一。
因此，本發明之目的，即在提供一種製程簡便，用以製作微透鏡的方法。
於是，本發明一種微透鏡的製作方法，包含：
(a)於一基材表面形成一由複數微球構成並具有長程有序規則堆積結構的微球層。
(b)以由下而上(bottom-up)的沉積方式，自該基材表面向上形成一填覆該些微球之間間隙，並將該微球層固定於該基材的透明鍍膜層。
本發明之功效在於：利用於基材表面形成一具有單層長程有序規則排列結構的微球層，並藉由製程控制形成一填覆該些微球間隙並同時將該些微球固定在該基材表面的鍍膜層，不僅製程簡便且構成材料不受限制，因此可靈活的運用各種材料於此製程方法中，而具有更廣泛的用途。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
要說明的是，本發明一種微透鏡的製作方法的是在光電元件表面製作微透鏡結構，而用以改變光線的行進方向，特別是可應用在一般需要破壞光線的全反射作用之半導體光電元件，例如LED；或光由低折射率介質進入高折射率材料的漸變折射率設計如太陽能電池表面的透鏡結構製作，於本實施例中是以在水平式LED光電元件表面製作微透鏡結構為例作說明。
參閱圖1、圖2，本發明一種微透鏡的製作方法，是可用以製作如圖1所示之具有微透鏡的LED光電元件。
該LED光電元件具有一基材1，及一微透鏡2。
該基材1具有一基板11、一形成在該基板11上，並具有一作動層121的半導體元件12，及一形成在該半導體元件12上的電極13。由於該基板11、半導體元件12，及該電極13的材料選擇為本技術領域者所週知且非為本發明之重點，因此，不再多加贅述。於本實施例中，該基板11是可由藍寶石、Si-wafer或其他可乘載之載體所構成。
該微透鏡2具有一微球層21，及一鍍膜層22，該微球層21是由複數微球211構成並具有長程有序規則堆積的單層結構，該些微球211的粒徑介於400~800nm之間，粒徑分佈範圍介於±10%，且實質具有單一粒徑分布，可選自聚苯乙烯、二氧化矽、聚壓克力等透光材料構成；該鍍膜層22可選自導電或不導電的透明材料構成，為填覆該些微球211之間的間隙並具有複數與該每一微球211形狀相對應之曲面。要說明的是，當該鍍膜層22的高度與該些微球211的半徑相差過大時，會造成漸變性的有效折射率不連續而影響光的取出率，因此，較佳地，該鍍膜層22的最大高度不大於該些微球211的半徑，更佳地，該鍍膜層22的最大高度與該些微球211的半徑實質相同；此外，當該鍍膜層22為由導電材料構成時，該鍍膜層22也可同時成為該光電元件之電極。
較佳地，該微透鏡2的折射率為介於該半導體元件12及低介質材料，如空氣，或封裝材料(例如環氧樹脂(Epoxy))之間，更佳地，該鍍膜層22的折射率大於該微球層21的折射率且小於該半導體元件12，如此可藉由折射率漸變的連續性改變，有效降低入射光線的反射現象，而有助於LED內部光萃取效率。於本實施中該些複數微球211是由聚苯乙烯(PS)構成且粒徑介於750~780nm之間，該鍍膜層22是由氧化鋅為材料構成，且高度與該些微球211的半徑相當。
由Mohammadi提出的有效折射率的公式可知，球體(PS微球)區間體積與介質材料(空氣or鍍膜層)之間的有效折射率(effective reflective index，n eff
)為：
n c
=氧化鋅折射率
n ps
=PS微球
ψ
=體積因子
(△n
=(n c
-n ps
)，d
=PS微球半徑，λ=真空
中光波長，a
=常數)
而由前述有效折射率公式運算結果可知，本發明該微透鏡2隨著微球211與ZnO鍍膜層22體積或微球211與Air體積之比例變化，會呈現出一如圖3所示的連續折射率關係，圖3即為說明本發明形成在該半導體元件12上之微透鏡2在不同鍍膜層(空氣)體積及微球半徑的折射率變化；因此，當該半導體元件12在接受電能而轉換成光能後，光子由該半導體元件12往空氣方向發出時，即可令該向外發出之光在接觸該半導體元件12與微透鏡2的界面時，經由該微透鏡2之微球層21，及鍍膜層22之間的體積比例，而影響有效折射率的值，形成漸變的有效折射率材料，並藉著折射率連續性的改變連結半導體與空氣，有效降低該半導體元件12與空氣界面因為折射率大小的差異所造成的全反射現象，而有助於LED內部光萃取的機會；此外，藉由該微透鏡2的幾何形狀變化，將使法線方向隨幾何形狀變化進而影響光的入射角度永遠小於臨界角度，而可更進一步提升LED元件的光萃取效率。上述該具有微透鏡之LED光電元件，在配合以下微透鏡的製作方法的該較佳實施例說明後當可更佳清楚明白。
本發明該微透鏡的製作方法的該較佳實施例包含以下兩個步驟。
配合參閱圖4、圖5，首先進行步驟31，準備一基材
1，於該基材1表面形成一由複數微球211構成並具有單層長程有序規則堆積結構的微球層21。
該基材1具有一基板11、一具有一作動層121的半導體元件12，及一電極13。由於該基板11、該半導體元件12，及該電極13的製作方法及相關材料選擇為本技術領域者所週知且非為本發明之重點，因此，不再多加贅述。於本實施例中，該基板11是可由藍寶石、Si-wafer或任何可乘載之載體所構成。
接著將該基材1置入一含有複數微球211的溶液中，利用電泳法、重力沉降法、旋轉塗佈法，或浸漬等方式於該半導體元件12上形成一由複數微球211構成的微球層21，於本實施例中該步驟31是以電泳法為例做說明。
具體的說，該步驟31是先以光阻材料100覆蓋該電極13，接著將該覆蓋光阻材料100的基材1放入一含有聚苯乙烯(以下簡稱PS)微球211的電泳溶液中，以電泳法進行PS微球211的自組裝，利用電泳自組裝技術令PS微球211以長程有序規則堆積的方式單層排列於該半導體元件12表面。圖6即為該微球層21的掃描式電子顯微鏡(以下簡稱SEM)圖片。
接著進行步驟32，以由下而上(bottom-up)的沉積方式，自該半導體元件12表面向上形成一填覆該些微球211之間間隙，並將該微球層21固定於該半導體元件12表面的透明鍍膜層22。
該鍍膜層22可選自導電或不導電的透明材料構成，並
利用電鍍法、溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法，或電泳法等鍍膜方式製得，適用於本發明該較佳實施例的該該鍍膜層22材料是選自ZnO、AZO、AGZO、TiO2
、ITO、IZO、IGZO或PMMA、PC等透明高分子材料，要說明的是當該鍍膜層22是選自導電的透明材料，則該鍍膜層22也可同時成為該光電元件之電流擴散電極。要特別說明的是，由於該鍍膜層22的鍍膜過程是控制由該半導體元件12表面向上沉積，即bottom-up的製程控制，因此，一開始會由該半導體元件12表面堆積，進而填覆該些微球211之間的間隙並將該微球層21固定於該半導體元件12表面。於本實施例中，是以電鍍方式形成以氧化鋅為材料構成的該鍍膜層22為例作說明。圖7所示即為該微透鏡2的SEM圖片。
此外，要說明的是，本發明該微透鏡的製作方法的該較佳實施例亦可在一般垂直型LED光電元件上製作微透鏡結構，而得到如圖8所示之LED光電元件。
參閱圖9，圖9是由本發明該較佳實施例製得之該具有微透鏡的LED光電元件(L-1)、僅具有微球層21之LED光電元件(L-2)，及傳統LED光電元件(L-3)的光激發光光譜(以下簡稱PL)圖。由結果可知，本發明該鍍膜層22所使用的ZnO(n=1.9)由於其折射率高於SiO2
(n=1.46)或PS(n=1.58)，因此由圖3可以得到由本發明製作出來的該微透鏡2的有效折射率呈現出一連續且漸變型折射率變化，且由PL光譜結果可知本發明具有微透鏡之LED光電元件的PL光強度約為傳統式LED光電元件PL光強度的3.2
倍。
綜上所述，本發明該微透鏡的製作方法，先藉由物理吸附方式在該半導體元件12表面形成一具有有序微結構的微球層21，接著再利用bottom-up鍍膜製程控制形成一填覆該些複數微球211之間間隙並將該微球層21固定於該半導體元件12表面的透明鍍膜層22，不僅不需破壞半導體層結構，且比一般製備光子晶體微結構的製程更為簡便，而可更有效降低製程成本，此外，由於該微球層21及該鍍膜層22的構成材料並無限制，因此，可靈活的搭配運用各種材料於此製程方法中，而可具有更廣泛的用途。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範透光，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範透光內。
100．．．光阻材料
1．．．基材
11．．．基板
12．．．半導體元件
121．．．作動層
13．．．電極
2．．．微透鏡
21．．．微球層
211．．．微球
22．．．鍍膜層
31．．．步驟
32．．．步驟
圖1是一示意圖，說明由本發明較佳實施例製得之具有微透鏡的水平式LED光電元件結構；圖2是一局部放大圖，說明圖1的微透鏡結構；圖3是一折射率圖，說明本發明該微透鏡的微球與鍍膜層體積及與Air體積在不同比例之折射率關係圖；圖4是一流程圖，說明本發明該微透鏡的製作方法的較佳實施例；圖5是一流程示意圖，輔助說明圖4的步驟31；圖6是一SEM圖，為該步驟31製得的微球層結構之SEM照片；圖7是一SEM圖，為該較佳實施例製得的微透鏡結構之SEM照片；圖8是一示意圖，說明由本發明該較佳實施例製得之具有微透鏡的垂直式LED光電元件；及圖9是光激發光光譜圖，說明圖1與傳統LED光電元件的光激發光光譜圖比較。
31．．．步驟
32．．．步驟
Claims (9)
- 一種微透鏡的製作方法，包含：(a)於一基材表面形成一由複數微球構成並具有長程有序規則堆積結構的微球層；及(b)以由下而上的沉積方式，自該基材表面向上形成一填覆該些微球之間間隙，並將該微球層固定於該基材的透明鍍膜層。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，其中，該鍍膜層的最大高度不大於該些微球的半徑。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，還包含一實施於該步驟(b)之前的步驟(c)，將該表面形成微球層的基材在微球的Tg溫度+/- 10℃條件下進行熱處理。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，還包含一實施於該步驟(b)之後的步驟(d)，將該微球層移除。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，其中，該些微球粒徑介於400~800nm之間，為選自聚苯乙烯、二氧化矽、聚壓克力等透光材料，且粒徑分佈範圍介於±10%之間。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，其中，該基材具有一基板及一自該基板表面向上形成的半導體元件，該微球層是形成在該半導體元件表面。
- 依據申請專利範圍第6項所述之微透鏡的製作方法，其 中，該鍍膜層是選自透明導電材料，且折射率介於該半導體元件及該些微球之間。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，其中，該微球層是以電泳法、重力沉降法、旋轉塗佈法，或浸漬法製得。
- 依據申請專利範圍第1項所述之微透鏡的製作方法，其中，該鍍膜層是以電鍍法、溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法，或電泳方式製得。
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| US20090315013A1 (en) * | 2006-12-24 | 2009-12-24 | Lehigh University | Efficient light extraction method and device |
| TW201003124A (en) * | 2008-07-04 | 2010-01-16 | Aurotek Corp | Micro-lens and manufacturing method of its core, and light emitting device |
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