TWI481084B - 光學裝置及其製作方法 - Google Patents

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Description

光學裝置及其製作方法
本發明係有關於一種光學裝置，尤其是一種於發光元件之出光面上旋轉塗佈上具有的奈米粒子以增加其光萃取效率的光學裝置及其製作方法。
現今半導體發光元件，如：發光二極體，由於具有諸如壽命長、體積小、高抗震性、低熱產生及低功率消耗等優點，已廣泛地應用為按鍵系統、手機螢幕背光模組、車輛照明系統、裝飾用燈飾及遙控領域等各種設備中的指示器或光源。再者，由於發光二極體之發光效率不斷地提昇，使得白光發光二極體元件在例如掃描器之燈源、液晶螢幕之背光源或照明設備等應用領域上已有逐漸取代傳統之日光燈與白熱燈泡的趨勢。
請參考第1A圖，第1A圖顯示習知技術之面向上型發光二極體之橫截面示意圖。如圖所示，此處發光元件10(即發光二極體10)包含基板11、N型半導體層12、多重量子井層13、P型半導體層14以及兩電極15。一般來說，為了導通P型半導體層14及N型半導體層12以使發光二極體10運作，其中一個電極15係形成於P型半導體層14上，另外一個電極15係形成於N型半導體層12上。而且，於形成另外一個電極15之前，發光二極體10需透過蝕刻製程以部份蝕刻P型半導體層14、多重量子井層13以及N型半導體層12。之後，另外一個電極15係形成於N型半導體層12曝露的部份上。接著，藉由自半導體層注入之電洞與電子再結合，在發光區域上產生光束，再經由P型半導體層上之透光性電極或基板(請參考第1B圖所示之覆晶型發光二極體)射出。用於製造可見光發光二極體的常用材料包括各種III-V族化合物，包括用於製造綠、黃、橙或紅光發光二極體 的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)以及用於製造藍光或紫外光發光二極體的氮化鎵(GaN)，其中氮化鎵發光二極體是成長在藍寶石基板上。
理論上，發光二極體的效率由兩個因素所影響，分別為內部量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE)以及光萃取效率(Light Extraction Efficiency,LEE)。所謂的內部量子效率係由材料特性及品質所決定。至於光萃取效率則是意謂光從元件內部發出至周圍空氣或是封裝的環氧樹脂內之比例，為影響發光二極體效率的重要因素。光萃取效率主要決定於光在發光二極體內的行為，由於發光二極體材料為高折射率介質，當光欲由發光二極體內穿透出外部時勢必會遭遇到全反射的問題，使得實際能離開發光二極體表面而發光的能量僅約8%，即為光萃取效率。因此若能提升發光二極體的光萃取效率將可以大幅提升發光二極體元件的整體發光效率。
目前已有許多用來增加發光二極體光萃取效率的方法被提出，最常見的方法為在發光二極體出光面上製作粗糙化結構或製作其他週期性結構來破壞臨界角以增加光萃取效率。然而，這些方法大多需要經過蝕刻或者製作光罩等繁複的手續，前者將會對發光二極體本身的電性造成破壞而影響到元件的效率，後者則會大幅提升製作成本。
有鑑於前述之說明，本發明提供一種光學裝置，其至少包含一發光元件以及一漸變折射率光學薄膜。發光元件具有一出光面，而漸變折射率光學薄膜係包含具有不同折射率之複數個介電材料層，且該複數個介電材料層係由出光面向上堆疊而使漸變折射率光學薄膜覆蓋於出光面上。其中該複數個介電材料層之該複數個折射率係由下往上遞減。
在本發明一實施例中，其中上述發光元件係為一發光二極體，且此發光二極體可為一面向上型發光二極體或一覆晶型發光二極體。
在本發明一實施例中，其中該些折射率係介於出光面與空氣的折射率之間，且該些介電材料層中鄰近出光面之一者所具有的折射率係接近出光面的折射率。
在本發明一實施例中，其中該些介電材料層係由粒徑遠小於一入射光 之一波長的複數個奈米粒子所組成。
在本發明一實施例中，其中上述奈米粒子的粒徑係介於10nm至100nm之間，且可選擇自由二氧化鈦奈米粒子、二氧化鋯奈米粒子、氧化銦錫奈米粒子、氧化鋅奈米粒子、三氧化二鏑奈米粒子、三氧化二釔奈米粒子、三氧化二鋁奈米粒子與二氧化矽奈米粒子所組成之群組。
在本發明一實施例中，本發明所提供之光學裝置更包含複數個散射粒子，且該複數個散射粒子係設置於漸變折射率光學薄膜上。
在本發明一實施例中，其中上述散射粒子的粒徑係接近一入射光之一波長，且此粒徑係介於200nm至2μm之間。
在本發明一實施例中，其中上述散射粒子可為二氧化鈦材料、三氧化二釔材料、三氧化二鋁材料或二氧化矽材料。
在本發明一實施例中，其中上述光學裝置的製作方法至少包含下列步驟：首先，提供具有出光面之發光元件。接著，旋轉塗佈該複數個介電材料層之其中一者於出光面上後，再旋轉塗佈該複數個介電材料層之其中另一者於該些介電材料層之其中一者上。
在本發明一實施例中，其中上述製作方法更包含下列步驟：旋轉塗佈該些散射粒子於該些介電材料層之其中另一者上。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及附圖式解說來得到進一步的瞭解。
100‧‧‧光學裝置
10‧‧‧發光元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧N型氮化鎵層
13‧‧‧多重量子井層
14‧‧‧P型氮化鎵層
15‧‧‧電極
20‧‧‧漸變折射率光學薄膜
21‧‧‧第一介電材料層
22‧‧‧第二介電材料層
23‧‧‧第三介電材料層
24‧‧‧第四介電材料層
30‧‧‧散射粒子
L‧‧‧出光
P‧‧‧光源
S‧‧‧出光面
第1A圖顯示習知面向上型發光二極體之橫截面示意圖；第1B圖顯示習知覆晶型發光二極體之橫截面示意圖；第2A圖至第2B圖顯示本發明一實施例中光學裝置之結構示意圖；第2C圖顯示本發明一實施例中入射光於光學裝置中之路線示意圖；第2D圖顯示本發明另一實施例中光學裝置之橫截面示意圖；第3圖顯示本發明一實施例中旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜之發光二極體的掃瞄式電子顯微鏡影像；第4A圖顯示本發明一實施例中發光元件之出光面上旋轉塗佈有漸變 折射率光學薄膜前後之穿透光譜；第4B圖顯示本發明一實施例中發光元件之出光面上旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜前後之反射光譜；第5A圖顯示模擬波長460nm的平面波入射習知發光二極體的光萃取電場分布圖；第5B圖顯示模擬波長460nm的平面波入射旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜之發光二極體的光萃取電場分布圖；第5C圖顯示模擬波長460nm的平面波入射旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜與散射粒子之發光二極體的光萃取電場分布圖；以及第6圖顯示習知發光二極體、旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜之發光二極體、旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜與散射粒子之發光二極體的光激發螢光光譜圖。
承上述，為了增加發光二極體的光萃取效率並改善習知技藝上所遭遇的瓶頸，本發明係利用簡單的旋轉塗佈方式於發光二極體的出光面上覆蓋不同折射率之材料層，以開發出低成本且能相容於目前發光二極體製程的表面光萃取結構。本發明除了可提升光萃取效率外，同時又能夠不破壞元件本身的電性。
首先，請參考第2A圖，第2A圖係顯示本發明一實施例中光學裝置100之結構示意圖。如圖所示，光學裝置100至少包含一發光元件10與一漸變折射率光學薄膜20。發光元件10具有一出光面S，且在本發明中發光元件10係以發光二極體為一較佳實施例來進行後續說明。然而，本發明亦可應用於其他如有機發光二極體、薄膜太陽能電池或有機太陽能電池等之光學裝置中，本發明並不欲以此為限。另外，發光二極體可為一面向上型發光二極體(如第1A圖所示)或一覆晶型發光二極體(如第1B圖所示)。也就是說，當發光元件10為面向上型發光二極體時，其出光面S係為P型半導體層上之透光性電極15，且其較佳可為一氧化銦錫(ITO)電極。反之，當發光元件10為覆晶型發光二極體時，其出光面S係為基板11，且其較佳可為一 藍寶石(sapphire)基板。但，必須說明的是，本發明同樣不欲以上述任一實施例為限。
至於漸變折射率光學薄膜20，其係覆蓋於發光元件10之出光面S上並包含具有不同折射率之複數個介電材料層。其中，該複數個介電材料層係依據其各自所具有之折射率從大到小地由出光面S向上堆疊。在一實施例中，漸變折射率光學薄膜20包含一第一介電材料層21以及一第二介電材料層22。其中，第一介電材料層21具有一第一折射率，第二介電材料層22具有一第二折射率，且第二折射率小於第一折射率。因此，如第2A圖所示，第一介電材料層21覆蓋發光元件10之出光面S，而第二介電材料層22堆疊於第一介電材料層21上，使得漸變折射率光學薄膜20之折射率係由出光面S向上遞減。
在此實施例中，第一介電材料層21與第二介電材料層22所分別具有之第一折射率與第二折射率係介於出光面S與空氣(或周遭的封裝材料)的折射率之間。也就是說，當出光面S為氧化銦錫材料(折射率為2.0)時，本發明將挑選折射率介於氧化銦錫材料與空氣之間的複數個介電材料層作為漸變折射率光學薄膜20，並將之依折射率由大至小，而向上堆疊。而且，該些介電材料層中鄰近出光面S之一者(在此實施例中，即為第一介電材料層21)所具有的折射率係最接近出光面S的折射率。
較佳地，第一介電材料層21與第二介電材料層22均包含複數個奈米粒子。而其中該奈米粒子的種類可選擇自由二氧化鈦奈米粒子(TiO2 ，折射率約為2.45至2.80)、二氧化鋯奈米粒子(ZrO2 ，折射率約為2.17至2.35)、氧化銦錫奈米粒子(ITO，折射率約為1.85至2.30)、氧化鋅奈米粒子(ZnO，折射率約為1.90至2.10)、三氧化二鏑奈米粒子(Dy2 O3 ，折射率約為1.97至2.02)、三氧化二釔奈米粒子(Y2 O3 ，折射率約為1.90至2.01)、三氧化二鋁奈米粒子(Al2 O3 ，折射率約為1.72至1.79)與二氧化矽奈米粒子(SiO2 ，折射率約為1.50至1.56)所組成之群組。
再者，上述奈米粒子的粒徑係遠小於一入射光之一波長，且其較佳地介於10 nm至100 nm之間。由於上述奈米粒子的粒徑遠小於入射光的波長，包含這些奈米粒子的漸變折射率光學薄膜20可被視為平坦的光學薄膜。
基本上，於發光元件10之出光面S上覆蓋有漸變折射率光學薄膜20具 有抗反射的效果，可以有效降低出光面S的反射。但是，如果表面的粗糙度還是很小，超過臨界角的光依然會被全反射。因此，請參考第2B圖，本發明所提供之光學裝置更包含設置於漸變折射率光學薄膜20上的複數個散射粒子30，以使其表面進一步被粗化。
較佳地，散射粒子30的粒徑係接近一入射光之一波長，且其較佳地係介於200nm至2μm之間。另外，本發明係挑選折射率與漸變折射率光學薄膜20中最上層介電材料層(在此實施例中，即為第二介電材料層22)的折射率相近的散射粒子，故其種類可為二氧化鈦材料、三氧化二釔材料、三氧化二鋁材料或二氧化矽材料，但本發明並不欲以此為限。上述這些散射粒子能夠改變超過臨界角的入射光的入射角，使得大於臨界角的光可以離開出光面，如第2C圖所示，進而大幅增加光萃取效率。
另外，請參考第2D圖，第2D圖顯示本發明另一實施例中光學裝置之橫截面示意圖。原則上，漸變折射率光學薄膜20包含至少兩個介電材料層，即可達到抗反射的效果。但是，在此實施例中，漸變折射率光學薄膜20可以包含不止兩層介電材料層，亦即除了第一介電材料層21、第二介電材料層22外，更可包含一第三介電材料層23與一第四介電材料層24。而且，上述四個介電材料層的折射率係為第四介電材料層<第三介電材料層<第二介電材料層<第一介電材料層。基本上，漸變折射率光學薄膜20所包含的介電材料層越多，其效果將隨之提升。
同時，關於上述光學裝置的製作方法亦提供如下。首先，提供上述具有一出光面的發光元件。必須說明的是，當以發光二極體為發光元件10之較佳實施例時，其大致結構已說明如前文，且其製作方法並非本發明之特徵所在，故在此並不贅述。
接著，準備複數種包含有不同種類及粒徑的介電材料奈米粒子懸浮溶液。上述懸浮溶液可從二氧化鋯懸浮溶液(以異丙醇與水稀釋至2 wt%)、三氧化二釔懸浮溶液(以異丙醇稀釋至4 wt%)、三氧化二鋁懸浮溶液(以乙醇稀釋至2 wt%)與較小粒徑的二氧化矽懸浮溶液(以異丙醇與水稀釋至3 wt%)中依據前述所提及之折射率的考量選出至少兩者，然後經由一旋轉塗佈製程使其依序覆蓋於發光元件之出光面上，而形成上述漸變折射率光學薄膜。
最後，較佳地利用較大粒徑(如460nm)的二氧化矽懸浮溶液(以異丙醇與 水稀釋至4 wt%)作為散射粒子，同樣利用旋轉塗佈製程使其覆蓋於漸變折射率光學薄膜上。
第3圖為旋轉塗佈上散射粒子之發光二極體的掃瞄式電子顯微鏡影像。如圖所示，尺寸約為460nm的二氧化矽散射粒子大致上可以相當均勻的分布於整個表面，使發光二極體表面具有等同於粒子粒徑的粗糙度。
據此，本發明所提供之光學裝置的結構及其製作方法已詳述如前文。後續將針對習知發光二極體、覆蓋有漸變折射率光學薄膜之發光二極體，以及覆蓋有漸變折射率光學薄膜與散射粒子之發光二極體進行一系列分析。
首先，請參考第4A圖與第4B圖，第4A圖顯示本發明一實施例中發光元件之出光面上旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜前(a)後(b)之穿透光譜，第4B圖顯示本發明一實施例中發光元件之出光面上旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜前(a)後(b)之反射光譜。如前文所述，在本發明之一具體實施例係採用如第1A圖所示之面向上型發光二極體，此種結構的出光面為透明導電層ITO。再者，由於ITO的折射率於波長460nm時為2，因此於上述具體實施例中，漸變折射率薄膜係包含由出光面向上依序堆疊之三氧化二釔材料、三氧化二鋁材料與二氧化矽材料。
接著，針對ITO與空氣的介面反射，本發明先使用ITO玻璃進行光譜分析。其中，由第4A圖可知，當ITO玻璃上覆蓋有漸變折射率光學薄膜後，確實大幅提昇可見光區與近紅外光區的穿透率，足見漸變折射率光學薄膜可視作一抗反射層。再加上漸變折射率光學薄膜係透過旋轉塗佈製程製作於ITO玻璃上，故其可於不破壞ITO玻璃本身的結構與電性的情況下增加光線的穿透率。
由第4B圖可知，ITO玻璃本身在波長為460nm左右時，反射率大約為20%左右。也就是說，即使沒有超出臨界角，由裝置本身所發出的光線也仍會有20%左右被反射回裝置內。然而，當本發明將漸變折射率光學薄膜製作於其上後，此具漸變折射率奈米粒子的光學薄膜能夠有效地在藍光波段將反射率降低以增進發光二極體的光萃取效率。
請進一步參考第5A圖至第5C圖，第5A圖顯示模擬波長460nm的平面波入射習知發光二極體、旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜之發光二極體與旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜與散射粒子之發光二極體的光萃取電場分 布圖。由第5A圖與第5B圖可見，在光源垂直入射下，因為漸變折射率關係使得出光面的反射降低，穿透增加。但是，當入射角增加為40度時，由於已經超過臨界角，具有漸變折射率的光學薄膜並沒有辦法有效的破壞臨界角效應。此時，本發明利用在漸變折射率光學薄膜上增加一層粒徑接近光波長(在此實施例中使用的大小為460nm)的二氧化矽奈米粒子作為散射結構，除了可以降低臨界角以內的介面反射外，同時也可以大幅降低臨界角以外的全反射現象，如第5C圖所示。
為了印證此種結構具有很好的光萃取效率，接著我們量測光激發螢光光譜。請參考第6圖，第6圖顯示習知發光二極體(a)、旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜之發光二極體(b)、旋轉塗佈有漸變折射率光學薄膜與散射粒子之發光二極體(c)的光激發螢光光譜圖。本發明中所使用的雷射光為波長325nm的氦鎘雷射。其中方塊線(a)為對照組，即完全沒有旋轉塗佈任何粒子的發光二極體，而圓形線(b)為上述只有漸變折射率光學薄膜而沒有散射粒子的光激發螢光光譜。三角形線(c)就是有完成整個結構的光激發螢光PL光譜。如圖所示，只有漸變折射率光學薄膜的結構由於未完全的破壞臨界角全反射，因此所能增加的光萃取效率有限。而同時塗佈有漸變折射率光學薄膜與散射粒子造成的表面粗糙度破壞了全反射面，將使光萃取效率大幅上升，證明此種結構確實可以有效的增加發光二極體的發光效率。另外，因旋轉塗佈的方式並不會影響發光二極體的電性，故可以合理推斷光激發螢光光譜中所看到的光萃取效率增益也將會實際反映在工作中的元件上面。
綜上所述，本發明所採用的方法，為利用旋轉塗佈的方式製作出漸變折射率光學薄膜以及散射粒子於發光二極體出光面上，由於構成漸變折射率光學薄膜所使用的介電材料奈米粒子尺寸約為10至100nm，使得形成的薄膜可視為平坦的光學薄膜。另外，再於漸變折射率光學薄膜最上面增加一層與薄膜最上層材料相同且尺寸與光波長相當約為200nm至2μm左右之大顆的奈米粒子即可用來增加整個結構的表面粗糙程度，同時降低出光面的介面反射以及全反射現象，可大幅提升發光二極體元件的光萃取效率。另外，由於本技術並不需要透過蝕刻或者光罩微影等步驟，僅需要透過旋轉塗佈的方式即可，因此製程成本較低，同時也可避免破壞元件的電性，未 來將有相當的潛力可以運用相容於目前的發光二極體製程上。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧光學裝置
10‧‧‧發光元件
20‧‧‧漸變折射率光學薄膜
21‧‧‧第一介電材料層
22‧‧‧第二介電材料層
30‧‧‧散射粒子
S‧‧‧出光面

Claims (10)

  1. 一種光學裝置，至少包含：一發光元件，具有一出光面；以及一漸變折射率光學薄膜，包含具有不同折射率之複數個介電材料層，且該複數個介電材料層係由該出光面向上堆疊而使該漸變折射率光學薄膜覆蓋於該出光面上，其中該複數個介電材料層之該複數個折射率係由下往上遞減。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該發光元件係為一發光二極體，且該發光二極體可為一面向上型發光二極體或一覆晶型發光二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該複數個折射率係介於該出光面與空氣的折射率之間，且該複數個介電材料層中鄰近該出光面之一者所具有的該折射率係接近該出光面的折射率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該複數個介電材料層係由粒徑遠小於一入射光之一波長的奈米粒子所組成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中該奈米粒子的粒徑係介於10nm至100nm之間，且係由二氧化鈦奈米粒子、二氧化鋯奈米粒子、氧化銦錫奈米粒子、氧化鋅奈米粒子、三氧化二鏑奈米粒子、三氧化二釔奈米粒子、三氧化二鋁奈米粒子與二氧化矽奈米粒子之群組中選出。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，更包含複數個散射粒子，設置於該漸變折射率光學薄膜上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該散射粒子的粒徑係接近一入射光之一波長，且該粒徑係介於200nm至2μm之間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該散射粒子係由二氧化鈦材料、三氧化二釔材料、三氧化二鋁材料以及二氧化矽材料之群組中選出。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其製作方法至少包含下列步驟： 提供具有該出光面之該發光元件；旋轉塗佈該複數個介電材料層之其中一者於該出光面上；以及旋轉塗佈該複數個介電材料層之其中另一者於該複數個介電材料層之該其中一者上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光學裝置，其中該製作方法更包含下列步驟：旋轉塗佈該複數個散射粒子於該複數個介電材料層之該其中另一者上。
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