TWI540757B - 光學對稱發光二極體 - Google Patents

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Description

光學對稱發光二極體
本發明涉及一種發光二極體。
由氮化鎵半導體材料製成的高效藍光、綠光及白光半導體結構具有壽命長、節能、綠色環保等顯著特點，已被廣泛應用於大螢幕彩色顯示、汽車照明、交通信號、多媒體顯示及光通訊等領域，特別係在照明領域具有廣闊的發展潛力。
傳統的發光二極體通常包括一基底、N型半導體層、P型半導體層、設置在N型半導體層與P型半導體層之間的活性層、設置在P型半導體層上的P型電極(通常為透明電極)及設置在N型半導體層上的N型電極。所述N型半導體層、活性層及P型半導體層依次層疊設置在基底表面。所述P型半導體層遠離基底的表面作為發光二極體的出光面。發光二極體處於工作狀態時，在P型半導體層與N型半導體層上分別施加正、負電壓，這樣，存在於P型半導體層中的電洞與存在於N型半導體層中的電子在活性層中發生複合而產生光，光從發光二極體中射出。然而，來自活性層的近場倏逝光波在向外輻射的過程中均由於迅速衰減而無法出射，從而被限制在半導體結構的內部，被半導體結構內的材料完全吸收，影響了半導體結構的出光率。
綜上所述，實為必要提供一種光取出效率較高的發光二極體。
一種發光二極體，其包括：一第一半導體層，所述第一半導體層具有相對的一第一表面及一第二表面；一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述第一半導體層的第二表面，所述第一半導體層、活性層及第二半導體層構成一有源層；一第一電極覆蓋所述第一半導體層的第一表面；一第二電極與所述第二半導體層電連接；一金屬陶瓷層設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面並接觸。
與先前技術相比，本發明提供的發光二極體具有以下有益效果：由活性層產生的近場倏逝波到達金屬陶瓷層後，在金屬陶瓷層的作用下產生金屬電漿，金屬電漿向周圍傳播並經由金屬陶瓷層出射成為出射光，如此，可使活性層中的近場倏逝波出射，並耦合成為可見光。
10‧‧‧半導體結構
20‧‧‧發光二極體
30‧‧‧太陽能電池
32‧‧‧第一收集電極
34‧‧‧第二收集電極
40‧‧‧波導管
110‧‧‧基底
112‧‧‧外延生長面
116‧‧‧緩沖層
120‧‧‧第一半導體層
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
124‧‧‧第一電極
126‧‧‧第一矽層
130‧‧‧活性層
136‧‧‧光電轉換層
140‧‧‧第二半導體層
140a‧‧‧本體部份
140b‧‧‧凸起部份
143‧‧‧三維奈米結構
144‧‧‧第二電極
146‧‧‧第二矽層
150‧‧‧保護層
160‧‧‧金屬陶瓷層
161‧‧‧金屬陶瓷層的第一側面
162‧‧‧金屬陶瓷層的第二側面
170‧‧‧反射元件
310‧‧‧入光端面
320‧‧‧出光端面
1132‧‧‧第一凸棱
1134‧‧‧第二凸棱
1136‧‧‧第一凹槽
1138‧‧‧第二凹槽
圖1為本發明第一實施例提供的半導體結構的結構示意圖。
圖2為本發明第二實施例提供的半導體結構的結構示意圖。
圖3為本發明第三實施例提供的半導體結構的結構示意圖。
圖4為本發明第四實施例提供的半導體結構的結構示意圖。
圖5為圖4中的半導體結構中形成有三維奈米結構的第二半導體層的結構示意圖。
圖6為圖4中的半導體結構中形成有三維奈米結構的第二半導體層的掃描電鏡示意圖。
圖7為本發明第五實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖8為本發明第六實施例提供的製備圖7中的發光二極體的方法流程圖。
圖9為本發明第七實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖10為本發明第八實施例提供的製備圖9中的發光二極體的方法流程圖。
圖11為本發明第九實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖12為本發明第十一實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖13為本發明第十二實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖14為本發明第十三實施例提供的波導管的結構示意圖。
圖15為本發明第一實施例提供的發光二極體的增強因數及頻率的關係圖。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明的半導體結構、發光二極體及其製備方法作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種半導體結構10，其包括一基底110、一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140、一保護層150及一金屬陶瓷層160。所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述基底110的一外延生長表面112，所述緩沖層116靠近所述基底110的一外延生長表面112設置。可以理解，所述半導體結構10可僅包括所述緩沖層 116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160。
所述基底110為一透明材料，其提供了用於生長第一半導體層120的一外延生長面112。所述基底110的外延生長面112係分子平滑的表面，且去除了氧或碳等雜質。所述基底110可為單層或複數層結構。當所述基底110為單層結構時，該基底110可為一單晶結構體，且具有一晶面作為第一半導體層120的外延生長面112。所述單層結構的基底110的材料可為SOI(silicon on insulator，絕緣基底上的矽)、LiGaO22、LiAlO22、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP：Zn或GaP：N等。當所述基底110為複數層結構時，其需要包括至少一層上述單晶結構體，且該單晶結構體具有一晶面作為第一半導體層120的外延生長面112。所述基底110的材料可以根據所要生長的第一半導體層120來選擇，優選地，使所述基底110與第一半導體層120具有相近的晶格常數及熱膨脹係數。所述基底110的厚度、大小及形狀不限，可根據實際需要選擇。所述基底110不限於上述列舉的材料，只要具有支持第一半導體層120生長的外延生長面112的透明基底110均屬於本發明的保護範圍。本發明第一實施例中，基底110的材料為藍寶石。可以理解地，本發明中所述述基底110的遠離活性層130的表面作為出光面，因此，可對所述基底110的遠離活性層130的表面進行拋光，使該表面具有一定的粗糙度，從而可使活性層130中產生的光更好的出射。
所述緩沖層116設置於基底110及第一半導體層120之間，並與基底110及第一半導體層120分別接觸，此時第一半導體層120靠近基底110的表面與緩沖層116接觸。所述緩沖層116有利於提高材料的外延生長質量，減少晶格失配，使所述第一半導體層120的生長質量較好。所述緩沖層116的厚度為10奈米至300奈米，其材料為低溫氮化鎵或低溫氮化鋁等。優選地，所述緩沖層116的厚度為20奈米至50奈米。本實施例中，所述緩沖層116的材料為低溫氮化鎵，其厚度為20奈米。
所述第一半導體層120的厚度可根據需要製備。具體地，所述第一半導體層120的生長的厚度可為1微米至15微米。所述第一半導體層120為一摻雜的半導體層，該摻雜的半導體層可為N型半導體層或P型半導體層兩種類型，所述N型半導體層的材料包括N型氮化鎵、N型砷化鎵及N型磷化銅等中的一種，所述P型半導體層的材料包括P型氮化鎵、P型砷化鎵及P型磷化銅等材料中的一種。所述N型半導體層具有提供電子移動場所的作用，所述P型半導體層具有提供電洞移動場所的作用。本實施例中，所述第一半導體層120為Si摻雜的N型氮化鎵，其厚度為1460奈米。
所述第二半導體層140可為N型半導體層或P型半導體層兩種類型，並且所述第二半導體層140與第一半導體層120中的摻雜的半導體層分屬兩種不同類型的半導體層。所述第二半導體層140設置於金屬陶瓷層160及活性層130之間。所述第二半導體層140的厚度可根據需要製備。優選地，所述第二半導體層140的厚度為5奈米至20奈米。優選地，所述第二半導體層140的厚度為10奈米至20奈米。優選地，所述第二半導體層140的厚度為10奈米至30奈 米。具體地，所述第二半導體層140的厚度可為10奈米、15奈米、20奈米或30奈米。本實施例中，所述第二半導體層140為鎂(Mg)摻雜的P型氮化鎵，其厚度為10奈米。
所述活性層130的厚度為0.01微米至0.6微米。所述活性層130為包含一層或複數層量子阱層的量子阱結構(Quantum Well)。量子阱層的材料為氮化銦鎵、氮化銦鎵鋁、砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化銦鎵、磷化銦砷或砷化銦鎵中的一種或複數種。本實施例中，所述活性層130為InGaN/GaN的複合結構，其厚度為10奈米。所述活性層130為光子激發層，為電子與電洞相結合產生光子的場所。在使用所述半導體結構10的過程中，給P型半導體層及N型半導體層施加一電壓，則P型半導體層產生的電洞及N型半導體層產生的電子在活性層130相結合產生光子。
所述金屬陶瓷層160設置於所述第二半導體層140遠離所述基底110的表面設置，且可覆蓋所述第二半導體層140的整個表面。該金屬陶瓷層160的材料為任何可在光子作用下產生金屬電漿的材料，即，該金屬陶瓷層160的材料在光學上為金屬性的材料。進一步，該金屬陶瓷層160的材料滿足下述兩個條件：第一，金屬陶瓷層160的材料的折射率為一複數，且該複數的虛部大於零或者小於零；第二，金屬陶瓷層160的材料的介質常數為一複數，且該複數的實部為一負數。當所述金屬陶瓷層160的材料同時滿足上述兩個條件時，所述金屬陶瓷層160即可在光子的作用下產生金屬電漿。具體地，所述金屬陶瓷層160為金屬複合材料，例如，金屬陶瓷。金屬複合材料對於活性層130中產生的長波長的光的出射效果較好。所述金屬陶瓷層160為金屬材料及電介質材 料的複合材料層。所述電介質材料即為不導電材料，所述電介質材料可為二氧化矽、矽或者陶瓷材料等。所述金屬材料可為純金屬或合金。所述金屬材料可為金、銀、鋁、銅、金銀合金、金鋁合金或銀鋁合金。單質銀對紫光及藍光的出射效果較好，單質鋁對波長比紫光更短的光的出射效果較好，單質金對紅光及綠光的出射效果比較好。金銀合金、金鋁合金或銀鋁合金依據其中所含金屬的百分比不同，對介於合金所包含的兩個金屬所對應的波長的光之間的光的出射效果較好。混合後的金屬陶瓷層160對於波長為500奈米至700奈米波長的光的出射性能較好。當活性層產生的光為500奈米至600奈米時，金屬陶瓷層160的材料適合為銀及二氧化矽，當活性層130產生的光為600奈米至700奈米時，金屬陶瓷層160的材料選擇為金及二氧化矽比較合適。所述金屬材料及電介質材料的比例不限，只需確保複合後的金屬複合材料可滿足上述兩個條件，即只需確保複合後的金屬複合材料在光學上仍為金屬性的材料即可。具體地，所述金屬陶瓷層160中，電介質材料的質量百分比小於等於40%、小於等於35%、小於等於30%、小於等於25%、小於等於20%、小於等於15%、小於等於10%或小於等於5%。具體地，所述電介質材料的質量百分比為40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%或5%。本實施例中，所述金屬陶瓷層160的材料為銀及二氧化矽複合形成的金屬陶瓷層160。在銀及二氧化矽複合形成的金屬陶瓷層160中，二氧化矽的質量百分比小於等於40%時即可確保該金屬陶瓷層160可產生金屬電漿。優選地，二氧化矽的質量百分比小於等於30%，小於等於20%或小於等於10%。當活性層130中產生的為510奈米的綠光時，選用銀及二氧化矽複合形成的金屬陶瓷層160較為合適，其中，當二氧化矽的 百合含量介於20%到30%之間時，可較好的使活性層130中的光出射。本實施例中，所述銀及二氧化矽複合形成的金屬陶瓷層160中，二氧化矽的質量百分比為20%，此時該種金屬陶瓷對於活性層130中產生的波長為510奈米的綠光的出射效果較好。所述金屬陶瓷層160的厚度的範圍為大於等於50奈米。優選地，金屬陶瓷層160的厚度為50奈米。優選地，所述金屬陶瓷層160的厚度的範圍為50奈米至100奈米。所述金屬陶瓷層160的厚度等於50奈米時，即可使得幾乎沒有光線從金屬陶瓷層160的表面出射。
所述金屬陶瓷層160的作用為：第一，雖然活性層130產生的近場倏逝波中的大部份會在傳播過程中衰減，然仍有少量的近場倏逝波會傳播至金屬陶瓷層160，由活性層130產生的少量近場倏逝波到達金屬陶瓷層160後，在金屬陶瓷層160的作用下近場倏逝波被放大並與金屬陶瓷層160相互作用產生金屬電漿，金屬電漿被金屬陶瓷層160散射，從而向周圍傳播，且金屬電漿在穿透金屬陶瓷層160時會劇烈衰減，只有向基底110方向傳播的金屬電漿才可耦合成可見光並出射，如此，可使活性層130中產生的金屬電漿被提取，從而提高發光二極體20的出光率；第二，所述金屬陶瓷層160的厚度大於等於50奈米，可使得來自活性層130的小角度光完全被金屬陶瓷層160反射，從而使得活性層130中產生的小角度光全部從基底110的表面出射，且金屬電漿在穿透金屬陶瓷層160時會劇烈衰減，只有向基底方向傳播的金屬電漿才可耦合成可見光並出射，進而由基底110表面出射的光強較大；第三，所述半導體結構10在使用過程中，由活性層130產生的近場倏逝波傳播至金屬陶瓷層160後，金屬陶瓷層160在近場倏逝波的作用下，產生金屬電漿，金屬電漿傳播至活性層130中，活性層130在金屬電 漿的作用下產生更多的光子，活性層130與金屬陶瓷層160相互作用，從而使半導體結構10的發光效率提高；第四，通過選擇合適厚度的第二半導體層140，可使金屬陶瓷層160與活性層130之間距離較近，從而金屬陶瓷層160及活性層130的相互作用較強，還可保證電流在所述第二半導體層140中分佈均勻；及第五，所述金屬陶瓷層160在活性層130產生的500奈米至700奈米的光的作用下可產生更多的金屬電漿，因此，所述金屬陶瓷層160可使500奈米至700奈米波長的光的更好的地從基底110的表面出射。
所述保護層150設置於第二半導體層140及金屬陶瓷層160之間。所述保護層150與所述第二半導體層140遠離基底110的表面及金屬陶瓷層160靠近基底110的表面直接接觸。所述保護層150的作用為保護金屬陶瓷層160產生的金屬電漿不被轉換成熱。由於金屬電漿的等效折射率為一複數，其包括一實部及一虛部。當金屬電漿的虛部較大時，金屬電漿較容易轉化成熱。通過選用低折射率材料作為保護層150，可使金屬電漿的等效折射率的實部及虛部同時減少，從而使金屬電漿的熱損耗減少，並且傳播的路程更遠，進而提高半導體結構10的出光率。優選地，所述保護層150的材料的折射率的範圍為1.2至1.5。優選地，所述保護層150的材料的折射率的範圍為1.3至1.4。優選地，所述保護層150的材料的折射率的範圍為1.4至1.5。所述保護層150的材料可為二氧化矽、氟化鎂(MgF2)或氟化鋰(LiF)。本實施例中，所述保護層150的材料為二氧化矽，折射率為1.5。
所述保護層150的厚度依據實際應用選擇。所述保護層150的厚度範圍為5奈米到40奈米。優選地，所述保護層150的厚度範圍為5 奈米到10奈米。優選地，所述保護層150的厚度範圍為10奈米到20奈米。優選地，所述保護層150的厚度範圍為20奈米到30奈米。優選地，所述保護層150的厚度範圍為30奈米到40奈米。通過選擇合適厚度的所述保護層150，可使金屬陶瓷層160及活性層130之間的距離較近，金屬陶瓷層160及活性層130之間的相互作用較強，使活性層130產生較多的光子。本實施例中所述保護層150的厚度為20奈米。
第一實施例提供的所述半導體結構10具備以下有益效果：第一，雖然活性層130產生的近場倏逝波中的大部份會在傳播過程中衰減，然仍有微量的近場倏逝波會傳播至金屬陶瓷層160，由活性層130產生的微量近場倏逝波到達金屬陶瓷層160後，在金屬陶瓷層160的作用下近場倏逝波被放大並與金屬陶瓷層160相互作用產生金屬電漿，金屬電漿被金屬陶瓷層160的表面粗糙所散射，從而向周圍傳播，且金屬電漿在穿透金屬陶瓷層160時會劇烈衰減，只有向基底110方向傳播的金屬電漿才可耦合成可見光並出射，如此，可使活性層130中產生的金屬電漿被提取，從而提高發光二極體20的出光率；第二，所述半導體結構10在使用過程中，給第一半導體層120及第二半導體層140分別施加電壓，第一半導體層120及第二半導體層140將分別產生電子及電洞，該電子及電洞在活性層130中結合產生近場倏逝波，由活性層130產生的近場倏逝波傳播至金屬陶瓷層160後，金屬陶瓷層160在光子的作用下產生金屬電漿，金屬電漿向周圍傳播，當金屬電漿傳播到達活性層130之後，與活性層130中的量子阱相互作用，使活性層130激發出更多的二次光子。活性層130中產生的二次光子到達金屬陶瓷層160，使金屬陶瓷層160產生出更多的金屬電漿。如此，在金 屬陶瓷層160及活性層130的相互作用下，活性層130可產生出更多的光子，使半導體結構10的發光效率較高；第三，所述金屬陶瓷層160可使活性層130產生的波長為500奈米至700奈米的光較好的出射；及第四，通過選用低折射率材料作為保護層150，可使金屬電漿的等效折射率的實部及虛部同時減少，從而使金屬電漿的熱損耗減少，並且傳播的路程更遠，進而提高半導體結構10的出光率。
請參閱圖2，本發明第二實施例提供一種半導體結構10，其包括一基底110、一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140及一金屬陶瓷層160。所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140及金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述基底110的表面，所述緩沖層116靠近基底110的一外延生長面112設置。可以理解地，所述半導體結構10僅包括所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140及金屬陶瓷層160。
本發明第二實施例提供的半導體結構10與第一實施例提供的半導體結構10的結構相似，其區別在於，第二實施例提供的半導體結構10與第一實施例提供的半導體結構10相比不包括保護層150，此時所述金屬陶瓷層160直接設置在第二半導體層140的表面。此時，金屬陶瓷層160及活性層130之間的距離較近，金屬陶瓷層160及活性層130之間的相互作用較強，可使活性層130產生較多的光子，金屬陶瓷層160產生較多的金屬電漿。
請參閱圖3，本發明第三實施例提供一種半導體結構10，其包括一基底110、一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體 層140、一保護層150及一金屬陶瓷層160。所述第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述基底110的表面。所述第一半導體層120靠近基底110設置。可以理解地，所述半導體結構10僅包括所述第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160。
本發明第三實施例提供的半導體結構10與第一實施例提供的半導體結構10的結構相似，其區別在於，第三實施例提供的半導體結構10與第一實施例提供的半導體結構10相比不包括緩沖層116，此時所述第一半導體層120直接設置在基底110的外延生長面112。
請參閱圖4，本發明第四實施例提供一種半導體結構10，其包括一基底110、一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140、一保護層150及一金屬陶瓷層160。所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述基底110的一外延生長面112。所述半導體結構10進一步包括複數三維奈米結構。可以理解地，所述半導體結構10可僅包括所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160。
本發明第四實施例所提供的半導體結構10的結構與第一實施例提供的半導體結構10的結構相似，其區別在於，所述半導體結構10進一步包括複數三維奈米結構。本實施例中，複數三維奈米結構形成於所述第二半導體層140遠離基底110的表面，設置於第二半 導體層140之上的保護層150及金屬陶瓷層160也隨著形成於第二半導體層140遠離基底110的表面的三維奈米結構的起伏而起伏。
可以理解地，所述三維奈米結構還可形成於所述基底110的靠近活性層130、基底110遠離活性層130的表面、緩沖層116的遠離基底110的表面、所述第一半導體層120的遠離基底110的表面、活性層130遠離基底110的表面、第二半導體層140的遠離基底110的表面、保護層150的遠離基底110的表面或者金屬陶瓷層160的遠離基底110的表面，此時形成於三維奈米結構之上的各層也隨著三維奈米結構的起伏而起伏，進而三維奈米結構之上的各層的靠近基底110的表面及遠離基底110的表面均形成有三維奈米結構。
所述設置於第二半導體層140遠離基底110表面的複數三維奈米結構並排延伸形成圖案化的表面，每個三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為M形。請參閱圖5，為了便於描述，將該第二半導體層140區分為一本體部份140a及一由該本體部份140a向遠離該本體部份140a方向延伸的一凸起部份140b，所述本體部份140a與該凸起部份140b通過一“介面”整體分開，所述介面形成所述本體部份140a的表面。可以理解，所述“介面”係為方便描述而假設的平面，該平面可平行於所述第二半導體層140的靠近基底110的表面。所述三維奈米結構143為一凸起結構，所述凸起結構為從所述第二半導體層140的本體部份140a向遠離所述本體部份140a的方向突出的凸起實體。所述三維奈米結構143與所述第二半導體層140的本體部份140a為一體成型結構，即所述三維奈米結構143與所述第二半導體層140的本體部份140a之間無間隔的形成一體結構。在平行於所述基底110表面的水平面內，所述複數三維 奈米結構143的延伸方向相同，且在所述三維奈米結構143的延伸的方向上，所述三維奈米結構143的橫截面為一M形。換個角度說，所述複數三維奈米結構143為形成於本體部份140a上的複數條形凸起結構，該複數條形凸起結構向同一方向延伸，在沿所述延伸方向的橫截面為M形。
所述複數三維奈米結構143可在第二半導體層140的本體部份140a上以直線、折線或曲線的形式並排延伸，延伸方向平行於所述本體部份140a的表面。所述“並排”係指所述相鄰的兩個三維奈米結構113在延伸方向的任一相對位置具有相同的間距，該間距範圍為0奈米至200奈米。請一併參閱圖6，在本實施例中，所述三維奈米結構143為一條形凸起結構，所述複數三維奈米結構143在第二半導體層140的本體部份140a上以陣列形式分佈，形成所述第二半導體層140的遠離基底110的表面，該表面具有一奈米圖形，為一圖案化的表面。所述複數條形凸起結構基本沿同一方向延伸且彼此平行設置於所述本體部份140a。定義該複數條形凸起結構的延伸方向為X方向，垂直於所述凸起結構的延伸方向為Y方向。則在X方向上，所述條形凸起結構的兩端分別延伸至所述第二半導體層140的本體部份140a相對的兩邊緣，具體的，所述複數條形凸起可在第二半導體層140的本體部份140a以直線、折線或曲線的形式沿X方向延伸；在Y方向上，所述三維奈米結構143為一雙峰凸棱結構，所述複數條形凸起並排排列，且所述條形凸起的橫截面的形狀為M形，即所述三維奈米結構143為一M形三維奈米結構143。所述三維奈米結構143包括一第一凸棱1132及一第二凸棱1134，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134並排延伸，相鄰的第一凸棱1132與第二凸棱1134之間具有一第一凹槽1136，相鄰的 三維奈米結構143之間形成第二凹槽1138，所述第一凹槽1136的深度小於第二凹槽1138的深度。所述第一凸棱1132及第二凸棱1134的橫截面分別為錐形，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134形成一雙峰凸棱結構。所述第一凸棱1132與第二凸棱1134的高度可為150奈米至200奈米。所述第一凹槽1136的深度可為30奈米至120奈米，所述第二凹槽1138的深度可為100奈米至200奈米。本實施例中，所述第一凹槽1136的深度為80奈米，所述第二凹槽1138的深度為180奈米。可以理解地，所述第二半導體層120的厚度應該大於三維奈米結構143的凸棱高度及凹槽的深度。本實施例中，為了適應該三維奈米結構143的凸棱及凹槽的尺寸，所述第二半導體層140的厚度為210奈米。此時，所述緩沖層116的厚度為20奈米，第一半導體層120的厚度為1260奈米，活性層130的厚度為10奈米，第二半導體層140的厚度為210奈米，因此，四者之和為1500奈米。第一光學對稱層180的厚度為1500奈米。此時第一光學對稱層180的厚度仍為有源層與緩沖層116的厚度之和。可以理解地，當所述三維奈米結構143形成於半導體結構10中的任一層的表面時，可通過調整形成有三維奈米結構143的層的厚度或調整三維奈米結構143的尺寸，使形成有三維奈米結構143的層與所述三維奈米結構143的尺寸相配合。
具體的，以所述保護層150及所述第二半導體層140的接觸面為例說明形成於相接觸的兩個表面上的三維奈米結構的位置關係：所述保護層150與所述第二半導體層140接觸的表面具有複數三維奈米結構，所述三維奈米結構為向保護層150內部延伸形成的凹進空間，並且該凹進空間與第二半導體層140中所述凸起實體的三維奈米結構143相嚙合，進而形成一W形的凹進空間。所述“嚙合 ”係指，所述保護層150表面形成的三維奈米結構同樣包括複數凹槽及凸棱，並且，所述凹槽與所述三維奈米結構143中的第一凸棱1132及第二凸棱1134相配合；所述凸棱與所述三維奈米結構143中的第一凹槽1136及第二凹槽1138相配合，從而所述保護層150與所述第二半導體層140具有三維奈米結構143的表面無間隙的複合。因此，所述保護層150遠離基底110的表面、所述保護層150靠近基底110的表面、金屬陶瓷層160的靠近基底110的表面及所述金屬陶瓷層160的遠離基底110的表面均為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面。所述保護層150靠近基底110的表面及金屬陶瓷層160的靠近基底110的表面上的每個三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為W形。所述保護層150及金屬陶瓷層160的遠離基底110的表面上的每個三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為M形。
當所述半導體結構10不包括所述保護層150時，所述金屬陶瓷層160直接形成於第二半導體層140遠離基底110的表面。此時，所述金屬陶瓷層160靠近基底110的表面同第二半導體層140遠離基底110的表面相嚙合。所述金屬陶瓷層160靠近基底110的表面也形成有複數三維奈米結構，所述金屬陶瓷層160遠離基底110的表面也形成有複數三維奈米結構。故，無論係否存在所述保護層150，所述金屬陶瓷層160靠近基底110的表面均形成有複數三維奈米結構。
進一步地，由於所述保護層150及金屬陶瓷層160的厚度較薄，因此，保護層150、金屬陶瓷層160不易將形成於所述第二半導體層140遠離基底110表面的三維奈米結構143填平。
本發明第四實施例提供的半導體結構10的有益效果係：第一，在使用過程中，當光子以大角度入射到該三維奈米結構時，可改變所述光子的出射角度，而使之從出光面射出，進一步提高了所述半導體結構10的出光效率；第二，所述三維奈米結構使得金屬陶瓷層160靠近基底110的表面及遠離基底110的表面也形成有三維奈米結構，該金屬陶瓷層160表面的原有的隨機的粗糙被放大為規則的起伏，該起伏的深淺為20奈米至30奈米，使得金屬陶瓷層160表面產生更多的散射，從而使得金屬陶瓷層160中產生的金屬電漿可更容易地從金屬陶瓷層160中釋放出來，從而提高了所述半導體結構10的發光效率；第三，通過在所述活性層130至少一表面形成複數三維奈米結構，因此增大了所述活性層130與第一半導體層120及第二半導體層140之間的接觸面積，提高了電洞與電子的複合幾率，提高了複合密度，進而提高了所述半導體結構10的發光效率，製備方法簡單，效率高；及第四，當所述三維奈米結構設置於基底110的遠離活性層130的表面時，可有助於活性層130中產生的大角度光更好地出射。
基於半導體結構10具有以上有益效果，該種半導體結構10在太陽能電池、波導管及發光二極體等領域有較好的應用。為了更好地說明該種半導體結構10的應用，下面以發光二極體為例，說明該種半導體結構10的應用。
請參閱圖7，本發明第五實施例提供一種垂直結構的發光二極體20，其包括：一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140、一金屬陶瓷層160、一第一電極124及一第二電極144。所述第一半導體層120具有相對的一第一表面121及一第二表面122 。所述活性層130、第二半導體層140、金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述第一半導體層120的第二表面122。所述第一電極124覆蓋所述第一半導體層120的第一表面121。所述第二電極144與所述第二半導體層140電連接。可以理解地，所述發光二極體20可僅包括第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、金屬陶瓷層160、第一電極124及第二電極144。
本發明第五實施例提供的發光二極體20為一種垂直結構。垂直結構的發光二極體20的定義為：發光二極體20具有較高電阻的第二半導體層140的一部份被一電極覆蓋，電流垂直流過具有高電阻的P型半導體層，所述第一電極124及第二電極144位於第一半導體層120的兩側。所述第二半導體層140為P型半導體層，所述第一半導體層120為N型半導體層。
本發明第五實施例提供的發光二極體20的結構與第一實施例提供的半導體結構10的結構相似，其區別在於，進一步包括一第一電極124與所述第一半導體層120電連接；進一步包括一第二電極144與所述第二半導體層140電連接；不包括基底110及緩沖層116，所述基底110及緩沖層116被所述第一電極124替代；所述第二半導體層140遠離基底110的表面可包括一第一區域及一第二區域，所述金屬陶瓷層160設置於所述第二半導體層140的第一區域，從而形成一台階結構；所述第二電極144設置於第二半導體層140的未被金屬陶瓷層160覆蓋的第二區域從而與所述第二半導體層140電連接。
第一電極124可為N型電極或P型電極，其與第一半導體層120的類型相同。所述第二電極144設置於第二半導體層140的表面。該第 二電極144可為N型電極或P型電極，其與第二半導體層140的類型相同。
所述第一電極124或第二電極144至少為一層結構，它們的厚度為0.01微米至2微米。所述第一電極124、第二電極144的材料包括鈦、鋁、鎳及其合金中的一種或其任意組合。本實施例中，所述第二電極144為P型電極，該第二電極144為兩層結構，包括一厚度為150埃的鈦層及一厚度為2000埃的金層。所述第一電極124為N型電極，該第一電極124為兩層結構，包括一厚度為150埃的鎳層及一厚度為1000埃的金層。
本發明第五實施例提供的垂直結構的發光二極體20具有以下效果：第一，雖然活性層130產生的近場倏逝波中的大部份會在傳播過程中衰減，然仍有微量的近場倏逝波會傳播至金屬陶瓷層160，由活性層130產生的微量近場倏逝波到達金屬陶瓷層160後，在金屬陶瓷層160的作用下近場倏逝波被放大並與金屬陶瓷層160相互作用產生金屬電漿，金屬電漿被金屬陶瓷層160的表面粗糙所散射，從而向周圍傳播，且金屬電漿在穿透金屬陶瓷層160時會劇烈衰減，只有向基底110方向傳播的金屬電漿才可耦合成可見光並出射，如此，可使活性層130中產生的金屬電漿被提取，從而提高發光二極體20的出光率；第二，所述發光二極體20在使用過程中，通過第一電極124及第二電極144分別給第一半導體層120及第二半導體層140分別施加電壓，第一半導體層120及第二半導體層140將分別產生電子及電洞，該電子及電洞在活性層130中結合產生近場倏逝波，由活性層130產生的近場倏逝波傳播至金屬陶瓷層160後，金屬陶瓷層160在近場倏逝波的作用下產生金 屬電漿，金屬電漿向周圍傳播，當金屬電漿傳播到達活性層130之後，與活性層130中的量子阱相互作用，使活性層130激發出更多的二次光子。活性層130中產生的二次光子到達金屬陶瓷層160，使金屬陶瓷層160產生出更多的金屬電漿。如此，在金屬陶瓷層160及活性層130的相互作用下，活性層130可產生出更多的光子，使發光二極體20的發光效率較高；第三，所述第一電極124及所述第二電極144位於彼此垂直正對的上下方，因此當電流通過第一電極124及第二電極144流入發光二極體20中時，電流垂直流過具有高電阻的P型半導體層，因此，電流在P型半導體層中產生的熱量比較少；及第四，由於基底110的材料多為藍寶石，然藍寶石的散熱性較差，因此將藍寶石替換為第一電極124可使發光二極體的20散熱效果改進。
請參閱圖8，本發明第六實施例提供一種發光二極體20的製備方法，其包括以下步驟：步驟S610：提供一基底110，該基底110具有一外延生長面112；步驟S620：在基底110的外延生長面112依次外延生長一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130及一第二半導體層140；步驟S630：形成一金屬陶瓷層160於所第二半導體層140遠離基底110的表面；步驟S640：去除所述基底110，暴露出所述第一半導體層120的與基底110接觸的表面；及步驟S650：在第一半導體層120暴露的表面製備一第一電極124，製備一第二電極144與第二半導體層140電連接。
在步驟S610中，所述基底110的材料及厚度與第一實施例中的基底110的材料及厚度一致。
在步驟S620中，所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130及第二半導體層140的生長方法可分別通過分子束外延法(MBE)、化學束外延法(CBE)、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沈積外延法(LPE)、金屬有機氣相外延法(MOVPE)、超真空化學氣相沈積法(UHVCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)、及金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD)等中的一種或複數種實現。本實施例採用MOCVD方法製備所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130及第二半導體層140。
所述製備緩沖層116的過程中，以氨氣(NH3)作為氮的源氣，採用氫氣(H2)作載氣，採用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)作為Ga源在一反應室中低溫生長GaN層，該低溫GaN層作為緩沖層116。
所述製備第一半導體層120的過程中，採用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，採用氫氣(H2)作載氣，採用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)作為Ga源，採用矽烷(SiH4)作為Si源在反應室中生長一N型氮化鎵層作為第一半導體層120。
所述活性層130的生長方法與第一半導體層120基本相同。在生長完第一半導體層120之後，緊接著生長所述活性層130。具體的，生長所述活性層130時採用三甲基銦作為銦源。
在生長完活性層130之後，採用二茂鎂作(Cp2Mg)為鎂源生長第二半導體層140。通過控制生長第二半導體層140的時間，使第二半導體層140的厚度為5奈米至60奈米。
可選擇地，第二半導體層140的製備方法還可為先通過MOCVD製備較厚的第二半導體層140，之後通過蝕刻或研磨的方法蝕刻所述第二半導體層140，使第二半導體層140的厚度為5奈米至60奈米。通過調整製備參數，控制第二半導體層140的厚度介於5奈米至60奈米，使金屬陶瓷層160與活性層130更好的相互作用，產生更多的光子，提高發光二極體20的發光效率。
在步驟S630中，所述金屬陶瓷層160的製備方法依據所述金屬陶瓷層160的材料而定。具體地，所述金屬陶瓷層160的製備方法可為物理氣相沈積法，例如蒸鍍、濺射等方法。本實施例中通過蒸鍍的方法形成一層銀及二氧化矽複合形成的金屬陶瓷做為金屬陶瓷層160，該金屬陶瓷層160的厚度為10奈米。所述製備金屬陶瓷層160的步驟包括以下步驟：步驟a，分別提供熔融態的銀及二氧化矽；步驟b，混合熔融態的銀及熔融態的二氧化矽得到一熔融態合金，其中所述二氧化矽在熔融態合金中所佔的質量百分比為20%；及步驟c，將該熔融態合金加熱至蒸發溫度並採用蒸鍍機將該合金蒸鍍至第二半導體層140的表面從而製備得到金屬陶瓷層160。
所述第二半導體層140遠離基底110的表面包括一第一區域及一第二區域。在製備的過程中，使用光刻膠做光罩使所述金屬陶瓷層160僅形成於第二半導體層140的第一區域。所述第二半導體層140的第二區域暴露。如此，在步驟S150中，可使第二電極144直接形成於第二半導體層140的暴露的第二區域。
在步驟S640中，所述基底110的去除方法可為雷射照射法、腐蝕法或溫差自剝離法(利用基底110與第一半導體層120之間的膨脹 係數不同進行剝離)。所述去除方法可根據基底110及第一半導體層120材料的不同進行選擇。本實施例中，所述基底110的去除方法為雷射照射法。具體的，所述去除方法包括以下步驟：S641，將所述基底110中未生長第一半導體層120的表面進行拋光並清洗；S642，將經過表面清洗的基底110放置於一平臺(圖未示)上，並利用雷射對所述基底110與第一半導體層120進行掃描照射；及S643，將經雷射照射後的基底110浸入溶液中去除所述基底110。
在步驟S641中，所述拋光方法可為機械拋光法或化學拋光法，使所述基底110的表面平整光滑，以減少後續雷射照射中雷射的散射。所述清洗可用鹽酸、硫酸等沖洗所述基底110的表面，從而去除表面的金屬雜質及油污等。
在步驟S642中，所述雷射從基底110拋光後的表面入射，且入射方向基本垂直於所述基底110拋光後的表面，即基本垂直於所述基底110與第一半導體層120的介面。所述雷射的波長不限，可根據第一半導體層120及基底110的材料選擇。具體的，所述雷射的能量小於基底110的帶隙能量，而大於第一半導體層120的帶隙能量，從而雷射能夠穿過基底110到達第一半導體層120，在第一半導體層120與基底110的介面處進行雷射剝離。所述介面處第一半導體層120的緩沖層116對雷射產生強烈的吸收，從而使得介面處的緩沖層116溫度快速升高而分解。本實施例中所述第一半導體層120為GaN，其帶隙能量為3.3ev；基底110為藍寶石，其帶隙能量為9.9ev；所述雷射器為KrF雷射器，發出的雷射波長為248nm ，其能量為5ev，脈衝寬度為20至40ns，能量密度為400至600mJ/cm2，光斑形狀為方形，其聚焦尺寸為0.5mm×0.5mm；掃描位置從所述基底110的邊緣位置開始，掃描步長為0.5mm/s。在掃描的過程中，所述GaN開始分解為Ga及N2。可以理解，所述脈衝寬度、能量密度、光斑形狀、聚焦尺寸及掃描步長可根據實際需求進行調整；可根據第一半導體層120對特定波長的雷射具有較強的吸收作用選擇相應波長的雷射。
由於所述第一半導體層120與基底110介面處對上述波長的雷射具有很強的吸收作用，因此，所述緩沖層116的溫度快速升高而分解；而所述第一半導體層120中其他部份對上述波長的雷射吸收較弱，因此所述第一半導體層120並不會被所述雷射所破壞。可以理解，對於不同的第一半導體層120可選擇不同波長的雷射，使緩沖層116對雷射具有很強的吸收作用。
所述雷射照射的過程在一真空環境或保護性氣體環境進行以防止在雷射照射的過程中奈米碳管被氧化而破壞。所述保護性氣體可為氮氣、氦氣或氬氣等惰性氣體。
在步驟S643中，可將雷射照射後的基底110浸入一酸性溶液中進行酸化處理，以去除GaN分解後的Ga，從而實現基底110與第一半導體層120的剝離。所述溶液可為鹽酸、硫酸、硝酸等可溶解Ga的溶劑。
請參閱圖9，本發明第七實施例提供一種垂直結構的發光二極體20，其包括：一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140、一保護層150、一金屬陶瓷層160、一第一電極124及一第二電極144。所述第一半導體層120具有相對的一第一表面121及 一第二表面122。所述活性層130、第二半導體層140、保護層150、金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述第一半導體層120的第二表面122。所述第一電極124覆蓋所述第一半導體層120的第一表面121。所述第二電極144與所述第二半導體層140電連接。可以理解地，所述發光二極體20可僅包括所述第一半導體層120、所述活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160。
本發明第七實施例提供的發光二極體20與本發明第五實施例提供的發光二極體20的結構相似，其區別在於，第七實施例中的發光二極體20進一步包括一保護層150。所述保護層150設置於所述金屬陶瓷層160與第二半導體層140之間。
第七實施例提供的發光二極體20的有益效果為：金屬陶瓷層160與第二半導體層140之間均設置有保護層150，通過選用低折射率材料作為保護層150，可使金屬電漿的等效折射率的實部及虛部同時減少，從而使金屬電漿的熱損耗減少，並且傳播的距離更遠，進而提高發光二極體20的出光率。
請參閱圖10，本發明第八實施例提供一種第七實施例中的發光二極體20的製備方法，其包括以下步驟：步驟S810：提供一基底110，該基底110具有一外延生長面112；步驟S820：在基底110的外延生長面112依次外延生長一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130及一第二半導體層140；步驟S830：形成一保護層150於所述第二半導體層140遠離基底110的表面；步驟S840：形成一金屬陶瓷層160於所述保護層150遠離基底110 的表面；步驟S850：去除所述基底110，暴露出所述第一半導體層120；及步驟S860：在第一半導體層120暴露的表面製備一第一電極124，製備一第二電極144與第二半導體層140電連接。
本發明第八實施例提供的發光二極體20的製備方法與本發明第六實施例提供的發光二極體20的製備方法相似，其區別在於，進一步包括一形成一保護層150於所述第二半導體層140遠離基底110的表面的步驟S830。
所述製備保護層150的方法依據保護層150具體材料而定，具體地可為電子束蒸發、磁控濺射或化學氣相沈積等方法。本實施例中，所述保護層150的材料係二氧化矽。本實施例中，採用化學氣相沈積的方法在所述第二半導體層140上沈積一層二氧化矽薄膜。該二氧化矽薄膜用作保護層150。該保護層150的厚度為30奈米。
請參閱圖11，本發明第九實施例提供一種垂直結構的發光二極體20，其包括一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140、一保護層150、一金屬陶瓷層160、一第一電極124及一第二電極144。所述第一半導體層120具有相對的一第一表面121及一第二表面122。所述活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述第一半導體層120的第二表面122。所述第一電極124覆蓋所述第一半導體層120的第一表面121。所述第二電極144與所述第二半導體層140電連接。所述發光二極體20進一步包括複數三維奈米結構。
本發明第九實施例提供的發光二極體20的結構與本發明第五實施例提供的發光二極體20的結構相似，其區別在於，所述發光二極體20進一步包括複數三維奈米結構。第九實施例提供的發光二極體20中的三維奈米結構的結構與本發明第四實施例提供的三維奈米結構的結構相同。
所述三維奈米結構可形成於第一半導體層120的表面、活性層130的表面、第二半導體層140的表面、第一電極124的表面、保護層150的表面或者金屬陶瓷層160的表面。
當三維奈米結構設置在第二半導體層140遠離基底110的表面上時，形成於第二半導體層140遠離基底110的表面的第二區域的第二電極144的靠近基底110的表面及遠離基底110的表面上也形成有三維奈米結構。
本發明第九實施例提供的三維奈米結構具有以下有益效果：第一，在使用過程中，當光子以大角度光入射到該三維奈米結構時，可改變所述光子的出射角度，而使之從出光面射出，進一步提高了所述發光二極體20的出光效率；第二，所述三維奈米結構使得金屬陶瓷層160也形成三維奈米結構，該金屬陶瓷層160表面的原有的隨機的粗糙被放大為具有規則的起伏，該起伏的深淺為20奈米至30奈米，從而使得金屬陶瓷層160中產生的金屬電漿可更容易地從金屬陶瓷層160中釋放出來，從而提高了所述發光二極體20的發光效率；及第三，通過在所述活性層130至少一表面形成複數三維奈米結構，因此增大了所述活性層130與第一半導體層120及第二半導體層140之間的接觸面積，提高了電洞與電子的複合幾率，提高了複合密度，進而提高了所述發光二極體20的發光 效率，製備方法簡單，效率高；第四，由於第二電極144的靠近基底110的表面及遠離基底110的表面上也形成有三維奈米結構，因此，增加了第二電極144及第二半導體層140之間的接觸面積，使得電流更好的注入第二半導體層140。
本發明第十實施例提供一種製備第九實施例中的發光二極體20的方法，其包括以下步驟：步驟S1010：提供一基底110，該基底110具有一外延生長面112；步驟S1020：在基底110的外延生長面112依次外延生長一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130及一第二半導體層140；步驟S1030：形成複數三維奈米結構143於所述第二半導體層140遠離基底110的表面；步驟S1040：形成一保護層150於所述第二半導體層140遠離基底110的表面；步驟S1050：形成一金屬陶瓷層160於所述保護層150遠離基底110的表面；步驟S1060：去除所述基底110，暴露出所述第一半導體層120；及步驟S1070：在第一半導體層120暴露的表面製備一第一電極124，製備一第二電極144與第二半導體層140電連接。
本發明第十實施例提供的發光二極體20的製備方法與本發明第八實施例提供的發光二極體20的製備方法相似，其區別在於，進一步包括形成三維奈米結構於所述第二半導體層140遠離基底110的 表面的步驟S1030。所述步驟S1030進一步包括以下步驟：所述步驟S1030中所述形成複數三維奈米結構於所述第二半導體層140的遠離基底110的表面的方法包括以下步驟：步驟S1031，在所述第二半導體層140的表面設置一光罩層；步驟S1032，奈米壓印並蝕刻所述光罩層，使所述光罩層圖形化；步驟S1033，蝕刻所述第二半導體層140，使所述第二半導體層140的表面圖形化，形成複數三維奈米結構預製體；及步驟S1034，去除所述光罩層，形成所述複數三維奈米結構。
在步驟S1031中，所述光罩層可為一單層結構或複合層結構。本實施例中，所述光罩層為一複合層結構，所述複合層結構包括一第一光罩層及一第二光罩層，所述第一光罩層及第二光罩層依次層疊設置於所述第二半導體層140表面，所述第一光罩層的材料為ZEP520A，第二光罩層的材料為HSQ(hydrogen silsesquioxane)。
在步驟S1032中，通過奈米壓印及蝕刻所述光罩層圖形化的方法具體包括以下步驟：
步驟(a)，提供一表面具有奈米圖形的範本，所述奈米圖形包括複數並排延伸的凸部，相鄰的凸部之間具有一凹槽。
步驟(b)，將範本具有奈米圖形的表面與所述第二光罩層貼合，並在常溫下擠壓所述範本與第二半導體層140後，脫模。
步驟(c)，通過蝕刻去除所述凹槽底部的第二光罩層，露出第 一光罩層。
步驟(d)，去除與所述第二光罩層的凹槽對應位置處的部份第一光罩層，露出第二半導體層140，形成圖形化的所述光罩層。所述“圖形化”係指所述光罩層在第二半導體層140的表面形成複數並排延伸的凸起結構，相鄰的凸起結構之間形成一溝槽，與溝槽對應區域的第二半導體層140的表面暴露出來，所述凸起結構覆蓋此區域之外第二半導體層140的表面。
在步驟S1033中，蝕刻所述第二半導體層140，使所述第二半導體層140的表面圖形化，並形成複數三維奈米結構預製體。
所述蝕刻方法可通過將上述第二半導體層140放置在一感應耦合電漿系統中，利用蝕刻氣體對所第二半導體層140進行蝕刻。本實施例中，所述蝕刻氣體為混合氣體，所述混合氣體包括Cl2、BCl3、O2及Ar氣體。所述電漿系統的功率可為10瓦至150瓦，所述混合氣體的通入速率可為8sccm至150sccm，形成的氣壓可為0.5帕至15帕，蝕刻時間可為5秒至5分鐘。本實施例中，所述等離子系統的功率為70W，所述電漿的通入速率為40sccm，氣壓為2Pa，蝕刻時間為120秒，其中，所述Cl2的通入速率為26sccm，所述BCl3的通入速率為16sccm，所述O2的通入速率為20sccm，所述Ar的通入速率為10sccm。在蝕刻的過程中，與光罩層中溝槽部份第二半導體層140被氣體所蝕刻去除，從而在第二半導體層140的表面形成一凹槽。
本實施例中，所述第二半導體層140的蝕刻主要包括以下步驟：
步驟一，所述蝕刻氣體對未被光罩層覆蓋的第二半導體層140表 面進行蝕刻，在第二半導體層140表面形成複數凹槽，所述凹槽的深度基本相同。
步驟二，在所述電漿的轟擊作用下，所述光罩層中相鄰的兩個凸起結構逐漸相向傾倒，使所述兩個凸起結構的頂端逐漸兩兩靠在一起而閉合，所述電漿對該閉合位置內所述第二半導體層140的蝕刻速率逐漸減小，從而在第二半導體層140表面形成所述第一凹槽1136，在未發生閉合的兩個凸起結構之間，形成第二凹槽1138，且形成的所述第二凹槽1138的深度大於所述第一凹槽1136的深度。
在第一步驟中，所述蝕刻氣體對未被光罩層覆蓋的第二半導體層140表面進行蝕刻，在蝕刻的過程中，所述氣體會與第二半導體層140反應，從而在蝕刻表面形成一阻礙層，阻礙氣體的進一步蝕刻，使得蝕刻面逐漸減小，即形成所述凹槽的寬度沿蝕刻方向逐漸減小。同時，所述蝕刻氣體對所述光罩層中所述凸起結構的頂端(即遠離第二半導體層140表面的一端)進行蝕刻。並且，由於所述光罩層遠離第二半導體層140表面的部份側面被蝕刻，從而使得所述凸起結構頂端的寬度逐漸變窄。
在第二步驟中，主要包括以下幾個過程：
第一過程，在氣體蝕刻的過程中，由於所述氣體的轟擊作用下，相鄰的凸起結構之間依次兩兩閉合，即相鄰的兩個凸起結構的頂端逐漸兩兩靠在一起。
第二過程，由於相鄰的兩個凸起結構逐漸閉合，所述蝕刻氣體對該閉合位置內所述第二半導體層140的蝕刻速率逐漸減小，即在 該位置處形成凹槽的寬度沿蝕刻深度進一步減小，進而形成一V形結構的凹槽，且該V形凹槽的深度較淺。而未閉合的凸起結構之間，由於所述蝕刻氣體可繼續以近似相同的蝕刻速率對該位置處的第二半導體層140進行蝕刻，因此該位置處相對於閉合位置處形成的凹槽的深度較深。
第三過程，所述凸起結構兩兩閉合後，使所述蝕刻氣體無法再對該閉合位置處的第二半導體層140進行蝕刻，從而在第二半導體層140的表面形成所述第一凹槽1136。同時，在未發生閉合的兩個凸起結構之間，所述蝕刻氣體可繼續對所述第二半導體層140進行蝕刻，進而形成第二凹槽1138，因此該位置處第二凹槽1138的深度，大於所述第一凹槽1136的深度，從而形成所述三維奈米結構預製體。
在步驟S1034中，所述光罩層可通過有機溶劑如四氫呋喃(THF)、丙酮、丁酮、環己烷、正己烷、甲醇或無水乙醇等無毒或低毒環保容劑作為剝離劑，溶解所述光罩層等方法去除，從而形成所述複數三維奈米結構。本實施例中，所述有機溶劑為丁酮。
可以理解地，所述三維奈米結構還可形成於第一半導體層120的遠離基底110的表面、第一半導體層120的靠近基底110的表面、活性層130遠離基底110的表面、第二半導體層140遠離基底110的表面、第一電極124的靠近基底110的表面、第一電極124遠離基底110的表面、保護層150遠離基底110的表面或者金屬陶瓷層160遠離基底110的表面。
本發明第十實施例提供的所述發光二極體20的製備方法具有以下優點：其一，本發明通過奈米壓印及蝕刻的方法在所述第二半導 體層140表面設置複數三維奈米結構形成一三維奈米結構陣列，其可在室溫下進行壓印，且範本無須預先處理，使得該方法方法簡單，成本低；其二，對所述第二半導體層140進行蝕刻並使所述光罩層中的凸起結構兩兩閉合，可方便的製備大面積週期性的M形三維奈米結構，形成一大面積的三維奈米結構陣列，從而提高了所述發光二極體20的產率；其三，通過在活性層130表面形成複數三維奈米結構，從而使得所述活性層130與該第二半導體層140或者第一半導體層120接觸的表面形成一圖形化的表面，進而增加了所述活性層130與所述第二半導體層140的接觸面積，提高了所述光子的耦合效率，從而提高了所述發光二極體20的發光效率。
請參閱圖12，本發明第十一實施例提供一種垂直結構的發光二極體20，其包括一第一半導體層120，一活性層130、一第二半導體層140、一保護層150、一金屬陶瓷層160、一反射元件170、一第一電極124及一第二電極144。所述第一半導體層120具有相對的一第一表面121及一第二表面122。所述活性層130、第二半導體層140、保護層150、金屬陶瓷層160及所述反射元件170依次層疊設置於所述第一半導體層120的第二表面122。所述第一電極124覆蓋所述第一半導體層120的第一表面121。所述第二電極144與所述第二半導體層140電連接。可以理解地，所述發光二極體20僅包括第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150、金屬陶瓷層160及所述反射元件170。
本發明第十一實施例提供一種垂直結構的發光二極體20與本發明第九實施例提供的垂直結構的發光二極體20結構相似，其區別在 於，第十一實施例提供的發光二極體20具有一反射元件170設置於金屬陶瓷層160的遠離活性層130的表面。
該反射元件170可使由活性層130出射且傳播至反射元件170處的光線被反射元件170反射，進而從第一電極124的表面出射。如此可使得活性層130中產生的光線全部由第一電極124的表面出射，使得該發光二極體20為單面出光的發光二極體。反射元件170可為一反射層。所述反射層170與所述基底110相互接觸設置。所述反射元件170由一連續的具有面狀結構的金屬材料層構成。該金屬材料可為鋁、金、銅及銀中的一種或上述任意組合的合金。該反射元件170的厚度不限，以盡可能多的反射由金屬陶瓷層160出射的光為優。優選地，該反射元件170的厚度大於20微米。本實施例中該反射元件170的材料為銀，厚度為20奈米。所述反射層可通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成。
所述反射元件170還可為設置於金屬陶瓷層160的表面的複數微結構。所述微結構為凹槽或凸起。所述微結構的形狀為V形、圓柱形、半圓球形、金字塔形及削去尖端部份的金字塔形中的一種或幾種。該微結構在所述金屬陶瓷層160的表面均勻分佈。進一步地，所述反射元件170還可包括一反射材料，該反射材料設置於所述微結構表面。所述反射材料為鋁、金、銅及銀中的一種或上述任意組合的合金。所述反射材料可通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成於所述微結構表面。
所述反射元件170設置於所述金屬陶瓷層160的表面，可使活性層130中產生的光全部由第一電極124的表面出射。
本發明第十一實施例提供一種發光二極體20具有以下有益效果： 該反射元件170可使由活性層130出射且傳播至反射元件170處的光線被反射元件170反射，進而從第一電極124的表面出射。如此可使得活性層130中產生的光線全部由第一電極124的表面出射，使得該發光二極體20為單面出光的發光二極體。
請參閱圖13，本發明第十二實施例提供一種太陽能電池30，該太陽能電池30包括：一第一收集電極32、一基底110、一緩沖層116、一第一矽層126、一光電轉換層136、一第二矽層146、一保護層150、一金屬陶瓷層160及一第二收集電極34。所述第一收集電極32、緩沖層116、第一矽層122、光電轉換層136、第二矽層142、保護層150、金屬陶瓷層160及第二收集電極34依次層疊設置。所述第一矽層122、活性層130及第二矽層142構成太陽能電池30的P-N結。該太陽能電池30中的結構與本發明第一實施例提供的半導體結構10的結構一致。可以理解地，所述太陽能電池30僅包括第一收集電極32、基底110、緩沖層116、第一矽層122、光電轉換層136、第二矽層142、保護層150、金屬陶瓷層160及第二收集電極34。
所述第一矽層126為一P型矽層或一N型矽層。所述第二矽層146為一P型矽層或一N型矽層。所述第一矽層126與所述第二矽層146的類型相反。當所述第一矽層126為一P型矽層時，所述第二矽層146為一N型矽層。當所述第一矽層126為一N型矽層時，所述第二矽層146為一P型矽層。本實施例中，所述第一矽層126為一P型矽層，所述第二矽層146為一N型矽層。
所述第一收集電極32及第二收集電極34的材料可相同或不同。優選為該第一收集電極32及第二收集電極34分別由一連續的具有面 狀結構的金屬材料層構成。所述金屬材料可為鋁、銅、或銀等。該第一收集電極32及第二收集電極34的厚度不限，優選為50奈米至300奈米。本實施例中，所述第一收集電極32及第二收集電極34的材料分別為一厚度約為200奈米的條形鋁箔。
所述太陽能電池30具有一入光端面310用於接收太陽光。所述太陽能電池30的入光端面310包括基底110、緩沖層116、第一矽層126、光電轉換層136、第二矽層146、保護層150、金屬陶瓷層160的每個元件的一側面。所述太陽能電池30具有一出光端面320用於出射太陽光。所述入光端面310與出光端面320平行且相對設置。
所述太陽能電池30具有如下有益效果：在使用過程中，由入光端面310入射的太陽光入射至金屬陶瓷層160，該金屬陶瓷層160在太陽光的照射下，產生金屬電漿，該部份金屬電漿被P-N結吸收，從而使P-N結產生更多的電子及電洞，電子向所述第二收集電極34移動，電洞向所述第一收集電極32移動，最終分別被所述第一收集電極32及第二收集電極34收集，形成電流，從而使太陽能電池30的光電轉換效率更高。
請參閱圖14，本發明第十三實施例提供一種波導管40，其包括一基底110、一緩沖層116、一第一半導體層120、一活性層130、一第二半導體層140、一保護層150及一金屬陶瓷層160。所述緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160依次層疊設置於所述基底110的表面。所述波導管40與本發明第一實施例提供的半導體結構10的結構一致。可以理解地，所述波導管40僅包括基底110、所述緩沖層116、 第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、保護層150及金屬陶瓷層160。
所述金屬陶瓷層160的具有相對的一第一側面161及一第二側面162。該第一側面161及第二側面162彼此平行並且正對設置。所述第一側面161作為電磁波的入射面，所述第二側面162作為電磁波的出射面。
所述波導管40的有益效果係：第一，在使用過程中，所述電磁波由金屬陶瓷層160的第一側面161入射，電磁波進入金屬陶瓷層160之後，轉換為金屬電漿，金屬電漿攜帶著電磁波的資訊，在金屬陶瓷層160中傳播，並在第二側面162，金屬電漿又轉換成電磁波，故，所述波導管40實現了傳導電磁波的功能；第二，所述基底110、緩沖層116、第一半導體層120、活性層130、第二半導體層141及保護層150有助於電磁波的傳播。
請參閱圖15，圖15中給出了第一實施例提供的發光二極體中，當金屬陶瓷層160中的二氧化矽的比例分別為0%，10%，20%，30%，40%時，所述金屬陶瓷層160的增強因數及頻率的變化曲線。圖中的虛線為光激發強度曲線，只有增強因數及頻率的變化曲線靠近光激發強度曲線時，金屬陶瓷層160才可產生較多的金屬電漿。由圖15可知，當金屬陶瓷層160中的二氧化矽的比例分別為20%或30%時，金屬陶瓷層160可產生較多的金屬電漿，發光二極體10的發光效率較高。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精 神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
20‧‧‧發光二極體
120‧‧‧第一半導體層
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
124‧‧‧第一電極
130‧‧‧活性層
140‧‧‧第二半導體層
144‧‧‧第二電極
160‧‧‧金屬陶瓷層

Claims (17)

  1. 一種光學對稱發光二極體，其包括：一第一半導體層，所述第一半導體層具有相對的一第一表面及一第二表面；一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述第一半導體層的第二表面，所述第一半導體層、活性層及第二半導體層構成一有源層；一第一電極覆蓋所述第一半導體層的第一表面；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其改良在於：所述發光二極體進一步包括：一金屬陶瓷層設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面並接觸，所述金屬陶瓷層的折射率為一複數，且該複數的虛部大於或者小於零，且金屬陶瓷層的材料的介質常數為一複數，且該複數的實部為一負數。
  2. 如請求項1所述之光學對稱發光二極體，其中，所述金屬陶瓷層為金屬材料及電介質材料構成的複合材料層。
  3. 如請求項2所述之光學對稱發光二極體，其中，所述金屬材料為金、銀、鋁、銅、金銀合金、金鋁合金或銀鋁合金。
  4. 如請求項2所述之光學對稱發光二極體，其中，所述電介質材料包括二氧化矽、矽及陶瓷材料中的一種。
  5. 如請求項2所述之光學對稱發光二極體，其中，所述金屬陶瓷層中所述電介質材料所佔的質量百分比小於等於40%。
  6. 如請求項2所述之光學對稱發光二極體，其中，所述金屬陶瓷層的成分包括二氧化矽及銀。
  7. 如請求項5所述之光學對稱發光二極體，其中，所述金屬陶瓷層中所述二 氧化矽所佔的質量百分比為20%。
  8. 如請求項1所述之光學對稱發光二極體，其中，所述金屬陶瓷層的厚度為大於等於50奈米。
  9. 如請求項1所述之光學對稱發光二極體，其中，所述第二半導體層的厚度為5奈米至20奈米。
  10. 如請求項1所述之光學對稱發光二極體，其中，進一步包括一保護層設置於所述金屬陶瓷層與所述第二半導體層之間。
  11. 如請求項1所述之光學對稱發光二極體，其中，進一步包括複數三維奈米結構設置於所述基底、第一半導體層、活性層、第二半導體層或金屬陶瓷層的表面。
  12. 如請求項11所述之光學對稱發光二極體，其中，所述複數三維奈米結構並排延伸，每一所述三維奈米結構包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱與第二凸棱並排延伸，相鄰的第一凸棱與第二凸棱之間具有一第一凹槽，相鄰的三維奈米結構之間形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小於第二凹槽的深度。
  13. 如請求項11所述之光學對稱發光二極體，其中，每個三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為M形。
  14. 一種光學對稱發光二極體，其包括：一第一半導體層，所述第一半導體層具有相對的一第一表面及一第二表面；一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述第一半導體層的第二表面，所述第一半導體層、活性層及第二半導體層構成一有源層；一第一電極覆蓋所述第一半導體層的第一表面；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其中：所述發光二極體進一步包括： 一保護層，該保護層設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面，及一金屬陶瓷層設置於所述保護層遠離所述活性層的表面且接觸設置，所述金屬陶瓷層的折射率為一複數，且該複數的虛部大於或者小於零，且金屬陶瓷層的材料的介質常數為一複數，且該複數的實部為一負數。
  15. 如請求項14所述之光學對稱發光二極體，其中，所述保護層的材料為二氧化矽、氟化鎂或氟化鋰。
  16. 如請求項14所述之光學對稱發光二極體，其中，所述保護層的厚度為5奈米至40奈米。
  17. 如請求項14所述之光學對稱發光二極體，其中，所述保護層的折射率的範圍為1.2至1.5。
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