TW201006002A

TW201006002A - Opto-electrical device

Info

Publication number: TW201006002A
Application number: TW97128758A
Authority: TW
Inventors: Ya-Lan Yang; Hsin-Ying Wang; Chin-Yuen Lin
Original assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-01
Also published as: TWI420694B

Description

201006002 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】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。【先前技術】 β 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、醫療設備盥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，籲例如金(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组成的結構’其組成材料選擇眾多，例如是由Si〇2/Ti〇2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。、 201006002 • 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(〇DR)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(si〇2)或氮化矽(sysu) ’所以並不具有導電的特性。 ~ 鲁如上所述，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。【發明内容】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 _ 些凹陷形成内含空氣(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(0DR);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，並將這些凹陷形成内含空氣(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(0DR)。 201006002 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。【實施方式】

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了半導體層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 V，層210與第二半導體層230兩者的電性相異。接者，於第一半導體層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23〇、透明導電層24〇 25〇形成-具有高反射效率之全方向性反㈣(刪曰n g^tor ^DR)。最後分別於第一半導體層21〇與金屬反射層 50 ^上方’形成一第一電極挪與一第二電極挪，便可完成本實施例之發光二極體之結構。複數個孔洞231其大小以使其上方則’其最大直徑較佳約為小於20=， ίί;其形綠鎌制，可々廿W i塔形，不規則的多邊形等；其排列方式並無關，例如是職性排顺不酬制。凹陷230的Ϊ 7 201006002 成方式也並不受侷限，舉例如下：（a)磊晶法—於形成第二 •體層230之磊晶製程中，藉由控制磊晶條件，使得第二半導層230之表面自然形成複數個凹陷232 ; (]〇)濕式蝕刻法—去— 成第二半導體層230之後’依據第二半導體層23〇之材質二g 擇適當的蝕刻溶液如鹽酸或磷酸，對第二半導體層23〇之表面進行奈米微影蝕刻，形成凹陷232 ; (C)奈米麗印法 (nano-imprint)-完成第二半導體層230之後，於其表面進行齐米印刷製程步驟，以形成具有奈米級的複數個凹陷232 ^ 奈米球體散佈法-當完成第二半導體層230之後，於其表面散 ❹ 佈如Sl〇2、Al2〇3、Ti〇2、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^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，體層230之表面形成複數個凹陷232 ;②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23〇與透明導電層240之間，形成内含空氣(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 (ODR)的反射能力。 S 上述實施例辛基板200，可以是Al2〇3、GaN、AIN、SiC、 GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl204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、AlGalnP 及 AlInGaN 等材料；第一電極 27〇 201006002 與一第二電極 280 係選自於 AhTi、Ti/Al、Cr/Al、Ti/Au、〇/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(A1)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21〇、透明導電層240與金屬反射層250所形成的全方向性反射層(〇dr)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，例如二氧化發(Si〇^、氧化鋁(Al2〇3)、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(ep0Xy)、聚亞醢胺(p〇lyimide) 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 3〇〇，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31〇上方之金屬反射層32〇; 金屬反射層320上方之透明導電層330 ;以及透明導電層33〇上方之蠢晶曼層，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36〇兩者的電性相異；最後於第二半導體層360之上方形成一第二電 201006002 極380。其中於第一半導體層34〇與透明導電層33〇接觸之界面處，於第-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Mi 的=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33〇與金屬反射層32〇，所幵/成的王方向性反射層(〇mni_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、ΑΚΜηΡ及 AlInGaN所構成材料群組中的一種材料；第一電極37〇與一第二電極 380 係選自於 A卜 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(A1)或銀(Ag);黏結層310係選自於環氧樹脂 (eP〇xy)、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(SdarCell) 或雷射二極體(Laser Diode)等。 201006002

Ann a a4.圖顯示本發明之背光模組結構。其中背光模組裝置 t ·由本發虹雜4實射狀發光元件611所構成的句610; 一光學裝置620置於光源裝置610之出光路二光做適當處理後出光；以及—電源供應系統630，提供上述光源裝置61〇所需之電源。极可以ί/攸圖顯示本發明之照明裝置結構。上述照明裝置· 置7〇〇包路燈、指示燈等等。其中照明裝 71〇所需之雷、7i .斤，電源供應系、統720，提供光源裝置 710。心、，1 控制元件730控制電源輸入光源裝置癸明之t她藉各實施咖如上，峨_以限制本批對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之積砷與範圍。 201006002 【圖式簡單說明】第1圖係利用本發明之第-實施例。，2圖係利用本發明之第二實施例。，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。

【主要元件符號說明】

200基板 220主動層 231孔洞 240透明導電層 270第一電極 300基板 320金屬反射層 340第一半導體層 342凹陷 360第二半導體層 380第二電極 600背光模組裝置 611發光元件 630電源供應系統 71〇光源裝置 720電源供應系統 210第一半導體層 230第二半導體層 232凹陷 250金屬反射膚 280第二電極 310連結層 330透明導電層 341孔洞 350主動層 370第一電極 61〇光源裝置 620光學裝置 700照明裝置 711發光元件 730控制元件 12

Claims

201006002 十、申請專利範圍： 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i。 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。八

5.如請求項1所述之光電元件，或不規則排列。其中該孔洞可以是週期性排列 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、奈米球體散佈古、、w 合金球法、機械式粗化法或乾式餘刻法。同'皿 7.如請求項1所述之光電元件，其中該翻導化銦錫、氧化祕、祕_、氧化馳及氧化㈣^構成 13 201006002 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(Si〇2)、氧化鋁(a12〇3)、氮化矽(siNx)、或旋塗玻璃(spin-on glass)等。

10·如请求項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(p〇lyimide；)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；二巧層’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或^^項11所述之找元件，其巾針聰為咖導電層求項12所述之光電元件，其中該透明導電層係包含選自^氧化蝴、氧化賴、氧鱗錫、氧鱗缺氡所構成材料組群中之至少一種材料。氧鋅錫 14雪求項12所述之光電元件，其中該介電層可以是盈機八電材料，例如二氧化矽(Si〇 )、氧化疋-、、機" 或旋塗玻璃(S_nglass)等。乳化雖l2〇3)、聽石夕_x)、 201006002 15·如凊求項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。如凊求項11所述之光電元件，其中該孔洞之折射係數為

18.如凊求項u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。 .如明求項11所述之光電元件，其中該孔洞可以是週期性列或不規則排列。 20、t請求項11所述之光電元件’其中形成該凹陷之方法可以、濕式_法、奈米壓印法、奈米球體散佈法、高 /皿口金球法、機械式粗化法或乾式蝕刻法。 21.如明求項11所述之光電元件，其中該反射層是一金屬反射項21所述之光電元件，其中該金屬反射層為銘(A1) 23. —種光電元件製造方法，其步驟包含導體層、一主動層與-第二半導體層之- 15 201006002 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；以及〇Λ 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數個凹陷。 μ Ο 瘳 25. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複數凹陷之方法是以-濕式餘刻製程進行，係選擇一適當的溶液，對該第一半導體層之該表面進行奈米微影蝕刻。Α 26. 如請求項23所述之光電元件製造方法，其中形成該複凹陷之方法係利用一奈米壓印製程步驟於該第一半導體声該表面形成具有奈米級的該複數個凹陷。 It請求項23所述ί光電元件製造方法，其中形成該複數個 I陷之方法是以-奈米球體散佈法，於該第—半 = 散佈複數個如 Si02、Α1Α、Ti〇2、Mg〇、z J 米球體，以形成該複數個凹陷。寻不如請求項23所述之光電元件製造方法，為複數個金屬球體，细==職_層轉變 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 201006002 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。四陷光電兀件製造方法，其中形成該複數個於該第-半導想層之該表面進行爛，形成ί 3ι. 一種背光模組裝置包含：

=源裝置’係由_請專利_第丨〜3G項所述之發光元件所光學裝置，置於該光源裝置之丨光路徑上；以及電源供應系統，提供該光源裝置所需之電源。 32. —種照明裝置包含： =源裝置’係由中請專利細第1〜3G項所述之發光元件所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。