專利名稱：光電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電元件，特別是一種具有高效率反射層的發(fā)光二極管元件。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管與傳統(tǒng)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(yōu)越特性，所以被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域之中，例如交通號(hào)志、背光模塊、路燈照明、醫(yī)療設(shè)備與通訊儲(chǔ)存裝置等產(chǎn)業(yè)。為提升發(fā)光二極管的出光效率，通常于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置，如基板與發(fā)光疊層之間，設(shè)置一反射層，可減少基板的吸光效應(yīng)，使發(fā)光層所產(chǎn)生的光透過上述反射層的反射作用而增加出光。反射層多采用具有高反射特性的金屬材料，例如金(Au)或銀 (Ag)，來作為單一反射金屬層。此種反射層的反射能力，取決于所選用的反射金屬層的材料其反射系數(shù)的大小，例如金(Au)大約是86%、銀(Ag)大約是92%。另一經(jīng)常運(yùn)用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中的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的多層具不同折射率的材料所組成的結(jié)構(gòu)，其組成材料選擇眾多，例如是由Si02/Ti&所形成的多層結(jié)構(gòu)或是由外延工藝所形成的不同組成的半導(dǎo)體層所堆疊而成的多層結(jié)構(gòu)。其反射率取決多層結(jié)構(gòu)的層數(shù)與折射率變化的搭配設(shè)計(jì)。在發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中，尚可以采用一種全方向性反射層(omni-direction reflector :0DR)的設(shè)計(jì)，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(dǎo)體層、低折射率層與金屬層所堆疊形成的結(jié)構(gòu)，其中低折射率層(low index layer)的厚度為四分之一光波長的倍數(shù)，且通常為絕緣材料，例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4),所以并不具有導(dǎo)電的特性。如上所述，設(shè)置一反射層于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)位置，來增加元件的出光效率，是一個(gè)已知而且有效的方法，但如何設(shè)計(jì)一個(gè)反射效率更高的反射層，便成為一個(gè)大家所追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種光電元件，其包括一半導(dǎo)體層，其表面具有許多凹陷；一中間層， 形成于半導(dǎo)體層的表面，并將這些凹陷形成內(nèi)含空氣(折射系數(shù)約為1)的孔；以及一反射層，形成于中間層之上，以形成一具有高反射效率的全方向性反射層(ODR)；其中上述的中間層可以是透明導(dǎo)電層或介電層。本發(fā)明還提供一種光電元件，其包括一半導(dǎo)體發(fā)光疊層，其具有一第一半導(dǎo)體層、 一有源層與一第二半導(dǎo)體層，且第一半導(dǎo)體層的表面具有許多凹陷；一透明導(dǎo)電層，形成于第一半導(dǎo)體層的表面，并將這些凹陷形成內(nèi)含空氣(折射系數(shù)約為1)的孔；一金屬反射層， 形成于透明導(dǎo)電層之上，以便形成一具有高反射效率的全方向性反射層(ODR)。本發(fā)明還提供一種光電元件，包括一半導(dǎo)體發(fā)光疊層，具有一第一半導(dǎo)體層、一有源層與一第二半導(dǎo)體層，其中該一第一半導(dǎo)體層的一表面具有多個(gè)凹陷；以及一透明層， 形成于該第一半導(dǎo)體層的該表面上，使得該些凹陷形成多個(gè)孔；其中，該多個(gè)孔形成于該透明層與該第一半導(dǎo)體層之間。本發(fā)明主要是希望通過上述于半導(dǎo)體層與透明導(dǎo)電層之間所形成的孔設(shè)計(jì)，來達(dá)到降低透明導(dǎo)電層的折射系數(shù)的效果，以提升全方向性反射層(ODR)的反射效率，使得由有源層所產(chǎn)生的光可以經(jīng)由全方向性反射層(ODR)的反射作用而出光，以增加元件的出光效率。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的背光模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的照明裝置結(jié)構(gòu)圖。
附圖標(biāo)記說明
200基板210第一半導(dǎo)體層
220有源層230第二半導(dǎo)體層
231孔232凹陷
240透明導(dǎo)電層250金屬反射層
270第一電極280第二電極
300基板310連結(jié)層
320金屬反射層330透明導(dǎo)電層
340第一半導(dǎo)體341孔
342凹陷350有源層
360第二半導(dǎo)體層370第一電極
380第二電極
600背光模塊裝置610光源裝置
611發(fā)光元件620光學(xué)裝置
630電源供應(yīng)系統(tǒng)700照明裝置
710光源裝置711發(fā)光元件
720電源供應(yīng)系統(tǒng)730控制元件
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例。如圖所示為一發(fā)光元件，例如一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，是在基板200上以外延方式形成一第一半導(dǎo)體層210，再于第一半導(dǎo)體層210上形成一有源層220，最后形成一第二半導(dǎo)體層230于有源層220之上，其中第一半導(dǎo)體層210與第二半
4導(dǎo)體層230兩者的電性相異。接者，在第二半導(dǎo)體層230的表面形成多個(gè)凹陷232，并在其上方覆蓋一透明導(dǎo)電層對(duì)0，此時(shí)透明導(dǎo)電層240并不會(huì)將凹陷232填滿，因而形成多個(gè)孔 231，其中大致包括空氣(折射系數(shù)約為1)。然后再于透明導(dǎo)電層MO的上方，形成一金屬反射層250，此時(shí)第二半導(dǎo)體層230、透明導(dǎo)電層240與金屬反射層250形成一具有高反射效率的全方向性反射層(omni-direction reflector :0DR)。最后分別在第一半導(dǎo)體層210 與金屬反射層250的上方，形成一第一電極270與一第二電極觀0，便可完成本實(shí)施例的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。上述的多個(gè)孔231其大小以使其上方的透明導(dǎo)電層無法填入孔231為原則，其最大直徑優(yōu)選約為小于200nm，使其中大致包括空氣(折射系數(shù)約為1)；其形狀并無限制，可以是六角形孔穴、倒金字塔形，不規(guī)則的多邊形等；其排列方式并無限制，例如是周期性排列或不規(guī)則排列。凹陷230的形成方式也并不受局限，舉例如下(a)外延法一在形成第二半導(dǎo)體層230的外延工藝中，通過控制外延條件，使得第二半導(dǎo)體層230的表面自然形成多個(gè)凹陷232 ； (b)濕式蝕刻法一當(dāng)完成第二半導(dǎo)體層230之后，依據(jù)第二半導(dǎo)體層230的材料，選擇適當(dāng)?shù)奈g刻溶液如鹽酸或磷酸，對(duì)第二半導(dǎo)體層230的表面進(jìn)行納米光刻蝕刻，形成凹陷232 ;(C)納米壓印法(nano-imprint)-完成第二半導(dǎo)體層230之后，在其表面進(jìn)行納米印刷工藝步驟，以形成具有納米級(jí)的多個(gè)凹陷232; (d)納米球體散布法一當(dāng)完成第二半導(dǎo)體層230之后，在其表面散布如Si02、A1203、Ti02、Mg0、ZnO等納米球體，便可以在第二半導(dǎo)體層230的表面形成多個(gè)凹陷232 ； (e)高溫合金球法一在第二半導(dǎo)體層230的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(zhuǎn)變?yōu)榻饘偾蝮w，便可以在第二半導(dǎo)體層230的表面形成多個(gè)凹陷232 ； (f)機(jī)械式粗化法一在第二半導(dǎo)體層230的表面，利用機(jī)械研磨的方式形成多個(gè)凹陷232于第二半導(dǎo)體層230的表面；(g)干式蝕刻法一在第二半導(dǎo)體層230的表面，利用干式蝕刻法如等離子體蝕刻法、電子束蝕刻法或激光蝕刻法等， 對(duì)第二半導(dǎo)體層230的表面進(jìn)行蝕刻，形成多個(gè)凹陷232。形成這些凹陷232是為了在半導(dǎo)體層230與透明導(dǎo)電層240之間，形成內(nèi)含空氣(折射率大約為1)的孔231的結(jié)構(gòu)，透過孔231的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來達(dá)到降低透明導(dǎo)電層MO的折射系數(shù)的效果，進(jìn)而提高全方向性反射層(ODR)的反射能力。上述實(shí)施例中基板200，可以是 A1203、GaN, A1N、SiC、GaAs, GaP, Si、ZnO, MgO, MgAl2O4及玻璃所構(gòu)成的材料組中至少一種材料或其它可代替的材料取代之；第一半導(dǎo)體層210、有源層220以及第二半導(dǎo)體層230可選自于GaN、AlGaN、InGaN^AlGaInP及AUnGaN 等材料；第一電極 270 與一第二電極 280 選自于 Al、Ti、Ti/Al、Cr/Al、Ti/Au、Cr/Au、Ni/Au、 Tiff, TiN、WSi、Au/Ge、Pt、Pd及1 所構(gòu)成的材料組中至少一種材料；透明導(dǎo)電層240選自于氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構(gòu)成的材料組中至少一種材料； 金屬反射層250，為具有高反射率的導(dǎo)電性的材料，例如鋁(Al)或銀(Ag)。如圖2所示為本發(fā)明的第二實(shí)施例。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例不同的地方， 是由第一半導(dǎo)體層210、透明導(dǎo)電層240與金屬反射層250所形成的全方向性反射層(ODR) 位于基板200與有源層220之間，使得由有源層220所產(chǎn)生向下發(fā)射的光經(jīng)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(jìn)而提高出光效率。其中透明導(dǎo)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(dǎo)電材料所構(gòu)成以外；也可以一介電層所取代，此介電層可以是無機(jī)介電材料，例如二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、或旋涂玻璃(spin-on glass)等，或是有機(jī)介電材料，例如環(huán)氧樹脂(印oxy)、聚亞酰胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)等。如圖3所示為本發(fā)明的第三實(shí)施例。本實(shí)施例是一利用基板轉(zhuǎn)移方法所形成的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其具有一導(dǎo)電基板300 ；其下方設(shè)置有一第一電極370 ；其上方透過一連結(jié)層310連接一多層結(jié)構(gòu)，包括連結(jié)層310上方的金屬反射層320 ；金屬反射層320上方的透明導(dǎo)電層330 ；以及透明導(dǎo)電層330上方的外延疊層，包括一第一半導(dǎo)體層340，并在第一半導(dǎo)體層340上形成一有源層350，以及在有源層350上形成一第二半導(dǎo)體層360，其中第一半導(dǎo)體層340與第二半導(dǎo)體層360兩者的電性相異；最后在第二半導(dǎo)體層360的上方形成一第二電極380。其中在第一半導(dǎo)體層340與透明導(dǎo)電層330接觸的界面處，在第一半導(dǎo)體層340的表面形成多個(gè)凹陷342，且透明導(dǎo)電層330并不會(huì)將凹陷342填滿，而形成多個(gè)孔341，其中大致包括空氣(折射系數(shù)約為1)，其中本實(shí)施例的孔341的形成方法、大小、 形狀、與排列方式與前述的實(shí)施例相同。由第一半導(dǎo)體層340、透明導(dǎo)電層330與金屬反射層320，所形成的全方向性反射層(omni-direction reflector :0DR)具有高反射效率，可以使由發(fā)光疊層所產(chǎn)生的光往下發(fā)射時(shí)，經(jīng)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(jìn)而提高出光效率。本實(shí)施例中基板300，為具有導(dǎo)電特性的基板，例如硅基板、銅基板及SiC所構(gòu)成的材料組中至少一種材料或其它可代替的材料取代之；第一半導(dǎo)體層340、有源層350以及第二半導(dǎo)體層360可選自于GaN、AlGaN、InGaN^AlGaInP及AlInGaN所構(gòu)成材料組中的一種材料；第一電極 370 與一第二電極 380 選自于 Al、Ti、Ti/Al、Cr/Al、Ti/Au、Cr/Au、Ni/Au, Tiff, TiN、WSi、Au/Ge、Pt、Pd及1 所構(gòu)成材料組中的至少一種材料；透明導(dǎo)電層330選自于氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構(gòu)成材料組中的至少一種材料; 金屬反射層320，為具有高反射率的導(dǎo)電性的材料，例如鋁(Al)或銀(Ag)；粘結(jié)層310選自于環(huán)氧樹脂(印oxy)、聚亞酰胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)所構(gòu)成材料組中的至少一種材料。上述的所有實(shí)施例并不局限于發(fā)光二極管元件，可以將具有孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全方向性反射層(ODR)，應(yīng)用于任何需要反射層的光電元件的任何適當(dāng)位置，如太陽能電池(Solar Cell)或激光二極管(Laser Diode)等。圖4顯示本發(fā)明的背光模塊結(jié)構(gòu)。其中背光模塊裝置600包括由本發(fā)明上述任意實(shí)施例的發(fā)光元件611所構(gòu)成的一光源裝置610 ；—光學(xué)裝置620置于光源裝置610的出光路徑上，將光做適當(dāng)處理后出光；以及一電源供應(yīng)系統(tǒng)630，提供上述光源裝置610所需的電源。圖5顯示本發(fā)明的照明裝置結(jié)構(gòu)。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包括一光源裝置710，由本發(fā)明上述的任意實(shí)施例的發(fā)光元件711所構(gòu)成；一電源供應(yīng)系統(tǒng)720，提供光源裝置710所需的電源；以及一控制元件730控制電源輸入光源裝置710。雖然發(fā)明已通過各實(shí)施例說明如上，然其并非用以限制本發(fā)明的權(quán)利要求。對(duì)于本發(fā)明所作的各種修飾與變更，皆不脫本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種光電元件，包括一半導(dǎo)體發(fā)光疊層，具有一第一半導(dǎo)體層、一有源層與一第二半導(dǎo)體層，其中該一第一半導(dǎo)體層的一表面具有多個(gè)凹陷；以及一透明層，形成于該第一半導(dǎo)體層的該表面上，使得該些凹陷形成多個(gè)孔； 其中，該多個(gè)孔形成于該透明層與該第一半導(dǎo)體層之間。
2.如權(quán)利要求1所述的光電元件，其中該孔的最大直徑小于200nm。
3.如權(quán)利要求1所述的光電元件，其中該孔的折射系數(shù)為1。
4.如權(quán)利要求1所述的光電元件，其中該孔的形狀可以是六角形孔穴、倒金字塔形或不規(guī)則的多邊形。
5.如權(quán)利要求1所述的光電元件，其中該孔可以是周期性排列或不規(guī)則排列。
6.如權(quán)利要求1所述的光電元件，其中形成該凹陷的方法可以是外延法、濕式蝕刻法、 納米印刷法、納米球體散布法、高溫合金球法、機(jī)械式粗化法或干式蝕刻法。
7.如權(quán)利要求1所述的光電元件，其中該透明層包括透明導(dǎo)電氧化層或介電層。
8.如權(quán)利要求1所述的光電元件，更包括一金屬反射層，形成該透明層之上。
9.如權(quán)利要求8所述的光電元件，更包括一導(dǎo)電基板，形成該金屬反射層之上。
10.如權(quán)利要求9所述的光電元件，其中該導(dǎo)電基板包括硅、銅及SiC所構(gòu)成的材料組中至少一種材料。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種光電元件。該光電元件包括一半導(dǎo)體發(fā)光疊層，該半導(dǎo)體發(fā)光疊層具有一第一半導(dǎo)體層、一有源層與一第二半導(dǎo)體層，其中第一半導(dǎo)體層的表面具有許多凹陷；一透明導(dǎo)電層，形成于第一半導(dǎo)體層的表面，使得凹陷形成內(nèi)含空氣的孔；更設(shè)置一金屬反射層于透明導(dǎo)電層之上，以形成一具有高反射率的全方向性反射層。根據(jù)本發(fā)明，增加了元件的出光效率。
文檔編號(hào)H01L33/60GK102522486SQ201210006818
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者楊雅蘭, 林錦源, 王心盈 申請(qǐng)人:晶元光電股份有限公司