專利名稱：光電元件及其制造方法、背光模塊裝置和照明裝置的制作方法
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/Ti02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 : ODR)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(Si02)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l)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l)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，
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i兌明 200基板 220有源層 231孔
240透明導(dǎo)電層 270第一電極 300基板
210第一半導(dǎo)體層
230第二半導(dǎo)體層
232凹陷
250金屬反射層
280第二電極
310連結(jié)層320金屬反射層
340第一半導(dǎo)體層 342凹陷
360第二半導(dǎo)體層 380第二電極 600背光模塊裝置 611發(fā)光元件 630電源供應(yīng)系統(tǒng) 710光源裝置 720電源供應(yīng)系統(tǒng)
330透明導(dǎo)電層 341孔 350有源層 370第一電極
610光源裝置 620光學(xué)裝置 700照明裝置 711發(fā)光元件 730控制元件
具體實(shí)施例方式
圖l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240，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240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 : ODR)。最后夯別在第一半導(dǎo)體層210與全屬反射層250的上方，形成一第 一電極270與 一第二電極280，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200 nm,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-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-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--當(dāng)完成第二半導(dǎo)體層230之后，在其表面 散布如Si02、 A1203、 Ti02、 MgO、 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--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-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---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l)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240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，可以是八1203、 GaN、 A1N、 SiC、 GaAs、 GaP、 Si、 ZnO、 MgO、 MgAl204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、 AlGalnP及AlInGaN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、 TiW、 TiN、 WSi、 Au/Ge、 Pt、 Pd及Rb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
避免為;方基板所吸收，進(jìn)而i高出光效率。其中透明導(dǎo)電層240除^T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(Si02)、氧化鋁(八1203)、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(epoxy)、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 : ODR)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、 AlGalnP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、 TiW、 TiN、 WSi、 Au/Ge、 Pt、 Pd及Rb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(epoxy)、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，該表面具有多個(gè)凹陷；一透明導(dǎo)電層，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；以及一金屬反射層，形成于該透明導(dǎo)電層之上。
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200 nm。
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，其中該透明導(dǎo)電層可以被一無機(jī)介 電層或有機(jī)介電層所取代。
8、 一種光電元件制造方法，其步驟包括:，形成具有一第一半導(dǎo)體層、 一有源層與一第二半導(dǎo)體層的一半導(dǎo)體發(fā)光 疊層；形成多個(gè)凹陷于該一第一半導(dǎo)體層的一表面上；形成一透明導(dǎo)電層于該第一半導(dǎo)體層的該表面上，并使得該些凹陷形成 多個(gè)孔；以及形成一金屬反射層于該透明導(dǎo)電層的上。
9、 如權(quán)利要求8所述的光電元件制造方法，其中形成該多個(gè)凹陷的方 法是外延法、濕式蝕刻法、納米印刷法、納米球體散布法、高溫合金球法、 才幾械式粗化法或干式蝕刻法。
10、 一種背光模塊裝置，包括一光源裝置，由權(quán)利要求1 9所述的光電元件其中之一所組成；一光學(xué)裝置，置于該光源裝置的出光路徑上；以及一電源供應(yīng)系統(tǒng)，提供該光源裝置所需的電源。
11、 一種照明裝置，包括一光源裝置，由權(quán)利要求1 9所述的光電元件其中之一所組成; 一電源供應(yīng)系統(tǒng)，提供該光源裝置所需的電源；以及 一控制元件，控制該電源輸入該光源裝置。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種光電元件及其制造方法、背光模塊裝置和照明裝置。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)H01L33/00GK101645474SQ20081012983
公開日2010年2月10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