光电转换系统的制作方法

本发明涉及一种光电转换系统的结构设计。

背景技术：

继智能型手持装置后，穿戴式装置逐渐蔚为一股风潮，例如智能手表，也陆续出现使用穿戴式装置的各种连续性测量生医信号的应用，因此在有限的穿戴式装置体积中，如何提供便利的充电方式是一项课题，而无线充电是其中一项解决方法。

技术实现要素：

本发明提供一种光电转换系统，包含一第一装置，其中第一装置包含一发光元件，发光元件接收一第一电能以驱动发光元件发出一光线；以及一第二装置包含一光电转换元件用以吸收光线并以输出一第二电能，其中第二电能与第一电能的比值大于20％。

附图说明

图1为本发明一实施例的光电转换系统示意图；

图2为图1的第一装置的剖面示意图；

图3为本发明另一实施例的第一装置的平面示意图；

图4a为第一装置的发光二极管芯片的上视图；

图4b为第一装置的发光二极管芯片的剖视图；

图5为本发明另一实施例的第二装置的平面示意图；

图6a为本发明一实施例的光电转换系统的局部剖视图；

图6b为本发明一实施例的光电转换元件的结构示意图；

图6c为本发明一实施例的第二装置中光电转换元件与基板的上视图；

图7a～图7c为本发明其他实施例的第二装置的平面示意图。

符号说明

1发光元件

10导电基板11出光表面

111、112边界12打线电极

12b纵向延伸电极12a横向延伸电极

122反射结构1220金属接触层

1222金属阻障层1224金属粘结层

1226金属反射层123透明导电结构

1230第一导电氧化层1232第二导电氧化层

14绝缘层142开口

15发光叠层151第一包覆层

152主动层153第二包覆层

16电接触层17导电粘结层

18第二电极181第一电极

19窗户层

2光电转换元件

2'次光电转换元件2s表面

21导电基板22半导体外延叠层

221背面电场222基底层

223发射层224窗户层

225p-n接面23第二电极

23e第三电极2311金属线

24第一电极24a打线电极

24b栅状电极24e第四电极

3光线

4透明载板

5第二装置

5s表面

51第二可充放电元件52第二传输端口

53显示区54非显示区

55固定装置56粘着层

57基板58第一胶层

59第二胶层

6第一装置

6s第一侧

61第一可充放电元件62第一传输端口

63闪光灯64摄影镜头

65开口

8对准装置

81突出部82凹部

p1第一电能

p2第二电能

n法线方向

具体实施方式

以下实施例将伴随着附图说明本发明的概念。

图1显示本发明第一实施例的光电转换系统示意图。所述的光电转换系统包含一第一装置6与一第二装置5；其中，第一装置6包含一发光元件1、一第一可充放电(chargeable/dischargeable)元件61以及一第一传输端口62，发光元件1与第一可充放电元件61电连接以接收第一可充放电元件61对发光元件1提供的一第一电能p1，使发光元件1发出一光线3；第一传输端口62与第一可充放电元件61电连接，可用以外接至一电源对第一可充放电元件61进行充电；第二装置5包含一光电转换元件2以及一第二可充放电元件51，其中，光电转换元件2与第二可充放电元件51电连接，光电转换元件2吸收发光元件1发出的光线3后输出一第二电能p2对该第二可充放电元件51充电。除本发明实施例所揭示的元件，第一装置6与第二装置5还可依装置的需求包含其他现有的电子元件，例如：控制元件、驱动元件、数据存储元件、转换元件等用以提供相应的功能，此并非本发明的重点，不在此赘述。第二装置5还可选择性包含一第二传输端口52与第二可充放电元件51电连接，可用以外接至一电源以提供另一充电路径对第二可充放电元件51进行充电。其中，第一可充放电元件61与第二可充放电元件51包含可充电电池(rechargeablebattery)，例如镍镉(nicd)电池、镍氢(nimh)电池、锂离子(li-ion)电池或锂聚合物(li-polymer)电池，第一传输端口62与第二传输端口52包含通用串行总线(universalserialbus,usb)，例如microusb、miniusb或usbtype-c。

在本实施例中，图2显示本发明第一实施例的第一装置6，第一装置6的第一侧具有一开口65用以放置发光元件1，第一传输端口62位于第一装置6的一末端以方便外接电源。如图3所显示，在一实施例中，第一装置6可为一手持装置，例如智能型手机(smartphone)，具有一摄影镜头64用以摄影取像、一闪光灯63用以发出一白光以补偿环境光源以及发光元件1发出光线3，其中摄影镜头64、闪光灯63以及发光元件1位于第一装置6的第一侧6s，由此通过智能型手机的发光元件1对智能型手表的光电转换元件2进行充电。本实施例中，发光元件1包含一发光二极管(light-emittingdiode,led)芯片，如图4a及图4b所示，发光二极管芯片包含具有一第一带隙的一主动层152以发出光线3，光线3具有一峰波长(peakwavelength)大于720nm，且发光元件1具有大于50％的功率效率(powerefficiency)，其中功率效率是指发光元件1产生光线3的能量功率(w)与输入发光元件1的第一电能p1的功率(w)的比值；请再参照图4a所示，发光二极管芯片的出光表面11上具有多条相互平行的纵向延伸电极12b、一横向延伸电极12a与纵向延伸电极12b连接形成多个交会点，以及两个打线电极12位于横向延伸电极12a上并各提供足以打线或焊接至外部电路的打线面积，例如不小于2500mil²；横向延伸电极12a横跨并垂直于每一条纵向延伸电极12b的中心点，两个打线电极12分别与边界111及边界112间隔相等的距离。

图4b显示图4a中沿出光表面11的剖面线c-c’的发光二极管芯片的剖视图。如图4b所示，发光二极管芯片具有一导电基板10；一导电粘结层17，位于导电基板10之上；一反射结构122，位于导电粘结层17之上；一透明导电结构123，位于反射结构122之上；一窗户层19，位于透明导电结构123之上；一绝缘层14，位于透明导电结构123与窗户层19之间；一发光叠层15，位于窗户层19之上；一电接触层16位于发光叠层15之上；第一电极181包含打线电极12与延伸电极12a、12b位于发光叠层15与电接触层16之上；以及一第二电极18，位于导电基板10之下与导电基板10形成低电阻接触，其中低电阻接触的电阻值小于10-4ω-cm。发光叠层15具有一第一包覆层(claddinglayer)151，位于窗户层19之上；主动层152位于第一包覆层151之上；以及一第二包覆层(claddinglayer)153，位于主动层152与第一电极181之间。

第一电极181及第二电极18用以接受外部电源将电流导入发光叠层15使主动层152发出光线3，其中，第一电极181及第二电极18包含金属材料，例如铝(al)、铬(cr)、铜(cu)、金(au)、镍(ni)、钛(ti)、铂(pt)、锗(ge)、铍(be)或上述材料的组合或合金。如图4b所示，延伸电极12a包覆电接触层16的表面，增加与电接触层16形成低电阻接触的面积，其中低电阻接触的电阻值小于10^-4ω-cm，其中延伸电极12a包覆电接触层16的部分高于打线电极12。电接触层16位于延伸电极12a、12b与发光叠层15之间，用以使延伸电极12a、12b与发光叠层15之间形成低电阻接触，其中低电阻接触的电阻值小于10^-4ω-cm。电接触层16与延伸电极12a、12b之间的电阻值以及电接触层16与发光叠层15之间的电阻值分别小于打线电极12与发光叠层15之间的电阻值。电接触层16的材料包含iii-v族化合物半导体材料，其电性可与第二包覆层153相同并具有一掺杂杂质浓度大于10¹⁹cm^-3，在本实施例中，电接触层16的材料可为砷化镓(gaas)。

发光叠层15的材料可为iii-v族化合物半导体材料。本实施例中，第一包覆层151与第二包覆层153的电性相异，用以分别提供电子及空穴在主动层152中复合(recombination)以发射光线3；第一包覆层151例如包含p型砷化铝镓(alaga1-aas,0<a<1)、磷化铟(inp)或砷化铝铟(al1-binbas,0<b<1)，并掺杂锌(zn)、碳(c)或镁(mg)，其中锌(zn)、碳(c)或镁(mg)的掺杂浓度介于5×10¹⁶cm^-3到1×10¹⁹cm^-3之间，第一包覆层151的厚度介于0.1μm与10μm之间，优选的是介于0.1μm与2μm之间；第二包覆层153例如包含n型砷化铝镓(alaga1-aas,0<a<1)、磷化铟(inp)或砷化铝铟(al1-binbas,0<b<1)，并掺杂硅(si)或碲(te)，其中硅(si)或碲(te)的掺杂浓度介于5×10¹⁶cm^-3到5×10¹⁸cm^-3之间，第二包覆层153的厚度介于0.1μm与10μm之间，优选的是介于0.1μm与1μm之间；主动层152包含多个阱层(welllayers)以及多个阻障层(barrierlayers)交叠，依据主动层152的阱层(welllayers)材料，可决定发光叠层15发出光线3的峰波长，阱层包含砷化铝镓铟((alxga1-x)yin1-yas，0≤x≤1，0≤y≤1)，阻障层包含磷砷化铝镓(alxga1-xasyp1-y，0≤x≤1，0≤y≤1)，每一个阱层的厚度介于5nm到100nm之间，每一个阻障层的厚度介于10nm到100nm之间，阻障层的带隙大于阱层的带隙。第二包覆层153的一出光表面11可为一粗化(roughened)表面以降低全反射，提升发光二极管芯片的发光效率。主动层152可发出可见光或不可见光，在本实施例中主动层152发出的光线3具有一峰波长大于720nm的不可见光以避免干扰环境光源，主动层152的结构可为单异质结构、双异质结构、双侧双异质结构、多重量子阱结构或量子点结构。窗户层19的电性可与第一包覆层151的电性相同，作为光摘出层以提升发光二极管芯片的发光效率。窗户层19对于主动层152所发的光为透明，其材料可为半导体材料，例如砷化铝镓(alaga1-aas,0<a<1)或磷化镓(gap)。透明导电结构123用以增加窗户层151与反射结构122之间电流传导与扩散，且对于发光叠层15所发的光为透明以与反射结构122形成全方位反射镜(omni-directionalreflector，odr)。透明导电结构123的材料包含透明导电氧化物，包含但不限于氧化铟锡(ito)、氧化铟(ino)、氧化锡(sno)、氧化镉锡(cto)、氧化锑锡(ato)、氧化铝锌(azo)、氧化锌锡(zto)、氧化镓锌(gzo)、氧化锌(zno)、氧化铟铈(ico)、氧化铟钨(iwo)、氧化铟锌(izo)、氧化铟镓(igo)或上述材料的组合。透明导电结构123具有一第一导电氧化层1230，位于绝缘层14之下，以及一第二导电氧化层1232，位于发光叠层15与第一导电氧化层1230之间。其中，第一导电氧化层1230与第二导电氧化层1232包含相异的材料。另一实施例中，第一导电氧化层1230包含一组成元素相异于第二导电氧化层1232的所有组成元素，例如第一导电氧化层1230的材料为氧化铟锌(izo)，第二导电氧化层1232的材料为氧化铟锡(ito)。第二导电氧化层1232与绝缘层14及窗户层19直接接触，且覆盖绝缘层14至少一表面。

绝缘层14对于发光叠层15所发的光的穿透率大于90％，折射率小于1.5，优选为介于1.3与1.5之间。绝缘层14的材料可为非氧化物绝缘材料，例如为环烯烃聚合物(coc)、氟碳聚合物(fluorocarbonpolymer)、氟化钙、氟化镁或其组合。另一实施例中，绝缘层24的材料可包含卤化物，例如iia-vii族化合物，例如氟化钙或氟化镁。绝缘层14的折射率小于窗户层19的折射率及透明导电结构123的折射率以增加发光叠层15所发的光线3在窗户层19与绝缘层14之间的界面形成全反射的机率，因而提升发光二极管芯片的出光效率。绝缘层14可具有图案化分布，例如大致对应位于电接触层16及/或打线电极12的正下方，以增进电流的扩散。绝缘层14还包含多个开口142，其中透明导电结构123填入多个开口142中，与窗户层19形成低电阻接触，其中低电阻接触的电阻值小于10^-4ω-cm。

反射结构122可反射发光叠层15发出的光，其材料可为金属材料。反射结构122包含一金属反射层1226；一金属粘结层1224位于金属反射层1226之下；一金属阻障层1222，位于金属粘结层1224之下；以及一金属接触层1220，位于金属阻障层1222之下。金属反射层1226可反射来自发光叠层15的光且具有90％以上的反射率；金属粘结层1224用以帮助粘结金属反射层1226与金属阻障层1222；金属阻障层1222可防止金属反射层1226的材料扩散至金属接触层1220，进而破坏金属反射层1226的结构导致金属反射层1226的反射率降低，金属接触层1220与下方导电粘结层17形成低电阻接触，其中低电阻接触的电阻值小于10^-4ω-cm。导电粘结层17通过焊接(solderbonding)连接导电基板10与反射结构122，其中导电粘结层17的材料包含金属材料，例如锡(sn)、金(au)、银(ag)、铅(pb)、钛(ti)、镍(ni)、铂(pt)、钨(w)或上述材料的合金等。

图5显示本发明的第二装置5，第二装置5包含一穿戴式装置(wearabledevice)，例如智能型手表，可通过一固定装置55，例如表带，固定在人体上。如图5所示，第二装置5具有一表面5s以及一透明载板4覆盖在表面5s上，其中透明载板4对于光线3的透明度大于90％，其材料例如包含玻璃或蓝宝石。表面5s包含一显示区53以及一非显示区54邻接显示区53，显示区53可显示文字、静态影像、动态影像或其组合，用以提供信息；非显示区54用以覆盖或隐藏第二装置5内部围绕在显示区53周围的元件，本实施例的非显示区54为一盖板，且非显示区54围绕显示区53，透明载板4覆盖该显示区53以及该非显示区54。第二装置5的光电转换元件2位于非显示区54及透明载板4之间，光线3可穿过透明载板4被光电转换元件2吸收以转换成电能。

图6a显示为本发明一实施例的光电转换系统的剖视图，是沿图5的a-a’线剖面的方向观之，第二装置5还包含一基板57；光电转换元件2可通过一粘着层56固定在基板57上并与基板57上的一电路结构电连接；一第一胶层58覆盖光电转换元件2以隔绝空气中的水气；以及一第二胶层59位于第一胶层58与透明载板4之间，用以接合光电转换元件2固定在透明载板4上，其中第一胶层58与第二胶层59的材料对于光线3的透明度皆大于90％，光线3可依序穿透透明载板4、第二胶层59以及第一胶层58达到光电转换元件2的表面2s，优选地，为了降低光损失，该光电转换元件2的表面2s与该透明载板4之间的距离介于5μm到1000μm之间，优选地，第一胶层58与第二胶层59在表面2s与透明载板4之间的加总厚度控制于10μm到1000μm之间。优选地，本实施例于操作时，发光元件1与光电转换元件2的材料皆包含iii-v化合物半导体材料，且发光元件1正对接近于光电转换元件2，使光线3自发光元件1发出后直接穿透透明载板4、第二胶层59以及第一胶层58达到光电转换元件2的表面2s，因此发光元件1与光电转换元件2之间无需任何聚焦装置用以将光线3聚集于光电转换元件2。在操作时，第一装置6与第二装置5之间的距离小于10mm以提高整体的光电转换效率，优选地第一装置6与第二装置5之间的距离小于3mm或紧密贴合使不具间距。基板57优选为一软性基板。在另一个实施例，光电转换元件2可通过第一胶层58直接粘接于透明载板4，可进一步将表面2s与透明载板4之间的距离减少至介于5μm到500μm之间以降低光损失及提高光电转换效率。第一胶层58与第二胶层59的材料包含有机材料，例如不饱和聚酯树脂(unsaturatedpolyesterresin)、环氧树脂(epoxy)、氧杂环丁烷(oxetane)、尼龙(nylon)、聚丙烯(pp)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚苯醚(ppo)、聚碳酸酯(pc)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(absresin)、聚氯乙烯(pvc)、苯并环丁烯(bcb)以及硅胶(silicone)。在本实施例中，第一胶层58与第二胶层59的材料相异。粘着层56将光电转换元件2粘着固定在基板57上，在本实施例中，在本实施例中粘着层56为导电材料，使光电转换元件2与基板57的电路结构电连接，粘着层56的材料包含金属、金属合金、或导电胶。

本实施例中，光电转换元件2包含一太阳能电池(solarcell)芯片，如图6b所示，光电转换元件2包含一导电基板21、一半导体外延叠层22位于导电基板21上且具有一表面2s、一第一电极24位于表面2s上、一第二电极23位于导电基板21上相对于半导体外延叠层22的另一侧，半导外延体叠层22包含一背面电场(backsurfacefield；bsf)层221位于导电基板21上，一基底(base)层222位于背面电场层221上，一发射(emitter)层223位于基底层222上，以及一窗户(window)层224位于发射层223上，其中背面电场层221的材料包含砷化铝镓(aluga(1-u)as，0<u<1)或磷化铝铟镓(aluinvga(1-u-v)p，0<v<1，0<u<1)且掺杂成n型半导体，基底层222与发射层223形成一p-n接面225且包含一材料且具有一第二带隙，第二带隙小于发光二极管芯片中主动层152的第一带隙，其中第一带隙与第二带隙差异小于0.1ev，例如砷化镓(gaas)、磷砷化铟镓(in1-xgaxas1-ypy,0<x<1,0<y<1)或砷化铟镓(in1-xgaxas,0<x<1)材料，基底层222例如为一n型半导体，发射层223例如为一p型半导体，发光二极管芯片发出的光线3在p-n接面225被吸收并产生电子与空穴，并通过p-n接面225所形成的内建电场驱使空穴与电子分别往窗户层224与背面电场层221移动而产生电流，窗户层224的材料包含砷化铝镓(aluga(1-u)as，0<u<1)或磷化铝铟镓(aluinvga(1-u-v)p，0<u<1，0<v<1)且掺杂成p型半导体，窗户层224的带隙大于发射层223的带隙，可用以阻挡空穴往窗户层224流动而形成无效电流。在本发明的一个实施例中，光电转换元件2的p-n接面225的基底层222与发射层223的材料为砷化镓(gaas)，可吸收的光波长小于870nm的光线以转换为电能；且发光元件2的发光二极管芯片的主动层152包含一多重量子阱结构且具有一材料为砷化镓铟(gaxin1-xas，0.03≤x≤0.09)，用于发出峰波长(peakwavelength)介于840及860nm的光线；其中，发光二极管芯片的主动层152的带隙大于p-n接面225的带隙且二者的带隙差异小于0.1ev，优选为小于0.05ev。

如图6a所示，粘着层56位于第二电极23与基板57之间以将光电转换元件2固定在基板57上并使第二电极23与基板57的一第三电极23e电连接，多条金属线2311连接第一电极24与基板57的第四电极24e以形成电连接。在本实施例中，表面2s的面积至少大于30mm²。在一实施例中，该光电转换元件2具有单一个太阳能电池芯片，且该太阳能电池芯片具有垂直堆叠的多个p-n接面225，详言之，多个p-n接面225垂直堆叠在导电基板21上，其中多个p-n接面的带隙可相同或不同，优选地为相同，且多个p-n接面225的带隙皆小于发光二极管芯片中主动层152的第一带隙以吸收光线3；在另一实施例中，该光电转换元件2包含多个太阳能电池芯片，各该太阳能电池芯片各具有一个或多个垂直堆叠的p-n接面225；半导体外延叠层22中的p-n接面225吸收光线3并转换成电能p2后，可通过第一电极24以及第二电极23传输至第二可充放电元件51存储，第一电极24以及第二电极23的材料包含锗(ge)、金(au)、镍(ni)、铍(be)或其合金，第一电极24与半导体外延叠层22形成低电阻接触，其中低电阻接触的电阻值小于10^-4ω-cm；第二电极23与导电基板21形成低电阻接触，其中低电阻接触的电阻值小于10^-4ω-cm。

如图6c显示图6a中光电转换元件2与基板57的上视图，基板57的第四电极24e电连接第一电极24，以及第三电极23e电连接第二电极23。从基板57的上视图观之，第三电极23e与第四电极24e围绕光电转换元件2；从光电转换元件2的上视图观之，第一电极24包含两打线电极24a以及多条相互平行的栅状电极24b位于两打线电极24a之间，多条栅状电极24b与两打线电极24a垂直且直接连接，其中两打线电极24a为一长条形，且短边的宽度介于0.1mm到1mm之间且长边分别沿芯片相对的两边延伸，通过多条金属线2311跨过第三电极23e并连接打线电极24a与第四电极24e，使第四电极24e电连接打线电极24a，多条栅状电极24b的宽度界于1μm到100μm之间。第三电极23e与第四电极24e电连接第二可充放电元件51，用以传导出电能p2对第二可充放电元件51充电。请参照图6a所示，在操作时，发光二极管芯片的出光表面11正对于表面2s，使第一装置5及第二装置6对位且叠合，并使光线3以最短距离穿过表面2s使光电转换元件2的p-n接面225吸收光线3并转换成电能；在本实施例中，于操作时，二极管芯片与太阳能电池芯片相对的表面之间的距离小于15mm，优选地小于10mm；其中，光电转换元件2的转换效率大于40％，转换效率指光线3射入表面2s的能量功率(w)与光电转换元件2输出电能p2的功率(w)的比值。当发光元件1位于垂直于光电转换元件2的表面2s的法线方向n上时，光电转换元件2输出电能p2的功率(w)与输入发光元件1的第一电能p1的功率(w)的比值(p2/p1)大于20％。优选地，光电转换系统可包含一对准装置8设置于第一装置6与第二装置5上用以使发光元件1对准于表面2s的法线方向n上，在一实施例中，对准装置包含一突出部81位于第一装置6的表面以及一对应的凹部82位于第二装置5的透明载板4的表面，其上视图如图6c所示，当第一装置6的突出部81与第二装置5的凹部82嵌合时，发光元件1垂直正对于该表面2s的法线方向n上以提高光电转换效率；在另一实施例中，第一装置6可拆装地结合于该第二装置5，让使用者可以选择性地将第一装置6结合于该第二装置5上。

如图7a及图7b为本发明的第二装置的另一其他可行的实施例，相较于图5的实施例，图7a的第二装置5可包含多个次光电转换元件2’排列成二维阵列；或是如图7b所示，多个次光电转换元件2’位于非显示区54上并沿着显示区53的一侧边排列，其中每一个多个次光电转换元件2’皆与前述光电转换元件2的结构相同，所有多个次光电转换元件2’中吸收光线3的表面2s总面积至少大于30mm²。在另一实施例中，第一装置6包含多个发光元件，每一个多个次光电转换元件2’可通过对准装置8分别对应到每一个多个发光元件。多个次光电转换元件2’在基板57上彼此并联、串联或串并联使得光电转换元件2具有一开路电压(open-circuitvoltage)，其中开路电压大于驱动第二装置5的一驱动电压且二者相差小于驱动电压的20％，因第二装置5所需的驱动电压与光电转换元件2提供的开路电压相近，由此能够增加该光电转换系统的系统效率。

需注意的是，本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作显而易见的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。不同实施例中具有相同名称或具有相同标号的构件，应具有相同的结构或材料特性，例如物理或化学特性。此外，本发明中上述的实施例所述的各构件，在适当的情况下是可互相组合或替换，而非仅限于所描述的特定实施例。在一实施例中详细描述的特定构件与其他构件的连接关系也可以应用于其他实施例中，且均落于如所附的本发明的权利保护范围的范畴中。