专利名称：微纳米组合结构物及其制备方法及光学器件的制备方法
技术领域：
本发明涉及微纳米组合结构物、微纳米组合结构的制备方法及由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，更详细地，涉及在基板上形成微结构之后利用金属薄膜蒸镀、热处理、整面刻蚀(blanket etching)在微结构上形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形或抛物线形的无反射纳米结构，从而将由空气和半导体物质之间的折射率之差引起的菲涅尔(Fresnel)反射和全反射最小化的微纳米组合结构物、微纳米组合结构的制备方法及由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。
背景技术：
一般来讲，例如在太阳能电池、光检测器、发光二极管、透明玻璃(Glass)等光学器件中，需要解决的重要问题是如何减少折射率不同的两种介质之间的光的反射量。这种光的反射是降低光学器件的效率的主要原因，越是将光的反射最小化，将能够得到越高的效率。为了减少光的反射普遍使用的方法大致可分为两种。第一种方法是通过形成微大小的结构物来减少产生全反射的概率，相应的有表面纹理(Texturing)、微透镜(micro lens)、微格子图案等。图1是用于说明现有技术的一实施例的向形成有微图案的结构物入射的光的反射和透射的示意图，虽然具有光通过形成有微图案Ia的结构物I向外部射出的概率高的优点(实线)，但具有无法克服由介质与空气之间的折射率之差引起的菲涅尔(Fresnel)反射的缺点(虚线)。第二种方法是为了从根源上减少由折射率之差引起的损失而通过比波长短的大小的格子或非周期性结构渐渐改变两种介质之间的有效折射率。这种结构因与蛾的眼睛形状相似，而称作“蛾眼(Moth eye) ”结构。图2是用于说明现有技术的再一实施例的向形成有纳米图案2a的结构物2入射的光的反射和透射的示意图，由于在介质与空气之间的界面几乎不发生菲涅尔反射，因而当入射角垂直时能够得到几乎接近0%的反射率，却具有无法消除入射角变大时发生的全反射的缺点。如上所述，利用以往的微结构的情况下，虽然能够减少全反射，却难以减少菲涅尔反射，而利用光波长以下的纳米结构的情况下，虽然能够减小菲涅尔反射，却具有无法减少全反射的缺点。
发明内容
技术问题 本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，本发明的目的在于，提供在基板上形成微结构之后利用金属薄膜蒸镀、热处理、整面刻蚀在微结构上形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形或抛物线形的无反射纳米结构，从而将由空气和半导体物质之间的折射率之差引起的菲涅尔(Fresnel)反射和全反射最小化的微纳米组合结构物、微纳米组合结构的制备方法及由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。解决问题的手段为了达成上述的目的，本发明的第一方案提供一种微纳米组合结构物，其特征在于，在基板上形成微结构，具体而言，在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构。在这里优选地，对在形成有上述微结构的基板上蒸镀的金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子，并将上述金属粒子作为掩模(mask)对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以此形成上述无反射纳米结构。优选地，对在形成有上述微结构的基板上依次蒸镀的缓冲层及金属薄膜进行热处理来变形为金属粒子，将上述金属粒子作为掩模进行整面刻蚀以使上述缓冲层成为纳米结构缓冲层，并将上述纳米结构缓冲层作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，能够以此形成上述无反射纳米结构。本发明的第二方案提供一种微纳米组合结构的制备方法，包括以下步骤在基板上形成微结构的步骤；在形成有上述微结构的基板上蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。本发明的第三方案提供一种微纳米组合结构的制备方法，包括以下步骤在基板上形成微结构的步骤；在形成有上述微结构的基板上依次蒸镀缓冲层及金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；将上述金属粒子作为掩模进行整面刻蚀以使上述缓冲层成为纳米结构缓冲层的步骤；以及将上述纳米结构缓冲层作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。在这里，上述微结构优选为包括表面纹理(Texturing)、微透镜、微格子图案等，上述表面纹理是指使用湿式刻蚀方法或干式刻蚀方法在表面形成无规则(Random)的粗糙度。上述微透镜是指形成几微至几十微大小的透镜形状，通常的制作方式是对图案化的光刻胶进行热处理形成透镜形状之后对基板进行图案转印，除此之外还可包括铝的选择性氧化方式等各种方式。上述微格子图案可通过将几微至几十微大小的光刻胶图案作为掩模来刻蚀基板的方式形成。优选地，上述缓冲层可由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)形成。优选地，可利用银、金、镍中的某一种金属来蒸镀上述金属薄膜，或者考虑上述金属薄膜与上述基板之间的表面张力而选择经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子的金属来蒸镀上述金属薄膜。优选地,能够以5nm IOOnm的厚度蒸镀上述金属薄膜,或者选择使上述金属薄膜在经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子的厚度蒸镀上述金属薄膜。优选地，可在200°C 900°C的范围进行上述热处理，或者选择使上述金属薄经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子的温度进行热处理。优选地，可利用等离子体干式刻蚀法来形成上述无反射纳米结构。优选地，进行上述等离子体干式刻蚀法时，可调节气体量、压力、驱动电压中的至少一种条件来调节无反射纳米结构的高度及梯度，从而获得所需的纵横比(aspectratio)。本发明的第四方案提供一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，包括以下步骤依次层压η型掺杂层、活性层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的除P型上部电极位置之外的发光部的上表面形成微结构的步骤；在上述P型掺杂层的上表面层压P型上部电极，并在上述η型掺杂层的下表面层压η型下部电极的步骤；在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的整面进行刻蚀，以便在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。本发明的第五方案提供一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，包括以下步骤依次层压η型掺杂层、活性层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的发光部的上表面形成微结构的步骤；在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；将上述金属粒子作为掩模对上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的整面进行刻蚀，以便在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤；以及在包括上述无反射纳米结构的P型掺杂层的整面层压透明电极之后，在上述透明电极的除发光部之外的上表面层压接触垫，并在上述η型掺杂层的下表面层压η型下部电极的步骤。本发明的第六方案 提供一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，包括以下步骤依次层压下部电池层、中间电池层以及上部电池层之后，在上述上部电池层的一侧上表面层压P型上部电极，并在上述下部电池层的下表面层压η型下部电极的步骤；在除上述P型上部电极区域之外的上部电池层的上表面形成微结构的步骤；在形成有上述微结构的上部电池层的上表面蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对除上述P型上部电极所处区域之外的上部电池层的整面进行刻蚀，以便在除上述P型上部电极区域之外的形成有微结构的上部电池层的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。在这里优选地，上述下部电池层与中间电池层之间、上述中间电池层与上部电池层之间分别通过第一隧道结层、第二隧道结层相连接。优选地，上述第一隧道结层与中间电池层之间还可具有缓冲层。本发明的第七方案提供一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，包括以下步骤在依次层压η型掺杂层、吸光层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的除吸光部之外的上表面层压P型上部电极，并在上述η型掺杂层的下表面层压η型下部电极的步骤；在上述P型掺杂层的吸光部的上表面形成微结构的步骤；在形成有上述微结构的P型掺杂层的吸光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的P型掺杂层的吸光部的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的P型掺杂层的吸光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。本发明的第八方案提供一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，包括以下步骤依次层压η型掺杂层、分布反馈反射层、活性层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的除P型上部电极位置之外的发光部的上表面形成微结构的步骤；在形成有上述微结构的P型掺杂层的发光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的P型掺杂层的发光部的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的P型掺杂层的发光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构。在这里优选地，还包括在上述P型掺杂层的一侧上部形成P型上部电极之后在上述η型掺杂层的下表面形成η型下部电极的步骤。
发明的效果根据如上所述的本发明的微纳米组合结构物、微纳米组合结构的制备方法及由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，在基板上形成微结构之后，利用金属薄膜蒸镀、热处理、整面刻蚀在微结构上形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形或抛物线形的无反射纳米结构，从而具有不仅制备工序简单、能够将由空气与半导体物质之间的折射率之差引起的光的反射量最小化，还能够用低费用制作出具有光波长以下的周期的无反射格子结构且在集成于太阳能电池、光检测器、发光器件、透明玻璃等光学器件时能够实现效率最大化的优点。并且，根据本发明，即使基板具有高度差，也能够进行工序，且能够进行晶片规模(wafer scale)工序,利用金属掩模,从而具有无论何种基板物质都能够充分发挥掩蔽(masking)作用的优点。
图1是用于说明现有技术的一实施例的向形成有微图案的结构物入射的光的反射和透射的示意图。图2是用于说明现有技术的再一实施例的向形成有纳米图案的结构物入射的光的反射和透射的示意图。图3是用于说明本发明的第一实施例的微纳米组合结构的制备方法的剖视图。图4是用于说明本发明的第一实施例的向微纳米组合结构入射的光的反射和透射的示意图。图5是表示现有的微图案结构、纳米图案结构和通过本发明的第一实施例制作的微纳米组合结构的SEM(扫描电子显微镜)图像的图。图6是用于说明本发明的第二实施例的微纳米组合结构的制备方法的剖视图。图7是是用于说明本发明的第三实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。图8是用于说明本发明的第四实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。图9是用于说明本发明的第五实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的剖视图。图10是用于说明本发明的第六实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的剖视图。图11是用于说明本发明的第七实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的剖视图。图12是用于说明本发明的第八实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。图13是表示本发明的第八实施例的随着由微纳米组合结构集成的光学器件的电流变化而变化的光功率的曲线图。图14是用于说明本发明的第九实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。但是，以下例示出的本发明的实施例可变形为其它各种方式，本发明的范围并不限定于以下说明的实施例。本发明的实施例是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员更完整地说明本发明而提供的。第一实施例图3是用于说明本发明的第一实施例的微纳米组合结构的制备方法的剖视图。参照图3的(a)部分，在预先准备的基板100上形成微结构105。在这里优选为，基板100例如由半导体基板(例如GaAs基板或InP基板等)形成，但不局限于此，就算不是半导体基板，只要能够在包括微结构105的基板100上蒸镀将要后述的金属薄膜110，就能够任意利用。并且,微结构105例如可包括表面纹理(Texturing)、微透镜及微格子图案等。上述表面纹理是指使用湿式刻蚀方法或干式刻蚀方法在表面形成无规则(Random)的粗糙度。上述微透镜是指形成几微至几十微大小的透镜形状，通常的制作方式是对图案化的光刻胶进行热处理形成透镜形状之后对基板进行图案转印，除此之外还可包括铝的选择性氧化方式等各种方式。上述微格子图案可通过将几微至几十微大小的光刻胶图案作为掩模来刻蚀基板的方式形成。参照图3的(b)部分,利用如电子束蒸镀(E-beam evaporator)或热蒸镀(thermalevaporator)等在形成有微结构105的基板100的上表面蒸镀金属薄膜110。在这里，可利用如银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)等各种金属来蒸镀金属薄膜110，也可考虑金属薄膜110与基板100之间的表面张力而选择随后经过热处理过程后能够变形为具有光波长以下(Subwavelength)的周期的金属粒子(Metal Particle) 120 (或金属颗粒)(参照图3的(c)部分)的金属来蒸镀金属薄膜110。并且,能够以约5nm IOOnm的厚度蒸镀金属薄膜110,或者选择使金属薄膜110在经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子120的厚度蒸镀金属薄膜110。
另一方面，金属薄膜110的蒸镀不局限于如电子束蒸镀(E-beam evaporator)或热蒸镀(Thermal evaporator),例如可利用通过派射机(Sputtering Machine)等能够以约5nm IOOnm的厚度蒸镀金属的任意方法。参照图3的(C)部分,例如利用快速热处理(Rapid Thermal Annealing, RTA)方法等对金属薄膜110进行热处理使其变形为金属粒子120。此时，可以在约200°C 900°C范围进行上述热处理，或者也可以选择使金属薄膜110在经过上述热处理后能够变形为光波长以下的周期的金属粒子120的温度进行热处理。参照图3的(d)部分，可通过在包括金属粒子120的基板100的整面例如执行干式刻蚀(Dry Etching)工序,而在包括微结构105的基板100自身的上表面形成具有规定的周期(Period)(优选为约IOOnm至IOOOnm)和深度(Depth)(优选为约50nm至600nm)即光波长以下(Subwavelength)的周期的无反射纳米结构130。这种无反射纳米结构130周期性地规定地排列在包括微结构105的基板100的表面，优选地，无反射纳米结构130呈以随着从基板100的表面趋向上侧的空气层而横截面积越窄的方式末端尖锐的楔形例如圆锥(Cone)形态，但不局限于此，例如，也可呈抛物线(Parabola)、三角锥、四角锥及多角锥等形态。另一方面，上述干式刻蚀法优选为利用例如等离子体干式刻蚀法(Plasma DryEtching)，但不局限于此，还可采用同时利用反应性气体和等离子体来提高异方性刻蚀特性及刻蚀速度的干式刻蚀方法例如由射频功率(RF Power)生成等离子体的反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)法或电感稱合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀法等。另一方面，进行上述干式刻蚀时，例如调节气体量、压力、驱动电压中的某一种条件来调节无反射纳米结构130的高度及梯度，从而容易地获得所需的纵横比。图4是用于说明本发明的第一实施例的向微纳米组合结构入射的光的反射和透射的示意图，通过本发明的微纳米组合结构，能够将由空气和半导体物质之间的折射率之差引起的菲涅尔反射及全反射最小化。图5是表示现有的微图案(图5的(a)部分)结构、纳米图案(图5的(b)部分)结构和通过本发明的第一实施例制成的微纳米组合结构(图5的(c)部分)的SEM图像的图，基板100(参照图3的(a)部分)利用的是砷化镓(GaAs)，可确认出，在形成有微结构105 (参照图3的(a)部分)的基板100上具有末端尖锐的形态的圆锥型无反射纳米结构。第二实施例图6是用于说明本发明的第二实施例的微纳米组合结构的制备方法的剖视图。参照图6的(a)部分，在预先准备的基板100上形成微结构105。在这里优选为，基板100例如由半导体基板(例如GaAs基板或InP基板等)形成，但不局限于此，就算不是半导体基板，只要能够在包括微结构105的基板100的上表面蒸镀将要后述的缓冲层107，就能够任意利用。参照图6的(b)部分，利用例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热化学气相沉积(Thermal-CVD)及派射(sputter)等在形成有微结构105的基板100的上表面蒸镀例如由如氧化硅(Si02)或氮化硅(SiNx)等形成的缓冲层107，依次地，利用如电子束蒸镀(E-beam evaporator)或热蒸镀(thermal evaporator)等蒸镀金属薄膜 110。在这里，缓冲层107不局限于例如氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)，只要能够通过缓冲层107与金属薄膜110之间的表面张力使金属薄膜110在经过热处理之后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子120 (或金属颗粒)(参照图6的(c)部分)，就能够任意利用。并且，能够以约5nm 500nm的厚度蒸镀缓冲层107，并且使厚度满足如下条件第一、使金属薄膜110在经过热处理之后变形为具有光波长以下的周期的金属粒子120 ;第二、利用金属粒子120通过整面刻蚀使缓冲层107成为使得包括微结构105的基板100的上表面的规定部分露出的纳米结构缓冲层107'(参照图6的(d)部分)。一般，对金属薄膜110进行热处理使其变形为金属粒子120的情况下，基板100与金属薄膜110之间的表面张力引起金属粒子120的周期及大小发生变化。因此，在根据目的而变更基板100的物质的情况下，需要相应地变更金属的厚度及热处理温度，而这伴随难以实际应用的问题。另一方面，利用由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)形成的缓冲层107的情况下，就算基板100的物质变更，也由于缓冲层107与金属薄膜110之间的表面张力不会发生变化，因而可以在不变更金属的厚度及热处理温度的情况下可再现地形成金属粒子120。并且，就金属薄膜110，可利用如银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)等各种金属来蒸镀金属薄膜110，考虑到金属薄膜110与基板100之间的表面张力，也可选择随后经过热处理过程后能够变形为具有光波长以下(Subwavelength)的周期的金属粒子120的金属来蒸镀金属薄膜110。并且,能够以约5nm IOOnm的厚度蒸镀金属薄膜110,或者选择使金属薄膜110在经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子120的厚度蒸镀金属薄膜110。另一方面，金属薄膜110的蒸镀不局限于如电子束蒸镀(E-beam evaporator)或热蒸镀(Thermal evaporator),例如可利用通过派射机(Sputtering Machine)等能够以约5nm IOOnm的厚度蒸镀金属的任意方法。参照图6的(C)部分,例如利用快速热处理(Rapid Thermal Annealing, RTA)方法等对金属薄膜Iio进行热处理使其变形为金属粒子120。此时，可以在约200°C 900°C范围进行上述热处理，或者也可以选择使金属薄膜110在经过上述热处理后能够变形为光波长以下的周期的金属粒子120的温度进行热处理。参照图6的(d)部分，可通过在包括缓冲层107及金属粒子120的基板100的整面例如执行干式刻蚀(Dry Etching)工序,而在包括微结构105的基板100的上表面形成具有规定的周期(Period)(优选为约IOOnm至IOOOnm)和深度(Depth)(优选为约50nm至600nm)即光波长以下(Subwavelength)的周期的纳米结构缓冲层107'。这种纳米结构缓冲层107'的特征在于，虽未排列形成，但隔着规定间隔形成。参照图6的(e)部分，将纳米结构缓冲层107'用作掩模，通过整面刻蚀在包括微结构105的基板100的上表面形成具有光波长以下的周期的无反射纳米结构130。随后通过湿式刻蚀去除残余缓冲层及金属粒子120。优选地，这种无反射纳米结构130呈以随着从基板100的表面趋向上侧的空气层而横截面积越窄的方式末端尖锐的楔形例如圆锥(Cone)形态，但不局限于此，例如，也可呈抛物线(Parabola)、三角锥、四角锥及多角锥等形态。根据情况，也可呈截去末端而成的截维体(truncated cone)形态。另一方面，上述干式刻蚀法优选为利用例如等离子体干式刻蚀法(Plasma DryEtching)，但不局限于此，还可采用同时利用反应性气体和等离子体来提高异方性刻蚀特性及刻蚀速度的干式刻蚀方法例如由射频功率(RF Power)生成等离子体的反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)法或电感稱合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀法等。另一方面，进行上述干式刻蚀时，例如调节气体量、压力及驱动电压中的某一种条件来调节无反射纳米结构的高度及梯度，尤其调节射频功率(RF Power),从而容易地获得所需的纵横比。追加性地，透明电极(未图示)可追加介于基板100与缓冲层107之间，优选地，利用电子束蒸镀(E-beam evaporator)或热蒸镀(thermal evaporator)及派射蒸镀(Sputtering evaporator)等来蒸镀上述透明电极。这种透明电极的材料例如可选择氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)、氧化锡(TinOxide, TO)、铟锡氧化锋(Indium Tin Zinc Oxide, ΙΤΖ0)以及氧化铟锋(Indium ZincOxide, IZ0)中的某一种。另一方面，除了介入上述透明电极的工序之外，所有制备工序与上述的第二实施例相同，对此的详细说明将参照上述的第二实施例。只是，将上述透明电极介于基板100与缓冲层107之间的情况下，在上述的图6的(d)部分，在上述透明电极的上表面形成纳米结构缓冲层107’，在图6的(e)部分，将纳米结构缓冲层107’作为掩模通过整面刻蚀形成纳米结构透明电极，在基板100的规定部分也形成具有光波长以下的周期的无反射纳米结构。之后，在基板100的整面重新蒸镀透明电极，使得上述纳米结构透明电极之间相连接，从而还可供电流流动。第三实施例图7是是用于说明本发明的第三实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。参照图7的(a)部分，光学器件为一般的发光器件的结构，例如可通过如下方法形成依次层压η型掺杂层200、活性层210以及P型掺杂层220之后，在ρ型掺杂层220的除发光部之外的上表面层压P型上部电极230，并在η型掺杂层200的下表面层压η型下部电极240，从而形成上述光学器件，但不局限于此。参照图7的(b)部分，在ρ型掺杂层220的发光部的上表面集成按照本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，从而完成本发明的第三实施例的由无反射微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。此时，形成无反射纳米结构130的方法与上述的本发明的第一实施例或第二实施例相同，因此省略对此的详细说明。第四实施例图8是用于说明本发明的第四实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。
参照图8的(a)部分，光学器件为一般的发光器件的结构，例如可通过如下方法形成依次层压η型掺杂层300、活性层310以及ρ型掺杂层320之后，在ρ型掺杂层320的上部依次层压透明电极330及接触垫340，并在η型掺杂层300的下表面层压η型下部电极350，从而形成上述光学器件，但不局限于此。参照图8的(b)部分，在层压透明电极330之前，在P型掺杂层320的发光部的上表面集成按照上述的本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，从而完成本发明的第四实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。此时，形成无反射纳米结构130的方法与上述的本发明的第一实施例或第二实施例相同，因此省略对此的详细说明。另一方面，在包括无反射纳米结构130的P型掺杂层320的整面层压透明电极330之后，在透明电极330的除发光部之外的上表面层压接触垫340。此时，由于透明电极330蒸镀于无反射纳米结构130的上部，因而其形态与无反射纳米结构130的形态相同。第五实施例 图9是用于说明本发明的第五实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的剖视图。参照图9,光学器件为一般的三重接合(triple junction)太阳能电池,具有如下结构用带隙约为O. 65eV的锗(Ge)形成下部电池层(Bottom Cell) 400 ;在下部电池层400的上部用带隙约为1. 4eV的InO. 08Ga0. 92As形成中间电池层(Middle Cell)430 ;在中间电池层430的上部用带隙约为1. 9eV的InO. 56GaO. 44P形成上部电池层(Top Cell)450。并且，各个电池层410、430、450的电连接通过第一隧道结层410及第二隧道结层(Tunnel Junction Layer) 440实现,在上部电池层450的一侧上表面形成ρ型上部电极460，并在下部电池层400的下表面形成η型下部电极470。尤其，在除ρ型上部电极460区域之外的上部电池层450的上表面集成按照上述的本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，从而完成作为本发明的第五实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的三重接合太阳能电池的制备方法。此时，形成无反射纳米结构130的方法与上述的本发明的第一实施例或第二实施例相同，因此省略对此的详细说明。优选地，在第一隧道结层410与中间电池层430之间还可具有由InGaAs形成的缓冲层420。即，从吸收太阳光光谱的层面，上部电池层450的吸收波段达到约650nm，中间电池层430的吸收波段达到约900nm，下部电池层400吸收波段达到约1900nm，具有可吸收广范围波段的光的结构。在这里，通过对上部电池层450的表面适用无反射纳米结构130的制备方法，能够将入射光的反射最小化，由此能够提高太阳能电池的效率。第六实施例图10是用于说明本发明的第六实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的剖视图。参照图10，光学器件为一般的光检测器(photodetector)的结构，例如可通过如下方法形成依次层压η型掺杂层500、吸光层510以及ρ型掺杂层520之后，在ρ型掺杂层520的除吸光部之外的上表面层压ρ型上部电极530，并在η型掺杂层500的下表面层压η型下部电极540，从而形成上述光学器件，但不局限于此。尤其是，在ρ型掺杂层520的吸光部的上表面集成按照上述的本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，从而完成本发明的第六实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。此时，形成无反射纳米结构130的方法与上述的本发明的第一实施例或第二实施例相同，因此省略对此的详细说明。在这里，通过对ρ型掺杂层520的表面适用无反射纳米结构130的制备方法，能够将入射光的反射最小化，由此能够提高光检测器的效率。第七实施例图11是用于说明本发明的第七实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的剖视图。参照图11,光学器件为一般的透明玻璃(Transparent Glass) 600,具有约1. 5的折射率，并在特定波段表现出约95%以上的透射率。但是，太阳能电池等几种应用领域在广范围波段要求约99%以上的透射率，为此，可利用根据本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130的制备方法。即，在透明玻璃600的上部集成按照上述的本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，从而能够在更广范围的波段得到高的透射率。并且，不仅在透明玻璃600的上部，在下部也集成无反射纳米结构130，从而能够在更广范围的波段得到高的
透射率。第八实施例图12是用于说明本发明的第八实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。参照图12，光学器件为一般的发光器件即发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的结构，例如可通过如下方法形成在依次层压n型掺杂层(n-GaAs)700、分布反馈反射层(AlAs/AlGaAs) (Distributed Bragg Reflector, DBR) 710、活性层 720 以及 p 型惨杂层730之后，在ρ型掺杂层730的除发光部之外的上表面层压ρ型上部电极740，并在η型掺杂层700的下表面层压η型下部电极750，从而形成上述光学器件，但不局限于此。尤其是，在ρ型掺杂层730的发光部的上表面集成按照上述的本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，从而完成本发明的第八实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。此时，形成无反射纳米结构130的方法与上述的本发明的第一实施例或第二实施例相同，因此省略对此的详细说明。图13是表示本发明的第八实施例的随着由微纳米组合结构集成的光学器件的电流变化而变化的光功率的曲线图，图13的(a)部分表示没有无反射纳米结构的现有的光学器件，图13的(b)部分表示只有无反射纳米图案的现有的光学器件，图13的(c)部分表示只有无反射微图案的现有的光学器件，图13的(d)部分表示本发明的第八实施例的具有微纳米组合结构的光学器件，可确认出，相比现有的光学器件，光功率(Power)提高了约35%至72. 4%，且功率波长几乎未发生变化。
第九实施例图14是用于说明本发明的第九实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的剖视图。参照图14,光学器件为倒装焊接(flip chip bonding)型GaN类发光二极管(Light Emitting Diode, LED)的结构,在由A1203系列的成分形成的蓝宝石(Sapphire)基板800上形成由氮化镓(GaN)形成的缓冲层(buffer layer)、N型氮化镓层(n_GaN)810。如上所述，为了在蓝宝石基板800上使第三族系列的元素薄膜生长，一般使用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)法，生长压力维持约200托(torr) 650托(torr)的同时形成层(layer)。之后，如果N型氮化镓层810生长，就在N型氮化镓层810上使活性层820生长。活性层820作为发光区域，是一种具有由氮化铟镓(InGaN)形成的量子阱的半导体层，例如多重量子阱层(MQW)。如果活性层820生长，就继续形成P型氮化镓层(p-GaN) 830。P型氮化镓层830例如由AlGaN或InGaN成分形成。P型氮化镓层830作为与N型氮化镓层810相对的层，N型氮化镓层810借助从外部施加的电压向活性层820供应一些电子。并且，相对地，P型氮化镓层830借助从外部施加的电压向活性层820供应一些空穴(hole)，从而在活性层820使一些空穴(hole)和电子相结合来产生光。并且，在P型氮化镓层830上形成反射率高的金属，来形成包括反射板作用的P型电极840。在这里,在P型电极840上还可形成电极垫(pad)。之后，刻蚀至N型氮化镓层810予以开放(open)后，在N型氮化镓层810上形成N型电极850。如上所述地构成的发光二极管(LED)以倒装形态安装于硅(Si)基台(submount) 900上，在基台900上，在与P型电极840、N型电极850相对应的位置形成的反射层910之间，使用金属凸块(Bump) 920 (例如金凸块)电焊接发光二极管(LED)。以如上所述的结构倒装焊接的发光二极管(LED)中，通过基台900向发光二极管(LED)施加电源时，在活性层820中，电子和空穴相结合来产生光。像这样在活性层820产生的光的一部分通过蓝宝石基板800向外部放出，一部分光在P型氮化镓层830、p型电极840以及形成于基台900上的反射层910反射后向外部放出。尤其是，发光二极管(LED)被倒装焊接的情况下，在活性层820产生的光直接向外部放出或反射后通过蓝宝石基板800向外部放出，因此与利用半导体的顶面产生光的发光二极管相比具有增加光效率的优点。进而，在蓝宝石基板800的向外部漏出的一面集成按照本发明的第一实施例或第二实施例形成的无反射纳米结构130，以将当光通过蓝宝石基板800向外部放出时由空气与半导体物质之间的折射率之差引起的光的反射量最小化，从而完成本发明的第九实施例的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法。此时，形成无反射纳米结构130的方法与上述的本发明的第一实施例或第二实施例相同，因此省略对此的详细说明。对上述的本发明的微纳米组合结构的制备方法及由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法的优选实施例进行了说明，但本发明不局限于此，在不超出权利要求书、发明内容以及附图的范围内可变形实施，这也属于本发明。
权利要求
1.一种微纳米组合结构物，其特征在于， 在基板上形成微结构； 在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构。
2.根据权利要求1所述的微纳米组合结构物，其特征在于，对在形成有上述微结构的基板上蒸镀的金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子，并将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以此形成上述无反射纳米结构。
3.根据权利要求1所述的微纳米组合结构物，其特征在于，对在形成有上述微结构的基板上依次蒸镀的缓冲层及金属薄膜进行热处理来变形为金属粒子，将上述金属粒子作为掩模进行整面刻蚀以使上述缓冲层成为纳米结构缓冲层，并将上述纳米结构缓冲层作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以此形成上述无反射纳米结构。
4.一种微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 在基板上形成微结构的步骤； 在形成有上述微结构的基板上蒸镀金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及 将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。
5.一种微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 在基板上形成微结构的步骤； 在形成有上述微结构的基板上依次蒸镀缓冲层及金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤； 将上述金属粒子作为掩模进行整面刻蚀以使上述缓冲层成为纳米结构缓冲层的步骤；以及 将上述纳米结构缓冲层作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。
6.根据权利要求5所述的微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，上述缓冲层由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)形成。
7.根据权利要求4或5所述的微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，利用银、金、镍中的某一种金属来蒸镀上述金属薄膜，或者考虑到上述金属薄膜与上述基板之间的表面张力而选择经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子的金属来蒸镀上述金属薄膜。
8.根据权利要求4或5所述的微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，以5nm IOOnm的厚度蒸镀上述金属薄膜，或者选择使上述金属薄膜在经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子的厚度蒸镀上述金属薄膜。
9.根据权利要求4或5所述的微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，在200°C 9000C的范围进行上述热处理,或者选择使上述金属薄经过上述热处理后能够变形为具有光波长以下的周期的金属粒子的温度进行热处理。
10.根据权利要求4或5所述的微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，利用等离子体干式刻蚀法来形成上述无反射纳米结构。
11.根据权利要求10所述的微纳米组合结构的制备方法，其特征在于，进行上述等离子体干式刻蚀法时，调节气体量、压力及驱动电压中的至少一种条件来调节无反射纳米结构的高度及梯度，从而获得所需的纵横比。
12.—种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 依次层压η型掺杂层、活性层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的除P型上部电极位置之外的发光部的上表面形成微结构的步骤； 在上述P型掺杂层的上表面层压P型上部电极，并在上述η型掺杂层的下表面层压η型下部电极的步骤； 在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的整面进行刻蚀，以便在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。
13.—种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 依次层压η型掺杂层、活性层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的发光部的上表面形成微结构的步骤； 在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤； 将上述金属粒子作为掩模对上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的整面进行刻蚀，以便在上述P型掺杂层的形成有微结构的发光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤；以及 在包括上述无反射纳米结构的P型掺杂层的整面层压透明电极之后，在上述透明电极的除发光部之外的上表面层压接触垫，并在上述η型掺杂层的下表面层压η型下部电极的步骤。
14.一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 依次层压下部电池层、中间电池层以及上部电池层之后，在上述上部电池层的一侧上表面层压P型上部电极，并在上述下部电池层的下表面层压η型下部电极的步骤； 在除上述P型上部电极区域之外的上部电池层的上表面形成微结构的步骤； 在形成有上述微结构的上部电池层的上表面蒸镀金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对除上述P型上部电极区域之外的上部电池层的整面进行刻蚀，以便在除上述P型上部电极区域之外的形成有微结构的上部电池层的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。
15.根据权利要求14所述的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，上述下部电池层与中间电池层之间、上述中间电池层与上部电池层之间分别通过第一隧道结层、第二隧道结层相连接。
16.根据权利要求15所述的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，上述第一隧道结层与中间电池层之间还具有缓冲层。
17.一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 在依次层压η型掺杂层、吸光层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的除吸光部之外的上表面层压P型上部电极，并在上述η型掺杂层的下表面层压η型下部电极的步骤； 在上述P型掺杂层的吸光部的上表面形成微结构的步骤； 在形成有上述微结构的P型掺杂层的吸光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的P型掺杂层的吸光部的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的P型掺杂层的吸光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤。
18.一种由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 依次层压η型掺杂层、分布反馈反射层、活性层以及P型掺杂层之后，在上述P型掺杂层的除P型上部电极位置之外的发光部的上表面形成微结构的步骤； 在形成有上述微结构的P型掺杂层的发光部的上表面蒸镀金属薄膜的步骤； 对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的P型掺杂层的发光部的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的P型掺杂层的发光部的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构。
19.根据权利要求18所述的由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，其特征在于，还包括在上述P型掺杂层的一侧上部形成P型上部电极之后在上述η型掺杂层的下表面形成η型下部电极的步骤。
全文摘要
本发明涉及微纳米组合结构物、微纳米组合结构的制备方法及由微纳米组合结构集成的光学器件的制备方法，上述微纳米组合结构的制备方法包括以下步骤在基板上形成微结构的步骤；在形成有上述微结构的基板上蒸镀金属薄膜的步骤；对上述金属薄膜进行热处理使其变形为金属粒子的步骤；以及将上述金属粒子作为掩模对形成有上述微结构的基板的整面进行刻蚀，以便在形成有上述微结构的基板的上表面形成具有光波长以下的周期且末端尖锐的楔形的无反射纳米结构的步骤，从而具有不仅制备工序简单、能够将由空气与半导体物质之间的折射率之差引起的光的反射量最小化，还能够容易适用于光学器件领域的效果。
文档编号G02B1/12GK103038671SQ201180037591
公开日2013年4月10日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年7月30日
发明者宋泳旻, 李用卓 申请人:光州科学技术院