CN104347767A - 图案化基板及光电半导体元件 - Google Patents

Abstract

本发明的题目为一种图案化基板及光电半导体元件。图案化基板包括一基板本体以及多个立体图案。立体图案被设置于基板本体，其中至少部分立体图案彼此之间的周期间距介于1.5微米至2.5微米之间，至少部分立体图案彼此之间的间距介于0.1微米至0.7微米之间，至少部分立体图案的高度介于0.7微米至1.7微米之间。

Description

图案化基板及光电半导体元件

技术领域

本发明涉及一种光电半导体元件，特别涉及一种能够提升光电效能的光电半导体元件。

背景技术

光电半导体元件，其广泛地应用于人们的日常生活中的各项产品，举例如照明、车辆、显示装置、通讯产业或计算机等领域。

已知的光电半导体元件在基板本体的一面设有多个立体图案，而光电半导体元件的立体图案呈规律状的列排列，形成图案化结构基板(PatternedStructural Substrate，PSS)，也称为图案化基板，本发明以图案化基板说明。

图1A为已知图案化基板的局部顶视图，图1B为已知立体图案的示意图，请同时参考图1A及图1B所示。图案化基板10包括基板本体11及多个立体图案12，各立体图案12为规则的类圆锥体，并规则的设置于基板本体11。一般而言，基板本体11上定义有多个规则排列的排列中心122，立体图案12垂直投影于基板本体11具有投影面积121，而投影面积121的中心点即为排列中心122，因已知的立体图案12为规则的类圆锥体，故立体图案12的几何中心垂直投影于基板本体11上的几何中心点等于排列中心122(故图1A未标示几何中心点)，且已知相邻立体图案12彼此之间的排列中心122(或几何中心点)的距离D’相等。

虽然现有的光电半导体元件已具有相当的光电效能，但也仅限于此，该光电效能不易提升至生产厂商所预期。然而，图案化结构基板仍可通过改变立体图案的形式及其在基板本体上的配置来提升光电半导体元件的光电效能。

因此，如何设计一种光电半导体元件，能够提升光电效能，已成为重要课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种能够提升光电效能的图案化基板及光电半导体元件，其通过图案化基板上的多个立体图案依据特定尺寸及其间相对距离及周期以不同的方式排列配置，达到提升光电效能的功效。

另外，该立体图案也可为不规则形，进一步达到提升光电效能的功效。

为达上述目的，依据本发明的一种图案化基板包括基板本体以及多个立体图案。立体图案被设置于基板本体。其中，至少部分立体图案彼此之间的周期间距介于1.5微米至2.5微米之间，至少部分立体图案彼此之间的间距介于0.1微米至0.7微米之间，至少部分立体图案的高度介于0.7微米至1.7微米之间。

在本发明的一个实施例中，立体图案呈阵列排列、错位排列、蜂巢状排列、六角状排列或螺旋状排列。

在本发明的一个实施例中，至少部分立体图案呈不规则形状。

在本发明的一个实施例中，各立体图案的几何中心垂直投影于该基板本体具有一几何中心点，至少部分几何中心点彼此之间的距离不相同。

在本发明的一个实施例中，各立体图案的排列中心与对应的立体图案的几何中心点不相同。

在本发明的一个实施例中，立体图案为凸状图案、凹状图案或其组合。

在本发明的一个实施例中，立体图案的顶面包括平面及／或曲面。

在本发明的一个实施例中，至少部分立体图案与其它立体图案不相同。

为达上述目的，依据本发明的一种光电半导体元件包括在上述实施例中的任一图案化基板以及一光电半导体单元。光电半导体单元设置于图案化基板上。

在本发明的一个实施例中，光电半导体单元包括依序设置于图案化基板上的第一半导体层及第二半导体层。

承上所述，本发明的光电半导体元件依据其所限定相邻立体图案的周期间距、间距以及立体图案的高度，可实现具有较高光电效能的图案化基板；其中，立体图案的不规则设计更可造成多种不同入射角度及出射角度，以增加光折射、散射与反射的路线。而立体图案的排列中心与几何中心不相同，更可影响光反射时朝向不同的方向，同样可增加光折射、散射与反射的路线，进而提升光电效能。

附图说明

图1A为已知图案化基板的局部顶视图；

图1B为已知立体图案的示意图；

图2A为本发明优选实施例的一种图案化基板的局部上视图；

图2B为图2A所示的部分立体图案的示意图；

图3A至图3D为依据本发明优选实施例的立体图案的示意图；

图4为依据本发明优选实施例的一种光电半导体元件的示意图；

图5A为依据本发明优选实施例的光电半导体元件与已知光电半导体元件在封装前的发光效能比较示意图；以及

图5B为依据本发明优选实施例的光电半导体元件与已知光电半导体元件在封装后的发光效能比较示意图。

[主要元件符号说明]

10、20、20f～20i、31：图案化基板

11、21：基板本体

12、22、22a～22i、311：立体图案

121、221：投影面积

122、222：排列中心

223、223c、223d、223e：几何中心点

224：脊线

225：顶面

3：光电半导体元件

32：光电半导体单元

321：第一半导体层

322：第二半导体层

323：发光层

33：接触层

34：第一电极

35：第二电极

D、D’、D1、D2、D3：距离

H：高度

P、P’：周期间距

S：间距

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依据本发明优选实施例的图案化基板及光电半导体元件，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。

图2A为本发明优选实施例的一种图案化基板的局部顶视图，图2B为图2A所示的部分立体图案的示意图，并请参照图2A及图2B所示。图案化基板20包括一基板本体21以及多个立体图案22。多个立体图案22设置于基板本体21，基板本体21可为蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、尖晶石基板或高分子基板。其中，蓝宝石基板还可为C面(0001)蓝宝石基板。另外，基板本体21也可为二氧化硅基板、氮化硅基板、氮化铝基板、钻石基板或类钻碳基板。

图2A为图案化基板20的顶视图，因此，图2A所示的立体图案22也等同于立体图案22垂直投影于基板本体21的投影面积221，并以此解释本发明所述的周期间距P(Pitch)及间距S。

多个立体图案22设于基板本体21，其特征为至少部分所述立体图案彼此之间的周期间距P介于1.5微米至2.5微米之间，例如两个相邻立体图案的周期间距P介于1.5微米至2.5微米之间，且这些立体图案彼此之间的周期间距P可不相同。

本发明所述的周期距离P是指一立体图案22的投影面积221经由两平行直线分别与该投影面积221的相对距离最大的两侧边缘相切所得的两个切点的距离，并加上该投影面积221与另一相邻投影面积221的间距S，当然也可以是两个相邻立体图案的几何中心之间的距离D，而本发明优选实施例以两个相邻立体图案的几何中心之间的距离作为周期间距P进行说明，然而这并非用以限制本发明。

举例来说，如图2A所示，任意选取两个相邻立体图案，例如立体图案22a、22b，则立体图案22a的几何中心与立体图案22b的几何中心之间的距离为周期间距P’，周期间距P’是介于1.5微米至2.5微米之间。而任两个周期间距可不需完全相等，即周期间距P与周期间距P’可不需完全相等，仅需介于1.5微米至2.5微米之间的范围即可。

另外，任意两个相邻立体图案22之间的距离为间距S，至少部分所述立体图案22彼此之间的间距S介于0.1微米至0.7微米之间。并且，请参考图2B所示，至少部分所述立体图案22的高度H介于0.7微米至1.7微米之间。

当然，相邻立体图案22的周期间距P、间距S与立体图案22的高度H可在本发明限定的范围中调整，每一立体图案22可不需完全相同。依据本发明所限定的立体图案22的尺寸，制成密度较高的图案化基板20，故可提供光源更多的反射路径，以降低图形化基板20的穿透率。另外，当依据本发明所限定的图形化基板应用于光电半导体元件时(可先参考图4所示)，因具有较低穿透率图形化基板，可使光经由基板本体反射出光的效果越好。另外，立体图案的高度H较已知低，在磊晶工艺上，更加容易进行；但本发明不限于此。

立体图案22可以阵列排列、错位排列、蜂巢状排列、六角状排列或螺旋状排列等方式排列于基板本体21，但本发明不限定以完全相同周期性的方式排列，相邻的立体图案22的周期间距P与间距S在本发明的限定下可以有稍微的不同。换言之，立体图案22是基于阵列排列、错位排列等上述排列方式，再以部分不规则的方式，如两个相邻立体图案22的周期间距P及间距S不同，设置于基板本体21上。故本发明优选实施例的图案化基板20通过多个立体图案22依据特定尺寸(高度H)及其间相对距离(间距S)及周期(周期间距P)以不同的方式排列配置于基板本体21，达到提升光电效能的功效。

除了位于基板本体21的立体图案22可为规则性或非规则性的排列方式之外，立体图案22可为规则或不规则形状。其中，不规则形状的立体图案22可进一步实现提升光电效能的功效，而本发明优选实施例以不规则形状的立体图案22说明。请参考图2A及图2B所示，其中，参照先前技术中所述对于规则形状的立体图案所设定的排列中心的定义，基板本体21上定义有多个排列中心222(为求图面简洁，图2A仅示其中之一排列中心222)，而立体图案22对应设置于排列中心222，形成本发明所限定的优选范围的周期间距P及间距S。然而，因本发明优选实施例的立体图案22为不规则形状，故至少部分立体图案22的几何中心垂直投影于基板本体21上的几何中心点223与排列中心222不相同，当然也可有部分立体图案22的几何中心点223与排列中心222相同。另需注明的是，规则形状的立体图案的几何中心点与其排列中心的位置相同(如先前技术的图1A所示)。

请参照图2A所示，优选地，至少部分相邻的几何中心点223彼此之间的距离D不相同。举例而言，相邻立体图案22c、22d、22e，其几何中心点分别为223c、223d、223e，而几何中心点223c与几何中心点223d之间有距离D1、几何中心点223d与几何中心点223e之间有距离D2、几何中心点223c与几何中心点223e之间有距离D3，而至少部分不相同的情形有距离D1～D3皆不相同，或其中有一个距离(例如距离D1)与另两个距离(例如距离D2、D3)不相同。而立体图案22的排列中心222与几何中心223点不相同，更可影响光反射时朝向不同的方向，同样可增加光折射、散射与反射的路线，进而提升光电效能。

请同时参考图2A及图2B所示，各立体图案22具有多个脊线224(为求图2A简洁明了，部分立体图案22未标示脊线224)，脊线224将各立体图案22的表面区分为多个面积不相等的区域，该些脊线224呈放射状分布。因立体图案22表面的不规则设计可造成多种不同入射角度及出射角度，以增加光折射、散射与反射的路线，同样可提升光电效能。

另外，图3A至图3D为依据本发明优选实施例的立体图案的示意图，请参考图3A至图3D所示。立体图案的顶面可包括平面及／或曲面，亦即立体图案的顶面可包括至少一个平面、或包括至少一个曲面、或包括至少一个平面及至少一个曲面。其中，曲面可为尖锐的锥体形状或平滑的圆弧形状。图3A所示立体图案22f的顶面为尖锐的锥体形状，而图3B所示立体图案22g的顶面为平滑的圆弧形状；也可为如图3C所示，立体图案22h的顶面225为一平面。更可如图3D所示立体图案22i为类三角锥的形状，其中图3D所示的立体图案22i，其表面为具有脊线224分布的不规则设计。而在其它实施例立体图案22i的表面也可以为单一斜率的平面、或曲面，其中曲面更可以为抛物线弯曲，本发明不局限于此。这些变化仅需符合至少部分所述立体图案22i仅需符合彼此之间的周期间距介于1.5微米至2.5微米之间，至少部分所述立体图案22i彼此之间的间距介于0.1微米至0.7微米之间，至少部分所述立体图案22i的高度H介于0.7微米至1.7微米之间，且为不规则形状。

除了立体图案22呈现不规则形状外，至少部分立体图案22与其它立体图案22可不相同。立体图案22更可为凸状图案、凹状图案、或凸状及凹状组合的图案。各立体图案的不规则形状的设计可使得光源入射及反射之间形成的夹角不相等，其能够增加光的折射、散射与反射，而使得光行进路线不一致，进而提升光电效能。

以下以实验数据证明本发明相比已知技术确能够提升光电效能。

已知立体图案的尺寸规格为直径约2.4微米、间距约0.6微米、高度约1.5微米，而可在2英时图案化基板单面配置约2.6亿个的立体图案。

依据本发明优选实施例的立体图案可形成例如但不限于尺寸规格为两平行直线分别与该立体图案的相对距离最大的两侧边缘相切所得的两个切点的距离约1.6微米、间距约0.4微米、高度约1.1微米的图案化基板，同样配置于2英时图案化基板的单面，约配置5.8亿个的立体图案。需特别注明的是，该些立体图案也为不规则排列，而该排列方式已详述于上述实施例，故在此不再赘述。

本发明与已知技术相比，若以上述已知图案化基板配置的立体图案的尺寸规格(2.4×0.6×1.5)及数量(约2.6亿个)设定其结构总表面积的比(设置于基板本体的所有立体图案的表面积总和／基板本体的面积)为100％作为比较基础，则本发明立体图案的尺寸规格(1.6×0.4×1.1)及数量(约5.8亿个)所形成的结构总表面积的比可达到约133.6％，相比已知技术相对提升约33.6％。由实验比较可知，本发明在相同基板本体面积内能够配置数量较多的立体图案搭配立体图案的特定尺寸，使结构总表面积的比提高，故可提供光源更多的反射、折射及散射路径，以提升光电效能。仅需特别注明的是，本发明立体图案虽以尺寸规格1.6×0.4×1.1及数量约5.8亿个为例作说明，然本发明不局限于此。

图4为依据本发明优选实施例的一种光电半导体元件，请参照图4所示。光电半导体元件3可为发光二极管、有机发光二极管或太阳能电池等。在本实施例中，光电半导体元件3以发光二极管为例，然而并非可用以限定本发明。

光电半导体元件3包括一图案化基板31、一光电半导体单元32，而光电半导体单元32设置于图案化基板31上，且光电半导体单元32包括依序设置于图案化基板31上的第一半导体层321及第二半导体层322。图案化基板31上具有以非规则性排列配置的立体图案311，且立体图案311为不规则的三维结构体，而图案化基板31及立体图案311的技术特征已详述于上述实施例，故在此不再赘述。

在本发明优选实施例中，光电半导体单元32还包括发光层323，其夹设于第一半导体层321及第二半导体层322之间。第一半导体层321设置于图案化基板31上，发光层323设置于第一半导体层321上，第二半导体层322设置于发光层323上。其中，第一半导体层321为P型半导体层，而第二半导体322为N型半导体层；或者第一半导体层321为N型半导体层，第二半导体层322为P型半导体层。由第一半导体层321、发光层323及第二半导体层322所组成的光电半导体单元32可为发光磊晶结构。

本发明优选实施例的光电半导体元件3还包括接触层33、第一电极34以及第二电极35，接触层33设置于第二半导体层322上，第一电极34设置于接触层33上，而第二电极35设置于第一半导体层321上，且与第一电极34相对设置。当电流导通时，所产生的光经由图案化基板31反射，以离开光电半导体元件3，故光的反射率与光电半导体元件3的发光效能息息相关。

在此，将本发明上述配置立体图案的图案化基板(1.6×0.4×1.1，约5.8亿个)与已知技术(2.4×0.6×1.5，约2.6亿个)分别应用于上述光电半导体元件3作为配置立体图案311的图案化基板31，并比较其在封装前后的发光效能。

图5A为依据本发明优选实施例的光电半导体元件与已知光电半导体元件在封装前的发光效能比较示意图。若以已知光电半导体元件(2.4×0.6×1.5，约2.6亿个)所测得的发光效能设为100％作为比较基础，则本发明光电半导体元件(1.6×0.4×1.1，约5.8亿个)的发光效能可达到110％，明显比已知技术的光电效能更好。

图5B为依据本发明优选实施例的光电半导体元件与已知光电半导体元件在封装后的发光效能比较示意图。如同上述，以已知光电半导体元件在封装后所测得的发光效能设为100％作为比较基础，则本发明光电半导体元件在封装后的发光效能可达到105％，仍明显比已知技术的光电效能更好。

这是因为依据本发明优选实施例所限定的相邻立体图案之间的周期间距及间距、以及立体图案的高度，使这些立体图案不规则地排列于基板本体，可提供光源更多的反射、折射及散射路径，以提高光电半导体元件的光电效能。

另外，若立体图案的表面为不规则形，更可加强形成较高光学效能的图案化基板，再进一步提高光电半导体元件的光电效能。

综上所述，本发明的光电半导体元件依据其所限定相邻立体图案的周期间距、间距以及立体图案的高度，可实现具有较高光电效能的图案化基板；其中，立体图案的不规则设计更可造成多种不同入射角度及出射角度，以增加光折射、散射与反射的路线。而立体图案的排列中心与几何中心不相同，更可影响光反射时朝向不同的方向，同样可增加光折射、散射与反射的路线，进而提升光电效能。

以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于权利要求中。

Claims (10)

1.一种图案化基板，其特征在于，包括：

基板本体；以及

多个立体图案，设置于所述基板本体；

其中，至少部分所述立体图案彼此之间的周期间距介于1.5微米至2.5微米之间，至少部分所述立体图案彼此之间的间距介于0.1微米至0.7微米之间，至少部分所述立体图案的高度介于0.7微米至1.7微米之间。

2.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，所述立体图案呈阵列排列、错位排列、蜂巢状排列、六角状排列或螺旋状排列。

3.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，至少部分所述立体图案呈不规则形状。

4.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，各所述立体图案的几何中心垂直投影于所述基板本体具有一几何中心点，至少部分所述几何中心点彼此之间的距离不相同。

5.如权利要求4所述的图案化基板，其特征在于，各所述立体图案的排列中心与对应的所述立体图案的所述几何中心点不相同。

6.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，所述立体图案为凸状图案、凹状图案或其组合。

7.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，所述立体图案的顶面包括平面和／或曲面。

8.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，至少部分所述立体图案与其它立体图案不相同。

9.一种光电半导体元件，其特征在于，包括：

如权利要求1至8任一项所述的图案化基板；以及

光电半导体单元，其设置于所述图案化基板上。

10.如权利要求9所述的光电半导体元件，其特征在于，所述光电半导体单元包括依序设置于所述图案化基板上的第一半导体层及第二半导体层。