TWM532660U - 圖案化基板及光電半導體元件 - Google Patents

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邱正宇
李俊億
陳俊宏
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嘉德晶光電股份有限公司
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Description

圖案化基板及光電半導體元件
本創作關於一種圖案化基板及光電半導體元件，特別關於一種能夠提升光電效能之圖案化基板及光電半導體元件。
光電半導體元件，其已廣泛地應用於人們的日常生活中的各項產品，舉例如照明、車輛、顯示裝置、通訊產業或電腦等領域。
習知的光電半導體元件是於基板的表面上設有複數個微結構，而光電半導體元件之微結構圖案形成了圖案化結構基板(Patterned Structural Substrate,PSS)，亦稱圖案化基板，以下說明圖案化基板。
請參照圖1A至圖1C所示，其分別為習知不同實施例之複合式圖案化藍寶石基板(hybrid patterned sapphire substrate,HPSS)400的結構示意圖。
如圖1A及圖1B所示，習知技術製作的複合式圖案化藍寶石基板400因製程上的限制，無法於基板上製作出有序列的微米或奈米尺度的複合式結構，因此，複合式圖案化藍寶石基板400上的微結構圖案410無法達到設定上的變化，同時在後續磊晶時需要平坦的區域方面亦無法有效進行控制。另外，複合式圖案化藍寶石基板400也因製程上的限制，會在基板的表面上產生明顯且交錯之條狀形式的田埂結構(cross line structures)420，此田埂結構420對於整個複合式圖案化藍寶石基板400應用於生產發光二極體(LED)或有機發光二極體(OLED)時，不利LED磊晶(epitaxy)材料成長，會導致所產出的LED或OLED的磊晶良率降低而提高生產成本，並且會大幅減少其發光效能。
另一方面，由於LED或OLED為了增加光萃取效能，在微 結構圖案410的部份皆會要求最大的非平坦面積。然而，如圖1C所示，習知製程所製造出的複合式圖案化藍寶石基板400，在凸起的微結構圖案410上僅能再以細小凸起物430的方式增加粗糙化來降低整體的平坦部份之面積，但是，這種於微結構圖案410上形成的細小凸起物430的結構實質上對增加光萃取效能的貢獻相當有限。
因此，如何提供一種圖案化基板及光電半導體元件，能夠提升生產良率及光萃取效能，而且可控制其出光形狀與亮度，實為當前重要的課題之一。
有鑑於上述課題，本創作之目的為提供一種能夠提升生產良率及光萃取效能，並可控制其出光形狀與亮度的圖案化基板及光電半導體元件。
為達上述目的，依本創作之一種圖案化基板，包括一基板、一微結構以及一奈米結構。基板具有一表面。微結構配置於基板之表面。奈米結構形成於基板之表面或微結構上，其中，奈米結構包含一奈米凸起部或一奈米凹陷部。
在一實施例中，微結構凸出於表面或凹陷於表面，或其組合。
在一實施例中，微結構的形狀為三角形、矩形、圓形或多邊形，或其組合。
在一實施例中，奈米凸起部或奈米凹陷部形成於微結構上。
在一實施例中，奈米凸起部或奈米凹陷部形成於微結構的周邊。
在一實施例中，奈米凸起部或奈米凹陷部的形狀為三角形、矩形、或圓形，或其組合。
在一實施例中，基板之表面無田埂結構或條狀結構。
在一實施例中，基板為藍寶石基板、氮化鎵基板、矽基板、碳化矽基板、尖晶石基板、高分子基板、二氧化矽基板、氮化矽基板、氮 化鋁基板、鑽石基板、或類鑽碳基板。
在一實施例中，藍寶石基板為C面(0001)藍寶石基板。
為達上述目的，依本創作之一種光電半導體元件，包括上述實施例的其中任一之圖案化基板以及一光電半導體單元，且光電半導體單元設置於圖案化基板上。
在一實施例中，光電半導體元件為發光二極體、有機發光二極體、或太陽能電池。
在一實施例中，光電半導體單元包括一第一半導體層及一第二半導體層依序設置於圖案化基板上。
在一實施例中，第一半導體層為P型半導體層，第二半導體層為N型半導體層；或者第一半導體層為N型半導體層，第二半導體層為P型半導體層。
在一實施例中，光電半導體元件為水平式、垂直式或覆晶式光電半導體元件。
承上所述，因依本創作之圖案化基板及光電半導體元件中，微結構配置於基板之表面，而奈米結構形成於基板之表面或微結構上，且奈米結構包含奈米凸起部或奈米凹陷部。藉此，相較於習知圖案化基板而言，由於本創作的圖案化基板之基板表面並無田埂結構或類似的條狀結構存在，因此，可以大幅提升應用於生產LED或OLED時的磊晶良率，提升電子元件電性效能，大大降低了製造成本。另外，本創作亦可以經由控制圖案化基板及光電半導體元件之微結構、奈米結構的數量及形成位置，而調整所生產的LED或OLED之發光亮度或發光之光型。
10‧‧‧基板
20、21‧‧‧微結構
30‧‧‧奈米結構
31‧‧‧奈米凸起部
32‧‧‧奈米凹陷部
100、210、510‧‧‧圖案化基板
110‧‧‧表面
200、500、600‧‧‧光電半導體元件
220‧‧‧緩衝層
230、350、530‧‧‧第一半導體層
240、360、540‧‧‧發光層
250、370、550‧‧‧第二半導體層
260‧‧‧電流散佈層
271‧‧‧第一電極
272‧‧‧第二電極
280‧‧‧光電半導體單元
310‧‧‧金屬基板
380、570、590‧‧‧電極
400‧‧‧複合式圖案化藍寶石基板
410‧‧‧微結構圖案
420‧‧‧田埂結構
430‧‧‧凸起物
580‧‧‧金屬凸點
700‧‧‧散熱材
圖1A至圖1C分別為習知不同實施例之複合式圖案化藍寶石基板(HPSS)的結構示意圖。
圖2為本創作較佳實例之一種圖案化基板的部分立體示意圖。
圖3至圖6B分別為本創作較佳實例之圖案化基板的不同實施態樣示意 圖。
圖7為本創作較佳實施例之一種光電半導體元件的示意圖。
圖8、圖9、圖10分別為本創作不同實施例之一種光電半導體元件的示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本創作較佳實施例之圖案化基板及光電半導體元件，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。本發明所有實施態樣的圖示只是示意，不代表真實尺寸與比例。此外，以下實施例的內容中所稱的方位「上」及「下」只是用來表示相對的位置關係。再者，一個元件形成在另一個元件「上」、「之上」、「下」或「之下」可包括實施例中的一個元件與另一個元件直接接觸，或也可包括一個元件與另一個元件之間還有其他額外元件使一個元件與另一個元件無直接接觸。
請參照圖2所示，其為本創作較佳實例之一種圖案化基板100的部分立體示意圖。
圖案化基板100包括一基板10、一微結構20以及一奈米結構30。
基板10具有一表面110，並可為藍寶石基板、矽基板、碳化矽基板、尖晶石基板、或高分子基板。其中，藍寶石基板更可為C面(0001)藍寶石基板。另外，基板10亦可為二氧化矽基板、氮化矽基板、氮化鋁基板、鑽石基板、或類鑽碳基板。於此，基板10是以藍寶石基板為例。
微結構20配置於基板10之表面110。其中，微結構20可凸出於表面110或凹陷於表面110，或其組合。本實施例是以複數微結構20凸出於基板10之表面110上為例。該些微結構20的形狀可為三角形、矩形、圓形或多邊形，或其組合，或是其他形狀，或是不規則形狀，並可以陣列排列、錯位排列、蜂巢狀排列、六角狀排列、或螺旋狀排列，或不規則排列等方式配置於基板10的表面110上，本創作並不限定。另外，該些微結構20可以壓印方式、光學微影方式、或以上二種方式一起搭配使用、接觸轉印配合蝕刻方式、沉積製程配合蝕刻方式、化學沉積方式、或是以 奈米壓印方式形成於基板10上，本創作亦不限制。
較佳實施例之圖案化基板100是藉由複數個微結構20依特定尺寸(高度)及其間相對距離(間距)與週期(週期間距)以不同的方式排列配置於基板10上，以達到提升光電效能之功效。除了位於基板10之微結構20可為規則性或不規則性的排列方式之外，微結構20本身亦可為規則或不規則形狀。
奈米結構30形成於基板10之表面110上或微結構20上，且奈米結構30可包含一奈米凸起部或一奈米凹陷部，或是同時具有奈米凸起部及奈米凹陷部。其中，奈米凸起部與奈米凹陷部可以奈米壓印方式、光學微影方式、或以上二種方式一起搭配使用、接觸轉印方式配合蝕刻方式、或沉積製程形成於微結構20之表面上，且其形狀可分別為三角形、矩形、圓形或多邊形，或其組合，或其他形狀，本創作皆不限制。本實施例是以複數個奈米結構30形成於一微結構20上，且奈米結構30包含圓形的複數奈米凸起部31為例。
承上，於圖案化基板100中，基板10之表面110除了微結構20之外，表面110為一平坦面，並無形成任何田埂結構或類似的條狀結構，或是其他明顯的凸出或凹陷之結構。因此，當圖案化基板100應用於生產發光二極體(LED)或有機發光二極體(OLED)時，會使所產出的LED或OLED的磊晶良率提高而降低生產成本，提升電子元件的電性效能並且會增加其光萃取效能。
另外，請分別參照圖3至圖6B所示，其分別為本創作較佳實例之圖案化基板100的不同實施態樣示意圖。
如圖3所示，在一實施態樣中，奈米結構30可同時包含複數奈米凸起部31與複數奈米凹陷部32。其中，奈米凸起部31與奈米凹陷部32可以奈米壓印方式、光學微影方式、或以上二種方式一起搭配使用、接觸轉印方式配合蝕刻方式、或沉積製程形成於微結構20之表面上，其形狀可分別為三角形、矩形、圓形或多邊形，或其組合，或其他形狀，本創作皆不限制。
另外，如圖4所示，在另一實施態樣中，微結構可包含凸出 於表面110的微結構20及凹陷於表面110之微結構21，且微結構20與微結構21上分別形成奈米結構30，且奈米結構30分別具有複數奈米凸起部31與複數奈米凹陷部32。
另外，如圖5所示，在又一實施態樣中，微結構20的形狀可為圓形，且奈米結構30(奈米凸起部31，亦可包含奈米凹陷部32)可形成於微結構20的表面上。
另外，如圖6A所示，在又一實施態樣中，微結構20的形狀可為圓形，而奈米結構30包含奈米凸起部31(亦可包含奈米凹陷部32)，且複數個奈米凸起部31(奈米凹陷部32)可形成基板10之表面110上，並位於微結構20的周邊。
此外，如圖6B所示，在又一實施態樣中，微結構20的形狀可為三角形，而奈米結構30包含奈米凸起部31(亦可包含奈米凹陷部32)，且複數個奈米凸起部31(亦可為奈米凹陷部32)可形成基板10之表面110上，並位於微結構20的周邊。
因此，如前述各實施例所述之圖案化基板100，其因具有凸出於基板10之表面110的微結構20，及/或具有凹陷於基板10之表面100的微結構21，以及奈米結構30(包含奈米凸起部31或奈米凹陷部32)，且於基板10之表面110上並無田埂結構存在，因此，可以大幅提升應用於生產LED或OLED時的磊晶良率，提升電子元件電性效能，大大降低了製造成本。再者，亦可以經由控制微結構20、微結構21、奈米結構30(包含奈米凸起部31或奈米凹陷部32)的數量及形成位置，而調整所生產的LED或OLED之發光亮度或發光之光型。
另外，請參照圖7所示，其為本創作較佳實施例之一種光電半導體元件200的示意圖。光電半導體元件200可為發光二極體、有機發光二極體、或太陽能電池等。於本實施例中，光電半導體元件200是以發光二極體為例，然非可用以限定本創作。
光電半導體元件200為水平式LED結構，並包括一圖案化基板210及一光電半導體單元280，且光電半導體單元280設置於圖案化基板210上。於此，圖案化基板210可為上述之圖案化基板100，或其變化態 樣，具體技術內容已於上述中詳述，不再贅述。另外，本實施例之光電半導體單元280是透過一緩衝層220形成於圖案化基板210上。換言之，緩衝層220設置於光電半導體單元280與圖案化基板210之間。
光電半導體單元280包括一第一半導體層230及一第二半導體層250依序設置於圖案化基板210上。另外，光電半導體單元280更包括一發光層240，發光層240夾設於第一半導體層230及第二半導體層250之間。於此，第一半導體層230設置於緩衝層220上，發光層240設置於第一半導體層230上，且第二半導體層250設置於發光層240上。其中，第一半導體層230為P型半導體層，而第二半導體322為N型半導體層；或者第一半導體層230為N型半導體層，第二半導體層250為P型半導體層。由第一半導體層230、發光層240及第二半導體層250所組成之光電半導體單元280可為發光磊晶結構。
另外，光電半導體元件200更包括一電流散佈層260、一第一電極271及一第二電極272。電流散佈層260設置於第二半導體層250上，第一電極271設置於電流散佈層260上，而第二電極272設置於緩衝層220上，並與第一電極271對應設置。當一電壓跨設於第一電極271與第二電極272之間而導通光電半導體元件200時，發光層240所產生之光線經由圖案化基板210反射後離開光電半導體元件200，故光線的反射率與光電半導體元件200的發光效能息息相關。因此，本實施例之光電半導體元件200可藉由圖案化基板210之微結構20及奈米結構30的設置而提高其磊晶良率、元件電子電性效能、光萃取效能，並可降低生產成本與控制產出之光型或控制發光之亮度。
另外，請參照圖8所示，其為本創作另一較佳實施例之一種光電半導體元件300的示意圖。
本實施例之光電半導體元件300為一垂直式LED結構，包含由下而上依序堆疊於一金屬基板310上之第一半導體層350(例如P型導體層)、發光層360(多重量子井，Multiple-quantum well,MQW)、第二半導體層370(例如N型導體層)及電極380。於此，金屬基板310與電極380為光電半導體元件300的二個電極。本實施例是先將第二半導體層 370、發光層360、第一半導體層350依序形成於上述的圖案化基板100(未顯示)上後再倒置，再將圖案化基板100剝離後，則第二半導體層370的上表面即具有內凹的微結構20與奈米結構30的圖案，之後再將電極380設置於第二半導體層370上，且將金屬基板310與第一半導體層350貼合，以形成光電半導體元件300。因此，本實施例之光電半導體元件300亦可藉由微結構20及奈米結構30的設置而提高其磊晶良率、出光效率，並可降低生產成本與控制產出之光型或控制發光之亮度。
另外，請參照圖9及圖10所示，其分別為本創作又一較佳實施例之一種光電半導體元件500、600的示意圖。
如圖9所示，本實施例之光電半導體元件500為一覆晶式LED結構，包含由上而下依序形成於圖案化基板510之下側表面的第一半導體層530(例如N型半導體層)、發光層540、第二半導體層550(例如P型半導體層)、電極570、金屬凸點580，以及形成於第一半導體層530上之另一電極590與另一金屬凸點580。本實施例之光電半導體元件500是藉由二個金屬凸點580而固著於一散熱效果佳的散熱材700，例如矽晶圓、陶瓷、或基板等，以與散熱材700電性連接，藉此提高光電半導體元件500的散熱效果。
另外，如圖10所示，本實施例之光電半導體元件600亦為覆晶式LED結構，但與圖9的光電半導體元件500不同的是，光電半導體元件600是將圖9的圖案化基板510剝離後而得到，因此，第一半導體層530的上表面即具有微結構20與奈米結構30的圖案而形成光電半導體元件600。另外，光電半導體元件600亦藉由二個金屬凸點580而固著於散熱效果佳的散熱材700，例如矽晶圓、陶瓷、或基板等，以與散熱材700電性連接，藉此提高光電半導體元件600的散熱效果。因此，光電半導體元件500、600亦可藉由微結構20及奈米結構30的設置而提高其磊晶良率、出光效率，並可降低生產成本與控制產出之光型或控制發光之亮度。
綜上所述，因依本創作之圖案化基板及光電半導體元件中，微結構配置於基板之表面，而奈米結構形成於基板之表面或微結構上，且奈米結構包含奈米凸起部或奈米凹陷部。藉此，相較於習知圖案化基板而 言，由於本創作的圖案化基板之基板表面並無田埂結構或類似的條狀結構存在，因此，可以大幅提升應用於生產LED或OLED時的磊晶良率，提升電子元件電性效能，大大降低了製造成本。另外，本創作亦可以經由控制圖案化基板及光電半導體元件之微結構、奈米結構的數量及形成位置，而調整所生產的LED或OLED之發光亮度或發光之光型。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
10‧‧‧基板
20‧‧‧微結構
30‧‧‧奈米結構
31‧‧‧奈米凸起部
100‧‧‧圖案化基板
110‧‧‧表面

Claims (14)

  1. 一種圖案化基板，包括：一基板，具有一表面；一微結構，配置於該基板之該表面；以及一奈米結構，形成於該基板之該表面或該微結構上，其中，該奈米結構包含一奈米凸起部或一奈米凹陷部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該微結構凸出於該表面或凹陷於該表面，或其組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該微結構的形狀為三角形、矩形、圓形或多邊形，或其組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該奈米凸起部或該奈米凹陷部形成於該微結構上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該奈米凸起部或該奈米凹陷部形成於該微結構的周邊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該奈米凸起部或該奈米凹陷部的形狀為三角形、矩形、圓形或多邊形，或其組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該基板之該表面無田埂結構或條狀結構。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之圖案化基板，其中該基板為藍寶石基板、氮化鎵基板、矽基板、碳化矽基板、尖晶石基板、高分子基板、二氧化矽基板、氮化矽基板、氮化鋁基板、鑽石基板、或類鑽碳基板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之圖案化基板，其中該藍寶石基板為C面(0001)藍寶石基板。
  10. 一種光電半導體元件，包括：一如申請專利範圍第1項至第9項的其中任一項所述之圖案化基板；以及一光電半導體單元，設置於該圖案化基板上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光電半導體元件，其為發光二極體、有機發光二極體、或太陽能電池。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之光電半導體元件，其中該光電半導體單元包括一第一半導體層及一第二半導體層依序設置於該圖案化基板上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光電半導體元件，其中該第一半導體層為P型半導體層，該第二半導體層為N型半導體層；或者該第一半導體層為N型半導體層，該第二半導體層為P型半導體層。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之光電半導體元件，其為水平式、垂直式或覆晶式光電半導體元件。
TW104221187U 2014-12-30 2015-12-30 圖案化基板及光電半導體元件 TWM532660U (zh)

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