CN104347738A - 图案化基板及光电半导体元件 - Google Patents
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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。立体图案设于基板本体上，至少部分所述立体图案的周期间距不相同。
Description
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排列，形成图案化结构基板（Patterned StructuralSubstrate,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包括一基板本体11以及多个立体图案12，各立体图案12为规则的类圆锥体并规则地设置于基板本体11上。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。
因立体图案的表面为平滑面，且为规律的轴对称立体图案，所以各立体图案的入射光与反射光所形成的夹角都一致，虽然现有的光学元件已具有相当的光电效能，但也仅限于此，如上所述，受限于一致性的夹角与平滑面等因素，使已知的光学元件的光电效能往往无法有效提升。然而，图案化基板仍可通过改变立体图案的形态及其在基板本体上的配置，由此提升光电半导体元件的光电效能。
因此，如何设计一种图案化基板及光电半导体元件，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，立体图案也可为不规则形状，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一基板本体以及多个立体图案。立体图案设置于基板本体上，至少部分所述立体图案彼此之间的周期间距（Pitch）不相同。
在本发明的一个实施例中，周期间距为两个相邻的所述立体图案的几何中心之间的距离。
为达上述目的，依据本发明的另一种图案化基板包括一基板本体以及多个立体图案。立体图案设置于基板本体上，至少部分所述立体图案彼此之间的间距不相同。
为达上述目的，依据本发明的另一种图案化基板包括一基板本体以及多个立体图案。立体图案设置于基板本体上，至少部分所述立体图案彼此之间的形状不相同。
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，至少部分立体图案与其它立体图案不相同。
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，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，立体图案为凸状图案、凹状图案或其组合。
为达上述目的，依据本发明的一种光电半导体元件包括以上所述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。
承上所述，本发明的图案化基板及光电半导体元件，因图案化基板上的立体图案以不规则的方式排列（例如但不限于至少部分立体图案彼此之间的周期间距不相同，或是至少部分立体图案彼此之间的间距不相同），可增加光线与立体图案接触的形态不同（可为入射至立体图案内部或自立体图案的表面反射），进而提升光电半导体元件的光电效能。
另外，因立体图案为不规则形状，进而可提供光源多种不同的反射路径，更可增加光的散射、折射与绕射情形，使得光行进路线不一致，更可进一步提升光电半导体元件的光电效能。
另外，各立体图案呈不规则形状更可增加光的散射、折射、反射与绕射，而使得光行进路线不一致，进一步提升光电效能。
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顶视图；
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；以及
图5为图4所示的立体图案的入射线与反射线的夹角的示意图。
[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～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～D3：距离
P、P’：周期间距
S、S’：间距
θ1～θ3：夹角
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。多个立体图案22设置于基板本体21上，图案化基板20包括一基板本体21以及多个立体图案22。基板本体21可包括蓝宝石基板、硅晶圆基板、碳化硅基板、尖晶石基板或高分子基板。其中，蓝宝石基板更可为C面（0001）蓝宝石基板。另外，基板本体21也可包括二氧化硅基板、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。
立体图案22设于基板本体21上，且立体图案22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等方式排列于基板本体21，但立体图案22并非以完全相同的周期间距P或间距S方式排列，而是以至少部分不规则方式排列于基板本体21上，如图2A所示，该不规则方式包括至少部分所述立体图案22彼此之间的周期间距P不相同，或至少部分所述立体图案22彼此之间的间距S不相同。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，再以至少部分不规则的方式，如周期间距P或间距S不同，设置于基板本体21上。
需注意的是，本发明所述周期间距P是指立体图案22的投影面积221经由两个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，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，任意选取两个相邻的立体图案，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’，而周期间距P可以不等于周期间距P’。当然，本发明并未限定所有两个相邻立体图案的周期间距P都不相等，仅需部分不相等，以呈现不规则的方式即可。
另外，任两个相邻的立体图案22互相靠近的距离为间距S，这些间距S至少部分是不相等的。举例而言，其中一个间距S可以不等于另一间距S’，在优选实施例中，间距S（或S’）介于0.02微米至13微米之间。相较于已知立体图案呈规律排列的图案化基板，本发明的图案化基板20以不规则的方式排列，可增加光线与立体图案22接触的形态不同（可为入射至立体图案22内部或自立体图案22表面反射），进而提升光电效能。
除了位于基板本体21上的立体图案22可为非规则性的排列方式之外，至少部分立体图案22彼此之间的形状不相同，本发明所称的形状不同，是指立体图案22投影至基板本体21的形状不同，或是立体图案22的尺寸不同，例如但不限于各个立体图案22彼此之间的半径、周长或高度不同。
优选地，立体图案22可为规则形状或不规则形状。其中，不规则形状的立体图案22可进一步达到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，然而，因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，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～22e，其几何中心点分别为223c～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与几何中心点223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。
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，请同时参照图3A至图3D所示。各立体图案22具有多个脊线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。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，立体图案22为不规则形状的立体结构，在优选实施例中，其尺寸介于0.01微米至8微米之间（此所定义的尺寸为立体图案的直径或立体图案的底部的最长宽度）。
立体图案的顶面可包括平面和/或曲面，亦即立体图案的顶面可包括至少一平面、或包括至少一曲面、或包括至少一平面及至少一曲面。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，而立体图案22i，其表面为具有脊线224分布的不规则设计，然而，在其它实施例中，立体图案22i的表面也可以为单一斜率的平面、或曲面，其中曲面更可以为拋物线弯曲，本发明不局限于此。
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可以不相同。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。
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，然而并非限定本发明。
光电半导体元件3包括一图案化基板31以及一光电半导体单元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的立体图案311，且立体图案311为不规则的立体结构，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之中，故在此不再赘述。
在优选实施例中，光电半导体单元32还包括发光层323，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设置于部分第一半导体层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，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之上，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。
请参照图5所示，其为图4所示的立体图案的入射线与反射线的夹角的示意图。因本发明的立体图案311为不规则的立体结构，且立体图案311彼此之间也不相同，因此，当光线射入图案化基板31时，在各立体图案311的入射线与反射线之间形成有不相等的夹角θ1～θ3，进而可提供光源多种不同的反射路径，以降低图形化基板31的穿透率，而具有较低穿透率图形化基板31，可使光经由基板本体反射出光的效果越好，更可增加光的散射、折射与绕射情形，以提高光电半导体元件3的光电效能。另需注意的是，夹角θ1～θ3仅为其中三种夹角的表示，其可为各种角度，各立体图案311的入射线与反射线之间形成的夹角数量不限于这三种角度。
综上所述，因图案化基板上的立体图案以不规则的方式排列，可增加光线与立体图案接触的形态不同（可为入射至立体图案内部或自立体图案的表面反射），进而提升光电半导体元件的光电效能。
另外，因立体图案为不规则形状，进而可提供光源多种不同的反射路径，更可增加光的散射、折射与绕射情形，使得光行进路线不一致，更可进一步提升光电半导体元件的光电效能。
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围，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求中。
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上，至少部分所述立体图案彼此之间的周期间距不相同。
2.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，所述周期间距为两个相邻的所述立体图案的几何中心之间的距离。
3.一种图案化基板，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上，至少部分所述立体图案彼此之间的间距不相同。
4.一种图案化基板，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上，至少部分所述立体图案彼此之间的形状不相同。
5.如权利要求1或3或4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。
6.如权利要求1或3或4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。
7.如权利要求1或3或4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或曲面。
8.如权利要求1或3或4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。
9.如权利要求1或3或4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。
10.如权利要求1或3或4所述的图案化基板，其特征在于，所述基板本体包括蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、尖晶石基板、高分子基板、二氧化硅基板、氮化硅基板、钻石基板或类钻碳基板或C面（0001）蓝宝石基板。
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