TW201415666A - 半導體元件 - Google Patents

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Chia-Hung Wu
Hung-Ta Chien
Fu-Chiang Hsu
Fang-Hsuan Su
Chun-Lin Yeh
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Abstract

一種半導體元件，包含一基板，以及一半導體單元。該基板包括一基體，以及至少一設置於該基體上的圖型單元。該圖型單元包括多數設置於該基體上的圍繞部，以及一設置於所述圍繞部內的中央部，所述圍繞部相配合界定出一幾何中心，該中央部與該幾何中心具有一間距。該半導體單元是設置於該基板上並能通入電流而運作。本發明藉由該基板的中央部偏離所述圍繞部的幾何中心的結構，而能使該半導體單元所發出的光線能以更多角度被反射，以使光線具有較廣的發射角度。

Description

半導體元件
本發明是有關於一種電子元件，特別是指一種半導體元件。
圖1為美國專利公開第US2010264447號「半導體發光元件」，包含一具有陣列式凹凸圖型的基板11、一沉積於該基板11上的n-type磊晶層12、一沉積於該n-type磊晶層12上的主動層13，以及一沉積於該主動層13上的p-type磊晶層14。該主動層13能通入電流而發光，藉由該基板11的凹凸圖型能將往下的光線向上反射，以提升光萃取效率。
然而，現有的凹凸型基板11是陣列式整齊地排列，因此大部分光線反射後會以垂直於該基板11的角度射出，導致軸向光偏強，其他角度的光線與側向光則偏弱，如此便無法有效地應用在例如消防指示燈等需要較廣視角的產品上。
因此，本發明之目的，即在提供一種能使光線發射角度更廣的半導體元件。
於是，本發明半導體元件包含一基板，以及一半導體單元。
該基板包括一基體，以及至少一設置於該基體上的圖型單元，該圖型單元包括多數設置於該基體上的圍繞部， 以及一設置於所述圍繞部內的中央部，所述圍繞部相配合界定出一幾何中心，該中央部與該幾何中心具有一間距。該半導體單元是設置於該基板上並能通入電流而運作。
本發明的功效在於：藉由該基板的中央部偏離所述圍繞部的幾何中心的結構，而能使該半導體單元所發出的光線能以更多角度被反射，以使光線具有較廣的發射角度。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式的數個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2與圖3，為本發明半導體元件的第一較佳實施例，包含一基板2，以及一半導體單元3。
該基板2包括一基體21，以及至少一設置於該基體21上的圖型單元22，該圖型單元22包括多數設置於該基體21上的圍繞部221，以及一設置於所述圍繞部221內的中央部222，所述圍繞部221相配合界定出一幾何中心223，該中央部222與該幾何中心223具有一大於0的間距L。特別說明的是，此處的間距L是指該中央部222的中心點到該幾何中心223的距離。
該半導體單元3是設置於該基板2上並能通入電流而發光。在本較佳實施例中，該半導體單元3是以Ⅲ-V族化合物半導體為主要材料製作而成，在本較佳實施例中是以 砷化鎵(GaAs)作說明。另外，在本較佳實施例中，該基板2是以砷化鎵(GaAs Substrate)基板2作說明，當然也可以使用磷化銦基板2(InP Substrate)或其他能用於成長砷化鎵的基板2。在本較佳實施例中，該基板2能導電，因此整體能製作為垂直式結構。
本較佳實施例的優點在於：藉由該基板2的中央部222偏離所述圍繞部221的幾何中心223之結構，而能使該半導體單元3所發出的光線4能以更多角度被反射，以使光線4具有較廣的發射角度。另外，偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
參閱圖4與圖5，為本發明半導體元件的第二較佳實施例，本較佳實施例大致上與該第一較佳實施例相同，不同之處在於：該半導體單元3是以氮化物(Nitride base)材料做說明，特別是以氮化鎵(GaN)為主的材料及其組成物，例如氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等，當然也可以使用或摻雜其他材料以提升其發光效率或降低其應力，不應以本較佳實施例所揭露的內容為限。
該基板2的材料能選自氧化鋁(Al2O3)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氧化矽(SiO2)或其組合，在本較佳實施例中是以氧化鋁基板2作說明。
該半導體單元3包括一設置於該基板2上的第一極性 部31、一設置於該第一極性部31上的量子井部32、一設置於該量子井部32上且極性與該第一極性部31相反的第二極性部33、一設置於該第一極性部31上的第一電極34，以及一設置於該第二極性部33上的第二電極35。該半導體單元3所發出的光波長為365nm~600nm。
當所述圍繞部221與中央部222尺寸半徑為600nm時，100nm的間距能對短波長的光線造成較佳的散射效果，因此在本較佳實施例中特別是以100nm作說明。
而當所述圍繞部221與中央部222尺寸直徑為200nm時，20nm的間距能對短波長的光線造成較佳的散射效果。因此針對不同實際尺寸的圍繞部221與中央部222時，介於0至2000nm的間距為較佳的數值限定範圍，當然不應以本較佳實施例所界定的範圍為限。另外，該基板2的圍繞部221具有一第一尺寸，該中央部222具有一第二尺寸，在本較佳實施例中，是以該第一尺寸大於該第二尺寸作說明，當然也能夠視實際需要使該第一尺寸小於該第二尺寸，不應以本較佳實施例所揭露的內容為限。
本較佳實施例的優點在於：藉由此數值限定的間距L，對於氮化鎵系列所發出的偏短波長光線能產生較佳的散射效果。另外，偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
參閱圖6與圖7，為本發明半導體元件的第三較佳實施例，本較佳實施例大致上與該第二較佳實施例相同，不同 之處在於：該基板2包括多數個圖型單元22，且每兩相鄰之圖型單元22的圍繞部221共用。另外，每兩相鄰之圖型單元22的中央部222與相對應幾何中心223的間距L與位移方向皆不相同，每一個間距L皆為刻意控制所產生，但所述間距L皆大於0、不大於2000nm。
該半導體單元3包括一設置於該基板2上的第一極性部31、一設置於該第一極性部31上的量子井部32、一設置於該量子井部32上且極性與該第一極性部31相反的第二極性部33、一設置於該第一極性部31上的第一電極34、一設置於該第二極性部33上的透明導電層36，以及一設置於該透明導電層36上的第二電極35。
在本較佳實施例中，該透明導電層36是以氧化銦錫(ITO)作說明，當然也能使用氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銦鋅(IZO)或其他能導電且能透光的材料取代，不應以本較佳實施例所揭露的內容為限。
在本較佳實施例中，該第一極性部31為N型(N-type)半導體，該第二極性部33則為P型(P-type)半導體，當然也可以將第一極性部31與第二極性部33的極性對調，不應以本較佳實施例所揭露的內容為限。
在本較佳實施例中，該半導體單元3是以氮化物(Nitride base)材料做說明，特別是以氮化鋁鎵(AlGaN)為主的材料及其組成物，例如氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等，當然也可以使用或摻雜其他材料以提升其發光效率或降低其 應力，不應以本較佳實施例所揭露的內容為限。在本較佳實施例中，該半導體單元3所發出的光波長為360nm~480nm。
在本較佳實施例中，該基板2是以藍寶石基板2(Sapphire Substrate)作說明，當然也可以使用矽基板2(Si Substrate)、氮化鎵基板2(GaN Substrate)、碳化矽基板2(SiC Substrate)或其他能用於成長氮化鎵的基板2，不應以本較佳實施例所記載為限。
另外，在本較佳實施例中，該基板2厚度介於10μm~500μm之間。特別說明的是，基板2厚度會影響該半導體單元3的散熱效果，用於磊晶的基板2厚度約為500μm，因此能夠以研磨的方式使該基板2厚度減少至適當的厚度，基板2越薄較容易破裂，因此後續製程的難度越高。在本較佳實施例中，較適當的厚度為150μm，而所謂的適當厚度應該視該半導體單元3與整體設計進行調整，不應以本較佳實施例所記載為限。
本較佳實施例的優點在於，藉由所述圖型單元22朝不同方向且具有不同位移間距L的中央部222，能使整體光線更為均勻的以發散的角度射出，因此能避免軸向光過強，而且散射的角度也更為廣泛。另外，所述偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
參閱圖8，為本發明半導體元件的第四較佳實施例，本較佳實施例大致上與該第三較佳實施例相同，不同之處在 於：該基板2還包括一設置於基體21上的布拉格反射層23，該布拉格反射層23並不完全覆蓋所述圍繞部221與中央部222，使所述圍繞部221與中央部222局部凸出於該布拉格反射層23上。
該半導體單元3為垂直結構發光二極體，該半導體單元3包括一設置於該基板2上的第一極性部31、一設置於該第一極性部31上的量子井部32、一設置於該量子井部32上且極性與該第一極性部31相反的第二極性部33，以及一設置於該第二極性部33上的第二電極35。
在本較佳實施例中，該基板2是以矽基板2(Si Substrate)作說明，當然也可以使用氮化鎵基板2(GaN Substrate)、碳化矽基板2(SiC Substrate)、藍寶石基板2(Sapphire Substrate)或其他能用於成長氮化鎵的基板2，不應以本較佳實施例所記載為限。
在本較佳實施例中，該布拉格反射層23(Distributed Bragg Reflectors,DBR)是以氧化矽(SiO2)與氧化鈦(TiO2)薄膜交互層疊而成。布拉格反射層23主要是由二種折射率不同的材料進行堆疊而成，折射率差值愈大就能用越少的層數達到預期的反射率。因此只要是能製作布拉格反射層23的可透光導電材料或透明導電膜材料皆可使用，除了本較佳實施例採用的氧化矽與氧化鈦以外，當然也能使用氧化鋅(ZnO)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銦鋅(IZO)、鋁(Al)或其他具有類似特性的材料，並考量該半導體單元3所發出的光波段去設計各層厚度與 材料，以製作出布拉格反射層23，不應以本較佳實施例所記載的內容為限。
本較佳實施例的優點在於，在磊晶成長該第一極性部31時，磊晶層能在凸出於該布拉格反射層23上的所述圍繞部221與中央部222局部上成長，而在通入電流而發光時，該布拉格反射層23又能提供良好的反射效果，以提升整體的光萃取效率。另外，偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
參閱圖9，為本發明半導體元件的第五較佳實施例，本較佳實施例大致上與該第四較佳實施例相同，不同之處在於：該半導體單元3為垂直結構發光二極體，該布拉格反射層23只設置於所述圍繞部221與中央部222上。
在本較佳實施例中，該基板2是以矽基板2(Si Substrate)作說明，當然也可以使用氮化鎵基板2(GaN Substrate)、碳化矽基板2(SiC Substrate)、藍寶石基板2(Sapphire Substrate)或其他能用於成長氮化鎵的基板2，不應以本較佳實施例所記載為限。
在本較佳實施例中，該布拉格反射層23(Distributed Bragg Reflectors,DBR)是以氧化矽(SiO2)與氧化鈦(TiO2)薄膜交互層疊而成。布拉格反射層主要是由二種折射率不同的材料進行堆疊而成，折射率差值愈大就能用越少的層數達到預期的反射率。因此只要是能製作布拉格反射層的可透光導電質材料或透明導電膜材料皆可使用，除了 本較佳實施例採用的氧化矽與氧化鈦以外，當然也能使用氧化鋅(ZnO)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銦鋅(IZO)、鋁(Al)、銀(Ag)、鈦(Ti)、金(Au)或其他具有類似特性的材料製作或組合，並考量該半導體單元3所發出的光波段去設計各層厚度與材料，以製作出布拉格反射層23，不應以本較佳實施例所記載的內容為限。
本較佳實施例的優點在於，在磊晶成長該第一極性部31時，磊晶層能在該布拉格反射層23以外的基體21上成長，而在通入電流而發光時，該布拉格反射層23又能提供良好的反射效果，以提升整體的光萃取效率。另外，偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
參閱圖10與圖11，為本發明半導體元件的第六較佳實施例，本較佳實施例大致上與該第二較佳實施例相同，不同之處在於：在本較佳實施例中，該基板2上的幾何中心223為線型，所述圍繞部221與中央部222皆為條狀的態樣，該中央部222與該幾何中心223具有一間距L。
該半導體單元3為垂直結構發光二極體，該基板2是以氮化鎵基板2(GaN Substrate)作說明，當然也可以使用矽基板2(Si Substrate)、碳化矽基板2(SiC Substrate)、藍寶石基板2(Sapphire Substrate)或其他能用於成長氮化鎵的基板2，不應以本較佳實施例所記載為限。
本較佳實施例的優點在於，藉由條狀的圍繞部221與 中央部222不只能對光線產生反射的效果，更能進一步降低製造成本。另外，偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
參閱圖12，為本發明半導體元件的第七較佳實施例，本較佳實施例大致上與該第二較佳實施例相同，不同之處在於：該半導體單元3為為具有二維電子氣(2DEG)的高電子遷移率電晶體(High electron mobility transistor,HEMT)。該半導體單元3包括一設置於該基板2上的第一極性部31、一設置於該第一極性部31上並能形成二維電子氣的高速傳導層37，以及三個設置於該高速傳導層37上的電極38。在本較佳實施例中，該高速傳導層37包括一氮化鎵層371(GaN)，以及一氮化鋁鎵層372(AlGaN)，二維電子氣是形成於氮化鎵層371與氮化鋁鎵層372的接面處。
本較佳實施例的優點在於，雖然高電子遷移率電晶體並非用於發光，由於該基板2上的圖型單元22能提升磊晶品質，而所述偏離幾何中心223的中央部222更能進一步產生釋放磊晶層應力的效果，因此能降低材料內部所累積的應力以提升整體使用壽命。
綜上所述，本發明半導體元件藉由該基板2的中央部222偏離所述圍繞部221的幾何中心223的結構，而能使該半導體單元3所發出的光線能以更多角度被反射，以使光線具有較廣的發射角度，故確實能達成本發明之目的。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然而其並非用以限 定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神與範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧基板
21‧‧‧基體
22‧‧‧圖型單元
221‧‧‧圍繞部
222‧‧‧中央部
223‧‧‧幾何中心
224‧‧‧間距
23‧‧‧布拉格反射層
3‧‧‧半導體單元
31‧‧‧第一極性部
32‧‧‧量子井部
33‧‧‧第二極性部
34‧‧‧第一電極
35‧‧‧第二電極
36‧‧‧透明導電層
37‧‧‧高速傳導層
371‧‧‧氮化鎵層
372‧‧‧氮化鋁鎵層
38‧‧‧電極
4‧‧‧光線
圖1是一示意圖，說明美國專利公開第US2010264447號「半導體發光元件」；圖2是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第一較佳實施例；圖3是一示意圖，輔助說明本發明半導體元件的第一較佳實施例；圖4是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第二較佳實施例；圖5是一示意圖，輔助說明本發明半導體元件的第二較佳實施例圖6是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第三較佳實施例；圖7是一示意圖，輔助說明本發明半導體元件的第三較佳實施例；圖8是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第四 較佳實施例；圖9是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第五較佳實施例；圖10是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第六較佳實施例；圖11是一示意圖，輔助說明本發明半導體元件的第六較佳實施例；以及圖12是一示意圖，用以說明本發明半導體元件的第七較佳實施例。
2‧‧‧基板
21‧‧‧基體
22‧‧‧圖型單元
221‧‧‧圍繞部
222‧‧‧中央部
223‧‧‧幾何中心

Claims (10)

  1. 一種半導體元件，包含：一基板，包括一基體，以及至少一設置於該基體上的圖型單元，該圖型單元包括多數設置於該基體上的圍繞部，以及一設置於所述圍繞部內的中央部，所述圍繞部相配合界定出一幾何中心，該中央部與該幾何中心具有一大於0的間距；以及一半導體單元，設置於該基板上，能通入電流而運作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該半導體單元能通入電流而發光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板的中央部與幾何中心的間距小於2000nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板還包括一設置於所述圍繞部與中央部上的布拉格反射層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板還包括一設置於該基體上並局部覆蓋所述圍繞部與中央部的布拉格反射層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板的圍繞部具有一第一尺寸，該中央部具有一與該第一尺寸不相同的第二尺寸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板的圖型單元為多數，相鄰之圖型單元的圍繞部共用。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板的圖型單元為多數，每兩相鄰之圖型單元的中央部與相對應幾何中心的間距與位移方向皆不相同。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該基板的材料是選自氧化鋁、矽、碳化矽、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、磷化銦、氧化矽或其組合。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該半導體單元的材料是選自氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、砷化鎵或其組合。
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