CN101060148A - 半导体发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种半导体发光装置，具有半导体发光管芯以及外接的透光载体。半导体发光管芯具有发光层与透光基板。发光层承受偏压时会发出光线，且至少部分光线会经由透光基板射向透光载体。半导体发光管芯透过透光基板与透光载体相连接，且透光载体的面积大于发光层的面积。

Description

半导体发光装置

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置，特别是涉及一种具有外接光摘出区的半导体发光装置，此光摘出区的截面积大于发光层的面积。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode；LED)为一种固态物理半导体元件，其至少包含pn结(pn junction)，此pn结形成于p型与n型半导体层之间。当于pn结上施加一定程度的偏压时，p型半导体层中的空穴与n型半导体层中的电子将会结合而释放出光。此光产生的区域一般又称为发光区(activeregion)。发光区发光的色彩取决于构成pn结的材料，例如，AlInGaP系列的LED可以发出红色至绿色范围的光，III-V氮化物系列的LED可以发出绿光至紫外光。

一般来说，发光层的结构可分为单异质结构(single heterostructure；SH)、双异质结构(double heterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-side doubleheterostructure；DDH)、以及多层量子井(multi-quantum well；MQW)等，然而，此等结构的基本原理仍遵循pn结的机制。一个商品化的LED产品的结构中，除了pn结外，尚会包含生长基板(growth substrate)、缓冲层(bufferlayer)、电极、反射层、导线、及/或荧光粉等。

发光层所产生的光朝各个方向前进。然而，使用者通常仅需要特定方向的光，而需要利用反射层或镜面反射部分的光线。此外，LED材料与环境介质间的折射系数差异会造成照射在LED边界的光线在特定入射角下遭到全反射。一般来说，上述各种形式的被反射光难以避免地会再行经LED内部。

如图1A所示，现有发光二极管100包括基板110与外延层130。外延层130中包括发光层131。发光层131在承受一偏压下会朝各个方向发射光线。外延层130与基板110间形成反射层150以反射来自发光层131的光线。

射线R₁射向发光二极管100上方，当环境介质的折射系数小于发光二极管100的折射系数，且入射角大于临界角，射线R₁会在外延层130的边界全反射而返回外延层130内部。当射线R₁穿过发光层131时，部分的射线R₁会被发光层131吸收。另一部份未被吸收的射线R₁会照射到反射层150且被反射向上而再次穿过发光层131。如此，射线R₁于外延层130内震荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。于相同机制下，射向发光二极管100下方的射线R₂亦于外延层130内震荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。

如图1B所示，发光二极管100的基板110与外延层130间不形成反射层，且基板110相对于发光层131所发的光为透明。基板110下方可以设置镜面(未显示)或仅为空气。自基板110的底面被反射的射线R₃，若以大于临界角Θ_C的入射角Θ_I照射基板110的侧壁，射线R₃将被反射回外延层130内部。部分返回外延层130的射线R₃为发光层131所吸收。如上所述，射线R₃于外延层130的边界可能会被全反射而返回外延层130内部，并于外延层130内震荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。

被发光层131所吸收的光线于某些程度上势将降低发光二极管100的光摘出效率(light extraction efficiency)。

发明内容

本发明提供一种半导体发光装置以及一种发光二极管封装结构，可以减少被发光层吸收的光线。

本发明的半导体发光装置包含发光结构与外接的透光载体。发光结构至少包含由二种相异半导体层所构成的发光层以及透光基板。透光载体与发光结构于透光基板的侧相连接，且透光载体的面积大于发光层的面积。半导体层承受偏压时会发出光线。部分光线会透过透光基板射入透光载体。透光载体可以增加发光结构的光摘出效率。

本发明的发光二极管封装结构至少包含透光载体、基座、正极支架、与负极支架。透光载体固定于基座上。透光载体与基座间可以选择地设置反射结构。透光载体用以承载发光二极管管芯，且透光载体的面积大于发光二极管管芯中发光层的面积。发光二极管管芯的正负极分别电连接至正极支架与负极支架。

附图说明

图1A及1B为显示现有发光二极管内的光迹图。

图2A为显示依据本发明一实施例的半导体发光装置的剖面图。

图2B为显示图2A的半导体发光装置的光迹图。

图3A～3C为显示依据本发明另一实施例的半导体发光装置的剖面图。

图4为显示依据本发明又一实施例的半导体发光装置的剖面图。

图5A与5B为显示本发明半导体发光装置的面积比与功率比的关系图。

图6为显示采用本发明的半导体发光装置的封装结构的示意图。

简单符号说明

100～发光二极管；110～基板；130～外延层；131～发光层；150～反射层；200～半导体发光装置；210～透光载体；213～第三表面；214～第四表面；220～透光基板；221～第一表面；222～第二表面；230～第一电性半导体层；240～发光层；250～第二电性半导体层；260～第一电极；270～第二电极；300～基座；301～正极支架；302～负极支架；303～导线；304～导线。

具体实施方式

详细说明

如图2A所示，本发明的半导体发光装置200包含形成于透光载体210上的发光结构。发光结构，如发光二极管管芯，包含透光基板220、第一电性半导体层230、与第二电性半导体层250。第一电性半导体层230与第二电性半导体层250，例如p型与n型半导体等，具有相异电性的半导体材料，其结合处形成发光层240。当发光结构承受一偏压时，发光层240会产生光线。此外，电极260与270分别电连接至第一电性半导体层230与第二电性半导体层250，用以连接至外部电路。

透光基板220下连接透光载体210。透光载体210独立于发光结构或发光二极管管芯本体外，换句话说，透光载体210并不是在发光二极管管芯工艺中形成。透光基板220具有相对的第一表面221与第二表面222。第一表面221较第二表面222接近发光层240。透光载体210具有相对的第三表面213与第四表面214。第三表面213较第四表面214接近发光层240。

本发明中，透光载体210的面积大于发光层240的面积。若于透光载体210下形成镜面或反射层，来自于发光层210的光线会被反射。由于发光层240的面积小于透光载体210的面积，因此，反射光有较大的机率可以经由透光载体210未被发光层240覆盖的区域射出，相对地，返回发光层240的反射光将会减少，亦即，被发光层240吸收的光量降低。

如图2B所示，射线R₄自发光层240射向透光载体210的底面并被反射朝向透光载体210的侧向。由于透光载体210大于发光层240，因此，射线R₄不易如现有技术一般直接射向透光载体210的侧壁。反之，射线R₄有较大机率射向透光载体210的第三表面213中未被发光层240覆盖的区域。故而降低射线R₄被发光层240吸收的机率以及数量。

本实施例中，透光载体的第三表面213的面积不小于第一表面221与第二表面222中任一者的面积。且第四表面214的面积大于发光层240的面积，优选地，第四表面214与发光层240的面积的比值不小于1.6，亦即，当透光基板210与发光层240的形状皆为正方形时，其边长的比值约大于1.26。优选地，透光载体210与发光层面积的比值介于4～8。

第三表面213与第四表面214的面积可以不同，优选地，其二者皆应大于发光层240的面积。若第三表面213的面积大于第四表面214的面积，则透光载体210为倒梯形(inverted-trapezoid)；反之，若第三表面213的面积小于第四表面214的面积，则透光载体210为梯形(trapezoid)或平截头体(frustum)，如图3A与3B所示。

若透光载体210为梯形(trapezoid)或平截头体(frustum)时，其侧表面为一斜面，如图3A所示。于本实施例中，照射至透光载体210的斜侧表面的射线R₅，由于此侧表面倾斜Θ_A角度，使得射线R₅较容易进入临界角Θ_C的范围内，而可以逃离透光载体210。详细说明可以参考本发明申请人的第200610004596.8号申请案。

第一表面221与第四表面214间的面积可以逐渐变大。如图3B所示，透光基板220与透光载体210的整体外轮廓为一梯形，如上所述，其亦有助于光逃离透光基板220与透光载体210的侧表面。

透光载体210的侧表面并不限于平面，亦可以为弧面状，如图3C所示。弧状侧表面亦有助于光逃离透光载体210的侧表面。

如上所述，第一表面221与第二表面222的面积可以不同，然而，其皆须小于第三表面213的面积。若第一表面221的面积大于第二表面222的面积，则透光基板220为倒梯形；反之，若第一表面221的面积小于第二表面222的面积，则透光基板220为梯形。此二种形状分别有助于某些角度的被反射朝向发光区240的光线逃离发光结构，形状的选择可以视透光基板220的厚度而定。

光线在照射透光载体210与环境空气的界面时，可能会遭遇全反射的问题。若此界面为粗糙或不平整，则光线在此界面上会被散射，所以，遭遇全反射的光线减少，光摘出效率因而提高。如图4所示，第三表面213不为发光层240覆盖的部分形成为粗糙面。粗糙面形成区域并不限于第三表面，透光载体210的侧表面亦可以形成为粗糙面。此外，与电极260或270或二者直接接触且不为其所覆盖的表面亦可以形成为粗糙面以增加光摘出效率。

若透光基板220为蓝宝石(sapphire)，第一电性半导体层230与第二电性半导体层250可以为III-V族氮化物半导体所构成。由于蓝宝石为绝缘体，为了形成电通路，电极260与270形成于发光装置的同侧。

本发明的透光基板220的材料亦可以为导体，如：SiC、GaP、GaAsP、或ZnSe。此时，相应的第一电性半导体层230与第二电性半导体层250的材料如：AlGaInP系列。若使用上述的材料，电极260与270可以分别位于发光层240的相异侧。于特定结构下，电极260与270亦可以形成于导电的透光基板220的同侧。

此外，若使用AlGaInP系列材料形成半导体层230与250时，亦可以使用胶结合方式以将透明基板与半导体层相结合，移除生长基板后，再将透明基板固定至透光载体210上。

上述的透明基板的材料包含但不限于SiC、GaP、或蓝宝石。上述胶结合所使用的材料包含但不限于SOG、硅树脂(silicone)、BCB、环氧树脂(epoxy)、聚亚酰胺(polyimide)、PFCB、或上述材料的组合。

由于来自于发光层240的光线必须透过透光基板220射入透光载体210内，因此，用以结合透光基板220与透光载体210的结合材料对于来自于发光层240的光线必须相对透明。此结合材料包含但不限于SOG、silicone、BCB、环氧树脂(epoxy)、聚亚酰胺(polyimide)、PFCB、或上述材料的组合。

透光载体210的材料包含但不限于蓝宝石、SiC、GaP、GaAsP、ZnSe、或CVD钻石。CVD钻石的热膨胀系数约为1.1ppm/K、热传导系数约为20.0W/cmK。透光载体210与透光基板220间的热膨胀系数差值优选地小于或等于10×10^-6/℃，如此可以避免透光载体210与透光基板220的结合面因受热而发生剥离。

图5A与5B为显示不同发光波长的发光二极管管芯相对于透光载体的面积比与功率比的关系图。

将14mil、主波长约为593nm的裸黄光管芯以BCB分别固定至14mil、22mil、30mil、与40mil的蓝宝石载体上。当蓝宝石载体与裸黄光管芯的面积比达到约4.6倍时，相较于裸黄光管芯，连接至蓝宝石载体的裸黄光管芯的功率可以提升至约1.8倍，如图5A中圆点所示。若于裸黄光管芯上覆盖环氧树脂后，连接至蓝宝石载体的裸黄光管芯的功率可以提升至约1.4倍，如图5A中方点所示。其中蓝宝石载体的厚度为120μm。

将15mil、主波长约为462nm的裸蓝光管芯以BCB分别固定至15mil、18mil、22mil、30mil、与40mil的蓝宝石载体上。相较于裸蓝光管芯，连接至蓝宝石载体的裸蓝光管芯的功率皆可以获得提升，于现有的实验中，功率比可以超过1.3倍，如图5B中圆点所示。若于裸蓝光管芯上覆盖环氧树脂后，连接至蓝宝石载体的裸蓝光管芯的功率可以提升至约1.25倍，如图5B中方点所示。其中蓝宝石载体的厚度为120μm。

如上所述的结构可以适用于发光二极管封装中。如图6所示，将组合完成的发光结构与透光载体210通过银胶或透明胶(未显示)固定于基座300中。透光载体210之下尚可以形成反射层(未显示)以反射光线。利用导线303与304将正电极与负电极连接至正极与负极支架302与301。上述结构中尚可以覆盖封装材料。荧光粉体可以掺杂于封装材料中或覆盖于发光二极管管芯上以转换发光二极管管芯的原始色光。封装材料包含但不限于环氧树脂、压克力、硅树脂(silicone)、或上述材料的组合。

上述封装结构中，透光载体210可以先设置于基座300后再与发光结构结合，如此使用一般市面上可以取得的发光二极管管芯便可以完成本发明的发光装置。

虽然本发明已通过各实施例说明如上，然其并非用以限制本发明的范围。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims (27)

1.一种半导体发光装置，包含：

发光结构，包含：

发光层，位于n型半导体层与p型半导体层之间；

透光基板，具有相对的第一表面与第二表面，该第一表面较该第二表面接近该发光层；及

透光载体，用以承载该发光结构，并可与该发光结构相区别，该透光载体具有相对的第三表面与第四表面，该第三表面较该第四表面接近该发光层；

其中，该第三表面的面积不小于该第一表面与该第二表面中任一者的面积，该第四表面与该发光层的面积的比值不小于1.6。

2.如权利要求1所述的半导体发光装置，还包括：

第一结合层，用以结合该发光层与该透光基板。

3.如权利要求1所述的半导体发光装置，还包括：

第二结合层，用以结合该发光结构与该透光载体。

4.如权利要求2或3所述的半导体发光装置，其中该第一结合层与该第二结合层的材料分别择自SOG、硅树脂、BCB、环氧树脂、聚亚酰胺、及PFCB所构成的组。

5.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第一表面的面积不小于该发光层的面积。

6.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第二表面的面积不小于该发光层的面积。

7.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第四表面的面积大于该第三表面的面积。

8.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第四表面的面积大于该第三表面的面积，该第三表面的面积大于该第二表面的面积，该第二表面的面积大于该第一表面的面积。

9.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第二表面的面积大于该第一表面的面积，该第四表面的面积大于该第三表面的面积，且第二表面与第三表面的面积实质上相同。

10.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第一表面的面积大于该第二表面的面积。

11.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第三表面未为该发光结构覆盖的部分包含不平整表面。

12.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第三表面未为该发光结构覆盖的部分包含粗糙表面。

13.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该发光结构还包括电极，位于该发光结构相对于该透光载体的一侧。

14.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该发光结构还包括二个电极，位于该发光结构的同一侧，并分别电连接至该n型半导体层与该p型半导体层。

15.如权利要求13或14所述的半导体发光装置，其中该发光结构与该电极相邻且未为该电极覆盖的表面包含不平整表面。

16.如权利要求13或14所述的半导体发光装置，其中该发光结构与该电极相邻且未为该电极覆盖的表面包含粗糙表面。

17.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透光载体为平截头体。

18.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透光载体还包括弧形侧表面。

19.如权利要求1所述的半导体发光装置，还包括：

反射体，位于该透光载体相对于该发光结构的一侧，并用以反射行经该透光载体内部的光。

20.如权利要求1所述的半导体发光装置，还包括：

基座，用以支撑该透光载体；

荧光材料，用以转换该发光层所发出的光的波长；及

封装材料，覆盖于该发光结构之上。

21.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透光基板与该透光载体的热膨胀系数的差值不大于10×10^-6/℃。

22.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透光基板的材料择自蓝宝石、SiC、GaP、GaAsP、ZnSe、与CVD钻石所构成的组。

23.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透光载体的材料择自蓝宝石、SiC、GaP、GaAsP、ZnSe、钻石、与CVD钻石所构成的组。

24.一种发光二极管封装结构，包含：

正极支架；

负极支架；

基座；及

透光载体，设置于该基座上，并用以承载发光二极管管芯。

25.如权利要求24所述的发光二极管封装结构，还包括：

反射结构，设置于该透光载体与该基座之间，用以反射来自于该发光二极管管芯的光线。

26.如权利要求24所述的发光二极管封装结构，还包括：

封装材料，覆盖于该基座之上，以保护该发光二极管管芯。

27.如权利要求24所述的发光二极管封装结构，还包括：

波长转换材料，设置于该发光二极管管芯之上，以改变该发光二极管管芯所发光线的波长。

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