CN101276871B

CN101276871B - 光电元件、背光模块装置和照明装置

Info

Publication number: CN101276871B
Application number: CN2008100830172A
Authority: CN
Inventors: 林鼎洋; 欧震; 赖世国
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: CN101276871A

Abstract

本发明公开了一种光电元件，特别是一种发光二极管管芯的光电元件。该发光二极管管芯具有基板，此基板之上有多层外延层结构；其包括第一导电性半导体层、有源层及第二导电性半导体层，多层外延层结构之上有第一欧姆接点金属电极层、第二欧姆接点金属电极层、第一钉线电极及第二钉线电极；且此二钉线电极位于同一水平面。或者，第一欧姆接点金属电极层更具有图案，用以使电流均匀分散至管芯整体。本发明还公开了包含该光电元件的背光模块装置和照明装置。

Description

光电元件、背光模块装置和照明装置

技术领域

本发明涉及一种光电元件，特别是关于一种发光二极管管芯的光电元件。

背景技术

发光二极管是光电元件中一种被广泛使用的光源。相较于传统的白炽灯泡或荧光灯管，发光二极管具有省电及使用寿命较长的特性，因此逐渐取代传统光源，而应用于各种领域，如交通信号标志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。

随着元件发光效率提高及电路设计因模块化而渐趋简单，发光二极管管芯尺寸有增加的趋势。当发光二极管管芯尺寸变大时，在固定电流密度操作下，经由电极输入的电流也相对变大，因此目前高功率发光二极管管芯的电极设计，是在其四个角落或四周边缘增加多个附属电极，如图5所示。但此附属电极的设计，若于封装时使用共晶结合(eutectic bonding)技术，常有无法完全结合的现象产生，因而造成电流拥挤(current crowding)及电压不稳等问题。若使用引线结合(wire bonding)技术，则需多次引线结合步骤，增加封装的复杂度。

发明内容

本发明提供一种光电元件，其中第一钉线电极可通过连沟道与第一导电性半导体层电性连结。

本发明提供一种光电元件，其中第一钉线电极与第二钉线电极之间被隔绝沟槽所隔离，且二者位于同一水平面上。

本发明提供一种光电元件，其中第一钉线电极与第二钉线电极所在的平面与该发光二极管管芯相交的部分界定管芯面，该第一钉线电极覆盖于该管芯面的几何中心上，该第二钉线电极与该几何中心之间有预定距离。此结构不仅适用于各种封装结合技术，更有降低正向电压(forward Voltage)与提高发光效率(luminous Efficiency)的优点。

本发明更提供一种光电元件，包含多层外延层，具有第一电性半导体层、有源层与第二电性半导体层，且第一电性半导体层具有连沟道，用以电性连结位于第一电性半导体层两侧的第一欧姆接点金属电极层与第一钉线电极；其中第一欧姆接点金属电极层，具有由连沟道所延伸出去的各种图案，用以分散电流至整体元件。

附图说明

图1、2、3为显示依本发明一实施例的高亮度发光二极管管芯的制造流程。

图4A为显示依本发明p型欧姆接点金属电极层的上视图。

图4B至图4D为显示依本发明第一钉线电极及第二钉线电极的上视图。

图5为显示已知钉线电极结构的上视图。

图6显示依本发明的高亮度发光二极管管芯与已知发光二极管管芯的正向电压差异。

图7显示依本发明的高亮度发光二极管管芯与已知发光二极管管芯的发光效率的差异。

图8为本发明另一实施例的高亮度发光二极管管芯的结构图。

图9A至9D为连沟道位置位于中心的图案设计的实施例。

图10A和10B为连沟道位置于角落的图案设计的实施例。

图11A至11C为连沟道位置于侧边的图案设计的实施例。

图12为具有两个连沟道位置的图案设计的实施例。

图13为本发明实施例的背光模块装置。

图14为本发明实施例的照明装置。

附图标记说明

10：透明基板； 12：黏结层 14：p型欧姆接点外延层

16：上包覆层 18：有源层 20：下包覆层

22：蚀刻终止层 24：不透光基板 26：反射层

30：p型欧姆接点金属电极层 31A：连沟道

31B：隔绝沟槽 32：第一金属钉线电极

33：n型欧姆接点金属电极层 34：第二金属钉线电极

100、200：管芯面 900、501、502：连沟道位置

901：环状图案 902：螺旋状图案

903、905、906、911、912、913、921、923、924、925：指状部

511、512：环状图案 930：中心

931、932、933、934：侧边 941、942、943、944：角落

904、914、922、926：延伸部 700：背光模块装置

710：光源装置 711：光电元件 720：光学装置

730：电源供应系统 800：照明装置 810：光源装置

811：光电元件 820：电源供应系统 830：控制元件

具体实施方式

本发明披露一种发光二极管管芯及其制造方法。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图1至图14的图示。

请参考图1以说明本发明所提供的实施例。图1所示的发光二极管管芯的外延结构包括堆叠的不透光基板24，其材料例如为n型砷化镓(GaAs)、蚀刻终止层(Etching Stop Layer)22、下包覆层(Lower Cladding Layer)20，其材料例如为n型磷化铝镓铟(n-type(Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P)、有源层(Active Layer)18，其材料例如为磷化铝镓铟((Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P)、上包覆层(Upper CladdingLayer)16，其材料例如为p型磷化铝镓铟(p type-(Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P)、以及p型欧姆接点外延层(Ohmic Contact Epitaxy Layer)14。虽然本实施例是以磷化铝镓铟(AlGaInP)系列的外延层为例，但本发明并不局限于此，上述的多层外延层结构也可以是各种不同材料的半导体外延层所组成，例如是氮化镓(GaN)系列的半导体外延层。此外，在p型欧姆接点外延层14上形成p型欧姆接点金属电极层30。p型欧姆接点外延层14的材料可以是砷化铝镓、磷化铝镓或磷砷化镓，只要其能隙大于有源层18，不会吸收有源层产生的光，且具有高载流子浓度以利形成欧姆接点即可。蚀刻终止层22的材料可以是任何III-V族元素的化合物半导体，只要其晶格常数可以和不透光基板24大致上相匹配，且蚀刻速率远低于不透光基板24即可。本实施例中的蚀刻终止层22的较佳材料为磷化铟镓(InGaP)或砷化铝镓(AlGaAs)。此外，若下包覆层20的蚀刻速率远低于不透光基板24，只要其具有足够厚度，即可以作为蚀刻终止层，因而无需另一层蚀刻终止层。

本发明另提供如图2所示的结构，此结构包括透明基板10和黏结层12。透明基板10的材料可为蓝宝石(Sapphire)、玻璃(Glass)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌硫(ZnSSe)或碳化硅(SiC)。黏结层12可为高分子黏结层，其材料可为环氧树脂(Epoxy)、聚酰亚胺(Polyimide；PI)、过氟环丁烷(Perfluorocyclobutane；PFCB)、苯并环丁烷(Benzocyclobutene；BCB)、旋涂式玻璃(Spin-on glass；SOG)或硅树脂(Silicone)。此外，透明基板10也可以为其它基板所取代，例如硅(Si)基板、氧化锌(ZnO)基板、氧化镁(MgO)基板、氮化铝(AlN)基板或铜(Cu)基板等金属基板或散热基板；黏结层12也可是银胶、或包含有自发性导电高分子的导电材料、或包括铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡、钛、铅、铜、钯或上述材料的导电材料。

接着，使p型欧姆接点金属电极层30面对黏接层12，将如图1所示具有p型欧姆接点金属电极层30的发光二极管黏接于如图2所示的透明基板10，再以蚀刻液(例如5H₃PO₄:3H₂O₂:3H₂O或1NH₄OH:35H₂O₂)去除不透光基板24以裸露下包覆层20。若使用InGaP或AlGaAs作为蚀刻终止层22，因其仍会吸收有源层产生的光，所以也须以蚀刻液去除。

界定管芯面为该发光二极管管芯与第一钉线电极及第二钉线电极所在的平面相交的部分，如图3所示的管芯面100。接着形成连沟道31A与隔绝沟槽31B，其中该连沟道31A(宽约1-3mil)是利用二次光刻及蚀刻技术将下包覆层20、有源层18、上包覆层16及p型欧姆接点外延层14依序自管芯面100向下蚀刻至暴露p型欧姆接点金属电极层30为止；该隔绝沟槽31B(宽约0.2-1mil)同样是依序蚀刻至至少移除部分上包覆层16。以铝或金填满连沟道31A后，于该管芯面100的几何中心上形成第一钉线电极32，且该第一钉线电极32可通过连沟道31A与p型欧姆接点金属电极层30电性连结；并于与该几何中心的预定距离的处形成n型欧姆接点金属电极层33和第二钉线电极34，且第一钉线电极32与第二钉线电极34之间被隔绝沟槽31B所隔绝。

图4A为图1所示发光二极管的上视图。图4B至图4D所示为其他各实施例的第一钉线电极32及第二钉线电极34的上视图。其中，图4B的第一钉线电极32与第二钉线电极34二者同样位于管芯面100，第一钉线电极32位于该管芯面的几何中心上，第二钉线电极34与该几何中心之间有预定距离。此外，第一钉线电极32与第二钉线电极34二者所占面积总和小于该管芯面100面积的15％；此种钉线电极结构适用于直立式发光二极管。

在图4C、4D中，第一钉线电极32与第二钉线电极34二者亦同样位于该管芯面100，第一钉线电极32位于该该管芯面的几何中心上，第二钉线电极34与该几何中心之间有预定距离。此外，第一钉线电极32与第二钉线电极34二者所占面积总和占该管芯面100面积的65-80％；此种钉线电极结构较适用于倒装焊发光二极管。

为增加倒装焊发光二极管出光效率，更可于下包覆层20与第一钉线电极32及第二钉线电极34之间增加反射层26，该反射层上具有管芯面200，该管芯面具有几何中心，如图8所示。其中该连沟道31A(宽约1-3mil)是利用二次光刻及蚀刻技术将反射层26、下包覆层20、有源层18、上包覆层16及p型欧姆接点外延层14依序自管芯面向下蚀刻至暴露p型欧姆接点金属电极层30为止；该隔绝沟槽31B(宽约0.2-1mil)同样是依序蚀刻至至少移除部分上包覆层16。以铝或金填满连沟道31A后，于反射层上的管芯面200几何中心处形成第一钉线电极32，且该第一钉线电极32可通过连沟道31A与p型欧姆接点金属电极层30电性连结；并于反射层上的管芯面200的预定距离处形成n型欧姆接点金属电极层33和第二钉线电极34，且第一钉线电极32与第二钉线电极34之间被隔绝沟槽31B所隔绝。

现分别以具有已知钉线电极结构(图5)及本发明钉线电极结构一实施例(图4C)的发光二极管量测其正向电压(Forward Voltage，Vf)及发光效率(Luminous Efficiency，lm/W)，其结果如图6、7所示。当在350mA测试时，正向电压由2.75V降到2.32V(约15％)；发光效率由23.7lm/W提升到34.8lm/W(效率增加50％)，可明显看出本发明所提供的发光二极管结构具较低的正向电压，且有较高的发光效率。

本发明更进一步就p型欧姆接点金属电极层30设计各种不同的图案，使电流分布更为均匀。图9A所示为p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面，包括中心930、四个侧边931、932、933、934与四个角落941、942、943、944。如图9A至9D所示，为连沟道位置900位于p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面的中心930位置为例，其中连沟道位置900与连沟道31A(如图8所示)为电性连结。图9A为具有环绕连沟道位置900的环状图案901，其中环状图案901可由一个或多个封闭的环状图案所形成。当为多个环状图案时，亦可透过一个或数个连接臂910连接此多个环状图案。图9B所示的螺旋状图案902，为环绕连沟道位置900而向外延伸的螺旋状图案902。图9C为具有以连沟道位置900为中心，向p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面的四个角落941、942、943与944所延伸形成的指状部903，以及其他由指状部903所延伸出去的延伸部904。图9D为以连沟道位置900为中心，电性连接具有平行或垂直于p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面的四个侧边931、932、933与934的指状部905与906，如图所示也可更进一步形成网状图案。

如图10A和10B所示，以连沟道位置900位于p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面的四个角落的其中一个角落为例，而设计出来的几个不同的图案，使电流更加均匀的分散至整体元件。其中，图10A所示的图案为具有平行或垂直侧边931、932、933与934，而向对边延伸的指状部911与912，并且与连沟道位置900做电性连结。图10B所示的图案为具有以连沟道位置900为起点，向连沟道位置900所在的角落941的相对角位置的角落943延伸，而形成的指状部913以及其他自指状部913向侧边931、932、933、934延伸出去的延伸部914。

如图11A至11C所示，是以连沟道位置900位于p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面的四个侧边的其中一侧边的中心位置为例，而设计出来的几个具有不同图案的电极，以达成均匀分散电流的目的。其中，如图11A所示的图案，包含指状部921是以连沟道位置900为起点，向连沟道位置900所在的侧边931的对面侧边933延伸，以及其他连接指状部921且向角落941、942、943与944所延伸而形成的延伸部922。图11B所示的图案，为具有以连沟道位置900为起点，沿着侧边931分别上下延伸出去，再各别沿着侧边932与934延伸，所形成的包覆型的指状部923与924，而构成如图11B所示的双臂型的图案。图11C所示的图案，为具有以连沟道位置900为起点，向p型欧姆接点金属电极层30所形成的平面中与连沟道位置900相距最远的两个角落943、944，而延伸出去的指状部925，以及其他与指状部925电性连接的延伸部926。

图12是本发明的另一实施例，为具有两个连沟道(图未示)和与连沟道电性连接的连沟道位置501、502，以及两个环状图案511、512。当然本发明的任何实施例，并不会局限于连沟道的数量，可以是单个或多个。而且p型欧姆接点金属电极层与n型欧姆接点金属电极层所设计的图案，可以是完全不重叠而上下交错的设计、部分不重叠而上下交叉的设计或完全重叠的设计。

图13显示背光模块装置。其中背光模块装置包含：由上述任意实施例的光电元件711所构成的光源装置710；光学装置720置于光源装置710的出光路径上，负责将光做适当处理后出光；以及电源供应系统730，提供上述光源装置710所需的电源。

图14显示照明装置。上述照明装置可以是车灯、街灯、手电筒、路灯、指示灯等等。其中照明装置包含：光源装置810，是由上述任意实施例的光电元件811所构成；电源供应系统820，提供光源装置810所需的电源；以及控制元件830以控制电源供应系统820输入光源装置810的电源。

虽然本发明已以优选实施例说明如上，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

1.一种光电元件，由发光二极管管芯所构成，该光电元件包含：

透明基板；

多层磷化铝镓铟外延层结构，位于该透明基板上方，其中该多层磷化铝镓铟外延层结构包括第一导电性半导体层、有源层及第二导电性半导体层；

第一欧姆接点金属电极层，与该第一导电性半导体层电性连结；

第二欧姆接点金属电极层，与该第二导电性半导体层电性连结；以及

第一钉线电极及第二钉线电极，位于该多层磷化铝镓铟外延层结构上方的平面上，该发光二极管管芯与该平面相交的部分界定管芯面，该第一钉线电极覆盖于该管芯面的几何中心上，该第二钉线电极与该几何中心之间有预定距离，

其中，该第二导电性半导体层的能隙大于该有源层，

该第一钉线电极通过连沟道与该第一导电性半导体层电性连结，

该第一钉线电极与该第二钉线电极之间被隔绝沟槽所隔离，且该隔绝沟槽将该有源层中的一部分隔离成二分离部分。

2.如权利要求1所述的光电元件，其中该透明基板可通过透明黏结层与该多层磷化铝镓铟外延层结构黏结，且该透明黏结层的材料可为环氧树脂、聚酰亚胺、过氟环丁烷、苯并环丁烷、旋涂式玻璃或硅树脂。

3.如权利要求1所述的光电元件，其中该多层磷化铝镓铟外延层结构与该第一钉线电极、该第二钉线电极之间还包含反射层。

4.如权利要求1所述的光电元件，其中该第一钉线电极及该第二钉线电极二者所占面积总和小于该管芯面面积的15％；或占该管芯面面积的65-80％。

5.一种光电元件，包含：

多层外延层，包含第一电性半导体层、有源层与第二电性半导体层；

第一欧姆接点金属电极层，位于该第一电性半导体层的一侧且具有第一图案；

第一钉线电极，位于该第一电性半导体层的另一侧而与该第一欧姆接点金属电极层相对；以及

连沟道，通过该第一电性半导体层，使该第一欧姆接点金属电极层与该第一钉线电极电性连结，其中该连沟道电性连接该第一图案，

其中，该第二导电性半导体层的能隙大于该有源层。

6.如权利要求5所述的光电元件，其中该第一图案具有连沟道位置与该连沟道电性连接，且该第一欧姆接点金属电极层所形成的平面具有中心、四个角落与四个侧边，其中该连沟道位置位于该中心的位置。

7.如权利要求6所述的光电元件，其中该第一图案为单个或多个环状图案，连接并环绕该连沟道位置；或该第一图案为螺旋状图案，连接并环绕该连沟道位置；或该第一图案具有指状部，连接该连沟道位置并向该四个角落其中之一延伸；或该第一图案具有指状部，连接该连沟道位置并沿着该四个侧边其中之一平行或垂直延伸；或该第一图案为网状图案。

8.如权利要求5所述的光电元件，其中该第一图案具有连沟道位置与该连沟道电性连接，且该第一欧姆接点金属电极层所形成的平面具有中心、四个角落与四个侧边，其中该连沟道位置位于该四个角落中的第一角落的位置。

9.如权利要求8所述的光电元件，其中该第一图案具有指状部连结该连沟道位置；该指状部与该侧边平行或垂直而延伸，或朝与该第一角落相对的角落的方向延伸。

10.如权利要求5所述的光电元件，其中该第一图案具有连沟道位置与该连沟道电性连接，且该第一欧姆接点金属电极层所形成的平面具有中心、四个角落与四个侧边，其中该连沟道位置位于该四个侧边中的第一侧边的位置。

11.如权利要求10所述的光电元件，其中该第一图案具有指状部连接该连沟道位置；该指状部沿着该第一侧边上下平行延伸出去而形成双臂图案，或向与该第一侧边相对的另一侧边延伸；或向与该连沟道位置相距较远之一角落延伸。

12.如权利要求5所述的光电元件，还包含第二欧姆接点金属电极层，电性连结该第二电性半导体层与第二钉线电极，其中该第二欧姆接点金属电极层具有第二图案。

13.如权利要求12所述的光电元件，其中该第一图案与该第二图案可以是完全不重叠而交错、部分重叠而交叉、或完全重叠。

14.如权利要求5所述的光电元件，其中该连沟道可以是单个或多个。

15.一种背光模块装置，包含：

光源装置，由权利要求1～14任意一项所述的光电元件所组成；

光学装置，置于该光源装置的出光路径上；以及

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源。

16.一种照明装置，包含：

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源；以及

控制元件，控制该电源输入该光源装置。