CN101494263B

CN101494263B - 发光元件

Info

Publication number: CN101494263B
Application number: CN2008100085644A
Authority: CN
Inventors: 谢明勋; 许嘉良
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: CN101494263A

Abstract

本发明公开了一种发光元件，包含第一透光层；发光叠层，形成于该第一透光层上；第二透光层，形成于发光叠层上；以及图案化接触结构，至少形成于发光叠层及该第一透光层之间或发光叠层及第二透光层之间，且图案化接触结构与发光叠层形成电连接；其中第二透光层的厚度与第一透光层的厚度比值介于0.1至10之间。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件，尤其涉及一种发光二极管元件。

背景技术

现今的半导体发光元件，例如发光二极管(light-emitting diode，LED)，因具备质轻、尺寸小、低耗电等特性，加上其发光效率不断的提升，已成为近年来受重视的光源之一。发光二极管是一种将电能转换成光能的发光元件，其结构基本上为p-n二极管，在p-n结两端施加偏压通入电流以后，利用电子与空穴的结合而发光。为了使发光二极管具有较高的可靠度及较低的能源消耗，必须提升其发光效率。

一般而言，发光二极管的发光效率又称为元件的外量子效率(externalquantum efficiency)，为元件的内量子效率(internal quantum efficiency)与光取出效率的乘积。所谓内量子效率为元件的电光转换效率，其取决于元件的材料特性与品质。另外，光取出效率则取决于元件的结构、光吸收及折射率。传统上，是利用提高外延品质或改变外延结构，使电能不易转成热能，以提高内量子效率。然而，为了进一步提升发光二极管的发光效率，提升元件的光取出效率便成为另一重要的考量因素。

由Snell定律的关系可知，光只有在临界角θ_c内才可以完全射出，超过此临界角外的光线则会被反射而可能被吸收。换言之，当发光二极管所发出的光由折射率高的材料进入折射率低的介质中时，由发光二极管发光层内部所产生的光线，需在2θ_c的圆锥形才可顺利射出到发光二极管外部，也就是发光二极管所发出的光由高折射率的发光二极管外延层进入低折射率的介质环境中，例如基板或空气等，发光二极管发光层内部所产生的光线部分会经由折射进入介质环境中，而另一部分入射角大于临界角的入射光线则被反射回发光二极管外延层。由于发光二极管外延层周围环境皆为低介质材料，因此反射光线经由内部来回反射后，部分光线会被吸收或完全消失。

发明内容

在一实施例中，提供一种发光元件，包含第一透光层；发光叠层，形成于第一透光层上；第二透光层，形成于发光叠层上；图案化接触结构，形成于发光叠层及第一透光层或发光叠层及第二透光层任一之间，图案化接触结构与发光叠层形成电连接；其中第二透光层的厚度与第一透光层的厚度比值介于0.1至10之间。

附图说明

图1A-1C为示意图，显示依本发明第一实施例的发光元件；

图2为示意图，显示依本发明第二实施例的发光元件；

图3为示意图，显示依本发明第三实施例的发光元件；

图4为示意图，显示依本发明第四实施例的发光元件；

图5为示意图，显示依本发明第五实施例的发光元件；

图6为示意图，显示依本发明第六实施例的发光元件；

图7为示意图，显示利用本发明实施例的发光元件组成的光源产生装置；

图8为示意图，显示利用本发明实施例的发光元件组成的背光模块。

附图标记说明

10、20、30、40、50、60发光元件 100、300第一透光层；

110、410、610第一透明粘结层 120、320第一图案化接触结构

121第一图案化接触层 122第二图案化接触层

130、330第一半导体层 140、340发光层

150、350第二半导体层 160、360第二透光层

171、371、571第一电极 172、372第二电极

210、411、611第二透明粘结层 370第一欧姆接触结构

70光源产生装置 710光源

720电源供应系统 730控制元件

80背光模块 810光学元件

具体实施方式

图1A绘示第一实施例的发光元件10的结构剖面图。发光元件10，例如发光二极管(LED)，包含：第一透光层100、第一透明粘结层110、第一图案化接触结构120、第一半导体层130、发光层140、第二半导体层150、第二透光层160、以及第一、第二电极171及172；其中第二透光层160上表面及侧面是粗糙面，第一半导体层130与第一透明粘结层110接合面也是粗糙面；第二透光层160的厚度与该第一透光层100的厚度比值介于0.1至10之间，其中第一透光层厚度可以介于100～170μm，第二透光层厚度可以介于10～1700μm之间。在本实施例中，第一透光层的厚度为100μm，第二透光层的厚度为50μm。

在本实施例的制造方法中，发光元件10中各外延层利用例如有机金属化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)或分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy；MBE)等方法，在生长基板(未绘示)上形成外延结构，该外延结构依序为第一半导体层130、发光层140、第二半导体层150、以及第二透光层160，第二透光层160利用外延方法生长一层厚半导体层，其厚度约介于30-50μm，通过厚半导体层透光特性使得由发光层130发出的光通过第二透光层160摘出。

待外延结构完成后，接着再进行接合步骤，首先将外延结构中第二透光层160以接合方式与暂时基板(未绘示)接合，接着移除生长基板，裸露出第一半导体层130，再以黄光蚀刻方法将第一半导体层130裸露的表面粗糙化。接着形成第一图案化接触结构120，在本实施例中，第一图案化接触结构120包含有第一图案化接触层121，以及第二图案化接触层122，如图1B-1C所示，其是以黄光蚀刻的方法分别于第一透光层100及第一半导体层130上形成上述的第一图案化接触层121，以及第二图案化接触层122；第一图案化接触层121及第二图案化接触层122分别为条状排列，其分别与第一透光层100及第一半导体层130之间形成电连接；再以第一透明粘结层110将第一透光层100与外延结构的第一半导体层130接合，其中部分或全部第一图案化接触层121及第二图案化接触层122穿过第一透明粘结层110接触，而彼此形成电连接，其接触方式可以彼此重叠相接触，或者以一夹角交错接触；接着移除暂时基板，再以黄光蚀刻方法将第二透光层160裸露的表面粗糙化。最后分别于第一透光层100及第二透光层160上形成第一、第二电极171及172。

前述的第一图案化接触结构120亦可以是仅于第一透光层100或第一半导体层130中之一面上形成的图案化接触层，其部分或全部穿过第一透明粘结层110与第一半导体层130或第一透光层100形成电连接。

在本实施例的再一制造方法中，发光元件10中各外延层在生长基板上依序形成第二透光层160、第二半导体层150、发光层140、以及第一半导体层130，第二透光层160为一厚半导体层；待外延结构完成后，再以黄光蚀刻的方法将第一半导体层130裸露的表面粗糙化。接着以黄光蚀刻的方法分别于第一透光层100及第一半导体层130上形成上述的第一图案化接触层121，以及第二图案化接触层122，其分别与第一透光层100及第一半导体层130之间形成电连接；再来以第一透明粘结层110将第一透光层100与外延结构的第一半导体层130接合，其中第一图案化接触层121及第二图案化接触层122会部分或全部穿过第一透明粘结层110而彼此形成电连接；接着移除生长基板，裸露出第二透光层160，再以黄光蚀刻方法将第二透光层160的表面粗糙化；最后分别于第一透光层100及第二透光层160上形成第一、第二电极171及172。

在本实施例的又一制造方法中，发光元件10中各外延层在生长基板(未绘示)上依序形成第二半导体层150、发光层140、以及第一半导体层130；待外延结构完成后，接着以黄光蚀刻的方法分别于第一透光层100及第一半导体层130上形成上述的第一图案化接触层121，以及第二图案化接触层122，其分别与第一透光层100及第一半导体层130之间形成电连接；再来以第一透明粘结层110将第一透光层100与外延结构的第一半导体层130接合，其中第一图案化接触层121及第二图案化接触层122会部分或全部穿过第一透明粘结层110形成电连接；接着移除生长基板，裸露出第二半导体层150。

在移除生长基板之后，再将第二透光层160以接合方式与第二半导体层150接合，其中第二透光层160与第二半导体层150接合的方式可以是直接加压方式接合，第二透光层160与第二半导体层150之间形成接合面；或者如图2所示的第二实施例，发光元件20，以导电第二透明粘结层210将第二透光层160与第二半导体层150粘结，第二半导体层150与第二透明粘结层210之间形成第一接合面，第二透光层160与第二透明粘结层210之间形成第二接合面；其中第二透光层160与第二半导体层150之间形成电连接。于上述的发光元件中，若因接合面接触不良或第二透明粘结层210为绝缘材料造成电流无法导通，则可于第二透光层160与第二半导体层150之间再形成第二图案化接触结构220，其穿过第二透明粘结层210，分别与第二透光层160及第二半导体层150形成电连接。

上述的制造方法中，当生长基板是透光且导电的材料时，生长基板即可作为第二透光层160，不须再增加一道形成第二透光层160的步骤，且在接合步骤完成后，不需移除生长基板，可直接于其上形成第二电极。

本实施例中第一图案化接触结构120的制造方法，除了前述的制造方法之外，第一图案化接触结构120亦可以黄光蚀刻方法预先形成于第一透光层100上，经由接合步骤后，其穿过第一透明粘结层110，与第一半导体层130形成电连接；亦或以黄光蚀刻方法将第一图案化接触结构120预先形成于第一半导体层130上，经由接合步骤后，其穿过第一透明粘结层110，与第一透光层100形成电连接。

于上述实施例中，发光层140具有下表面，第一透光层100具有上表面及下表面，其中发光层140的下表面与第一透光层100的上表面间的距离较发光层140的下表面与第一透光层100的下表面间的距离为小。第一透光层100的上表面面积大于发光层140的下表面面积，其比值须不小于1.4，以提高光摘出效率。另外于第一透光层100下表面上可再形成反射层，由发光层140发出的光射向反射层，再经由反射层反射回出光侧摘出。

图3绘示第三实施例的发光元件30的结构剖面图。发光元件30，包含：第一透光层300、第一图案化接触结构320、第一半导体层330、发光层340、第二半导体层350、第二透光层360、以及第一、第二电极371及372。在本实施例中，第一透光层300的厚度约为250μm，第二透光层360的厚度约为250μm，与第一透光层300的厚度比值为1。

在实施例中，发光层340具有下表面，第二透光层360具有上表面及下表面，其中发光层340的下表面与第二透光层360的上表面间的距离较发光层340的下表面与第二透光层360的下表面间的距离为小。第二透光层360的上表面面积大于发光层340的下表面面积，且其比值不小于1.4。

在本实施例的制造方法中，选择透光绝缘的第二透光层360做为生长基板，并于其上形成外延结构，依序为第二半导体层350、发光层340、第一半导体层330，其中各外延层的制造方法可与发光元件10相同。

待外延结构完成后，于第一半导体层330上以黄光蚀刻的方法形成第一图案化接触结构320，其与第一半导体层330之间形成电连接；接着再进行接合步骤，以由透光导电材料组成的第一透光层300与外延结构的第一半导体层330直接加压接合，使第一透光层300与第一半导体层330之间形成接合面。

接着，在形成电极的步骤中，由于第二透光层360为绝缘，此时需以蚀刻方法将第一透光层300、第一半导体层330及发光层340部分蚀刻至第二半导体层350。最后分别于第一透光层300及第二半导体层350上形成第一、第二电极371及372。

图4绘示第四实施例的发光元件40的结构剖面图，于第一透光层300与外延结构的第一半导体层330之间具有第一透明粘结层410将两者连接，使第一透光层300与第一透明粘结层410之间形成第一接合面，第一半导体层330与第一透明粘结层410之间形成第二接合面；其中第一图案化接触结构320分布于第一透明粘结层410之间。此外，发光元件40与发光元件30不同处在于还包含第一欧姆接触结构470，是在接合步骤后，经蚀刻方法将第一透光层300自其表面至第一接合面形成贯穿孔，接着再利用蒸镀等电极形成方法，将金属等电极材料填入贯穿孔内，形成第一欧姆接触结构470。接着在第一透光层300表面，第一欧姆接触结构470上方形成第一电极371，第一欧姆接触结构470分别与第一电极371及第一图案化接触结构320接触并产生电连接。另一种情形是第一欧姆接触结构470可直接和第一半导体层330接触并产生电连接，而不需间接通过第一图案化接触结构320和第一半导体层330产生电连接。另外第二透光层360不限于外延结构的生长基板，亦可以接合的方式，以第二透明粘结层411将第二透光层360与第二半导体层350粘结在一起。当第二透明粘结层411属于绝缘材料时，第二透光层360的材料不限制在绝缘或导电材料。在本实施例中，第一透光层300的厚度约为50μm，第二透光层360的厚度约为170μm，与第一透光层300的厚度比值约为3.4。

在本实施例中，发光层340具有下表面，第二透光层360具有上表面及下表面，其中发光层340的下表面与第二透光层360的上表面间的距离较发光层340的下表面与第二透光层360的下表面间的距离为小。第二透光层360的上表面面积大于发光层340的下表面面积，且其比值不小于1.4。

图5绘示第五实施例的发光元件50的结构剖面图。其与发光元件30不同处在于发光元件50的第一透光层300为透光绝缘材料，因此形成电极的步骤中，需以蚀刻方法先将第一透光层300、第一半导体层330及发光层340部分蚀刻至第二半导体层350，再将未被移除的部分第一透光层300蚀刻至第一半导体层330。最后分别于第一半导体层330及第二半导体层350上形成第一、第二电极571及372，其中第一电极571与第一图案化接触结构320接触形成电连接。在本实施例中，第一透光层300的厚度约为200μm，第二透光层360的厚度约为100μm，与第一透光层300的厚度比值约为0.5。

如图6所示的第六实施例，发光元件60，其与发光元件50不同处在于发光元件60的第一透光层300与外延结构的第一半导体层330之间以第一透明粘结层610将两者连接；其中第一图案化接触结构320分布于第一透明粘结层610之间。另外于第二透光层360与第二半导体层350之间形成第二透明粘结层611，将第二透光层360与第二半导体层350连接在一起。当第二透明粘结层611属于绝缘材料时，第二透光层360的材料选择不需为绝缘或导电材料。在本实施例中，第一透光层300的厚度约为220μm，第二透光层360的厚度约为150μm，与第一透光层300的厚度比值约为0.68

于上述实施例中第一图案化接触结构、及第二图案化接触结构的形状包含点状、条状或网状；第一图案化接触结构、及第二图案化接触结构可以是金属或透光金属氧化物等材料，上述的金属包含但不限于锗、银、金、铝、铟、锡等金属材料及其合金，上述的透光金属氧化物包含但不限于氧化铟锡或氧化锌锡等透光材料。上述第一图案化接触层及第二图案化接触层为金属材料组成时，为使第一、第二图案化接触层产生电连接并形成较为紧密的接合，第一、第二图案化接触层可以设计为多层金属结构，例如，第一、第二图案化接触层最外层可选择熔点较低的金属，如铟、金、锡等金属材料及其合金，当第一、第二图案化接触层最外层相接触时，会形成合金，产生较强的接合力。由于金属材料具有吸光的特性，由发光层发出的光会被金属材料吸收，为了减少金属材料吸光的比例，因此以图案化结构将其面积减少，以缩小吸光面积，但仍具有电连接的功能。若以透光金属氧化物作为图案化接触结构的材料，由于其为透光性材料，因此在不影响透明粘结层连接的功能下，图案化接触结构面积大小就较不受限制。

为了提高光摘出效率，于上述各实施例中，第一透光层、或第二透光层的表面皆可包含粗化结构，另外各接合面亦可包含粗化结构，各电极下方与电极接触的面亦可形成粗化使发光层发出的光可通过粗化结构摘出，以提高出光效率。

上述的生长基板的材料可以是蓝宝石、SiC、GaN、GaAs或GaP；第一透光层的材料可以是AlN、ZnO、玻璃、蓝宝石、复合材料、氮化铝镓铟((Al_aGa_1-a)_bIn_1-bN；0≤a≤1；0≤b≤1)、磷化铝镓铟((Al_gGa_1-g)_hIn_1-hP；0≤g≤1；0≤h≤1)或其他可透光材料；第二透光层的材料可以是AlN、ZnO、玻璃、蓝宝石、复合材料、氮化铝镓铟((Al_qGa_1-q)_sIn_1-sN；0≤q≤1；0≤s≤1)、磷化铝镓铟((Al_uGa_1-u)_vIn_1-vP；0≤u≤1；0≤v≤1)或其他可透光材料。第一透明粘结层、第二透明粘结层可以是导电粘结层或绝缘粘结层；导电粘结层其材料包含但不限于银、金、铝、铟、锡等金属材料及其合金，或为自发性导电高分子，或高分子中掺杂金属材料如铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡、钛、铅、铜、钯、或其合金所组成的导电材料；绝缘粘结层其材料包含但不限于旋涂玻璃、硅树脂、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂(Epoxy)、聚亚酰胺(Polyimide)或过氟环丁烷(PFCB)。

上述第一半导体层的材料可以是氮化铝镓铟((Al_mGa_1-m)_rIn_1-rN；0≤m≤1；0≤r≤1)或磷化铝镓铟((Al_cGa_1-c)_dIn_1-dP；0≤c≤1；0≤d≤1)等半导体材料；发光层的材料可以是氮化铝镓铟((Al_eGa_1-e)_fIn_1-fN；0≤e≤1；0≤f≤1)或磷化铝镓铟((Al_iGa_1-i)_jIn_1-jP；0≤i≤1；0≤j≤1)等半导体材料所组成的双异质结构或量子阱结构所构成；第二半导体层可由氮化铝镓铟((Al_kGa_1-k)_hIn_1-hN；0≤k≤1；0≤h≤1)或磷化铝镓铟((Al_sGa_1-s)_tIn_1-tP；0≤s≤1；0≤t≤1)等半导体材料所构成。

第一电极及第一欧姆接触结构的材料选择自可以和第一半导体层形成欧姆接触的材料，例如由钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)的单层或多层金属结构或其合金、或金属氧化物导电层所构成；第二电极及第二欧姆接触结构的材料选择自可以和第二半导体层形成欧姆接触的材料，例如由含镍(Ni)、金的单层或多层金属或其合金、或其他导电金属氧化物所构成。

图7绘示出光源产生装置剖面示意图，包含本发明任一实施例中的发光元件。光源产生装置70可以是照明装置，例如路灯、车灯、或室内照明光源；也可以是交通信号标志、或平面显示器中背光模块的背光光源。光源产生装置70包含以前述发光元件组成的光源710、电源供应系统720、以及控制元件730，用以控制电源供应系统720输入光源710的电流。

图8绘示出背光模块剖面示意图，背光模块80包含前述实施例中的光源产生装置70，以及光学元件810。光学元件810可将由光源产生装置70发出的光加以处里，使其符合平面显示器的背光需求条件。光学元件810包含但不限于光子晶格(photonic lattice)、滤光片(color filter)、波长转换层(wavelength conversion layer)、抗反射层(antireflective layer)、透镜或其组合的元件。

本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims

1.一种发光元件，包含：

第一透光层；

半导体发光叠层，形成于该第一透光层上；

第二透光层，形成于该半导体发光叠层上；以及

图案化接触结构，至少形成于该半导体发光叠层及该第一透光层之间及/或该半导体发光叠层及该第二透光层之间，且该图案化接触结构与该半导体发光叠层形成电连接；

其中该第二透光层的厚度与该第一透光层的厚度比值介于0.1至10之间。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一透光层具有朝向该半导体发光叠层的第一表面及与该第一表面相对的第二表面，该第一表面的面积与该半导体发光叠层的面积的比值不小于1.4。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二透光层具有朝向该半导体发光叠层的第三表面及与该第三表面相对的第四表面，该第三表面的面积与该半导体发光叠层的面积的比值不小于1.4。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该半导体发光叠层及该第一透光层之间包含第一接合面。

5.如权利要求4所述的发光元件，其中该图案化接触结构形成于该第一接合面上。

6.如权利要求5所述的发光元件，其中该半导体发光叠层包含第一导电型半导体层、发光层及第二导电型半导体层；该第一透光层远离该半导体发光叠层的表面上包含第一电极；该第一电极下包含欧姆接触结构，该欧姆接触结构自该第一透光层远离该半导体发光叠层的表面贯穿该第一透光层至该第一接合面且与该图案化接触结构接触，其中该欧姆接触结构分别与半导体发光叠层及第一电极形成电连接；以及该第二导电型半导体层朝向该第一透光层的表面上包含第二电极。

7.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一透光层至少包含第一粗化结构。

8.如权利要求4所述的发光元件，其中该第一接合面包含该第一粗化结构。

9.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二透光层至少包含第二粗化结构。

10.如权利要求5所述的发光元件，其中该第二透光层至少包含第三粗化结构。

11.如权利要求10所述的发光元件，其中该半导体发光叠层及该第二透光层之间包含第二接合面，第二图案化接触结构形成于该半导体发光叠层及该第二透光层之间的该第二接合面上，且该第二图案化接触结构与该半导体发光叠层电连接。

12.如权利要求10所述的发光元件，其中该半导体发光叠层及该第一透光层之间包含一围绕该图案化接触结构的第一粘结层，该第一粘结层与该半导体发光叠层之间形成该第一接合面且与该第一透光层之间形成第三接合面。

13.如权利要求12所述的发光元件，其中该第一透光层包含第一导电材料且与该图案化接触结构形成电连接。

14.如权利要求12所述的发光元件，其中该第一接合面或第三接合面中至少一个接合面包含第五粗化结构。

15.如权利要求10所述的发光元件，其中该半导体发光叠层及该第二透光层之间包含第二粘结层，该第二粘结层与该第二透光层之间形成第四接合面，与该半导体发光叠层之间形成第五接合面。

16.如权利要求15所述的发光元件，其中该半导体发光叠层包含第一导电型半导体层，发光层及第二导电型半导体层；其中该第一导电型半导体层朝向该第一透光层的表面上包含第一电极，与该图案化接触结构接触；以及朝向该第一透光层的该第二导电型半导体层的表面上包含第二电极。

17.如权利要求15所述的发光元件，其中该半导体发光叠层包含第一导电型半导体层，发光层及第二导电型半导体层；该第一透光层远离该半导体发光叠层的表面上包含第一电极，该第一电极下包含欧姆接触结构，自该第一透光层远离该半导体发光叠层的表面贯穿该第一粘结层，与该图案化接触结构接触，该欧姆接触结构分别与该半导体发光叠层及该第一电极形成电连接；以及朝向该第一透光层的该第二导电型半导体层的表面上包含第二电极。

18.如权利要求15所述的发光元件，其中还包含第三图案化接触结构形成于该半导体发光叠层及该第二透光层之间，该第二粘结层包围该第三图案化接触结构，且该第三图案化接触结构与该半导体发光叠层电连接。

19.如权利要求15所述的发光元件，其中该第四接合面及该第五接合面中至少一接合面包含粗化结构。

20.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一透光层或该第二透光层相对该半导体发光叠层的表面上还包含反射层。

21.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一透光层或该第二透光层厚度介于100～250μm。

22.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二透光层的厚度与该第一透光层的厚度比值介于0.2至5之间。

23.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一透光层或该第二透光层的折射率介于1.6～3.3之间。