CN102130097B

CN102130097B - 半导体元件

Info

Publication number: CN102130097B
Application number: CN201010002186.6A
Authority: CN
Inventors: 周冠佑; 陈勇智
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: CN102130097A

Abstract

本发明公开了一种半导体装置，包括第一压降部，可提供第一压降；第二压降部，可提供第二压降，并电连接第一压降部；以及连接材料，位于第一压降部及第二压降部之间，且其物理尺度小于第一压降部与第二压降部中至少其一；其中，半导体元件可在总偏压下工作，总偏压大于第二压降，第二压降大于或等于第一压降。

Description

半导体元件

技术领域

本发明涉及一种可直接操作于高电压下的半导体元件，尤其涉及一种具有高工作电压的光电半导体元件，如：发光二极管管芯。

背景技术

一般而言，单颗发光二极管管芯的顺向电压(forwardvoltage)约为1V至4V，而封装后单颗发光二极管管芯的顺向电压约为2至5V。为了使发光二极管能够直接使用家用100V或220V的电力供给系统，现今技术大多采取“提供降压回路”或“形成多个发光二极管管芯串联电路”。

所谓的“提供降压回路”是指在发光二极管的本体外中提供额外的降压元件，以使电流通过发光二极管时的压降符合发光二极管的工作电压。

所谓的“形成多个发光二极管管芯串联电路”则是指串联多个发光二极管，并利用控制发光二极管的数量来调整电流通过单一颗发光元件的压降。一般而言，若以家用110V的电源，每颗发光二极管压降3.5V为例，大约需要30颗发光二极管管芯串联形成的发光元件，才能让每颗发光二极管的工作电压维持在3.5V左右。

然而，上述“提供降压回路”增加了使用者需处理电路元件的数量。此外，随着发光二极管芯片发光效率的提升，未来可能仅需要串联少量的发光二极管便可提供照明所需要的亮度。如下表所示，依照OIDA(OptoelectronicsIndustryDevelopmentAssociation)的预测，至2012年LED的发光效率(Luminousefficiency)可能达到150lm/W，2020年更可达200lm/W。若其预测成真，则得到与荧光灯泡相同亮度所需使用的发光二极管数量将随发光效率的提高而大幅减少。

例如为得到3400lm亮度所需使用的发光二极管数量将由2007的l7颗下降至2020年的2.3颗。换言之，在现有电力线系统(100V～220V)的架构下，单一高效率发光二极管元件的压降与供电源的电压间存有明显的不匹配。

技术	SSL-LED 2007	SSL-LED 2012	SSL-LED 2020	荧光灯
					发光效率(lm/W)	75	150	200	85
通量(lm/lamp)	200	1000	1500	3400
					输入功率(W/lamp)	2.7	6.7	7.5	40
等价数量(LED)	17	3.4	2.3	1

发明内容

依据本发明实施例的一种半导体装置包括第一压降部，可提供第一压降；第二压降部，可提供第二压降，并电连接第一压降部；以及连接材料，位于第一压降部及第二压降部之间，且其物理尺度，例如厚度，小于第一压降部与第二压降部中至少其一；其中，半导体元件可在总偏压下工作，总偏压大于第二压降，第二压降大于或等于第一压降。

附图说明

图1显示依据本发明实施例的半导体元件的结构示意图；

图2显示依据本发明实施例的第一压降部的结构示意图；及

图3显示依据本发明另一实施例的半导体元件的结构示意图。

附图标记说明

10：第一压降部20：第二压降部

11：第一电性层40：电连接

12：转换部40a：电连接

13：第二电性层40b：电连接

14：过渡层100：半导体元件

15：基板

具体实施方式

以下配合附图说明本发明的实施例。

图1显示依据本发明实施例的半导体元件100。半导体元件100中包含第一压降部10及第二压降部20，此两部间通过电连接40相连。半导体元件100与外部环境间通过电接连40a与40b相连。

半导体元件100是具有光电转换功能的光电半导体元件，例如，发光二极管(Light-EmittingDiode；LED)、激光二极管(LaserDiode；LD)、太阳能电池(SolarCell)、液晶显示器(LiquidCrystalDisplay)、有机发光二极管(OrganicLight-EmittingDiode)等。惟在本说明书中“半导体元件”一词并非限制元件完全由半导体材料制成，其他非半导体材料，例如：金属、氧化物、绝缘体等可选择性地整合于此半导体元件之中。

当半导体元件100在总偏压V_total下工作时，第一压降部10贡献第一压降(V1)，第二压降部20贡献第二压降(V2)，且V_total＞V2≥V1。当V_total≠(V1+V2)时，表示电连接40、40a、40b、及元件100的未显示部分中至少其一也分担部分压降。

在实施例中，N1×V1＝V2，其中N1属于不小于1的正数，例如，V_total＝9V，N1＝1～5；V_total＝10V，N1＝1～5；V_total＝12V，N1＝2～6；V_total＝20V，N1＝3～10；V_total＝24V，N1＝4～12；V_total＝30V，N1＝5～15；V_total＝40V，N1＝6～20；V_total＝50V，N1＝8～25；V_total＝55V，N1＝9～23；V_total＝60V，N1＝10～30；V_total＝100V，N1＝16～50；V_total＝110V，N1＝18～55；V_total＝120V，N1＝20～60；V_total＝220V，N1＝36～110，其中V_total可以选自任何规格化或标准化电压，例如：电力线系统。

在多个实施例中，第一压降部10除提供第一压降外，尚可以提供光电转换功能。第二压降部20除提供第二压降外，尚提供光电转换功能以外的其他功能，例如：结构、控制、热力、光学功能等。具体而言，第二压降部20可以作为支撑结构、电路控制单元、散热部、发热部、出光部、聚光部。第二压降部除提供第二压降外，尚提供光电转换功能以及上述其他功能中至少其一。

在实施例中，第一压降部10可以包含材料层组，其最少包含第一电性层11、转换部12、以及第二电性层13，如图2所示。第一电性层11及第二电性层13是彼此中至少两个部分的电性、极性或掺杂物相异、或者分别用以提供电子与空穴的材料单层或多层(“多层”是指两层或两层以上，以下同。)。若第一电性层11及第二电性层13是由半导导体材料构成，则其电性选择可以为p型、n型、及i型中至少任意两者的组合。转换部12位于第一电性层11及第二电性层13之间，为电能与光能可能发生转换或被诱发转换的区域。电能转变或诱发光能者例如为发光二极管、液晶显示器、有机发光二极管；光能转变或诱发电能者例如为太阳能电池、光电二极管。

以发光二极管而言，转换后光的发光频谱可以通过改变半导体系统中一层或多层的物理或化学配置进行调整。常用的材料例如为磷化铝镓铟(A1GaInP)系列、氮化铝镓铟(AlGaInN)系列、氧化锌(ZnO)系列等。转换部12的结构例如为：单异质结构(singleheterostructure；SH)、双异质结构(doubleheterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-sidedoubleheterostructure；DDH)、或多层量子阱(multi-quantumwell；MQW)。再者，调整量子阱的对数亦可以改变发光波长。

此外，如图2所示，第一压降部10中尚可选择性地包含基板15用以成长或承载材料层组，适用的材料包含但不限于锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、铟化磷(InP)、蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、铝酸锂(LiAlO₂)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、玻璃、复合材料(Composite)、钻石、CVD钻石、与类钻碳(Diamond-LikeCarbon；DLC)等。惟当基板材料为电绝缘时，其中应设有适当型态的电通道以电连接与其相接的其他导电材料。

基板15与材料层组之间还可选择性地包含过渡层14。过渡层14介于两种材料系统之间，使基板的材料系统“过渡”至材料层组的材料系统。对发光二极管的结构而言，一方面，过渡层14例如是缓冲层(BufferLayer)等用以降低两种材料间晶格不匹配的材料层。另一方面，过渡层14亦可以是用以结合两种材料或两个分离结构的单层、多层或结构，其可选用的材料例如为：有机材料、无机材料、金属、及半导体等；其可选用的结构例如为：反射层、导热层、导电层、欧姆接触(ohmiccontact)层、抗形变层、应力释放(stressrelease)层、应力调整(stressadjustment)层、接合(bonding)层、波长转换层、及机械固定构造等。惟当过渡层14的材料为电绝缘时，其中应设有适当型态的电通道以电连接与其相接的其他导电材料。

在实施例中，第二压降部20包含阻抗材料，可提供第二压降(V2)的全部或部分。依照所需要的压降，此阻抗材料可选用、组合上述基板15的材料、或者其他适当的材料，例如：金属、陶瓷、塑胶、氧化物、低掺杂材料、未掺杂材料、本质材料等。第二压降部20可以形成于第一压降部10之外、或者形成于第一压降部10之内。例如，第一压降部10与第二压降部20分别形成后利用电连接40形成电连接、或者第二压降部20形成于第一压降部10的制造过程中，如图3所示。

在实施例中，第一压降部10为半导体产品的初级元件，例如裸芯(barechip)、外延层(epitaxiallayer)。

在实施例中，第二压降部20直接连接、或紧密连接此初级元件。“直接连接”是指第一压降部10与第二压降部20间完全或几乎不存在其他材料。“紧密连接”是指第一压降部10与第二压降部20间至少存在有一种连接材料，且连接材料的物理尺度小于第一压降部10与第二压降部20中至少其一。例如，此连接材料的厚度小于第二压降部20，但大于第一压降部10。在合理的范围，第一压降部10与第二压降部20间的连接方式或材料可参考上述过渡层14的说明。

在实施例中，第二压降部20内化或形成于第一压降部10之中，例如，第二压降部20为第一压降部10中的氧化部、低掺杂部、未掺杂部、本质材料部等。更具体而言，第二压降部20可形成于如图2所示的第一电性层11、转换部12、第二电性层13、过渡层14、基板15、及第一压降部10的其他部分中至少其一之中。

在另一实施例中，第二压降部20除提供所需的压降外，还可提供第一压降部10其他功能，例如，第二压降部20至少可作为第一压降部10的支撑部、散热部、发热部、电路控制部、出光部、聚光部。电路控制部可以控制第一压降部10或半导体元件100的电流、电压、频率、亮度、演色性、色温、温度等。此外，电路控制部可选择性地接受半导体元件100工作环境的回馈以产生控制信号。

在又一实施例中，第二压降部20中包含类似或相同于第一压降部10的功能、结构、或设计，惟第二压降部20可提供不同于第一压降部10的压降。

在再一实施例中，第一压降部10的光电转换效率优于第二压降部20，例如：第一压降部10的发光效率大于751m/W，第二压降部10的发光效率小于751m/W。

在实施例中，第一压降部10中包含发光二极管外延层，其中仅具有位于两限制层(claddinglayer)间的发光区。第二压降部20可选择性地包含另一发光二极管外延层，且第二压降部20的外延层产生的光色或放射频谱可相同或相异于第一压降部10。若第一压降部10与第二压降部20的色光或放射频谱相异，此相异色光或放射频谱可以混合产生另一色光或放射频谱，例如，第一压降部10提供蓝光，第二压降部20提供黄光、黄光与红光、或绿光与红光，由此，半导体元件可提供白光。

以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或披露的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，本领域技术人员当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。

虽然本发明已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与工艺方法。对于本发明所作的各种等同修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims

1.一种半导体元件，包含：

第一压降部，提供第一压降V1；

第二压降部，提供第二压降V2，并电连接该第一压降部；以及

连接材料，位于该第一压降部及该第二压降部之间，且其物理尺度小于该第一压降部与该第二压降部中至少其一；

其中，该半导体元件可在总偏压下工作，该总偏压大于该第二压降V2，该第二压降V2等于该第一压降V1的N倍，其中N为不小于1的任意整数，以及其中，该第一压降部的发光效率大于751m/W，该第二压降部的发光效率小于751m/W。

2.如权利要求1所述的半导体元件，其中该连接材料的厚度大于该第一压降部的厚度，小于该第二压降部的厚度。

3.如权利要求1所述的半导体元件，其中该总偏压为标准化电压。

4.如权利要求1所述的半导体元件，其中该第二压降部包含氧化部、低掺杂部、未掺杂部、及本质材料部中至少其一。

5.如权利要求1所述的半导体元件，其中该第一压降部的光电转换效率优于该第二压降部。

6.如权利要求1所述的半导体元件，其中该第一压降部包含半导体产品的初级元件。

7.如权利要求1所述的半导体元件，其中该总偏压符合电力线系统的电压规格。

8.如权利要求1所述的半导体元件，其中该第一压降提供蓝光。

9.如权利要求1所述的半导体元件，其中该半导体元件提供白光。