CN102163667A - 半导体发光结构 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种半导体发光结构。该半导体发光装置具有发光结构以及光学元件。光学元件环绕连接发光结构，且光学元件的折射系数大于或接近于该发光结构的透明基板，或介于透明基板的折射系数与封装材料的折射系数之间。本发明可以减少被半导体叠层吸收的光线。

Description

半导体发光结构

本申请是申请日为2008年1月14日且发明名称为“半导体发光装置和封装结构”的中国专利申请200810002641.5的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置和封装结构，尤其关于一种具有外接光学元件的半导体发光装置，此光学元件的折射系数大于或接近于发光结构的透明基板的折射系数，或介于透明基板的折射系数与封装材料的折射系数之间。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode；LED)是一种固态物理半导体元件，其至少包含p-n结(p-n junction)，此p-n结形成于p型与n型半导体层之间。当于p-n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(light-emitting region)。

发光区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产生全反射。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，已知发光二极管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。另一部分未被吸收的射线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在外延层130内振荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。在相同机制下，射向发光二极管100下方的射线R₂亦在外延层130内振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底面被反射的射线R₃，若以大于临界角θ_C的入射角θ₁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被发光层131吸收。如上所述，射线R₃在外延层130的边界可能会被全反射而返回外延层130内部，并在外延层130内振荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。被发光层131所吸收的光线在某些程度上势将降低发光二极管100的光摘出效率(light extraction efficiency)。特别在小型管芯，如8mil和10mil，其焊垫所占面积相对于芯片的出光面积比率升高，光会被焊垫反射而在芯片内行进，导致许多光因为经过外延层130而被吸收；或是焊垫本身将光吸收，光摘出效率明显降低。

如图1C所示的发光二极管具有外延层130，其上方设有漫射罩120，位于下方的GaAs基板140下接透明基板110；而该外延层130所发出的射线R₄则经由侧方的透明树脂160向侧边出光。由于透明基板110通常热阻系数较高，导致发光二极管散热不易。

在发光二极管应用方面，以液晶显示器(LCD)的主要元件的背光模块(BLU)为例，其光源以高亮度、低耗电、薄型化与轻量化的点光源为主。除传统的电致发光EL(Electro Luminescence)，冷阴极荧光灯CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)与热阴极荧光灯HCFL，发光二极管亦为背光模块最常使用的点光源。

发明内容

本发明提供一种半导体发光装置以及一种封装结构，可以减少被半导体叠层吸收的光线。

本发明的半导体发光装置包含发光结构与外接的光学元件。发光结构包含半导体叠层与透明基板。光学元件与发光结构的周边相连接，且光学元件的折射系数大于或接近于透明基板的折射系数，或介于透明基板的折射系数与封装材料的折射系数之间。发光结构承受偏压时会发出光线，部分光线会经由透明基板射入光学元件，光学元件可以增加发光结构的光摘出效率。该发光结构下方与环境介质或散热材料相接触，通过热对流及热传导等方式提升散热效率。此外，本发明的半导体发光装置特别适用于p型与n型焊垫占据表面积50％以上的半导体发光结构。

本发明的封装结构，特别适用于发光结构，至少包含光学元件、基座。光学元件连接于基座上，光学元件与基座间可以选择性地设置一反射结构。

附图说明

图1A～1C显示已知发光二极管内的光迹图。

图2A显示依据本发明一实施例的半导体发光装置的俯视图。

图2B显示图2A的半导体发光装置的剖面图。

图2C显示图2A的半导体发光装置的光迹图。

图2D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2E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3A～3F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4A显示依据本发明另一实施例的半导体发光装置的俯视图。

图4B显示图4A的半导体发光装置的剖面图。

图5A显示采用本发明的封装结构的俯视图。

图5B显示图5A的封装结构的剖面图。

图6A显示采用本发明另一实施例的封装结构的俯视图。

图6B显示图6A的封装结构的剖面图。

图6C显示采用本发明另一实施例的封装结构的俯视图。

图6D显示图6C的封装结构的剖面图。

附图标记说明

100发光二极管

110基板

130外延层

140GaAs基板

150反射层

160透明树脂

200半导体发光装置

210光学元件

211第一表面

212第二表面

213第三表面

220发光结构

221半导体叠层

222透明基板

223发光层

230p型焊垫

240n型焊垫

250第一反射层

260第二反射层

270胶

300封装结构

310第三反射层

311第一表面

312第二表面

320导线

330反射结构

331内壁

340基座

T-T’割面线

具体实施方式

如图2A-2B所示，本发明的半导体发光装置200包含光学元件210与发光结构220。发光结构220，例如发光二极管管芯，包含半导体叠层221与透明基板222，其中半导体叠层221还包括发光层223。当发光结构220承受偏压时，发光层223会产生光线。光学元件210环绕发光结构220，以其内壁与发光结构220相连接，并曝露发光结构220至少部分的上或下表面。发光结构下方与环境介质或散热材料相接触，通过热对流及热传导等方式达到散热效果。光学元件210可在结构工艺中一并形成，或独立于发光结构形成，例如独立形成光学元件210后，再将光学元件210与发光结构220接合。

本发明中，发光层223的材料包含但不限于III-V族、II-VI族、IV族的元素或其组合。光学元件210的折射系数n_o大于或近于透明基板222的折射系数n_s，或介于透明基板222的折射系数n_s与封装材料的折射系数n_e之间。因此，光线有较大的机率可以经由透明基板222自光学元件210射出，而相对地减少反射回半导体叠层221的光线，亦即，降低了被半导体叠层221吸收的光量。

如图2C所示，射线R₅自发光层223射向透明基板222的底面并朝光学元件210反射。由于光学元件210的折射系数n_o大于或近于透明基板222的折射系数n_s，因此，射线R₅不易如已知技术一般向半导体叠层221反射，而有较大机率进入光学元件210，因此降低射线R₅被半导体叠层221吸收的机率。

本实施例中，光学元件210的第一表面211与第二表面212为平滑表面。但光线在照射光学元件210与环境空气的界面时，由于折射系数的差异，可能会遭遇全反射的问题。若此界面为粗糙或不平整，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。因此优选地如图2D所示，在第一表面211与第二表面212形成粗糙面或非平整面，由此提升光摘出效率。粗糙面或非平整面可为规则或不规则的图形，如菲涅耳(Fresnel)表面，端视所需而设计。上述实施例的电极或焊垫位于发光结构的同侧，然而如图2E所示，电极或焊垫位置并不限于发光结构的同侧。

在另一实施例中，透明基板222具有不同面积的上下表面，形成如倒梯形(inverted-trapezoid)、梯形(trapezoid)或平截头体(frustum)等特殊形状。为增加光摘出效率，光学元件210亦可以形成为以上列举的各种外型或其组合。

如图3A所示，在本实施例中，第一表面311相对于第二表面312倾斜θ_A角度，射线R₆因此较容易进入临界角θ_C的范围内，而得以脱离光学元件210。此外，如图3B～3F所示，第二表面312为一斜面，或第一表面311和第二表面312同时为斜面。为提升光摘出效率，第一表面311与第二表面312亦可形成粗糙面或非平整面。除此之外，光学元件210亦可配合实际应用所需，环绕于发光结构220四周或与其至少一侧相接。

一种制造上述实施例的方法，若光学元件210为蓝宝石，则以激光在该光学元件的中心位置形成略大于该透明基板222的通孔，以胶结合方式将发光结构220与光学元件210相连接。惟胶270相对于透明基板222所发的光为透明，而且胶270的折射系数n_b近于透明基板222的折射系数n_s，或介于n_s与n_o之间。

本发明的透明基板222的材料可以为导体或绝缘体，如：碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、蓝宝石(sapphire)、或硒化锌(ZnSe)。上述胶结合所使用的胶270包含但不限于旋涂玻璃(SOG)、硅胶(silicone)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂(epoxy)、聚亚酰胺(polyimide)、过氟环丁烯(PFCB)、Su8胶、树脂或上述材料的组合。上述的光学元件210的材料包含但不限于碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、CVD钻石、钻石、树脂、氧化锆(ZrO₂)、尖晶石、氮氧化铝(AlON)或蓝宝石(sapphire)；其中，树脂优选地为Su8胶。

若该光学元件210为树脂，可直接环绕于该发光结构220的侧壁，或将该发光结构220嵌入一树脂层，再将发光结构220下方的多余树脂层移除。除此之外，可在成长基板上的半导体叠层中形成多个孔，并形成树脂层于孔中，自孔处切割半导体叠层与成长基板，再移除成长基板而形成发光二极管管芯，如此可以形成具有环绕发光结构的光学元件210，详细说明可参考本申请的申请人的中国台湾专利申请案第94101800号与第94101801号。然而，在本申请中，若成长基板为透明，则可以选择保留不移除，再搭配环绕发光结构周围与位于成长基板上侧的光学元件210，可以提高光线离开管芯的机会。再者，光学元件亦可以环绕于半导体叠层与成长基板周围。甚或，通过上述方法，可以于孔中形成具有不同折射系数的树脂层，以降低全反射提高光线离开机率。惟优选者，树脂的折射系数大于或近于透明基板222的折射系数，或介于透明基板222的折射系数与封装材料的折射系数之间。在理想状况下，当n_s≤n_b≤n_o或n_s≤n_o，全反射将不会于上述结构内部发生，特别是当n_s＝n_o＝n_b。另一方面，当n_o略小于或等于n_s，但n_o略大于n_e，光摘出效率可获得提升。当n_o略小于或等于n_b，而且n_b略小于或等于n_s，但n_o略大于n_e，可增加光经由光学元件210出光的机率。同样地，当n_b略小于或等于n_o，而且n_o略小于或等于n_s，但n_b略大于n_e且胶的厚度够薄，光摘出效率亦可提升。

另一方面，在市场需求与成本考量之下，半导体发光管芯的尺寸逐趋缩小。然而，焊垫的尺寸仍有一定的限制。一般而言，焊垫是不透光的，因此，被焊垫所遮蔽的发光结构220的表面积比例相对增加；换言之，管芯出光的面积将减少。如图4A所示，本发明的结构特别适用于被p型焊垫230与n型焊垫240所遮蔽的发光结构220的表面积50％以上的半导体发光管芯。如图4B所示，在焊垫下方设有第一反射层250与第二反射层260，将射向p型焊垫230与n型焊垫240的射线R7反射至透明基板222或光学元件210出光，降低焊垫吸光的机率，提升光摘出效率。在相同构思下，焊垫可为不透光电极或其他具有相同功效的替代结构，本实施例依然适用。

如上所述的光学元件210亦可以适用于一封装结构中。如图5A-5B所示，封装结构300，特别适用于发光结构200，至少包含基座340与光学元件210。其中，光学元件210位于基座340之上，基座340可选择性地包含至少一导线320。光学元件210的下可以选择性地形成第三反射层310或朗伯表面(Lambertian Surface)以反射光线，再以封装材料覆盖上述结构。波长转换材料可选择性地包含于光学元件210或封装材料(未显示)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。该波长转换材料包含荧光粉、有机半导体、II-VI族或III-V族半导体、纳米晶体、染料和聚合物。封装过程中，光学元件210可以先设置于基座340后再与发光结构220结合，因此，使用一般市面上取得的发光二极管管芯便可以完成本发明的发光装置。

第一反射层250、第二反射层260与第三反射层310的材料为金属、氧化物、上述材料的合成或其他可反射光的材料。更佳地，第一反射层250、第二反射层260与第三反射层310的材料选自铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、铅(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氧化钛(TiO₂)与氧化镁(MgO)所构成的组。

如图6A-6B所示，在上述的封装结构300中的光学元件210另配置一反射结构330，反射结构330包含内壁331。射向反射结构330的光，被内壁331反射；向上射出的光被焊垫230、240下方的第一反射层250与第二反射层260反射；向下发射的光亦因与反射层310相遇而被反射。最终，光线回到第三表面213集中出光。如图6C-6D所示，将基板222与半导体叠层221和反射结构330的内壁331相接的侧面以胶270接合，基板222与半导体叠层221未与反射结构330相接的侧面则与光学元件210接合。当n_b＜＜n_s，在基板222与胶270的界面会产生全反射，导致发光结构220所发的光全经由光学元件210向外出光；而且n_o＞n_e，光摘出效率获得提升。换言之，此结构可限定发光结构220所发的光的出光方向。本发明可在其发明精神下，依据所需进行修改及变化。

上述反射结构330的内壁331包含具有布拉格反射层(DBR)或朗伯表面等反射特性的反射层，用以反射射向反射结构330的光。反射结构330的材料为金属、氧化物、上述材料的合成或其他可反射的材料。更佳地，反射结构330的材料选自铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、铅(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、氮化硅(SiN_x)、氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氧化钛(TiO₂)与氧化镁(MgO)所构成的组。

本发明正符合高亮度、低耗电、薄型化与轻量化的点光源的特性，可应用于背光模块。除此之外，本发明亦可广泛地运用于各种显示器与发光装置，为其主要零件。

惟上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域的技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如所附的权利要求所列。

Claims (10)

1.一种半导体发光结构，包含：

发光结构，具有数个侧表面、上表面及下表面；

光学组件，连接至该数个侧表面中至少一个侧表面，并暴露出该上表面、该下表面、或其二者；

金属层，位于该下表面之下；及

第一导线，穿过该金属层。

2.如权利要求1所述的半导体发光结构，还包含：

透明基板；及

封装材料；

其中该光学组件的折射系数选自不小于该透明基板的折射系数、接近于该透明基板的折射系数与介于该透明基板与该封装材料之间的折射系数所组成的组。

3.如权利要求1所述的半导体发光结构，还包含：

第二导线；

其中该第一导线及该第二导线位于该数个侧表面中一个侧表面或二个侧表面。

4.如权利要求1所述的半导体发光结构，其中该第一导线具有一靠近该发光结构的端部及另一远离该发光结构的端部。

5.如权利要求1所述的半导体发光结构，其中该光学组件环绕该数个侧表面。

6.一种半导体发光结构，包含：

发光结构，具有数个外表面；

光学组件，连接至该数个外表面中至少一个外表面，并暴露出该数个外表面中至少另一个外表面；

金属层，位于该发光结构之下；及

第一导线，远离该发光结构并穿过该金属层。

7.如权利要求6所述的半导体发光结构，还包含：

基座，位于该金属层之下。

8.如权利要求6所述的半导体发光结构，还包含：

反射结构，位于该数个外表面中未与该光学组件相连者中至少之一。

9.一种半导体发光结构，包含：

发光结构，具有数个外表面；

光学组件，光连接至该数个外表面中至少一个外表面，并暴露出该数个外表面中至少另一个外表面；

金属层，位于该发光结构之下；

基座；及

导线，具有第一端部及第二端部，并穿过该金属层及该基座以暴露出该第一端部与该第二端部。

10.如权利要求9所述的半导体发光结构，还包含：

散热材料，位于该发光结构之下。

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