CN102376864B - 发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光元件，该发光元件包含载板及发光单元位于此载板上。此载板具有第一表面与第二表面。发光单元位于载板的第一表面上且具有第一半导体层，第一电极，发光层，第二半导体层，第二电极以及至少一隧穿栓塞。隧穿栓塞贯穿发光单元并与第一电极或第二电极电性连接。更进一步地，此发光元件并可通过隧穿栓塞与位于载板第二表面的连接垫与外部电源或其他发光元件形成电路。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及发光元件，利用半导体工艺技术将具导电性的隧穿栓塞形成于此发光元件中，并通过此隧穿栓塞将电流导入此发光元件。

背景技术

固态发光元件的应用性逐渐提高，对于制造成本的要求也渐受重视。目前常见的发光元件制造流程，主要是先在前段工艺形成具外延结构的发光单元，接着在后段工艺以引线(wire bond)或倒装的方式将此发光单元与电源或其他元件连接。然而，由于发光单元的第一电极与第二电极分别位于不同的高度，在引线(wire bond)或倒装的过程中，此高低差往往会成为影响工艺良率的一个主要因素。而在将不同高度的发光元件连接成整合装置时，此高度的差异更是金属导线跨接时的一大挑战。

发明内容

本发明主要是关于发光元件，其包含载板及发光单元位于此载板上。此发光单元包含至少一隧穿栓塞(Through Substrate Via，TSV)穿透此发光单元。此隧穿栓塞为导体，贯穿发光单元的外延层与发光单元所在的载板并延伸至载板的第二表面，再透过发光单元的第一电极与第二电极与此发光单元电性连接。所述载板的第二表面可进一步具有多个连接垫与所对应的隧穿栓塞电性连接。此连接垫可与外部电源相连，并将电流经由隧穿栓塞传递至发光单元中。如此发光单元的第一电极与第二电极之间的高低差不会对导线连接造成影响。而透过隧穿栓塞与连接垫，可以将多个位于同一载板上相同或相异的发光单元连接形成电路。

附图说明

图1显示为本发明实施例；

图2为本发明实施例各部高度标示图；

图3(a)～(h)显示为本发明实施例的制造流程；

图4显示为本发明的实施例；

图5显示为本发明的实施例；

图6显示为本发明的又一实施例；

附图标记说明

100：载板；

105：连接垫；

106：波长转换层；

200：发光单元；

201：第一半导体层；

202：第二半导体层；

203：发光层；

204：第一电极；

205：第二电极；

301：第一隧穿栓塞；

302：第二隧穿栓塞；

具体实施方式

图1中所示为本发明实施例的发光元件10，包含：载板100，具有第一表面101与第二表面102；发光单元200，位于载板100的第一表面101，具有第二半导体层202，发光层203位于第二半导体层202上与第一半导体层201位于发光层203上。发光单元200与载板100之间可选择性地加入反射层(图未示)，当发光层203射出光线时，射出方向朝载板100的第一表面101的光线可以被反射层反射至所欲导出的出光方向。发光单元200又包含形成于第一半导体层201上的第一电极204、形成于第二半导体层202上的第二电极205、及第一隧穿栓塞301与第二隧穿栓塞302，其中第一隧穿栓塞301与第一电极204电性连接，并自第一电极204穿透发光单元200的第一半导体层201、发光层203、第二半导体层202与载板100并延伸至载板100的第二表面102；第二隧穿栓塞302与第二电极205电性连接并自第二电极205穿透发光单元200的第二半导体层202与载板100并延伸至载板100的第二表面102。第一隧穿栓塞301的组成可为复合结构，包含导电层300b与围绕在导电层300b外侧的绝缘层300a。第二隧穿栓塞302的组成可为复合结构，包含导电层300b与围绕在导电层300b外侧的绝缘层300a。当有电流通过导电层300b时，绝缘层300a可降低或消除此电流对发光单元200的电性干扰。载板100可为发光单元200外延时的生长基板；或作为发光单元200依不同需求而须置换基板时的转移基板，可透过接合层(bonding layer)将发光单元200固定在载板100上。

图2进一步详细叙述上述实施例，其中载板100的高度为S，第一半导体层201的高度为T1，发光层203的高度为T2，第二半导体层202的高度为T3，第一隧穿栓塞301的高度为V1，第二隧穿栓塞302的高度为V2。其中，V1≥S+T1+T2+T3且V2≥S+T3。

图3(a)-(h)描述本发明另一实施例的制造方法。首先如图3(a)所示，在生长基板100a上形成外延层200a，包含第一第一半导体层201，发光层203位于第一半导体层201上与第二半导体层202位于发光层203上。另外，在载板100的第一表面101上方形成反射层103以及接合层(bonding layer)104。图3(b)所示将外延层200a的第二半导体层202与接合层104相接，并将外延层200a固定在载板100上，再如图3(c)所示将生长基板100a移除。接着如图3(d)所示透过光刻(Photolithography)与蚀刻(Etch)的技术，将外延结构200a切割，并形成多个发光单元200。如图3(e)所示，在每个发光单元200的第一半导体层201与露出的第二半导体层202的部分区域分别形成第一电极204与第二电极205。接着如图3(f)所示，自载板100的第二表面102形成多个第一隧穿孔31与多个第二隧穿孔32，使发光单元200有第一隧穿孔31自第一电极204穿透第一半导体层201、发光层203、第二半导体层202与载板100并延伸至载板100的第二表面102，以及第二隧穿孔32自第二电极205穿透第二半导体层202与载板100并延伸至载板100的第二表面102。再如图3(g)所示，以薄膜技术先将具绝缘性质的介电层300a填入第一隧穿孔31与第二隧穿孔32的部分空间，接着将具导电性的金属、金属化合物或其组合填入第一隧穿孔31与第二隧穿孔32中形成导电层300b，使导电层300b的外侧为介电层300a所围绕，如此则完成第一隧穿栓塞301与第二隧穿栓塞302。为增加第一隧穿栓塞、第二隧穿栓塞与第一电极、第二电极的导电性，在填入导电层300b之前，可以预蚀刻(pre-etch)的步骤将第一隧穿栓塞、第二隧穿栓塞与第一电极、第二电极的接触面上的介电层300a予以清除。

于完成第一隧穿栓塞与第二隧穿栓塞后，可以如图3(h)所示在载板100的第二表面102以薄膜、光刻与蚀刻技术形成多个连接垫105，此多个连接垫105可与第一隧穿栓塞301、第二隧穿栓塞302电性连接。外部电源透过连接垫105将电流经由第一隧穿栓塞301与第二隧穿栓塞302传递至发光单元200中。另外，如图3(h)所示，亦可将发光单元200的第一电极204透过第一隧穿栓塞301经由连接垫105与相邻的发光单元200的第二隧穿栓塞302相连，再由此第二隧穿栓塞302与其第二电极205相连，如此将彼此相邻的发光单元200电性连接，可形成包含多个发光单元200的串联电路。于本实施例中，由于发光单元200的第一电极204与第二电极205之间具有至少0.5μm的高低差，若将多个发光单元200之间的电性连接路径以传统引线(wire bond)的方式将导线直接接于发光单元200的第一电极204与其相邻的另一发光单元200的第二电极205，此至少0.5μm的高低差会造成引线工艺的困难度或造成导线脱落。这种现象在例如AlGaInP的发光单元200，因其所形成的外延层较厚，所以第一电极204与第二电极205之间的高低差会超过10μm，此高低差对引线工艺的良率影响极大。本发明透过第一隧穿栓塞、第二隧穿栓塞与连接垫105将第一表面101上的多个发光单元200形成串联或并联电路，可以避免相邻发光单元200的第一电极204与第二电极205之间高低差所带来的影响，良率可较引线工艺提升20％以上。

图4描述发光装置30包含载板100，载板100第一表面101上有多个第一发光单元200a与多个第二发光单元200b。于本实施例中，第一发光单元200a与多个第二发光单元200b彼此交错排列于载板100的第一表面101，即每一第一发光单元200a与第二发光单元200b彼此相邻。但本发明所披露的内容不限于此，也可将第一发光单元200a与第二发光单元200b依需要做不同的排列，例如，每一个第一发光单元200a可与第二发光单元200b或另一第一发光单元200a相邻。另外，要在此特别提出的是，本发明所披露的内容并不只限于两种彼此相异的发光单元，也可包含两种以上相异的发光单元。

相异的发光单元可先在不同的生长基板上形成，再透过临时基板转移到载板100的第一表面101上，载板100上可具有接合层104使转移的各发光单元固定在载板100的第一表面101上。上述的临时基板可以具延展性的材料制作，因此，可通过拉伸或收缩来调整位于临时基板上的各发光单元的间距。载板100的第一表面101与接合层104之间也可形成反射层以增加发光单元的出光效率。

在本实施例中，第一发光单元200a与第二发光单元200b可分别具有不同材料的半导体层及发光层。例如，第一发光单元200a的第一半导体层201、发光层203与第二半导体层202的主要组成材料为InGaN，此第一发光单元200a可为发蓝光、绿光、红光、或紫外光的发光二极管。第二发光单元200b的第一半导体层201、发光层203与第二半导体层202的主要组成材料为AlGaInAs、AlGaInP或InGaAs，此第二发光单元200b可为发绿光或红光的发光二极管。其中第一发光单元200a与第二发光单元200b其自第一电极204至载板100第一表面101之间的距离分别为k1与k2，且|k2-k1|≠0。发光装置30可进一步包含多个连接垫105位于载板100的第二表面102上。相邻的发光单元200a与200b透过连接垫105连接第一隧穿栓塞301与第二隧穿栓塞302后彼此电性连接。透过此多个连接垫105可将在载板100第一表面101上的多个第一发光单元200a与多个第二发光单元200b形成串联或并联的电路。又由于连接垫105位于载板100的第二表面102，此第二表面102为平坦的表面，不受第一表面101上彼此相邻的第一发光单元200a与第二发光单元200b其第一电极204至载板100第一表面101距离k1与k2不同的影响。

图5所示为发光装置40的俯视图，其中100为载板，具有第一表面101。多个第一发光单元200a、多个第二发光单元200b以阵列的形式任意分布在载板100的第一表面101。多个连接垫105(以虚线表示)位于载板100下方的第二表面，多个连接垫105将多个第一发光单元200a与多个第二发光单元200b透过多个第一隧穿栓塞与第二隧穿栓塞电性连接(图未示)。此发光装置40又具有两端点41与42可与外部电源电性连接。另外，在此特别提出的是，前述各发光单元其第一电极至载板第一表面的距离并不只限于两种距离，换言之，发光装置也可包含两种以上第一电极至载板第一表面距离彼此相异的发光单元。

本发明的实施例如图6所示，发光装置50所包含的载板100上具有的多个第一发光单元200a与多个第二发光单元200b。第一发光单元200a发出波长范围大约介于440～480nm的蓝光，第二发光单元200b发出波长范围大约介于600～650nm的红光。在第一发光单元200a与第二发光单元200b的表面又形成波长转换层106。波长转换层106包含至少一种材料选自于蓝色荧光粉、黄色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉、硒化锌、硒化镉锌、III族磷化物、III族砷化物、以及III族氮化物所组成的材料群组。所述的蓝色荧光粉是指能将入射至荧光粉的光线转换为蓝光的荧光粉；其他诸如黄色荧光粉、绿色荧光粉、及红色荧光粉亦具有类似的意义。各荧光粉材料及其组成为属该领域的已知技术，不在此赘述。本实施例的波长转换层106的材料为绿色荧光粉。当外部电源接于此发光装置30并透过第二表面102上的多个连接垫105进入第一发光单元200a与第二发光单元200b时，第一发光单元200a先发出波长范围大约介于440～480nm的蓝光，接着再经波长转换层106发出白光；第二发光单元200b先发出波长范围大约介于600～650nm的红光，而由于此波长转换层106不会吸收波长范围介于600～650nm的光线，因此此红光会穿过波长转换层106并与第一发光单元200a经波长转换层106转换而成的白光混合。

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 (8)

1.一种发光元件，包含：

载板，具有第一表面与第二表面；

多个发光单元，位于该载板的第一表面，其中任一该多个发光单元包含：

第一半导体层、第一电极、发光层、第二半导体层与第二电极，其中该发光层位于该第一半导体层与该第二半导体层之间，且该第一电极位于该第一半导体层上；

多个第一隧穿栓塞，其中任一该多个第一隧穿栓塞电性连接该发光单元的该第一电极，并自该第一电极穿过该第一半导体层、该发光层、该第二半导体层与该载板而延伸至该载板的第二表面；

多个第二隧穿栓塞，其中任一该多个第二隧穿栓塞电性连接该发光单元的该第二电极，并自该第二电极穿过该第二半导体层与该载板而延伸至该载板的第二表面；以及

多个连接垫，位于该载板的该第二表面，其中任一该多个连接垫透过该第一隧穿栓塞与该第二隧穿栓塞电性连结相邻的发光单元。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该载板的高度为S，该第一半导体层的高度为T1，该发光层的高度为T2，该第二半导体层的高度为T3，该第一隧穿栓塞的长度为V1，且V1≥S+T1+T2+T3；和/或该第二隧穿栓塞的长度为V2，且V2≥S+T3。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该载板为发光单元外延时的生长基板。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一隧穿栓塞和/或该第二隧穿栓塞包含导体与绝缘层，其中该绝缘层围绕该导体。

5.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光单元还包含反射层与电流分散层。

6.如权利要求1所述的发光装置，其中该多个发光单元至少其一自该第一电极至该载板的第一表面的距离与其它发光单元相异。

7.如权利要求1所述的发光装置，其中该第一隧穿栓塞和/或该第二隧穿栓塞包含导体与绝缘层，其中该绝缘层围绕该导体。

8.如权利要求1所述的发光装置，还包括波长转换层，位于该多个发光单元的表面。