CN103178182B - 发光二极管元件以及覆晶式发光二极管封装元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的发光二极管元件，其中，一第一型掺杂层、一发光层与一第二型掺杂层依序设于一元件基板上；复数第一沟部贯通该第二型掺杂层与该发光层并外露部分该第一型掺杂层表面，该等第一沟部至少一者一端贯通并延伸至该第二型掺杂层与该发光层边缘；一绝缘层设于部分该第二型掺杂层上并延伸至该第一沟部侧壁；一第一接点配置于该等第一沟部内并电性连接该第一型掺杂层，一第二接点设于该第二型掺杂层上且电性连接该第二型掺杂层。通过该等第一沟部供第一接点穿过该第二型掺杂层与发光层而电性连接第一型掺杂层，以增加电流分散性。本发明还提供一种覆晶式发光二极管封装元件。
Description
技术领域
本发明涉及有一种发光装置，且特别是关于一种发光二极管元件以及覆晶式发光二极管封装元件。
背景技术
由于III-V族元素化合物半导体材料所构成的发光二极管(LED)是一种宽能隙(bandgap)的发光元件，其所发出光线是从红外光一直到紫外光，而涵盖所有可见光的波段。因此，近年来，随着高亮度氮化镓(GaN)蓝/绿光LED的快速发展，使全彩LED显示器、白光LED及LED交通号志等得以实用化，且其他各种LED的应用技术也更加普及。
一般LED元件的基本结构包含III-V族元素化合物的P型及N型掺杂半导体层，以及前述两种掺杂半导体层间的主动层。其中，LED元件的发光效率高低是取决于主动层的量子效率以及该LED元件的光取出效率(lightextractionefficiency)。因此增加量子效率与光取出效率可改善LED元件发光效率，其中增加量子效率的方法主要是改善发光层的磊晶质量(epitaxyquality)及其结构设计，而增加光取出效率的关键则在于减少发光层所发出的光在LED内部反射所造成的能量损失。
由于目前一般LED元件的正负电极是置于同一面，但正负电极会反射光线，因此，熟悉LED领域者遂提出一种覆晶式LED封装结构，将正负电极面对不透明的基板，并利用一反射层，使得光线朝电极的反侧发出。采用覆晶式LED封装结构的另一个好处是，若搭配适当表面黏着型(surfacemount，一般简称surmount)基板，例如：采用硅基板作为表面黏着型基板，则将有助于LED元件散热，特别是在高电流操作环境下。如此一来，不但有助于LED元件的光取出效率得以提高，且LED元件发光层也不会受到LED元件过热的影响而降低量子效率。
然而，以上所述覆晶式LED封装结构，仍然不可避免该N型掺杂层或P型掺杂层中电流分布不均的问题，如此造成发光二极管电气性能下降，而影响到发光效能。
有鉴于此，本发明提出一种发光二极管元件，能有效解决电流分布不均以及元件过热的问题，以使发光二极管元件的发光效率提升。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种发光二极管元件，其具有高发光效率。
本发明另一目的在于提供一种覆晶式发光二极管封装元件，利用该发光二极管元件与一封装基板电性连接，藉此提升发光效率同时解决散热问题。
本发明的技术方案：本发明一实施例提出一种发光二极管元件，包含一元件基板、一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层、复数个第一沟部、一绝缘层、一第一接点以及一第二接点。该第一型掺杂层配置于该元件基板上，该发光层配置于该第一型掺杂层上，该第二型掺杂层配置于该发光层上。该等第一沟部贯通于该第二型掺杂层与该发光层并外露部份该第一型掺杂层表面，其中，该等第一沟部至少一者一端延伸并贯通至该第二型掺杂层与该发光层边缘。该绝缘层配置于部份该第二型掺杂层上并延伸至该等第一沟部侧壁。该第一接点配置于该等第一沟部内并与该第一型掺杂层电性连接。该第二接点配置于该第二型掺杂层上与其电性连接。上述绝缘层用以避免第一接点与第二型掺杂层短路。
在本发明一实施例中，上述该发光二极管元件进一步包含一反射层，其设置于该第二型掺杂层上。
在本发明一实施例中，上述该反射层面积范围为该第二型掺杂层面积百分之50以上。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部总面积为该第一型掺杂层面积百分之5至15。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部为直线型沟部。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部为曲线型沟部。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部至少二者是相互平行。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部的各别二端直线距离范围为0.5LL至LL，其中，LL为该元件基板较长一侧边长。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部的各别宽度范围为10至100微米。
在本发明一实施例中，上述该发光二极管元件进一步包含复数个第二沟部，其分别与该等第一沟部另一端连接，其中，与该等第二沟部延伸方向不同于该等第一沟部延伸方向。
在本发明一实施例中，其中该等第二沟部各别长度范围为LL/5n至LL/n，其中，LL为该元件基板较长一侧边长，n为该等第一沟部的总数量。
在本发明一实施例中，上述该等第二沟部的总数量为xn，其中n为该等第一沟部的总数量，x为正整数。
在本发明一实施例中，上述该等第二沟部的总数量与该等第一沟部的总数量相同。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部另一端向该发光二极管元件中心延伸。
在本发明一实施例中，上述该等第二沟部中心位置与该等第一沟部连接。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部以及该等第二沟部均为直线型沟部。
在本发明一实施例中，上述该等第一沟部与该等第二沟部是垂直连接。
本发明具有的有益效果：基于上述，本发明实施例该发光二极管元件是利用延伸至该第二型掺杂层与该发光层边缘的该等第一沟部，使得电流透过该第一接点可充分的分布于该第一型掺杂层，藉此改善电流群聚的现象，达到电流均匀分布之效。值得特别注意的是，本发明实施例可进一步通过该等第二沟部连接该等第一沟部，以提升该第二型掺杂层中的电流分散性。更详细的说，由于该等第二沟部的延伸方向与该等第一沟部的延伸方向不同，因此，当电流在该第二型掺杂层中传递时，受到该等第二沟部的阻碍，迫使电流会往横向扩散，跨越过该等第二沟部后才能继续往纵向扩散，使得电流在该第二型掺杂层也能达到均匀的分布之效。
本发明另一实施例提出一种覆晶式发光二极管封装元件，其进一步包含一封装基板，将上述发光二极管元件与该封装基板电性连接，藉着该封装基板的散热特性，提升发光效率并同时解决散热问题。
附图说明
图1为本发明一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图2为第一图AA′剖面线的剖视图；
图3为本发明另一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图4为本发明另一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图5为本发明另一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图6为本发明另一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图7为本发明另一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图8为本发明另一实施例半导体层与元件基板的上视图；
图9为本发明第1实施例完整的上视图；
图10为图9BB′剖面线的剖视图；
图11为图9CC′剖面线的剖视图；
图12为图9DD′剖面线的剖视图；
图13为本发明另一实施例的剖视图；以及
图14为本发明另一实施例的剖视图。
【图号对照说明】
1发光二极管元件1’覆晶式发光二极管封装元件
2半导体层10元件基板
11第一型掺杂层12发光层
13第二型掺杂层14第一沟部
15第二沟部16反射层
17绝缘层18第一接点
19第二接点20封装基板
21共晶结构22共晶结构
23凸块24凸块
L1第一沟部二端的最短距离LL元件基板较长一侧边长
d第一沟部的宽度
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
请参阅图1与图2，其为本发明的一实施例的半导体层与元件基板的上视图与图1的AA’剖面线的剖视图。如图1所示，本实施例的上视图为简化起见，仅显示半导体层2(请参阅图2，其包含第一型掺杂层11、发光层12、第二型掺杂层13)，而未显示绝缘层、反射层、第一接点以及第二接点。半导体层2是设置于一元件基板10上，并通过复数个第一沟部14外露部分第一型掺杂层11的表面，以供第一接点作电性连接。
如图2所示，在元件基板10上形成一第一型掺杂层11。在该第一型掺杂层11上形成一发光层12，并且在该发光层12上形成一第二型掺杂层13。在该发光二极管元件中，复数个第一沟部14贯通该第二型掺杂层13与发光层12，同时由该等第一沟部14外露部分该第一型掺杂层11的表面，以供第一接点18(如图9所示)经该等第一沟部14电性连接第一型掺杂层11，使电流可均匀分布于第一型掺杂层11，以进一步提升发光层12的电流分布，而改善发光均匀性，其中，该等第一沟部14是通过蚀刻第二型掺杂层13及发光层12而形成，例如：先经过黄光制程后再以反应离子蚀刻发光层12与第二型掺杂层13；或者通过有选择地生长发光层12与第二型掺杂层13。
请参阅图3-5，其为本发明的另一实施例的半导体层与元件基板的上视图。其中图3、图4与图5分别本发明的半导体层2的第2、第3与第4实施例，在实施例中，第一沟部14不限于任何形状，例如该等第一沟部14可为直线型沟部或是曲线型沟部。如图3所示，该等第一沟部14的至少一者的一端延伸至该发光层12与该第二型掺杂层13的边缘，且复参阅图1，较佳者为所有第一沟部14的一端均延伸至该半导体层2的边缘。如图4所示，该等第一沟部14的外形为曲线状，以增加第一接点与第一型掺杂层11的接触面积，藉此提高电流通过发光层12的电流量，而改善发光效率。此外，如图5所示，为了使电流均匀地分布于第一型掺杂层11且有效地利用芯片面积，较佳地，该等第一沟部14的至少二者为相互平行，更佳地，如图1所示，所有第一沟部14均相互平行。
为了维持较大发光面积同时兼顾第一型掺杂层11内的电流扩散性，其中该等第一沟部14的二端最短距离L1较佳为0.5LL至LL，其中，LL为元件基板10的较长一侧的边长。再者，由于第一沟部14的宽度d(其如图1、图3、图4与图5中第一沟部14的宽度d)过宽会产生第一接点吸光或是遮光等问题，而第一沟部14的宽度d过细又会衍生出发光二极管元件的制程良率低的问题，因此该等第一沟部14的各别宽度范围较佳为10至100微米之间。
请参阅图6-8，其为本发明的另一实施例的半导体层与元件基板的上视图。如第6-8图所示，其为本发明的半导体层2的第5、第6以及第7实施例。第5、第6以及第7实施例与第1实施例的不同在于，第5、第6以及第7实施例中进一步包含复数个第二沟部15，其分别与该等第一沟部14连接，上述该等第二沟部15的延伸方向与该等第一沟部14的延伸方向不同，并通过第二沟部15的不同延伸方向以增加第一接点18(如图9所示)与第二接点19(如图9所示)之间横向的电流传递。
为了有效达成横向的电流传递，上述第二沟部15的各别长度范围较佳为LL/5n至LL/n，其中，LL为元件基板10的较长一侧的边长，n为该等第一沟部14的总数量。该等第二沟部15的总数量并没有特定限制，但为达均匀的电流横向分布，较佳者，该等第二沟部15的总数量为xn，其中，x为大于0的正整数，n为第一沟部14的总数量，也就是该等第二沟部15的总数量可大于该等第一沟部14的总数量。更佳地，该等第二沟部15的总数量为n，藉此兼顾均匀的电流横向分布与降低接点遮光问题，换言之，第5、第6以及第7实施例的该等第一沟部14的总数量相等于该等第二沟部15的总数量。
如图6所示，该等第一沟部14与该等第二沟部15的延伸方向不同，且该等第一沟部14以及该等第二沟部15均为直线型沟部并分别垂直连接，而该等第二沟部15是连接至该等第一沟部14的中段，以形成十字外形的沟部，因此增加第一型掺杂层11纵向与横向的外露面积，使该等第一沟部14有效地利用芯片面积，以增加电流于第一掺杂层11的电流纵向、横向分布，而改善发光效率。
如图7-8所示，为了使发光二极管元件1的中心附近的电流横向分布较好，因此，该等第二沟部15连接至该等第一沟部14的邻近发光二极管元件中心的一端，亦即该等第一沟部14的一端延伸至半导体层2的边缘，而该等第一沟部14的另一端是向发光二极管元件1的中心延伸，且该等第一沟部14的另一端是连接该等第二沟部15，较佳地，该等第二沟部15的中心位置与该等第一沟部14连接。此外，为了提升制程的良率，该等第一沟部14以及第二沟部15均设置为直线型沟部。更佳地，该等第一沟部14与该等第二沟部15是垂直连接(如图7所示)，以通过该等第一沟部14与该等第二沟部15供设置第一接点18(如图9所示)，而增加部分第一型掺杂层11的表面的外露面积，用于增加第一接点18(如图9所示)电性连接的面积，以提高发光效率。
请参阅图9至图12，其为本发明的第1实施例完整的上视图与图9的剖视图，其中图10至图12分别为图9的BB′、CC’以及DD′剖面线的剖视图。如图所示，本发明的发光二极管元件1包含一元件基板10、一第一型掺杂层11、一发光层12、一第二型掺杂层13、一绝缘层17、一第一接点18以及一第二接点19。此外，本发明的发光二极管元件1进一步包含反射层16。
本实施例的第一型掺杂层11配置于元件基板10上，发光层12配置于第一型掺杂层11上，第二型掺杂层13配置于发光层12上，本实施例的发光二极管元件1是设置复数第一沟部14，而该等第一沟部14分别贯通第二型掺杂层13与发光层12，且该等第一沟部14分别外露部份第一型掺杂层11的表面，再者，该等第一沟部14的一端更进一步延伸并贯通至第二型掺杂层13与发光层12边缘，除此之外，本发明更可依据使用需求而设置对应数目的第一沟部14。反射层16设置于第二型掺杂层13上，且反射层16的面积范围为该第二型掺杂层13面积的百分之50以上，绝缘层17设置于部分反射层16上，且绝缘层17延伸至第一沟部14的侧壁，也就是延伸至发光层12与第二型掺杂层13的侧壁。本实施例的第一接点18是配置于该等第一沟部14内以接设至第一型掺杂层11上，以作电性连接，第二接点19设置于反射层16上并与第二型掺杂层13作电性连接。其中，第一沟部14的面积为该第一型掺杂层11面积的百分之5至15。由于第一接点18通过第一沟部14的一端延伸至半导体层2的边界，可增加电流在第一型掺杂层11的分散性。
请参阅图13至图14，其为本发明的另一实施例的剖视图。如图13至图14所示，图12的发光二极管元件1经覆晶封装后的结构示意图，亦即本发明的发光二极管元件1经覆晶封装后所得的覆晶式发光二极管封装元件1’。
如图13所示，图12的发光二极管元件1是倒覆于一封装基板20上，第一接点18与第二接点19是以共晶结构21、22，而分别与封装基板20电性连接；如图14所示，图12的发光二极管元件1亦倒覆于一封装基板20上，且第一接点18与第二接点19是以凸块23、24，而分别与封装基板20电性连接。由于发光二极管元件1经倒覆于封装基板20上后，反射层16位于发光层12的下方而面向封装基板20，所以发光层12向下发出的光线即会经由反射层16反射，而由元件基板10处发出。
如此本发明的复数个第一沟部14延伸至半导体层2边缘的技术更可应用于覆晶式发光二极管的技术领域，因此本发明亦可提供一覆晶式发光二极管封装元件1’，此覆晶式发光二极管封装元件1’可增加电流分布均匀度并同时解决散热问题。
此外，本实施例的元件基板10的材料为选自于Al2O3、SiC、GaAs、GaN、AlN、GaP、Si、ZnO及MnO、或玻璃等透明基板。本实施例的第一型掺杂层11与第二型掺杂层13可分别N型氮化镓半导体层与P型氮化镓半导体层，或分别为P型氮化镓半导体层与N型氮化镓半导体层，也就是第一型掺杂层11与第二型掺杂层13为不同掺杂的氮化镓半导体层。本实施例的发光层12可为多重量子井(MQW)结构。本实施例的绝缘层17的材质为光穿透度高的绝缘材质，其包含氧化物、氮化物或氮氧化物，较佳的绝缘层17是采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。本实施例的反射层16的材质较佳可采用反射率良好的金属，其包含银、铝、钛、金、铂、钯或上述的组合。第一接点18与第二接点19的材料为导电材料，其包含金属导电材料与非金属导电材料，较佳地为金属导电材料，特别是金、钛、镍、铝、铬、铂或上述的组合，且该导电材料是以单一结构或是多层导电结构堆栈。本实施例的封装基板20为具散热性或是高热容的材质，例如但不限于一硅基板、蓝宝石基板、陶瓷基板，若进一步考量与发光二极管元件1的匹配程度，最佳者为蓝宝石基板。本实施例共晶结构21、22为一共晶金属，例如金锡合金、银锡合金、金锗合金等，而本实施例的凸块23、24为金、镍或焊锡等金属材料。以上所述，本发明的发光二极管元件1可进一步与封装基板20作电性连接，通过封装基板20的散热特性，解决发光二极管元件1的过热问题。
综上所述，本发明为一种发光二极管元件，其通过第一沟部贯通发光层与第二型掺杂层并外露部分第一型掺杂层，以供设置并电性连接第一接点，而提高电流在第一型掺杂层中的分散性，再者，可进一步利用第二沟部的不同延伸方向设计，以增加电流在第二型掺杂层中的分布，而使整体发光二极管元件的电流分布均匀度提高，因而通过上述两项改良而提高发光二极管的发光效能。最后，通过本发明的发光二极管元件与一封装基板作结合，又可解决元件的散热问题。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。
Claims (20)
1.一种发光二极管元件，其特征在于，包含：
一元件基板；
一第一型掺杂层，配置于该元件基板上；
一发光层，配置于该第一型掺杂层上；
一第二型掺杂层，配置于该发光层上；
复数个第一沟部，其贯通该第二型掺杂层与该发光层并外露部分该第一型掺杂层表面；
一绝缘层，配置于部分该第二型掺杂层上并延伸至该复数个第一沟部侧壁；
一第一接点，配置于该复数个第一沟部内并与该第一型掺杂层电性连接；及
一第二接点，配置于该第二型掺杂层上且与该第二型掺杂层电性连接；
其中，该复数个第一沟部至少一者的一端延伸并贯通至该第二型掺杂层与该发光层边缘，且该第一接点与该第二接点相互不重叠配置。
2.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该发光二极管元件更包含：
一反射层，配置于该第二型掺杂层上。
3.如权利要求2所述发光二极管元件，其特征在于，其中该反射层面积范围为该第二型掺杂层面积百分之50以上。
4.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该第一沟部总面积为该第一型掺杂层面积百分之5至15。
5.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部为直线型沟部。
6.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部为曲线型沟部。
7.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部至少二者是相互平行。
8.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部的两端最短距离范围为0.5LL至LL，其中，LL为该元件基板较长一侧边长。
9.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中每一个该复数个第一沟部的宽度范围为10至100微米。
10.如权利要求1所述发光二极管元件，其特征在于，其中该发光二极管元件更包含：
复数个第二沟部，其分别与该复数个第一沟部连接，该复数个第二沟部延伸方向不同于该复数个第一沟部延伸方向。
11.如权利要求10所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第二沟部长度范围为LL/5n至LL/n，其中，LL为该元件基板较长一侧边长，n为该复数个第一沟部的总数量。
12.如权利要求10所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第二沟部的总数量为xn，其中，x为正整数，n为该复数个第一沟部的总数量。
13.如权利要求10所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第二沟部的总数量与该复数个第一沟部的总数量相同。
14.如权利要求10所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部另一端向该发光二极管元件中心延伸，且该复数个第一沟部另一端分别与第二沟部连接。
15.如权利要求10所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第二沟部中心位置与该复数个第一沟部连接。
16.如权利要求10所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部以及该复数个第二沟部均为直线型沟部。
17.如权利要求15所述发光二极管元件，其特征在于，其中该复数个第一沟部与该复数个第二沟部是垂直连接。
18.一种覆晶式发光二极管封装元件，其特征在于，包含：
一封装基板；
一发光二极管元件，倒覆于该封装基板与其电性连接，该发光二极管元件包括：
一元件基板；
一第一型掺杂层，配置于该元件基板上；
一发光层，配置于该第一型掺杂层上；
一第二型掺杂层，配置于该发光层上；
复数个第一沟部，其贯通该第二型掺杂层与该发光层并外露部分该第一型掺杂层表面；
一绝缘层，配置于部分该第二型掺杂层上并延伸至该复数个第一沟部侧壁；
一第一接点，配置于该复数个第一沟部内并与该第一型掺杂层电性连接；及
一第二接点，配置于该第二型掺杂层上且与该第二型掺杂层电性连接，
其中，该复数个第一沟部至少一者一端延伸并贯通至该第二型掺杂层与该发光层边缘，且该第一接点与该第二接点相互不重叠配置。
19.如权利要求18所述覆晶式发光二极管封装元件，其特征在于，其中该发光二极管元件是通过凸块与该封装基板电性连接。
20.如权利要求18所述覆晶式发光二极管封装元件，其特征在于，其中该发光二极管元件是通过共晶结构与该封装基板电性连接。
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