CN103296044A - 二维式阵列发光二极管元件 - Google Patents

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Abstract

一种二维式阵列发光二极管元件，包含一透明基板、若干个发光单元、若干导电配线结构；该透明基板具有一第一表面；每一个该发光单元包含若干侧边及一周长，配置在该第一表面上；该些导电配线结构电性连接该些发光单元，配置在该第一表面上；任一该些发光单元的侧边与其相邻的该发光单元间具有若干垂直距离，当该些垂直距离大于50μm时，该发光单元的侧边与最近的该发光单元不相近；任一该些发光单元与其相邻的发光单元不相近的侧边长度总和与该发光单元的周长比大于50%。

Description

二维式阵列发光二极管元件
技术领域
本发明是关于一种二维式阵列发光二极管元件，尤其是关于一种具有高出光效率的二维式阵列高压发光二极管元件。 
背景技术
发光二极管(LED)的发光原理和结构与传统光源并不相同，具有耗电量低、元件寿命长、无须暖灯时间、反应速度快等优点，再加上其体积小、耐震动、适合量产，容易配合应用需求制成极小或阵列式的元件，在市场上的应用颇为广泛。例如，光学显示装置、雷射二极管、交通号志、数据储存装置、通讯装置、照明装置、以及医疗装置等。 
现有的二维式阵列发光二极管元件1，如第1A图与第1B图所示，包含一透明基板10、若干个发光二极管单元12以二维方向延伸，紧密排列形成于透明基板10上，每一个发光二极管单元12包含一p型半导体层121、一发光层122、以及一n型半导体层123。由于透明基板10不导电，因此于若干个发光二极管单元12之间由蚀刻形成沟渠14后可使各发光二极管单元12彼此绝缘，另外再通过部分蚀刻若干个发光二极管单元12至n型半导体层123，分别于n型半导体层123的暴露区域以及p型半导体层121上形成一第一电极18以及一第二电极16。再通过导电配线结构19选择性连接若干个发光二极管单元12的第一电极18及第二电极16，使得若干个发光二极管单元12之间形成串联或并联的电路。其中，导电配线结构19下方可以是空气；也可以预先在形成导电配线结构19之前，在发光二极管单元12的磊晶层部分表面及相近的发光二极管单元 12磊晶层间以化学气相沉积方式(CVD)、物理气相沉积方式(PVD)、溅镀(sputtering)等技术沉积形成绝缘层13，作为磊晶层的保护与相近发光二极管单元12间的电性绝缘。绝缘层13的材质较佳例如可以是氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO2)等材料或其复合组合。 
然而，通过导电配线结构19进行发光二极管单元12间的电路连结时，由于发光二极管单元12与之间的沟渠14高低差距颇大，在形成导电配线结构19时容易产生导线连结不良或断线的问题，进而影响元件的良率。 
此外，上述的发光二极管元件1更可以进一步地与其它元件组合连接以形成一发光装置(light-emitting apparatus)。第11图为现有的的发光装置结构示意图，如第11图所示，一发光装置100包含一具有至少一电路101的次载体(sub-mount)110，将上述发光二极管元件1黏结固定于次载体110上；以及，一电性连接结构104，以电性连接发光元件1的第一电极衬垫16’、第二电极衬垫18’与次载体110上的电路101；其中，上述的次载体110可以是导线架(lead frame)或大尺寸镶嵌基底(mounting substrate)，以方便发光装置100的电路规划并提高其散热效果。上述的电性连接结构104可以是焊线(bonding wire)或其它连结结构。 
发明内容
本发明提供一种二维式阵列发光二极管元件，尤其是关于一种具有高出光效率的二维式阵列高压发光二极管元件。 
本发明提供一种二维式阵列发光二极管元件，包含一透明基板、若干个发光单元、若干导电配线结构；该透明基板具有一第一表面；每一个该发光单元包含若干侧边及一周长，配置在该第一表面上；该些导电配线结构电性连接该些发光单元，配置在该第一表面上； 任一该些发光单元的侧边与其相邻的该发光单元间具有若干垂直距离，当该些垂直距离大于50μm时，该发光单元的侧边与最近的该发光单元不相近；任一该些发光单元与其相邻的发光单元不相近的侧边长度总和与该发光单元的周长比大于50％。 
本发明的提供另一种二维式阵列发光二极管元件，包含一透明基板、若干发光单元和若干导电配线结构；该透明基板具有一第一表面；任一该些发光单元包含一第一电性半导体层、一第二电性半导体层和一发光层，该第一电性半导体层配置于该透明基板的该第一表面上，该第二电性半导体层配置于该第一电性半导体层上，该发光层配置于该第一电性半导体层与该第二电性半导体层之间；该些导电配线结构电性连接该些发光单元，配置在该第一表面上；任一该些发光单元的该发光层与相邻的发光单元其发光层间距大于35μm。 
附图说明
图1为一结构图，显示一现有的二维式阵列发光二极管元件侧视结构图。 
图2A为一结构图，显示依据本发明一实施例的二维式阵列发光二极管元件俯视结构图。 
图2B为一结构图，显示依据本发明一实施例的二维式阵列发光二极管元件侧视结构图。 
图3为一结构图，显示依据本发明一实施例的发光二极管单元俯视结构图。 
图4A-4B为一示意图，显示依据本发明一实施例的二维式阵列发光二极管元件俯视示意图。 
图5为一结构图，显示依据本发明一实施例的二维式阵列发光二极管元件俯视结构图。 
图6A-6B为一示意图，显示依据本发明另一实施例的二维式阵列发光二极管元件俯视示意图。 
图7为一表格，显示依据不同二维式阵列发光二极管元件对发光效率与每颗发光二极管单元的发光能量比较表。 
图8A-8C为一结构图，显示依据本发明另一实施例的二维式阵列发光二极管元件俯视结构图。 
图9A-9D为一结构图，显示一种单列的串联式高压发光二极管元件俯视结构图。 
图10为一结构图，显示依据本发明另一实施例的二维式阵列发光二极管元件俯视结构图。 
图11为另一现有发光装置的结构示意图。 
具体实施方式
以下配合图式说明本发明的各实施例。首先，图2A与图2B所示为本发明第一实施例的二维式阵列发光二极管元件2的俯视图与侧视图。二维式阵列发光二极管元件2具有一个透明基板20，透明基板20具有第一表面201与底面202，其中第一表面201与底面202相对。透明基板20并不限定为单一材料，亦可以是由若干不同材料组合而成的复合式透明基板。例如：透明基板20可以包含两个相互接合的第一透明基板与第二透明基板(图未示)。本实施例中，透明基板20的材质为蓝宝石(sapphire)。然而，透明基板20的材质亦可以包含但不限于铝酸锂(lithium aluminum oxide，LiAlO2)、氧化锌(zinc oxide，ZnO)、磷化镓(gallium nitride，GaP)、玻璃(Glass)、有机高分子板材、氮化铝(aluminum nitride，AlN)。接着，在透明基板20的第一表面201上，形成若干二维延伸排列的发光二极管单元22阵列。在本实施例中，制作方式如下所述： 
首先，以传统的磊晶成长制程，在一成长基板(图未示)上依序形成n型半导体层221，发光层222，以及p型半导体层223。在本实施例中，成长基板的材质为砷化镓(GaAs)。当然，除了砷化镓(GaAs)基板之外，成长基板的材质是可包含但不限于锗(germanium，Ge)、磷化铟(indium phosphide，InP)、蓝宝石(sapphire)、碳化硅(silicon carbide)、硅(silicon)、氧化锂铝(lithium aluminum oxide，LiAlO2)、氧化锌(zinc oxide，ZnO)、氮化镓(gallium nitride，GaN)、氮化铝(aluminum nitride)。 
接着，以黄光微影制程技术选择性移除部分磊晶层后，残余的磊晶层在成长基板上形成如图2B所示，分开排列的多个发光二极管单元22的磊晶层部分结构。其中，更可包含以黄光微影制程技术蚀刻形成每一个发光二极管单元22的n型半导体层暴露区域，以做为后续电极结构的形成平台。 
为了增加元件整体的出光效率，透过基板转移与基板接合的技术，将发光二极管单元22磊晶层结构设置于透明基板20之上。发光二极管单元22可以以加热或加压的方式与透明基板20直接接合，或是透过透明黏着层(图未示)将发光二极管单元22与透明基板20黏着接合。其中，透明黏着层可以是一有机高分子透明胶材，例如聚酰亚胺(polyimide)、苯环丁烯类高分子(BCB)、全氟环丁基类高分子(PFCB)、环氧类树脂(Epoxy)、压克力类树脂(Acrylic Resin)、聚脂类树脂(PET)、聚碳酸酯类树脂(PC)等材料中的一种或其组合；或一透明导电氧化金属层，例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化锡氟(FTO)、锑锡氧化物(ATO)、镉锡氧化物(CTO)、氧化锌铝(AZO)、掺镉氧化锌(GZO)等材料中的一种或其组合；或一无机绝缘层，例如氧化铝(Al2O3)、氮化 硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、二氧化钛(TiO2)等材料中的一种或其组合。 
在本实施例中，发光二极管单元22是以苯环丁烯类高分子(BCB)做为透明黏着层与透明基板20进行接合。实际上，将发光二极管单元22设置于透明基板20上的方法不限于此，于本技术领域中具有通常知识的人应可以理解，根据不同的结构特性，发光二极管单元22亦可以磊晶成长的方式直接形成于透明的基板上。此外，根据基板转移次数的不同，亦可以形成p型半导体层与基板相邻，且n型半导体层在p型半导体层上，中间夹有发光层的结构。 
接着，在发光二极管单元22的磊晶层部分表面及相邻发光二极管单元22磊晶层间以化学气相沉积方式(CVD)、物理气相沉积方式(PVD)、溅镀(sputtering)等技术沉积形成绝缘层23，作为磊晶层的保护与相邻发光二极管单元22间的电性绝缘。绝缘层23的材质较佳例如可以是氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO2)等材料或其复合组合。 
之后，以溅镀的方式在发光二极管单元22的n型半导体层暴露区域表面，p型半导体层表面，以及透明基板的第一表面201上形成第一电极28、第二电极26及导电配线结构29，以进行发光二极管单元22之间的电性连结。以本实施例为例，在第一发光二极管单元22的n型半导体层暴露区域上形成第一电极28，在相邻的发光二极管单元22的p型半导体层223上形成第二电极26，以及形成一导电配线结构29于两个电极之间，以串联的方式电性连结两个相邻的发光二极管单元22。导电配线结构29与电极26，28的材质较佳例如可以是金属，例如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铬(Cr)、铝(Al)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、锡(Sn)等，其合金或其层迭组合。形成第 一电极28、第二电极26与导电配线结构29的材质可以相同或不同，其结构可以是单一次制程，也可以是由多次制程所完成。 
除此之外，如图2A所示，为了减少不透光的金属结构对发光二极管元件2出光效率所产生的影响，依据不同的电路设计，分别自本实施例中的发光二极管单元22串行之中其中两个发光二极管单元22的p型半导体层223及n型半导体层221表面形成两组导电配线结构29，延伸至磊晶层之外的透明基板20第一表面201上形成第一电极衬垫26′与第二电极衬垫28′。通过两个电极衬垫，可以以打线或焊锡等方式与外部电源形成电性连接。其中，形成电极衬垫26′，28′的制程，可以与形成电极26，28及导电配线结构29于单一次制程中进行，也可以由多次制程所完成。而形成电极衬垫26’，28’的材质，可以分别与形成电极26，28或导电配线结构29的材质相同或不同。 
图3所示为发光二极管单元22放大的俯视图。在本实施例中，每一个发光二极管单元22是为长方形，依序具有四个侧边22a，长度为a、侧边22b，长度为b、侧边22c，长度为a、以及侧边22d，长度为b。而发光二极管单元22的周长即为四个侧边的长度总和，即2a+2b。 
值得注意的是，在本发明之中，为了增加发光二极管元件的出光效率，对发光二极管单元22的排列方式进行了调整。 
现有的二维式阵列发光二极管元件之中，当发光二极管单元22之间设置距离过近时，发光二极管单元所产生的光容易被相近发光二极管单元中能带相近的半导体层(尤其是发光层)再吸收，进而影响元件整体的出光效率。 
在本发明的实施例中，为减少发光二极管单元之间的再吸收现 象，使每一个不同的发光二极管单元22之间距离拉大。以本实施例为例，由于发光层之间能带相近，再吸收现象尤其明显。因此，以发光层间的距离为基准，调整十个发光二极管单元彼此之间的发光层间距都大于35μm。除此之外，不同的发光二极管单元22间，侧边的相邻比例应尽量减少。以图4A为例，当不同发光二极管单元22之间的侧边垂直距离x大于50μm时，相邻的发光二极管单元之间的再吸收机会较低，因此可以定义为两侧边之间不相近。这样的定义，可以广泛适用于不同形状的发光二极管单元22结构之中，如图4B所示，圆形的发光二极管单元22也可以适当地以彼此不相近的方式以二维阵列的方式设置在基板上，减少彼此之间再吸收的机会，增加发光二极管元件的出光效率。 
以本实施例为例，我们可以推算出每一个发光二极管单元22与其它发光二极管单元的侧边不相近值α。不相近值α的定义为单一发光二极管单元与其它发光二极管单元不相近的侧边长度总和与周长的比值。如图5所示，我们将十个发光二极管单元22进行编号，计算发光二极管单元22-1的不相近值α。发光二极管单元22-1与下方的发光二极管单元22-2侧边部分经由导电配线结构29相连接，侧边22-1c与侧边22-2d之间的垂直距离小于或等于50μm时，彼此相近，相近的长度为b。同样的，发光二极管单元22-1的侧边22-1d与左侧的发光二极管单元22-3的侧边22-3b垂直距离小于50μm，也是彼此相近，相近的长度为b；此外，发光二极管单元22-1的周长为2a+2b。在本实施例中，有2b长度的侧边与其它的发光二极管单元相近，不相近的侧边长度总和为(2a+2b)-2b＝2a。因此，发光二极管单元22-1的不相近值α为2a/(2a+2b)。相同的计算公式，同样可以应用在不同形状的发光二极管单元22结构之中。把单一发光二极管单元的侧边分割为无数的点，沿着每一个点的侧边做切线，就 任一点依垂直其切线方向计算与最近的发光二极管单元侧边的垂直距离。确认每一个点与最近的发光二极管单元的距离后，把所有不相近的侧边以积分的方式加总，所获得的积分值即为不相近的侧边长度总和，不相近值α即为积分值与周长的比值。 
以图6A与图6B为例，我们可以延伸计算形状为不规则形的发光二极管单元每一点与其它发光二极管单元是否相近。当发光二极管单元的形状为不规则形状时，以侧边上的每一个点垂直于此侧边的方向计算与最近的发光二极管单元侧边的垂直距离x，当侧边为弧形时，则以弧形上的每一个点对弧形做切线后，就此点垂直于其切线方向计算垂直距离。在图6A与图6B中，分别以发光二极管单元32-1与发光二极管单元42-1为例，标示出发光二极管单元侧边不同位置与最近发光二极管单元32-2，32-3，42-2，42-3间垂直距离x的计算方式。 
根据实验的结果可以发现，当二维式阵列发光二极管元件上发光二极管的单元不相近值α大于50％时，发光二极管元件2可以比现有的紧密排列的二维式阵列发光二极管元件3提升发光效率5％，如图7提供的发光二极管元件对元件发光效率与每颗发光二极管单元的发光能量比较表所示。当发光二极管元件2中的每一个发光二极管单元侧边长a值为560μm，侧边长b值为290μm时，不相近值α约为65％，发光二极管元件2之发光效率比现有的紧密排列的二维式阵列发光二极管元件提升10％。 
除了本实施例之外，图8A至图8C提供其它符合不相近值α大于50％的发光二极管单元排列方式所组成的二维式阵列发光二极管元件的实施例。 
此外，为了增加元件整体的出光效率，我们还可以利用干蚀刻 或湿蚀刻等方式在透明基板的第一表面及/或背面进行表面粗化，以增加光线散射与出光机率。此外，自俯视图观之，发光二极管单元22设置于透明基板20上时，发光二极管单元22的发光层垂直投影于第一表面的位置与透明基板20任一侧边之间最短距离较佳应大于20μm，以增加光自透明基板20摘出的机会。 
在相同的发明精神之下，我们可以将单列的串联式高压发光二极管元件接合于透明基板上，利用适当的二微阵列排列方式，也可以达到增加串联式高压发光二极管元件中每一颗发光单元的不相近值α的效果，以形成具有高出光效率的二维式阵列发光二极管元件。 
图9A至图9D分别显示单列的串联式高压发光二极管元件4、5、6、7。其中，每一个高压发光二极管元件分别包含有四个发光二极管单元42、52、62、72，以磊晶成长或接合的方式形成于基板40、50、60、70之上。与上述的结构相同，先在第一发光二极管单元42、52、62、72的n型半导体层暴露区域上形成第一电极46、56、66、76，延伸出导电配线结构49、59、69、79至另一个相邻的发光二极管单元42、52、62、72，并形成第二电极48、58、68、78于相邻的发光二极管单元42的p型半导体层上，以串联的方式电性连结两个相邻的发光二极管单元42、52、62、72。在每一个单列的串联式高压发光二极管元件4、5、6、7之中，行列末端的两个发光二极管单元42、52、62、72更分别形成有第一电极衬垫46’、56’、66’、76’与第二电极衬垫48’、58’、68’、78’，用以与外部元件或电源形成电性连接。 
我们可以将若干个上述图9A至图9D所示的单列的串联式高压发光二极管元件4、5、6、7以透明黏着层设置于一个单一的透明基板80上，发光二极管元件4、5、6、7彼此之间可以透过打线制程 或黄光制程形成导电配线结构89的方式进行电性连结，在适当的排列之下，可以形成较现有的紧密排列的二维式阵列发光二极管元件具有较高不相近值α的二维式阵列发光二极管元件，以达成较高的元件整体出光效率，如图10所示。 
本发明所列举之各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明之范围。任何人对本发明所作之任何显而易知之修饰或变更皆不脱离本发明之精神与范围。 

Claims (10)

1.一种二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该二维式阵列发光二极管元件包含一透明基板、若干个发光单元、若干导电配线结构；该透明基板具有一第一表面；每一个该发光单元包含若干侧边及一周长，配置在该第一表面上；该些导电配线结构电性连接该些发光单元，配置在该第一表面上；任一该些发光单元的侧边与其相邻的该发光单元间具有若干垂直距离，当该些垂直距离大于50μm时，该发光单元的侧边与最近的该发光单元不相近；任一该些发光单元与其相邻的发光单元不相近的侧边长度总和与该发光单元的周长比大于50％。
2.如权利要求1所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该些发光单元是以磊晶成长的方式成长于该透明基板的该第一表面或通过一透明黏着层结合于该透明基板的该第一表面上。
3.如权利要求2所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该透明黏着层为有机高分子透明胶材、透明导电氧化金属层和无机绝缘层中的一种。
4.如权利要求3所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该透明黏着层是选自聚酰亚胺(polyimide)、苯环丁烯类高分子(BCB)、全氟环丁基类高分子(PFCB)、环氧类树脂(Epoxy)、压克力类树脂(Acrylic Resin)、聚脂类树脂(PET)、聚碳酸酯类树脂(PC)材料中的一种或其组合。
5.如权利要求3所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该透明黏着层是选自氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化锡氟(FTO)、锑锡氧化物(ATO)、镉锡氧化物(CTO)、氧化锌铝(AZO)、掺镉氧化锌(GZO)材料中的一种或其组合。
6.如权利要求3所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该透明黏着层是选自氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO2)等材料中的一种或其组合。
7.如权利要求1所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：任一该些发光单元更包含一第一电性半导体层、一第二电性半导体层和一发光层，该第一电性半导体层配置于该透明基板的该第一表面上；该第二电性半导体层配置于该第一电性半导体层上；该发光层配置于该第一电性半导体层与该第二电性半导体层之间；任一该些配线结构是配置于相邻的两个该些发光单元之间，电性连结该相邻的两个该些发光单元中一个发光单元的第一电性半导体层与另一个发光单元的第二电性半导体层。
8.如权利要求7所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该些发光单元与相邻的该发光单元发光层间间距不小于35μm。
9.如权利要求7所述的二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该透明基板包含至少一侧边，且自俯视图观之，该些发光单元的该些发光层于该第一表面的投影与该侧边的间距不小于20μm。
10.一种二维式阵列发光二极管元件，其特征在于：该二维式阵列发光二极管元件包含一透明基板、若干发光单元和若干导电配线结构；该透明基板具有一第一表面；任一该些发光单元包含一第一电性半导体层、一第二电性半导体层和一发光层，该第一电性半导体层配置于该透明基板的该第一表面上，该第二电性半导体层配置于该第一电性半导体层上，该发光层配置于该第一电性半导体层与该第二电性半导体层之间；该些导电配线结构电性连接该些发光单元，配置在该第一表面上；任一该些发光单元的该发光层与相邻的发光单元其发光层间距大于35μm。
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