CN103367384A - 发光二极管元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光二极管元件，其包含一基板，该基板具有一第一表面；多个发光二极管单元，形成在第一表面上，每一个发光二极管单元包含一第一半导体层、一第二半导体层，形成在第一半导体层上、以及一活性层，形成在第一半导体层与第二半导体层之间；以及多个导电配线结构，彼此完全分离，一端分别形成在第二半导体层上，直接接触第二半导体层，并通过第二半导体层彼此电性连结；其中，上述多个导电配线结构另一端分别形成在另一发光二极管单元上，直接接触另一发光二极管单元所包含的上述多个半导体层其中之一。

Description

发光二极管元件
技术领域
本发明涉及一种发光二极管元件，尤其是涉及一种具有高出光效率的阵列式发光二极管元件。
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、无需暖灯时间、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、激光二极管、交通号志、数据存储装置、通讯装置、照明装置、以及医疗装置等。
现有的高压发光二极管元件1，如图1A与图1B所示，包含一透明基板10、多个发光二极管单元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的外延叠层120包含一第一半导体层121、一活性层122、以及一第二半导体层123。由于透明基板10不导电，因此于多个发光二极管单元外延叠层120之间由蚀刻形成沟槽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多个发光二极管单元外延叠层120至第一半导体层121以形成部分暴露区域。接着，再分别于相邻的发光二极管单元外延叠层120的第一半导体层121的暴露区域以及第二半导体层123上形成一导电配线结构19，包含第一电极18以及第二电极16。第一电极18与第二电极16分别各自又包含第一电极延伸部180与第二电极延伸部160，分别形成于相邻发光二极管单元外延叠层120的第一半导体层121与第二半导体层123之上，协助电流均匀分散流入半导体层中。通过导电配线结构19选择性连接于多个相邻的发光二极管单元12的第二半导体层123以及第一半导体层121，使得多个发光二极管单元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，也可以在形成导电配线结构19之前，预先在发光二极管单元12的外延层部分表面及相近的发光二极管单元12外延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，作为外延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)、五氧化二钽(Tantalum pentoxide，Ta2O5)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与之间的沟槽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还可以进一步地与其他元件组合连接以形成一发光装置(light-emitting apparatus)。图2为现有的发光装置结构示意图，如图2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粘结固定于次载体110上；以及，一电连接结构104，以电连接发光元件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。上述的电连接结构104可以是焊线(bonding wire)或其他连结结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管元件，尤其是关于一种具有高出光效率的发光二极管元件。
为达上述目的，本发明的一实施例提供一种发光二极管元件，其包含一基板，具有一第一表面；多个发光二极管单元，形成在第一表面上，每一个发光二极管单元包含一第一半导体层、一第二半导体层，形成在第一半导体层上、以及一活性层，形成在第一半导体层与第二半导体层之间；以及多个导电配线结构，彼此完全分离，一端分别形成在第二半导体层上，直接接触第二半导体层，并通过第二半导体层彼此电性连结；其中，上述多个导电配线结构另一端分别形成在另一发光二极管单元上，直接接触另一发光二极管单元所包含的上述多个半导体层其中之一。
本发明的另一实施例提供一种发光二极管元件，其包含一基板具有一第一表面；多个发光二极管单元，形成在第一表面上，每一个发光二极管单元包含第一半导体层、第二半导体层，形成在第一半导体层上、一活性层，形成在第一半导体层与第二半导体层之间、一第一侧边，边长为a毫米(μm)、以及多个导电配线结构，彼此完全分离，形成在发光二极管单元的第一侧边上；其中，第一侧边设置有至少(a-1)/100个上述多个导电配线结构。
本发明的另一实施例提供一种发光二极管元件，其包含一基板，具有一第一表面；多个发光二极管单元，形成在该第一表面上，每一个发光二极管单元包含第一半导体层、第二半导体层，形成在第一半导体层上、一活性层，形成在第一半导体层与第二半导体层之间、一第一侧边、以及一第二侧边，相对于第一侧边；以及多个导电配线结构，彼此完全分离，分别形成在每一发光二极管单元的第一侧边及第二侧边上；其中每一发光二极管单元的第一侧边上分别包含n个导电配线结构(n为一整数，且n＞1)，每一发光二极管单元的第二侧边上分别包含m个导电配线结构(m为一整数，且m≥0)。
附图说明
图1A为一结构图，显示一现有阵列发光二极管元件侧视结构图；
图1B为一结构图，显示一现有阵列发光二极管元件上视结构图；
图2为一示意图，显示一现有发光装置结构示意图；
图3A为一结构图，显示依据本发明一实施例的发光二极管单元侧视结构图；
图3B为一结构图，显示依据本发明一实施例的发光二极管单元上视结构图；
图4为一示意图，显示依据本发明一实施例的发光二极管元件局部上视示意图；
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上视结构图。
主要元件符号说明
1、2、3：阵列发光二极管元件；
10、20、30：基板；
12、22、32：发光二极管单元；
13、23：绝缘层；
100：发光装置；
101：电路；
104：电连接结构；
110：次载体；
120、220：发光二极管单元外延叠层；
121、221：第一导电型半导体层；
122、222：活性层；
123、223：第二导电型半导体层；
14：沟槽；
16：第二电极；
18：第一电极；
19、29、39：导电配线结构；
201：第一表面；
202：底面；
16’、26、36：第一电极衬垫；
160：第二电极延伸部；
18’、28、38：第二电极衬垫；
180：第一电极延伸部；
23：水平侧边；
25：垂直侧边；
D：水平间距；
d：间距。
具体实施方式
以下配合附图说明本发明的各实施例。随着市场需求，发光二极管元件的体积逐渐缩小化。当发光二极管元件中每一个发光二极管单元的面积相对应缩小时，形成于发光二极管单元出光面上的电极，电极延伸部，与导电配线结构等不透光的结构，相对应大幅影响发光二极管单元的出光效率。
首先，图3A与图3B所示为本发明第一实施例的阵列发光二极管元件2的侧视图与上视图。发光二极管元件2具有一个基板20，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。基板20并不限定为单一材料，也可以是由多个不同材料组合而成的复合式透明基板。例如：基板20可以包含两个相互接合的第一基板与第二基板(图未示)。本实施例中，基板20的材质为蓝宝石(sapphire)。然而，基板20的材质也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 phosphide，GaP)、玻璃(Glass)、有机高分子板材、氮化铝(aluminum nitride，AlN)、砷化镓(gallium arsenide，GaAs)、钻石(diamond)、石英(quartz)、硅(silicon，Si)、碳化硅(silicon carbide，SiC)、类钻石碳(diamond likecarbon，DLC)。接着，在基板20的第一表面201上，形成多个二维延伸排列的阵列式发光二极管单元22。阵列式发光二极管单元22的制作方式，例如下面所述：
首先，以传统的外延成长制作工艺，在一成长基板(图未示)上形成一外延叠层，包含第一半导体层221，活性层222，以及第二半导体层223。成长基板的材质可包含但不限于砷化镓(GaAs)、锗(germanium，Ge)、磷化铟(indium phosphide，InP)、蓝宝石(sapphire)、碳化硅(silicon carbide，SiC)、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，AlN)。
接着，以黄光光刻制作工艺技术选择性移除部分外延叠层后，以在成长基板上形成分开排列的多个发光二极管单元外延叠层220，如图3B所示。其中，还可包含以黄光光刻制作工艺技术蚀刻形成每一个发光二极管单元第一半导体层221的暴露区域，以做为后续导电配线结构的形成平台。
为了增加元件整体的出光效率，可以通过基板转移与基板接合的技术，将发光二极管单元外延叠层220设置于基板20之上。发光二极管单元外延叠层220可以以加热或加压的方式与基板20直接接合，或是通过透明粘着层(图未示)将发光二极管单元外延叠层220与基板20粘着接合。其中，透明粘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(SnO2)、氧化锌(ZnO)、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)、五氧化二钽(Tantalum Pentoxide，Ta2O5)等材料或其组合。
实际上，将发光二极管单元外延叠层220设置于基板20上的方法不限于此，在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，发光二极管单元外延叠层220也可以外延成长的方式直接形成于基板20上。此外，根据基板20转移次数的不同，可以形成第二半导体层223与基板的第一表面201相邻，第一半导体层221在第二半导体层223上，中间夹有活性层222的结构。
接着，在发光二极管单元外延叠层220的部分表面及相邻发光二极管单元外延叠层220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，作为外延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)、五氧化二钽(Tantalum Pentoxide，Ta2O5)等材料或其复合组合。
之后，以溅镀的方式在两个相邻的发光二极管单元22的第一半导体层221表面上与第二半导体层223表面上分别形成多个彼此完全分离的导电配线结构29。这些彼此完全分离的多个导电配线结构29，一端以单一方向分布(亦即无其他方向的延伸电极)的方式配置在第一半导体层221上，直接与第一半导体层221接触，并通过第一半导体层221使导电配线结构29彼此电性连结；这些在空间上彼此分离的导电配线结构29继续延伸至另一个相邻的发光二极管单元22的第二半导体层223上，另一端与发光二极管单元22的第二半导体层223直接接触，使两个相邻的发光二极管单元22形成电性串联。
实际上，将相邻的发光二极管单元22进行电性连结的方法不限于此，于本技术领域中具有通常知识的人应可以理解，通过将导电配线结构两端分别配置于不同发光二极管单元的相同或不同导电极性的半导体层上，可以使发光二极管单元间形成并联或串联的电性连结结构。
自图3B上视图观之，在电路设计上为一串串联阵列排列的发光二极管元件2中，于串联阵列电路末端的两发光二极管单元22的第一半导体层221与第二半导体层223上分别形成第一电极衬垫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或其他电路元件形成电连接。其中，形成电极衬垫26，28的制作工艺，可以与形成导电配线结构29于单一次制作工艺中进行，也可以由多次制作工艺所完成。而形成电极衬垫26，28的材质，可以分别与形成导电配线结构29的材质相同或不同。
其中，为了达到一定的导电度，导电配线结构29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，其合金或其叠层组合。
此外，除了第一半导体层221与第二半导体层223之外，根据不同的功能特性，在基板20与第二半导体层223之间可以置入一层或多层相同或不同组成的半导体层。例如在基板20与第一半导体层221之间形成一缓冲层，作为基板与第一导电型半导体层221之间外延成长时应力缓和层；此外，第二半导体层223例如可以是形成在活性层222上的一层透明氧化物金属层，在第二半导体层223与活性层222之间包含有其它一层或多层的半导体层，由于透明氧化物金属层具有较佳的横向电流扩散速率，可以用以协助电流均匀扩散到下方的半导体层之中。一般而言，根据透明氧化物金属层掺混的杂质与制作工艺的方式不同而有所变动，其能隙的宽度约介于0.5eV至5eV之间，属于一种半导体结构。以本实施例为例，以氧化铟锡做为透明氧化物金属层，其能隙宽度约为3.5eV至4.2eV，属于一种半导体结构。其它的材料选择例如还有氧化锌(ZnO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO2)、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)等材料或其组合。
由于这些多个的导电配线结构29是以单一方向分布的方式配置在半导体层上，并没有多余的电极延伸部与电极的设计。与现有的发光二极管单元相比较，发光二极管单元22表面的遮光面积比例相对减少，具有较高的出光效率。
根据实验结果得知，发光二极管单元表面金属导电配线结构的电流横向传导距离极限大约为100微米(μm)。因此，为了使电流在半导体层中可以均匀扩散，在发光二极管单元半导体层上配置导电配线结构时，必须进行适度的调整；此外，还可通过改变发光二极管单元本身的形状来调整发光二极管单元间的电流扩散效率。
图4显示发光二极管元件2其中两个串联的发光二极管单元22的结构设计。其中，在发光二极管单元22的水平侧边23上，为了达到均匀的电流扩散速率，配置有多个的导电配线结构29，每一个导电配线结构29间的水平间距D小于100微米(μm)。也就是说，当水平侧边23边长为a微米(μm)时，在水平侧边23上较佳应配置有至少(a/100)-1个导电配线结构29。以本实施例为例，水平侧边23边长约为240微米，则为了使在水平侧边23上的导电配线结构29之间水平间距小于100微米(μm)，导电配线结构29设置的个数应大于(240/100)-1＝1.4。如本实施例所示，一侧的水平侧边23设置有2或3个导电配线结构。垂直侧边25部分，在没有导电配线结构与电极延伸结构协助电流扩散的情况下，为了保持导电配线结构之间的间距d小于100微米(μm)，垂直侧边25的边长设计较佳为小于150微米(μm)。就单一个发光二极管单元22而言，具有第一水平侧边，以及相对的第二水平侧边。为了使电流扩散更均匀，在两水平侧边的导电配线结构29较佳应以交错的方式配置在两个水平的侧边上。在本实施例中，由左至右观之，导电配线结构29依序以交错的方式配置在单一发光二极管单元22的第一水平侧边、第二水平侧边、第一水平侧边、第二水平侧边、第一水平侧边，其中，第一水平侧边包含有3个导电配线结构，而第二水平侧边包含有2个导电配线结构。
实际上，导电配线结构29的配置方法不限于此，于本技术领域中具有通常知识的人应可以理解，配置于两侧边的导电配线结构数目与位置可以依据侧边的延伸方向与长度等不同特性进行调整，数目也可以相同或不相同。
图5显示依据本发明精神所提供的第二实施例，发光二极管元件3，其基本架构与第一实施例的发光二极管元件2相似，以下以相似的代号表示相似的结构。发光二极管元件3具有一个基板30，在基板30上形成有多个二维延伸排列的阵列式发光二极管单元32。在每一个发光二极管单元32的两相对侧边分别配置有彼此分离的多个的导电配线结构39，依据上述的规则进行配置，电连接两相邻的发光二极管单元32。在基板相对的两端或两边，更配置有分别与电路两末端发光二极管单元32连结的第一电极衬垫36及第二电极衬垫38，用以作为与外部电源及电路元件进行电性连结。
以上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都不脱离本发明的精神与范围。

Claims (11)

1.一种发光二极管元件，包含：
基板，具有第一表面；
多个发光二极管单元，形成在该第一表面上，任一该些发光二极管单元包含：
第一半导体层；
第二半导体层，形成在该第一半导体层上；以及
活性层，形成在该第一半导体层与该第二半导体层之间；以及
多个导电配线结构，彼此完全分离，其中任一该些导电配线结构其一端分别形成在该第二半导体层上，直接接触该第二半导体层，并通过该第二半导体层彼此电性连结；其另一端分别形成在另一该发光二极管单元上，直接接触另一该发光二极管单元所包含的该些半导体层其中之一。
2.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中，还包含第三半导体层，形成于该第二半导体层与该活性层之间。
3.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该第二半导体层为一金属氧化物。
4.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该第二半导体层与该第一半导体层具有不同的导电特性。
5.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该些导电配线结构的间距小于100微米(μm)。
6.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中每一该发光二极管单元具有一侧边，边长小于150微米(μm)。
7.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该些导电配线结构形成在与该侧边相对的另一侧边。
8.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该些导电配线结构的延伸方向与一电流自该发光二极管单元流至该相邻的发光二极管单元的方向相同。
9.一种发光二极管元件，包含：
基板，具有第一表面；
多个发光二极管单元，形成在该第一表面上，任一该些发光二极管单元包含：
第一半导体层；
第二半导体层，形成在该第一半导体层上；
活性层，形成在该第一半导体层与该第二半导体层之间；及
第一侧边，边长为a微米(μm)；以及
多个导电配线结构，彼此完全分离，形成在该发光二极管单元的该第一侧边上；
其中，该第一侧边设置有至少(a/100)-1个该些导电配线结构。
10.一种发光二极管元件，包含：
基板，具有一第一表面；
多个发光二极管单元，形成在该第一表面上，任一该些发光二极管单元包含：
第一半导体层；
第二半导体层，形成在该第一半导体层上；
活性层，形成在该第一半导体层与该第二半导体层之间；
第一侧边；及
第二侧边，相对于该第一侧边；以及
多个导电配线结构，彼此完全分离，分别形成在任一该些发光二极管单元的该第一侧边及该第二侧边上；
其中该发光二极管单元的该第一侧边上分别包含n个导电配线结构(n为一整数，且n＞1)，该发光二极管单元的该第二侧边上分别包含m个导电配线结构(m为一整数，且m≥0)。
11.如权利要求10所述的发光二极管元件，其中邻近该第一侧边的该些导电配线结构与邻近该第二侧边的该些导电配线结构交错配置于任一该些发光二极管单元上。
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