CN103579440B - 发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
一发光二极管结构，包含一基板，一半导体发光迭层位于基板上，其中半导体发光迭层包含一第一半导体层、一第二半导体层与第一半导体层的电性相异、及一主动层介于第一半导体层及第二半导体层之间，一第一电极与第一半导体层电性相连，及一第二电极与第二半导体层电性相连，其中，第一电极包含一接触区与一延伸区，接触区具有与第一半导体层相对的一第一表面，延伸区具有与第一半导体层相对的一第二表面，第一表面及第二表面具有相异的粗糙度，且第一表面的反射率小于第二表面的反射率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高亮度发光二极管结构。
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，在市场上部分产品的应用已很广泛，例如显示器的背光，在普通照明的部分则正逐渐地成长。
目前的发光二极管(LED)的性能价格比随着应用越广越趋严苛，单位面积的亮度要求越来越高，因此会以加大单颗发光二极管(LED)芯片的尺寸来达成，但加大面积后会有电流分布不均匀问题，故如图1A所示，此一发光二极管(LED)包含第一半导体层22、第二半导体层26、第一电极4及第二电极5，第一电极4包含第一接触区4a及第一延伸部4b，其中第一接触区4a及第二电极5具有金属焊垫，用来封装打线，第一延伸部4b为指状电极，用来帮助电流扩散。但是当第一延伸部4b在芯片面积上所占的比例愈高时，电极的遮光或吸光现象便越趋严重，而影响发光效率。因此，如图1B所显示图1A中虚线AA’的剖面图，在第一接触区4a、第一延伸部4b及第二电极5下方，分别形成平的第一表面43、第二表面46及第三表面53等三个接触面，并设置高反射率层41、45及51，以降低金属焊垫及指状电极底部的遮光或吸光现象，但此一平的接触面在后续的封装打线工艺时，金属焊垫容易产生剥离现象，造成打线质量下降。
以上发光二极管可进一步结合一次载体(sub-mount)而形成一发光装置，所述发光装置包含一具有至少一电路的次载体；至少一焊料(solder)位于上述次载体上，通过此焊料将上述发光二极管固定于次载体上并使发光二极管的基板与次载体上的电路形成电连接；以及，一电性连接结构，以电性连接发光二极管的电极垫与次载体上的电路；其中，上述的次载体可以是导线架(lead frame)或大尺寸镶嵌基底(mounting substrate)，以方便发光装置的电路规划并提高其散热效果。
发明内容
一发光二极管结构，包含一基板，一半导体发光迭层位于基板上，其中半导体发光迭层包含一第一半导体层、一第二半导体层与第一半导体层的电性相异、及一主动层介于第一半导体层及第二半导体层之间，一第一电极与第一半导体层电性相连，及一第二电极与第二半导体层电性相连，其中，第一电极包含一接触区与一延伸区，接触区具有与第一半导体层相对的一第一表面，延伸区具有与第一半导体层相对的一第二表面，第一表面及第二表面具有相异的粗糙度，且第一表面的反射率小于第二表面的反射率。
附图说明
图1A显示已知发光二极管的俯视图；
图1B显示已知发光二极管的剖面图；
图2A显示根据本发明第一实施例的发光二极管结构的剖面图；
图2B显示封装打线区域的受力示意图；
图3显示根据本发明第二实施例的发光二极管结构的剖面图；
图4显示根据本发明第三实施例的发光二极管结构的剖面图；
图5显示根据本发明第四实施例的发光二极管结构的剖面图；
图6显示发光二极管具有多个第一延伸部的俯视图；
图7与图8显示根据本发明第五实施例的发光二极管结构的俯视图；
图9所显示根据本发明第五实施例的发光二极管结构的剖面图；
图10显示根据本发明第六实施例的发光二极管结构的剖面图；
图11显示根据本发明第七实施例的发光二极管结构的剖面图；
图12显示根据本发明第八实施例的发光二极管结构的剖面图；
图13显示根据本发明第九实施例的发光二极管结构的剖面图；
图14显示根据本发明第十实施例的发光二极管结构的剖面图。
【主要元件符号说明】
1a～1j 发光二极管结构 43 第一表面
10 基板 4b 第一延伸部
2 半导体发光迭层 44 第一指状电极
22 第一半导体层 45 高反射率层
221 上表面 46 第二表面
222 平坦区域 5 第二电极
223 粗糙区域 5a 第二接触区
24 主动层 51 高反射率层
26 第二半导体层 52 第二焊垫
261 上表面 53 第三表面
262 平坦区域 5b 第二延伸部
263 粗糙区域 54 第二指状电极
3 透明导电层 55 高反射率层
4 第一电极 56 第四表面
4a 第一接触区 61 拉力
41 高反射率层 62 剪切力
42 第一焊垫
具体实施方式
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。
图2A显示根据本发明第一实施例的发光二极管结构1a的剖面图，此发光二极管结构1a包含一基板10，基板10的材料包含但不限于绝缘材料，例如硅橡胶、玻璃、石英、陶瓷或氮化铝。一半导体发光迭层2位于基板10上包含一第一半导体层22、一主动层24及一第二半导体层26，当第一半导体层22为p型半导体，第二半导体层26可为相异电性的n型半导体，反之，当第一半导体层22为n型半导体，第二半导体层26可为相异电性的p型半导体。主动层24位于第一半导体层22及第二半导体层26之间，可为中性、p型或n型电性的半导体。施以电流通过半导体发光迭层2时，主动层24会发光。当主动层24以磷化铝铟镓（AlGaInP）为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光，当以氮化铝镓铟（AlGaInN）为基础的材料时，会发出蓝或绿光。一透明导电层3形成在第一半导体层22上，透明导电层3的材料包含但不限于具有透明特性的导电材料，例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)或上述材料的组合。
一第一电极4形成在透明导电层3上与透明导电层3形成欧姆接触，第一电极4通过透明导电层3与第一半导体层22电性相连，当电流从第一电极4注入时，可通过透明导电层3增加电流散布的均匀度，避免电流过度集中在第一半导体层22的部分区域。一第二电极5形成在第二半导体层26上与第二半导体层26形成欧姆接触。
第一电极4包含第一接触区4a及一个或多个第一延伸部4b，其中第一延伸部4b的形状与第一接触区4a的形状相异，如图1A所示第一电极4包含圆形的第一接触区4a以及长条状的第一延伸部4b，及图6所示第一电极4包含圆形的第一接触区4a以及两个L型状的第一延伸部4b。第一接触区4a包含第一焊垫42及高反射率层41，且具有第一表面43与透明导电层3欧姆接触；第一延伸部4b包含一个或多个第一指状电极44及高反射率层45，且具有第二表面46与透明导电层3欧姆接触。第一接触区4a的第一焊垫42用于打线连接，引导外部电流进入半导体发光迭层2，包含但不限于镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)的单层或多层金属结构。高反射率层41位于第一焊垫42下方与透明导电层3欧姆接触，包含但不限于导电性佳，且于可见光波段的反射率大于70%的金属，例如铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铑(Rh)及其合金的单层或多层金属结构。第一延伸部4b的第一指状电极44用于散布电流至透明导电层3，包含但不限于镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)的单层或多层金属结构。高反射率层45位于第一指状电极44下方与透明导电层3欧姆接触，包含但不限于导电性佳，且于可见光波段的反射率大于70%的金属，例如铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铑(Rh)及其合金的单层或多层金属结构。
其中，第一电极4与透明导电层3欧姆接触的第一表面43相较于第二表面46，具有较高的粗糙度，第一表面43的粗糙度(Ra)至少大于100nm。具体而言，第二表面46的粗糙度(Ra)至少小于60nm。本实施例中，第一表面43的粗糙度(Ra)为137nm，第二表面46的粗糙度(Ra)为28.1nm。第一接触区4a为供打线的区域，其附着力须较第一延伸部4b高，以避免在封装打线的过程中发生剥离的情况。图2B所示为第一接触区4a与第二电极5的受力示意图，对于第一接触区4a与透明导电层3接触的第一表面43而言，由于粗糙接触面相较于平坦接触面能够增加接触面积，可以使得发光二极管结构1a在封装过程，第一接触区4a能够承受更多的垂直于第一表面43的拉力61，且粗糙的接触面具有不平整的凹凸结构，第一接触区4a能够承受更多平行于第一表面43的剪切力(shear)62。第一延伸部4b与透明导电层3之间的第二表面46为粗糙度(Ra)小于60nm的平坦接触面，用于反射主动层24所发出的光线，以提高发光二极管结构1a的出光效率。第二表面46的形成方法，是通过在第一半导体层22的粗糙的上表面221，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻上表面221以形成一平坦区域222，其中较佳以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。接着在上表面221上形成透明导电层3及第一电极4，其中，第二表面46对应于平坦区域222，使得第二表面46的粗糙度(Ra)小于第一表面43的粗糙度(Ra)。
由于第一接触区4a的第一表面43为粗糙表面，因此第一表面43的反射率小于第二表面46的反射率，具体而言，第一表面43与第二表面46的反射率相差30%以上，因此在其他的实施例中，第一接触区4a也可不包含高反射率层41。
第二电极5包含第二焊垫52及高反射率层51，且具有第三表面53与第二半导体层26欧姆接触。其中，第二焊垫52用于打线连接，引导外部电流进入半导体发光迭层2，包含但不限于镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)的单层或多层金属结构。高反射率层51位于第二焊垫52下方与第二半导体层26欧姆接触，包含但不限于导电性佳，且于可见光波段的反射率大于70%的金属，例如铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铑(Rh)及其合金的单层或多层金属结构。第三表面53的粗糙度接近第一表面43粗糙度，具体而言，第三表面53粗糙度大于100nm，可以使得第二电极5在发光二极管结构1a封装过程中，如图2B所示，能够承受更多的垂直于第三表面53的拉力61，且粗糙的接触面具有不平整的凹凸结构，第二电极5能够承受更多平行于第三表面53的剪切力(shear)62。
图3显示根据本发明第二实施例的发光二极管结构1b的剖面图。第二实施例与第一实施例差异在于第一电极4包含的第一接触区4a与第一半导体层22直接接触，也就是第一接触区4a所包含的高反射率层41大部分与第一半导体层22直接接触，只有少部分的高反射率层41与透明导电层3欧姆接触。高反射率层41与第一半导体层22直接接触的接触面形成非欧姆接触，具有高的电阻值，阻挡电流直接流过，使得第一接触区4a正下方的发光量降低，以减少光被第一表面43所吸收，并使电流集中流经第一接触区4a下方以外的区域，提升发光二极管结构1b的发光效率。
图4显示根据本发明第三实施例的发光二极管结构1c的剖面图。第三实施例与第二实施例差异在于形成一电性绝缘层6在第一接触区4a与第一半导体层22之间。电性绝缘层6为一个电流阻挡结构，具有高的电阻值，阻挡电流直接流过第一表面43，使得第一接触区4a正下方的发光量降低，以减少光被第一表面43所吸收，电性绝缘层6的材料包含但不限于有机材料，例如Su8、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、环氧树脂（Epoxy）、丙烯酸树脂（Acrylic Resin）、环烯烃聚合物（COC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（Polyetherimide）、氟碳聚合物（FluorocarbonPolymer），无机材料，例如硅胶（Silicone）、玻璃(Glass)，介电材料，例如氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)，或上述材料的组合。
图5显示根据本发明第四实施例的发光二极管结构1d的剖面图。第四实施例与第一实施例差异在于，形成一电性绝缘层6在透明导电层3与第一半导体层22之间，并位于第一接触区4a下方阻挡电流直接流过第一表面43，使得第一接触区4a正下方的发光量降低，以减少光被第一表面43所吸收，电性绝缘层6的材料包含但不限于有机材料，例如Su8、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、环氧树脂（Epoxy）、丙烯酸树脂（Acrylic Resin）、环烯烃聚合物（COC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（Polyetherimide）、氟碳聚合物（Fluorocarbon Polymer），无机材料，例如硅胶（Silicone）、玻璃(Glass)，介电材料，例如氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)，或上述材料的组合。
图7及图8显示根据本发明第五实施例的发光二极管结构1e的俯视图。第五实施例与第一至第四实施例差异在于，第二电极5包含第二接触区5a及一个或多个第二延伸部5b，其中第二接触区5a的形状与第二延伸部5b相异，如图7所示第二电极5包含方形的第二接触区5a以及长条状的第二延伸部5b，及图8所示第二电极5包含正方形的第二接触区5a以及两个L型状及长条状的第二延伸部5b。如图9所显示图7中虚线BB’的剖面图，第二延伸部5b包含一个或多个第二指状电极54及高反射率层55，且具有第四表面56与第二半导体层26欧姆接触，其中第四表面56的粗糙度(Ra)小于第三表面53的粗糙度(Ra)。第四表面56的形成方法，是通过在第二半导体层26的上表面261，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻上表面261以形成一平坦区域262，其中较佳以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。接着在上表面261上形成第二电极5，其中，第四表面56形成在平坦区域262上，使得第四表面56的粗糙度(Ra)小于第三表面53的粗糙度(Ra)。第二指状电极54用于散布电流至第二半导体层26，包含但不限于镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)的单层或多层金属结构。高反射率层55位于第二指状电极54下方与第二半导体层26欧姆接触，包含但不限于导电性佳，且于可见光波段的反射率大于70%的金属，例如铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铑(Rh)及其合金的单层或多层金属结构，避免第二延伸部5b的吸光，以增加发光二极管结构1e的出光效率。
图10显示根据本发明第六实施例的发光二极管结构1f的剖面图。第六实施例与第一实施例差异在于第一半导体层22的上表面221为一平坦表面，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻部分上表面221以形成一粗糙区域223，其中优选以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。位于粗糙区域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大于100nm，位于平坦的上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小于60nm。
图11显示根据本发明第七实施例的发光二极管结构1g的剖面图。第七实施例与第二实施例差异在于第一半导体层22的上表面221为一平坦表面，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻部分上表面221以形成一粗糙区域223，其中较佳以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。位于粗糙区域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大于100nm，位于平坦的上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小于60nm。
图12显示根据本发明第八实施例的发光二极管结构1h的剖面图。第八实施例与第三实施例差异在于第一半导体层22的上表面221为一平坦表面，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻部分上表面221以形成一粗糙区域223，其中较佳以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。位于粗糙区域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大于100nm，位于平坦的上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小于60nm。
图13显示根据本发明第九实施例的发光二极管结构1i的剖面图。第九实施例与第四实施例差异在于第一半导体层22的上表面221为一平坦表面，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻部分上表面221以形成一粗糙区域223，其中较佳以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。位于粗糙区域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大于100nm，位于平坦的上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小于60nm。
图14显示根据本发明第十实施例的发光二极管结构1j的剖面图。第十实施例与第五实施例差异在于第二半导体层26的上表面261为一平坦表面，以化学蚀刻或干蚀刻方式，图形化蚀刻部分上表面261以形成一粗糙区域263，其中优选以干蚀刻方式进行图形化蚀刻。位于粗糙区域263上方的第三表面53的粗糙度(Ra)大于100nm，位于平坦的上表面261上方的第四表面56粗糙度(Ra)小于60nm。
Claims (10)
1.一发光二极管结构，包含：
一基板；
一半导体发光迭层位于该基板上，其中该半导体发光迭层包含一第一半导体层、一第二半导体层与该第一半导体层的电性相异、及一主动层介于该第一半导体层及该第二半导体层之间，其中该第一半导体层包含一粗糙表面以及一平坦表面；
一第一电极与该第一半导体层电性相连；及
一第二电极与该第二半导体层电性相连；
其中，该第一电极包含一接触区与一延伸区，该接触区位于该粗糙表面的正上方，该延伸区位于该平坦表面的正上方。
2.如权利要求1所述的发光二极管结构，还包含一透明导电层位于该第一电极与该第一半导体层之间。
3.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该接触区具有一外表面，其粗糙度大于该延伸区的一外表面的粗糙度。
4.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该接触区相对该粗糙表面的表面的平均粗糙度大于100nm及该延伸区相对该平坦表面的表面的平均粗糙度小于60nm。
5.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第二电极相对于该第二半导体层的表面的平均粗糙度大于100nm。
6.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一电极包含一反射层，该反射层对于可见光波段的反射率大于70％。
7.如权利要求6所述的发光二极管结构，其中该接触区包含一焊垫位于该反射层之上，该焊垫用于打线连接。
8.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该延伸区延伸自该接触区，且该接触区具有一实质上为圆形或是长方形的轮廓。
9.如权利要求1所述的发光二极管结构，还包含一电性绝缘层位于该接触区与该第一半导体层之间。
10.如权利要求2所述的发光二极管结构，其中该延伸区包含一位于该平坦表面的正上方的指状电极以及一介于该指状电极以及该第一半导体层之间的反射层。
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