CN103681725A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种发光二极管，包括：一第一发光二极管晶粒、一第二发光二极管晶粒以及一第三发光二极管晶粒分别具有一第一半导体层、一第二半导体层以及设置于该第一半导体层以及该第二半导体之间的一多重量子井层，该第二发光二极管设置在该第一发光二极管晶粒以及该第三发光二极管晶粒之间。其中，该第一发光二极管晶粒的第一半导体层与该第二发光二极管晶粒的第二半导体层相耦接，该第二发光二极管晶粒的第一半导体层与该第三发光二极管的第一与第二半导体层相耦接。

Description

发光二极管
技术领域
本发明是一种发光二极管，尤其是一种具有串接结构的发光二极管。
背景技术
发光二极管(LED)技术的进步使LED具有体积小、重量轻、效能高及使用寿命长的特征。LED已在不同的单一色光输出，例如红色、蓝色及绿色，具有优秀的进步。单一颜色的LED可以用作特别的显示器中的背光，例如手机及液晶显示器(LCD)。散热为改善LED发光效率上的主要限制因素，且因此对于LED的设计者来说，热传处理是一件重要的事。
当用电流驱动LED时，由于半导体晶粒内部的漏电流以及从半导体晶粒的到周遭环境的热传不足，将会产生高元件温度。高温不只会导致元件损害及加速老化，且LED的光学特性也会随着温度而变。例如，一LED的光输出一般会随着元件温度的增加而减少。再者，由于半导体能隙能量中的改变，发射波长会随着温度而改变。
鉴于传统发光二极管无法有效的解决散热的问题，因此，亟需提出一种新颖的发光二极管，以经济且有效的方式降低发光二极管的漏电流与高温。
又在现有技术中，驱动发光二极管所需的电压为3V，因此驱动发光二极管的驱动器需要具有将110V降压至3V的电压转换电路，不过该电压转换电路会增加驱动器的体积，而减少发光二极管应用的弹性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种发光二极管，以经济且有效的方式降低发光二极管的漏电流与高温。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种发光二极管，其特征在于，包括：
一第一发光二极管晶粒、一第二发光二极管晶粒以及一第三发光二极管晶粒，其分别具有一第一半导体层、一第二半导体层以及设置于该第一半导体层以及该第二半导体之间的一多重量子井层，该第二发光二极管设置在该第一发光二极管晶粒以及该第三发光二极管晶粒之间；以及
其中，该第一发光二极管晶粒的第一半导体层与该第二发光二极管晶粒的第二半导体层相耦接，该第二发光二极管晶粒的第一半导体层与该第三发光二极管晶粒的第一与第二半导体层相耦接。
该第一发光二极管晶粒与该第二发光二极管晶粒之间以及该第二发光二极管晶粒与该第三发光二极管晶粒之间有一第一绝缘部，每一第一绝缘部开设有一通孔。
还包括有一第一电极结构以及一第二电极结构，该第一电极结构经由该第一发光二极管晶粒与该第二发光二极管晶粒间的通孔与该第一发光二极管晶粒的第一半导体层以及该第二发光二极管晶粒的第二半导体层连接，该第二电极结构经由该第二发光二极管晶粒与该第三发光二极管晶粒间的通孔与该第二发光二极管晶粒的第一半导体层以及该第三发光二极管晶粒的第二半导体层连接。
该第一电极结构还包括有一第一电极部以及一第二电极部，该第一电极部形成于该第一发光二极管晶粒的第一半导体层上，该第二电极部连接该第二发光二极管晶粒的第二半导体层且经由通孔与该第一电极部连接，该第二电极结构具有一第三电极部以及一第四电极部，该第三电极部形成于该第二发光二极管晶粒以及该第三发光二极管晶粒的第一半导体层上，该第四电极部连接该第三发光二极管晶粒的第二半导体层且经由对应的通孔与该第三电极部连接。
第一发光二极管晶粒的第二半导体层还连接有一第五电极部，其凭借一第二绝缘部与该第二电极部相绝缘。
该第五电极部，其还连接有一第一金属合金部，该第四电极部还连接有一第二金属合金部，该第一金属合金部与该第二金属合金部凭借一第一凹槽相互绝缘。
该第一金属合金部与该第二金属合金部之间具有一第三绝缘部。
该第三绝缘部对应该第二金属合金部上具有一第二凹槽，其与该第一凹槽相错位。
该第一金属合金部与该第二金属合金部的表面还具有一保护层。
该通孔的宽度小于1000μm。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：
本发明提供一种发光二极管，其是在相邻两晶粒间的半导体层相耦接以形成串接的结构，因此发光二极管整体所需的电流减少，进而降低发光二极管的所产生的热度，并可进一步缩小散热片的尺寸，以提高发光二极管的发光亮度。
本发明提供一种发光二极管，其中一发光二极管晶粒所具有的一p型半导体层与相邻的另一发光二极管晶粒所具有的一n型半导体层相耦接以形成串接的结构，使得该发光二极管整体所需的电流减少，而可以降低发光二极管的所产生的热度，并可进一步缩小散热片的尺寸，以提高发光二极管的发光亮度。
本发明提供一种发光二极管，由于其中的发光二极管晶粒的第一半导体层与相邻的发光二极管晶粒的第一与第二半导体层相耦接，使整体发光二极管的p与n端可以视为在同一侧，因此可以直接以板上晶片(chip-on-board,COB)的晶片封装的技术，将发光二极管封装在电路基板上，而不需要使用打线接合(wirebonding)的封装方式，如此可以减少发光二极管因打线接合封装所产生的不合格率，而提升发光二极管的可靠度(reliability)，且经由打线接合改成COB晶片封装后，也可减少封装后的发光二极管体积。
在一实施中，本发明提供一种发光二极管，包括：一第一发光二极管晶粒、一第二发光二极管晶粒以及一第三发光二极管晶粒，其分别具有一第一半导体层、一第二半导体层以及设置于该第一半导体层以及该第二半导体之间的一多重量子井层，该第二发光二极管设置在该第一发光二极管晶粒以及该第三发光二极管晶粒之间；以及其中，该第一发光二极管晶粒的第一半导体层与该第二发光二极管晶粒的第二半导体层相耦接，该第二发光二极管晶粒的第一半导体层与该第三发光二极管晶粒的第一与第二半导体层相耦接。
附图说明
图1是本发明发光二极管第一实施例剖面示意图；
图2是本发明发光二极管第二实施例剖面示意图；
图3是本发明发光二极管第三实施例剖面示意图。
附图标记说明：2、2a、2b-发光二极管；20a-第一发光二极管晶粒；20b-第二发光二极管晶粒；20c-第三发光二极管晶粒；200-第一半导体层；201-多重量子井层；202-第二半导体层；21a-第一电极结构；210-第一电极部；211-第二电极部；21b-第二电极结构；210-第三电极部；211-第四电极部；22a、22b-第一绝缘部；220-第一绝缘体；221-第二绝缘体；23a、23b-通孔；24-第五电极部；25-第二绝缘部；26a-第一金属合金部；26b-第二金属合金部；27-保护层；29-第三绝缘部；290-第二凹槽；3-第一凹槽。
具体实施方式
请参阅图1所示，该图是本发明的发光二极管的第一实施例剖面图。该发光二极管2包括：一第一发光二极管晶粒20a、一第二发光二极管晶粒20b以及一第三发光二极管晶粒20c。该第二发光二极管晶粒20b设置于该第一与该第三发光二极管晶粒20a与20c之间。该第一发光二极管晶粒20a、第二发光二极管晶粒20b以及第三发光二极管晶粒20c分别具有一第一半导体层200、一第二半导体层202以及一多重量子井(multiple quantum well,MQW)层201。该多重量子井层201形成于该第一半导体层200以及该第二半导体层202之间，且与该第一半导体层200以及该第二半导体层202相连接，在本实施例中，该第一半导体层200连接于该多重量子井层201的上表面，而第二半导体层202则连接于该多重量子井层201的下表面。
该第一半导体层200是p型半导体层或者是n型半导体层。如果该第一半导体层200为p型半导体层，则该第二半导体层202则为n型半导体层；反之，如果该第一半导体层200为n型半导体层，则该第二半导体层202则为p型半导体层。p型半导体层的材料是p型III族氮化物材料，如：p-GaN、p-AlGaN、p-AlGaInN、p-InGaN或p-AlN等，但不以此为限。在本实施例中，p型半导体层为p-GaN。而n型半导体层的材料则可为n型III族氮化物材料，如：n-GaN、n-InGaN、n-AlGaN或n-AlInGaN，本实施例中n型半导体层为n-GaN材料。本实施例选择的材料为n型GaN。该多重量子井层201的材质则可以为，例如GaAs、AlGaAs等半导体材料。上述第一半导体层200、第二半导体层202以及多重量子井层201的形成方式可以利用如：金属有机化学气相沉积(MOCVD，metal-organic chemical vapor deposition)、分子束磊晶(MBE，molecular beamepitaxy)或气相磊晶(VPE，vapor phase epitaxy)等的技术来进行沉积形成三层结构之后，再以利用干式蚀刻、湿式蚀刻、反应性离子蚀刻(RIE，reactive ion etching)或雷射等方式去除掉不要的部份，以形成发光二极管晶粒。
该第一发光二极管晶粒20a的第一半导体层200与该第二发光二极管晶粒20b的第二半导体层202相耦接；该第二发光二极管晶粒20b的第一半导体层200与该第三发光二极管晶粒20c相耦接。在本实施例中，该第二发光二极管晶粒20b的第一半导体层200与该第三发光二极管晶粒20c的第一与第二半导体层200与202以及多重量子井层201相连接。该第一与该第二发光二极管晶粒20a与20b之间形成有一绝缘部22a，而该第二发光二极管晶粒20b与第三发光二极管晶粒20c之间则形成有绝缘部22b。第一绝缘部22a与22b分别开设有一通孔23a与23b。其中，通孔23a使该第一绝缘部22a分成第一绝缘体220以及第二绝缘体221。该第一绝缘部22a与22b的材质可以选择为SiO2、Si3N4、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、光阻(photo resistance,PR)或环氧树脂(Epoxy)等材料，再利用合适的沉积法，如化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)、电浆辅助化学气相沉积(plasma enhanced CVD,PECVD)、原子层沉积(Atomic LayerDeposition,ALD)、印刷(printing)或者是涂布(coating)等方式，再结合黄光与化学制程来定义图形。而该通孔23a与23b则可以利用干式蚀刻、湿式蚀刻、反应性离子蚀刻或雷射蚀刻方式形成。在本实施例中，该第一绝缘部22a以及22b的材质为相同的材质，该第一绝缘体220以及该第二绝缘体221的材质为相同的材质。该通孔23a与23b的孔径D小于1000μm，在另一实施例中，该通孔23a与23b的孔径D小于200μm，在又一实施例中，该通孔23a与23b的孔径D隙小于100μm。要说明的是，虽然前述的第一绝缘部22a以及22b为相同的绝缘材料，但在另一实施例中，可以让该第一绝缘部22a以及22b为不同的绝缘材料所构成。在另一实施例中，更可以让该第一绝缘体220以及该第二绝缘体221为不同的绝缘材料所构成。
在本实施例中，该第一发光二极管晶粒20a的第一半导体层200与该第二发光二极管晶粒20b的第二半导体层202相耦接的方式凭借一第一电极结构21a经由该通孔23a来相互连接。其中，该第一绝缘体220使该第一发光二极管晶粒20a的侧壁与该第一电极结构21a相绝缘；而该第二绝缘体221使该第二发光二极管晶粒20b的侧壁与该第一电极结构21a相绝缘；以及该第一绝缘部22b使该第二发光二极管晶粒20b的侧壁与该第二电极结构21b相绝缘。在一实施例中，该第一电极结构21a耦接于第一发光二极管晶粒20a的一部分第一半导体层200上；以及耦接于该第二发光二极管晶粒20b的一部分第二半导体层202上。
该第二发光二极管晶粒20b的第一半导体层200与该第三发光二极管晶粒20c的第二半导体层202相耦接的方式凭借一第二电极结构21b经由该通孔23b来相互连接。该第二电极结构21b耦接于第二发光二极管晶粒20b的一部分第一半导体层200上；以及耦接于该第三发光二极管晶粒20c的一部分第一半导体层200以及一部分第二半导体层202上。该第一与第二电极结构21a与21b是导电的金属材质，其可以为单一金属层或多重金属层，该单一金属层或多重金属层由任何适合用来导电的材料所组成，例如：Cr/Au、Cr/Al、Cr/Pt/Au、Cr/Ni/Au、Cr/Al/Pt/Au、Cr/Al/Ni/Au、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiW/Au、Ti/Al/Pt/Au、TiW/Au、Ti/Al/Ni/Au、NiV/Au、Al、Al/Pt/Au、Al/Pt/Al、Al/Ni/Au、Al/Ni/Al、Al/W/Al、Al/W/Au、Al/TaN/Al、Al/TaN/Au、Al/Mo/Au、或Ti/NiV/Au，前述材质中的Au，可用Cu取代。
请参阅图2所示，该图是本发明的发光二极管另一实施例示意图。在本实施例中，该发光二极管2a包括有第一发光二极管晶粒20a、第二发光二极管晶粒20b以及第三发光二极管晶粒20c，其结构如图1的实施例所述，在此不作赘述。在本实施例中，每一发光二极管晶粒20a~20c所具有的第一半导体层200为n型半导体层，而该第二半导体层202为p型半导体层。该第一发光二极管晶粒20a与该第二发光二极管晶粒20b之间以及该第二发光二极管晶粒20b与该第三发光二极管晶粒20c之间分别具有第一绝缘部22a与22b，每个第一绝缘部22a与22b内分别开设有一通孔23a与23b。该第一绝缘部22a的材质如前述绝缘部22a与22b的材质所述，在此不作赘述。
在图2的实施例中，第一电极结构21a经由该通孔23a与该第一发光二极管晶粒20a的第一半导体层200以及该第二发光二极管晶粒20b的第二半导体层202相连接。在本实施例中，该第一电极结构21a包括有一第一电极部210以及一第二电极部211。该第一电极部210形成于该第一发光二极管晶粒20a的第一半导体层200上，而该第二电极部211则形成于该第二发光二极管晶粒20b的第二半导体层202上，该第二电极部211具有一延伸结构经由该通孔23a而与该第一电极部210电性连接。此外，第二电极结构21b经由该通孔23b与该第二发光二极管晶粒20b的第一半导体层200以及该第三发光二极管晶粒20c的第一与第二半导体层201与202以及多重量子井层201相连接。在本实施例中，该第二电极结构21b包括有一第三电极部212以及一第四电极部213。该第三电极部212形成于该第二发光二极管晶粒20b的第一半导体层200上，而该第四电极部213则形成于该第三发光二极管晶粒20c的第二半导体层202上，该第四电极部213具有一延伸结构经由该通孔23b而与该第三电极部212以及第三发光二极管晶粒20c的第一与第二半导体层200与202与多重量子井层201相连接电性连接。
该第一发光二极管晶粒20a的第二半导体层202的底面更连接有一第五电极部24，其凭借一第二绝缘部25与该第二电极部211以及第四电极部213相绝缘。第一绝缘部22a与22b以及该第二绝缘部25的材质分别可以选择为SiO2、Si3N4、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、光阻或环氧树脂等材料，再利用合适的沉积法，如化学气相沉积、电浆辅助化学气相沉积、原子层沉积、印刷或者是涂布等方式，再结合黄光与化学制程来定义图形。又该第二绝缘部25与该第一绝缘部22a与22b可以根据需要而选择为相同或不同的材质。该第三电极部212、第四电极部213以及第五电极部24的材质如前述图1所示的第一与第二电极结构21a与21b的材质选择性相同，在此不作赘述。要说明的是，如果该第二半导体层202为p型半导体层，则该第五电极部24是一p型电极部；反的如果该第二半导体层202为n型半导体层，则该第五电极部24是一n型电极部。又在该第五电极部24的底部更连接有一第一金属合金部26a，而在第四电极部213的底部也连接有一第二金属合金部26b。该第一与第二金属合金部26a与26b间，凭借一第一凹槽3相互绝缘且相距一距离L，该距离L小于等于1000μm。
此外，该第一与第二金属合金部26a与26b其可以为Cu、Ni、Ag、Co、Al、Sn、W、Mo、Pd、Pt、Rh之中至少两种材质所形成的合金材料。而形成该第一与第二金属合金部26a与26b的方式可以用溅镀、PVD、电镀、无电电镀、或印刷等方式形成。在该第一与第二金属合金部26a与26b的表面更可以形成一保护层27。沉积保护层27的方式可以利用无电电镀或电镀的方式，该保护层为金属材质，其可以为Ni或Au。
请参阅图3所示，该图是本发明的发光二极管第三实施例示意图。在本实施例的发光二极管2b，基本上与图2所示的发光二极管2a结构类似，差异的是本实施例中，该第一金属合金部26a与第二金属合金部26b之间更形成有一第三绝缘部29，使该第一金属合金部26a与第二金属合金部26b相互绝缘。该第三绝缘部29上更具有一第二凹槽290，而相邻的第一金属合金部26a与第二金属合金部26b之间也具有第一凹槽3，其与该第二凹槽290相互错位，该第二金属合金部26b填充于该第二凹槽290内。该第三绝缘部29的结构可以强化该发光二极管2b的结构。要说明的是，虽然本实施例中，以三个发光二极管晶粒来说明本案连接关系的特征，但在实际应用时，并不以三个发光二极管晶粒为限制，当有复数个Nm(m=1~n，n>3)时的发光二极管晶粒时，第N1~Nn-1的发光二极管晶粒的连接关是前述实施例的第一与第二发光二极管晶粒20a与20b的连接关系，而Nn-1~Nn的发光二极管晶粒的连接关系则为前述实施例第二与第三发光二极管晶粒20b与20c的连接关系。
本发明的发光二极管2、2a或2b在接收一电流时，可减少发光二极管的漏电流。除此之外，由于本发明的发光二极管其所具有的发光二极管晶粒20a上的第一半导体层200与相邻发光二极管晶粒20b的第二半导体层202耦接而形成串接的结构，因此发光二极管2或2a整体所需的电流减少，发光效率提高，如此可以减少废热及对散热的需求，并可进一步缩小散热片的尺寸。另外，由于高压LED仅需简易的桥式整流，如此也可以更加缩小发光二极管封装体积，成本降低。承上，进而直接或间接进一步提升整体模块的效益，以及发光二极管应用的多样性与可行性。
另外，由于本发明的发光二极管2、2a或2b中的第二发光二极管晶粒20b的第一半导体层200与第三发光二极管晶粒20c的第一与第二半导体层200与202相耦接，使整体发光二极管的p与n端可以视为在同一侧，因此可以直接以COB晶片封装的技术，将发光二极管封装在电路基板上，而不需要使用打线接合(wire bonding)的封装方式，如此可以减少发光二极管因打线接合封装所产生的不合格率，而提升发光二极管的可靠度(reliability)，且经由打线接合改成COB晶片封装后，也可减少封装后的发光二极管体积。
此外，本发明的发光二极管结构所需的驱动电压为12V，在应用上，可以是两组或多组的发光二极管结构，其驱动电路将为24V、36V、48V，或依此类推，则电压转换的驱动电路体积将较传统为小，进而缩小了驱动器的体积。在本发明中，由于发光二极管所需的散热片体积缩小以及驱动器体积缩小，因此在实际应用上，设计者更可弹性的设置本发明的发光二极管，进而以提升发光二极管的应用层面。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
一第一发光二极管晶粒、一第二发光二极管晶粒以及一第三发光二极管晶粒，其分别具有一第一半导体层、一第二半导体层以及设置于该第一半导体层以及该第二半导体之间的一多重量子井层，该第二发光二极管设置在该第一发光二极管晶粒以及该第三发光二极管晶粒之间；以及
其中，该第一发光二极管晶粒的第一半导体层与该第二发光二极管晶粒的第二半导体层相耦接，该第二发光二极管晶粒的第一半导体层与该第三发光二极管晶粒的第一与第二半导体层相耦接。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该第一发光二极管晶粒与该第二发光二极管晶粒之间以及该第二发光二极管晶粒与该第三发光二极管晶粒之间有一第一绝缘部，每一第一绝缘部开设有一通孔。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：还包括有一第一电极结构以及一第二电极结构，该第一电极结构经由该第一发光二极管晶粒与该第二发光二极管晶粒间的通孔与该第一发光二极管晶粒的第一半导体层以及该第二发光二极管晶粒的第二半导体层连接，该第二电极结构经由该第二发光二极管晶粒与该第三发光二极管晶粒间的通孔与该第二发光二极管晶粒的第一半导体层以及该第三发光二极管晶粒的第二半导体层连接。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：该第一电极结构还包括有一第一电极部以及一第二电极部，该第一电极部形成于该第一发光二极管晶粒的第一半导体层上，该第二电极部连接该第二发光二极管晶粒的第二半导体层且经由通孔与该第一电极部连接，该第二电极结构具有一第三电极部以及一第四电极部，该第三电极部形成于该第二发光二极管晶粒以及该第三发光二极管晶粒的第一半导体层上，该第四电极部连接该第三发光二极管晶粒的第二半导体层且经由对应的通孔与该第三电极部连接。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：第一发光二极管晶粒的第二半导体层还连接有一第五电极部，其凭借一第二绝缘部与该第二电极部相绝缘。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：该第五电极部，其还连接有一第一金属合金部，该第四电极部还连接有一第二金属合金部，该第一金属合金部与该第二金属合金部凭借一第一凹槽相互绝缘。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：该第一金属合金部与该第二金属合金部之间具有一第三绝缘部。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：该第三绝缘部对应该第二金属合金部上具有一第二凹槽，其与该第一凹槽相错位。
9.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：该第一金属合金部与该第二金属合金部的表面还具有一保护层。
10.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：该通孔的宽度小于1000μm。
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