CN104218128A - 具有高效率反射结构的发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有高效率反射结构的发光元件，其包含一反射层；一第一透光层，位于反射层之上；一发光叠层，包含一主动层，位于该第一透光层之上；以及一孔洞，形成于该第一透光层之中。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件，特别是涉及一种具有高效率反射结构的发光元件。
背景技术
光电元件，例如发光二极管(Light-emitting Diode；LED)，目前已经广泛地使用在光学显示装置、交通号志、数据存储装置、通讯装置、照明装置与医疗器材上。此外，上述的LED可与其他元件组合连接以形成一发光装置。图1为现有的发光装置结构示意图，如图1所示，一发光装置1包含一具有一电路14的次载体(submount)12；一焊料16(solder)位于上述次载体12上，通过此焊料16将LED11固定于次载体12上并使LED11与次载体12上的电路14形成电连接；以及一电连接结构18，以电连接LED11的电极15与次载体12上的电路14；其中，上述的次载体12可以是导线架(lead frame)或大尺寸镶嵌基底(mounting substrate)。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种发光元件，其具有一反射层；一第一透光层，位于反射层之上；一发光叠层，包含一主动层，位于第一透光层之上；以及一孔洞，形成于该第一透光层之中。
本发明还提供一种发光元件，具有一反射层；一第一透光层，位于反射层之上；一窗户层，具有一粗化下表面，位于第一透光层之上；一发光叠层，包含一主动层，位于窗户层之上；以及一孔洞，形成于该第一透光层之中。
附图说明
图1为现有的发光装置结构示意图；
图2绘示本发明一实施例的发光元件的剖面示意图；
图3绘示本发明另一实施例的发光元件的剖面示意图；
图4绘示图3的实施例的第二透光层的材料沉积方向示意图；
图5绘示本发明另一实施例的发光元件的剖面示意图；
图6为本发明一实施例的灯泡分解示意图。
符号说明
1 发光装置
11 LED
12 次载体
13、20、50 基板
14 电路
15、56 电极
16 焊料
18 电连接结构
2、3、40、5 发光元件
21 第一电极
22 粘结层
23 第二电极
24、54 反射结构
241、543 凸部
242、544 反射层
243、545 凹部
244、542 第一透光层
245、30、547 孔洞
246 第二透光层
247 第一下表面
248、540 窗户层
26 发光叠层
261、541 粗化上表面
262、522 第一半导体层
263 粗化下表面
264、524 主动层
265 平坦部
266、526 第二半导体层
32 导电部
41 灯罩
42 透镜
43 载体
44 照明模块
45 灯座
46 散热槽
47 连结部
48 电连结器
51 第一接触层
53 第二接触层
546 第一绝缘层
548 第三透光层
549 通道
562 第一导电层
564 第二导电层
h 高度
t 厚度
具体实施方式
本发明的实施例会被详细地描述，并且绘制于附图中，相同或类似的部分会以相同的号码在各附图以及说明出现。
图2为本发明一实施例的发光元件的剖面图。如图2所示，一发光元件2具有一基板20；一粘结层22，位于基板20之上；一反射结构24，位于粘结层22之上；一发光叠层26，位于反射结构24之上；一第一电极21，位于基板20之下；以及一第二电极23，位于发光叠层26之上。发光叠层26具有一第一半导体层262，位于反射结构24之上；一主动层264，位于第一半导体层262之上；以及一第二半导体层266，位于主动层264之上。
第一电极21及/或第二电极23用以接受外部电压，可由透明导电材料或金属材料所构成。透明导电材料包含但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)、氧化铟锌(IZO)、类钻碳薄膜(DLC)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓铝锌(GAZO)或上述材料的化合物。金属材料包含但不限于铝(Al)、铬(Cr)、铜(Cu)、锡(Sn)、金(Au)、镍(Ni)、钛(Ti)、铂(Pt)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、锑(Sb)、钴(Co)或上述材料的合金等。
发光叠层26具有一粗化上表面261与一粗化下表面263，可降低全反射的机率，提高出光效率。粗化上表面具有一平坦部265，第二电极23可位于平坦部265之上，提升第二电极23与发光叠层26之间的粘着性，降低第二电极23因后续制作工艺，例如打线，而自发光叠层26上剥离的机率。发光叠层26的材料可为半导体材料，包含一种以上的元素，此元素可选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)、氮(N)、锌(Zn)、镉(Cd)与硒(Se)所构成的群组。第一半导体层262与第二半导体层266的电性相异，用以产生电子或空穴。主动层124可发出一种或多种色光，可为可见光或不可见光，其结构可为单异质结构、双异质结构、双侧双异质结构、多层量子井或量子点。
反射结构24自粘结层22往发光叠层26的方向具有一反射层242、一第一透光层244与一窗户层248。窗户层248具有一粗化下表面，粗化下表面具有多个凸部241与凹部243。其中，粗化下表面还具有一平坦部位于第二电极23的正下方，用以与第一透光层244形成欧姆接触。至少一孔洞245形成于第一透光层244之中，孔洞245可自窗户层248的粗化下表面向下延伸至反射层242。另一实施例中，孔洞245可自凸部241向下延伸至反射层242。其中，孔洞245的折射率小于窗户层248与第一透光层244的折射率。由于孔洞245的折射率小于窗户层248与第一透光层244的折射率，窗户层248与孔洞245之间界面的临界角小于窗户层248与第一透光层244之间界面的临界角，所以发光叠层26所发的光射向孔洞245后，在窗户层248与孔洞245之间的界面形成全反射的机率增加。此外，原本在窗户层248与第一透光层244界面未形成全反射而进入第一透光层244之光，在第一透光层244与孔洞245之间的界面也会形成全反射，因而提升发光元件2的出光效率。孔洞245由剖面图观之可以为上宽下窄的漏斗状。反射结构24可还包含一第二透光层246，第二透光层246位于部分第一透光层244与窗户层248之间，以增加第一透光层244与窗户层248之间的欧姆接触。另一实施例中，第二透光层246可具有孔洞245，其中孔洞245的折射率小于窗户层248与第二透光层246的折射率。由于孔洞245的折射率小于窗户层248与第二透光层246的折射率，第二透光层246与孔洞245之间界面的临界角小于窗户层248与第二透光层246之间界面的临界角，所以发光叠层26所发的光射向孔洞245后，在第二透光层246与孔洞245之间的界面形成全反射的机率增加。又一实施例中，反射结构24可不具有窗户层248，第一透光层244形成于发光叠层26之下。此时，发光叠层26的粗化下表面263具有多个凸部与凹部，利于孔洞245的形成。
窗户层248对于发光叠层26所发之光为透明，用以提升出光效率，其材料可为导电材料，包含但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)、氧化铟铈(ICO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟钛(ITiO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓铝锌(GAZO)或上述材料的组合。粗化下表面的凹部243与凸部241之间的高度差h约为窗户层厚度t的1/3至2/3，利于孔洞245的形成。
第一透光层244及/或第二透光层246的材料对于发光叠层26所发之光为透明，以增加窗户层248与反射层242之间的欧姆接触以及电流传导与扩散，并与反射层242形成全方位反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR)。其材料可为透明导电材料，包含但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)、氧化铟铈(ICO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟钛(ITiO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓铝锌(GAZO)或上述材料的组合。其中第一透光层244的材料较佳为氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(IZO)或上述材料的组合。形成第一透光层244及/或第二透光层246的方法包含物理气相沉积法，例如电子束蒸镀或溅镀。反射层242可反射来自发光叠层26之光，其材料可为金属材料，包含但不限于铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、钨(W)或上述材料的合金等。
粘结层22可连接基板20与反射结构24，可具有多个从属层(未显示)。粘结层22的材料可为透明导电材料或金属材料，透明导电材料包含但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)、氧化铟铈(ICO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟钛(ITiO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓铝锌(GAZO)或上述材料的组合。金属材料包含但不限于铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、钨(W)或上述材料的合金等。
基板20可用以支持位于其上的发光叠层26与其它层或结构，其材料可为透明材料或导电材料。透明材料包含但不限于蓝宝石（Sapphire）、钻石(Diamond)、玻璃(Glass)、环氧树脂（Epoxy）、石英(Quartz)、压克力(Acryl)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)等。导电材料包含但不限于铜(Cu)、铝(Al)、钼(Mo)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镍(Ni)、钴(Co)、类钻碳薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)、石墨(Graphite)、碳纤维(Carbon fiber)、金属基复合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基复合材料(CeramicMatrix Composite；CMC)、硅(Si)、磷化碘(IP)、硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、硒化锌(ZnSe)、磷化铟(InP)、镓酸锂(LiGaO2)或铝酸锂(LiAlO2)。
图3为本发明另一实施例的发光元件的剖面图。一发光元件3具有上述发光元件2类似的结构，但反射结构24的第二透光层246具有多个孔洞30，以致第二透光层246的折射率小于1.4，较佳为1.35。如图4所示，孔洞30的形成是将晶片4固定，以特定的方向，例如与垂直于晶片的法线夹角θ的方向D，以物理气相法沉积第二透光层246的材料于晶片上。因为沉积方向D的调整使材料无法沉积到部分区域而形成孔洞30。其中，夹角θ约为60度。有孔洞30形成的第二透光层246的折射率较不具有孔洞的透光层的折射率低，可增加第二透光层246与其他层界面间的产生全反射的机率，提升发光元件3的出光效率。第一透光层244可用物理气相法或化学气相法形成于第二透光层246之下，其厚度大于第二透光层246的厚度，可防止反射层242的材料扩散至第二透光层246。第一透光层244不具有孔洞，可避免反射层242的材料扩散至孔洞之中，破坏反射层242的结构，导致反射层242的反射率降低。第一透光层244具有一第一下表面247，第一下表面247可用化学机械研磨法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)研磨，使其中心线平均粗糙度(Ra)约为1nm～40nm。当反射层242形成于第一下表面247之下时，反射层242可形成一中心线平均粗糙度较低的表面，因而提高反射层242的反射率。
发光元件3还具有至少一导电部32位于发光叠层26与反射层242之间。另一实施例中，导电部32可位于窗户层248与反射层242之间。导电部32用以传导电流，其材料可为透明导电材料或金属材料，透明导电材料包含但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)、氧化铟铈(ICO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟钛(ITiO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓铝锌(GAZO)或上述材料的组合。金属材料包含但不限于铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、钨(W)、锗(Ge)或上述材料的合金等。
此实施例中，第一透光层244及/或第二透光层246的材料可为绝缘材料，例如为聚亚酰胺(PI)、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、氧化镁(MgO)、Su8、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）、玻璃(Glass)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiOx)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(SiNx)、氟化镁(MgF2)、旋涂玻璃(SOG)或四乙氧基硅烷(TEOS)。
图5为本发明另一实施例的发光元件的剖面图。如图5所示，一发光元件5具有一基板50；一发光叠层52，位于基板50之上；一反射结构54，位于发光叠层52之上；以及一电极56，位于反射结构54之上。发光叠层52具有一第一半导体层522，位于基板50之上；一主动层524，位于第一半导体层522之上；以及一第二半导体层526，位于主动层524之上，其中部分第二半导体层526与主动层524被移除以裸露第一半导体层522。
反射结构54具有一窗户层540，位于发光叠层52之上；一第一透光层542，位于窗户层540之上；一反射层544，位于第一透光层542之上；以及一第一绝缘层546，位于反射层544之上。窗户层540具有一粗化上表面541，粗化上表面具有多个凸部543与凹部545。至少一孔洞547形成于第一透光层542之中，且位于粗化上表面541之上，孔洞547的折射率小于窗户层540与第一透光层542的折射率。另一实施例中，孔洞547可自凹部545向上延伸。由于孔洞547的折射率小于窗户层540与第一透光层542的折射率，在窗户层540与孔洞547之间界面的临界角小于窗户层540与第一透光层542之间界面的临界角，所以发光叠层52所发的光射向孔洞547后，在窗户层540与孔洞547之间的界面形成全反射的机率增加。此外，原本在窗户层540与第一透光层542界面未形成全反射而进入第一透光层542之光，在第一透光层542与孔洞547之间的界面也会形成全反射，因而提升发光元件5的出光效率，孔洞547由剖面图观之可以为下宽上窄的倒漏斗状。因为发光叠层52所发的光在窗户层540与孔洞547之间的界面和第一透光层542与孔洞547之间的界面形成全反射的机率增加，降低光到达电极56而被电极56吸收的机率，提升发光元件5的发光效率。第一绝缘层546可包覆反射层544以使反射层544不与电极56直接接触，避免反射层544的材料扩散至电极56，降低反射层544的反射率。反射结构54还包含多个通道549形成于第一透光层542与第一绝缘层546之中，电极56可经由通道549与发光叠层52电连结。反射结构54可还包含一第二透光层548，第二透光层548位于部分第一透光层542与反射层544之间，第二透光层548不具有孔洞，可避免反射层544的材料扩散至孔洞之中，破坏反射层544的结构，导致反射层544的反射率降低。
电极56具有一第一导电层562与一第二导电层564，其中第一导电层562与第二导电层564彼此不直接接触。第一导电层562经由通道549与第一半导体层522连接，第二导电层564经由通道549与窗户层540连接。另一实施例中，发光元件5还包含一第一接触层51位于第一导电层562与第一半导体层522之间，增加第一导电层562与第一半导体层522之间的欧姆接触；一第二接触层53位于第二导电层564与窗户层540之间，增加第二导电层564与窗户层540之间的欧姆接触，降低发光元件5的操作电压，以提升效率。其中，第一接触层51与第二接触层53的材料和上述电极的材料相同。
图6是绘示出一灯泡分解示意图，一灯泡6具有一灯罩61；一透镜62，置于灯罩61之中；一照明模块64，位于透镜62之下；一灯座65，具有一散热槽66，用以承载照明模块64；一连结部67；以及一电连结器68，其中连结部67连结灯座65与电连接器68。照明模块66具有一载体63；以及多个前述任一实施例的发光元件60，位于载体63之上。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本发明所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如上述的权利要求所列。
Claims (10)
1.一种发光元件，包含︰
反射层；
第一透光层，位于该反射层之上；
发光叠层，包含一主动层，位于该第一透光层之上；以及
孔洞，形成于该第一透光层之中。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光叠层包含一粗化下表面，该粗化下表面包含多个凸部与凹部，该孔洞形成于至少一该凸部之下。
3.如权利要求1所述的发光元件，还包含一第二透光层，位于该第一透光层与该发光叠层之间。
4.如权利要求3所述的发光元件，其中该第二透光层包含该孔洞。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该孔洞的形状是漏斗状。
6.一种发光元件，包含︰
反射层；
第一透光层，位于该反射层之上；
窗户层，具有一粗化下表面，位于该第一透光层之上；
发光叠层，包含一主动层，位于该窗户层之上；以及
孔洞，形成于该第一透光层之中。
7.如权利要求6所述的发光元件，其中该粗化下表面包含多个凸部与凹部，该孔洞形成于至少一该凸部之下。
8.如权利要求7所述的发光元件，其中部分该第一透光层形成于该凸部的顶端。
9.如权利要求7所述的发光元件，其中该凹部与该凸部之间的高度差是该窗户层厚度的1/3至2/3。
10.如权利要求6所述的发光元件，还包含一第二透光层，位于该第一透光层与该窗户层之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |