CN104425537A

CN104425537A - 发光二极管元件

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Publication number: CN104425537A
Application number: CN201310392154.5A
Authority: CN
Inventors: 叶慧君
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-03-18

Abstract

一种发光二极管元件，其包含基板，具有第一表面；多个发光二极管单元，形成在第一表面上，任一发光二极管单元具有一面积，且任一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；及活性层，形成在第一、二半导体层之间；至少一接触发光二极管单元，形成在第一表面上，其中接触发光二极管单元具有一面积，接触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；及活性层，形成在第一半导体层与第二半导体层之间；多个导电配线结构，连接多个发光二极管单元及接触发光二极管单元；及第一电极衬垫形成在接触发光二极管单元之上，其中接触发光二极管单元的面积较至少一相邻的发光二极管单元的面积为大。

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不同，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邻发光二极管单元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(SiN_x)、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

为解决上述问题，本发明提供一种发光二极管元件，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，任一些发光二极管单元具有一面积，且任一些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；至少一接触发光二极管单元，形成在第一表面上，其中接触发光二极管单元具有一面积，且接触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；多个导电配线结构，连接些多个发光二极管单元及接触发光二极管单元；以及一第一电极衬垫形成在接触发光二极管单元之上，其中接触发光二极管单元的面积较至少一相邻的发光二极管单元的面积为大。

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。

具体实施方式

本发明揭示一种发光二极管元件结构，为了使本发明的叙述更加详尽与完备，请参照下列描述并配合图3A至图4的图示。

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220，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)。上述第一半导体层221，活性层222，以及第二半导体层223的材料可包含一种或一种以上的元素选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及硅(Si)所构成群组。常用的材料如磷化铝镓铟（AlGaInP）系列、氮化铝镓铟（AlGaInN）系列等III族氮化物、氧化锌（ZnO）系列等。

接着，以黄光光刻制作工艺技术选择性移除部分外延叠层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(SiN_x)、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，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(SiN_x)、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电性相连，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第一接触发光二极管单元C1的第一半导体层221上形成第一电极衬垫26。在一实施例中，也可选择在串联阵列电路另一末端的第二接触发光二极管单元C3的第二半导体层223上形成第二电极衬垫28。

通过此第一电极衬垫26及第二电极衬垫28，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，形成第一电极衬垫26及第二电极衬垫28的制作工艺，可以与导电配线结构29于同一形成制作工艺中进行，也可以由多次制作工艺所完成。而形成第一电极衬垫26及第二电极衬垫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。

在一实施例中，上述第一接触发光二极管单元C1具有一第一面积，而任一相邻的发光二极管单元C2具有第二面积，且第一接触发光二极管单元C1的面积较任一相邻的发光二极管单元C2的面积为大。在一实施例中，任一发光二极管单元C2与第一接触发光二极管单元C1的面积差异小于20%。在一实施例中，其中任意两个发光二极管单元C2的面积差异小于20%。其中，为了达到一定的导电度，第一电极衬垫26与导电配线结构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。

在一实施例中，上述第一接触发光二极管单元C1具有一第一形状，而任一相邻的发光二极管单元C2具有第二形状，且第一接触发光二极管单元C1的形状与任一相邻的发光二极管单元C2的形状不同。

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其中一个串联的发光二极管单元C2与第一接触发光二极管单元C1的结构设计。其中，第一接触发光二极管单元C1依序具有四个边界B1-B4，其中第一电极衬垫26与第一边界B1及第二边界B2相邻。为了达到均匀的电流扩散速率，第一接触发光二极管单元C1的第四边界B4具有一导电配线结构29，且此导电配线结构29可包含一第一延伸部291及一第二延伸部292，其中第一延伸部291往第一边界B1延伸且第二延伸部292往第三边界B3延伸。

如图4所示，第一延伸部291可与第一边界B1具有一最短距离X₁，且第二延伸部292与第三边界B3可具有一最短距离X₂。在一实施例中X₁+X₂<100μm、X₁+X₂<90μm、X₁+X₂<80μm、X₁+X₂<70μm。在一实施例中0.9<X₁/X₂<1.2。于本发明的一实施例中，第一导电型半导体层221与基板20间尚可选择性地包含一缓冲层(buffer layer，未显示)。此缓冲层介于二种材料系统之间，使基板的材料系统”过渡”至半导体系统的材料系统。对发光二极管的结构而言，一方面，缓冲层用以降低二种材料间晶格不匹配的材料层。另一方面，缓冲层也可以是用以结合二种材料或二个分离结构的单层、多层或结构，其可选用的材料如：有机材料、无机材料、金属、及半导体等；其可选用的结构如：反射层、导热层、导电层、欧姆接触（ohmic contact）层、抗形变层、应力释放（stress release）层、应力调整（stress adjustment）层、接合（bonding）层、波长转换层、及机械固定构造等。

外延叠层220上还可选择性地形成一接触层(未显示)。接触层设置于外延叠层220远离基板20的一侧。具体而言，接触层可以为光学层、电学层、或其二者的组合。光学层可以改变来自于或进入活性层222的电磁辐射或光线。在此所称的「改变」指改变电磁辐射或光的至少一种光学特性，前述特性包含但不限于频率、波长、强度、通量、效率、色温、演色性（renderingindex）、光场（light field）、及可视角（angle of view）。电学层可以使得接触层的任一组相对侧间的电压、电阻、电流、电容中至少其一的数值、密度、分布发生变化或有发生变化的趋势。接触层的构成材料包含氧化物、导电氧化物、透明氧化物、具有50%或以上穿透率的氧化物、金属、相对透光金属、具有50%或以上穿透率的金属、有机质、无机质、荧光物、磷光物、陶瓷、半导体、掺杂的半导体、及无掺杂的半导体中至少其一。于某些应用中，接触层的材料为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化铟锌、氧化锌铝、与氧化锌锡中至少其一。若为相对透光金属，其厚度较佳地约为0.005μm～0.6μm。在一实施例中，由于接触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外延叠层220之中。一般而言，根据接触层掺混的杂质与制作工艺的方式不同而有所变动，其能隙的宽度可介于0.5eV至5eV之间。

以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或公开的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，吾人当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。虽然本发明已说明如上，然而其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与制作工艺方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims

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具有一面积，且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；

至少一接触发光二极管单元，形成在该第一表面上，其中该接触发光二极管单元具有一面积，且该接触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；

多个导电配线结构，连接该些多个发光二极管单元及该接触发光二极管单元；以及

第一电极衬垫，形成在该接触发光二极管单元之上，其中该接触发光二极管单元的面积较至少一相邻的发光二极管单元的面积为大。

2.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中任意两个该发光二极管单元的面积差异小于20%。

3.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中任一该发光二极管单元与该接触发光二极管单元的面积差异小于20%。

4.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中还包含金属氧化物层，形成于该第二半导体层之上。

5.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中任意两个该多个导电配线结构彼此完全分离，且其中任一该些导电配线结构其第一端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；其第二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。

6.如权利要求5所述的发光二极管元件，其中该接触发光二极管单元依序具有至少第一至第四个边界，且该第一电极衬垫与该第一及第二边界相邻，以及该接触发光二极管单元的导电配线结构可具有第一延伸部及第二延伸部，其中该导电配线结构与该第四边界相邻，且该第一延伸部往该第一边界延伸及该第二延伸部往该第三边界延伸。

7.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该第一延伸部与该第一边界具有一最短距离X₁，该第二延伸部与该第三边界具有一最短距离X₂，且X₁+X₂<100μm。

8.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该第一延伸部与该第一边界具有一最短距离X₁，该第二延伸部与该第三边界具有一最短距离X₂，且0.9<X₁/X₂<1.2。

9.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该第一延伸部与该第一边界具有一最短距离X₁，该第二延伸部与该第三边界具有一最短距离X₂，且X₁或X₂<80μm。