CN104576870B - 发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一发光元件，包含：一发光叠层，至少包含一活性层；一透明绝缘层位于发光叠层之上，透明绝缘层具有一边缘；及一电极区，包含一第一电极位于透明绝缘层之上，且第一电极具有一边缘；其中第一电极远离透明绝缘层的表面的表面积小于透明绝缘层远离发光叠层的表面的表面积，且透明绝缘层的折射率介于1至3.4之间，穿透率(T%)大于80%。
Description
技术领域
本发明涉及一发光元件及其制造方法，特别是涉及一具有一透明绝缘层的发光元件。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode,LED)的发光原理是利用电子在n型半导体与p型半导体间移动的能量差，以光的形式将能量释放，这样的发光原理有别于白炽灯发热的发光原理，因此发光二极管被称为冷光源。此外，发光二极管具有高耐久性、寿命长、轻巧、耗电量低等优点，因此现今的照明市场对于发光二极管寄予厚望，将其视为新一代的照明工具，已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。
图1A是现有的发光元件结构示意图。如图1A所示，现有的发光元件100包含有一透明基板11、一位于透明基板11上的半导体叠层12，以及至少一电极14位于上述半导体叠层12上，其中上述的半导体叠层12由上而下至少包含一第一导电型半导体层120、一活性层122，以及一第二导电型半导体层124。
此外，上述的发光元件100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1B为现有的发光装置结构示意图，如图1B所示，一发光装置200包含一具有至少一电路150的次载体(sub-mount)15；至少一焊料(solder)13位于上述次载体15上，通过此焊料13将上述发光元件100粘结固定于次载体15上并使发光元件100的基板11与次载体15上的电路150形成电连接；一电连接结构16，以电连接发光元件100的电极14与次载体15上的电路150；其中，上述的次载体15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200的电路规划并提高其散热效果。
发明内容
本发明提供一发光元件，包含：一发光叠层，至少包含一活性层；一透明绝缘层位于发光叠层之上，透明绝缘层具有一边缘；及一电极区，包含一第一电极位于透明绝缘层之上，且第一电极具有一边缘；其中第一电极远离透明绝缘层的表面的表面积小于透明绝缘层远离发光叠层的表面的表面积，且透明绝缘层的折射率介于1至3.4之间，穿透率(T%)大于80%。
附图说明
图1A为现有的发光元件结构示意图，图1B为现有的发光装置结构示意图；
图2A为本发明第一实施例的发光元件的上视图，图2B为图2A沿剖面线AA’的剖面图；
图3为本发明第二实施例的灯泡分解示意图。
符号说明
1：发光元件 2：灯泡
11：透明基板 12：半导体叠层
13：焊料 14：电极
15：次载体 16：电连接结构
20：基板 21：粘结层
22：反射层 23：透明导电层
24：绝缘层 25：发光叠层
26：电接触层 27：电极区
28：透明绝缘层 30：第二电极
41：灯罩 42：透镜
43：载板 44：发光模块
45：灯座 46：散热鳍片
47：结合部 48：电连接器
100：发光元件 120：第一导电型半导体层
122：活性层 124：第二导电型半导体层
150：电路 200：发光装置
251：窗户层 252：第一导电型半导体层
253：活性层 254：第二导电型半导体层
271：第一电极 272：延伸电极
281：边缘 2711：边缘
2721：第一支线 2722：第二支线
C：中心
具体实施方式
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2-图3的附图。
图2A为本发明第一实施例的发光元件上视图，图2B为图2A沿剖面线AA’的剖面图。如图2B所示，一发光元件1具有一基板20；一粘结层21，位于基板20之上；一反射层22，位于粘结层21之上；一透明导电层23，位于反射层22之上；一发光叠层25，位于透明导电层23之上；一绝缘层24，位于透明导电层23与发光叠层25之间；一电接触层26，位于发光叠层25之上；一透明绝缘层28位于发光叠层25之上且接触电接触层26；一电极区27位于透明绝缘层28以及电接触层26之上且包含一第一电极271和一延伸电极272，其中第一电极271位于透明绝缘层28之上且延伸电极272位于电接触层26之上，其中第一电极271远离透明绝缘层28的表面的表面积小于透明绝缘层28远离发光叠层25的表面的表面积，透明绝缘层的折射率介于1至3.4之间且穿透率(T%)大于80%；以及一第二电极30，位于基板20之下。发光叠层25具有一窗户层251，位于透明导电层23与电极区27之间；一第一导电型半导体层252，位于窗户层251与电极区27之间；一活性层253，位于第一导电型半导体层252与电极区27之间；以及一第二导电型半导体层254，位于活性层253与电极区27之间，其中第二导电型半导体层254裸露且未与电接触层26、延伸电极272以及透明绝缘层28接触的表面为粗化的表面。
电极区27及/或第二电极30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)、氧化铟钨(IWO)、氧化锌(ZnO)、砷化铝镓(AlGaAs)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、氧化铟锌(IZO)或类钻碳薄膜(DLC)。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。如图2A所示，第一电极271大致位于第二导电型半导体层254的中心区域之上，延伸电极272具有一第一支线2721以及一第二支线2722，第一支线2721自第一电极271向发光元件1的边界延伸，第二支线2722的两端分别自第一支线2721的两侧向远离第一支线的方向延伸，延伸方向大致与其最接近的发光元件1的边界平行。如图2B所示，延伸电极272位于电接触层26之上，且包覆电接触层26至少一表面。
电接触层26位于延伸电极272与发光叠层25之间，以形成延伸电极272与发光叠层25之间的欧姆接触。电接触层26的电性与第二导电型半导体层254相同，其材料可为半导体材料，包含一种以上的元素，此元素可选自(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及硅(Si)所构成的群组。
透明绝缘层28位于第一电极271与发光叠层25之间，于此实施例中，部分透明绝缘层28覆盖部分电接触层26使第一电极271远离基板的表面较平整，以避免当透明绝缘层28未覆盖电接触层26时，其衔接处的高度差导致第一电极271远离基板的表面产生凹陷。透明绝缘层28的折射率介于1至3.4之间，更佳的，透明绝缘层28的折射率介于1.6至3.4之间，又更佳的，透明绝缘层28的折射率介于2至3.4之间。透明绝缘层28对于发光叠层25所发出之光的波长有大于80%的穿透率(T%)，较佳的，穿透率(T%)大于90%，又更佳的，穿透率(T%)大于95%。于此实施例中，穿透率(T%)大于98%。如图2A所示，透明绝缘层28具有一边缘281，透明绝缘层28的边缘281远离第二导电型半导体层254的中心C，第一电极271具有一边缘2711，第一电极271的边缘2711远离第二导电型半导体层254的中心C，透明绝缘层28的部分边缘281凸出于第一电极271的边缘2711。此外，电极271远离透明绝缘层28的表面的表面积小于透明绝缘层28远离发光叠层25的表面的表面积，因此可提高发光元件1的出光效率且可提高发光元件1的轴向亮度。较佳的，透明绝缘层28的表面积介于活性层253的表面积的5%至97%之间。于此实施例中，透明绝缘层28的表面积为活性层253的表面积的7.7%。透明绝缘层28包含氧化物材料，其中氧化物材料例如但不限于包含氧化铟锡(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)、氧化铟钨(IWO)、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。于本实施例中，透明绝缘层28为氧化铝锌(AZO)，且在发光叠层25之上形成透明绝缘层28的过程中通入氧气，通过调整氧气通入量调变氧化铝锌(AZO)薄膜的薄膜电阻值以及穿透率，使其具有大于80%的穿透率而具有较低的电子传导能力。较佳的，透明绝缘层28的厚度不小于800埃时，透明绝缘层28的薄膜电阻大于10Ω/□(Ohm/Sq)，又更佳的，大于103Ω/□。于本实施例中，透明绝缘层28的薄膜电阻大于106Ω/□。透明绝缘层28的厚度例如但不限于不小于800埃。于本实施例中，透明绝缘层28的厚度为0.5微米(μm)。
发光叠层25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)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及硅(Si)所构成的群组。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。上述第一导电型半导体层252与第二导电型半导体层254是电性、极性或掺杂物相异，分别用以提供电子与空穴的半导体材料单层或多层结构(「多层」是指二层或二层以上，以下同)。其电性选择可以为p型、n型、及i型中的任意二者的组合。活性层253是位于上述二个部分的电性、极性或掺杂物相异、或者是分别用以提供电子与空穴的半导体材料之间，为电能与光能可能发生转换或被诱发转换的区域。活性层253的结构是如:单异质结构(singleheterostructure;SH)、双异质结构(double heterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-side double heterostructure；DDH)、或多层量子阱(multi-quantum well；MQW)。再者，调整量子阱的对数也可改变发光波长。
窗户层251对于活性层253所发的光为透明，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)、氧化铟钨(IWO)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、砷化铝镓(AlGaAs)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)或氧化铟锌(IZO)。
透明导电层23的材料对于发光叠层25所发的光为透明，可增加窗户层251与反射层22之间的欧姆接触以及电流传导与扩散，并与反射层22形成全方向反射镜(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)、氧化铟钨(IWO)、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。
绝缘层24对于发光叠层25所发之光的穿透率大于90%，折射率小于1.4，较佳为介于1.3与1.4之间。绝缘层24的材料可包括但不限于非氧化物绝缘材料，例如为苯并环丁烯（BCB）、环烯烃聚合物（COC）、氟碳聚合物（Fluorocarbon Polymer）、氮化硅(SiNx)、氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2)；绝缘层24的材料可包含卤化物或IIA族及VII族的化合物，例如氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2)。在此实施例中，绝缘层24的材料为氟化镁(MgF2)。绝缘层24的折射率小于窗户层251与透明导电层23的折射率，因此窗户层251与绝缘层24间界面的临界角小于窗户层251与透明导电层23间界面的临界角，所以发光叠层25所发的光射向绝缘层24后，在窗户层251与绝缘层24之间的界面形成全反射的机率增加。
反射层22可反射来自发光叠层25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21可连接基板20与反射层22，可具有多个从属层(未显示)。粘结层21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25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(Carbonfiber)、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)。
与一未包含有透明绝缘层28，其他结构均相同的发光元件相较，本实施例的发光元件1的电流高出约6至7%，故出光效率提高。于另一实施例中，透明绝缘层28的厚度为1μm，相较于透明绝缘层28的厚度为0.5μm的发光元件，其电流又更高。于又一实施例中，透明绝缘层28的厚度为2μm，相较于透明绝缘层28的厚度为1μm的发光元件，其电流又高出约5%，因此出光效率又更高。
图3为本发明第二实施例公开一灯泡分解示意图。灯泡2包含一灯罩41，一透镜42，一发光模块44，一灯座45，一散热鳍片46，一结合部47及一电连接器48。其中发光模块44包含一载板43，并在载板43上包含至少一个上述实施例中的发光元件1。
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方法方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。
Claims (10)
1.一发光元件，包含︰
发光叠层，包含至少一活性层；
透明绝缘层位于该发光叠层之上且接触该发光叠层，该透明绝缘层具有一边缘；
电接触层，位于该发光叠层之上且接触该透明绝缘层与该发光叠层，且部分该透明绝缘层覆盖部分该电接触层；及
电极区，包含第一电极，位于该透明绝缘层之上，且该第一电极具有一边缘；
其中该第一电极远离该透明绝缘层的表面的表面积小于该透明绝缘层远离该发光叠层的表面的表面积，且该透明绝缘层的折射率介于1至3.4之间，穿透率(T％)大于80％。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明绝缘层的部分该边缘凸出于该第一电极的该边缘。
3.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明绝缘层的面积大致为该活性层的面积的5％至97％之间。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明绝缘层的厚度不小于
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明绝缘层包含一氧化物材料。
6.如权利要求5所述的发光元件，其中该氧化物材料包含氧化铟锡(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)、氧化铟钨(IWO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)、氧化铟铈(ICO)、、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。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中该电极区还包含延伸电极，该延伸电极包覆该电接触层，该延伸电极具有第一支线，该第一支线延伸自第一电极。
8.如权利要求7所述的发光元件，其中该透明绝缘层的形状与第一电极以及第一支线的形状相同。
9.如权利要求1所述的发光元件，其中该电接触层靠近该发光叠层的表面与该透明绝缘层靠近该发光叠层的表面共平面。
10.如权利要求1所述的发光元件，还包括绝缘层，位于该发光叠层之下。
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