CN104868028A - 发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种发光二极管芯片，包括第一型半导体层、发光层、第二型半导体层、电流阻挡层、透明导电层以及电极；发光层位于第一型半导体层上；第二型半导体层位于发光层上；电流阻挡层位于第二型半导体层上；透明导电层位于第二型半导体层上，且覆盖电流阻挡层；电极位于与电流阻挡层相对应的透明导电层上；电流阻挡层与电极分别在截面上具有第一宽度与第二宽度，且电流阻挡层的第一宽度大于电极的第二宽度。本发明的发光二极管芯片具有良好的发光效率。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发光组件，且特别是有关于一种具有电流阻挡层的发光二极管芯片。
背景技术
由于近来石化能源逐渐减少，且对于节能产品的需求日益增长，发光二极管（LED）技术也因而显著发展。
在油价不稳定的条件下，世界上许多国家都积极投身于节能产品的开发，而节能照明装置中的发光二极管的应用即是此趋势下的产物。
此外，随着发光二极管技术的进步，白色或其它颜色（例如蓝色）发光二极管的应用则变得更加广泛。
当发光二极管的技术随着时间推移而成熟，越来越多的应用领域应运而生。举例而言，发光二极管的照明应用领域，包括家用的壁灯、夜灯（由于其对亮度的要求低，因此是以发光二极管作为光源的最早领域）、辅灯、庭园灯或阅读灯，以及公众场合用的应急灯或病床灯，以及商办大楼用的射灯、筒灯或灯条，与户外用的建筑外墙或太阳能灯，或用于声光秀等等。
发光二极管的优势，除了如功耗低，无汞，寿命长，二氧化碳排放少外，世界各国政府禁止使用汞的环境政策也鼓励科研人员投入白色发光二极管技术的研发和应用当中。
当环境保护已成为一种全球趋势时，发光二极管作为一种绿色能源，是全球主流趋势。如前面所指出的，它已被广泛地应用于3C产品的指示和显示设备中；并且，随着发光二极管产品良率的增加，制造成本已大大降低，因此，对于发光二极管的需求也不断增加。
如上所述，高亮度发光二极管的发展已经成为相关领域以及公司的研究焦点，然而，目前的发光二极管的应用设计中仍存在缺陷，使得它难以达到最佳的发光效率。
发明内容
本发明提供一种发光二极管芯片，具有良好的发光效率。
为实现本发明的上述目的之一，本发明提供一种发光二极管芯片，包括第一型半导体层、发光层、第二型半导体层、电流阻挡层、透明导电层以及电极；发光层位于第一型半导体层上；第二型半导体层位于发光层上；电流阻挡层位于第二型半导体层上；透明导电层位于第二型半导体层上，且覆盖电流阻挡层；电极位于与电流阻挡层相对应的透明导电层上；电流阻挡层与电极分别在截面上具有第一宽度与第二宽度，且电流阻挡层的第一宽度大于电极的第二宽度。
作为本发明一实施方式的进一步改进，第一宽度与第二宽度的比值落在1.4至2.6之间。
作为本发明一实施方式的进一步改进，电流阻挡层包括多个高折射率层以及多个低折射率层，且这些高折射率层与这些低折射率层交互堆栈。
作为本发明一实施方式的进一步改进，高折射率层包括第一高折射率层与第二高折射率层，且这些低折射率层包括低折射率底层、第一低折射率层以及第二低折射率层。低折射率底层位于第二型半导体层与第一高折射率层之间。第一低折射率层位于第一高折射率层与第二高折射率层之间。第二低折射率层位于第二高折射率层与透明导电层之间。
作为本发明一实施方式的进一步改进，低折射率底层的厚度大于其他这些低折射率层与这些高折射率层的厚度。
作为本发明一实施方式的进一步改进，高折射率层的厚度为0.25λ/nh，第一低折射率层与第二低折射率层的厚度为0.25λ/nl，低折射率底层的厚度为1.75λ/nl，其中，λ为发光层所发出光的波长，nh为这些高折射率层的折射率，且nl为这些低折射率层的折射率。
作为本发明一实施方式的进一步改进，高折射率层还包括高折射率顶层，位于第二低折射率层与透明导电层之间。
作为本发明一实施方式的进一步改进，高折射率层的厚度为0.15λ/nh，第一低折射率层与第二低折射率层的厚度为0.45λ/nl，低折射率底层的厚度为0.6λ/nl，其中，λ为发光层所发出光的波长，nh为这些高折射率层的折射率，且nl为这些低折射率层的折射率。
作为本发明一实施方式的进一步改进，高折射率层的材料包括二氧化钛。
作为本发明一实施方式的进一步改进，低折射率层的材料包括二氧化硅。
作为本发明一实施方式的进一步改进，透明导电层的材料包括选自由氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓(IGO)、掺铝氧化锌(AZO)、氧化镍(NiO)、二氧化钌(RuO2)与石墨烯组成的群组的至少其中之一。
作为本发明一实施方式的进一步改进，该电流阻挡层中的相邻折射率层的光程差不等于该发光层所发出光的波长的整数倍。
作为本发明一实施方式的进一步改进，从该发光层朝该电极传递的光的入射角的范围在6至30度之间时，反射率在80%以上。
作为本发明一实施方式的进一步改进，从该发光层朝该电极的邻近区域传递的光的入射角的范围在0至22度之间时，穿透率在40%以上。
作为本发明一实施方式的进一步改进，从该发光层朝该电极的邻近区域传递的光的入射角的范围在0至22度之间时，穿透率在40%以上。
与现有技术相比，本发明的发光二极管芯片可藉由控制各高折射率层与低折射率层的厚度及配置，使光在以较小入射角射向电极时的光反射率与光在射向电极周围时的光穿透率能被优化，进而提升发光二极管芯片的光提取效率或发光效率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是习知的一种发光二极管芯片的架构示意图；
图2与图3是本发明一实施例的一种发光二极管芯片的架构示意图；
图4是本发明一实施例的一种发光二极管芯片的剖面示意图；
图5是图4的发光二极管芯片的剖面示意图；
图6是本发明一实施例的又一种发光二极管芯片的剖面示意图；
图7是图6的发光二极管芯片的一种光路示意图；
图8是图6的发光二极管芯片的另一种光路示意图；
图9是图6的发光二极管芯片的第一宽度与第二宽度之比对光输出效率提升率的曲线图；
图10是图6的发光二极管芯片中的电流路径的示意图；
图11是本发明一实施例的再一种发光二极管芯片的剖面示意图；
图12是图6与图11的发光二极管芯片的入射角对反射率的曲线图；
图13是图6与图11的发光二极管芯片的入射角对穿透率的曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
在实际应用中，发光二极管通常结合为发光二极管数组模块，其中在基板上排列了大量的的发光二极管芯片，并藉由数量上的优势而获得更好的发光效应。然而，在这样的发光二极管芯片数组中，除了最频繁发生的冷却问题外，如何进一步提高光输出效率是我们在这一领域中应该面对和考虑的主题。
图1是习知的一种发光二极管芯片的架构示意图。如图1所示，在现有技术中，发光二极管芯片被并排排列在一个大的基板上，并且通过引线彼此连接，以形成一个发光矩阵。图1的结构包括基板10和多个发光二极管芯片20。发光二极管芯片20对齐而整齐地形成矩阵的形式。在这种结构中，除了从发光二极管芯片20的上表面发出的光和位在矩阵四周的发光二极管芯片20的外侧壁的光输出没有被屏蔽外，其余从发光二极管芯片20的侧壁所发出的光与相邻的芯片相互屏蔽。因此，从芯片周围侧面输出但被屏蔽的光无疑地被浪费了，且发光矩阵的照明效率较低。
图2与图3是本发明一实施例的一种发光二极管芯片的架构示意图。如图2及图3所示，本实施例的高电压的发光组件包括基板10和一组发光二极管芯片20。其中，该组发光二极管芯片20位于基板10上，其数量约为18到25个。
此外，发光二极管芯片20交错排列，以使各发光二极管芯片20与相邻的发光二极管芯片20未对准或不对准，因此发光二极管芯片20整体的周边为一种交错的规则形状或不规则的锯齿形，而作为非矩阵的排列。在这种排列下，除了光可以从占据了基板10约60％至80％面积的发光二极管芯片20的上表面输出外，从发光二极管芯片20的侧面输出的光也能被使用。
将图2、图3与图1相比较，可清楚地得知，在本实施例中，藉由调整发光二极管芯片20的配置，而可在相同的生产成本下，达到最佳的照明效率。
在本实施例中，发光二极管芯片20以串联的形式连接。请参照图4，图4是本发明一实施例的一种发光二极管芯片的剖面示意图。如图4所示，发光二极管芯片20分布在基板10上，并藉由连结的金属线使彼此电性连接。因为每个发光二极管芯片20的电压约为3.1〜3.5伏特，且一组芯片的数量约为18到25个，当芯片以串联的形式连接时，此发光装置的驱动电压在本实施例中约为55.8至87.5伏特。然而，电压最好保持在70〜75伏特的较佳电压范围中。此外，除了串联外，发光二极管芯片20亦能视发光装置的实际需求而以并联或串并联的形式连接。
除了上面描述的实施例外，本发明还揭露了发光二极管芯片20的光输出结构。请参照图5，图5是图4的发光二极管芯片的剖面示意图。如图5所示，发光二极管芯片20包括不透明的P型电极201、透明导电层202、电流阻挡层203、P半导体层204、发光层205、N型电极207、N型半导体层206以及光反射层208。
其中，光反射层208被设置在基板10上，且位于发光二极管芯片20的底部。N型半导体层206位于光反射层208之上。N型电极207位于N型半导体层206之上。发光层205也位于N型半导体层206上方，但未与N型电极207连接。P型半导体层204位于发光层205上方。透明导电层202位于P型半导体层204之上，且位于发光二极管芯片20的顶部。此外，在透明导电层202内的电流阻挡层203位于P型半导体层204之上。P型电极201位于透明导电层202之上。
在发光二极管芯片20的结构中，发光层205朝向芯片底部发出的光可藉由发光二极管芯片20的光反射层208反射后向上发出，即可被反射到正确的光输出方向。
因为一般发光二极管的电流方向是最短的路径，因此大部分的电流会流至非透明P型电极201的下方区域，然后在P型电极201下方产生的光，大部分会被其屏蔽，而导致光输出效率的降低。因此，电流阻挡层203可被用来扩展从电极201流出的电流方向，并且提高发光效率。形成此种结构的制造方法是使用化学气相沉积和蚀刻的方式来沉积绝缘体到装置的结构上，以用于阻断电流的最短路径，而使发光二极管芯片20的电流流经其它路径，进而提高了发光二极管芯片20的亮度或发光效率。
图6是本发明一实施例的又一种发光二极管芯片的剖面示意图。如图6所示，本实施例的发光二极管芯片30包括N型半导体层206，发光层205，P型半导体层204，电流阻挡层303，透明导电层202，N型电极207和P型电极201。发光层205位于N型半导体层206上。P型半导体层204位于发光层205上。电流阻挡层303位于P型半导体层204上。透明导电层202位于P型半导体层204上，且覆盖电流阻挡层303。N型电极207位于N型半导体层206上，且P型电极201位于与电流阻挡层303相对应的透明导电层202上。举例而言，在本实施例中，透明导电层202的材料包括选自由氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓(IGO)、掺铝氧化锌(AZO)、氧化镍(NiO)、二氧化钌(RuO2)与石墨烯组成的群组的至少其中之一。此外，在本实施例中，电极201、207的材料，包括选自金属如银、铝、金、铑、铂、钯、镍、铬、铜、钛，和合金如铜铝合金、铜硅铝合金、铝银合金、银镍合金等组成的群组的至少其中之一。
具体而言，在本实施例中，电流阻挡层303包括多个高折射率层303h1、303h2以及多个低折射率层303lb、303l1和303l2，其中高折射率层303h1、303h2与低折射率层303lb、303l1和303l2交互堆栈。如此，藉由交互堆栈高折射率层303h1、303h2与低折射率层303lb、303l1和303l2来反射从发光层205所发出的光，电流阻挡层303即可形成一个分布式布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector, DBR）。
进一步而言，高折射率层303h1、303h2包括第一高折射率层303h1与第二高折射率层303h2，而低折射率层303lb、303l1和303l2包括低折射率底层303lb、第一低折射率层303l1以及第二低折射率层303l2。低折射率底层303lb位于P型半导体层204与第一高折射率层303h1之间。第一低折射率层303l1位于第一高折射率层303h1与第二高折射率层303h2之间。第二低折射率层303l2位于第二高折射率层303h2与透明导电层202之间。如此，将可藉由调整各高折射率层303h1、303h2与低折射率层303lb、303l1与303l2的厚度，来提升发光层所发出的光的反射率。
举例而言，高折射率层303h1、303h2的厚度为0.25λ/nh，第一低折射率层303l1与第二低折射率层303l2的厚度为0.25λ/nl，低折射率底层303lb的厚度为1.75λ/nl，其中λ为发光层205所发出光的波长，nh为这些高折射率层的折射率，且nl为这些低折射率层的折射率。换言之，在本实施例中，低折射率底层303lb的厚度大于其他这些低折射率层303l1、303l2与这些高折射率层303h1、303h2的厚度。藉由此种配置，从发光层205发出的部分光在射到电流阻挡层303时，将可被电流阻挡层303所反射，从而提高了发光二极管芯片30的光提取效率。此外，在使用发光二极管芯片30的情况下，以大约等于或大于37度的入射角射到电流阻挡层303的光将会因为P型半导体层204与低折射率底层303lb之间的折射率差异而被全反射。
举例而言，在本实施例中，发光层205发出的光为蓝光，其波长约为450纳米（nm）。此外，高折射率层303h1、303h2的材料包括二氧化钛（TiO2），且入射光波长约为450nm时，其对蓝光的折射率nh约为2.81-2.82。低折射率层303lb、303l1和303l2的材料包括二氧化硅（SiO2），且入射光波长约为450nm时，其对蓝光的折射率n1约为1.45-1.49。应注意的是，上述的数值范围仅是用来作为示例，而不用于限制本发明。本领域技术人员可根据从发光层205发出的光的波长或视实际需求来选用具有适当折射率的材料，在此不再赘述。
此外，电流阻挡层303与P型电极201分别在截面上具有第一宽度W1与第二宽度W2，且电流阻挡层303的第一宽度W1大于P型电极201的第二宽度W2。更详细而言，第一宽度W1与第二宽度W2的比值(W1/W2)大约落在1.4至2.6之间。如此一来，本实施例的发光二极管芯片30的光提取效率、发光效率以及可靠性将可透过发光二极管芯片30中的结构配置而得到提升。应注意的是，上述的数值范围仅是用来作为示例，而不用于限制本发明。以下将搭配图7至图10，来进行进一步的解说。
图7是图6的发光二极管芯片的一种光路示意图。图8是图6的发光二极管芯片的另一种光路示意图。如图7所示，当部分的光50从发光层205朝P型电极201传递时，未能被电流阻挡层303反射的入射光亦能被透明导电层202与P型电极201所反射，而能提升光的提取效率。另一方面，如图8所示，当部分的光60从发光层205朝P型电极201的邻近区域传递时，会在电流阻挡层303与透明导电层202处折射而穿透电流阻挡层303与透明导电层202，而有助于提升发光效率。如此，发光二极管芯片30的光提取效率与发光效率将可得到提升。
图9是图6的发光二极管芯片的第一宽度W1与第二宽度W2之比对光输出效率提升率的曲线图。如图9所示，在本实施例中，当第一宽度W1与第二宽度W2的比值(W1/W2)大约落在1.4至2.6之间时，光输出效率的提升率会落在0.55%至0.70%之间。换言之，在本实施例中，发光二极管芯片30的发光效率可藉由控制第一宽度W1与第二宽度W2的比值(W1/W2)来达到优化的效果。应注意的是，上述的数值范围仅是用来作为示例，而不用于限制本发明。以下将搭配图7至图10，来进行进一步的解说。
图10是图6的发光二极管芯片中的电流路径的示意图。如图10所示，在发光二极管芯片30发光时，从P型电极201流入的电流CF不会流经电流阻挡层303，而是沿着透明导电层202流动，最后传递到N型电极207，如此可减少位于P型电极201正下方的部分发光层205的发光几率并增加发光层205其余部分的发光几率。如此，发光二极管芯片30的发光效率亦可被提升。
图11是本发明一实施例的再一种发光二极管芯片的剖面示意图。如图11所示，本实施例的发光二极管芯片30’与图6的发光二极管芯片30类似，差异如下所述。在图11所示的实施例中，电流阻挡层303’更包括高折射率顶层303ht，位于第二低折射率层303l2与透明导电层202之间。并且，在本实施例中，高折射率层303h1、303h2与高折射率顶层303ht的厚度为0.15λ/nh，第一低折射率层303l1与第二低折射率层303l2的厚度为0.45λ/nl，低折射率底层303lb的厚度为0.6λ/nl。
如此，发光二极管芯片30’的光提取效率与发光效率亦可藉由电流阻挡层303’的结构而被提升。此外，在本实施例中，各个高折射率层303h1、303h2与303ht以及低折射率层303lb、 303l1与303l2的厚度是依非整数模堆的方式来形成。在此，非整数模堆的意义是指电流阻挡层303’中的相邻折射率层的光程差不等于发光层205所发出光的波长的整数倍。如此一来，以较小入射角朝P型电极201入射的光的反射率，以及朝P型电极201邻近区域传递的光的穿透率可被进一步优化。以下将搭配图12至图13，来进行进一步的解说。
图12是图6与图11的发光二极管芯片的入射角对反射率的曲线图。与发光二极管芯片30类似，在图11的实施例中，当部分的光从发光层205朝P型电极201传递时，未被电流阻挡层303’反射的入射光亦能被透明导电层202与P型电极201所反射。此外，如图12所示，所述朝P型电极201传递的光的入射角的范围在6至30度之间时，发光二极管芯片30’的反射率与发光二极管芯片30的反射率相较，要来得更高且更均一。
图13是图6与图11的发光二极管芯片的入射角对穿透率的曲线图。与发光二极管芯片30类似，在图11的实施例中，当部分的光从发光层205朝P型电极201的邻近区域传递，而未被电流阻挡层303’反射时，其将会被折射，且穿透电流阻挡层303’与透明导电层202。此外，如图13所示，所述朝P型电极201的邻近区域传递的光的入射角的范围在0至22度之间时，发光二极管芯片30’的穿透率与发光二极管芯片30的穿透率相较，要来得更高。
综上所述，本发明的实施例的发光二极管芯片可藉由控制个别的高折射率层与低折射率层的厚度及配置，当发光层所发出的光束以较小入射角入射电极时，其反射率与穿透率将能被提升，进而提升发光二极管的提取效率以及发光效率。此外，发光二极管芯片亦可藉由电流阻挡层和透明导电层的配置，来避免电流直接通过发光层，而可提升发光二极管的发光效率以及可靠性。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种发光二极管芯片，其特征在于包括：
第一型半导体层；
发光层，位于该第一型半导体层上；
第二型半导体层，位于该发光层上；
电流阻挡层，位于该第二型半导体层上；
透明导电层，位于该第二型半导体层上，且覆盖该电流阻挡层；以及
电极，位于与该电流阻挡层相对应的该透明导电层上；
其中，该电流阻挡层与该电极分别在截面上具有第一宽度与第二宽度，且该电流阻挡层的该第一宽度大于该电极的该第二宽度。
2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，该第一宽度与该第二宽度的比值落在1.4至2.6之间。
3.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，该电流阻挡层包括多个高折射率层以及多个低折射率层，且该些高折射率层与该些低折射率层交互堆栈。
4.如权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，该些高折射率层包括第一高折射率层与第二高折射率层，且该些低折射率层包括：
低折射率底层，位于该第二型半导体层与该第一高折射率层之间；
第一低折射率层，位于该第一高折射率层与该第二高折射率层之间；以及
第二低折射率层，位于该第二高折射率层与该透明导电层之间。
5.如权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，该低折射率底层的厚度大于其他该些低折射率层与该些高折射率层的厚度。
6.如权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，该些高折射率层的厚度为0.25λ/nh，该第一低折射率层与该第二低折射率层的厚度为0.25λ/nl，该低折射率底层的厚度为1.75λ/nl，其中，λ为该发光层所发出光的波长，nh为该些高折射率层的折射率，且nl为该些低折射率层的折射率。
7.如权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，该些高折射率层还包括高折射率顶层，位于该第二低折射率层与该透明导电层之间。
8.如权利要求7所述的发光二极管芯片，其特征在于，该些高折射率层的厚度为0.15λ/nh，该第一低折射率层与该第二低折射率层的厚度为0.45λ/nl，该低折射率底层的厚度为0.6λ/nl，其中，λ为该发光层所发出光的波长，nh为该些高折射率层的折射率，且nl为该些低折射率层的折射率。
9.如权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，该些高折射率层的材料包括二氧化钛。
10.如权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，该些低折射率层的材料包括二氧化硅。
11.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，该透明导电层的材料包括选自由氧化铟锡、氧化锌、氧化铟镓、掺铝氧化锌、氧化镍、二氧化钌与石墨烯组成的群组的至少其中之一。
12.如权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，该电流阻挡层中的相邻折射率层的光程差不等于该发光层所发出光的波长的整数倍。
13.如权利要求1至12中任一项所述的发光二极管芯片，其特征在于，从该发光层朝该电极传递的光的入射角的范围在6至30度之间时，反射率在80%以上。
14.如权利要求1至12中任一项所述的发光二极管芯片，其特征在于，从该发光层朝该电极的邻近区域传递的光的入射角的范围在0至22度之间时，穿透率在40%以上。
15.如权利要求13所述的发光二极管芯片，其特征在于，从该发光层朝该电极的邻近区域传递的光的入射角的范围在0至22度之间时，穿透率在40%以上。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20161026 Address after: Taiwan, China Hsinchu Science Park Road No. five, No. 5 Applicant after: Jingyuan Optoelectronics Co., Ltd. Address before: China Longtan Taiwan Taoyuan County Rural Science and Technology Park Longtan Dragon Garden Road No. 99 Applicant before: Formosa Epitaxy Incorporation |
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| GR01 | Patent grant | ||
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