CN106159054A - 发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种发光二极管，包含：堆栈半导体层结构，包含第一型半导体层、主动层与第二型半导体层，主动层设置于第一型半导体层与第二型半导体层之间；以及第一电极及第二电极，设置于堆栈半导体层结构的同一侧，且第一电极设置于第一型半导体层上，第二电极设置于第二型半导体层上；其中，第一电极包含单一反射金属层与焊垫层，焊垫层设置于单一反射金属层上，单一反射金属层的厚度大于主动层，且单一反射金属层的下端低于主动层的下端，而单一反射金属层的上端高于主动层的上端，使得从主动层所发出的至少部分光线被单一反射金属层反射。本发明的发光二极管，制程简单，降低了成本，且增强了整体出光效率和亮度，还可维持电极的电性表现。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，属于照明技术领域。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体材料制成的固态发光组件，其普遍是使用磷化镓、砷化镓或氮化镓等III-V族化学元素的组合，通过将此化合物半导体施加电压，使电洞和电子在电极电压作用下在主动层大量相遇而产生复合，此时电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放，让电能转换为光，达成发光的效果。
在传统发光二极管的结构中，其电极可能会吸收主动层所发出的光线，如此会降低原本发光二极管应该有的发光效能，且光线被电极吸收后会转成热能，导致电极温度会逐渐升高，甚至发生过热的情况，有进行改良的动机存在。
为了减少电极吸收由主动层所发射出的光线，传统解决方法之一是在发光二极管的电极底层制作反射层，如此可避免由主动层所发射出的光线于接触电极时被吸收。此外，考虑到主动层侧边亦会发出光线，还可将反射层进一步制作成特别的外型结构使反射层剖面呈梯型或L型，使得光线得以经由反射层进行多重反射，以提高发光二极管的出光效率。
然而，习知技术需要于发光二极管电极处额外制作反射层，以阻挡主动层所发出光线与电极接触，并且在发光二极管的正负电极需根据受光情形不同制作不同结构的反射层，增加制程上的困难，因此仍有作进一步改良的必要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种出光效率高的发光二极管，其可有效解决在不增加制程难度的同时还可防止电极温度过高的问题。
为实现上述发明目的，本发明一实施方式提供了一种发光二极管，包含：
堆栈半导体层结构，包含第一型半导体层、主动层与第二型半导体层，所述主动层设置于所述第一型半导体层与所述第二型半导体层之间；以及
第一电极及第二电极，设置于所述堆栈半导体层结构的同一侧，且所述第一电极设置于所述第一型半导体层上，所述第二电极设置于所述第二型半导体层上；
其中，所述第一电极包含单一反射金属层与焊垫层，所述焊垫层设置于所述单一反射金属层上，所述单一反射金属层的厚度大于所述主动层，且所述单一反射金属层的下端低于所述主动层的下端，而所述单一反射金属层的上端高于所述主动层的上端，使得从所述主动层所发出的至少部分光线被所述单一反射金属层反射。
作为本发明的进一步改进，所述发光二极管还包含透明导电层，所述透明导电层设置于所述第二型半导体层与所述第二电极之间。
作为本发明的进一步改进，所述单一反射金属层的上端不低于所述透明导电层的上端。
作为本发明的进一步改进，所述第一电极与所述主动层间具有介于7~8微米的间隙。
作为本发明的进一步改进，所述第一电极的材料为铬、铝、铂、金、钛、钽、钌、铑、银、镍、铅以及铜的任一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述单一反射金属层的材料为铝、铂、钛、钽、钌、铑、银、镍以及铅的任一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述单一反射金属层的厚度不小于1微米。
作为本发明的进一步改进，所述焊垫层的材料包含金。
作为本发明的进一步改进，所述焊垫层的厚度不小于0.8微米。
作为本发明的进一步改进，所述焊垫层的厚度不小于0.8微米。
与现有技术相比，本发明的发光二极管，无需对电极的形状做额外的变化或是另外制作反射层，而是使其所具有的电极包含了在厚度上较一般电极当中的铝膜更厚的单一反射金属层，使主动层所发出的部分光线得以被此单一反射金属层的侧面反射，增加了光反射路径，使整体出光效率有所提升；同时，设置于单一反射金属层上的焊垫层也可以维持电极的电性表现，使其在兼顾到可行性并降低制作成本的同时，提升了发光二极管的亮度。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的剖面结构示意图；
图2为本发明另一较佳实施例的立体结构示意图；
图3为本发明另一较佳实施例的剖面结构示意图；
图4为本发明一较佳实施例的光反射路径示意图；
图5A为本发明在制作不同厚度的单一反射金属层时，其电性与一般发光二极管的比较实验结果；
图5B为本发明在制作不同厚度的单一反射金属层时，其亮度与一般发光二极管的比较实验结果；
图6A~6D为本发明在制作不同厚度的单一反射金属层及不同厚度的焊垫层的组合时，其电性与一般发光二极管的比较实验结果。
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、或功能上的组合或变换均包含在本发明的保护范围内。参考图1，本发明所揭示的发光二极管具有堆栈半导体层结构，所述堆栈半导体层结构设置于基板10上，所述堆栈半导体层结构由下至上包含第一型半导体层20、主动层30与第二型半导体层40；其中，主动层30设置于第一型半导体层20与第二型半导体层40之间。第二型半导体层40以及主动层30并没有完全覆盖第一型半导体层20，而是暴露出部分的第一型半导体层20用于设置电极。第一型半导体层20以及第二型半导体层40可分别为N型或P型的氮化镓系半导体，主动层30则可为多重量子井层，其通过电极提供适当的偏压电压，使主动层30发出光线。本发明并不限制这些半导体材料的类型。
本发明中发光二极管的堆栈半导体层结构的同一侧设置有第一电极21以及第二电极41，其中第一电极21设置于第一型半导体层20上，第二电极41则设置于第二型半导体层40上。在第一电极21结构中包含了单一反射金属层212与焊垫层213，焊垫层213设置于单一反射金属层212上。单一反射金属层212的材料包含铝或铝合金，其厚度不小于1微米。单一反射金属层212并不是习知发光二极管所使用的厚度极小而可忽略其结构特征的铝薄膜，而是在厚度上有额外提升，特别是其厚度大于主动层30的厚度，使其结构对于发光二极管的出光效果产生具有实际意义的提升功效，具体描述请参看图5A~5B、图6A~6D的比较实验结果。
如图1所示的一较佳实施例，单一反射金属层212的下端2121低于主动层30的下端301，而单一反射金属层212的上端2122则高于主动层30的上端302，使得从主动层30侧面所发出的至少部分光线会被单一反射金属层212反射，其光路径可参考图4所示。换句话说，本发明是针对第一电极21的结构进行改良而赋予其具有导电以外的功效，第一电极21结构当中的单一反射金属层212基于其较大的厚度而使其侧边得以作为反射面2120，并且因其在空间上的位置在主动层30的一侧方向上，两者相距间隙D，因此得以将主动层30发出的部分光线反射，使整体发光二极管通过光反射的路径增加而有较好的出光效率。所述间隙D的值介于7~8微米。
第一电极21的材料可包含铬、铝、铂、金、钛、钽、钌、铑、银、镍、铅或铜等元素的任一种或多种的组合（合金）。上述材料中的铝具有高反射性与较佳的结构稳定性，因此优选地，所述第一电极使用铝或铝合金作为单一反射金属层，并增加其厚度（即形成一厚铝层）而于其侧面形成反射面，这样则无需额外在第一电极21的侧面或底面制作反射层。单一反射金属层212的材料也可以是铂、钛、钽、钌、铑、银、镍或铅等高反射性金属的任一种或多种的组合（合金）取代，从而制作成厚铂层、厚钛层、厚钽层、厚钌层、厚银层、厚镍层以及厚铅层等，并不限制仅得以铝质制作。只是单考虑成本，使用铝或铝合金作为单一反射金属层为较佳的实施方式。
另外，参考图5A~5B、图6A~6D，在不改变第一电极21中的其他材料配比情形下，使用单一反射金属层虽可提升发光二极管的亮度，但也会对发光二极管的电性产生影响。所以如果在近似于习知或标准发光二极管的电性条件下，当使用由铝或其合金所构成且厚度不小于1微米的单一反射金属层212时，本发明的一较佳实施例的发光二极管的第一电极21包含由金所构成的焊垫层213，且焊垫层213的厚度不小于0.8微米。在一较佳实施例中，当单一反射金属层212的厚度为1.5微米，焊垫层213的厚度在1微米时，本发明的发光二极管除在发光效率上有所提升外，电性要求上也能达到与标准发光二极管相同或近似。除此之外，为节省本发明的发光二极管的制程，第一电极21以及第二电极41优选地在同一制程中制作，也就是上述实施例中的发光二极管的第一电极21以及第二电极41可具有相同材料与结构，并具有上述的效果。同时为了使单一反射金属层212的侧面表面被有效地用于反射，焊垫层213不得披覆于单一反射金属层212的侧面表面。在较佳的实施例中，焊垫层213的面积与单一反射金属层212相同。
参考图2以及图3，本发明的发光二极管的第二电极41与第二型半导体层40之间还设置有透明导电层50。在另一较佳实施例中，第一电极21中的单一反射金属层212的上端2122不低于所述透明导电层50的上端，且在发光二极管的基板10下方设置有反射层60，以将主动层30向下方发出的光线向上反射，而进一步提升本发明发光二极管的亮度。除此之外，第一电极21的侧面或侧边反射面2120与主动层30、第二型半导体层40及透明导电层50所构成的侧面平行且相距间隙D；同时，第二电极41的侧面与第一电极21相对应，并平行于第一电极21的侧面或侧边反射面2120；这样，不仅使本发明的发光二极管发出更均匀的光，同时电流在本发明的发光二极管内分布更为均匀，从而提升本发明的发光二极管的发光效率。
图4为本发明一较佳实施例的光反射路径示意图，其中主动层30所发出的光线受第一电极21的单一反射金属层212侧边的反射面2120反射，且单一反射金属层212的底面也可提供反射功能，可知本发明所揭示的电极结构不必额外制作反射层。
参考图5A~5B，图5A~5B中揭示了本发明的发光二极管与标准发光二极管在焊垫层固定为1.8微米的金的条件下，分别使用0.5、1.0、1.5、2.0微米的铝质单一反射金属层的本发明发光二极管与标准发光二极管在电性与亮度的4组比较实验结果。如图所示，除第1组实验结果差异不明显之外，在第2组(铝厚1微米)、第3组(铝厚1.5微米)与第4组(铝厚2微米)的情形下，此三组的发光二极管在电性上较标准发光二极管的顺向偏压(VF)明显低10毫伏(mV)以上，在亮度(LOP)上则较标准发光二极管提升约0.01至0.04毫烛光(mcd)。通过此比较实验结果可确认本发明利用单一反射金属层的侧边作为反射面时，确实可提升发光二极管的亮度，幅度约为1~2%。
参考图6A~6D，图6A~6D则是测试各种金质焊垫层以及铝质单一反射金属层的厚度配比在不同采样比例下的发光二极管的电性，并且与标准发光二极管的电性进行比较，其中图示的采样比例以均匀化(Normalize)方式呈现。如图所示，本发明的发光二极管的第一电极在使用1.5微米厚的铝质反射金属层及1微米厚的金质焊垫层时，与标准发光二极管在电性上表现的非常相近；更确切的说，在此厚度比例下，本发明的发光二极管与一般的发光二极管有相同的电性表现，却能提供额外的出光效率提升的有益效果。
综上所述，与现有技术相比，本发明的发光二极管，无需对电极的形状做额外的变化或是另外制作反射层，而使其所具有的电极结构包含了在厚度上较一般电极当中的铝膜为厚的单一反射金属层，使主动层所发出的部分光线得以被此单一反射金属层的侧面反射，增加了光反射路径，使整体出光效率有所提升；同时，设置于单一反射金属层上的焊垫层也可以维持电极的电性表现，使其在兼顾到可行性并降低制作成本的同时，提升了发光二极管的亮度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。以上所述仅为本发明的较佳实施例，上述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、组合或变更均应包含在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，包含：
堆栈半导体层结构，包含第一型半导体层、主动层与第二型半导体层，所述主动层设置于所述第一型半导体层与所述第二型半导体层之间；以及
第一电极及第二电极，设置于所述堆栈半导体层结构的同一侧，且所述第一电极设置于所述第一型半导体层上，所述第二电极设置于所述第二型半导体层上；
其中，所述第一电极包含单一反射金属层与焊垫层，所述焊垫层设置于所述单一反射金属层上，所述单一反射金属层的厚度大于所述主动层，且所述单一反射金属层的下端低于所述主动层的下端，而所述单一反射金属层的上端高于所述主动层的上端，使得从所述主动层所发出的至少部分光线被所述单一反射金属层反射。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包含透明导电层，所述透明导电层设置于所述第二型半导体层与所述第二电极之间。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述单一反射金属层的上端不低于所述透明导电层的上端。
4.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极与所述主动层间具有介于7~8微米的间隙。
5.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极的材料为铬、铝、铂、金、钛、钽、钌、铑、银、镍、铅以及铜的任一种或多种的组合。
6.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述单一反射金属层的材料为铝、铂、钛、钽、钌、铑、银、镍以及铅的任一种或多种的组合。
7.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述单一反射金属层的厚度不小于1微米。
8.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述焊垫层的材料包含金。
9.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述焊垫层的厚度不小于0.8微米。
10.如权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述焊垫层的厚度不小于0.8微米。
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