CN107026222B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光元件及其制造方法。该发光元件包含：一透明基板；以及一发光叠层形成于透明基板的一表面上，其中透明基板具有一基板表面积及一基板厚度，基板厚度符合下列公式，其中A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分，Tsub代表基板厚度以μm为单位表示时的数值部分：Tsub≥0.0754×A+83.824。

Description

发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光元件，特别是涉及一种包含一透明基板的发光元件，本发明另包含此发光元件的制造方法。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，简称LED)为一种固态半导体元件，一般包含一p型半导体层、一n型半导体层及一活性区位于p型半导体层及n型半导体层之间。发光二极管分别通过p型半导体层及n型半导体层将空穴及电子注入活性区后，以辐射复合(Radiative Recombination)并发光，由此将电能转换为光能。
发明内容
本发明提供一种发光元件包含：一透明基板；以及一发光叠层形成于透明基板的一表面上，其中透明基板具有一基板表面积及一基板厚度，基板厚度符合下列公式，其中A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分，Tsub代表基板厚度以μm为单位表示时的数值部分：
Tsub≥0.0754×A+83.824。
本发明提供一种发光元件的制造方法，包含以下步骤：决定一基板表面积，并根据该基板表面积决定一饱和厚度；提供具有一起始厚度大于该饱和厚度的一透明基板；形成一外延叠层于该透明基板上；将该外延叠层分割成多个发光叠层在该透明基板上；决定不小于饱和厚度的一基板厚度；处理该透明基板以使该透明基板具有该基板厚度，该基板厚度Tsub符合下列公式，其中A代表该基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分，Tsub代表该基板厚度以μm为单位表示时的数值部分：Tsub≥0.0754×A+83.824；及激光切割该透明基板以形成多个发光管芯，且任一发光管芯具有该基板表面积。
附图说明
图1为本发明一实施例的发光元件的示意图；
图2为本发明一实施例的发光元件的光取出效率与基板厚度的关系图；
图3为图2的光取出效率与基板厚度曲线的部分放大图；
图4为不同基板表面积下，发光元件的光取出效率与基板厚度的关系图；
图5为本发明第一实施例的发光元件的饱和厚度与基板表面积的关系图；
图6为本发明第一实施例、第二实施例及第三实施例的发光元件的饱和厚度与基板表面积的关系图；
图7为包含本发明一实施例的发光元件的发光装置的示意图。
符号说明
100发光元件
101透明基板 102发光叠层
103第一电极 104第二电极
105第一半导体层 106第二半导体层
107活性区 108缓冲层
109透明导电氧化层 110保护层
111下陷区 6电路板
78发光模块 80灯泡
81保护壳 82光学镜
85散热器 87框体
88电连接器
具体实施方式
以下实施例将伴随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号。
图1为本发明一实施例的发光元件(LED)，发光元件100包含一透明基板101、一发光叠层102、一第一电极103及一第二电极104。发光叠层102形成于透明基板101上，且第一电极103与第二电极104形成于发光叠层102的表面上。
透明基板101用以支持或成长发光元件100的发光叠层102，避免发光叠层102在制造或使用发光元件100的过程中损坏。透明基板101的材质并不限于单晶基板，也可以为多晶基板或非晶基板。举例来说，透明基板101的材料可以选自于蓝宝石(sapphire)、玻璃(glass)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(AsGaP)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)或碳化硅(SiC)等。在一较佳实施例中，透明基板101为单晶蓝宝石，通过外延成长方法生长发光叠层102。此外，为了降低透明基板101与发光叠层102之间的全反射(total internal reflection，简称TIR)并增加光取出效率，透明基板101具有一图案化表面，发光叠层102形成于图案化表面上。透明基板101对发光叠层102发射的一发射光呈现透明，详言之，透明基板101对发射光的穿透率高于90％。透明基板101具有一基板厚度，基板厚度的尺寸不仅影响制造发光元件100时的切割速率及良率，也与光取出效率有关。为了增加发光元件100的光取出效率，基板厚度具有一条件详载如后。
如图1所示，发光叠层包含具有一第一导电型的一第一半导体层105位于透明基板101上、具有一第二导电型的一第二半导体层106位于第一半导体层105上以及一活性区107形成于第一半导体层105及第二半导体层106之间。发光叠层102具有一下陷区111以暴露一部分的第一半导体层105。发光叠层102另包含一缓冲层108覆盖于透明基板101的图案化表面上，且位于透明基板101与第一半导体层105之间。第二半导体层106覆盖于活性区107上，活性区107包含选自于以下的结构：同质结构(homostructure)、单异质结构(singleheterostructure，简称SH)、双异质结构(double heterostructure，简称DH)以及多重量子阱(MQW)等。第一导电型与第二导电型不同，例如：第一半导体层105及第二半导体层106分别包含n型氮化镓及p型氮化镓。发光叠层102通过现有的外延方法形成，例如金属有机化学气相层积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)或氢化物气相外延法(HVPE)等。
在一较佳实施例中，当缓冲层108作为一晶格缓冲层时，通过外延制作工艺直接成长于透明基板101上，因此缓冲层108的材料包含氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)或氮化铝镓(AlGaN)，缓冲层108为通过外延制作工艺形成的单晶结构或多晶结构。或者，当发光叠层102通过基板转移技术结合至透明基板101时，缓冲层108可以由一粘着层取代，以接合发光叠层102至透明基板101，其中，粘着层可以通过介电接合制作工艺形成，且粘着层的材料包含透明高分子或透明氧化物。在一较佳的实施例中，缓冲层108或粘着层的厚度为1μm至3μm，第一半导体层105的厚度为2μm至6μm，活性区107的厚度为0.15μm至0.45μm，且第二半导体层106的厚度为0.1μm至0.3μm。
第一电极103及第二电极104各为一接合垫以供倒装式接合或打线接合至一外部电源并引进电流至发光叠层102，以点亮发光元件100。第一电极103位于下陷区111上且与第一半导体层105电连接。第二电极104形成于一透明导电氧化层109上且电连接于第二半导体层106，透明导电氧化层109位于第二电极104与第二半导体层106之间，且与第二半导体层106形成欧姆接触，以将电流均匀地分散并引入发光叠层102中。在一实施例中，透明导电氧化层109的材料包含透明导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)。此外，发光元件100包含一保护层110包覆发光叠层102的顶部及侧壁，由此保护发光元件100避免受到机械性处理而损伤，或者避免遭受环境侵蚀。在一较佳实施例中，透明导电氧化层109的厚度为介于
Figure GDA0002361135090000041
到
Figure GDA0002361135090000042
之间，且保护层110的厚度为介于
Figure GDA0002361135090000043
至
Figure GDA0002361135090000044
之间。第一电极103及第二电极104的表面未覆盖保护层110，以自外部电源传导电流至发光叠层102。为了反射朝向透明基板101的发射光并且增加光取出效率，发光元件100还包含位于透明基板101下方的一背面反射层112，背面反射层112能够将超过95％的光反射回发光叠层102。在一实施例中，背面反射层112的材料包含一金属镜及/或一布拉格反射镜(Distributed BraggReflector，简称DBR)，布拉格反射镜位于透明基板101及金属镜之间。布拉格反射镜包含交互堆叠的低折射率层及高折射率层，其中低折射率层包含二氧化硅，高折射率层包含氧化铝，金属镜包含金、铝、银。
当第一实施例的基板厚度较一参考厚度增加30μm时，发光元件100的光取出效率增加幅度不超过0.1％(意即小于或等于0.1％)。光取出效率可以为经重复量测(例如超过或等于20次)与计算后获得的平均值，以降低量测误差。其中参考厚度指一参考发光元件除其基板厚度较发光元件100的基板厚度少30μm外，其余结构(例如：基板表面积、发光叠层102、第一电极103及第二电极104的设置位置等)均与发光元件100相同，且参考厚度的数值为大于零的正数。换言之，当基板厚度减少30μm时，本实施例的发光元件100的光取出效率减少小于0.1％。
此外，透明基板101具有一基板表面积。图2为基板表面积为1035mil2的发光元件100的光取出效率与基板厚度的关系。如图2所示，当基板厚度由50μm增加至240μm时，光取出效率有显著的增加，接着光取出效率在基板厚度大于240μm以后增加渐缓，而大致上在基板厚度高于240μm后不变，此时240μm的数值可被视为具有基板表面积为1035mil2时的发光元件100的饱和厚度，当基板厚度等于饱和厚度时，发光元件100达到一饱和光取出效率。换言之，饱和厚度为发光元件100达到饱和光取出效率所需的基板厚度的最小值，因此，基板厚度较佳大于或等于饱和厚度，以达到较佳的光取出效率。
图3为图2中光取出效率与基板厚度的关系的部分放大图。当基板厚度由240μm减少至210μm时，光取出效率下降0.08％，然而，当基板厚度由230μm减少至200μm时，光取出效率降低0.11％(大于0.1％)，且当基板厚度由220μm减少至190μm时，光取出效率降低0.11％；因此，在本实施例中，基板表面积为1035mil2的发光元件100的饱和厚度即为240μm。图4为不同基板表面积的发光元件100的光取出效率与基板厚度的关系图，在图4中不同的曲线代表具有不同基板表面积的发光元件100，曲线A代表基板表面积为396mil2、曲线B代表基板表面积为1035mil2、曲线C代表基板表面积为1380mil2，而曲线D代表基板表面积为2025mil2，曲线A的发光元件100的饱和厚度约140μm，此饱和厚度为基板表面积为396mil2的发光元件100达到饱和光取出效率的基板厚度最小值。同样地，基板表面积为1035mil2的发光元件100的饱和厚度为240μm，基板表面积为1380mil2的发光元件100的饱和厚度为280μm，基板表面积为2025mil2的发光元件100的饱和厚度为310μm。任一不同的基板表面积具有各自相对应的饱和厚度，且饱和厚度大致上随着基板表面积增加而提高。需要注意的是，虽然理论上可以通过化学机械平坦化制作工艺(Chemical-Mechanical Planarization，简称CMP)或其他现有的研磨方法减少基板厚度，然而本发明的基板厚度较佳是通过电脑模拟或实验等方法建立关系曲线而预先决定。详言之，实验方法包含准备数个仅有基板厚度不同但其余结构如基板表面积、发光叠层102、第一电极103及第二电极104的设置位置等均相同的发光元件100，一一量测或计算个别发光元件100的光取出效率，并归纳获得基板厚度与光取出效率的关系曲线，如图2及图4所示，而后根据此关系曲线，在处理基板之前预先决定具有高光取出效率的发光元件的基板厚度。
图5为由图4计算而得的饱和厚度与基板表面积的关系图。饱和厚度与基板表面积呈正相关，详言之，饱和厚度与基板表面积大致为线性正相关，如下方公式(1)所示。在公式(1)中，A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分、B代表饱和厚度以μm为单位表示时的数值部分。在此需要特别说明的是，下列公式(1)以及说明书内所提及的各公式仅为表示纯数值的关系式，变数于公式二侧的单位可以不同。
B＝0.1048×A+115.82…公式(1)
在第一实施例中，虽然饱和厚度与基板表面积大致呈线性正相关，然而在相同基板表面积下，饱和厚度与透明基板101的长宽比的关联性却很小或大致不相关。由于当基板厚度等于或大于饱和厚度B时能够获得较高的光取出效率，基板厚度(Tsub)较佳地符合下列公式(2)，其中Tsub为基板厚度以μm为单位表示时的数值部分，A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分：
Tsub≥0.1048×A+115.82…公式(2)
由于饱和厚度可以轻易地通过公式(1)决定，因此发光元件100在特定的基板表面积下，可以通过具有等于或大于饱和厚度的基板厚度而达到较高的光取出效率。以具有2025mil2的基板表面积的发光元件100为例，其饱和厚度根据公式(1)计算而得为328.04μm，因此，当基板表面积为2025mil2时，将基板厚度决定于高于328.04μm的数值能够使发光元件100得到较佳的光取出效率。此外，基板表面积较佳为等于或大于1mm2或2025mil2以使单一发光元件具有高流明值，并应用于移动装置、显示或高功率应用，根据公式(2)所示，当基板表面积大于2025mil2时，基板厚度若高于328.04μm将可获得较高的光取出效率。在本实施例中，透明基板101较佳具有约大于115μm的基板厚度以提供支撑功能，意即上述的参考厚度较佳大于85μm。在一实施例中，为了应用于高功率需求的应用中，发光元件100的基板表面积较佳大于400mil2(即上式(1)、(2)中的A≥400mil2)，此时基板厚度大于157.7μm；又例如当基板表面积为784mil2(即上式(1)、(2)中的A≥784mil2)，基板厚度较佳大于198μm，以使发光元件100达到高光取出效率。
在第二实施例中，基板厚度符合以下情况：当基板厚度较一参考厚度增加30μm时，发光元件100的光取出效率增加幅度不超过0.2％(意即小于或等于0.2％)，其中参考厚度指一参考发光元件除其基板厚度较发光元件100的基板厚度少30μm外，其余结构均与发光元件100相同，且参考厚度的数值为大于零的正数。换言之，当本实施例的发光元件100的基板厚度减少30μm时，光取出效率减少小于0.2％。且不同基板表面积的发光元件100具有独特的相应的饱和厚度，饱和厚度为如前述发光元件100达到饱和光取出效率所需的基板厚度的最小值，当发光元件100具有大于或等于饱和厚度的基板厚度时，能较小于饱和厚度的基板厚度的发光元件100具有较高的光取出效率。依据本实施例的基板厚度的定义，并以图4所示的不同基板表面积的发光元件100的光取出效率与基板厚度的关系图，决定当基板表面积为396mil2、1035mil2、1380mil2及2025mil2时，各发光元件100的饱和厚度分别为110μm、200μm、230μm及270μm。图6的趋势线L2显示本实施例的饱和厚度与基板表面积的关系大致呈正相关；详言之，饱和厚度与基板表面积大致为线性正相关。下方公式(3)代表第二实施例的饱和厚度与基板表面积的关系，其中，A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分、B代表饱和厚度以μm为单位表示时的数值部分。在此需要特别说明的是，下列公式(3)仅为表示纯数值的关系式，变数于公式二侧的单位可以不同。
B＝0.0977×A+84.403…公式(3)
由于当基板厚度等于或大于饱和厚度时能够获得较高的光取出效率，第二实施例的基板厚度(Tsub)较佳符合下列公式(4)，其中Tsub为基板厚度以μm为单位表示时的数值部分，A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分。在本实施例中，透明基板101具有约大于84μm的基板厚度以提供支撑功能，此时上述的参考厚度较佳大于54μm。
Tsub≥0.0977×A+84.403…公式(4)
第三实施例中，基板厚度符合以下情况：当基板厚度较一参考厚度增加30μm时，发光元件100的光取出效率增加幅度不超过0.3％(意即小于或等于0.3％)，其中参考厚度指一参考发光元件除其基板厚度较发光元件100的基板厚度少30μm外，其余结构均与发光元件100相同，且参考厚度的数值为大于零的正数。换言之，当基板厚度减少30μm时，本实施例的发光元件100的光取出效率减少小于0.3％。饱和厚度为发光元件100达到饱和光取出效率所需的基板厚度的最小值，当发光元件100具有大于或等于饱和厚度的基板厚度时，能较小于饱和厚度的基板厚度的发光元件100具有较高的光取出效率。依据本实施例的基板厚度的定义，并以图4所示的不同基板表面积的发光元件100的光取出效率与基板厚度的关系图，决定当基板表面积为396mil2、1035mil2、1380mil2及2025mil2时，各发光元件100的饱和厚度分别为100μm、170μm、210μm及220μm。图6的趋势线L3显示本实施例的饱和厚度与基板表面积大致呈正相关。下方公式(5)代表第三实施例的饱和厚度与基板表面积的关系，其中，A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分、B代表饱和厚度以μm为单位表示时的数值部分。在此需要特别说明的是，下列公式(5)仅为表示纯数值的关系式，变数于公式二侧的单位可以不同。
B＝0.0754×A+83.824…公式(5)
由于当基板厚度等于或大于饱和厚度时能够获得较高的光取出效率，第三实施例的基板厚度(Tsub)较佳地符合下列公式(6)，其中Tsub为基板厚度以μm为单位表示时的数值部分，A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分。在本实施例中，透明基板101具有约大于83μm的基板厚度以提供支撑功能，此时上述的参考厚度较佳大于53μm。
Tsub≥0.0754×A+83.824…公式(6)
在实务应用上，发光元件100拥有多样的基板尺寸，为了能够生产出具最佳光取出效率的不同尺寸的发光元件100，在制造发光元件100之前，根据特定的基板表面积预先决定发光元件100的饱和厚度。本发明还包含一种制造上述的发光元件100的方法，包含下列步骤：
(1)决定一基板表面积，并根据基板表面积决定一饱和厚度；
(2)提供具有一起始厚度大于饱和厚度的一透明基板；
(3)成长一外延叠层于透明基板101上，依序成长一缓冲层108、一第一半导体层105、一活性区107及一第二半导体层106于透明基板101上；
(4)去除一部分的发光叠层102以形成一下陷区111并暴露出一部分的第一半导体层105；
(5)通过溅镀法或电子束蒸镀法(e-beam evaporation method)沉积一透明导电氧化层109于第二半导体层106的表面上；
(6)形成一第一电极103位于暴露的第一半导体层105上且电连接于第一半导体层105，以及形成一第二电极104位于透明导电氧化层109上且电连接于第二半导体层106；
(7)在透明导电氧化层109及发光叠层102上形成一保护层110；
(8)将外延叠层切割成多个发光叠层102在透明基板101上；
(9)决定不小于饱和厚度的一基板厚度Tsub；
(10)处理透明基板101以使透明基板101具有基板厚度Tsub；
(11)通过激光(例如：皮秒激光)切割透明基板101以形成多个发光管芯，例如发光元件100各自具有一基板表面积，其中基板厚度Tsub符合当基板厚度较一参考厚度增加30μm时，发光元件100的光取出效率增加幅度不超过0.3％，亦即当基板厚度减少30μm时，发光元件100的光取出效率减少小于0.3％；或者基板厚度Tsub较佳符合下列公式：
Tsub≥0.0754×A+83.824。
其中参考厚度指一参考发光元件除其基板厚度较发光元件100的基板厚度少30μm外，其余结构均与发光元件100相同。当通过皮秒激光切割透明基板101以形成多个发光管芯时，皮秒激光的脉冲宽度(pulse width)相对较短，以有效地降低透明基板101与激光光束之间的热反应，详言之，皮秒激光的脉冲宽度小于15皮秒以增加切割透明基板101的效率。皮秒激光包含紫外光(UV)激光、绿光激光、近红外光激光或二氧化碳激光等。此外，步骤(2)中的透明基板101的起始厚度选自由不同基板供应商提供的具多种厚度的不同商业化基板。例如：当步骤(1)所决定的基板表面积为2045mil2时，透明基板101的起始厚度可以选择为通过公式(1)计算而得最靠近饱和厚度且大于饱和厚度的商业化厚度，例如大于328.04μm，由此降低步骤(10)中用以处理透明基板101的费用。在另一实施例中，步骤(3)可以选择为通过粘着层取代缓冲层108以接合包含第一半导体层105、活性区107及第二半导体层106的外延叠层，其中粘着层的功能以将外延叠层接合至透明基板101。
图7为包含本发明一实施例的发光元件100的发光装置，一发光模块78包含数个发光元件100在一电路板6上，并且发光模块78被安装至一灯泡80中。根据施加的驱动电压不同，发光元件100之间可以通过电路板6的电路串联或并联。灯泡80还包含一光学镜82覆盖发光模块78、具有用以承载发光模块78的一承载表面的一散热器85、一保护壳81覆盖发光模块78且连接于散热器85、连接于散热器85的一框体87、以及电连接框体87与发光模块78的一电连接器88。
需要注意的是，在透明基板101上形成的各层的总厚度远薄于透明基板101，且相较于透明基板101的厚度变化对光取出效率的影响，透明基板101上的各层总厚度变化对于光取出效率并未有明显影响。因此，对于透明基板101上各层的厚度调整应被本发明所揭露的内容涵盖。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围，任何人对本发明所作显而易见的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims (12)

1.一种发光元件，包含：
透明基板；以及
发光叠层，形成于该透明基板的一表面上，其中该透明基板具有一基板表面积及一基板厚度，该基板厚度符合下列公式，其中A代表基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分，Tsub代表基板厚度以μm为单位表示时的数值部分：
Tsub≥0.0754×A+83.824。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中：
Tsub≥0.1048×A+115.82。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中该基板表面积大于2025mil2且该基板厚度大于328.04μm。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明基板具有一图案化表面，该发光叠层形成于该图案化表面上。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明基板包含单晶氧化铝。
6.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光叠层包含具有单晶或多晶的一缓冲层且通过外延制作工艺直接成长于该透明基板上。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光叠层通过一粘着层接合于该透明基板。
8.一种发光元件的制造方法，包含以下步骤：
决定一基板表面积，并根据该基板表面积决定一饱和厚度；
提供具有一起始厚度大于该饱和厚度的一透明基板；
形成一外延叠层于该透明基板上；
将该外延叠层分割成多个发光叠层在该透明基板上；
决定不小于饱和厚度的一基板厚度；
处理该透明基板以使该透明基板具有该基板厚度，其中，该基板厚度Tsub符合下列公式，其中A代表该基板表面积以mil2为单位表示时的数值部分，Tsub代表该基板厚度以μm为单位表示时的数值部分：
Tsub≥0.0754×A+83.824；及
激光切割该透明基板以形成多个发光管芯，且任一发光管芯具有该基板表面积。
9.如权利要求8所述的发光元件的制造方法，其中，通过皮秒激光切割该透明基板以形成多个发光管芯。
10.如权利要求8所述的发光元件的制造方法，其中，该饱和厚度与该基板表面积呈线性正相关。
11.如权利要求8所述的发光元件的制造方法，其中，该外延叠层通过外延制作工艺直接成长于该透明基板上。
12.如权利要求8所述的发光元件的制造方法，其中，该发光叠层通过一粘着层接合于该透明基板。
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