CN115148876A - 具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构 - Google Patents

具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构 Download PDF

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Abstract

一种具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构，其包含一具有一中央区与一侧边区的导电基板；一发光半导体层设置于该中央区上；一欧姆接触金属层设置于该发光半导体层的中心处；一N型电极则设置于该侧边区，并透过一N型电极跨接结构连接该欧姆接触金属层与该N型电极；据此一工作电流为由该发光半导体层的中心处开始扩散而具有高电流分散性，而能够解决该N型电极置放于边缘设计所产生的局部高电流的散热问题，又供打线的该N型电极设置于该侧边区的设计，可避免该N型电极置中造成的封装体金导线干扰，同时该发光半导体层没有受到应力破坏而脆裂的问题，后续制程也没有打线牵扯而造成该发光半导体层裂痕或分离的风险而可增加信赖度。

Description

具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构
技术领域
本发明有关于发光二极管，尤其有关于具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构。
背景技术
垂直式发光二极管，可发出高效率的轴向光，非常适用于需高工作电流与高光照度的应用。产品可使用于高光度杀菌(紫外光)、车用头灯与尾灯(蓝黄红光)、投影机光源(蓝绿红)、红外线安防侦测(红外线)。优秀的高功率发光二极管(LED)元件除了高发光度与发光密度外，也需要有良好的信赖度。以汽车头灯模块为例，一旦LED失效，会影响夜间安全，以车用LED的高标准规范，即使1ppm的微量失效，在汽车业也是需要改善。
传统的高功率垂直式发光二极管所采用的晶片尺寸约1mm x 1mm，其工作电流为1A或更高电流，其普遍的结构设计具有如下特征：电极垫位于发光半导体层上方以提供打线使用，且电极垫通常采用较粗的金线以利大电流通过；具有指叉状(Finger)的辅助线，且辅助线位于发光半导体层上方，越多辅助线设置于发光半导体层上，电流分散越佳，但也会增加遮光面积；P型电极与封装体的连结材料，需使用AuSn(金锡合金)以求良好导电与散热，且连结材料底部有高平整度与低孔洞率的要求，以降低电流聚集与增加散热性。
当电极垫形成于发光半导体层的中心处，会具最佳的电流分散，不但可以提高发光效率，更具有良好的散热性，避免电流集中的局部发热问题。但电极垫在打线制程中为封装采用的粗金线会遮光与干扰光均匀性。目前技术通常是将电极垫摆至发光半导体层的最侧边，但置于侧边的电极垫会导致发光半导体层于高工作电流时，发光与发热集中在侧边，无法达到置中设计的良好电流分散效果。
目前，垂直式发光二极管的失效类型，大致为以下四项：(1)因电极垫置于侧边使发光半导体层于高工作电流时，致使扩散不佳与边缘高热，造成发光不均与电极烧毁。(2)打线制程于发光半导体层表面上的电极垫进行打线，存在打伤发光半导体层的问题，降低信赖度。(3)当封装胶材被拉扯时，会透过电极垫上的金导线间接拉动发光半导体层，使其形成微裂痕或薄膜剥离，造成封装体失效或不稳定。(4)若P电极与封装体连结不平整或存在过多孔隙时，于高工作电流下形成局部热点，进一步引发材料恶化，造成元件烧毁。
因此，如美国专利第US 8,319,250 B2号专利，其揭露了一种多导电柱技术，以N电极作为底部电极并延伸多根侧壁绝缘的垂直向导电柱穿过P型半导体层、量子井层，并进入N型半导体层，使工作电流均匀分散至N型半导体层内，而P电极则设置侧边，以供封装制程的打线使用。此一设计可通过多导电柱让工作电流得到最佳的分散性，且封装制程的打线也不会冲击到发光半导体层，因而改善了上述垂直式发光二极管之中(1)、(2)、(3)项失效类型。但此结构包含数量多且精密的导电柱，其直径通常为20-30μm，其内圆柱壁镀极薄的绝缘物质，圆柱中心层为沉积高导电金属。此结构精细但脆弱、制程复杂、成本高、制程条件窄、且失效品不易检测，最严重的是当外部应力过大时(如物理性碰触表面、封装体制程的形变应力时..)，导电柱会发生微裂痕，形成微导通道，造成元件立即失效或长期信赖度降低的问题。
发明内容
爰此，本发明的主要目的在于揭露具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构，以满足高轴向性、高亮度与高信赖度的使用需求。
本发明为一种具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构，其包含一P型电极、一导电基板、一发光半导体层、一欧姆接触金属层、一N型电极跨接结构以及一N型电极；其中该导电基板的一侧设置该P型电极，而该导电基板的另一侧具有一中央区与一侧边区，且该侧边区相邻该中央区。该发光半导体层设置于该导电基板的该中央区上，且该发光半导体层包含一P型半导体层、一量子井层(MQW)与一N型半导体层，该P型半导体层设置于该导电基板上，该量子井层(MQW)设置于该P型半导体层上，该N型半导体层设置于该量子井层上。而该欧姆接触金属层设置于该N型半导体层的中心处且欧姆接触该N型半导体层。该N型电极跨接结构具有一跨接绝缘层与一跨接导电层，该跨接绝缘层横跨设置于该N型半导体层与该导电基板的该侧边区上，且该跨接绝缘层紧邻该欧姆接触金属层，而该跨接导电层设置于该跨接绝缘层上，且该跨接导电层一端连接该欧姆接触金属层，该跨接导电层另一端延伸至该导电基板的该侧边区。该N型电极为供打线制程使用，该N型电极设置于该跨接导电层上且位于该侧边区的上方。
据此，本发明相较已知技术的优点在于，采用垂直式发光二极管的结构设计，具有高轴向光特性；且该N型电极设置于该侧边区的上方，并将工作电流导引至该N型半导体层的中心处为起始点进行扩散，具高电流分散性，可避免该N型电极置中造成的封装体金导线干扰以及该N型电极置放于边缘设计所产生的局部高电流问题；另该N型电极下方未设置该发光半导体层，该发光半导体层于打线制程时没有受到应力破坏而脆裂的问题，后续制程也没有打线牵扯而造成该发光半导体层裂痕或分离的风险，而可增加信赖度。
附图说明
图1，为本发明一实施例的结构断面示意图；
图2，为本发明一实施例的结构俯视示意图；
图3，为本发明另一实施例的结构俯视示意图；
图4，为本发明使用中小电流的电路路径示意图；
图5，为本发明使用大电流的电路路径示意图；
图6，为本发明电流密度等高线示意图；
图7，为本发明激发光反射路径示意图；
图8，为本发明另一实施例的激发光反射路径示意图；
图9，为本发明又一实施例的激发光反射路径示意图；
图10，为本发明大尺寸晶片N电极的结构俯视示意图；
图11，为本发明大尺寸晶片P电极的结构仰视示意图。
具体实施方式
本发明详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：
请参阅图1与图2所示，本发明为一种具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构，其包含一P型电极10、一导电基板20、一发光半导体层30、一欧姆接触金属层40、一N型电极跨接结构50以及一N型电极60。其中该导电基板20的一侧设置该P型电极10，而该导电基板20的另一侧具有一中央区21与一侧边区22，且该侧边区22相邻该中央区21。
该发光半导体层30设置于该导电基板20的该中央区21上，且该发光半导体层30包含一P型半导体层31、一量子井层32(Multiple-Quantum Well,MQW)与一N型半导体层33，该P型半导体层31设置于该导电基板20上，该量子井层32(MQW)设置于该P型半导体层31上，该N型半导体层33设置于该量子井层32上。
该欧姆接触金属层40设置于该N型半导体层33的中心处且欧姆接触该N型半导体层33。该N型电极跨接结构50具有一跨接绝缘层51与一跨接导电层52，该跨接绝缘层51横跨设置于该N型半导体层33与该导电基板20的该侧边区22上，且该跨接绝缘层51紧邻该欧姆接触金属层40，而该跨接导电层52设置于该跨接绝缘层51上，且该跨接导电层52一端连接该欧姆接触金属层40，该跨接导电层52另一端延伸至该导电基板20的该侧边区22。而该N型电极60为供打线制程使用，该N型电极60设置于该跨接导电层52上且位于该侧边区22的上方。
在一较佳实施例中，该导电基板20可以包含一缓冲层23、一结合层24与一替代基板25，该跨接绝缘层51与该发光半导体层30设置于该缓冲层23上，该P型电极10设置于该替代基板25，而该结合层24粘结固定该缓冲层23与该替代基板25。
另，本发明还可以包含一辅助P型电极70，该辅助P型电极70设置于该导电基板20的该侧边区22上。该侧边区22为围绕该中央区21，且该辅助P型电极70与该N型电极60位于该中央区21不同侧的该侧边区22上，如图2所示。
在另一实施例中，该侧边区22同样围绕该中央区21，而该辅助P型电极70与该N型电极60位于该中央区21相同侧的该侧边区22上，如图3所示。
请参阅图4所示，当要驱使该发光半导体层30发光时，需要于该发光半导体层30中产生一工作电流I。如图1所示的结构，当该工作电流I为中小电流以驱动该垂直式发光二极管作为低亮度使用时，可以选择该P型电极10与该辅助P型电极70的任一个作为一第一极(图4所示为选择该P型电极10)，并让该N型电极60作为一第二极，并于该第一极与该第二极之间供给一工作电压(图未示)，即可以产生该工作电流I，由该欧姆接触金属层40进入该发光半导体层30。
请再参阅图5所示，当该工作电流I需要驱动该垂直式发光二极管作为高亮度使用时，则可以让该P型电极10与该辅助P型电极70皆作为一第一极，并让该N型电极60作为一第二极，并于该第一极与该第二极之间供给大电压的该工作电压，以产生大电流的该工作电流I，但由于大电流的该工作电流I有两个路径，因此会分散而借以降低该工作电流I的电流密度，避免局部高温而导致元件提早老化甚至烧毁的问题。
请再参阅图2或图3所示，为了让进一步分散电流且令电流均匀的通过该发光半导体层30，本发明还包含至少一辅助导电线路42，该至少一辅助导电线路42设置于该N型半导体层33上且连接该欧姆接触金属层40(如图1所示)，并该至少一辅助导电线路42分别透过一辅助欧姆接触金属层421连接该N型半导体层33。在一实施例中，该至少一辅助导电线路42可以朝四周发散。如图6所示，为绘制有电流密度等高线P1、P2，其中电流密度等高线P1的数值大于电流密度等高线P2的数值，亦即电流密度在该N型半导体层33的中心处为最高，并朝四周逐渐降低。
并请一并参阅图7、图8与图9所示，另为了增加亮度，该导电基板20于相邻该发光半导体层30的区域可以设置一与该P型半导体31欧姆接触的导电金属光反射层80，且该欧姆接触金属层40与该N型半导体层33的接触面可以设置一朝该N型半导体层33外凸的电极反射层81，该电极反射层81的构成为让该欧姆接触金属层40采用高反射性金属且搭配下方的N型半导体层33而做成外凸反射面。其中该电极反射层81的外形为选自单一凸面反射镜(如图7所示)、连续凸面反射镜(如图8所示)与多重微斜反射镜(如图9所示)的任一种。透过该导电金属光反射层80与该电极反射层81的搭配设置，在该发光半导体层30产生一激发光L时，原本被该欧姆接触金属层40遮蔽的该激发光L，可以透过该导电金属光反射层80与该电极反射层81的多次反射而由该发光半导体层30的一光射出面射出，可增加该激发光L的光取出率，进而提升发光亮度。同样的，N型电极跨接结构50亦可以此方法减少遮光，其中，该跨接导电层52与该跨接绝缘层51的接触面可以设置一朝该跨接绝缘层51外凸的跨接反射层82。详细来说，于一实施例，该跨接导电层52为使用高反射率的金属，同时该跨接绝缘层51为使用高透光的绝缘材料(如SiO2,SiN)。进一步，该实施例可透过蚀刻方式，将高透光的该跨接绝缘层51(透明)与该跨接导电层52接触的平面制作成一向下的凸面结构。由此，透过该跨接导电层52作为高反射金属，即让该N型电极跨接结构50形成反射镜，其中，该凸面结构的形状可以为选自单一凸面反射镜、连续凸面反射镜与多重微斜反射镜的任一种，借以利用该导电金属光反射层80与该跨接反射层82的多次反射，增加该激发光L的光取出率。
请再参阅图10所示，当该发光半导体层30为更大尺寸的晶片时(例如3mmx3mm)，可利用模块扩充概念来配置线路，更详细的说，本发明可以还包含多个辅助N型电极90，该多个辅助N型电极90以该欧姆接触金属层40为中心并散布地设置于该N型半导体层33上，且该多个辅助N型电极90分别通过一设置于该N型半导体层33上的N型电极导电线路91连接该欧姆接触金属层40，且为了清楚表示该欧姆接触金属层40与该N型电极导电线路91的连接关系，该欧姆接触金属层40上方的该跨接导电层52为省略未绘制。该多个辅助N型电极90分别透过另一辅助欧姆接触金属层901连接该N型半导体层33。为了让工作电流(未绘制于图10中)更加分散，该多个N型电极导电线路91与该N型半导体层33的接触面可以分别具有一线路绝缘层92，也就是说，工作电流仅能由该欧姆接触金属层40与该多个辅助N型电极90之处进入该N型半导体层33，由工作电流的电流密度等高线P3可知，可以让部分的工作电流导引到该N型半导体层33的四周，即该多个辅助N型电极90之处，因而可以提升发光均匀度。
请参阅图11所示，在大尺寸晶片的应用上同样可以包含该辅助P型电极70(如图1所示)，该辅助P型电极70设置于该导电基板20的该侧边区22上。为了进一步分散电流，该P型电极10与该导电基板20(图11中没有绘制)可以被多个绝缘隔离道11分割，该多个绝缘隔离道11可以利用半导体的蚀刻制程形成间隙而达到绝缘的效果。该多个绝缘隔离道11将该P型电极10分割成多个P型子电极101，且该多个P型子电极101的位置分别对应该多个辅助N型电极90，同时，其中一个该P型子电极101连接该辅助P型电极70并透过多个设置于该多个绝缘隔离道11的P型导电线路12选择性的连接其他该多个P型子电极101，让连接该辅助P型电极70的该多个P型子电极101为间隔排列。也就是说，仅有部分的该多个P型子电极101电性连接至该辅助P型电极70，故当需要更高电流操作与更强制P侧电流分散使用时，可指定电流只通过P型电极10或该辅助P型电极70，搭配该欧姆接触金属层40产生工作电流，可进一步强制分散电流，提升热源分散度，以增加散热效果。
如上所述，本发明的特点至少包含：
1.采用垂直式发光二极管的结构设计，具有高轴向光特性。
2.利用N型电极跨接结构的设置，可让该N型电极设置于该侧边区的上方，并引导工作电流导以该N型半导体层的中心处为起始点进行分散，具高电流分散性，可避免该N型电极置放于中间所造成的封装体金导线干扰以及该N型电极置放于边缘设计所产生的局部高电流问题，除可提升发光效率外，也能增加元件信赖度。
3.透过该电极反射层与该跨接反射层的设置，搭配该导电金属光反射层，将本来被遮蔽的光利用多次反射，由该光射出面射出，增加该激发光的光取出率。
4.该N型电极下方未设置该发光半导体层，该发光半导体层于打线制程时没有受到应力破坏而脆裂的问题，可避免打线打伤该N型半导体层，同时可使打线力道安全值增加，有利打线良好接合，能大幅减少长期信赖性风险。
5.后续封装制程的封装胶被拉扯而有应力产生时，不会间接拉动金属线而造成该发光半导体层裂痕或分离的风险。
6.利用该P型电极与该辅助P型电极的双电极设计，有效分散工作电流，有利更高电流操作，可有效改善该P型电极与该辅助P型电极与封装体连结不平整或存在过多孔隙时，造成的局部高热、元件失效的风险。
7.当该发光半导体层为更大尺寸的晶片时(例如3mm x 3mm)，可利用模块扩充概念，透过该多个辅助N型电极、该多个N型电极导电线路与该多个线路绝缘层的设置，分散导引工作电流由该欧姆接触金属层与该多个辅助N型电极之处进入该N型半导体层，而有效分散工作电流以提升发光均匀度。
8.相较先前技术(如美国专利第US8319250号专利)而言，本发明制程相对简单、成本低，且具有更好的结构强度，更耐物理性外力破坏；亦增加了P型电极的电流分散功效。

Claims (17)

1.一种具高电流分散性且高信赖度的垂直式发光二极管结构，其特征在于，包含：
一P型电极；
一导电基板，该导电基板的一侧设置该P型电极，而该导电基板的另一侧具有一中央区与一相邻该中央区的侧边区；
一发光半导体层，该发光半导体层设置于该导电基板的该中央区上，且该发光半导体层包含设置于该导电基板上的一P型半导体层、一设置于该P型半导体层上的量子井层与一设置于该量子井层上的N型半导体层；
一欧姆接触金属层，该欧姆接触金属层设置于该N型半导体层的中心处且欧姆接触该N型半导体层；
一N型电极跨接结构，该N型电极跨接结构具有一跨接绝缘层与一跨接导电层，该跨接绝缘层横跨设置于该N型半导体层与该导电基板的该侧边区上，且该跨接绝缘层紧邻该欧姆接触金属层，而该跨接导电层设置于该跨接绝缘层上，且该跨接导电层一端连接该欧姆接触金属层，该跨接导电层另一端延伸至该导电基板的该侧边区；以及
一N型电极，该N型电极设置于该跨接导电层上且位于该侧边区的上方。
2.根据权利要求1所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，还包含一辅助P型电极，该辅助P型电极设置于该导电基板的该侧边区上。
3.根据权利要求2所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该侧边区围绕该中央区，且该辅助P型电极与该N型电极位于该中央区相同侧的该侧边区上。
4.根据权利要求2所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该侧边区围绕该中央区，且该辅助P型电极与该N型电极位于该中央区不同侧的该侧边区上。
5.根据权利要求2所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，选择该P型电极与该辅助P型电极的任一个作为一第一极，并让该N型电极作为一第二极，并于该第一极与该第二极之间供给一工作电压。
6.根据权利要求2所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，让该P型电极与该辅助P型电极皆作为一第一极，并让该N型电极作为一第二极，并于该第一极与该第二极之间供给一工作电压。
7.根据权利要求1所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，还包含至少一辅助导电线路，该至少一辅助导电线路设置于该N型半导体层上且连接该欧姆接触金属层，并该至少一辅助导电线路分别透过一辅助欧姆接触金属层连接该N型半导体层。
8.根据权利要求7所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该至少一辅助导电线路朝四周发散。
9.根据权利要求1所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该导电基板于相邻该发光半导体层的区域设置一导电金属光反射层。
10.根据权利要求9所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该欧姆接触金属层与该N型半导体层的接触面设置一朝该N型半导体层外凸的电极反射层。
11.根据权利要求10所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该电极反射层的外形为选自单一凸面反射镜、连续凸面反射镜与多重微斜反射镜的任一种。
12.根据权利要求9所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该跨接导电层与该跨接绝缘层的接触面设置一朝该跨接绝缘层外凸的跨接反射层。
13.根据权利要求12所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该跨接反射层的外形为选自单一凸面反射镜、连续凸面反射镜与多重微斜反射镜的任一种。
14.根据权利要求1所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，还包含多个辅助N型电极，该多个辅助N型电极以该欧姆接触金属层为中心并散布地设置于该N型半导体层上，且该多个辅助N型电极分别通过一设置于该N型半导体层上的N型电极导电线路连接该欧姆接触金属层，并该多个N型电极导电线路与该N型半导体层的接触面分别具有一线路绝缘层，又该多个辅助N型电极分别透过另一辅助欧姆接触金属层连接该N型半导体层。
15.根据权利要求14所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，还包含一辅助P型电极，该辅助P型电极设置于该导电基板的该侧边区上。
16.根据权利要求15所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该P型电极与该导电基板被多个绝缘隔离道分割，而使该P型电极分割形成多个P型子电极，且让该多个P型子电极的位置分别对应该多个辅助N型电极，同时其中一个该P型子电极连接该辅助P型电极，又连接该辅助P型电极的该P型子电极，透过多个设置于该多个绝缘隔离道的P型导电线路选择性的连接该多个P型子电极，让连接该辅助P型电极的该多个P型子电极为间隔排列。
17.根据权利要求1所述的垂直式发光二极管结构，其特征在于，该导电基板包含一缓冲层、一结合层与一替代基板，该跨接绝缘层与该发光半导体层设置于该缓冲层上，该P型电极设置于该替代基板上，而该结合层粘结固定该缓冲层与该替代基板。
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