CN1649178A - 发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构。该发光二极管元件，包括元件基板、第一型掺杂层、发光层、第二型掺杂层、透明导电金属氧化物层、反射层与二电极。其中，第一型掺杂层配置于元件基板上，发光层配置于部分的第一型掺杂层上，且第二型掺杂层配置于发光层上，该第二型掺杂层与第一型掺杂层皆是由III－V族化合物半导体材料所构成。透明导电金属氧化物层是配置于第二型掺杂层上，且反射层配置于透明导电金属氧化物层上。该二电极是分别配置于反射层及第一型掺杂层上。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件的结构，且特别是涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode，LED)元件的结构、覆晶式发光二极管封装结构，以及适用于发光二极管的光反射结构。
背景技术
由III-V族元素化合物半导体材料所构成的发光二极管是一种宽能隙(bandgap)的发光元件，其可发出的光线从红外光一直到紫外光，而涵盖所有可见光的波段。近年来，随着高亮度氮化镓(GaN)蓝/绿光LED的快速发展，全彩LED显示器、白光LED及LED交通号志等得以实用化，而其它各种LED的应用也更加普及。
LED元件的基本结构，包含P型及N型的III-V族元素化合物磊晶层，以及其间的发光层。LED元件的发光效率高低是取决于发光层的量子效率，以及该元件的光取出效率(light extraction efficiency)。增加量子效率的方法主要是改善发光层的长晶品质及其结构设计，而增加光取出效率的关键则在于减少发光层所发出的光在LED内部反射所造成的能量损失。
由于目前一般氮化镓LED元件的正负电极是置于同一面，而正负电极会反射光线，所以氮化镓LED大多采用覆晶式(flip-chip)的封装，令正负电极面对不透明的基板，并在面对基板的磊晶层上形成反射层，以使大部分的光线朝电极的反侧发出。采用覆晶式封装的另一个好处是，若搭配适当的表面黏着型(surface mount，一般简称surmount)基板，例如是硅基板，则将有助于元件的散热，特别是在高电流操作环境下。如此一来，不但光取出效率得以提高，发光层的量子效率也不致因元件过热而降低。
另外，为了改善LED元件的电气特性，一般会先在磊晶层表面形成半透明的Ni/Au欧姆接触层，并进行热处理以形成良好的欧姆接触，之后再在其上形成反射层。然而，由于Ni/Au层本身对光的吸收率较高(透光率仅60-70％)，且磊晶层与Ni/Au层的接口会因热处理而粗糙化，并无法反射光线，所以覆晶LED元件的底部反射效率会降低。
由此可见，上述现有的发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构仍存在有诸多的缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构存在的缺陷，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构，能够改进现有的发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的光反射结构存在的缺陷，而提供一种新型的光反射结构，所要解决的技术问题是使其可以适用于发光二极管元件中，以增进光反射的效果，从而更加适于实用。
本发明的另一目的在于，克服现有的发光二极管元件存在的缺陷，而提供一种新型的发光二极管元件，所要解决的技术问题是使其具有本发明的光反射结构，而可增进光反射的效果，从而更加适于实用。
本发明的再一目的在于，克服现有的覆晶式发光二极管封装结构存在的缺陷，而提供一种新型的覆晶式发光二极管封装结构，所要解决的技术问题是使其具有本发明的光反射结构，而可增进光反射的效果，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种发光二极管元件，其包括：一元件基板；一第一型掺杂层，配置于该元件基板上；一发光层，配置于部分的该第一型掺杂层上；一第二型掺杂层，配置于该发光层上，该第二型掺杂层与该第一型掺杂层皆是由一III-V族化合物半导体材料所构成；一透明导电金属氧化物层，配置于该第二型掺杂层上，以作为一欧姆接触层；一反射层，配置于该透明导电金属氧化物层上；以及二电极，分别配置于该反射层及该第一型掺杂层上。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的发光二极管元件，其中所述的发光层发出的光的波长为λ，该透明导电金属氧化物层的折射率为n，且该透明导电金属氧化物层的厚度为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)。
前述的发光二极管元件，其中所述的元件基板包括一蓝宝石基板。
前述的发光二极管元件，其中所述的III-V族化合物半导体材料包括氮化镓、磷化镓及磷砷化镓。
前述的发光二极管元件，其中所述的发光层包括一量子井发光层。
前述的发光二极管元件，其中所述的透明导电金属氧化物层的材质是选自由氧化铟锡(ITO)、氧化铈锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铟锌(IZO)及氧化锌(ZnO)所组成的族群。
前述的发光二极管元件，其中所述第一型掺杂层是为一n型掺杂层，该第二型掺杂层是为一p型掺杂层。
前述的发光二极管元件，其中所述第一型掺杂层是为一p型掺杂层，该第二型掺杂层是为一n型掺杂层。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种覆晶式发光二极管封装结构，其包括：一封装基板；以及一发光二极管晶粒，倒覆于该封装基板上而与其电性连接，该发光二极管晶粒包括：一元件基板；一第一型掺杂层，配置该元件基板上；一发光层，配置于部分的该第一型掺杂层上；一第二型掺杂层，配置于该发光层上，该第二型掺杂层与该第一型掺杂层皆是由一III-V族化合物半导体材料所构成；一透明导电金属氧化物层，配置于该第二型掺杂层上，以作为一欧姆接触层；一反射层，配置于该透明导电金属氧化物层上；以及二电极，分别配置于该反射层及该第一型掺杂层上。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的发光层发出的光的波长为λ，该透明导电金属氧化物层的折射率为n，且该透明导电金属氧化物层的厚度为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的元件基板包括一蓝宝石基板。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的封装基板包括一硅基板。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的III-V族化合物半导体材料包括氮化镓、磷化镓及磷砷化镓。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的发光层包括一量子井发光层。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的透明导电金属氧化物层的材质是选自由氧化铟锡(ITO)、氧化铈锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铟锌(IZO)及氧化锌(ZnO)所组成的族群。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的第一型掺杂层是为一n型掺杂层，该第二型掺杂层是为一p型掺杂层。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的第一型掺杂层是为一p型掺杂层，该第二型掺杂层是为一n型掺杂层。
前述的覆晶式发光二极管封装结构，其中所述的发光二极管晶粒是藉由二凸块与该封装基板电性连接，该二凸块是分别位于该二电极上。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种用于发光二极管的光反射结构，其包括：一透明导电金属氧化物层，配置于一掺杂的III-V族化合物半导体层上，以作为一欧姆接触层；以及一反射层，配置于该透明导电金属氧化物层上。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的用于发光二极管的光反射结构，其中所述的发光二极管的发光波长为λ，该透明导电金属氧化物层的折射率为n，且该透明导电金属氧化物层的厚度为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：
本发明的适用于发光二极管元件的光反射结构，其包括：配置于掺杂的III-V族化合物半导体层上的透明导电金属氧化物层，以及配置于透明导电金属氧化物层上的反射层，其中透明导电金属氧化物层是作为半导体层的欧姆接触层。当发光二极管的发光波长为λ，且透明导电金属氧化物层的折射率为n时，该透明导电金属氧化物层的厚度较佳为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)，以造成建设性干涉的效果。
本发明的发光二极管元件，包括元件基板、第一型掺杂层、发光层、第二型掺杂层、透明导电金属氧化物层、反射层，以及二电极。其中，第一型掺杂层配置于元件基板上，发光层配置于部分的第一型掺杂层上，且第二型掺杂层配置于发光层上，该第二型掺杂层与第一型掺杂层皆是由III-V族化合物半导体材料所构成。透明导电金属氧化物层是配置于第二型掺杂层上，以作为一欧姆接触层，且反射层配置在透明导电金属氧化物层上。该二电极是分别配置于反射层及第一型掺杂层上。
本发明的覆晶式发光二极管封装结构，包括一封装基板及一发光二极管晶粒，其是倒覆于封装基板上而与其电性连接。该发光二极管晶粒包括元件基板、第一型掺杂层、发光层、第二型掺杂层、透明导电金属氧化物层、反射层，以及二电极。其中，第一型掺杂层配置于元件基板上，发光层配置于部分的第一型掺杂层上，且第二型掺杂层配置于发光层上，该第二型掺杂层与第一型掺杂层皆是由III-V族化合物半导体材料所构成。透明导电金属氧化物层是配置于第二型掺杂层上，以作为一欧姆接触层，且反射层配置于透明导电金属氧化物层上。该二电极是分别配置于反射层及第一型掺杂层上。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：由于本发明是以透明导电金属氧化物作为欧姆接触层的材质，而透明导电金属氧化物不必进行热处理以提高欧姆接触效果，所以其与第二型掺杂层之间可有平坦的界面，而能提供良好的反射效果；同时，透明导电金属氧化物对可见光的吸收率可低至10％以下(如氧化铟锡(ITO))，故其对LED元件的反射效率的影响大为降低。
综上所述，本发明的光反射结构可适用于发光二极管元件中，而可增进光反射的效果；本发明的发光二极管元件具有本发明的光反射结构，而可增进光反射的效果；本发明的覆晶式发光二极管封装结构具有本发明的光反射结构，而可增进光反射的效果。其具有上述诸多优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有较大进步，并产生了好用及实用的效果，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的发光二极管元件的结构剖面图，以及其透明导电金属氧化物层的界面邻近部分的放大图。
图2是图1的发光二极管元件经覆晶封装后所得的覆晶式发光二极管封装结构示意图。
100：元件基板 110：N型掺杂层
120：发光层 130：P型掺杂层
140：透明导电金属氧化物层 150：反射层
160：阳极 170：阴极
180、190：凸块 200：封装基板
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的发光二极管元件、覆晶式发光二极管封装结构与光反射结构其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1所示，是本发明较佳实施例的发光二极管元件的结构，以及其透明导电金属氧化物层的界面邻近部分的放大图。本发明较佳实施例的发光二极管元件，如图1所示，该LED元件包括元件基板100、N型掺杂层110、发光层120、P型掺杂层130、透明导电金属氧化物层140、反射层150，以及阳极160与阴极170。其中，由N型掺杂层110、发光层120以及P型掺杂层130所构成的主动层(active layer)例如是藉由一系列的磊晶过程依序制作于元件基板100上，而在后续的制程中，部分区域上的N型掺杂层110、发光层120以及P型掺杂层130例如藉由蚀刻或是其它方式移除掉，以将其单体化为多个彼此独立的岛状结构(MESA)。值得注意的是，在上述的岛状结构中，阴极170欲形成的区域上的P型掺杂层130、发光层120以及部分厚度的N型掺杂层110会被移除，以使阴极170能够顺利地与N型掺杂层110电性连接。
请再参阅图1所示，本实施例的透明导电金属氧化物层140是位于P型掺杂层130上，反射层150是位于透明导电金属氧化物层140上，而阳极160则位于反射层150上。
上述的元件基板100，例如为一蓝宝石(sapphire)基板。N型掺杂层110、发光层120及P型掺杂层130的材质是为一III-V族化合物半导体材料，如氮化镓、磷化镓或磷砷化镓等，其中发光层120例如为单一或多重量子井(Quantum Well)结构的发光层，以增加发光的效率。透明导电金属氧化物层140的材质较佳为氧化铟锡(ITO：indium tin oxide)，但亦可为氧化铈锡(CTO：cerium tin oxide)、氧化锑锡(ATO：antimony tin oxide)、氧化铟锌(IZO：indium zinc oxide)、氧化锌(ZnO：zinc oxide)或其它类似的透明导电金属氧化物材料。反射层150的材质例如为铝或银，且阳极160与阴极170的材质例如为铬/金。
如图1中的放大部分所示，由于透明导电金属氧化物层140不必进行热处理以提高欧姆接触效果，所以其与P型掺杂层130之间可以有平坦的界面，而可提供良好的反射效果。另外，由光干涉的理论来看，当该LED元件的发光波长为λ，且透明导电金属氧化物层140的折射率为n时，透明导电金属氧化物层140的厚度较佳为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数，如1，2，3，…等)，以使透明导电金属氧化物层140/反射层150界面的反射光与P型掺杂层130/透明导电金属氧化物层140界面的反射光产生建设性干涉的效果。
请参阅图2所示，是图1的发光二极管元件经覆晶封装所得的覆晶式发光二极管封装结构。如图2所示，图1的发光二极管元件是倒覆于一封装基板200上，其例如是一硅基板，并以凸块180及190与封装基板200电性连接，其中凸块180电性连接阳极160与封装基板200，且凸块190电性连接阴极170与封装基板200。由于反射层150面向封装基板200，所以发光层120向下发出的光线在反射之后是自元件基板100处发出。
另外，虽然本实施例是以具有上述结构，且以覆晶方式封装的发光二极管元件为例，但本发明的应用并不仅限于此，而可应用于所有形成欧姆接触层及反射层，但以覆晶以外的方式封装的发光二极管元件上，以增加光反射的效率。另外，虽然本实施例中形成在元件基板上的是N型掺杂层，且形成在发光层上的是P型掺杂层，但该N型及P型掺杂层的位置亦可互换，亦即形成在元件基板上者为P型掺杂层，且形成在发光层上者为N型掺杂层。不过，此时形成在反射层的电极是作为阴极，而P型掺杂层上的电极则作为阳极。
由于本发明以透明导电金属氧化物作为欧姆接触层的材质，而透明导电金属氧化物并不必进行热处理以提高欧姆接触效果，所以其与第二型掺杂层之间可以有平坦的界面，而可提供反射的效果；同时，透明导电金属氧化物对可见光的吸收率可小到10％以下(如氧化铟锡(ITO))，故其对LED元件的反射效果的影响大为降低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (20)
1、一种发光二极管元件，其特征在于其包括：
一元件基板；
一第一型掺杂层，配置于该元件基板上；
一发光层，配置于部分的该第一型掺杂层上；
一第二型掺杂层，配置于该发光层上，该第二型掺杂层与该第一型掺杂层皆是由一III-V族化合物半导体材料所构成；
一透明导电金属氧化物层，配置于该第二型掺杂层上，以作为一欧姆接触层；
一反射层，配置于该透明导电金属氧化物层上；以及
二电极，分别配置于该反射层及该第一型掺杂层上。
2、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的发光层发出的光的波长为λ，该透明导电金属氧化物层的折射率为n，且该透明导电金属氧化物层的厚度为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)。
3、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的元件基板包括一蓝宝石基板。
4、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的III-V族化合物半导体材料包括氮化镓、磷化镓及磷砷化镓。
5、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的发光层包括一量子井发光层。
6、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的透明导电金属氧化物层的材质是选自由氧化铟锡(ITO)、氧化铈锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铟锌(IZO)及氧化锌(ZnO)所组成的族群。
7、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的第一型掺杂层是为一n型掺杂层，该第二型掺杂层是为一p型掺杂层。
8、根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于其中所述的第一型掺杂层是为一p型掺杂层，该第二型掺杂层是为一n型掺杂层。
9、一种覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其包括：
一封装基板；以及
一发光二极管晶粒，倒覆于该封装基板上而与其电性连接，该发光二极管晶粒包括：
一元件基板；
一第一型掺杂层，配置该元件基板上；
一发光层，配置于部分的该第一型掺杂层上；
一第二型掺杂层，配置于该发光层上，该第二型掺杂层与该第一型掺杂层皆是由一III-V族化合物半导体材料所构成；
一透明导电金属氧化物层，配置于该第二型掺杂层上，以作为一欧姆接触层；
一反射层，配置于该透明导电金属氧化物层上；以及
二电极，分别配置于该反射层及该第一型掺杂层上。
10、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的发光层发出的光的波长为λ，该透明导电金属氧化物层的折射率为n，且该透明导电金属氧化物层的厚度为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)。
11、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的元件基板包括一蓝宝石基板。
12、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的封装基板包括一硅基板。
13、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的III-V族化合物半导体材料包括氮化镓、磷化镓及磷砷化镓。
14、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的发光层包括一量子井发光层。
15、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的透明导电金属氧化物层的材质是选自由氧化铟锡(ITO)、氧化铈锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铟锌(IZO)及氧化锌(ZnO)所组成的族群。
16、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的第一型掺杂层是为一n型掺杂层，该第二型掺杂层是为一p型掺杂层。
17、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的第一型掺杂层是为一p型掺杂层，该第二型掺杂层是为一n型掺杂层。
18、根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管封装结构，其特征在于其中所述的发光二极管晶粒是藉由二凸块与该封装基板电性连接，该二凸块是分别位于该二电极上。
19、一种用于发光二极管的光反射结构，其特征在于其包括：
一透明导电金属氧化物层，配置于一掺杂的III-V族化合物半导体层上，以作为一欧姆接触层；以及
一反射层，配置于该透明导电金属氧化物层上。
20、根据权利要求19所述的用于发光二极管的光反射结构，其特征在于其中所述的发光二极管的发光波长为λ，该透明导电金属氧化物层的折射率为n，且该透明导电金属氧化物层的厚度为(2m+1)λ/4n(m为0或一正整数)。
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