TW201743462A

TW201743462A - 發光元件

Info

Publication number: TW201743462A
Application number: TW105117097A
Authority: TW
Inventors: 蔡孟倫; 陳譽云
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-12-16
Also published as: TWI628808B

Abstract

一種發光元件，包含一透明基板；一發光疊層；一反射結構，其中該透明基板位於該發光疊層及該反射結構之間；以及一空腔，位於該透明基板及該反射結構之間。

Description

發光元件

本發明係關於一種發光元件，特別係關於一種可提升光取出效率的發光元件。

發光二極體 (light-emitting diode，簡稱LED)為一種固態半導體元件，且LED一般包含一p型半導體層、一n型半導體層及一活性層位於p型半導體層及n型半導體層之間。發光二極體係分別透過p型半導體層及n型半導體層將電洞及電子注入活性層以輻射復合並發光，藉此將電能轉換為光能。

一種發光元件，係包含：一透明基板；一發光疊層；一反射結構，其中該透明基板位於該發光疊層及該反射結構之間；以及一空腔，位於該透明基板及該反射結構之間。

以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或說明書未描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。

請參照第1圖所示，此為本發明第一實施例之發光元件的剖面圖，發光元件包含一本體1、一反射結構2及一空腔3，空腔3位於本體1及反射結構2之間。本體1包含一發光疊層11及一透明基板12，透明基板12具有相對之一上表面121及一下表面122，上表面121及下表面122分別連接發光疊層11及空腔3。換言之，透明基板12係較發光疊層11靠近空腔3，透明基板12位於發光疊層11及空腔3之間，空腔3則位於透明基板12及反射結構2之間。

發光疊層11包含一第一型半導體層111、一第二型半導體層112及位於第一型半導體層111及第二型半導體層112之間的一活性層113，且第一型半導體層111、活性層113及第二型半導體層112係堆疊於透明基板12之上表面121上方，第一型半導體層111及第二型半導體層112分別具有不同之一第一導電性及一第二導電性，以分別提供電子與電洞，或者分別提供電洞與電子；活性層113可以包含單異質結構(single heterostructure)、雙異質結構(double heterostructure)或多層量子井(multiple quantum wells)。第一型半導體層111、第二型半導體層112及活性層113之材料為三五族化合物半導體，例如可以為：GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlInGaAs、GaP、InGaP 、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN 、AlInGaN、AlAsSb、InGaAsP 、InGaAsN 、AlGaAsP等。在本實施例中，若無特別說明，上述化學表示式包含「符合化學劑量之化合物」及「非符合化學劑量之化合物」，其中，「符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量相同，反之，「非符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量不同。舉例而言，化學表示式為AlGaAs即代表包含三族元素鋁(Al)及/或鎵(Ga)，以及包含五族元素砷(As)，其中三族元素(鋁及/或鎵)的總元素劑量可以與五族元素(砷)的總元素劑量相同或相異。另外，若上述由化學表示式表示的各化合物為符合化學劑量之化合物時，AlGaAs 即代表 Al_x Ga_(1-x) As，其中，0≦x≦1；AlInP 代表Al_x In_(1-x) P，其中，0≦x≦1；AlGaInP代表(Al_y Ga_(1-y) )_1-x In_x P，其中，0≦x≦1，0≦y≦1；AlGaN 代表Al_x Ga_(1-x) N，其中，0≦x≦1；AlAsSb 代表 AlAs_x Sb_(1-x) ，其中，0≦x≦1；InGaP代表In_x Ga_1-x P，其中，0≦x≦1；InGaAsP代表In_x Ga_1-x As_1-y P_y ，其中，0≦x≦1, 0≦y≦1；InGaAsN 代表 In_x Ga_1-x As_1-y N_y ，其中，0≦x≦1，0≦y≦1；AlGaAsP代表Al_x Ga_1-x As_1-y P_y ，其中，0≦x≦1，0≦y≦1；InGaAs代表In_x Ga_1-x As，其中，0≦x≦1。此外，發光疊層11可在遠離透明基板12之方向上可具有一粗化表面R1，例如在第二型半導體層112上表面具有粗化表面R1，以減少活性層113發射的光在第二型半導體層112上表面發生全反射的機率，並增加發射光取出的路徑。粗化表面R1的粗糙度例如可以為小於0.2～5 mm，在此所述之粗糙度為粗化表面R1之凸部最高點與凹部最低點的高度差異。

透明基板12的材料之能隙大於活性層113的材料之能隙，使透明基板12對由活性層113所發射的光具有高穿透率，例如穿透率為90%以上，透明基板12的材料可以為但並不限於藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)、環氧樹脂（Epoxy）氮化鋁(AlN)等透明絕緣材料，或者可以為透明導電氧化物(TCO)如氧化鋅(ZnO) 、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鎵(Ga₂ O₃ )、氧化鋰鎵(LiGaO₂ )、氧化鋰鋁(LiAlO₂ )或氧化鎂鋁(MgAl₂ O₄ )等，或者可以為半導體材料如碳化矽(SiC)、砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP) 、硒化鋅(ZnSe)、硒化鋅(ZnSe)或磷化銦(InP)等。發光疊層11可以透過有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD) 、分子束磊晶法(MBE) 或氫化物氣相磊晶法 (HVPE) 等磊晶方法成長於透明基板12或一成長基板上，而在成長基板上生成的發光疊層11則可藉由基板轉移技術，將發光疊層11接合至透明基板12並移除所述成長基板。本實施例發光元件之發光疊層11係直接成長於透明基板12上，且發光疊層11及透明基板12之間設有一緩衝層13，緩衝層13可以包含多晶或單晶材料，例如緩衝層13之材料可包含氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵(AlGaN)等，在磊晶製程中透過緩衝層13可減少當透明基板12與發光疊層11晶格不匹配時所產生的缺陷。或者，在另一實施例中，發光疊層11透過基板轉移技術接合於透明基板12之上表面121，緩衝層13可以為黏著層以將發光疊層11固定於透明基板12上，在此情況下，緩衝層13的材料可以包含透明之高分子材料、氧化物、氮化物或氟化物等，以避免阻擋或吸收發光疊層11朝向透明基板12的方向發射之光。舉例來說，緩衝層13的材料可以包含氧化鋁(Al₂ O₃ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、二氧化鈦(TiO₂ )、氧化鉈(Ta₂ O₅ )、氧化碲(TeO₂ )、氧化釔(Y₂ O₃ )、氧化鉿(HfO₂ )或鈮酸鋰(LiNbO₃ )等。透明基板12的上表面121具有圖案化結構，具體而言，透明基板12之圖案化上表面121的凸部最高點與凹部最低點的高度差異可為0.2～5 mm，以透過圖案化結構增加發光元件的光取出率。

本實施例之本體1更包含一第一電極14及一第二電極15分別電性連接於第一型半導體層111及第二型半導體層112，且第一電極14與第二電極15可位於透明基板12的同一側，例如，本實施例之發光元件的第一電極14與第二電極15係位於發光疊層11上，使發光元件形成一水平式(horizontal type)發光結構，其中，本體1具有一凹陷區R以暴露第一半導體層111之一部分，第一電極14是位於凹陷區R之第一半導體層111上，第二電極15則位於第二型半導體112上。外部電源之電流透過第一電極14及第二電極15注入發光元件中，使電子與電洞在外部電源的驅動下於活性層113復合而產生光線。此外，本體1可包含一保護層P覆蓋發光疊層11並暴露第一電極14及第二電極15。第一電極14及第二電極15包含高導電率之材料且均可包含數層結構，第一電極14及第二電極15的材料例如可以包含透明導電材料或金屬材料。舉例來說，透明導電材料包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鋅(IZO)、類鑽碳薄膜(DLC)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之化合物；金屬材料包含但不限於鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、錫(Sn)、金(Au)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銻(Sb)、鈷(Co)或上述材料之合金等。

如第1圖所示，反射結構2係位於一載體4之一頂面41與透明基板12之下表面122之間，且反射結構2可與空腔3直接相接。載體4可以為陶瓷基板、導電支架、PCB板(printed circuit board)或者其他由導電材料、半導體材料或絕緣材料形成之結構。反射結構2具有朝向透明基板12之下表面122的一表面2a，且反射結構2包含一反射疊層21，反射疊層21包含複數第一反射層211及複數第二反射層212，且複數第一反射層211及複數第二反射層212係互相交錯堆疊。第一反射層211與第二反射層212各自具有不同的材料及折射率，第一反射層211及第二反射層212的材料包含導電材料、介電材料(dielectric material)或三五族半導體材料，其中，導電材料例如可以為氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ΑΤO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)或氧化銦鋅(IZO)；介電材料例如可以為氧化鎂(MgO)、SU8、苯並環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鉭(Ta₂ O₅ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鈦(TiO₂ )、氮化矽(SiN_x )、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)；三五族半導體材料例如可以為砷化鋁鎵(AlGaAs)、鋁鎵銦磷(AlGaInP)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)等。當第一反射層211及/或第二反射層212的材料為三五族半導體時，可藉由調整三五族半導體中的元素組成，或者透過改變第一反射層211與第二反射層212的厚度，以提升反射疊層21對欲反射的光波長的反射率。另一實施例中，折射率高的介電材料所形成之第一反射層211或第二反射層212，與折射率低的介電材料所形成之其他反射層相比具有較薄的厚度，例如第一反射層211之折射率高於第二反射層212之折射率，第一反射層211的厚度小於第二反射層212的厚度。此外，第一反射層211及第二反射層212的厚度可以符合以下公式(1)及公式(2)，其中，第一反射層211具有一第一厚度t₁ 及一第一折射率n₁₁ ，第二反射層212具有一第二厚度t2及一第二折射率n₁₂ ：

t₁ =m(l/4n₁₁ ) .....公式(1)

t₂ =m(l/4n₁₂ ) .....公式(2)

其中，m為正整數，l為反射結構2所欲反射的波長。舉例而言，本實施例之第一反射層211為二氧化鈦，具有第一折射率n₁₁ 為2.6，第二反射層212為二氧化矽，具有第二折射率n₁₂ 為1.46，若欲使反射結構2對波長為450 nm的發射光達到良好反射效果，則第一厚度t₁ 可為43 nm或其倍數，而第二厚度t2可為77 nm或其倍數。惟，為了增加反射結構2具有高反射率的波長範圍，複數第一反射層211可以選擇性地各自具有不同厚度，同樣地，複數第二反射層212亦可以選擇性地各自具有不同厚度，在此並不多加限制。

本實施例的第一反射層211為二氧化鈦(TiO₂ )，第二反射層212為二氧化矽(SiO₂ )，且複數第一反射層211各自具有相同厚度為30 nm～60 nm，複數第二反射層212亦各自具有相同厚度為50 nm～90 nm，且各第一反射層211及各第二反射層212的厚度較佳符合上述公式(1)及公式(2)。複數第一反射層211及複數第二反射層212的層數係分別為3～10層且複數第一反射層211及複數第二反射層212互相交疊以形成反射疊層21，即由空腔3朝向載體4之頂面41方向呈現第一反射層211、第二反射層212、第一反射層211、第二反射層212…互相交錯堆疊之結構。反射結構2另外還可以選擇性地包含一金屬反射層22位於反射疊層21下方，即反射疊層21位於空腔3及金屬反射層22之間，使反射疊層21及金屬反射層22共同形成全方位反射鏡(omni- directionally reflector)。透過反射結構2可使未在透明基板12與空腔3的介面反射的光線，能夠藉由反射結構2反射回透明基板12，而進一步地增加發光元件的外部量子效率(External Quantum Efficiency)。金屬反射層22的厚度例如為50 nm～200 nm，且金屬反射層22可以包含各自具有不同金屬材料之數個子層，而金屬反射層22的材料可例如包含銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鎢(W)、鍺(Ge)或上述材料之合金等。此外，如第1圖所示，反射結構2可以包含一連接層23位於反射疊層21的最後一層(於本實施例中即最遠離空腔3之第二反射層212)及金屬反射層22之間，以增加反射疊層21與金屬反射層22之間的結合力，連接層23例如可以為氧化鋁(Al₂ O₃ )。在另一實施例中，反射疊層21的最後一層為第一反射層211，並以第一反射層211透過連接層23與金屬反射層22相接，連接層23的厚度可為1 nm～50 nm。

空腔3位於透明基板12與反射結構2之間，其中透明基板12可與空腔3直接相接，使光線能夠透過透明基板12與空腔3之間的界面反射，而由透明基板12的側邊射出或返回發光疊層11；且空腔3亦可與反射結構2直接相接，使穿透空腔3的光能被反射結構2反射，進一步增加由透明基板12-空腔3-反射結構2所形成之系統對發光疊層11所發射光線的反射率。如第1圖所示，本實施例的空腔3具有一厚度T，厚度T為透明基板12往反射結構2的方向上，透明基板12的下表面122與反射結構2之表面2a之最短距離，其中厚度T介於200 nm~800 nm，或可為不小於400 nm，且當發光元件具有厚度T不小於400 nm之空腔3時，能夠增加由發光疊層11發射之光線於透明基板12、空腔3及反射結構2所構成系統的反射能力。請參照第2A~2C圖所示，此分別為具有不同厚度T之空腔3的透明基板12-空腔3-反射結構2之系統的反射率與光入射角關係，其中空腔3之厚度T為300 nm(第2A圖)、400 nm(第2B圖)及520 nm(第2C圖)，入射光波長為450 nm，由圖可以觀察到當厚度T大於400 nm時，對於入射角為40度～70度的範圍內之反射率皆有大幅的提升，而當厚度T提升至520 nm時，對於全角度(即：0度～90度)的入射光幾乎達到100%的反射率，顯見空腔3的厚度T可為大於400 nm，或者可為大於520 nm，以增加具有高反射率響應的入射角範圍。

此外，透明基板12對發光疊層11所發射光線具有一第三折射率n₃ ，且空腔3對發光疊層11所發射光線具有一第四折射率n₄ ，其中，第三折射率n₃ 大於第四折射率n₄ ，且空腔3內可以為真空或是填充一物質，若空腔3內填充物質，則物質對發光疊層11所發射光線之折射率即為第四折射率n₂ 。例如以藍寶石(折射率約為1.76~1.78)作為透明基板12的材料時，空腔3中的物質可以選擇為包含空氣、氮氣、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鋁(AlF₃ )或二氧化矽(SiO₂ )等。，在此情況下，第三折射率n₃ 約為1.76~1.78，且第四折射率n₂ 分別約為1.0、1.0、1.38、1.38、1.46，當由發光疊層11發射的光朝向透明基板12方向前進時，光線在透明基板12與空腔3的界面即可能發生全反射，而使光由透明基板12之側邊發射至外界或返回並由發光疊層11遠離透明基板12的另一側出光，藉此增加發光元件之光取出率。在不同實施例中，為使透明基板12及空腔3之介面容易發生全反射，第三折射率n₃ 及第四折射率n₄ 的差異可不小於0.33，或可介於0.35與0.9之間，或可介於0.38與0.78之間，如此藉由第三折射率n₃ 與第四折射率n₄ 特定的差異，可有助於使發光元件的光萃取效率提升。

載體4係用以支持反射結構2，載體4實施態樣可以包含陶瓷基板、導電支架或PCB板等，但不應以此為限。如第1圖所示，本實施例之載體4具有相對的頂面41及一底面42，其中頂面41與透明基板12之下表面122的距離小於底面42與下表面122的距離，且至少部分空腔3的形狀可以透過載體4之頂面41的表面形貌所定義，例如載體4的頂面41可朝向底面42的方向凹陷，凹陷的位置係對應地位於透明基板12下方，而反射結構2位於載體4的頂面41上，反射結構2之金屬反射層22及反射疊層21依序堆疊於載體4的頂面41，使反射結構2是依循頂面41的形狀形成於載體4上方，因此反射結構2具有朝向底面42方向凹陷的一凹穴24，且凹穴24對應地位於透明基板12的下方，並位於發光疊層11的發射光之通過路徑上，其中凹穴24可構成空腔3的至少一部份。另外，載體4設有一第一導接部43及一第二導接部44分別電性連接於第一電極14及第二電極15，第一導接部43及第二導接部44可位於反射結構2之表面2a上或載體4上，再利用正裝打線接合(face-up wire bond)製程、倒裝晶粒接合(flip chip bond)製程或其他接合製程以透過一第一連接件E1使第一電極14與第一導接部43電性連接，以及透過一第二連接件E2使第二電極15與第二導接部44電性連接。在一實施例中，第一導接部43及第二導接部44係貫穿反射結構2而使第一導接部43及第二導接部44的至少一部分表面未被反射結構2覆蓋而裸露出來，以透過後續的接合製程分別與第一電極14及第二電極15電性連接。其中，第一連接件E1及第二連接件E2舉例可為金屬導線、金屬或合金焊料、或其他導電膠材。此外，本實施例之反射結構2位於載體4上且具有一周緣2E，由發光元件的俯視角度觀之，該反射結構2的周緣2E係位於透明基板12的周緣12E之外側，使反射結構2上具有足夠空間將第一導接部43及第二導接部44能夠設於其上，且對應位在透明基板12的外側。詳言之，由俯視角度觀之，第一導接部43及第二導接部44是位於周緣2E與周緣12E之間(圖未示)，以利於後續透過正裝打線接合製程分別接合載體4之第一導接部43、第二導接部44，與本體1之第一電極14及第二電極15。

如第1圖所示，本實施例的本體1設置於載體4上方並透過一接合層5與載體4結合，其中接合層5具有類似墊高層的功能。接合層5位於透明基板12之下表面122並對應地環繞凹穴24的上緣，且接合層5的外側邊緣可靠近或對齊透明基板12之一側邊12E，或是接合層5沿透明基板12的邊緣設置。此外，空腔3是由透明基板12的下表面122、接合層5及反射結構2所共同圍設形成，可為一密閉或非密閉空間。接合層5的材料可使用對活性層113所發射光具有90%以上穿透率的物質，使朝向反射結構2的光不致受到接合層5的阻擋或吸收，而能夠穿透接合層5以被接合層5下方的反射結構2進一步反射，進而增加發光元件的光取出率。舉例而言，若接合層5為透明(即為對發光疊層11之發射光之穿透率為90%以上)之物質，則接合層5的材料可以選自由苯并環丁烯(BCB)、環氧樹脂(Epoxy)、旋塗玻璃(SOG)、聚醯亞胺 (polyimide)、全氟環丁烷(PFCB)、Su8、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯( PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)及氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)所組成之群組，且在一實施例中接合層5還可於上述材料所形成的膠體中添加導熱劑，例如氮化硼(BN)或氮化鋁(AlN)等，使本體1運作時產生的熱量能夠透過接合層5傳導散出。在另一實施例中，接合層5的材料亦可為對發光疊層11發射光線具有90%以上反射率的物質，例如可以選自由金、銀、鋁、鉻、錫及鈦等金屬所組成之群組，包括金錫合金或錫銀銅合金等，如此使朝向反射結構2的光可部分被接合層5反射回透明基板12，而由透明基板12的側面出光，進而增加發光元件的光取出率。

此外，請參照第1圖及第3圖所示，本發明第一實施例之發光元件可以選擇性地設有一擋板M位於透明基板12之下表面122及反射結構2之間，其中擋板M具有一第一開口O1對應位於透明基板12的下方，以使第一開口O1設在凹穴24開口的位置，藉此隔離接合層5及空腔3，使空腔3位於透明基板12、反射結構2及擋板M之間，如此可以防止在利用接合層5接合本體1及反射結構2時，接合層5的材料受力被擠壓而移動至空腔3中。擋板M的材質選擇為具有對發光疊層11之發射光具高透明度(穿透率達90%以上)或高反射率(反射率達90%以上)之材料，例如包含環氧樹酯(Epoxy)、玻璃或塑膠。在另一實施例中，擋板M包含一第一檔板M1及一第二檔板M2，第一檔板M1形成上述之第一開口O1，第二檔板形成一第二開口O2，第二開口O2的面積大於第一開口O1的面積，且第一檔板M1位於第二開口O2內，使接合層5夾設於第一檔板M1、第二檔板M2、透明基板12及反射結構2所形成的空間內，避免接合層5之材料受力往空腔3移動或突出透明基板12的側邊。藉由檔板M的設置，可使接合層5成形於預定位置，並且精確地控制空腔3的厚度。請參照第3圖所示，於本實施例中，接合層5是連續地位於空腔3的外周。然而，接合層5的型態並不限於此，如第4圖所示的實施例中，接合層5為不連續且包含數個接合層部分5’，該些接合層部分5’以空腔3為對稱中心於空腔3的周圍排列，其中擋板M具有兩兩對稱的數個第二開口O2，第二開口O2的形狀即為接合層部份5’所欲成形的形狀，使該些接合層部分5’互相對稱於空腔3。

請參照第5圖所示，此為本發明第一實施例之發光元件之反射率與波長之關係圖。其中，線5A所示之發光元件的空腔3填充折射率為1的空氣，而線5B之發光元件的空腔3則填充折射率為1.46的二氧化矽，線5A及5B之發光元件之透明基板12的折射率為1.76～1.78，因此，如前所述，線5A之發光元件的第三折射率n₃ 與第四折射率n₄ 的差為0.76～0.78，而線5B之發光元件的第三折射率n₃ 與第四折射率n₄ 的差為0.3～0.32。由圖可知，在波長為430 nm～550 nm的區間中，線5A之發光元件的反射率皆高於線5B之發光元件的反射率，特別是在430 nm～470 nm的區間的反射率差異更為顯著，即空腔3填充有空氣之發光元件在一波長範圍下均具有較空腔3填充有二氧化矽之發光元件高的反射率。另外，請再參照第6圖所示，此為針對填充不同物質之空腔3的透明基板12-空腔3-反射結構2之系統，量測此系統的反射率與光入射角的關係，其中，空腔3內所填充的物質分別為空氣(線6A)、氟化鎂(線6B)及二氧化矽(線6C)。由第6圖可以得知：空腔3填充空氣之系統對於入射角為35度~62度的入射光具有高於97%之反射率，反射效果優於空腔3填充氟化鎂及二氧化矽之系統。而當空腔3中填充之物質為氟化鎂時，在入射角53度~54度及60度~61度相較於在空腔3中填充二氧化矽之系統具有較高反射率。

請參照第7圖所示，此為本發明第二實施例之發光元件的剖視圖，本實施例的發光元件之各構件的材料及各構件之間的連接關係大致與前述實施例之發光元件相似或相同，差異在於本實施例空腔3的形狀至少一部分是透過透明基板12的下表面122的表面形貌所定義。詳言之，本實施例之透明基板12面向反射結構2的方向具有一凹部123以構成空腔3的至少一部分，其中，凹部123係由透明基板12之下表面122朝向發光疊層11的方向凹陷形成，而載體4之頂面41為一平坦面，接合層5位於透明基板12與反射結構2之間且可以環繞凹部123的開口，空腔3位於透明基板12之凹部123、接合層5及反射結構2之間。在另一實施例中，載體4之頂面41亦可具有如第一實施例所示之凹穴24，使空腔3位於反射結構2之凹穴24、透明基板12之凹部123及接合層5之間。

請參照第8圖所示，此為本發明第三實施例之發光元件的剖視圖，本實施例的發光元件之各構件的材料及各構件之間的連接關係大致與前述各實施例之發光元件相似或相同，差異在於本實施例之發光元件係藉由接合層5使透明基板12與反射結構2之間具有一空隙。詳言之，在本實施例中，反射結構2之表面2a與透明基板12之下表面122皆為平坦表面，接合層5具有類似墊高層的功能，詳言之，接合層5在表面2a至下表面122的方向上具有一厚度T，以將透明基板12的下表面122與反射結構2的表面2a之間相隔至具有厚度T的距離，使空腔3設於位於透明基板12之下表面122、反射結構2及接合層5之間。如第9圖所示，接合層5位於透明基板12之下表面122的中央位置，而空腔3環繞接合層5，使空腔3位於透明基板12之邊緣12E及接合層5之間，此時空腔3為透明基板12與反射結構2之間的空隙。本實施例的特點在於空腔3環繞接合層5使得空腔3直接連通於外界環境，因此當空腔3中填充之物質具有較高的熱膨脹係數(Coefficient of thermal expansion，CTE)時，舉例而言：在室溫(約293K)下熱膨脹係數大於10^-4 K^-1 的材料時，發光元件不易因操作環境的溫度變異使物質冷縮熱脹而造成損害，亦可避免因空腔3中的物質體積改變過大，而對接合層5結合本體1與反射結構2的能力產生弱化的影響。

請參照第10圖所示，此為本發明第四實施例之發光元件的剖視圖，本實施例的發光元件之各構件的材料及各構件之間的連接關係大致與前述各實施例之發光元件相似或相同，惟接合層5可以選擇地省略。本實施例與前述各實施例主要差異在於第一電極14及第二電極15係位於發光疊層11與反射結構2之間，並且第一電極14與第二電極15分別電性連接於第一型半導體層111及第二型半導體層112。具體而言，本實施例之透明基板12為導電基板，但並不以此為限，此外，本體1可以選擇性包含具有導電性的緩衝層13。第一型半導體層111係透過具導電性的緩衝層13及透明基板12與第一電極14電性連接，此外，本體1另包含一導電通道16，使第二電極15透過導電通道16電性連接第二型半導體層112。為了防止漏電，本體1另設有一絕緣包覆層17包覆於導電通道16的外圍，詳言之，絕緣包覆層17係位於活性層113、第一型半導體層111、緩衝層13、透明基板12及導電通道16之間，使導電通道16電性絕緣於上述各層(即113、111、13、12)。

本實施例的載體4與前述各實施例相同，均包含第一導接部43及第二導接部44，第一導接部43及第二導接部44位於反射結構2之表面2a，本體1的第一電極14與第二電極15對位於載體4的第一導接部43及第二導接部44，並透過焊料或導電膠等材料形成第一連接件E1及第二連接件E2，第一連接件E1位於第一電極14與第一導接部43之間以使兩者形成電性連接，同樣地，第二連接件E2位於第二電極15與第二導接部44之間使兩者形成電性連接。第一連接件E1與第二連接件E2的材料可以包含錫、鉍、銦或由錫、鉍、銦之任兩種以上組成的合金。本實施例之空腔3位於發光疊層11、反射結構2、第一電極14、第二電極15、第一導接部43、第二導接部44、第一連接件E1及第二連接件E2之間，其中，本實施例之第一導接部43、第一連接件E1及第一電極14具有墊高層的功能，三者係以垂直反射結構2之表面2a的方向依序堆疊於表面2a，藉此墊高透明基板12，使透明基板12之下表面122與反射結構2之表面2a之間形成厚度T的空腔3，因此本實施例之發光元件可以選擇性地省略接合層5。同樣地，空腔3可以填充一物質，物質可以選擇為對發光疊層11之發射光呈現透明，且對發射光的折射率(即第四折射率n₄ )小於透明基板12之第三折射率n₃ 之材質，並透過空腔3中的物質增加發光元件的散熱效率，本實施例中，係以呈透明之物質填充於空腔3中，藉此提供支撐發光元件的功用，使發光元件的結構強度藉此增加。

需注意的是，本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作顯而易見的修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。不同實施例中相同或相似的構件，或者不同實施例中具相同標號的構件皆具有相同的物理或化學特性。此外，本發明中上述之實施例在適當的情況下，是可互相組合或替換，而非僅限於所描述之特定實施例。在一實施例中詳細描述之特定構件與其他構件的連接關係亦可以應用於其他實施例中，且均落於如後所述之本發明之權利保護範圍的範疇中。

1‧‧‧本體
11‧‧‧發光疊層
111‧‧‧第一型半導體層
112‧‧‧第二型半導體層
113‧‧‧活性層
12‧‧‧透明基板
121‧‧‧上表面
122‧‧‧下表面
123‧‧‧凹部
12E‧‧‧周緣
13‧‧‧緩衝層
14‧‧‧1第一電極
5‧‧‧第二電極
16‧‧‧導電通道
17‧‧‧絕緣包覆層
2‧‧‧反射結構
21‧‧‧反射疊層
211‧‧‧第一反射層
212‧‧‧第二反射層
22‧‧‧金屬反射層
23‧‧‧連接層
24‧‧‧凹穴
2a‧‧‧表面
2E‧‧‧周緣
3‧‧‧空腔
4‧‧‧載體
41‧‧‧頂面
42‧‧‧底面
43‧‧‧第一導接部
44‧‧‧第二導接部
5‧‧‧接合層
5’‧‧‧接合層部份
R‧‧‧凹陷區
E1‧‧‧第一連接件
E2‧‧‧第二連接件
T‧‧‧厚度
R1‧‧‧粗化表面
P‧‧‧保護層
M‧‧‧擋板
M1‧‧‧第一檔板
M2‧‧‧第二檔板
O1‧‧‧第一開口
O2‧‧‧第二開口

第1圖為本發明第一實施例之發光元件的剖視圖。

第2A圖為本發明第一實施例之具有厚度為300 nm的空腔之系統的反射率與入射角之關係圖。

第2B圖為本發明第一實施例之具有厚度為400 nm的空腔之系統的反射率與入射角之關係圖。

第2C圖為本發明第一實施例之具有厚度為520 nm的空腔之系統的反射率與入射角之關係圖。

第3圖為本發明第一實施例之發光元件的空腔與接合層的設置關係俯視圖。

第4圖為本發明另一實施例之發光元件的空腔與接合層的設置關係俯視圖。

第5圖為本發明第一實施例之具有不同物質填充於空腔之發光元件的反射率與波長之關係圖。

第6圖為本發明第一實施例之具有不同物質填充於空腔之系統的反射率與入射角之關係圖。

第7圖為本發明第二實施例之發光元件的剖視圖。

第8圖為本發明第三實施例之發光元件的剖視圖。

第9圖為本發明第三實施例之發光元件的空腔與接合層的設置關係俯視圖。

第10圖為本發明第四實施例之發光元件的剖視圖。

1‧‧‧本體

11‧‧‧發光疊層

111‧‧‧第一型半導體層

112‧‧‧第二型半導體層

113‧‧‧活性層

12‧‧‧透明基板

121‧‧‧上表面

122‧‧‧下表面

12E‧‧‧周緣

13‧‧‧緩衝層

14‧‧‧第一電極

15‧‧‧第二電極

2‧‧‧反射結構

21‧‧‧反射疊層

211‧‧‧第一反射層

212‧‧‧第二反射層

22‧‧‧金屬反射層

23‧‧‧連接層

24‧‧‧凹穴

2a‧‧‧表面

2E‧‧‧周緣

3‧‧‧空腔

4‧‧‧載體

41‧‧‧頂面

42‧‧‧底面

43‧‧‧第一導接部

44‧‧‧第二導接部

5‧‧‧接合層

R‧‧‧凹陷區

E1‧‧‧第一連接件

E2‧‧‧第二連接件

T‧‧‧厚度

R1‧‧‧粗化表面

P‧‧‧保護層

M‧‧‧擋板

O1‧‧‧第一開口

Claims

一種發光元件，係包含：一透明基板；一發光疊層；一反射結構，其中該透明基板位於該發光疊層及該反射結構之間；以及一空腔，位於該透明基板及該反射結構之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一載體，其中該反射結構位於該載體上。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該反射結構具有一凹穴，該凹穴對應地位於該透明基板的下方以構成該空腔的至少一部分。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該透明基板面向該反射結構的方向具有一凹部以構成該空腔的至少一部分。
如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之發光元件，更包含一接合層，該接合層位於該透明基板及該反射結構之間。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中，該接合層對該發光疊層所發出之光為透明。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一第一電極及一第二電極，其中，該發光疊層包含一第一型半導體層、一第二型半導體層及一活性層位於該第一型半導體層及該第二型半導體層之間，且該第一電極電性連接於該第一型半導體層及該第二電極電性連結於該第二型半導體層。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中，該第一電極及該第二電極位於該透明基板的同一側。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中，該第一電極與該第二電極位於該發光疊層上。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中，該第一電極與該第二電極位於該發光疊層與該反射結構之間。
如申請專利範圍第7～10項所述之發光元件，更包含一載體、一第一連接件及一第二連接件，其中，該反射結構係設於該載體，該載體具有一第一導接部及一第二導接部分別電性連接於該第一電極及該第二電極，且該第一連接件位於第一電極與第一導接部之間，以及該第二連接件位於第二電極與第二導接部之間。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中，該空腔係環繞於該接合層周圍。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該空腔具有一厚度，該厚度不小於400 nm。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該反射結構包含一反射疊層。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該反射結構包含一金屬反射層。
如申請專利範圍第14項所述之發光元件，其中，該反射疊層包含複數第一反射層及複數第二反射層，該第一反射層與該第二反射層具有不同折射率且互相交錯堆疊。
如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中，該複數第一反射層及該複數第二反射層的層數係分別為3～10層。
如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中，該第一反射層的厚度小於該第二反射層的厚度，且該第一反射層之折射率高於該第二反射層之折射率。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該透明基板具有一第一折射率，該空腔具有一第二折射率，該第一折射率大於該第二折射率。
如申請專利範圍第19項所述之發光元件，其中，該第一折射率及該第二折射率的差異不小於0.33。
如申請專利範圍第19項所述之發光元件，其中，該第一折射率與該第二折射率的差異介於0.38與0.78之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該空腔填充一物質，該物質包含氟化鎂(MgF₂ )、氟化鋁(AlF₃ )、氮氣、空氣或二氧化矽(SiO₂ )，該透明基板的材料包含藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)、環氧樹脂(Epoxy)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO) 、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鎵(Ga₂ O₃ )、氧化鋰鎵(LiGaO₂ )、氧化鋰鋁(LiAlO₂ )、氧化鎂鋁(MgAl₂ O₄ )、碳化矽(SiC)、砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP) 、硒化鋅(ZnSe)、硒化鋅(ZnSe)或磷化銦(InP)。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該空腔與該反射結構直接相接。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該空腔與該透明基板直接相接。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，更包含一檔板，該檔板位於透明基板、反射結構及接合層之間，且該擋板具有一第一開口對應位於透明基板的下方。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中，該接合層具有數個接合層部分，且該些接合層部分係對稱於空腔，且位於該空腔的周圍。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中，該接合層包含導熱劑。
如申請專利範圍第25項所述之發光元件，其中，該空腔位於該透明基板、該反射結構及該擋板之間。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中，該空腔位於該透明基板、該反射結構及該接合層之間。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中，該空腔位於該發光疊層、該反射結構、該第一電極、該第二電極、該第一導接部、該第二導接部、該第一連接件及該第二連接件之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，由俯視觀之，該反射結構的周緣係位於該透明基板的周緣之外側。