TWI294698B - Light emitting device having a plurality of light emitting cells connected in series and method of fabricating the same - Google Patents

Description

1294德备* 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種發光元件，且更特定言之是關於_ • 種具有多個發光單元之發光元件，其中該等多個發光單元 以串聯陣列排列於單一個基板上以便使用一 AC電源直接 驅動。 【先前技術】 φ 發光二極體（diode)為具有一其中結合一主要載流子 (carrier)為電子之n類型半導體與一主要載流子為電洞 之Ρ類型半導體的結構的電致發光元件，且其藉由此等電 子以及電洞之重組而發射預定光。此等發光二極體用作顯 示元件以及背光（backlight)，且其應用領域已擴展至一般 照明而替代習知白熾燈泡以及螢光燈。 、相比於習知電燈泡或螢光燈，發光二極體消耗較少電 功率且具有較長使用壽命。一發光二極體之電功率消耗少 於習知照明元件之電功率消耗的十分之幾至百分之幾，且 •其使用期限為習知照明元件的幾倍至幾十倍，藉此具有減 ‘少之電功率消耗以及極佳之耐久性。 。而取決於電流之方向重複地開啟以及關閉發光二 極體:因此，若當將發光二極體直接連接至- AC電源時 ，用料極體’則存在該發光二極體可易於損壞之問 題。因此’難以出於一般照明之目的藉由將一發光二極體 直接連接至—家用AC電源而使用該發光二極體。 I294_fd 技術問題： 本發明之一目標為提供一種包含發光二極體之發光元 件，其可直接連接至一 AC電源且可藉由其驅動。 本發明之另一目標為提供一種製造一可直接連接至一 AC電源且可藉由其驅動之發光元件的方法。 技術解決方案： 根據本發明以便達成前述目標之一態樣，提供一種具 有多個串聯連接之發光單元的發光元件。根據本發明之態 樣的鈾述發光元件包括一形成於一基板上的缓衝層。多個 桿狀發光單元位於該缓衝層上以彼此相間隔。該等多個發 光單元之每一者皆具有一 η層、一作用層（active layer) 以及一P層。同時，導線串聯或並聯連接該等間隔之發光 單兀。因此，串聯連接之該等發光單元陣列可經連接以藉 由在相反方向上流動之電流而驅動。因此，提供一種可夢 由一 AC電源直接驅動之發光元件。 曰 本發明之發光元件在單一個基板上具有多個發光二極 體。因此，術語“發光單元，，意謂_ 光二極體之每一者。另外，術語“串聯發光單元陣列，，意言^ 具有夕個串聯連接之發光單元的結構。 同時，可將電極插入於導線與p層之間。該等電極盘 P層形成歐姆接觸，藉此減小接合電a (細cti二 resistance)。 根據本發明以便達成前述另—目標之另―態樣 -種製造-具有多個串聯連接之發光單元之發光元件的 I294_doc 法。根據本發明之另一態樣的該製造方法包人在一 形成-緩衝層之步驟。在該緩衝層上形成^個 (laminated rod-shaped)之發光單元，复每一 ς 二月 序形成的-η層、-作用層以及H 者白-有順 =蝕刻該等Ρ層以及該等作用層直二二曝 層。因此’形成多個發光單元。此外 亥4 η 單元的曝露之η層與相鄰發光單元_刻㊣連接發光 串聯或並聯連接該等多個發光單元。根據本以 =樣並提供-種具有多個串聯連接之發光單⑽發光元 >、可直接連接至一 AC電源且可藉由其驅 由於可在緩衝層上形成彼此相間隔之層壓y ^， 於分離該等發光單元的蝕刻過程。 τ除去用 ^時，在職絕賴之後可在ρ層上形成電極 电極與Ρ層歐姆接觸，藉此減小接合電阻。 Θ寺 有利影響： ^據本發日狀實施例，提供—種包含發光二極 70 ’其可直接連接至—AC電源且可藉纟並 * :’該發光元件可使用-家用ACf源而用於 藉Ξ其::之製造可直接連接至該AC電源且Ϊ 用，、發光SI二=方法’此方法’可除去 【實施方式】 下文將參看f返附圖式詳細描述本發明之實施例。 僅為說明性目的而提供下文之實施例以便熟習此項技 7 1294雛d〇c 術者可完全_本發明之精神。因此，本發日林限於下文 之實施例而可以其它形式實施。在圖式中，為說明之方便 可绔不7L件之寬度、長度、厚度以及類似物 以及圖式巾相同參考數字㈣㈣元件。 固1馮說明 I个啜明之一貫施例的具有多個串聯 連接，★光單元之發光元件的運制理的電路圖。 參看圖1，藉由串聯連接發光單元51a、51b以及51c $而3=第一串聯陣列51，且藉由串聯連㈣^ 以及53c而形成—第二串聯陣列53。 該第-以及該第二串聯陣列51以及53之每 =知均分別連接至_ Ac電源Μ以及地面 乂及 串:!列f峨於該峨蝴地面之; 換5之，该弟一串聯陣列之 聯陣列之兩個末端。 弟—串 同日才，排列該第一以及該第二串聯陣列51以 反方向上流動之電流而驅動其發光單元。換： 5%；^^，_反方向排列包括於第—串聯; 之發光二㈣包括於第二陣列” 若AC電源55在正相中，則包括 歹中之發光單元開啟以發光，且包括於第：二：陣 中之發光單元關閉。相反，若 二:二列 -串聯_53中之發光單元開啟。 ⑼心 1294氣 因此，藉由AC電源交替地開啟 二串聯陣収以及53以使得包括 J 以及第 陣列之發光元件持續發光。 及该弟二串聯 如圖1之電路中，雖然其每— n〇 ，光晶片可彼此連接以藉由「二光f 寺每光晶ϋ所佔據之空間增大。相反. 但4 ?中，單-個晶片可藉由將其連接 、元 藉此防止增大該發光元件所佔據之空間^C电源而驅動， 該車列之每—者皆具有三峨中 之數目。亦可增加串聯陣列之數目。 尤早凡 圖2為說明一根據本發明之一每 個串聯連接之發光單 貝' β 1、衣k一具有多 至圄6請ίί 件的方法的流程圖。圖3 根據本發明之實施例的製造具有多個串聯連 發光元件的前述方法的橫截面圖。同: 圖4為圖3之透視圖。 M / J时 參看圖2以及圖3，提供_ 基板21 (步驟】）。該美 ;^早7"待形成於其上的 賴叫氧化鋅二、:為 鱗化鎵（GaP)、氧化叙々α ·Λ t b蘇（GaAs)、 孔化她（LlAl2〇3)、氮化石朋⑽）、氮 1294鎌- 化紹（AIN)或氮化鎵（GaN)製成之基板。考慮到一待 形成於其上之半導體層的晶格常數（toiee _墟）而選 擇基板21。舉例而言，若在基板21上形成-基於GaN之 半導體層，則較佳為該基板21為一藍寶石基板。 在基板21上形成一緩衝層23 (步驟3)。該緩衝層23 用以減小由於基板21與待形成於其上之半導體層的晶格 常數之間之差異而產生的應力。一基於諸如A1N、GaN或 InN之UN族的半導體層可用作緩衝層。此處，緩衝層 9 23未額外摻雜雜質以防止一過剩電流（excess current)流 經該緩衝層23。可使用一氫化物氣相磊晶（hydride vapor phase epitaxy，HVPE)方法、一化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD)方法或一有機金屬化學氣相沉積 (metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)方法 來形成緩衝層23。因此，可能形成一薄緩衝層23。 在缓衝層23上形成層壓桿26，其每一者皆具有順序 層壓的一 η類型半導體桿25、一作用層27以及一 p類型 φ 半導體桿29 (步驟5)。可使用HVPE、CVD或MOCVD .來形成該等層壓桿26。此時，如圖4中所展示，層壓桿26 在緩衝層23上彼此相間隔。 η類型半導體桿25可由摻雜雜質（例如，石夕（Si)) 之GaN而形成，且p類型半導體桿29可由摻雜雜質（例 如，鎂（Mg))之GaN而形成。同時，作用層27 —般具 有一其中重複形成量子牌（quantum well)層以及障壁層的 多層膜結構。該等量子阱層以及該等障壁層可由一 10 i29m〇

AlxInyGai.x_yN({K<x，yu，(^x+y,w* 中之P類型或n類型雜質。 乂烕具有注入其 在具有層壓桿26之基板上形成 鄰層壓桿26之間的空白空間（步驟、、象M 以填充相 積（CVD)方法由二氧切（Si〇2 由化學氣相沉 藉由該化學氣相沉積方法而形成具有足以J緣膜。在 月吴之後，平整該絕緣膜直至曝露層壓桿—氧化矽 此形成用於填充空白空間之絕緣膜3ι =表面。因 於該絕緣膜31之一頂部表面上。 且層反桿曝露 參看圖2以及圖5,可在層壓 形成電極33。可藉由在具有形成於其上之之表面上 板上形成-電極層並圖案化該電 二'31的基 電極33形成於P類型半導體桿29上33 °該等 觸。 、形成—歐姆接 麥看圖2以及圖6,蝕刻p類型半導 層27’ f曝露n類型半導體桿25。因此豆，;:及作用 26a，其每—者皆包括該讀 / *光單元 用層27a以及—蝕ϋ體杯25、—蝕刻之作 導==(7，)。 、〃成用於將η類型半導體桿25電連接至則之 1294娜— P類型半導體桿29a的金屬導線35 (步驟13)。該等金屬 導f %將相鄰發光單元彼此串聯連接，H此減-串聯發 光單元陣卩j 4等金屬導線％將η類型半導體桿Μ連接 至:極33。另外’在形成該等金屬導線35之前，在η類 里半導體桿25的曝露之部分上縣形成用於麟接觸之 諫。同時’若該等金屬導線35與ρ _半導體桿撕 形成歐姆接觸，則可除去電極％。 可藉由一空橋（也bridge )方法或逐步覆蓋 (，〇〇了)方法來形成金屬導線％。同時，為防止相同 2: '，广Π的,類型半導體桿25與P類型半導體桿 而二古1里半導體桿25與作用層27a經由金屬導線35 )連接’可在P類型半導體桿29a以及作用層 側土上形成—隔片（spacer)(未圖示）。 光單猎2屬導線％可在基板21上形成至少兩個串聯發 陣列連接至—電源以便藉由在相反方 - A;源Γ::驅Ϊ。因此，可能製造一寸直接連接至 本發明：實施:藉由其驅動的發光元件。另外，根據 能除去用二八:於形成彼此相間隔的層壓桿26，故可 此除去用於:分離發光單元的烟過程。 結構。、 之一態樣之發光元件的 可為譜光元件包括一基板21。該基板21 用-有;金屬;二二!:層^ 辽相，儿知（MOCVD)方法由GaN來形 12 1谓職 f.doc 成該緩衝層23。 々多個彼此相間隔的發光單元2 6 a 〜— 等發光單元26a之每—者皆包含—n 層23上。該 蝕刻之p類型半導體桿29a以及一插入+ V體桿25、一 桿與該p類型半導體桿之間的_之作用二亥:類型半導體 η類型半導體桿25可由摻雜 ^ a 之⑽而形成，且P類型半導體桿29二=^^^ 如，鎮（％》之GaN而形成。另外，雜質（例 可具有一其中重複形成量 ^乍用層27a :厂等量子…及該結 中之P類型或η類型雜質。 >、有庄入其 相比於η類型半導體桿25 t 類型半導體桿29a之每一者皆且有·；乍用層27a以及p 日異兩, 、、， 有白具有一較小之面積。因此， 曝:：員f半導?桿Γ之一部分。金屬導線35將該等所 ^电絲η員型半&體杯25連接至P類型半導體桿29a以形 成串聯連接之發光單元陣列。 如圖中所展示，雖然該等發光單元26a可在一直線上 串聯連接’但本發明並不限於此。該等發光單元施可以 鋸齒形而彼此連接。 、曾鵷^時，可將一電極Μ插入於金屬導線35與P類型秦 導版# 29a之間。該電極33與該p類型半導體桿歐姆， 接觸，藉此減小接合電阻。 另外’可將一絕緣膜31插入於發光單元26a與金屬導 13 I294_ if. doc 線35之間。該絕緣膜31可為一二氧化矽膜。此外，可將 一隔片C未圖示）插入於在該金屬導線35與隹刻之p類型 半導體桿29a以及作用層27a之間。該隔片可用以將金屬 導線與P類型半導體桿29a以及作用層27a分離。、 工業適用性： 根據本發明之實施例，提供一種包含發光二極體之發 光70件，其可直接連接至- AC電源且可藉由其驅動。因 此，該發光元件可使用-家用Ac電源而用於一般照明之 ^的。另外’提供-種製造可直接連接至該AC電源且可 =由其驅動之前述發光元件的方法。根據此方法能 去用於分離發光單元的蝕刻過程。 此1* 【圖式簡單說明】 連接=ί ^明—根據本發明之—實施例的具有多個串聯 連接= 早兀之發光元件的運作原理的電路圖。 ® 3 ^ 之务光元件的方法的流稃圖。 個 串二據本發明之實施例的製造具有多 圖，其中圖4為圖之發光元件的前述方法的橫截面 r > a J之透視圖。 【主要7〇件符號說明】 21 基板 23 緩衝層 25 n類型半導體桿 26 層壓桿 I294_f_doc 26a 發光單元 27 27a 29 29a 31 作用層 触刻之作用層/作用層 P類型半導體桿 蝕刻之P類型半導體桿/p類型半導體桿 絕緣膜 33 35 • 51 51a 51b 51c 53 53a 53b 53c § 55 電極 金屬導線 第一串聯陣列 發光單元 發光單元 發光單元 第二串聯陣列 發光單元 發光單元 發光單元 AC電源 15

Claims (1)

1. 月>1田修(更)正本 修正日期：96年09月21日 ,1294698 18709pifl.doc 為第95102427號中文專利範圍無劃線修正本 十、申請專利範圍： 其 1.一種具有多個串聯連接之發光單元的發光元件， 包含： 一緩衝層，其形成於一基板上； 夕個|光單元’其在前述緩衝層上以具有高度大於寬 度的桿形狀形成且彼此械隔，前述餘單元之每一者皆 具有；"n層、一作用層以及一P層；以及 導線’其串聯或並聯連接前述間隔之發光單元。 發=如鄕圍第1項所叙射乡個㈣連接之 戶;形成,、’ 70件’其中前述緩衝層由- ΙΙΙ-Ν族材料 發光範㈣1項所述之具有多㈣聯連接之 之化合物所^成赠’其+前述桿狀發光單元由一氮化鎵 之空白空間的絕、_。 3—填切述發光單元之間 發光個串聯連接之 狀。 其中5亥n層之水平横截面具有圓形 的方法， m財乡㈣接讀料以發光元件 在基板上形成一緩衝層； /成夕個層壓桿狀之發光單元，前述發光單元藉由 16 Ϊ294698 4 18709pifl.doc 為第9麵謝文專利範圍無劃線修正本 修正日期：96年〇9月21日 在前述緩衝層上形成相互隔開的多個11層及之 別η層上形成作用層和p層而相互隔開； 在各 . 則部份的前述Ρ層以及部份的前述作用層直至 < 曝露前述η層；以及 口丨刀 經由導線將前述η層的前述所曝露之部分之—一 聯或並聯連接至一相鄰發光單元的前述ρ層:母者串 7·如申請專利範圍第6項所述之方法曰，其更包括. • 在進行餘刻前述ρ層以及前述作用層之前匕形成— 絕緣層以填人介於前述壓概之縣單元的ν空間。

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