TWI425659B - 發光二極體元件 - Google Patents

Description

發光二極體元件

本發明係關於一種發光二極體元件。

發光二極體(light emitting diode,LED)是一種由半導體材料製作而成的發光元件。由於發光二極體係屬冷發光，具有耗電量低、元件壽命長、反應速度快等優點，再加上體積小容易製成極小或陣列式元件的特性，因此近年來隨著技術不斷地進步，其應用範圍涵蓋了電腦或家電產品的指示燈、液晶顯示裝置的背光源乃至交通號誌或是車用指示燈。而改善發光二極體之出光效率一直是業界努力的方向。

請參照圖1所示，一種習知的發光二極體元件1係包含一基板11及一磊晶層12，磊晶層12設置於基板11上，在電壓驅動下，藉由磊晶層12內電子與電洞的結合而發出光線。基板11之材質例如為藍寶石(sapphire)，磊晶層12之材質例如為氮化鎵(GaN)系列半導體材料。藍寶石的折射率約為1.77，氮化鎵的折射率為2.4～2.5，而藉由司乃耳定律可知，當光線由折射率大的介質進入折射率小的介質時，若入射角大於臨界角，會產生全反射。故，當光從發光二極體元件1射入空氣時，易在發光二極體元件1與空氣之邊界產生全反射。

圖2為發光二極體元件1的出光模擬示意圖，由圖2可知，由於光線在基板11底部的邊緣以及磊晶層邊緣(虛線範圍)產生全反射的機率甚高，故少有光線從此處射出，而大大降低出光效率。

因此，如何提供一種發光二極體元件，能夠提升出光效率，進而提升產品競爭力，實為當前重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠提升出光效率之發光二極體元件。

為達上述目的，依據本發明之一種發光二極體元件包含一基板以及一磊晶層。基板具有相對之一第一側及一第二側以及一環形側，環形側分別鄰接第一側及第二側。磊晶層設置於基板之第一側，其中環形側具有一內凹結構由環形側延伸至第二側。

為達上述目的，依據本發明之另一種發光二極體元件包含一基板以及一磊晶層。基板具有相對之一第一側及一第二側以及一環形側，環形側分別鄰接第一側及第二側。磊晶層設置於基板之第一側，其中環形側具有一內凹結構由環形側延伸至第一側及磊晶層。

在本發明之一實施例中，內凹結構具有一弧面或一平面，例如由複數弧面、複數平面、或複數弧面及平面所構成之內凹結構。

在本發明之一實施例中，當內凹結構為一弧面時，弧面具有一半徑，基板及磊晶層具有一高度，該高度與該半徑之比值係大於等於2且小於等於40。或者，該半徑大於5微米並小於100微米。

在本發明之一實施例中，基板之第一側具有一凹凸結構。凹凸結構例如是包含方形、波浪形或三角形。

承上所述，本發明之發光二極體元件具有一內凹結構由基板之環形側延伸至第二側及/或由環形側延伸至基板之第一側及磊晶層。藉由內凹結構之幾何形狀，可使得光線由發光二極體元件射至外界時，其入射角變小，而降低全反射之機率，並因而提升發光效率。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種發光二極體元件，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖3為本發明較佳實施例之一種發光二極體元件2之立體示意圖，圖4為發光二極體元件2的側視示意圖。請參照圖3及圖4所示，本發明較佳實施例之一種發光二極體元件2係包含一基板21以及一磊晶層22。磊晶層22係設置於基板21上。

基板21之材質可例如包含藍寶石(sapphire)、碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)或矽(Si)，於此係以藍寶石為例。基板21具有一第一側211、一第二側212以及一環形側213。第一側211與第二側212相對設置，於此第一側211與第二側212皆以平面為例，另外，在其他實施例中，第一側211及第二側212可為非平面，例如弧面、或具有微結構等。環形側213係環設於基板21外緣，並且分別鄰接第一側211及第二側212。例如基板21實質為一長方體，而環形側213係包含長方體的四個側面。

磊晶層22設置於基板21之第一側211。磊晶層22可為任意之半導體層，例如包含一P型半導體層及一N型半導體層，且可依據發光二極體之功能，例如藍光二極體、綠光二極體、紅光二極體等等，而變化磊晶層22之材質。磊晶層22之材質可例如包含氮化鎵(GaN)或磷化鋁銦鎵(AlInGaP)。

其中，環形側213具有一內凹結構(concave structure)214由環形側213延伸至第二側212。本實施例不限制內凹結構214之形狀，其可例如包含一弧面或一平面，即可具有至少一弧面、或具有至少一平面、或具有至少一弧面與至少一平面，當然，其亦可具有其他幾何形狀之表面而構成為一內凹結構。另外，圖3所示之內凹結構214係環設於基板21外緣，而在其他實施例中，內凹結構可僅存在於基板21部分外緣、或間斷地(discretely)存在於基板21外緣。

如圖4所示為內凹結構214具有一弧面之態樣，另外，圖5A至圖5C顯示內凹結構214之其他態樣，其中，圖5A係內凹結構214具有兩弧面，圖5B係內凹結構214具有兩弧面之另一態樣，圖5C係內凹結構214具有兩平面之態樣。

請參照圖4所示，當內凹結構214具有一弧面時，弧面具有一半徑R，基板21及磊晶層22具有一高度H，較佳者係高度H與半徑R之比值(H/R)大於等於2且小於等於40。另外，以其他較佳標準來說，半徑R可大於5微米且小於100微米。

圖6為發光二極體元件2的出光模擬示意圖，由圖6可知，在基板21底部的角落(虛線範圍)，即內凹結構214範圍，有光線穿出。藉由內凹結構214之幾何形狀，可使得光線由發光二極體元件2射至外界時，其入射角變小，因而降低全反射之機率，並提升發光效率。

另外，如圖7之放大示意圖所示，發光二極體元件2之基板21之第一側211可具有一凹凸結構215(sawtooth-like structure)。藉由凹凸結構215亦可增加光線由磊晶層22射至基板21之散射及/或繞射光線而提高發光效率。凹凸結構215可例如藉由對基板21進行蝕刻製程而形成。凹凸結構215可例如包含規則圖案如方形、梯形、波浪形、三角形或其他幾何形狀，於此係以方形為例，或者不規則之幾何圖案。而圖8A及圖8B分別為凹凸結構215為波浪形及三角形之示意圖。

圖9所示為本發明另一較佳實施例之一種發光二極體元件3，其係包含一基板31以及一磊晶層32。其中，基板31及磊晶層32之材料及特性可參照上述實施例所述，於此不再贅述。基板31具有相對之一第一側311及一第二側312、以及一環形側313，環形側313分別鄰接第一側311及第二側312。磊晶層32設置於基板31之第一側311。

其中，環形側313具有一內凹結構33由環形側313延伸至第一側311及磊晶層32。內凹結構33之形狀及特性可參照上述實施例之內凹結構214之敘述，於此不再贅述。圖10為發光二極體元件3的出光模擬示意圖，由圖10可知，在磊晶層32與基板31結合處的角落(虛線範圍)，即內凹結構33範圍，有光線穿出。藉由內凹結構33之幾何形狀，可使得光線由發光二極體元件3射至外界時，其入射角變小，因而降低全反射之機率，並提升發光效率。

另外，上述實施例之凹凸結構亦可應用於本實施例，於此不贅述。此外，上述所有實施例之內凹結構214及33可結合應用於單一發光二極體元件內，進而顯著提升發光效率。

綜上所述，本發明之發光二極體元件具有一內凹結構由基板之環形側延伸至第二側及/或由環形側延伸至基板之第一側及磊晶層。藉由內凹結構之幾何形狀，可使得光線由發光二極體元件射至外界時，其入射角變小，而降低全反射之機率，並因而提升發光效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2、3．．．發光二極體元件

11、21、31．．．基板

12、22、32．．．磊晶層

211、311．．．第一側

212、312．．．第二側

213、313．．．環形側

214、33．．．內凹結構

215．．．凹凸結構

H．．．高度

R．．．半徑

圖1為一種習知之發光二極體元件的示意圖；

圖2為圖1之發光二極體元件的出光模擬示意圖；

圖3為本發明較佳實施例之一種發光二極體元件的立體示意圖；

圖4為本發明較佳實施例之發光二極體元件的側視示意圖；

圖5A至圖5C為內凹結構之不同態樣的示意圖；

圖6為圖3之發光二極體元件的出光模擬示意圖；

圖7為本發明較佳實施例之發光二極體元件之基板之第一側具有凹凸結構的示意圖；

圖8A及圖8B分別為凹凸結構為波浪形及三角形的示意圖；

圖9為本發明另一較佳實施例之一種發光二極體元件的示意圖；以及

圖10為圖9之發光二極體元件的出光模擬示意圖。

2．．．發光二極體元件

21．．．基板

211．．．第一側

212．．．第二側

213．．．環形側

214．．．內凹結構

22．．．磊晶層

H．．．高度

R．．．半徑

Claims (12)

1. 一種發光二極體元件，包含：一基板，具有相對之一第一側及一第二側以及一環形側，該環形側分別鄰接該第一側及該第二側；以及一磊晶層，設置於該基板之該第一側，其中該環形側具有一內凹結構由該環形側延伸至該第二側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該內凹結構具有一弧面或一平面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中當該內凹結構具有一弧面時，該弧面具有一半徑，該基板及該磊晶層具有一高度，該高度與該半徑之比值係大於等於2且小於等於40。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中當該內凹結構具有一弧面時，該弧面具有一半徑，且該半徑大於5微米，小於100微米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該基板之該第一側具有一凹凸結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體元件，其中該凹凸結構包含方形、波浪形或三角形。
7. 一種發光二極體元件，包含：一基板，具有相對之一第一側及一第二側以及一環形側，該環形側分別鄰接該第一側及該第二側；以及一磊晶層，設置於該基板之該第一側，其中該環形側具有一內凹結構由該環形側延伸至該第一側及該磊晶層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體元件，其中該內凹結構具有一弧面或一平面。
9. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體元件，其中當該內凹結構具有一弧面時，該弧面具有一半徑，該基板及該磊晶層具有一高度，該高度與該半徑之比值係大於等於2且小於等於40。
10. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體元件，其中當該內凹結構具有一弧面時，該弧面具有一半徑，且該半徑大於5微米，小於100微米。
11. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體元件，其中該基板之該第一側具有一凹凸結構。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體元件，其中該凹凸結構包含方形、波浪形或三角形。