TWI434437B - 發光元件、發光元件封裝及照明裝置 - Google Patents

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Description

發光元件、發光元件封裝及照明裝置
本發明係關於發光元件、發光元件封裝及照明裝置。
由於薄膜成長技術及薄膜元件技術的發展，使用三五族或二六族元素的複合物半導體所製成的發光元件已可發出各種顏色的光，例如，紅光、綠光、藍光、及紅外線。此類發光元件包括發光二極體及雷射二極體。螢光材料的使用及其所造成的色彩組合，使得發光元件可以發出發光效率良好的白光。相較於螢光燈及白熾燈等的傳統光源，此類發光元件具有消耗功率低、使用壽命長、響應速度快、安全及對環境友善等的優點。
此類發光元件亦可廣泛地應用於光通訊的傳輸模組、發光二極體背光源以取代冷陰極管(cold cathode fluorescence lamp,CCFL)所構成的液晶顯示器(LED)背光源、白光發光二極體以取代螢光燈及白熾燈、汽車頭燈、甚至是交通號誌燈。
本發明係關於一種發光元件、發光元件封裝、及照明裝置。
本發明之主要目的為改善發光元件、發光元件封裝、及照明裝置的發光效率，並減低其操作電壓。
根據本發明的一方面，一實施例提供一種發光元件，其包括：一承載部；一發光結構，設置於該承載部上，該發光結構包含一第一導電性型半導體層、一第二導電性型半導體層、及一主動層，該主動層設置於該第一及第二導電性型半導體層之間；一第一氮化物半導體層，設置於該第二導電性型半導體層上；一第二氮化物半導體層，設置於該第一氮化物半導體層上，並包含一不平坦的結構；以及一第一電極墊片，設置於該發光結構上；其中，該第二氮化物半導體層具有一開口，該第一電極墊片穿過該開口接觸至該第一氮化物半導體層，且該第一氮化物半導體層的功函數小於該第二氮化物半導體層的功函數。
該第二氮化物半導體層可以是含有銦(In)的氮化物半導體層。或者，該第一及第二氮化物半導體層亦可以是由n型氮化鎵(nGaN)所組成，且該第一氮化物半導體層包含銦。
或者，該第一及第二氮化物半導體層亦可以分別是由含銦的氮化物半導體層所構成，該第一氮化物半導體層的銦含量大於該第二氮化物半導體層的銦含量。
該承載部可以是選自由銅、金、鎳、鉬、及銅鎢所組成的導電材料群中的至少一者，且該發光元件進一步包括一歐姆層，該歐姆層設置於該承載部與該發光結構之間。
該承載部可以是一具透光性的基板。
該第二導電性型半導體層、該主動層、及該第一導電性型半導體層可以被台面蝕刻，以外露出部分的該第一導電性型半導體層，且該發光元件進一步包括一第二電極墊片，該第二電極墊片設置於該第一導電性型半導體層的外露部分上。
該第一電極墊片可設置於該開口中，且未接觸該具有不平坦結構的第二氮化物半導體層。該不平坦的結構可包含一光子晶體結構或一粗糙結構。
該第一氮化物半導體層於該開口所外露的部分可具有一粗糙結構。該第一電極墊片可接觸該第一氮化物半導體層的該粗糙結構。
該發光元件可進一步包括一反射層，其設置於該承載部與該歐姆層之間。該發光元件可進一步包括一電流隔絕層，其設置於該歐姆層與該第二導電性型半導體層之間。該發光元件可進一步包括一絕緣層，其設置於該發光結構以及該第一及第二氮化物半導體層的一側面上。該發光元件可進一步包括一保護層，其設置於該承載部上，以圍繞該反射層及該歐姆層的側面上。
在本發明的另一方面，另一實施例提供一種發光元件封裝，其包括：一封裝主體；一發光元件，設置於該封裝主體上；一第一及第二電極層，設置於該封裝主體上，該第一及第二電極連接至該發光元件；以及一填充材料，圍封該發光元件；其中，該發光元件包括一承載部；一發光結構，設置於該承載部上，該發光結構包含一第一導電性型半導體層、一第二導電性型半導體層、及一主動層，該主動層設置於該第一及第二導電性型半導體層之間；一第一氮化物半導體層，設置於該第二導電性型半導體層上；一第二氮化物半導體層，設置於該第一氮化物半導體層上，並包含一不平坦的結構；以及一第一電極墊片，設置於該發光結構上；其中，該第二氮化物半導體層具有一開口，該第一電極墊片穿過該開口接觸至該第一氮化物半導體層，且該第一氮化物半導體層的功函數小於該第二氮化物半導體層的功函數。
在本發明的又另一方面，又另一實施例提供一種照明系統，其包括：一光源，包含位於一基板上的複數個發光元件封裝；一殼架，用以容置該光源；一散熱單元，用以消散該光源的熱；以及一支托架，用以固定該光源及該散熱單元至該殼架；其中，該發光元件封裝包含一封裝主體；一發光元件，設置於該封裝主體上；一第一及第二電極層，設置於該封裝主體上，該第一及第二電極連接至該發光元件；以及一填充材料，圍封該發光元件；其中，該發光元件包括一承載部；一發光結構，設置於該承載部上，該發光結構包含一第一導電性型半導體層、一第二導電性型半導體層、及一主動層，該主動層設置於該第一及第二導電性型半導體層之間；一第一氮化物半導體層，設置於該第二導電性型半導體層上；一第二氮化物半導體層，設置於該第一氮化物半導體層上，並包含一不平坦的結構；以及一第一電極墊片，設置於該發光結構上；其中，該第二氮化物半導體層具有一開口，該第一電極墊片穿過該開口接觸至該第一氮化物半導體層，且該第一氮化物半導體層的功函數小於該第二氮化物半導體層的功函數。
為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明本發明的實施例如後。在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。
在本發明的實施例說明中，對於一膜層(薄膜)、區域、圖案或結構形成於一基板、膜層(薄膜)、區域、墊片或圖案之上或下的描述，前述的「上面/上(on)」或「下面/下(under)」係指該膜層(薄膜)、區域、圖案或結構「直接地(directly)」或「間接地(indirectly)」形成於該基板、膜層(薄膜)、區域、墊片或圖案之上或下的情況，而包含設置於其間的其他膜層。
為了說明上的便利和明確，圖式中各層的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各構成要素的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
圖1為根據本發明之較佳實施例的發光元件之透視圖。如圖1所示，該發光元件包含一承載部160、一歐姆層150、一發光結構105、一第一氮化物半導體層190、一第二氮化物半導體層170、及一第一電極墊片180。
該導電的金屬承載部160承載該發光結構105。該導電的金屬承載部160可包含銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、及銅鎢(Cu-W)中的至少一者，並且可以包含單一或複數個層膜。該導電的金屬承載部160可作為電極之用，以連接至一第二導電性型半導體層140，此將詳述於後。
雖然該導電的金屬承載部160可作為該發光元件的基板之用，且該氮化物半導體可直接設置於該導電的金屬承載部160，該氮化物半導體及該導電金屬承載部160的歐姆特性可藉由形成一透明電極及其類似物的該歐姆層150而得到改善。
該歐姆層150設置於該導電的金屬承載部160上，以與該發光結構105的第二導電性型半導體層140形成歐姆接觸，以利於該發光結構105的電源供應。
該歐姆層150可選擇性地採用透光的導電層或金屬膜，其包含選自由氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide,IZO)、氧化銦鋅錫(indium zinc tin oxide,IZTO)、氧化銦鋁鋅(indium aluminum zinc oxide,IAZO)、氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,IGZO)、氧化銦鎵錫(indium gallium tin oxide,IGTO)、氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide,AZO)、氧化銻醯基錫(antimony tin oxide,ATO)、氧化鎵鋅(gallium zinc oxide,GZO)、氧化銥(IrOx )、氧化釕(RuOx )、RuOx/ITO、鎳、銀、金、鉑(Pt)、銠(Rh)、Ni/IrOx /Au、及Ni/IrOx /Au/ITO中的至少一者。該歐姆層150可以是單層膜或多層膜的結構。特別是，該歐姆層150可以是包含鎳及金的雙層透明電極層。該透明電極層可增加電流注入面積及形成歐姆接觸，藉以降低順向電壓(Vf )。
一反射層(圖中未示)可設置於該歐姆層150與該導電金屬承載部160之間，用以反射該發光結構105所產生的光，以提高光的提取效率(extraction efficiency)。該反射層的組成材料可以是選自銀、鎳、鋁、銠、鉛、銥(Ir)、釕(Ru)、鎂、鋅、鉑、金、及鉿(Hf)、或其合金中的至少一者。
該發光結構105設置於該歐姆層150上，且包含該第二導電性型半導體層140、一主動層130、及一第一導電性型半導體層120。
該第二導電性型半導體層140可以是p型的Inx Aly Ga(1-x-y) N複合物半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1；例如，氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化銦(InN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)、及氮化鋁銦(AlInN)，並可摻雜p型雜質，例如鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、或鋇(Ba)。
該主動層130設置於該第二導電性型半導體層140上。該主動層130可包含Inx Aly Ga(1-x-y) N的複合物半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1。該主動層130可包含量子線(Quantum Wire)、量子點(Quantum Dot)、單量子井(Quantum Well)、或多重量子井(Multi Quantum Well,MQW)等結構中的至少一者。
該主動層130用以發光，其能量為該第一導電性型半導體層120及該第二導電性型半導體層140所提供的電子及電洞復合的過程所產生的能量。
該第一導電性型半導體層120設置於該主動層130上。該第一導電性型半導體層120可包含n型的Inx Aly Ga(1-x-y) N複合物半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1；例如，氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化銦(InN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)、及氮化鋁銦(AlInN)，並可摻雜n型雜質，例如矽、鍺、錫(Sn)、硒(Se)、或碲(Te)。
一未摻雜的半導體層(圖中未示)可設置於該第一導電性型半導體層120及該主動層130上。該未摻雜的半導體層用以改善該第一導電性型半導體層120的結晶性，其組成材料可以相同於該第一導電性型半導體層120，惟其導電性低於該第一導電性型半導體層120，這是因為該未摻雜的半導體層並沒有n型雜質摻雜於其中。
以下另舉一例說明之。該第一導電性型半導體層120可以是p型的半導體層，該第二導電性型半導體層140可以是n型的半導體層。此外，一第三導電性型半導體層(圖中未示)可形成於該第一導電性型半導體層120上。該第三導電性型半導體層包含一n型的半導體層或p型的半導體層，使得本實施例的發光元件具有np、pn、npn、及pnp等接面結構中的其中一者。該第一導電性型半導體層120及該第二導電性型半導體層140的導電性型雜質濃度可以是相同或不同的。換言之，該等半導體層可以是多樣的結構，本發明並不對此結構做限制。
該第一氮化物半導體層190設置於該第一導電性型半導體層120上，其可以是含有銦(In)的氮化物半導體。舉例而言，該第一氮化物半導體層190可以是氮化銦鎵(InGaN)層，該氮化銦鎵層可藉由摻雜銦雜質於n型氮化鎵(nGaN)而形成，且其厚度介於0.01μm至5.0μm之間。
該第二氮化物半導體層170設置於該第一氮化物半導體層190上，且該第二氮化物半導體層170具有一可圖案化成不平坦形狀或凹凸結構172的表面。該第二氮化物半導體層170可以是n- 摻雜的複合物半導體材料Inx Aly Ga(1-x-y) N，其中0x1，0y1，且0x+y1，其厚度介於0.01μm至5.0μm之間。該第一氮化物半導體層190具有一功函數，其小於該第二氮化物半導體層170的功函數。
舉例而言，該第一氮化物半導體層190可以是摻雜銦的nGaN，該第二氮化物半導體層170可以是nGaN。或是該第一氮化物半導體層190及該第二氮化物半導體層170可以分別是摻雜銦的nGaN，且該第一氮化物半導體層190的銦含量大於該第二氮化物半導體層170的銦含量。
該第二氮化物半導體層170的表面形成有該不平坦形狀172。舉例而言，該不平坦形狀172形成於該第二氮化物半導體層170的表面上；該不平坦形狀172亦可以是一光子晶體結構或粗糙結構。該光子晶體結構可藉由光罩及蝕刻技術來製作，該粗糙結構可藉由化學表面處理技術來製作。此外，該不平坦形狀172可以是奈米錐體(nanocone)。特別是，該第二氮化物半導體層170具有一開口175，以露出一部分的該第一氮化物半導體層190。
此外，該第一電極墊片180可設置於被該開口175所露出的該第一氮化物半導體層190上。該第一電極墊片180穿過該開口175而接觸至該第一氮化物半導體層190。該第一電極墊片180亦可以設置於該開口175中，且與該第二氮化物半導體層170互相隔開，使得該第一電極墊片180不會接觸至該第二氮化物半導體層170。
在被該開口175所露出的部分，該第一氮化物半導體層190具有一粗糙或凹凸結構185(如圖4所示)。該粗糙結構185的功用是使該第一氮化物半導體層190外露部分的表面積增大。
此外，該第一電極墊片180接觸該第一氮化物半導體層190的該粗糙結構185。因為該粗糙結構185可增加該第一電極墊片180與該第一氮化物半導體層190之間的黏著力，該第一電極墊片180與該第一氮化物半導體層190之間的接觸面積將可增加。
該第一電極墊片180的組成材料可以選自鉻(Cr)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈦(Ti)、及鉑(Pt)的金屬材料中的任何一者，或上述金屬的合金。
該第一電極墊片180可以直接接觸至該第一氮化物半導體層190；其中，由於該第一氮化物半導體層190(摻雜銦的nGaN)的功函數大於該第二氮化物半導體層170(未摻雜或是低濃度摻雜銦的nGaN)的功函數，該第一氮化物半導體層190具有減低該發光元件之操作電壓的功用。
圖2A至2F繪示根據本發明之較佳實施例的發光元件之製作流程的結構剖面圖。如圖2A所示，一發光結構形成於一基板100上。該基板100的組成材料可以是藍寶石(sapphire,Al2 03 )、氮化鎵、碳化矽、氧化鋅、矽、磷化鎵、磷化銦、氧化鎵(Ga2 03 )、或砷化鎵。該發光結構的組成材料亦可以是氮化物半導體。該發光結構可包含一第一導電性型半導體層120、一主動層130、及一第二導電性型半導體層140。
該發光結構可以金屬有機化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、化學氣相沈積(CVD)、電漿加強式化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、混合式氣相磊晶(Hybride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)等薄膜成長技術來製作，但其製作該發光結構的方法不限於上述技術。
此外，一緩衝層110可形成於該發光結構與該基板100之間。該緩衝層110可以是低溫成長的氮化鎵層或氮化鋁層，用以調節該基板100與該發光結構之間的晶格不匹配以及熱膨脹係數差異。
此外，該第一導電性型半導體層120可形成於該緩衝層110上。舉例來說，該第一導電性型半導體層120可以包含一n型半導體層，其組成材料選自具有Inx Aly Ga1-x-y N成分的半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1；例如，氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化銦(InN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)、及氮化鋁銦(AlInN)等，並摻雜以n型的雜質，例如矽、鍺、錫、硒、或碲等。
一未摻雜的半導體層可形成於該第一導電性型半導體層120之下。該未摻雜的半導體層用以改善該第一導電性型半導體層120的結晶性，其組成材料可以相同於該第一導電性型半導體層120，惟其導電性低於該第一導電性型半導體層120，這是因為該未摻雜的半導體層並沒有n型雜質摻雜於其中。
該主動層130形成於該第一導電性型半導體層120上。該主動層130具有單量子井或多重量子井的結構，亦可以包含量子線或量子點的結構。該主動層130可包含三五族元素的複合物半導體所組成的井(well)層及障礙層，其包含至少一週期的InGaN井層/GaN障礙層、InGaN井層/AlGaN障礙層、或InGaN井層/InGaN障礙層。一氮化鎵半導體所組成的導電性型覆蓋層可形成於該主動層130之上或/及下。
接著，該第二導電性型半導體層140成長於該主動層130上。該第二導電性型半導體層140可以包含具有Inx Aly Ga1-x-y N成分的氮化物半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1，並摻雜以p型的雜質，例如，鎂或鋅。
如圖2B所示，一歐姆層150及一導電的承載部160形成於該第二導電性型半導體層140上。該導電的承載部160可包含鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、銅(Cu)、及金(Au)中的至少一者，並且可以是單一層膜或複數層膜的結構，以作為電極之用，連接至該第二導電性型半導體層140。
此外，由於該第二導電性型半導體層140所摻雜的雜質濃度低，而導致其接觸電阻高及歐姆特性差，因此，該歐姆層150可以是一透明電極層，以改善其歐姆特性。舉例來說，該歐姆層150的組成材料可以是氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、鎳、銀、鋁、或鉑。特別是，該歐姆層150可以是包含鎳及金的雙層透明電極層。該透明電極層可增加電流注入面積並形成歐姆接觸，藉以降低順向電壓Vf 。
接著請參照圖2C，移除該緩衝層110及該基板100。該基板100的移除可採用準分子(excimer)雷射的雷射剝離(laser lift-off,LLO)、乾式或溼式蝕刻製程。
當以雷射剝離技術進行該基板100的移除，藉由能量小於該基板100的能帶間隙且大於該第一導電性型半導體層120的能帶間隙之雷射光束，該緩衝層110將吸收該雷射光束，而造成該基板100的分離。
接著請參照圖2D，一第二氮化物半導體層170形成於該第一導電性型半導體層120上。該第二氮化物半導體層170可以是n- 摻雜的複合物半導體材料Inx Aly Ga(1-x-y) N，其中0x1，0y1，且0x+y1；特別是，其厚度介於0.01μm至5.0μm之間。
接著，一不平坦形狀或凹凸結構172形成於該第二氮化物半導體層170的表面上。該不平坦形狀172可以是藉由光罩及蝕刻製程所形成的光子晶體結構，或是藉由化學表面處理技術所形成的粗糙結構。此外，該不平坦形狀172可以是奈米錐體。接著，一部分的該第二氮化物半導體層170被移除，以形成一開口174。該開口174將可使該第一導電性型半導體層120直接外露出。
較佳的，該第二氮化物半導體層170是以低溫的(400℃至900℃)金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)來成長；特別是以600℃至800℃的製程溫度。
舉例來說，不同於該第一導電性型半導體層120、該主動層130、及該第二導電性型半導體層140的製程條件，該第二氮化物半導體層170的成長條件為低溫(400℃至900℃)且低氨氣(NH3 )流率。藉由製程溫度及氨氣流率的控制，該具有不平坦形狀172的第二氮化物半導體層170將可以形成於該第一導電性型半導體層120上；例如，該不平坦形狀172為奈米錐體。
在該第二氮化物半導體層170成長的過程中，藉由控制水平與垂直方向的成長比率，或是控制製程溫度及氨氣流率等參數，可形成金字塔(pyramid)的形狀。倘若製程溫度及氨氣流率皆提高，則水平方向的成長比率增加；而若製程溫度及氨氣流率皆降低，則垂直方向的成長比率將增加。藉由此類製程參數的控制，將可形成奈米錐體於該第一導電性型半導體層120上。
此外，部分的該第二氮化物半導體層170被移除，以形成一開口174。該開口174將可使部分的該第一導電性型半導體層120外露出。
接著請參照圖2E，一第一電極墊片180形成於被該開口174所露出的該第一導電性型半導體層120上；藉此，該第一電極墊片180可直接接觸至該第一導電性型半導體層120。該第一電極墊片180的組成材料可以選自鉻、鎳、金、鋁、鈦、及鉑的金屬材料中的任何一者，或上述金屬的合金。
圖2F繪示根據本發明另一較佳實施例的發光元件之結構剖面圖，其不同於根據圖2D至2E所描述的實施例；但圖2A至2C亦為其相同的製作流程步驟。
接著請參照圖2F，一第一氮化物半導體層190形成於該第一導電性型半導體層120上，該第一導電性型半導體層120係藉由雷射剝離技術而外露出。接著，一第二氮化物半導體層170形成於該第一氮化物半導體層190上。該第一氮化物半導體層190及該第二氮化物半導體層170分別同於根據圖1的描述。此外，該不平坦形狀172可以是光子晶體結構、粗糙結構、或奈米錐體，而形成於該第二氮化物半導體層170的表面上。
接著，部分的該第二氮化物半導體層170將被移除，以形成一開口175。該開口175將可使部分的該第一氮化物半導體層190外露出。此外，一第一電極墊片180可形成於被該開口175所露出的該第一氮化物半導體層190上；藉此，該第一電極墊片180可直接接觸至該第一氮化物半導體層190。
該第一氮化物半導體層190可以是藉由摻雜銦雜質至n型氮化鎵(nGaN)而形成，且其厚度介於0.01μm至5.0μm之間。該第一氮化物半導體層190所具有的功函數小於該第二氮化物半導體層170的功函數。
該第一氮化物半導體層19()(摻雜銦的nGaN)的功函數大於該第二氮化物半導體層170(未摻雜或是低濃度摻雜銦的nGaN)的功函數；因此，接觸至該第一氮化物半導體層190的該第一電極墊片180具有相當低的功函數，藉以減低該發光元件之操作電壓的功用。
圖3A至3F繪示根據本發明之另一較佳實施例的發光元件之製作流程的結構剖面圖。根據本實施例的製作流程，各步驟的元件結構剖面將分別如圖3A至3F所示。
請參照圖3A，一發光結構205形成於一基板200上。該發光結構205可以由氮化物半導體層所構成。該發光結構205可包含一第一導電性型半導體層210、一主動層220、及一第二導電性型半導體層230。此外，一緩衝層(未示於圖中)可形成於該發光結構205與該基板200之間。
此外，該第一導電性型半導體層210、該主動層220、及該第二導電性型半導體層230的材料及堆疊方法相同於如圖1所示的發光元件。
接著請參照圖3B，該第二導電性型半導體層230、該主動層220、及部分的該第一導電性型半導體層210將進行台面蝕刻(mesa etched)，以外露出一個區域的該第一導電性型半導體層210。前述的台面蝕刻可採用反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)技術。
接著請參照圖3C，一氮化物半導體層240形成於該第二導電性型半導體層230上。該氮化物半導體層240可以是p- 摻雜的複合物半導體材料Inx Aly Ga(1-x-y) N，其中0x1，0y1，且0x+y1；特別是，該氮化物半導體層240為厚度介於0.01μm至5.0μm之間的p型氮化鎵(pGaN)。
一不平坦形狀或凹凸結構172(例如：奈米錐體)形成於該氮化物半導體層240的表面上。接著，一部分的該氮化物半導體層240被移除，以形成一開口255。該開口255將可使部分位於該氮化物半導體層240下方的該第二導電性型半導體層230外露出。
接著請參照圖3D，一第二電極墊片250形成於被該開口255所露出的該第二導電性型半導體層230上。該第二電極墊片250的組成材料可以是選自鉻、鎳、金、鋁、鈦、及鉑的金屬材料中的任何一者，或上述金屬的合金。
接著請參照圖3E，一第一電極墊片260形成於被前述台面蝕刻所露出的該第一導電性型半導體層210上。該第一電極墊片260的組成材料可相同於該第二電極墊片250，且該第一電極墊片260可與該第二電極墊片250同時製作。
圖3F繪示根據本發明另一較佳實施例的發光元件之結構剖面圖，其不同於根據圖3A至3E所描述的實施例。
如圖3F的實施例可藉由兩種不同的方法來實現。
首先描述第一種方法如下。
請參照圖3A及3B，該發光結構205形成於該基板200上。該發光結構205具有該第一導電性型半導體層210、該主動層220、及該第二導電性型半導體層230堆疊於其上；且該發光結構205被台面蝕刻，以外露出部分的該第一導電性型半導體層210。
該基板200的組成材料可以是透光材料，例如：藍寶石基板、矽基板、氧化鋅基板、或氮化物半導體基板，或是一模版基板，其具有氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN),碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、氧化鎵(Ga2 O3 )、及砷化鎵(GaAs)中的至少一者堆疊於其上。
一第一氮化物半導體層270形成於該第二導電性型半導體層230上，且一第二氮化物半導體層240形成於該第一氮化物半導體層270上。接著，該不平坦形狀或凹凸結構172(例如：奈米錐體)形成於該第二氮化物半導體層240上。接著，部分具有該不平坦形狀172的該第二氮化物半導體層240被移除，以形成一開口265。該開口265將可使該第一氮化物半導體層270外露出。
該第二電極墊片250形成於被該開口265所露出的該第一氮化物半導體層270上，且該第一電極墊片260形成於被前述台面蝕刻所露出的該第一導電性型半導體層210上。
第二種方法描述如下。
在該第一導電性型半導體層210、該主動層220、及該第二導電性型半導體層230依序形成於該基板200上之後，該第一氮化物半導體層270及該第二氮化物半導體層240又另形成於該第二導電性型半導體層230上。該第一氮化物半導體層270與該第二氮化物半導體層240可分別相同於根據圖1所述的該第一氮化物半導體層190與該第二氮化物半導體層170。
接著，該不平坦形狀172(例如：奈米錐體)形成於該第二氮化物半導體層240上。接著，該第二氮化物半導體層240、該第一氮化物半導體層270、該第二導電性型半導體層230、該主動層220、及部分的該第一導電性型半導體層210將進行台面蝕刻，以外露出部分的該第一導電性型半導體層210。接著，在前述的台面蝕刻之後，部分的該第二氮化物半導體層240被移除，以形成一開口265。該開口265將可使部分的該第一氮化物半導體層270外露出。
接著，該第二電極墊片250形成於藉由該開口265而露出的該第一氮化物半導體層270上，而該第一電極墊片260形成於被前述台面蝕刻而露出的該第一導電性型半導體層210上。
綜上所述，本實施例的該第二電極墊片250接觸該第一氮化物半導體層270，其功函數相對小於該第二導電性型半導體層230的功函數，具有減低該發光元件之操作電壓的功用。此外，對於如圖1所示的垂直式發光元件，其電極係分別設置於該發光結構105的頂端及底部，而使電流為垂直方向的流向；因此，具有減低操作電壓及提高散熱能力的功用。
圖4為根據本發明之另一較佳實施例的發光元件之剖面圖。如圖4所示，該發光元件包含一導電的承載部160、一反射層715、一歐姆層150、一保護層725、一電流隔絕層730、一發光結構105、一第一氮化物半導體層190、一第二氮化物半導體層170、一絕緣層740、及一第一電極墊片180。各個構件或元素標號與圖1所標示相同者，係表示相同的構件，且其描述或說明如同於前，在此不再贅述。
該反射層715設置於該歐姆層150與該導電承載部160之間，用以反射該發光結構105所產生的光，以提高光的提取效率。該反射層715的組成材料可以是選自銀、鎳、鋁、銠、鉛、銥、釕、鎂、鋅、鉑、金、及鉿中的至少一者，或上述金屬的合金。然而，此用以加強光提取效率的反射層715並非是必要的。
該保護層725設置於該承載部160上，以圍繞該反射層715及該歐姆層150的各側面。該保護層725用以防止該發光結構105與該承載部160的介面遭到剝離(lifting off)。前述的剝離現象將會造成該發光元件的可靠性變差。該保護層725的組成材料可以是非導電性的；例如，該保護層725組成材料的導電性可低於該反射層715或該歐姆層150，亦可以是電性絕緣材料，例如氧化鋅(ZnO)或氧化矽(SiO2 )。
該電流隔絕層730設置於該歐姆層150與該第二導電性型半導體層140之間。該電流隔絕層730的設置將與該第一電極墊片180至少有部份的重疊，此將詳述於後。該電流隔絕層730可減低該第一電極墊片180與該導電承載部160之間的電流濃度，以改善該發光元件的發光效率。
該電流隔絕層730組成材料可以是導電性低於該反射層715或該歐姆層150的材料、與該第二導電性型半導體層140形成蕭特基接觸(Schottky contact)的材料、或是電性絕緣的材料。舉例來說，該電流隔絕層730的組成材料可以是選自氧化鋅、氧化矽、氮氧化矽(SiON)、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鈦(TiO2 )、鈦、鋁、及鉻中的至少一者。
該發光結構105設置於該歐姆層150及該電流隔絕層730上，該第一氮化物半導體層190設置於該發光結構105上，且該第二氮化物半導體層170設置於該第一氮化物半導體層190上。
該第一電極墊片180設置於該第二氮化物半導體層170上，並與該電流隔絕層730在垂直方向上有所重疊。該垂直方向係指該第二導電性型半導體層140面向該第一導電性型半導體層120的方向。
該絕緣層740設置於該發光結構105、該第一氮化物半導體層190、及該第二氮化物半導體層170的複數個側面上。該絕緣層740亦設置於該第二氮化物半導體層170部份的頂端面上，及該保護層725部份的頂端面上；但本發明並不限制該絕緣層740設置方式。該絕緣層740用以電性地保護該發光結構105、該第一氮化物半導體層190、及該第二氮化物半導體層170。舉例來說，該絕緣層740的組成材料可以是二氧化矽(SiO2 )、氧化矽(SiOx )、氮氧化矽(SiOx Ny )、氮化矽(Si3 N4 )、或氧化鋁(Al2 O3 )，但不以此為限。
圖5為根據本發明較佳實施例的發光元件封裝之剖面示意圖。如圖5所示，該發光元件封裝包含：一封裝主體320、一第一電極層311、一第二電極層312、一發光元件300、及一填充材料340。該第一及第二電極層311/312設置於該封裝主體320上；該發光元件300設置於該封裝主體320內，並電性連接該第一及第二電極層311/312；該填充材料340圍封該發光元件300。該發光元件300相同於前述各實施例所述之發光元件。
該封裝主體320的組成材料可以是矽膠、合成樹酯、或金屬，並在鄰近該發光元件300的周圍形成斜面，藉此可提升光的提取效率。
該第一電極層311及第二電極層312是互相電性隔離的，並藉以供應電源給該發光元件300。此外，該第一電極層311及第二電極層312可藉由反射該發光元件300的發光而增加光提取效率，且能將該發光元件300的發熱驅散至該發光元件封裝之外側。
該發光元件300可以裝設於該封裝主體320、該第一電極層311、或是該第二電極層312之上。
該發光元件300可藉由接線焊接(wire bonding)、覆晶(flip chip)或晶粒黏接(die bonding)的方式，電性連接至該第一電極層311及第二電極層312。
該填充材料340可圍繞並封住該發光元件300以保護之。此外，該填充材料340可以包含螢光材料，藉以改變該發光元件300所發出光的波長。
該發光元件封裝可裝設一個或多個依據以上所述的實施例之發光元件，但本發明並不限制可於該發光元件封裝上的發光元件數量。
此外，複數個前述的發光元件封裝可陣列式地設置於基板上。導光板、棱柱片(prism sheet)、擴散片、及其類似物的光學元件亦可設置於該發光元件封裝的光路徑上。該發光元件封裝、該基板、及該等光學元件可用以組成一照明裝置。另外，本發明亦可利用前述的半導體發光元件或發光元件封裝，製作顯示裝置、指示裝置、或照明系統等實施例。該照明系統可包含燈光或街燈。
圖6為一根據本發明較佳實施例的照明裝置之分解透視圖，該照明裝置包含前述實施例的發光元件封裝應用於此。如圖6所示，該照明裝置系統包含一光源600、一殼架400、一散熱單元500、以及一支托架700；其中，該光源600用以發光；該殼架400用以容置該光源600；該散熱單元500用以散去該光源600的熱；且該支托架700用以固定該光源600及該散熱單元500至該殼架400。
該殼架400包含一插座固定部410及一主體部420；該插座固定部410用以固定該殼架400至一電插座(圖中未示)；該主體部420連接至該插座固定部410，藉以容置該光源600。該主體部420可包含氣流開孔430，藉以使氣流穿過其中。
複數個氣流開孔430可形成於該殼架400的主體部420內。該氣流開孔430可以是單一個孔洞，或是設置成如圖所示之放射狀的複數孔洞。此外，該氣流開孔430亦可以是其他樣式的排列。
此外，該光源600包含一基板610及複數個設置於該基板610上的發光元件封裝650。該基板610的形狀可使其被置入該殼架400的開口內，且該基板610是由高導熱性的材料所組成，藉以將熱量傳導至該散熱單元500。
此外，該支托架700設置於該光源600之下，其包含一框架及另外的氣流開孔。一光學構件可設置於該光源600的下半部(圖中未示)，藉以造成該發光元件封裝650所發出的光產生偏離、散射、或聚集。本實施例的照明裝置採用經光效率改良的發光元件封裝，藉以改善該照明裝置的發光效率。
圖7A為一根據本發明較佳實施例的顯示裝置之結構分解透視圖，該顯示裝置具有前述實施例之發光元件封裝。圖7B則為如圖7A顯示裝置的光源部份之結構剖面圖。
如圖7A及7B所示，該顯示裝置包含一背光單元、一液晶顯示面板860、一頂蓋870、及一固定構件851/852/853/854。
該背光單元包含一底蓋810、一發光模組880、一反射板820、一導光板830、及一光學構件840。該發光模組880設置於該底蓋810的一內側面上；該導光板830設置於該反射板820的前方上，藉以將該發光模組880的發光導向該顯示裝置的前方；該光學構件840設置於該導光板830的前方上。該液晶顯示面板860設置於該光學構件840的前方上；該頂蓋870設置於該液晶顯示面板860的前方上；該固定構件851/852/853/854設置於該底蓋810與該頂蓋870之間，用以將該底蓋810與該頂蓋870固定在一起。
該導光板830用以引導該發光模組880的發光成面光源；在該導光板830尾部的該反射板820用以使該發光模組880的發光反射至該導光板830，以改善發光效率。該反射板820可以是如圖所示的分離構件，或是形成於該導光板830尾部或該底蓋810前方的高反射性材料塗層。該反射板820的組成材料可以是高反射性且可製成薄膜的材料，例如PET(PolyEthylene Terephtalate)。
此外，該導光板830散射該發光模組880所發出的光，以形成該液晶顯示面板860整個螢幕區域均勻的發光分佈。因此，該導光板830的組成材料可以是折射性及穿透性良好的材料，例如聚甲基丙烯酸酯(PolyMethylMethAcrylate,PMMA)、聚碳酸酯(PolyCarbonate,PC)、或聚乙烯(PolyEthylene,PE)。
此外，該導光板830上的光學構件840用以將該導光板830的發光偏離在一預先設定的角度。該光學構件840使該導光板830所引導的光能夠均勻導向該液晶顯示面板860。
該光學構件840可以是一選擇式堆疊的光學薄片，例如擴散片841、棱柱片(prism sheet) 842、或保護片或微透鏡片(micro-lens sheet) 843。可使用多個上述的光學薄片，且該等光學薄片的組成材料可以是壓克力(acryl)樹酯、聚氨酯(polyurethane)樹酯、或是透明樹酯，例如矽膠樹酯。此外，該棱柱片可包含一螢光片。
該液晶顯示面板860可設置於該光學構件840的前方。而除了該液晶顯示面板860之外，需要光源的其他種類顯示裝置亦可裝置於該光學構件840的前方。
該反射板820設置於該下蓋板810上，且該導光板830設置於該反射板820上。因此，該反射板820可直接接觸到一散熱構件(圖中未示)。該發光模組880包含一發光元件封裝881及一印刷電路板882。該發光元件封裝881裝設於該印刷電路板882上，且該發光元件封裝881可以是如圖5的實施例。
該印刷電路板882可黏接至一托座812，該托座812是由高導熱性的材料所組成，藉以固定該發光元件封裝882並散去其所產生的熱量。圖中雖未繪示，但一熱墊片可裝設於該托座812與該發光元件封裝881之間，以便於熱量的傳送。另如圖所示，該托座812為L型，使得其橫向部812a可支托於下蓋板810上，且該印刷電路板882可固定至其縱向部812b。
綜上所述，本發明之發光元件、發光元件封裝、及照明裝置的光學效率可得到改善。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
100/200．．．基板
110．．．緩衝層
105/205．．．發光結構
120/210．．．第一導電性型半導體層
130/220．．．主動層
140/230．．．第二導電性型半導體層
150．．．歐姆層
160．．．承載部
170．．．第二氮化物半導體層
240．．．氮化物半導體層
172‧‧‧不平坦形狀
715‧‧‧反射層
174/175/255/265‧‧‧開口
725‧‧‧保護層
180/260‧‧‧第一電極墊片
730‧‧‧電流隔絕層
190‧‧‧第一氮化物半導體層
740‧‧‧絕緣層
185‧‧‧粗糙結構
810‧‧‧底蓋
250‧‧‧第二電極墊片
812‧‧‧托座
300‧‧‧發光元件
812a‧‧‧橫向部
311‧‧‧第一電極層
812b‧‧‧縱向部
312‧‧‧第二電極層
820‧‧‧反射板
320‧‧‧封裝主體
830‧‧‧導光板
340‧‧‧填充材料
840‧‧‧光學構件
400‧‧‧殼架
841‧‧‧擴散片
410‧‧‧插座固定部
842‧‧‧棱柱片
420‧‧‧主體部
843‧‧‧微透鏡片
430‧‧‧氣流開孔
851/852/853/854‧‧‧固定構件
500‧‧‧散熱單元
860‧‧‧液晶顯示面板
600‧‧‧光源
870‧‧‧頂蓋
610‧‧‧基板
880‧‧‧發光模組
650‧‧‧發光元件封裝
881‧‧‧發光元件封裝
700‧‧‧支托架
882‧‧‧印刷電路板
圖1為根據本發明之較佳實施例的發光元件之透視圖。
圖2A至2E為根據本發明之較佳實施例的發光元件之製作流程的結構剖面圖。
圖2F為根據本發明另一較佳實施例的發光元件之結構剖面圖。
圖3A至3F為根據本發明之另一較佳實施例的發光元件之製作流程的結構剖面圖。
圖4為根據本發明之另一較佳實施例的發光元件之剖面圖。
圖5為根據本發明較佳實施例的發光元件封裝之剖面示意圖。
圖6為根據本發明較佳實施例的照明裝置之分解透視圖，
圖7A為根據本發明較佳實施例的顯示裝置之結構分解透視圖，該顯示裝置具有前述實施例之發光元件封裝。
圖7B則為如圖7A顯示裝置的光源部份之結構剖面圖。
105．．．發光結構
120．．．第一導電性型半導體層
130．．．主動層
140．．．第二導電性型半導體層
150．．．歐姆層
160．．．承載部
170．．．第二氮化物半導體層
172．．．不平坦形狀
175．．．開口
180．．．第一電極墊片
190．．．第一氮化物半導體層
185．．．粗糙結構
715．．．反射層
725．．．保護層
730．．．電流隔絕層
740．．．絕緣層

Claims (20)

  1. 一種發光元件，其包括：一承載部；一發光結構，設置於該承載部上，該發光結構包含一第一導電性型半導體層、一第二導電性型半導體層、及一主動層，該主動層設置於該第一及第二導電性型半導體層之間；一第一氮化物半導體層，設置於該第二導電性型半導體層上；一第二氮化物半導體層，設置於該第一氮化物半導體層上，並包含一不平坦的結構；以及一第一電極墊片，設置於該發光結構上；其中，該第二氮化物半導體層具有一開口，其外露出部分的該第一氮化物半導體層；其中，該第一電極墊片穿過該開口而直接接觸至該第一氮化物半導體層的外露部分，且該第一電極墊片並未接觸該第二氮化物半導體層；其中，該第一氮化物半導體層之外露部分的功函數小於該第二氮化物半導體層的功函數；及其中，該第一氮化物半導體層或該第二氮化物半導體層為含有銦的氮化物半導體層，該第一氮化物半導體層的外露部分之銦含量大於該第二氮化物半導體層的銦含量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第二氮化物半導體層為一含有銦(In)的氮化物半導體層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一及第二氮化物半導體層係由n型氮化鎵(nGaN)所組成，且該第一氮化物半導體層包含銦。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一氮化物半導體層與該第二氮化物半導體層的組成材料為氮化銦鎵(InGaN)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一氮化物半導體層與該第二氮化物半導體層的組成材料為氮化銦鋁鎵(InAlGaN)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該承載部係由選自由銅、金、鎳、鉬、及銅鎢所組成的導電材料群中的至少一者，且該發光元件進一步包括一歐姆層，該歐姆層設置於該承載部與該發光結構之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該承載部為一具透光性的基板。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該第二導電性型半導體層、該主動層、及該第一導電性型半導體層被蝕刻，以外露出部分的該第一導電性型半導體層，且該發光元件進一步包括一第二電極墊片，該第二電極墊片設置於該第一導電性型半導體層的外露部分上。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，其中該第一氮化物半導體層的厚度介於0.01μm至5.0μm之間。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，其中該第二氮化物半導體層的厚度介於0.01μm至5.0μm之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一氮化物半導體層的組成材料為氮化銦鎵(InGaN)，且該第二氮化物半導體層的組成材料為氮化鎵(GaN)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該不平坦的結構包含一光子晶體結構或一粗糙結構。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一氮化物半導體層於該開口所外露的部分具有一粗糙結構。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該第一電極墊片接觸該第一氮化物半導體層的該粗糙結構。
  15. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，進一步包括：一反射層，設置於該承載部與該歐姆層之間。
  16. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，進一步包括：一電流隔絕層，設置於該歐姆層與該第二導電性型半導體層之間。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，進一步包括：一絕緣層，設置於該發光結構以及該第一及第二氮化物半導體層的一側面上。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之發光元件，進一步包括：一保護層，設置於該承載部上，以圍繞該反射層及該歐姆層的側面上。
  19. 一種發光元件封裝，其包括：一封裝主體；一發光元件，設置於該封裝主體上；一第一及第二電極層，設置於該封裝主體上，該第一及 第二電極連接至該發光元件；以及一填充材料，圍封該發光元件；其中，該發光元件包括一承載部；一發光結構，設置於該承載部上，該發光結構包含一第一導電性型半導體層、一第二導電性型半導體層、及一主動層，該主動層設置於該第一及第二導電性型半導體層之間；一第一氮化物半導體層，設置於該第二導電性型半導體層上；一第二氮化物半導體層，設置於該第一氮化物半導體層上，並包含一不平坦的結構；以及一第一電極墊片，設置於該發光結構上；其中，該第二氮化物半導體層具有一開口，其外露出部分的該第一氮化物半導體層；其中，該第一電極墊片穿過該開口而直接接觸至該第一氮化物半導體層的外露部分，且該第一電極墊片並未接觸該第二氮化物半導體層；其中，該第一氮化物半導體層的功函數小於該第二氮化物半導體層的功函數；及其中，該第一氮化物半導體層或該第二氮化物半導體層為含有銦的氮化物半導體層，該第一氮化物半導體層的外露部分之銦含量大於該第二氮化物半導體層的銦含量。
  20. 一種照明系統，其包括： 一光源，包含位於一基板上的複數個發光元件封裝；一殼架，用以容置該光源；一散熱單元，用以消散該光源的熱；以及一支托架，用以固定該光源及該散熱單元至該殼架；其中，該發光元件封裝包含一封裝主體；一發光元件，設置於該封裝主體上；一第一及第二電極層，設置於該封裝主體上，該第一及第二電極連接至該發光元件；以及一填充材料，圍封該發光元件；其中，該發光元件包括一承載部；一發光結構，設置於該承載部上，該發光結構包含一第一導電性型半導體層、一第二導電性型半導體層、及一主動層，該主動層設置於該第一及第二導電性型半導體層之間；一第一氮化物半導體層，設置於該第二導電性型半導體層上；一第二氮化物半導體層，設置於該第一氮化物半導體層上，並包含一不平坦的結構；以及一第一電極墊片，設置於該發光結構上；其中，該第二氮化物半導體層具有一開口，該第一電極墊片穿過該開口接觸至該第一氮化物半導體層，且該第一氮化物半導體層的功函數小於該第二氮化物半導體層的功函數。
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