TWI451598B - 發光元件及發光元件封裝 - Google Patents

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TWI451598B
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Description

發光元件及發光元件封裝
本發明係關於發光元件及發光元件封裝。
由於薄膜成長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及發光元件封裝。
本發明之主要目的係提供一種發光元件，其具有改良的發光效率。
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，該主動層介於該第一及第二導電性型半導體層之間，用以發出一第一波長範圍的光；以及一再發光層，設置於該發光結構上，該再發光層包含一氮化物半導體；其中，該再發光層吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值；該再發光層具有多層膜的結構，各層膜具有的銦(In)含量不同，且其中頂端層膜的銦含量最高。
該第一波長範圍的光可包含藍光。
該第一波長範圍的光可包含紫外光。
該再發光層可包含一氮化銦鎵層。
該再發光層可包含一Inx Aly Ga1-x-y N層，其中0≦x≦1，0≦y≦1。
該發光結構可包含一凹凸的結構，設置於該發光結構的表面。
該再發光層可設置於該發光結構之凹凸的結構上，並具有一預設的厚度。
該再發光層可包含一凹凸的結構，係依據該發光結構之凹凸的結構而形成。
該再發光層可保形地覆蓋於該發光結構上。
該再發光層可設置於該第一導電性型半導體層或該第二導電性型半導體層上。
該再發光層可設置於一n型半導體或p型半導體上。
該發光元件可進一步包括一電極，設置於該再發光層上。
該電極可包含一金屬，選自由鉬(Mo)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、金(Au)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、釩(V)、鎢(W)、鉛(Pd)、銅(Cu)、銠(Rh)、及銥(Ir)組成的金屬群，或上述金屬的合金。
該發光元件可進一步包括一歐姆層，設置於該第二導電性型半導體層上。
該歐姆層包含選自由氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鋅錫(IZTO)、氧化銦鋁鋅(IAZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵錫(IGTO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銻醯基錫(ATO)、氧化鎵鋅(GZO)、氮化IZO(IZON)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銥(IrOx)、氧化釕(RuOx)、氧化鎳(NiO)、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、銀、鎳、鉻、鈦、鋁、銠、鉛、銥、錫、銦、釕、鎂、鋅、鉑、金、及鉿組成的群體中的至少一者。
該發光元件可進一步包括一金屬支持物，設置於該歐姆層上。
該金屬支持物包含一選自由鉬、矽、鎢、銅、及鋁所組成的物質群，或上述物質群的合金。
該再發光層設置於該第一導電性型半導體層的表面及該第二導電性型半導體層的表面上。
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，該發光元件包括：一發光結構，包含一第一導電性型半導體層、一主動層、一第二導電性型半導體層、及一電極，該主動層設置於該第一導電性型半導體層上，用以發出一第一波長範圍的光，該第二導電性型半導體層設置於該主動層上；及一再發光層，設置於該第二導電性型半導體層上，該再發光層包含一氮化物半導體，用以吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值；一第一及第二電極層，設置於該封裝主體上，該第一及第二電極層連接該發光元件；以及一填充材料，用以圍繞該發光元件；其中，該再發光層具有多層膜的結構，各層膜具有的銦含量不同，且其中頂端層膜的銦含量最高。
在本發明的又另一方面，另一實施例提供一種照明系統，其包括：一光源模組，包含一基板及一發光元件，該發光元件設置於該基板上；一光導板，用以引導該光源模組發出的光；一光膜片，設置於該光導板的前表面上，用以擴散該光導板所引導出的光；以及一底蓋，用以容置該光源模組、該光導板、及該光膜片；其中，該發光元件包括：一發光結構，包含一第一導電性型半導體層、一主動層、及一第二導電性型半導體層，該主動層設置於該第一導電性型半導體層上，用以發出一第一波長範圍的光，該第二導電性型半導體層設置於該主動層上，且一電極設置於該發光結構上；及一再發光層，設置於該第二導電性型半導體層上，該再發光層包含一氮化物半導體，用以吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值；其中，該再發光層具有多層膜的結構，各層膜具有的銦含量不同，且其中頂端層膜的銦含量最高。
根據前述實施例的發光元件及其製造方法、及發光元件封裝，其發光效率可被增強。
必須了解的是，不論是上述的一般性描述或是以下對奔發明的詳細描述，皆是欲示範性及說明性的提供本發明的概念。
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。
以下的實施範例併同其圖示，用以使本發明的目的得以具體化的描述。
在本發明的實施例說明中，各層(膜)、區域、圖案或結構形成於基板、各層(膜)、區域、墊片或圖案的「上面/上(on)」或「下面/下(under)」的描述，係包括「直接(directly)形成於其上/下」，及「間接(indirectly)形成於其上/下，而包含設置於其間的其他層」的情況。另外，對於各層的上或下，係以圖式為基準進行說明。
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為根據本發明實施例的發光元件之側向剖面示意圖，用以參考並描述該發光元件的第一實施例如下。
如圖1所示，該發光元件包含：一基板100、一發光結構、以及一再發光層140。該發光結構包含：一第一導電性型半導體層110、一主動層120、及一第二導電性型半導體層130；該第一導電性型半導體層110設置於該基板100上，該主動層120設置於該第一導電性型半導體層110上用以發光，該第二導電性型半導體層130設置於該主動層120上，且該再發光層140設置於該第二導電性型半導體層130上。
該主動層140可依據不同的實施例而發出不同波長的光，且本發明對於所發出光的波長範圍並不加以限制。
一第一電極150設置於該第一導電性型半導體層110上，且一第二電極160可設置於該第二導電性型半導體層130上。
該基板100包含一導電基板或介電質基板，例如：藍寶石(Al2 O3 )、碳化矽(SiC)、矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、鍺Ge)、或氧化鎵(Ga2 03 )。一凹凸的結構可設置於該基板100上，但並不因此而限制本發明。溼式清洗技術可施用於該基板100，以消除該基板100表面上的雜質。
一緩衝層(圖中未示)可成長於該發光結構及該基板100之間，以減少晶格不匹配及熱膨脹係數差異。該緩衝層可以是三五族的複合物半導體，例如：氮化鎵、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)、或氮化鋁銦(AlInN)。一未摻雜的半導體層亦可以設置於該緩衝層上，但並不因此而限制本發明。
該第一導電性型半導體層110亦可以設置於該基板100上。
該第一導電性型半導體層110可以是摻雜有第一導電性型雜質的三五族複合物半導體。若該第一導電性型半導體層110為一n型半導體層，則該第一導電性型雜質可以矽、鍺、錫(Sn)、硒(Se)、或碲(Te)作為n型雜質，但並不因此而限制本發明。
該第一導電性型半導體層110可以是Alx Iny Ga(1-x-y) N的半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1。該第一導電性型半導體層110亦可以由氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化銦鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鋁鎵、氮化鋁銦、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、砷化鋁銦鎵(AlInGaAs)、磷化鎵、磷化鋁鎵(AlGaP)、磷化銦鎵(InGaP)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)、及磷化銦中的一者以上所形成。
該主動層120用以發出具有一預設能量的光，該預設的能量是在經由該第一導電性型半導體層110而注入的電子與經由該第二導電性型半導體層130而注入的電洞遇合之後，由該主動層(發光層)獨特的能帶所決定。該第二導電性型半導體層130將描述於後文中。
該主動層120可以單量子井(Quantum Well)、多重量子井(Multi Quantum Well,MQW)、量子線(Quantum Wire)、量子點(Quantum Dot)結構中的至少一者來形成。舉例而言，可注入三甲基鎵(trimethylgallium gas,TMGa)、氨(NH3 )、氮、三甲基銦(trimethylindium,TMIn)等氣體，以在多重量子井結構中形成該主動層120，但並不因此而限制本發明。
該主動層120可另以InGaN/GaN、InGaN/InGaN、GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN、GaAs(InGaAs)/AlGaAs、及GaP(InGaP)/AlGaP等成對結構中的至少一者來形成一井層/障礙層的結構，但並不因此而限制本發明。該井層的組成材料具有一預設的能帶隙，其低於該障礙層的能帶隙。
一導電性型的覆蓋層(圖中未示)可設置於該主動層120之上及/或下。該導電性型的覆蓋層可以由AlGaN族的材料所構成，其能帶隙高於該主動層120的能帶隙。
該第二導電性型半導體層130可以是摻雜有第二導電性型雜質的三五族複合物半導體；例如，Inx Aly Ga1-x-y N的半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1。若該第二導電性型半導體層130為一p型半導體層，則該第二導電性型雜質可以鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、或鋇(Ba)作為p型雜質，但並不因此而限制本發明。
本實施例亦可以是該第一導電性型半導體層110為p型半導體層，而該第二導電性型半導體層130為n型半導體層。在該第二導電性型半導體層130上可形成一半導體，其極性(pole)與該第二導電性型相反；例如，若該第二導電性型半導體層130為p型半導體層，則該半導體為一n型半導體層(圖中未示)。因此，此發光結構可以是n-p、n-p-n、及p-n-p等接面結構中的其中一者。
該再發光層140成長於該第二導電性型半導體層130上。此處的該再發光層140可長成InGaN的多層膜結構，其各層膜具有的銦含量不同；其中銦含量高的層膜設置於該多層膜結構的上層，銦含量最高的層膜設置於該多層膜結構的最頂層。
因此，由銦含量過高所致薄膜層的結晶缺陷將不會影響本元件的電性操作。在此所謂的「最頂層」意指離該第二導電性型半導體層130最遠的層膜。此外，該再發光層140亦可以長成Inx Aly Ga1-x-y N的多層膜的結構，其中0x1且0y1。如圖2A至2E的實施例中，該第二導電性型半導體層130可具有一凹凸的結構；藉此，該再發光層140可被保形地(conformally)設置於該第二導電性型半導體層130上，且該再發光層140亦可能形成前述之凹凸的結構。也就是說，該再發光層140為含銦的氮化物半導體所組成，藉以發出長波長範圍的光，且該再發光層140可設置於該第二導電性型半導體層130上。由於該第二導電性型半導體層130及該含銦的再發光層140形成前述之凹凸的結構，使得該二層的應力相較於其平面結構者將相對地小，且具有較高的含銦量。
該第一電極150設置於該第一導電性型半導體層110上，且該第二電極160設置於該第二導電性型半導體層130上。該第一電極150及第二電極160的材料選自由鉬(Mo)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、金(Au)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、釩(V)、鎢(W)、鉛(Pd)、銅(Cu)、銠(Rh)、及銥(Ir)所組成的金屬群，或上述金屬的合金。
根據本實施例的發光元件，該主動層120發出第一波長範圍的光，該再發光層140吸收該第一波長範圍的光而發出第二波長範圍的光。特別是，該主動層120發出紫外光(UV)，該再發光層140吸收該紫外光而發出白光；或是該主動層120發出藍光，該再發光層140吸收該藍光而發出紅光及綠光(及黃光)。
換言之，來自n型半導體層的電子與來自p型半導體層的電洞將於發光層(該主動層120)結合，而依據該主動層120的銦含量而發出藍光或紫外光。
倘若該主動層120發出紫外光，則該再發光層140可能發出藍、綠、黃、及紅的混合光。
根據本實施例的發光元件，該主動層120發出的光激發該再發光層140，而使該再發光層140發光。該再發光層140所發出的光並非由該氮化物半導體層所注入的電子與電洞的結合而電性地產生，而是由該發光層所發出的光而光學地激發。因此，該再發光層140所發出的光極為穩定，其相對上因電流增加所致的頻譜變動較小。
圖2A至2E繪示第二實施例的發光元件的製作流程示意圖。以下將參照圖2A至2E而描述該發光元件的製作方法。
本實施例為如圖1實施例的發光元件之製作方法，或是包含該第二導電性型半導體層130的發光元件之製作方法，該第二導電性型半導體層130的表面形成前述之凹凸的結構。
首先，如圖2A所示，一發光結構包含一緩衝層(圖中未示)、一第一導電性型半導體層110、一主動層120、及一第二導電性型半導體層130，其成長於一基板100上。
舉例來說，該發光結構可依據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)及混合式氣相磊晶(Hybride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)等薄膜成長技術來製作，但不因此而限制本發明。
該基板100包含一導電基板或介電質基板，例如，可選自由藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅、磷化鎵、磷化銦、鍺、及氧化鎵所組成物質群中的至少一者。一凹凸的結構可設置於該基板100上，但並不因此而限制本發明。溼式清洗技術可施用於該基板100，以消除該基板100表面上的雜質。
一緩衝層(圖中未示)可成長於該發光結構及該基板100之間，以減少晶格不匹配及熱膨脹係數差異。該緩衝層可以是三五族的複合物半導體，例如，可選自由氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化銦鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鋁鎵、及氮化鋁銦所組成物質群中的至少一者。一未摻雜的半導體層亦可以設置於該緩衝層上，但並不因此而限制本發明。
該發光結構可以氣相薄膜成長技術來製作，例如：金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、及混合式氣相磊晶(HVPE)等。
該第一導電性型半導體層110的成分相同於前述實施例所描述的成分。依照此成分，n型氮化鎵可以化學氣相沈積(CVD)、分子束磊晶(MBE)、濺鍍(sputtering)或混合式氣相磊晶(HVPE)等來製作。含有n型雜質的矽烷(SiH4 )氣體，例如：三甲基鎵(TMGa)、氨、氮等氣體及矽，可通入反應腔室而形成該第一導電性型半導體層110。
該主動層120的成分相同於前述實施例所描述的成分。例如：三甲基鎵(TMGa)、氨、氮、及三甲基銦(TMIn)等氣體，可通入以形成多重量子井結構的該主動層120，但並不因此而限制本發明。
該第二導電性型半導體層130的成分相同於前述實施例所描述的成分。含有p型雜質的Bis-ethylcycropentadienylmagnesium(EtCp2 Mg,Mg(C2 H5 C5 H4 )2 )，例如：三甲基鎵(TMGa)、氨、氮等氣體及鎂，可通入反應腔室而形成該p型的氮化鎵層110，但並不因此而限制本發明。
如圖2B所示，該第二導電性型半導體層130、該主動層120、及部分的該第一導電性型半導體層110將進行台面蝕刻(mesa-etched)。也就是說，倘若採用以藍寶石基板為例的介電質基板，則電極無法設置於該基板的底面上；因此，必須保留一預定的空間，以作為電極製作之用。
前述的電極可採用以反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)為例的台面蝕刻技術來製作。在台面蝕刻完成後，該部分的第一導電性型半導體層110、該主動層120、及該第二導電性型半導體層130可外露出，如圖所示。
因此，如圖2C所示，該第二導電性型半導體層130可再成長為一凹凸的結構。在此，三維立體的差異式成長的模擬條件，使得該第二導電性型半導體層130可同時形成前述之凹凸的結構。
也就是說，該第二導電性型半導體層130的成長速度被局部性的增減，或是進行該第二導電性型半導體層130的氮化鎂(MgNx)或氮化矽(SiNx)的表面處理，藉以形成該凹凸的結構。藉由一遮罩以對該第二導電性型半導體層130進行乾式蝕刻，並可設置一光子晶體結構於該第二導電性型半導體層130的表面上。
此外，該第二導電性型半導體層130亦可以成長得相對比較厚，再採用溼式蝕刻來形成該凹凸結構。在此，該第二導電性型半導體層130的凹凸結構亦可以在台面蝕刻製程前(如圖2B所示)進行。
本實施例係提出該第二導電性型半導體層130的表面形成前述的凹凸結構。當所製作的發光元件為如圖1的實施例，則圖2C的步驟可以略去。
因此，如圖2D所示，該再發光層140可形成於該第二導電性型半導體層130上。該再發光層140可以是InGaN的多層膜結構，其各層膜具有不同的銦含量；其中銦含量最高的薄膜層設置於該多層膜結構的最頂層。因此，由銦含量過高所致薄膜層的結晶缺陷將不會影響本元件的電性操作。
該第二導電性型半導體層130的凹凸結構可使該再發光層140亦形成不平坦的形狀。
該含銦的再發光層140可發出長波長範圍的光。當該第二導電性型半導體層130及該含銦的再發光層140形成前述的凹凸結構，該二層的應力相較於其平面結構者將相對較小，且可具有較高的含銦量。
如圖2E所示，一第一電極150可設置於該第一導電性型半導體層110上，且一第二電極160可設置於該第二導電性型半導體層130上。部份的該第二導電性型半導體層130上未形成前述的凹凸結構，該第二電極160可設置於該部份不具凹凸結構的第二導電性型半導體層130上。
此外，該第二電極160亦可以設置於該凹凸結構的區域上。該第一電極150及第二電極160可以是單層或多層膜的結構，其材料選自由鋁、鈦、鉻、鎳、銅、及金所組成的金屬群。
上述的實施例所製作的發光元件可具有較佳的發光效率，這是因為設置於該第二導電性型半導體層130上的凹凸結構，以及該含銦的再發光層140又因該凹凸結構而受到較小的應力。
此外，該主動層120所發出一部或全部的光將會激發該凹凸結構上的再發光層140，而將黃光轉成紅光，產生長波長範圍的光。因此，該發光層(主動層120)所發出的藍光將被加至該再發光層140所發出的綠、黃、及紅光，而顯現出白光。
該含銦的再發光層140位於該發光元件的頂端，且受到該凹凸結構上較小的應力；因此，材料的內部量子發光效率(internal quantum luminous efficiency)可被明顯地增強。該凹凸結構上的晶體表面及應力分布可能造成該含銦的氮化物半導體薄膜中銦的相分離(phase-separation)。因此，可自發性的發出寬頻譜的光。
因此，前述可產生長波長範圍的光之高含量銦成分將可設置於該凹凸結構上，且該具有不同銦含量的氮化物薄膜將可沉積成多層膜的結構，而能有效取代傳統的螢光物質。
上述實施例的描述是以水平結構的晶片為基礎，但不因此而限制本發明。本實施例亦適用於垂直或覆晶(flip)的結構。
換言之，該再發光層140可設置於垂直結構或覆晶結構的晶片的頂端上。該主動層120所發出第一波長範圍的光可被轉換成波長較長的第二波長範圍的光。
圖2F為根據本發明第三實施例的發光元件之側視圖。
除了該再發光層140是設置於該第二導電性型半導體層130的整個表面之上，本實施例類似於前述的第二實施例。該第二電極160可與該再發光層140相連接。
該再發光層140的成分與前述實施例的描述相同；因此，可增加該再發光層140的面積，藉以提高對該主動層120所發出光的波長轉換能力。
圖3為根據本發明第四實施例的發光元件之側視圖。以下將參照圖3以描述本實施例的發光元件。
根據本實施例的發光元件包括一歐姆層240、一第二導電性型半導體層230、一主動層220、及一第一導電性型半導體層210；其中該第一導電性型半導體層210設置於一金屬支持物250上。
該金屬支持物250可作為電極之用，因此，具有良好導電性的金屬可作為該金屬支持物250的組成材料。又因為該金屬支持物250也用以散去該元件操作所產生的熱，具有良好導熱性的金屬可作為該金屬支持物250的組成材料。該金屬支持物250的組成材料可選自由鉬、矽、鎢、銅、及鋁所組成的物質群，或上述物質群的合金。該金屬支持物250的組成材料亦可以是金、銅合金、鎳、銅鎢、或載體晶圓(carrier wafer)，例如：氮化鎵、矽、鍺、砷化鎵、氧化鋅、鍺化矽(SiGe)、碳化矽、及氧化鎵(Ga2 03 )。此外，該金屬支持物250必須具有足夠的機械強度，以不致造成氮化物半導體的翹曲，並且可進行切割製程以將該半導體分割成較小尺寸的晶片。
該第二導電性型半導體層230具有低的雜質摻雜濃度；因此，其接觸電阻高而不具良好的歐姆(ohmic)性質。因此，一透明電極(歐姆層240)可設置於該第二導電性型半導體層230上，以改善此歐姆性質。
該歐姆層240的厚度約為200埃(angstrom)。該歐姆層240可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)、氮化IZO(IZON)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銥(IrOx)、氧化釕(RuOx)、氧化鎳(NiO)、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、銀、鎳、鉻、鈦、鋁、銠、鉛、銥、錫、銦、釕、鎂、鋅、鉑、金、及鉿所組成的物質群中的至少一者，但不因此而限制本發明。
雖然未繪示於圖中，但是一反射層及/或黏著層可設置於該歐姆層240與金屬支持物250之間。
該反射層的厚度約為2500埃。該反射層的組成材料可以是金屬，例如：鋁、銀、鎳、鉑、銠、或上述金屬的合金。前述的鋁、銀、或其類似物可有效的反射該主動層220所產生的光，以顯著地提高光提取效率(extraction efficiency)。
為了黏結該反射層至該金屬支持物250，該反射層可具有黏著層的功能，或是另形成一輔助黏著層。該黏著層可以由特定的材料所組成，其選自由金、錫、銦、矽、銀、鎳、鉑及銅所組成的材料群，或上述材料的合金。
該第二導電性型半導體層230、該主動層220、及該第一導電性型半導體層210的成分相同於前述實施例之描述。
根據本實施例，該第一導電性型半導體層210具有一凹凸的結構，且具有凹凸結構的該再發光層260可設置於該第一導電性型半導體層210上。也就是說，雖然在第一至第三實施例中，該再發光層140設置於該導電性型半導體層130上；然而本實施例的再發光層260係設置於該第一導電性型半導體層210上。
此處的該再發光層260可長成InGaN的多層膜結構，其各層膜具有不同的銦含量；其中銦含量最高的薄膜層設置於該多層膜結構的最頂層。因此，由銦含量過高所致薄膜層的結晶缺陷將不會影響本元件的電性操作。
根據本實施例的發光元件可以具有np、pn、npn、及pnp等接面結構中的至少一者。
圖4A至4G繪示第五實施例的發光元件之製作流程示意圖。以下將參照圖4A至4G而描述該發光元件的製作方法。
首先，如圖2A所示，一基板200上可成長一緩衝層(圖中未示)，且一發光結構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。
該發光結構的組成及製作上述各層的方法皆同於前述實施例之描述。
如圖4B所示，一歐姆層240及一金屬支持物250設置於該第二導電性型半導體層230上。
該歐姆層240的成分相同於前述實施例之描述，且該歐姆層240可以濺鍍或電子束氣相沉積(Electron Beam Vapor Deposition)來製作。
一反射層(圖中未示)可設置於該歐姆層240與金屬支持物250之間，且該反射層的厚度約為2500埃。該反射層的組成材料可以是金屬，例如：鋁、銀、鎳、鉑、銠、或上述金屬的合金。前述的鋁及銀可有效的反射該主動層220所產生的光，以顯著地提高光提取效率。
該金屬支持物250的組成與前文的描述相同。該金屬支持物250可以電化學金屬沉積或以低熔點(eutectic)金屬焊接等技術來製作。為了黏接該反射層至該金屬支持物250，該反射層可具有黏著的功能。此外，可另形成一黏著層，其組成材料可選自由金、錫、銦、矽、銀、鎳、鉑及銅所組成的材料群，或上述材料的合金。
如圖4C所示，可分離該基板200。該基板200的移除可採用雷射剝離(laser lift-off,LLO)、乾或溼蝕刻製程。
舉例來說，該基板200的移除可依據雷射剝離技術來進行。激發一預先設定波長的準分子雷射光束，並聚焦於該基板200的某一預設區域，則光的熱能量可集中於該基板200與該發光結構之間的界面。藉此，該界面可分解成鎵及氮分子；此時，該基板200在雷射光束經過後的區域，將瞬間發生分離。
圖4D繪示該發光結構分離成元件晶粒的示意圖。
如圖4E所示，該第一導電性型半導體層210可再成長為一凹凸的結構。在此，三維立體的差異式成長的模擬條件，使得該第一導電性型半導體層210可附加地形成該凹凸結構。該凹凸結構的製作方式與第二實施例的發光元件之描述相同。
如圖4F所示，該再發光層260可形成於該第一導電性型半導體層210上。該再發光層140可以是InGaN的多層膜結構，其各層膜具有不同的銦含量。該再發光層260的詳細成分與前述實施例相同。
如圖4F所示，一第二電極270可設置於該再發光層260上，且一鈍化層可設置於該發光結構的側面上。
本實施例與圖3的差異在於，該再發光層260係設置於該第一導電性型半導體層210的前面上，且該第二電極270與該再發光層260係互相連接。該第二電極270可以是單層或多層膜的結構，其成份選自由鋁、鈦、鉻、鎳、銅、及金所組成的金屬群。
該鈍化層280的組成可以是介電質材料，可能是不導電的氧化物或氮化物。例如，該鈍化層280的組成可以是氧化矽、氮氧化物、或氧化鋁。
本實施例依據前述製作程序的發光元件，其包含該發光層發出一第一波長範圍的光，而該再發光層吸收該第一波長範圍的光並藉以發出一第二波長範圍的光。
在前述實施例的發光元件中，該再發光層設置於該第一導電性型半導體層或該第二導電性型半導體層上。此外，該再發光層亦可同時設置於該第一導電性型半導體層及該第二導電性型半導體層的表面上。
圖5為根據本發明實施例的發光元件封裝之側向剖面示意圖，用以參考並描述該發光元件封裝的實施例如下。
如圖5所示，該實施例的發光元件封裝包含：一封裝主體320、第一及第二電極311/312、一發光元件300、一填充材料340。該第一及第二電極311/312設置於該封裝主體320內；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圍繞該發光元件300。
該封裝主體320的材料組成可以是矽、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，並藉以供應電壓給該發光元件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的發光而增加光的提取效率，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上，或是該第一電極層311及該第二電極層312其中一者之上。該發光元件300可藉由接線(wire)焊接、覆晶(flip chip)或晶粒黏接(die bonding)的方式，連接至該第一電極層311及第二電極層312。
該填充材料340圍繞該發光元件300以保護之。該填充材料340可以包含螢光材料，藉以改變該發光元件300發光的波長。本實施例因為已具有該再發光層140/260，該填充材料340可不包含螢光材料。
在本實施例的發光元件封裝中，該發光元件的再發光層受到激發而發光；所發出光相當穩定，其發光頻譜受電流增大的影響相當小。
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。
複數個前述的發光元件封裝可陣列式的設置於基板上。導光板、棱柱片(prism sheet)、及擴散片等光學元件可設置於該發光元件封裝的光路徑上。該發光元件封裝、基板、及該等光學元件可用以組成照明裝置。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，發展顯示裝置、指示裝置、或照明系統等實施例；例如，該照明系統可包含燈光或街燈。下文以照明裝置與背光單元作為具有前述發光元件封裝的照明系統之實施範例。
圖6為一照明裝置實施例的分解透視圖，該照明裝置包含前述實施例的發光元件封裝應用於此。
根據本實施例，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750；該散熱單元500用以驅散該光源600的熱；且該支托架700用以連接該光源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用以固定至至一電插座(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可包含氣孔430，藉以使氣流穿過其中。
複數個氣孔430可形成於該殼架400的主體部420內。該等氣孔430可設置成放射狀。此外，該等氣孔430亦可以是其他式樣的排列方式，不限於放射狀。
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具有一特定的形狀，使其可被設置於該殼架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。
該支托架700設置於該光源600之下，包含一框架及另一氣孔。光學構件可設置於該光源600的底側(圖中未示)，藉以造成該發光元件封裝650所發出的光偏離、散射、或聚集。
在本實施例的照明裝置中，該發光元件300的再發光層受到激發而發光；所發出光相當穩定，其發光頻譜受電流增大的影響相當小。
圖7為一具有前述發光元件封裝的背光單元的結構示意圖。
如圖7所示，本實施例的顯示裝置800包含光源模組830/835、一反射板820、一導光板840、第一及第二棱柱片850/860、一面板870及一濾光片880；其中，該反射板820於一底蓋810上；該導光板840設置於該反射板820的前面上，藉以將該光源模組的發光導向前方；且該光學構件840設置於該導光板840的前面上。該液晶顯示面板860設置於該光學構件840的前面上，該第一及第二棱柱片850/860設置於該導光板840的前方；該面板870設置於該第二棱柱片860之前；且該濾光片880設置於整個該面板870的表面上。
該光源模組830包含一基板832及一設置於該基板832上的發光元件封裝835。其中，該基板832可以是印刷電路板，且該發光元件封裝835可以是如同圖5實施例之描述。
該底蓋810可用以支持該顯示裝置800內部所有的組件。該反射板820可以是如圖所示的輔助元件，或是由高反射性的材料形成於該底蓋810上的薄膜。
該反射板820可以是由高反射性的材料所組成的薄膜，例如PET(PolyEthylene Terephtalate)。
該導光板840散射該發光元件封裝的發光，以形成該液晶顯示裝置800整個螢幕區域均勻的發光分佈。因此，該導光板840是由高折射性及穿透性的材料所組成，例如聚甲基丙烯酸酯(PolyMethylMethAcrylate,PMMA)、聚碳酸酯(PolyCarbonate,PC)、或聚乙烯(PolyEthylene,PE)。
該第一棱柱片850形成於一支撐膜層上，其組成成分為高透明及彈性的聚合物。該聚合物可具有棱柱層，該棱柱層可由複數個相同結構的圖案重複地組成。該圖案可以是條狀式的凸脊及凹槽，如圖所示。
該第二棱柱片860的支撐膜層表面所形成凸脊及凹槽的方向，可垂直於該第一棱柱片850的凸脊及凹槽方向。這是因為當光經過該光源模組及反射板之後，光必須均勻分佈於該面板870往前的方向上。
一保護片(圖中未示)可設置於該等棱柱片的其中一者之上。該保護片可包含一散光元件及一黏著劑，其設置於該支撐膜層的雙面上。該棱柱層的組成成分為選自由聚氨基甲酸酯(polyurethane,PU)、丁二烯/苯乙烯(butadiene-styrene)共聚合物、polyacrilate、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethacrylate)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、terephthalate合成橡膠、聚異戊二烯(polyisoprene)、及多晶矽(polysilicon)所組成的物質群。
一擴散片(圖中未示)可設置於該導光板840與該第一棱柱片850之間。該擴散片的組成成分為聚酯(polyester)及聚碳酸酯(PC)類的材料。由一背光(backlight)單元入射該擴散片的光可被折射及散射，使得其投射角度可被儘可能地擴大。該擴散片包含一支撐膜層、第一及第二膜層；其中該支撐膜層具有擴光劑(light-diffusing agent)，而該第一及第二膜層不具有擴光劑，且分別形成於其出光面(朝向該第一棱柱片)及入光面(朝向該反射片)上。
該支撐膜層可包含擴光劑部件及樹酯部件，該擴光劑部件包含0.1至10重量單位的矽氧烷(siloxane)基擴光劑，其平均顆粒尺寸為1至10μm；及0.1至10重量單位的丙烯醯(acryl)基擴光劑，其平均顆粒尺寸為1至10μm。該樹酯部件包含100重量單位的甲基丙烯酸/苯乙烯(methacrylic-acid/styrene)共聚合物及甲基丙烯酸甲酯/苯乙烯(methyl-methacrylate/styrene)共聚合物之混合物。
該第一及第二膜層相對於100重量單位的甲基丙烯酸甲酯/苯乙烯共聚合物而言，包含0.01至1重量單位的紫外光吸收劑及0.0001至10重量單位的antistic agent。
該擴散片的支撐膜層之厚度為100至10000μm，該第一及第二膜層之厚度皆為10至1000μm。
在本實施例中，該擴散片及該第一及第二棱柱片850/860組成一光學片。舉例來說，該光學片亦可以由微透鏡陣列及擴散片所組成，或是由單棱鏡片及微透鏡陣列所組成。
該面板870可設置於液晶顯示器或其他需要光源的顯示裝置上。在該面板870中，液晶位於玻璃體與偏光片之間；該偏光片設置於該玻璃主體上，用以設定光的極化。液晶的性質介於液體與固體之間，其為排列整齊而類似晶體的有機分子。液晶分子的排列可藉由外加的電場來調整，而用於影像的顯示。
用於顯示裝置的液晶顯示器可以是主動陣列式的，其以電晶體作為開關，藉以調整供予各畫素的電壓。
該濾光片880設置於該面板870的前表面上，可藉由各畫素而將投射自該面板870的光中，只傳送出紅、綠、或藍光；因此，可顯示影像。
在本實施例的顯示裝置中，該發光元件的再發光層受到激發而只發出一種光；因此，所發出光相當穩定，其發光頻譜受電流增大的影響相當小。
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
110/210．．．第一導電性型半導體層
120/220．．．主動層
130/230．．．第二導電性型半導體層
140/260．．．再發光層
150．．．第一電極
160/270．．．第二電極
240．．．歐姆層
250．．．金屬支持物
280．．．鈍化層
300．．．發光元件
311．．．第一電極
312．．．第二電極
320．．．封裝主體
340．．．填充材料
400．．．殼架
410．．．插座固定部
420．．．主體部
430．．．氣孔
500．．．散熱單元
600．．．光源
610．．．基板
650．．．光元件封裝
700．．．支托架
800．．．顯示裝置
810．．．底蓋
820．．．反射板
830．．．光源模組
832．．．基板
835．．．發光元件封裝
840．．．導光板
850．．．第一棱柱片
860．．．第二棱柱片
870．．．面板
880．．．濾光片
圖1為根據本發明第一實施例的發光元件之側剖面示意圖。
圖2A至2E為根據第二實施例的發光元件的製作流程示意圖。
圖2F為根據本發明第三實施例的發光元件之側剖面示意圖。
圖3為根據本發明第四實施例的發光元件之側剖面示意圖。
圖4A至4G為根據第五實施例的發光元件之製作流程示意圖。
圖5為根據本發明實施例的發光元件封裝之結構示意圖。
圖6為具有本發明發光元件封裝的照明裝置的分解結構圖。
圖7為具有本發明發光元件封裝的背光單元之結構示意圖。
100．．．基板
110．．．第一導電性型半導體層
120．．．主動層
130．．．第二導電性型半導體層
140．．．再發光層
150．．．第一電極
160．．．第二電極

Claims (21)

  1. 一種發光元件，其包括：一發光結構，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，該主動層介於該第一及第二導電性型半導體層之間，用以發出一第一波長範圍的光；以及一再發光層，設置於該發光結構上，該再發光層包含一氮化物半導體；其中，該再發光層吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值；以及其中，該發光結構包含一凹凸的結構，設置於該發光結構的表面，且該再發光層設置於該發光結構之凹凸的結構上，並具有一預設的厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一波長範圍的光包含一藍光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一波長範圍的光包含一紫外光。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層包含一氮化銦鎵層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層包含一Inx Aly Ga1-x-y N層，其中0≦x≦1，0≦y≦1。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層具有多層膜的結構，且各層膜具有的銦(In)含量不同。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中在該再發光層的多層膜中，頂端層膜的銦含量最高。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層包含一凹凸的結構，係依據該發光結構之凹凸的結構而形成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層係保形地覆蓋於該發光結構上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層設置於該第一導電性型半導體層或該第二導電性型半導體層上。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層設置於一n型半導體或p型半導體上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，進一步包括一電極，設置於該再發光層上。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該電極包含一金屬，選自由鉬(Mo)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、金(Au)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、釩(V)、鎢(W)、鉛(Pd)、銅(Cu)、銠(Rh)、及銥(Ir)組成的金屬群，或上述金屬的合金。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，進一步包括一歐姆層，設置於該第二導電性型半導體層上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之發光元件，其中該歐姆層包含選自由氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鋅錫(IZTO)、氧化銦鋁鋅(IAZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵錫(IGTO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銻醯基錫(ATO)、 氧化鎵鋅(GZO)、氮化IZO(IZON)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銥(IrOx)、氧化釕(RuOx)、氧化鎳(NiO)、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、銀、鎳、鉻、鈦、鋁、銠、鉛、銥、錫、銦、釕、鎂、鋅、鉑、金、及鉿組成的群體中的至少一者。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之發光元件，進一步包括一金屬支持物，設置於該歐姆層上。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中該金屬支持物包含一選自由鉬、矽、鎢、銅、及鋁所組成的物質群，或上述物質群的合金。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該再發光層設置於該第一導電性型半導體層的表面及該第二導電性型半導體層的表面上。
  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，該發光元件包括：一發光結構，包含一第一導電性型半導體層、一主動層、一第二導電性型半導體層、及一電極，該主動層設置於該第一導電性型半導體層上，用以發出一第一波長範圍的光，該第二導電性型半導體層設置於該主動層上；及一再發光層，設置於該第二導電性型半導體層上，該再發光層包含一氮化物半導體，用以吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值； 一第一及第二電極層，設置於該封裝主體上，該第一及第二電極層連接該發光元件；以及一填充材料，用以圍繞該發光元件；其中，該發光結構包含一凹凸的結構，設置於該發光結構的表面，且該再發光層設置於該發光結構之凹凸的結構上，並具有一預設的厚度。
  20. 一種照明系統，其包括：一光源模組，包含一基板及一發光元件，該發光元件設置於該基板上；一光導板，用以引導該光源模組發出的光；一光膜片，設置於該光導板的前表面上，用以擴散該光導板所引導出的光；以及一底蓋，用以容置該光源模組、該光導板、及該光膜片；其中，該發光元件包括：一發光結構，包含一第一導電性型半導體層、一主動層、及一第二導電性型半導體層，該主動層設置於該第一導電性型半導體層上，用以發出一第一波長範圍的光，該第二導電性型半導體層設置於該主動層上，且一電極設置於該發光結構上；及一再發光層，設置於該第二導電性型半導體層上，該再發光層包含一氮化物半導體，用以吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值；其中，該發光結構包含一凹凸的結構，設置於該發光結構的表面，且該再發光層設置於該發光結構之凹凸的 結構上，並具有一預設的厚度。
  21. 一種發光元件，其包括：一發光結構，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，該主動層介於該第一及第二導電性型半導體層之間，用以發出一第一波長範圍的光；一再發光層，設置於該發光結構上，該再發光層包含一氮化物半導體；以及一電極，設置於該再發光層上；其中，該再發光層吸收該第一波長範圍的光並且發出一第二波長範圍的光，該第二波長範圍的波長值大於該第一波長範圍的波長值。
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