TWI467807B - 覆晶式之發光二極體 - Google Patents

Description

覆晶式之發光二極體

本發明係有關一種可有效降低發光二極體操作電壓，提高流明/瓦，且可維持高的發光效率之高亮度、高功率之覆晶式之發光二極體。

近年來，已開發出以氮化物、磷化物為材料的高亮度發光二極體，其不僅可發出紅、藍、綠光，且可用以產生各色光與白光。

一般傳統的發光二極體，係直接製作發光二極體磊晶結構於基材上，且將陰極電極與陽極電極分別製作於發光二極體磊晶結構側與基材側，如此之結構，雖具有較佳的電流分佈效果，卻因發光層距離封裝基座較遠、熱傳導阻抗較大，而使發光二極體的操作溫度不易下降，阻礙了發光二極體往更大功率操作的可能！因此，近幾年則逐漸發展覆晶式(flip chip)之發光二極體。

覆晶式之發光二極體，係使發光二極體磊晶結構中的p型半導體層與n型半導體層，暴露於發光二極體磊晶結構的同一側，以能將陰、陽極電極製作於發光二極體磊晶結構的同一側上，因而，可採用覆晶方式封裝，以直接將設置有陰、陽極電極的發光二極體覆置於一封裝焊料上。如此，能免除採用傳統金屬拉線的需求，進而有效縮小封裝面積，同時由於發光層更接近封裝基座，發光二極體的熱阻因此下降，而使發光二極體的可靠性大幅提昇！

然而，覆晶式之發光二極體，雖然具有封裝上的優勢，卻因發光二極體磊晶結構中的p型半導體層與n型半導體層，暴露於發光二極體磊晶結構的同一側，加上半導體材料層的導電性較差，而使電流無法有效且均勻地從接點分散出去，發光二極體內部會發生部分區域電流密度過高之情況，因而影響整體亮度，降低使用壽命，進而影響發光二極體之發光效率。

本發明之主要目的在提供一種可有效降低發光二極體操作電壓，提高流明/瓦，且可維持高的發光效率之高亮度、高功率之覆晶式之發光二極體。

為達上述之目的，本發明所設之一種覆晶式之發光二極體，包括一透明基板，其上至少設置有一第一電性半導體層、一發光層、一第二電性半導體層、至少一第一歐姆導電部、一第二歐姆導電部及第三歐姆導電部，其中該至少一第一歐姆導電部係透過一連接通道而與第三歐姆導電部得以電性連接，且於第二電性半導體層上方以形成一第一電極區，而該第二歐姆導電部則設於相鄰於該等第一歐姆導電部之一側之透明基板上方，其上方形成一第二電極區。

為進一步了解本發明，以下舉較佳之實施例，配合圖示、圖號，將本發明之具體構成內容及其所達成的功效詳細說明如后：

請參閱第1圖，圖式內容為本發明覆晶式之發光二極體之一第一實施例，其係由一透明基板1、一第一電性半導體層2、一發光層3、複數個第一歐姆導電部(ohmic contact)4、一第二電性半導體層5及一第二歐姆導電部6所組成。

該透明基板1可為一藍寶石基板(Sapphire Substrate)玻璃、砷化鎵、磷化鎵、氮化鎵或碳化矽其中一種，該第一電性半導體層2形成於該透明基板1上，該第一電性半導體層2與透明基板1之間更設有一透明導電層11，該透明導電層11可為ITO、ZnO及其組合。該透明導電層11與透明基板1之間更設有一透明黏著層12，該透明黏著層12係選自於由熱固性樹脂苯並環丁烯(BCB)樹脂、聚醯胺(PI)、氟環丁烷(PFCB)、氧化銦錫(ITO)及其組合。

其中該透明導電層11上形成有第一表面111與第二表面112，該第一電性半導體2層係設於該透明基板1上透明導電層11上之第一表面111上，該發光層3形成於該第一電性半導體層2上，該發光層3之材料係選自於由AlGaInN、AlGaInP、GaAs、InGaAs、InP及AlGaAs所構成之族群中至少一者。

該第二電性半導體層5形成於該發光層3上，該複數個第一歐姆導電部4形成於該第二電性半導體層5上，而該第二電性半導體層5下另設有至少一第三歐姆導電部7，該第二電性半導體層5上之第一歐姆導電部4的總面積可大於第二電性半導體層5下之第三歐姆導電部7的總面積，且該第一歐姆導電部4與第三歐姆導電部7之間至少設有一個連接通道41，使該所有第一歐姆導電部4與所有第三歐姆導電部7得以電性連接，且該第二電性半導體層5下之第三歐姆導電部7係被一絕緣層71所覆蓋，以與該第一電性半導體層2隔離。又，該第一歐姆導電部4上結合有一反射層8，該反射層8上結合有一阻障層9。前述之阻障層9材質包括Ni、W、WN、TiN、Pt，反射層8之材料至少含有Ag、Al、Au、Rh、Ni及其合金，在該第一歐姆導電部4上方之阻障層9上形成一第一電極區X。

該第二歐姆導電部6則形成於該透明基板上透明導電層11上之第二表面112上，且相鄰於該第一歐姆導電部4，且該第二歐姆導電部6上方形成一第二電極區Y。該第二歐姆導電部6與透明導電層11間可設有一反射層8，另該第二歐姆導電部6與該反射層8間可設有一阻障層9，而前述之阻障層9材質包括Ni、W、WN、TiN、Pt，反射層8之材料至少含有Ag、Al、Au、Rh、Ni及其合金。

而該第一電性半導體層2可為P型、第二電性半導體層5為N型，或是設計為第一電性半導體層2為N型、第二電性半導體層5為P型。由於N型半導體具有較佳之導電率，可使用較少數目之金屬電極，以便減少遮光及增加亮度，因此本實施例較佳的設計為第一電性半導體層2為P型，第二電性半導體層5為N型。

此外，該第二電性半導體層5之上表面係為一圖形化之表面，以利形成一表面電漿(surface plasmon)，以增強發光之效率，該透明基板1可設為一具有一凹凸不平之表面，使發光向外輸出的機率增加，進而更有助於提升發光二極體之光取出效率以及整體之光輸出強度。而該第一電性半導體層與透明基板之接觸面亦可設為一凹凸不平之表面，以改善發光二極體內部的光學全反射現象，有效提升發光二極體之光輸出強度。

藉此，當該第二電性半導體層5上之所有第一歐姆導電部4藉由連接通道41而與所有第三歐姆導電部7電性連接後，等於歐姆導電面積大幅增加，使得發光二極體的操作電壓可以大幅下降，因此降低發光二極體的歐姆電損，增加發光二極體的發光效率(流明/瓦)，同時發光二極體的工作溫度也可以下降，進而容許此發光二極體可以操作在更高功率，而使此發光元件成本(費用/流明)下降。

當完成上述結構後，如第2圖所示，以倒置覆晶方式接合於一封裝承座a之上，該封裝承座a可為一導熱係數高之基板，例如為一n型矽基板，或為一p型矽基板；當然，該封裝承座a亦可為一陶瓷基板。該封裝承座a之上至少設有二導電跡線b，分別對應於第一歐姆導電部4上方之第一電極區X及第二歐姆導電部6上方之第二電極區Y，藉由一焊接材料所構成之中介層c使上述結構接合於該封裝承座a之上，形成一覆晶式發光二極體。其所產生的熱量可以經由封裝承座a迅速傳導至元件之外，故可適用於高功率之發光二極體，而該中介層c係以基礎金屬、金屬合金、半導體合金、具有導熱性和導電性之黏料、LED晶粒和封裝承座a間之不同金屬共熔接點、金凸點、焊料凸塊任一材料所成者。

請再參閱第3圖，其係為本發明第二實施例，該實施例覆晶式之發光二極體係由一透明基板1、第一電性半導體層2、一發光層3、一第二電性半導體層5、複數個第一歐姆導電部4及一金屬連接層6a所組成(相關材料如同第一實施例中之材料，故不再贅述)。

該第一電性半導體層2係形成於該透明基板1上，該第一電性半導體層2與該透明基板1之間係設有一透明導電層11，而該透明導電層11與透明基板1之間係設有一透明黏著層12。

該第一電性半導體層2設有一相鄰之第一表面21與一第二表面22，該發光層3形成於上述該第一電性半導體層2之第一表面21上，該第二電性半導體層5形成於該上述之發光層3上，且該第二電性半導體層5上係皆設有一反射層8，該反射層8上設有一阻障層9，在該第二電性半導體層5上之阻障層9上方形成一第一電極區(X)。

至少各一個以上之第一歐姆導電部4形成於位於該第一表面21與第二表面22下方之第一電性半導體層2之下表面上，而該第一電性半導體層2上另設有至少各一個以上之第三歐姆導電部7，且該第一歐姆導電部4與第三歐姆導電部7之間係設有至少各一連接通道41，使該所有第一歐姆導電部4與所有第三歐姆導電部7得以電性連接，且在該第二表面22上方的第三歐姆導電部7上依序設有反射層8及阻障層9，並於阻障層9上形成一第二電極區Y，又，該第二表面22上方的第三歐姆導電部7與反射層8之間亦可設有一金屬連接層6a。

該第一表面21上方之第三歐姆導電部7係被一絕緣層71所覆蓋，以與該第二電性半導體層5隔離。

該複數個第一歐姆導電部4亦可透過透明導電層11而互相導通，進而藉由連接通道41而與所有第三歐姆導電部7電性連接，等於歐姆導電面積大幅增加，使得發光二極體的操作電壓可以大幅下降，因此降低發光二極體的歐姆電損，增加發光二極體的發光效率(流明/瓦)，同時發光二極體的工作溫度也可以下降，進而容許此發光二極體可以操作在更高功率，而使此發光元件成本(費用/流明)下降。

當完成上述結構後，如第4圖所示，以倒置覆晶方式接合於封裝承座a之上，該封裝承座a之二導電跡線b，分別對應於第一電極區X及第二電極區Y，藉由一焊接材料所構成之中介層c使上述結構接合於該封裝承座a之上，形成一覆晶式發光二極體。其所產生的熱量可以經由封裝承座a迅速傳導至元件之外，故可適用於高功率之發光二極體。

以上所述乃是本發明之具體實施例及所運用之技術手段，根據本文的揭露或教導可衍生推導出許多的變更與修正，若依本發明之構想所作之等效改變，其所產生之作用仍未超出說明書及圖式所涵蓋之實質精神時，均應視為在本發明之技術範疇之內，合先陳明。

依上文所揭示之內容，本發明確可達到發明之預期目的，提供一種覆晶式之發光二極體，具有產業利用與實用之價值無疑，爰依法提出發明專利申請。

1．．．透明基板

11．．．透明導電層

111．．．第一表面

112．．．第二表面

12．．．透明黏著層

2．．．第一電性半導體層

21．．．第一表面

22．．．第二表面

3．．．發光層

4．．．第一歐姆導電部

41．．．連接通道

5．．．第二電性半導體層

6．．．第二歐姆導電部

6a．．．金屬連接層

61．．．連接通道

7．．．第三歐姆導電部

71．．．絕緣層

8．．．反射層

9．．．阻障層

X．．．第一電極區

Y．．．第二電極區

a．．．封裝承座

b．．．導電跡線

c．．．中介層

第1圖係為本發明實施例發光二極體結構之剖面示意圖。

第2圖係為本發明實施例接合於一封裝承座後之剖面示意圖。

第3圖係為本發明另一實施例發光二極體結構之剖面示意圖。

第4圖係為本發明另一實施例接合於一封裝承座後之剖面示意圖。

1．．．透明基板

11．．．透明導電層

111．．．第一表面

112．．．第二表面

12．．．透明黏著層

2．．．第一電性半導體層

3．．．發光層

4．．．第一歐姆導電部

41．．．連接通道

5．．．第二電性半導體層

6．．．第二歐姆導電部

7．．．第三歐姆導電部

71．．．絕緣層

8．．．反射層

9．．．阻障層

X．．．第一電極區

Y．．．第二電極區

Claims (16)

1. 一種覆晶式之發光二極體，包括：一透明基板；一第一電性半導體層，形成於該透明基板上；一發光層，形成於該第一電性半導體層上；一第二電性半導體層，形成於該發光層上；至少一第一歐姆導電部，形成於該第二電性半導體層上，而該第二電性半導體層下另設有至少一第三歐姆導電部，該第三歐姆導電部係被一絕緣層所覆蓋，以與該第一電性半導體層隔離，且該第一歐姆導電部與第三歐姆導電部之間係設有至少一連接通道，使該第一歐姆導電部與第三歐姆導電部得以電性連接，且該第一歐姆導電部上方形成一第一電極區；以及一第二歐姆導電部，形成於透明基板上，並相鄰於該第一歐姆導電部，且該第二歐姆導電部上方形成一第二電極區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該透明基板上更設有一透明黏著層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之覆晶式之發光二極體，其中該透明黏著層上更設有一透明導電層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該透明基板係可導電。
5. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第二電性半導體層上之第一歐姆導電部的總面積係大於第二電性半導體層下之第三歐姆導電部的總面積。
6. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第一電性半導體層為P型，第二電性半導體層為N型。
7. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第一電性半導體層為N型，第二電性半導體層為P型。
8. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該透明基板具有一凹凸不平之表面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第一電性半導體層與透明基板之接觸面係為一凹凸不平之表面。
10. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第二電性半導體層之上表面係為一圖形化之表面，以利形成一表面電漿(surface plasmon)。
11. 一種覆晶式之發光二極體，包括：一透明基板；一第一電性半導體層，形成於該透明基板上，該第一電性半導體層設有一相鄰之第一表面與一第二表面；一發光層，形成於上述該第一電性半導體層之第一表面上；一第二電性半導體層，形成於該上述之發光層上，該第二電性半導體層上形成一第一電極區；至少各一組第一歐姆導電部，分別形成於位於該第一表面與第二表面下方之第一電性半導體層與透明基板之間，而該第一電性半導體層上另設有至少一第三歐姆導電部，該第三歐姆導電部係被一絕緣層所覆蓋，以與該第二電性 半導體層隔離，且該第一歐姆導電部與第三歐姆導電部之間係設有至少一連接通道，使該第一歐姆導電部與第三歐姆導電部得以電性連接，且在該第二表面上方形成一第二電極區。
12. 如申請專利範圍第11項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第一電性半導體層與該透明基板之間係設有一透明導電層，使該第一歐姆導電部可設於該透明導電層上。
13. 如申請專利範圍第11項所述之覆晶式之發光二極體，其中該透明基板與透明導電層間更設有一透明黏著層。
14. 如申請專利範圍第11項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第一電性半導體層為P型，第二電性半導體層為N型。
15. 如申請專利範圍第11項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第一電性半導體層為N型，第二電性半導體層為P型。
16. 如申請專利範圍第11項所述之覆晶式之發光二極體，其中該第二電性半導體層之上表面係為一圖形化之表面，以利形成一表面電漿(surface plasmon)。