TWI493756B - 發光元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體發光元件。
目前發光二極體普遍有電流分散不佳之問題。就一般發光二極體而言，發光層結構上設有電極墊以導入電流。一般增進電流分散的方式多於發光層結構上形成電流擴散層，再於電流分散層上設置電極墊。電極墊一般為金屬材質，因此會遮蔽發光層結構，造成光取出效率不佳。
本發明提供一種發光元件，包括一載體，具有第一側及第二側；一半導體發光薄膜位於所述之載體之第一側上，依序包括一第一導電型半導體層、一活性層、以及一第二導電型半導體層；一第一電極結構電性連接至所述之第二導電型半導體層，包括一主要電極，圍繞所述之半導體發光薄膜、一延伸電極，自所述之主要電極延伸至所述之第二導電型半導體層上、以及一電極墊，與所述之主要電極相連接。
第1A圖為本發明一實施例之發光元件100的上視圖，其中A-A’方向之剖視圖如第1B圖所示，而其B-B’方向之剖視圖如第1C圖所示。首先，於一成長基板(未圖示)上形成半導體發光薄膜10，包括第二導電型半導體層10C、活性層10B、及第一導電型半導體層10A。半導體發光薄膜10可為磊晶成長的GaN材料系列為主之疊層結構、AlInGaP材料系列為主之疊層結構、或其他適用的半導體材料系列之疊層結構。於本發明一實施例中，半導體發光薄膜10之面積約介於0.25mm2
至25mm2
之間，或較佳地介於1mm2
至25mm2
之間。上述的第一導電型與第二導電型為相異之導電型。舉例來說，當第一導電型半導體層10A為p型半導體層時，第二導電型半導體層10C即為n型半導體層；反之亦然。接著，形成一反射層19於第一導電型半導體層10A上，並將反射層19藉由一接合層14貼合至載體12之一側12A上。之後，移除成長基板以露出第二導電型半導體層10C。其中，接合層14可先形成於反射層19上再貼合至載體12；或先形成於載體12上再與反射層19貼合；亦可分別形成於反射層19及載體12上再互相接合。載體12可具有導電性，其材料包含金屬，如包含至少一種材料選自於銅、鋁、鎳、鉬、及鎢所組成之群組，或包含半導體材質，如矽或碳化矽等材質。接合層14之材料包含金屬或金屬合金，如包含至少一種材料選自於金、銀、鋁、銦、錫、鉛、及其合金所組成之群組、或包含金屬氧化物，如氧化銦錫等導電材質。接著蝕刻部份之半導體發光薄膜10以露出部份之反射層19，並形成絕緣結構16於半導體發光薄膜10之側壁及反射層19上。在本發明一實施例中，絕緣結構16覆蓋載體12之一側12A及半導體發光薄膜10的側壁，但露出半導體發光薄膜10之第二導電型半導體層10C。絕緣結構16可包含二氧化矽、氮化矽、或氧化鋁等材料。
接著形成一第一電極結構電性連接至第二導電型半導體層10C。所述之第一電極結構主要由電極墊18A、主要電極18B、與延伸電極18C組成。如第1A圖所示，主要電極18B圍繞半導體發光薄膜10並連接至電極墊18A，具體而言，電極墊18A及/或主要電極18B係形成於載體12未被半導體發光薄膜10覆蓋之區域上。在本發明一實施例中，主要電極18B與半導體發光薄膜10或第二導電型半導體層10C並不直接接觸，兩者之間以一間隙隔開。由第1A圖可知，主要電極18B實質上位於半導體發光薄膜10以外區域且位於之絕緣結構16之上，因此並不會覆蓋至第二導電型半導體層10C。主要電極18B不位於半導體發光薄膜10之出光面上，因此可消除電極遮光問題。因此為傳導電極墊之電流，主要電極18B之的尺寸設計符合電流傳導及電流分散要求即可，而不用受限於遮光問題的考量。主要電極18B之其寬度可等同於或小於電極墊18A的寬度，使具有良好之電流傳導效果而且不影響發光元件的電性，如串聯電阻或順向電壓等。在本發明一實施例中，主要電極18B的寬度可介於5μm至100μm之間，或較佳為21μm至100μm之間以應用於高功率發光元件，或為51μm至100μm之間以應用於更高功率之發光元件。
如第1A圖所示，延伸電極18C自主要電極18B延伸至第二導電型半導體層10C並與第二導電型半導體層10C形成歐姆接觸，並將電流自主要電極18B均勻傳導及分散至第二導電型半導體層10C。於本發明之一實施例，延伸電極18C係自第二導電型半導體層10C之各邊延伸至第二導電型半導體層10C上並與之形成歐姆接觸；於本發明之另一實施例，延伸電極18C係自第二導電型半導體層10C之二個相對角落延伸至第二導電型半導體層10C上並與之形成歐姆接觸；於本發明之另一實施例，延伸電極18C係自第二導電型半導體層10C之二個相對邊延伸至第二導電型半導體層10C上並與之形成歐姆接觸；於本發明之另一實施例，延伸電極18C係沿第二導電型半導體層10C之周邊，以一實質上相等之間距延伸至第二導電型半導體層10C上並與之形成歐姆接觸。於本發明之另一實施例，延伸電極18C係大約朝向第二導電型半導體層10C之中心方向延伸。延伸電極18C之寬度係小於主要電極18B的寬度以減少遮光面積，例如延伸電極18C的寬度約介於1μm至30μm之間，或較佳地介於1μm至10μm。若延伸電極18C的寬度過寬，將增加遮光面積而降低光取出效率。若延伸電極18C的寬度過窄，將無法有效達到傳導及分散電流的效果。
在本發明其他實施例中，第一電極結構可視情況進一步包含輔助電極18D由延伸電極18C延伸至未被延伸電極18C覆蓋的第二導電型半導體層10C上。輔助電極18D可進一步將電流更均勻的分散至第二導電型半導體層10C。輔助電極18D的寬度係小於延伸電極18C的寬度以減少遮光面積，例如輔助電極18D的寬度約介於0.5μm至5μm之間，或較佳地介於0.5μm至3μm之間。過寬的輔助電極18D將增加遮光面積而降低光取出效率，而過窄的輔助電極18D將無法有效達到分散電流的效果。為因應電流傳導及光取出效率等因素考量，第一電極結構中的電極墊18A、主要電極18B、延伸電極18C、及輔助電極18D可分別具有不同厚度，或由單一製程同時形成的相同厚度。第一電極結構之材質包含金屬、金屬合金、或透明導電材料，如包含至少一種材料選自於金、銀、銅、鋁、鈦、鉻、鉬、銠、鉑、及其合金所組成之群組。於本發明之實施例中，金屬反射層19係選擇性地形成於載體12與第一導電型半導體層10A之間以增加光取出效率。如第1B圖所示，在載體12的另一側12B上設有第二電極結構21，經由導電路徑如載體12、接合層14、與反射層19以電性連接於第一導電型半導體層10A。至此，完成第1A圖至第1C圖所示之發光元件100。
第2A圖為本發明一實施例之發光元件200的上視圖，其A-A’方向之剖視圖如第2B圖所示。發光元件200與發光元件100結構相近的部份在此不贅述。其中，發光元件200的絕緣結構16上表面與半導體發光薄膜10上表面實質上等高，因此可避免第1C圖中所示之延伸電極18C因高度差而造成轉角處覆蓋不良的問題。絶緣結構16包含至少一種材料選自於二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、及旋塗玻璃(spin-on-glass)所組成之群組。
第3A圖為本發明一實施例之發光元件300的上視圖，其A-A’方向之剖視圖如第3B圖所示。與前述之發光元件100與200不同，發光元件300為水平式發光元件而非垂直式發光元件。在發光元件300中，有部份的絕緣結構16被移除而露出部份的導電金屬反射層19，並於露出的金屬反射層19上形成第二電極結構21，以使第二電極結構21與金屬反射層19形成歐姆接觸並電性連接至第一導電型半導體層10A。在本發明另一實施例中，第3B圖中的接合層14係包含為一絕緣材料以與載體12電性隔絶，接合層14之材料包含氧化物、氮化物、或有機物質，其中氧化物材料例如包含氧化矽、氧化鋁、或氧化鈦；氮化物材料例如包含氮化矽或氮氧化矽；有機物質例如包含環氧樹脂、矽膠、苯并環丁烯、或過氟環丁琓等。在本發明又一實施例中，載體12包含高導熱率的材料，例如包含至少一材料選自於氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、碳化矽、類鑽碳(diamond-like carbon；DLC)、及CVD鑽石所組成之群組。載體12亦可為一電性絕緣體，使得半導體發光薄膜10可直接以具導電性之接合層14貼合至載體12上，並可設置金屬反射層19於接合層14與第二導電性半導體層10A之間。接合層14之材料包含金屬或金屬合金，如包含至少一種材料選自於金、銀、鋁、銦、錫、鉛、及其合金所組成之群組、或包含金屬氧化物，如氧化銦錫等導電材質。
第4A圖為本發明一實施例之發光元件400的上視圖，其A-A’方向之剖視圖如第4B圖所示。發光元件400與發光元件100結構相近的部份在此不贅述。其中發光元件400的主要電極18B上表面高於半導體發光薄膜10的上表面，以定義一凹陷區域。一波長轉換結構25填入上述凹陷區域，波長轉換結構25用以將半導體發光薄膜10所發出的光線轉換成具有相異光譜特性之光線。舉例來說，GaN系列的半導體發光薄膜10所發的光具有峰波長約介於440nm至470nm之藍光，此藍光可激發波長轉換結構25中所含有的各色螢光粉。在本發明一實施例中，波長轉換結構25包含紅色螢光粉與綠色螢光粉，部份之半導體發光薄膜10發出之藍光可同時激發波長轉換結構25中的紅色螢光粉與綠色螢光粉以轉換發出峰波長約介於600nm至650nm之紅光與峰波長約介於500nm至560nm之綠光，進而當藍光、紅光、與綠光混合後，可形成白光。在本發明另一實施例中，波長轉換結構25包含黃色螢光粉，部份之半導體發光薄膜10發出之藍光可激發波長轉換結構25以轉換發出峰波長約介於570nm至595nm之黃光，當藍光與黃光混合後，可形成色溫約5000~7000K之白光。在本發明又一實施例中，波長轉換結構25包含紅色螢光粉與黃色螢光粉，部份之半導體發光薄膜10發出之藍光可同時激發波長轉換結構25中的紅色螢光粉與黃色螢光粉，以轉換發出峰波長約介於600nm至650nm之紅光與峰波長約介於570nm至595nm之黃光，並且當藍光、紅光、與黃光混合後，可形成色溫約2700~5000K之暖白光。於另一實施例中，波長轉換結構25包含能隙小於活性層10B之奈米粒子或量子點(quantum dot)，所述之奈米粒子為具有奈米級尺寸之粒子，例如約介於10~1000奈米之粒子；所述之量子點為具有約介於1~50奈米之粒子；所述之奈米粒子或量子點之材料包含能隙小於活性層10B之II-VI族半導體、III-V族半導體、有機螢光粉、或無機螢光粉材料等。主要電極18B與半導體發光薄膜10之高度差取決於螢光粉覆蓋於半導體發光薄膜10的量，所述之高度差約介於5μm至100μm以調控波長轉換結構25覆蓋之體積或重量，進而調控所述之白光或暖白光之色溫。波長轉換結構25的形成方法可為先混合及分散螢光粉於膠體中，再將含有螢光粉之膠體形成於凹陷區域中以形成一螢光粉層；此外，亦可先以沉降法將螢光粉形成於凹陷區域中，再以膠體層覆蓋於螢光粉層上以固著螢光粉層，其中，所述之螢光粉實質上不含有膠體，以及膠體層實質上不含有螢光粉，以形成複數層狀之波長轉換結構25。波長轉換結構25可如第4B圖所示，僅形成於主要電極18B所定義的凹陷區域內，亦可超出一高度於主要電極18B外使具有一外凸之表面；其中，主要電極18B不覆蓋半導體發光薄膜10，並以一間隙與半導體發光薄膜10相隔，使波長轉換結構25得以覆蓋於半導體發光薄膜10之側壁上。半導體發光薄膜10除了GaN材料系列結構以外，亦可為AlInGaP材料系列結構或類似結構。半導體發光薄膜10除了發出藍光以外，亦可因活性層材料不同而發出其他顏色的可見光、紅外線、近紫外線、或紫外線。
第4C圖為本發明一實施例之發光元件400’的剖視圖。發光元件400’與發光元件100結構相近的部份在此不贅述。其中，發光元件400’更包含形成一保護結構27於主要電極18B上並且圍繞半導體發光薄膜10，且保護結構27的上表面高於半導體發光薄膜10的上表面以定義一凹陷區域。保護結構於其所覆蓋區域可保護發光元件免於水氣或紫外線等環境因素造成之劣化。保護結構27包含至少一種材料選自於二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、磷化鎵、氟化鈣、氟化鎂、及氟化鋇所組成之群組。保護結構27與半導體發光薄膜10之高度差取決於螢光粉覆蓋半導體發光薄膜10的量，所述之高度差約介於5μm至100μm使得以調控波長轉換結構25覆蓋之體積或重量，進而調控所述之白光或暖白光之色溫。將波長轉換結構25填入上述凹陷區域，即可將半導體發光薄膜10所發出的光線轉換成具有相異光譜特性之光線。關於波長轉換結構25的組成及原理已詳述於說明第4B圖的相關段落，在此不贅述。於本發明之另一實施例，如第4D圖所示，保護結構27亦可不覆蓋半導體發光薄膜10，並以一間隙與半導體發光薄膜10相隔，使波長轉換結構25得以覆蓋於半導體發光薄膜10之側壁上。
必須注意的是，第4B至4D圖之凹陷區域與波長轉換結構25可進一步應用於本發明的其他結構。舉例來說，第2B圖中與半導體發光薄膜10等高之絕緣結構16可結合第4B圖之主要電極18B或第4C圖之保護結構27，以定義容置波長轉換結構25的凹陷區域。另一方面，上述凹陷區域與波長轉換結構25並不限應用於第4A-4D圖所示之垂直式發光元件，亦可應用於第3A-3B圖所示之水平式發光元件。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
10．．．半導體發光薄膜
10A．．．第一導電型半導體層
10B．．．活性層
10C．．．第二導電型半導體層
12．．．載體
12A．．．載體之一側
12B．．．載體之另一側
14．．．接合層
16．．．絕緣結構
18A．．．電極墊
18B．．．主要電極
18C．．．延伸電極
18D．．．輔助電極
19．．．反射層
21．．．第二電極結構
25．．．波長轉換結構
27．．．保護結構
100、200、300、400、400’．．．發光元件
第1A圖為符合本發明之第一實施例之發光元件上視圖；
第1B圖為第1A圖中A-A’線段的結構剖視圖；
第1C圖為第1A圖中B-B’線段的結構剖視圖；
第2A圖為符合本發明之第二實施例之發光元件上視圖；
第2B圖為第2A圖中A-A’線段的結構剖視圖；
第3A圖為符合本發明之第三實施例之發光元件上視圖；
第3B圖為第3A圖中A-A’線段的結構剖視圖；
第4A圖為符合本發明之第四實施例之發光元件上視圖；
第4B圖為第4A圖中A-A’線段的結構剖視圖；
第4C圖為符合本發明之第五實施例之發光元件剖視圖；以及
第4D圖為符合本發明之第六實施例之發光元件剖視圖。
A-A’、B-B’‧‧‧切線方向
10‧‧‧半導體發光薄膜
16‧‧‧絕緣結構
18A‧‧‧電極墊
18B‧‧‧主要電極
18C‧‧‧延伸電極
18D‧‧‧輔助電極
100‧‧‧發光元件
Claims (10)
- 一種發光元件，包括：一載體，具有一第一側及一第二側；一半導體發光薄膜，位於該載體之第一側上，該半導體發光薄膜依序包括一第一導電型半導體層、一活性層、以及一第二導電型半導體層；以及一第一電極結構電性連接至該第二導電型半導體層，包括一主要電極，圍繞該半導體發光薄膜、一延伸電極，自該主要電極延伸至該第二導電型半導體層上、以及一電極墊，與該主要電極相連接；其中，該主要電極以及該電極墊係形成於該載體未被該半導體發光薄膜覆蓋之區域上，且該主要電極具有一寬度大於該延伸電極之一寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括一絕緣結構，位於該半導體發光薄膜之側壁上且位於電極墊以及該載體之間，藉以使電流自該延伸電極流入半導體發光薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括一接合層接合該半導體發光薄膜至該載體之第一側。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該絕緣結構之上表面與該半導體發光薄膜之上表面實質上等高。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一保護結構圍繞該半導體發光薄膜，以定義一凹陷結構；以及一波長轉換結構填入該凹陷結構中。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該波長轉換結構覆蓋於該半導體發光薄膜之側壁上。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該主要電極之上表面高於該半導體發光薄膜的上表面，以定義一凹陷結構；以及一波長轉換結構填入該凹陷結構中。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，該波長轉換結構覆蓋於該半導體發光薄膜之側壁上。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該主要電極與該半導體發光薄膜以一間隙隔開。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其更包括一輔助電極由該延伸電極延伸至未被該延伸電極覆蓋的第二導電型半導體層上，且該輔助電極具有一寬度小於該延伸電極之該寬度。
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