TWI506813B - Single crystal dual light source light emitting element - Google Patents

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Description

單晶雙光源發光元件
本發明係為一種發光元件，特別是指一種以單晶結構同時發出兩光源，且透過兩側發光以形成全角度發光之單晶雙光源發光元件。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是由半導體材料所製成之發光元件，其發光的原理主要在於LED晶片的P-N接面，一端為P型半導體，主要提供電洞，而另一端則是N型半導體，主要提供電子，當電流通入LED晶片時，導電帶的電子與價電帶的電洞結合，而把多餘的能量以光子的形式釋放出來。
習知發光二極體晶片由於其發光特性之因素，使發光二極體晶片無法如日光燈管般呈現360度全角度發光，而使應用設計上受到限制。一般來說，發光二極體晶片係為單面發光結構，發光角度較佳可達180度，而由發光面向外發出均勻的發光光源。若為使發光二極體可發出不同角度之光源，係需透過不同的封裝技術，如：將光學透鏡封設於發光二極體之晶片上，或將發光二極體晶片設置於多面結構之基板上，使發光二極體發設不同發光角度之光源。
僅管透過封裝技術可增加發光二極體之發光角度，然而在光學配光設計方面或是後段封裝加工都造成製程時間、人力及製造成本提高，因此，以需求來說，設計一個可發出360度光源且可降低整體發光二極體製程時間與成本之單晶雙光源發光元件，已成市場應用上刻不容緩之議題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種可以單晶結構同時發出兩光源，且透過兩側發光以形成全角度360度發光， 以解決習知技術之問題。
根據本發明之目的，提出一種單晶雙光源發光元件，其包含一第一磊晶層、至少一基板及一第二磊晶層。該第一磊晶層係包含具有n型導電型結構之一第一n型半導體層、具有多量子井結構之一第一發光層以及具有p型導電型結構之一第一p型半導體層，以發出一第一光源。該基板係設置於該第一磊晶層之一側。該第二磊晶層相對應該第一磊晶層之位置設置於該基板之另一側，係包含具有n型導電型結構之一第二n型半導體層、具有多量子井結構之一第二發光層以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層，以發出一第二光源。其中，本發明之單晶雙光源發光元件更包含一第一電極，係遠離該基板而設置於該第一磊晶層之該第一n型半導體層之一側；一第一反射層，係設置於該第一磊晶層之該第一p型半導體層之一側；一第一接合層，係設置於該第一接合層與該基板間；以及一第一絕緣部，係插設於該第一反射層間。
根據上述之內容，本發明之單晶雙光源發光元件具有多個實施態樣，第一實施例係為本發明之單晶雙光源發光元件更包含一第二電極，係遠離該基板而設置於該第二磊晶層之該第二n型半導體層之一側；以及一第二絕緣部，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層與該基板間。
第二實施例則是本發明之單晶雙光源發光元件更包含一第二反射層，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層之一側；一黏膠層，係設置於該基板與該第二反射層間；以及複數個第二電極，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層與該黏膠層間，以及該第二反射層之一側；複數個絕緣部，係設置於該黏膠層上而與該些第二電極相鄰，且包覆設置於該第二反射層之一側之該第二電極。
第三實施例為本發明之單晶雙光源發光元件包含一第二反射層係設置於該第二磊晶層之該第二n型半導體層之一側；一黏膠層係設置於該基板與該第二反射層間；以及複數個第二電極係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層之一側，以及該第二磊晶層之該第二n型半導體層之一側。
根據本發明之目的，再提出一種單晶雙光源發光元件，其包含一第一磊晶層、至少一基板及一第二磊晶層。該第一磊晶層係包含具有n型導電型結構之一第一n型半導體層、具有多量子井結構之一第一發光層以及具有p型導電型結構之一第一p型半導體層。該基板係設置於該第一磊晶層之一側。該第二磊晶層相對應該第一磊晶層之位置設置於該基板之另一側，係包含具有n型導電型結構之一第二n型半導體層、具有多量子井結構之一第二發光層以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層。其中，本發明之單晶雙光源發光元件更包含複數個第一電極，係遠離該基板而設置於該第一磊晶層之該第一p型半導體層之一側及該第一n型半導體層之一側；以及一反射層，係設置於該第一磊晶層一側之該基板與該第二磊晶層一側之該基板間。
根據上述之內容，本發明之單晶雙光源發光元件更具有多個實施態樣，第一實施例為本發明之單晶雙光源發光元件更包含複數個第二電極，係遠離該基板而設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層之一側及該第二n型半導體層之一側；以及一接合層，係設置於該反射層與該第二磊晶層一側之該基板間。
第二實施例係為本發明之單晶雙光源發光元件包含複數個第二電極，係分別設置於該反射層靠近該第二磊晶層之一側；以及複數個絕緣部，係設置於該反射層之一側，及包覆設置於該反射層之一側之該第二電極。
根據本發明之目的，接著提出另一種單晶雙光源發光元件，其包含一第一磊晶層、至少一基板、一第二磊晶層、複數個第一電極及複數個第二電極。該第一磊晶層係包含具有n型導電型結構之一第一n型半導體層、具有多量子井結構之一第一發光層以及具有p型導電型結構之一第一p型半導體層，以發出一第一光源。該基板係設置於該第一磊晶層之一側。該第二磊晶層相對應該第一磊晶層之位置設置於該基板之另一側，係包含具有n型導電型結構之一第二n型半導體層、具有多量子井結構之一第二發光層以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層，以發出一第二光源。複數個第一電極係遠離該基板而設置於該第一磊晶層之該第一n 型半導體層之一側，且與該基板間以一絕緣部相隔絕。複數個第二電極係設置於該基板與該第二磊晶層之該第二n型半導體層間。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10‧‧‧單晶雙光源發光元件
101‧‧‧第一覆晶結構
102‧‧‧第二覆晶結構
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一磊晶層
121‧‧‧第一p型半導體層
122‧‧‧第一發光層
123‧‧‧第一n型半導體層
13‧‧‧第一反射層
14‧‧‧第一接合層
15‧‧‧第二磊晶層
151‧‧‧第二p型半導體層
152‧‧‧第二發光層
153‧‧‧第二n型半導體層
16‧‧‧第一電極
17‧‧‧第二電極
18‧‧‧第一絕緣部
19‧‧‧第二絕緣部
20‧‧‧黏膠層
21‧‧‧第二反射層
22‧‧‧第一基板
23‧‧‧第二基板
24‧‧‧反射層
25‧‧‧接合層
26‧‧‧絕緣部
27‧‧‧螢光粉層
第1A圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第一實施例之上視示意圖。
第1B圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第一實施例之剖面示意圖。
第2A圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第二實施例之上視示意圖。
第2B圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第二實施例之剖面示意圖。
第3圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第三實施例之上視示意圖。
第4圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第四實施例之上視示意圖。
第5圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第五實施例之上視示意圖。
第6圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第六實施例之上視示意圖。
第7圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第七實施例之上視示意圖。
第8圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第八實施例之上視示意圖。
第9圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第九實施例之上視示意圖。
第10圖，係為本發明之單晶雙光源發光元件之第十實施例之剖面示意圖。
以下將參照相關圖式，以說明本發明之單晶雙光源發光元件之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明，且為了便於辨識圖式中該單晶雙光源發光元件之結構，利用不同的紋路或花紋表示其係為不同的結構，但並非代表結構真實態樣，合先敘明。
請參閱第1A圖及第1B圖，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第一實施例之上視示意圖及剖面示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件1係包含一第一磊晶層12、一第一反射層13、一第一接合層14、一基板11、一第二磊晶層15、一第一電極16及一第二電極17。
該第一磊晶層12由該基板11向外延伸形成具有p型導電型 結構之一第一p型半導體層121、具有多量子井結構之一第一發光層122以及具有n型導電型結構之一第一n型半導體層123，以發出一第一光源。
該第一反射層13係設置於該第一磊晶層12之該第一p型半導體層121之一側。該第一接合層14係接連設置於該第一接合層14之一側，而該基板11則遠離該第一反射層13而設置於該第一接合層14之另一側。其中，該基板可為高導熱不導電之材質或金屬基板。
該第二磊晶層15相對應該第一磊晶層12之位置設置於該基板11之另一側，由該基板11向外分別形成具有p型導電型結構之一第二p型半導體層151、具有多量子井結構之一第二發光層152以及具有n型導電型結構之一第二n型半導體層153，以發出一第二光源。該第一電極16係遠離該基板11而設置於該第一磊晶層12之該第一n型半導體層123之一側。該第二電極17係遠離該基板11而設置於該第二磊晶層15之該第二n型半導體層153之一側。
在本實施例中，係以串聯方式連帶控制雙側之光源發出該第一光源及該第二光源，然亦可控制兩側個別發光，請一併參閱第2A圖及第2B圖所示之第二實施例。第2A圖及第2B圖係為本發明之單晶雙光源發光元件之第二實施例之上視示意圖及剖面示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件2與第一實施例之不同之處在於本實施例具有一第二絕緣部19，而該第二絕緣部19係設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151與該基板11間。因此，在本實施例中，本發明之單晶雙光源發光元件2可分別控制兩側發出該第一光源及該第二光源。
請參閱第3圖，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第三實施例之上視示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件3與第一實施例相同，皆具有該第一磊晶層12、該第一反射層13、該第一接合層14、該基板11、該第一電極16及該第二磊晶層15，故在此不另行贅述。
而本實施例與第一實施例不同之處在於，本實施例於該基板11之另一側至該第二磊晶層15間設有一黏膠層20，且該黏膠層20非設有該基板11之一側係相間地交叉設置一第二電極17、一第二絕緣部19及一第二反射層21。
其中，該第二反射層21係設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151之一側。第二電極17係為兩個，可分別設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151與該黏膠層20間，以及該第二反射層21之一側。該第二絕緣部19係為兩個，分別設置於該黏膠層20上而與該些第二電極17相鄰，且包覆設置於該第二反射層21之一側之該第二電極17。
在本實施例中，係以串聯方式連帶控制雙側之光源發出該第一光源及該第二光源，然亦可控制兩側各別發光，請承接參閱第3圖，一併對照參閱第4圖所示之第四實施例。
第4圖係為本發明之單晶雙光源發光元件之第四實施例之上視示意圖，如圖所示，與第三實施例不同之處在於，在本實施例中，該黏膠層20之一側所設有之該第二反射層21係為斷開之結構，該第二反射層21左右兩側並不與周遭該第二電極17相連結。並且，該黏膠層20遠離該基板11之一側係鋪設有一層薄薄的該第二絕緣部19。
而在第三實施例與第四實施例中，該第二磊晶層15係為覆晶(Flip chip)結構，因此可提升光輸出之效率，以避免光在輸出時受到黏接墊片(bonding pad)及金屬打線的阻擋而導致發光亮度降低，且能快速地將熱量由該基板11散出。
請參閱第5圖，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第五實施例之上視示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件5與第三實施例相同，皆具有該第一磊晶層12、該第一反射層13、該第一接合層14、該第一電極16及該第二磊晶層15，故在此不另行贅述。
而本實施例與第三實施例不同之處在於，本實施例中具有第一基板22及第二基板23，且第二反射層21及第二基板23係設置於該黏膠層20與該第二磊晶層15之該第二n型半導體層153間，且複數個第二電極17係設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151之一側，以及該第二磊晶層15之該第二n型半導體層153之一側。而該第二絕緣部19係為兩個，分別設置於該第二反射層21及該第二磊晶層15之兩端，且其中一第二絕緣部19之外表面係包覆有第二電極17。
在本實施例中，係以串聯方式連帶控制雙側之光源發出該第一光源及該第二光源，然亦可控制兩側各別發光，請承接參閱第6圖，一併對照參閱第5圖所示之第六實施例。
第6圖係為本發明之單晶雙光源發光元件之第六實施例之上視示意圖，如圖所示，與第五實施例不同之處在於，在本實施例中，並不設置複數個絕緣層，而複數個第二電極17係分別設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151之一側，以及該第二磊晶層15之該第二n型半導體層153之一側。其中，該第二磊晶層15之該第二n型半導體層153係寬於該第二磊晶層15之第二p型半導體層151及該第二發光層152，而突出之部分可用以設置第二電極17。
如第7圖所示，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第七實施例之上視示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件7包含一第一磊晶層12、一第一基板22、複數個第一電極16、複數個反射層24、一接合層25、一第二基板23、一第二磊晶層15及複數個第二電極17。其中，該第一磊晶層12係包含具有p型導電型結構之一第一p型半導體層121、具有多量子井結構之一第一發光層122以及具有n型導電型結構之一第一n型半導體層123，以發出一第一光源。第一基板22係設置於該第一磊晶層12之一側。複數個第一電極16係遠離該第一基板22而設置於該第一磊晶層12之該第一p型半導體層121之一側以及該第一n型半導體層123之一側。該些反射層24係分別設置於該第一基板22與該接合層25以及該第二基板23與該接合層25間。而該接合層25係設置於該反射層24與該第二磊晶層15一側之該第二基板23間。該第二磊晶層15相對應該第一磊晶層12之位置設置於該第二基板23之另一側，係包含具有n型導電型結構之一第二n型半導體層153、具有多量子井結構之一第二發光層152以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層151，以發出一第二光源。複數個第二電極17係遠離該第二基板23而設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151之一側及該第二n型半導體層153之一側。
請參閱第8圖，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第八實施例之上視示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件8與第七 實施例相同，皆具有該第一磊晶層12、該第一基板22、該些第一電極16及該反射層24，故在此不另行贅述。而本實施例與第七實施例不同之處在於，本實施例並未設置該接合層25及該第二基板23，而該反射層24於非設有該第一基板22之另一側係相間地交叉設置一第二電極17、一絕緣部26及一第二反射層21。
其中，該第二反射層21係設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151之一側。第二電極17係為兩個，可分別設置於該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151與該黏膠層20間，以及該第二反射層21之一側。該絕緣部26係為兩個，分別設置於該黏膠層20上而與該些第二電極17相鄰，且包覆設置於該第二反射層21之一側之該第二電極17。
並且，該第二磊晶層15由該反射層24向外分別形成具有p型導電型結構之一第二p型半導體層151、具有多量子井結構之一第二發光層152以及具有n型導電型結構之一第二n型半導體層153。
而本實施例中，該第二磊晶層15係為覆晶(Flip chip)結構，可避免光在輸出時受到黏接墊片(bonding pad)及金屬打線的阻擋而導致發光亮度降低，且能快速地將熱量由該基板11散出，因此可提升光輸出之效率。其中，該基板11係為一高導熱不導電之基材、一金屬基板11或一藍寶石基板11(sapphire)。若該基板11係為藍寶石基板，由於藍寶石基板為透明材質，因此可於p型電極上方製作反射率較高的該反射層24，藉以將原先從元件上方發出的光線從元件其他的發光角度導出，再由藍寶石基板端緣取光，這樣的方法因為降低了在電極側的光損耗，可取得接近於傳統封裝方式兩倍左右的光量輸出。
請參閱第9圖，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第九實施例之上視示意圖，該單晶雙光源發光元件9係以覆晶結構所組成。如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件9包含一基板11、一第一覆晶結構101及一第二覆晶結構102。該基板11係為一高導熱不導電之基材、一金屬基板11或一藍寶石基板11(sapphire)。
該第一覆晶結構101係設置於該基板11之一側，該第二覆晶結構102設置於該基板11之另一側。其中，該第一覆晶結構101包含一 第一磊晶層12、一第一電極16、一第一絕緣部18及一第一反射層13，而該第二覆晶結構102則包含一第二磊晶層15、一第二電極17、一第二絕緣部19及一第二反射層21。
該第一磊晶層12由該基板11向外分別形成具有n型導電型結構之一第一n型半導體層123、具有多量子井結構之一第一發光層122以及具有p型導電型結構之一第一p型半導體層121，以發出一第一光源。而該第二磊晶層15則係由該基板11向外分別形成具有n型導電型結構之一第二n型半導體層153、具有多量子井結構之一第二發光層152以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層151，以發出一第二光源。其中，該第一磊晶層12之該第一p型半導體層121係寬於該第一磊晶層12之第一n型半導體層123及該第一發光層122，而突出之部分可用以設置第一電極16；而該第二磊晶層15之該第二p型半導體層151係寬於該第二磊晶層15之第二n型半導體層153及該第二發光層152，而突出之部分可用以設置第二電極17。
在第一覆晶結構101中，該基板11之一側係相間地交叉設置該第一反射層13及該第一絕緣部18，且將複數個第一電極16設置於該第一反射層13及該第一絕緣部18之另一側；而在第二覆晶結構102中，該基板11之另一側亦相間地交叉設置該第二反射層21及該第二絕緣部19，且將複數個第二電極17設置於該第二反射層21及該第二絕緣部19之另一側。
請參閱第10圖，其係為本發明之單晶雙光源發光元件之第十實施例之剖面示意圖，如圖所示，本發明之單晶雙光源發光元件10包含一基板11、一第一磊晶層12及一第二磊晶層15。該第一磊晶層12係設置於該基板11之一側，其包含具有n型導電型結構之一第一n型半導體層123、具有多量子井結構之一第一發光層122以及具有p型導電型結構之一第一p型半導體層121，以發出一第一光源；而該第二磊晶層15設置於該基板11之另一側，其相對應該第一磊晶層12之位置設置於該基板11之另一側，係包含具有n型導電型結構之一第二n型半導體層153、具有多量子井結構之一第二發光層152以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層 151，以發出一第二光源。其中，該第一光源及該第二光源可為同波長之光源或不同波長之光源。
值得注意的是，本發明之單晶雙光源發光元件10更可塗佈或噴灑一螢光粉層27於該第一磊晶層12及該第二磊晶層15之外側，使發出該第一光源及該第二光源以激發該螢光粉層27而發出另一波長之光源。 舉例來說，該第一光源若為紅光，該第二光源為藍光，而該螢光粉層27為YAG螢光粉(Y3 Al5 O12 ：Ce；釔鋁石榴石)，則該第一磊晶層12及該第二磊晶層15可分別射出該第一光源(紅光)及該第二光源(藍光)，激發該螢光粉層27以混光射出高亮度之白光發光二極體。
惟，以上所述者，僅為本發明之單晶雙光源發光元件之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，此等熟習此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
1‧‧‧單晶雙光源發光元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一磊晶層
121‧‧‧第一n型半導體層
122‧‧‧第一發光層
123‧‧‧第一p型半導體層
13‧‧‧第一反射層
14‧‧‧第一接合層
15‧‧‧第二磊晶層
151‧‧‧第二p型半導體層
152‧‧‧第二發光層
153‧‧‧第二n型半導體層
16‧‧‧第一電極
17‧‧‧第二電極
18‧‧‧第一絕緣部

Claims (4)

  1. 一種單晶雙光源發光元件，其包含：一第一磊晶層，係包含具有n型導電型結構之一第一n型半導體層、具有多量子井結構之一第一發光層以及具有p型導電型結構之一第一p型半導體層，以發出一第一光源；一單一矽基板，係設置於該第一磊晶層之一側；以及一第二磊晶層，相對應該第一磊晶層之位置設置於該基板之另一側，係包含具有n型導電型結構之一第二n型半導體層、具有多量子井結構之一第二發光層以及具有p型導電型結構之一第二p型半導體層，以發出一第二光源，一第一電極，係遠離該基板而設置於該第一磊晶層之該第一n型半導體層之一側；一第一反射層，係設置於該第一磊晶層之該第一p型半導體層之一側；一第一接合層，係設置於該第一接合層與該基板間；以及一第一絕緣部，係設於該第一反射層之一側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單晶雙光源發光元件，更包含：一第二電極，係遠離該基板而設置於該第二磊晶層之該第二n型半導體層之一側；以及一第二絕緣部，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層與該基板間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單晶雙光源發光元件，更包含：一第二反射層，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層之一側；一黏膠層，係設置於該基板與該第二反射層間；以及複數個第二電極，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層與該黏膠層間，以及該第二反射層之一側；複數個絕緣部，係設置於該黏膠層上而與該些第二電極相鄰，且包覆設置於該第二反射層之一側之該第二電極。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之單晶雙光源發光元件，更包含： 一第二反射層，係設置於該第二磊晶層之該第二n型半導體層之一側；一黏膠層，係設置於該基板與該第二反射層間；以及複數個第二電極，係設置於該第二磊晶層之該第二p型半導體層之一側，以及該第二磊晶層之該第二n型半導體層之一側。
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