TWI536608B - 發光二極體結構 - Google Patents

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TWI536608B TW102140910A TW102140910A TWI536608B TW I536608 B TWI536608 B TW I536608B TW 102140910 A TW102140910 A TW 102140910A TW 102140910 A TW102140910 A TW 102140910A TW I536608 B TWI536608 B TW I536608B
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    • H01L27/156—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays

Description

發光二極體結構
本發明是有關於一種發光二極體結構，且特別是關於一種高壓發光二極體結構。
隨著發光二極體(LED)的技術進步，市場上對於LED的需求朝向更大公率及更高亮度發展，即為高功率LED。而高壓發光二極體(HV LED)是將晶片面積分割成多個LED晶粒後，將這些晶粒串聯而成。因此，HV LED可以依照不同輸入電壓的需求來決定LED晶粒所需串接的數量與大小。並且因HV LED本身小電流，多晶粒的設計可以將電流均勻的擴散，並提升光萃取效率。而且只要外接橋式整流器，亦可應用於交流環境。
但由於HV LED是由晶片中切割出LED晶粒串聯而成，LED晶粒間的溝槽雖分隔了不同的LED晶粒，亦造成LED晶粒的側壁出光會經由溝槽而散失，無法被有效萃取利用，而在晶粒間散射吸收而形成熱能，反而影響HV LED的效能
因此，本發明提供了一種發光二極體結構，利用將反射鏡鍍膜在圖案化基板上將LED晶粒之側壁出光再次萃取利用，以提升HV LED的光萃取效率。
本發明之一態樣為一種發光二極體結構，包括一圖案化基板。一發光二極體晶粒，設置於該圖案化基板上且發出具有波長為λ的光線。以及一第一反射鏡，形成於該發光二極體晶粒之外的該圖案化基板上，以反射自該發光二極體晶粒射出之光線。
本發明之另一態樣為一種發光二極體結構，包括一圖案化基板。複數個發光二極體晶粒，彼此間隔地設置於圖案化基板上且發出具有波長為λ的光線。複數個導線，電性連接此些發光二極體晶粒。以及一第二反射鏡，形成於此些發光二極體晶粒之外且表面無該些導線經過的該圖案化基板上，以反射自此些發光二極體晶粒射出之光線。
根據本發明之一實施方式，其中第一反射鏡之表面形狀為平面、曲面、連續圓弧形、鋸齒狀、梯形或沿著圖案化基板表面圖案形成如同圖案化基板之表面圖案形狀。
根據本發明之一實施方式，其中第二反射鏡之表面形狀為平面、曲面、連續圓弧形、鋸齒狀、梯形或沿著該圖案化基板表面圖案形成如同該圖案化基板之表面圖案形狀。
根據本發明之一實施方式，其中第一反射鏡為一布拉格反射鏡、一全方向反射鏡或一金屬反射鏡。
根據本發明之一實施方式，其中第二反射鏡為一布拉格反射鏡、一全方向反射鏡或一金屬反射鏡。
根據本發明之一實施方式，其中，布拉格反射鏡係由任兩種具不同折射率的第一、第二介電層重複交錯堆疊製成，且第一介電層之折射率大於第二介電層之折射率，並以第一介電層接觸該圖案化基板。
根據本發明之一實施方式，其中全方向反射鏡係由一低折射率材料層與一具複數折射率的金屬層構成，其中低折射率材料層為厚度λ/4的介電材料。
根據本發明之一實施方式，其中金屬反射鏡係由選自銀、鋁或其組合之材料所構成。
根據本發明之一實施方式，其中圖案化基板是藍寶石基板。
根據本發明之一實施方式，其中導線之材料係選自由下列物質所構成之群組：金、銀、銅、鎳、錫、鋁和其組合。
100‧‧‧圖案化基板
110、110A、110B‧‧‧發光二極體晶粒
112、112A、112B‧‧‧第一半導體層
114、114A、114B‧‧‧發光層
116、116A、116B‧‧‧第二半導體層
120、120A、120B‧‧‧第一電極
122、122A、122B‧‧‧第二電極
130、130A、130B、130D、130E、130F‧‧‧第一反射鏡
132‧‧‧第一材料層
134‧‧‧第二材料層
136‧‧‧第二反射鏡
140‧‧‧絕緣層
150‧‧‧導線
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖；第2A至2E圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖； 第3圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖；第4圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖；第5圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之上視圖；以及第6圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之上視圖。
以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。並為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，熟悉本領域之技術人員應當瞭解到，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節並非必要的，因此不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
請參閱第1圖，第1圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖。此發光二極體結構包含一圖案化基板100，一發光二極體晶粒110，及一第一反射鏡130。發光二極體晶粒110，設置於圖案化基板100上且發出具有波長為λ的光線。第一反射鏡130，形成於該發光二極體晶粒110之外的圖案化基板100上，以反射自發光二極體晶粒110射出之光線。在本 發明之一實施方式中，圖案化基板100為圖案化藍寶石基板或氮化鋁基板。在本發明之一實施方式中，第一反射鏡130為一布拉格反射鏡、一全方向反射鏡或一金屬反射鏡。其中，金屬反射鏡係由選自銀、鋁或其組合之材料所構成。第一反射鏡130的表面圖案則如同圖案化基板100之表面圖案形狀。
在本發明之一實施方式中，發光二極體晶粒110包括一第一半導體層112，一發光層114，一第二半導體層116，一第一電極120及一第二電極122。其中，第一半導體層112形成於圖案化基板100之上。發光層114形成於第一半導體層112之上。第二半導體層114形成於發光層114之上。第一電極120形成於第一半導體層112上，並與第一半導體層112電性連接。第二電極122形成於第二半導體層116上，並與第二半導體層116電性連接。第一半導體層112與第二半導體層114可為不同類型的雜半導體材料，例如第一半導體層112的材料可為n型摻雜半導體材料，而第二半導體層114的材料可為p型摻雜半導體材料，亦可互換。發光層114可具有半導體材料所構成的多量子井結構(Multiple Quantum Well，MQW)。第一電極與第二電極可為多個透明導電層且具有高折射率的特性或者是金屬。
請參閱第2A至2E圖，第2A至2E圖繪示根據本發明部分實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖，分別揭露不同表面形狀之反射鏡結構。請參閱第2A圖，一發光二極體晶粒110設置於一圖案化基板100上，第一反射鏡130A形成於該發光二極體晶粒110之外的圖案化基板100上。此時第一反射鏡130A之表面形狀為平面。
請參閱第2B至2E圖，所繪示結構同第2A圖，只有第一反射鏡130B、130C、130D、130E之表面形狀不同。在第2B圖中，第一反射鏡130B之表面形狀為一曲面。在第2C圖中，第一反射鏡130C之表面形狀為一連續圓弧型。在第2D圖中，第一反射鏡130D之表面形狀為鋸齒狀。而在第2E圖中，第一反射鏡130E之表面形狀為梯形。故由上列圖式中得知反射鏡之表面形狀可以形成與圖案化基板的圖案不同之圖案如平面、曲面、連續圓弧形、鋸齒狀、梯形或沿著該圖案化基板表面圖案形成如同圖案化基板之表面圖案形狀。
請參照第3圖，第3圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖。其中，一發光二極體晶粒110設置於一圖案化基板100上，第一反射鏡130F形成於該發光二極體晶粒110之外的圖案化基板100上。其中，第一反射鏡130F可為兩層以上材料相疊之結構，如圖所示，在本發明之部分實施例中，第一反射鏡130F包括一第一材料層132，形成於圖案化基板100上。以及一第二材料層134，形成於第一材料層132之上，其中第一材料層132與第二材料層134為不同材料。
在本發明之部分實施例中，第一反射鏡130F為一布拉格反射鏡，第一材料層132為一第一介電層，第二材料層134為一第二介電層。此布拉格反射鏡係由任兩種具不同折射率的第一、第二介電層重複交錯堆疊製成，且該第一介電層之折射率大於該第二介電層之折射率，並以該第一介電層接觸該圖案化基板。其中，第一、第二介電層的材料可選自矽、二氧化矽(Silicon Dioxide,SiO2)、氮化矽(Silicon Nitride,Si3N4)、氧化鈦(Titanium Dioxide,TiO2)、砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)、鋁砷化鎵(AlGaAs)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、磷化鋁銦(AlInP)等。並可重複堆疊多層此布拉格反射鏡以達到所期望之反射效果(重複堆疊之示意圖未繪示於圖中)。
在本發明之部分實施例中，第一反射鏡130F為一全方向反射鏡。其中，第一材料層132為一具複數折射率的金屬層，第二材料層134為一低折射率材料層，且低折射率材料層的厚度為λ/4。低折射率材料為一介電材料，例如二氧化矽SiO2。具複數折射率的金屬層之材料可為銀、鋁、銅或其組合。
請參照第4圖，第4圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之剖面圖。此為本發明之另一態樣之一實施例。繪示一發光二極體結構，包括一圖案化基板100，複數個發光二極體晶粒110，複數個導線150，以及一第二反射鏡136。在本發明之部分實施例中，圖案化基板100為圖案化藍寶石基板或氮化鋁基板。複數個發光二極體晶粒110，彼此間隔地設置於此圖案化基板100上且發出具有波長為λ的光線。複數個導線150，電性連接該些發光二極體晶粒110。其中，導線150之材料係選自由下列物質所構成之群組：金、銀、銅、鎳、錫、鋁和其組合。在部分實施例中，導線150與發光二極體晶粒110及與圖案化基板100之間設置有絕緣層140。舉例來說，絕緣層140之材料為二氧化矽。第二反射鏡136形成於發光二極體晶粒110之外且表面無導線150經過的圖案化基板100上，以反射自發光二極體晶粒110射出之光線。
在本發明之部分實施方式中，第二反射鏡136之性質如 同上述第一反射鏡130之所有性質。例如第二反射鏡之表面形狀為平面、曲面、連續圓弧形、鋸齒狀、梯形或沿著該圖案化基板表面圖案形成如同該圖案化基板之表面圖案形狀。反射鏡的形狀亦可以依據製程中黃光微影技術自行設計。第二反射鏡130為一布拉格反射鏡、一全方向反射鏡或一金屬反射鏡。其中，布拉格反射鏡係由任兩種具不同折射率的第一、第二介電層重複交錯堆疊製成，且第一介電層之折射率大於第二介電層之折射率，並以第一介電層接觸該圖案化基板。而全方向反射鏡係由一低折射率材料層與一具複數折射率的金屬層構成，其中低折射率材料層為厚度λ/4的介電材料。以及金屬反射鏡係由選自銀、鋁或其組合之材料所構成。
在本發明之部分實施方式中，發光二極體晶粒110包括一第一半導體層112，一發光層114，一第二半導體層116，一第一電極120及一第二電極122。其中，第一半導體層112形成於圖案化基板100之上。發光層114形成於第一半導體層112之上。第二半導體層116形成於發光層114之上。第一電極120形成於第一半導體層112上，並與第一半導體層112電性連接。第二電極122形成於第二半導體層116上，並與第二半導體層116電性連接。第一半導體層112與第二半導體層114可為不同類型的雜半導體材料，例如第一半導體層112的材料可為n型摻雜半導體材料，而第二半導體層114的材料可為p型摻雜半導體材料，亦可互換。發光層114可具有半導體材料所構成的多量子井結構(Multiple Quantum Well，MQW)。第一電極與第二電極可為多個透明導電層且具有高折射率的特性或者是金屬，例如金、銀、銅、 鋁等。
複數個發光二極體晶粒110串聯後便可形成高壓發光二極體結構(HV LED)以提供更大功率及更高亮度。更詳細的說，在第4圖中，複數個發光二極體晶粒110為兩個發光二極體晶粒110A，110B，彼此間隔地設置於圖案化基板100上。兩發光二極體晶粒110A，110B間以一導線150將一發光二極體晶粒110A之第二電極122A與另一發光二極體晶粒110B之第一電極120B電性連接。導線150下方並具有絕緣層140用以保護導線150。並在圖案化基板100上無導線150及發光二極體晶粒110A、110B之處鍍上第二反射鏡136，以反射自發光二極體晶粒110A、110B射出之光線，達到提升HV LED的光粹取效率。
請參閱第5圖，第5圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之上視圖。此發光二極體結構及為第4圖所繪示之結構。第4圖即為第5圖沿AA’剖面所見之剖面圖。由圖中可見到兩發光二極體晶粒110A，110B具有間隔地設置於圖案化基板上，並由一導線150將兩發光二極體晶粒110A，110B電性連接。並可在上視圖中見到部份之第一半導體層112A、112B、第二半導體層116A，116B，以及第一電極120A與第二電極120B之結構。而第二反射鏡136形成於發光二極體晶粒110之外且表面無導線150經過的圖案化基板上。藉由第5圖可更加了解第4圖所繪示之發光二極體結構。
請參閱第6圖，在本發明之部分實施例中，複數個發光二極體晶粒110並不限於兩個，可以以電壓以及發光效果的需求而串聯多個發光二幾體晶粒110形成一高壓發光二極體結構。第 6圖繪示根據本發明一實施方式之一種發光二極體結構之上視圖。以上視圖較易清楚示意多個發光二極體晶粒串聯之情形。由圖中可見到，複數個發光二極體晶粒110設置於一圖案化基板之上，藉由複數個導線150將複數個發光二極體晶粒110電性連接。圖案化基板上未被發光二極體晶粒110及導線150覆蓋之處則鍍上第二反射鏡136，包括整組高壓發光二極體的內部發光二極體晶粒與晶粒110間，或是整組高壓發光二極體的最外圍只有一側有發光二極體晶粒110之部分，以達到提升高壓發光二極體光萃取率之成果。發光二極體晶粒110之數量可因電流需求而改變，並且可在同一晶片之不同區域上形成多個不同的高壓發光二極體。
由上述實施方式可知，本發明提供一發光二極體結構，用於單一發光二極體晶粒或是多個發光二極體晶粒所組成之高壓發光二極體上，藉由在圖案化基板上鍍上反射鏡來反射發光二極體晶粒從側壁發出的光，以提升光萃取率，並可減少原本從發光二極體晶粒側壁發出的光所造成的熱殘留，並延長發光二極體結構之使用壽命。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧圖案化基板
110‧‧‧發光二極體晶粒
112‧‧‧第一半導體層
114‧‧‧發光層
116‧‧‧第二半導體層
120、122‧‧‧電極
130‧‧‧第一反射鏡

Claims (9)

  1. 一發光二極體結構，包含：一圖案化基板；一發光二極體晶粒，設置於該圖案化基板上且發出具有波長為λ的光線；以及一第一反射鏡，形成於該發光二極體晶粒之外的該圖案化基板上，以反射自該發光二極體晶粒射出之光線，其中該第一反射鏡為一布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡係由任兩種具不同折射率的第一、第二介電層重複交錯堆疊製成，且該第一介電層之折射率大於該第二介電層之折射率，並以該第一介電層接觸該圖案化基板。
  2. 一發光二極體結構，包含：一圖案化基板；一發光二極體晶粒，設置於該圖案化基板上且發出具有波長為λ的光線；以及一第一反射鏡，形成於該發光二極體晶粒之外的該圖案化基板上，以反射自該發光二極體晶粒射出之光線，其中該第一反射鏡為一全方向反射鏡，該全方向反射鏡係由一低折射率材料層與一具複數折射率的金屬層構成，其中該低折射率材料層為厚度λ/4的介電材料。
  3. 如請求項1或2所述之發光二極體結構，其中，該第一反射鏡之表面形狀為平面、曲面、連續圓弧形、鋸齒狀、 梯形或沿著該圖案化基板表面圖案形成如同該圖案化基板之表面圖案形狀。
  4. 如請求項1或2所述之發光二極體結構，其中該圖案化基板為圖案化藍寶石基板。
  5. 一發光二極體結構，包含：一圖案化基板；複數發光二極體晶粒，彼此間隔地設置於該圖案化基板上且發出具有波長為λ的光線；複數導線，電性連接該些發光二極體晶粒；以及一第二反射鏡，形成於該些發光二極體晶粒之外且表面無該些導線經過的該圖案化基板上，以反射自該些發光二極體晶粒射出之光線，其中該第二反射鏡為一布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡係由任兩種具不同折射率的第一、第二介電層重複交錯堆疊製成，且該第一介電層之折射率大於該第二介電層之折射率，並以該第一介電層接觸該圖案化基板。
  6. 一發光二極體結構，包含：一圖案化基板；複數發光二極體晶粒，彼此間隔地設置於該圖案化基板上且發出具有波長為λ的光線；複數導線，電性連接該些發光二極體晶粒；以及 一第二反射鏡，形成於該些發光二極體晶粒之外且表面無該些導線經過的該圖案化基板上，以反射自該些發光二極體晶粒射出之光線，其中該第二反射鏡為一全方向反射鏡，該全方向反射鏡係由一低折射率材料層與一具複數折射率的金屬層構成，其中該低折射率材料層為厚度λ/4的介電材料。
  7. 如請求項5或6所述之發光二極體結構，其中，該第二反射鏡之表面形狀為平面、曲面、連續圓弧形、鋸齒狀、梯形或沿著該圖案化基板表面圖案形成如同該圖案化基板之表面圖案形狀。
  8. 如請求項5或6所述之發光二極體結構，其中，該些導線之材料係選自由下列物質所構成之群組：金、銀、銅、鎳、錫、鋁和其組合。
  9. 如請求項5或6所述之發光二極體結構，其中該圖案化基板是圖案化藍寶石基板。
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