TWI544658B - 發光二極體結構 - Google Patents

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TWI544658B TW101127914A TW101127914A TWI544658B TW I544658 B TWI544658 B TW I544658B TW 101127914 A TW101127914 A TW 101127914A TW 101127914 A TW101127914 A TW 101127914A TW I544658 B TWI544658 B TW I544658B
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陳丁玉
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Description

發光二極體結構
本發明係關於一種高亮度發光二極體結構。
發光二極體(LED)之發光原理和結構與傳統光源並不 相同，具有耗電量低、元件壽命長、無須暖燈時間、反應速度快等優點，再加上其體積小、耐震動、適合量產，容易配合應用需求製成極小或陣列式的元件，在市場上部分產品的應用已很廣泛，例如顯示器的背光，在普通照明的部分則正逐漸地成長。
目前的發光二極體(LED)的性能價格比隨著應用越廣越趨嚴苛，單位面積的亮度要求越來越高，因此會以加大單顆發光二極體(LED)晶片的尺寸來達成，但加大面積後會有電流分布不均勻問題，故如第1A圖所示，此一發光二極體(LED)包含第一半導體層22、第二半導體層26、第一電極4及第二電極5，第一電極4包含第一接觸區4a及第一延伸部4b，其中第一接觸區4a及第二電極5具有金屬焊墊，用來封裝打線，第一延伸部4b為指狀電極，用來幫助電流擴散。但是當第一延伸部4b在晶片面積上所佔的比例愈高時，電極的遮光或吸光現象便越趨嚴重，而影響發光效率。因此，如第1B圖所顯示第1A圖中虛線AA’的剖面圖，在第一接觸區4a、第一延伸部4b及第二電極5下方，分別形成平的第一表面43、第二表面46及第三表面53等三個接觸面，並設置高反射率層41、45及51，以降低金屬焊墊及指狀電極底部的遮光或吸光現象，但此一平的接觸面在後續的封裝打線製程時，金屬焊墊容易產生剝離現象，造成打線品質下降。
以上發光二極體可進一步結合一次載體(sub-mount)而形成一發光裝置，所述發光裝置包含一具有至少一電路之次載體；至少一焊料(solder)位於上述次載體上，藉由此焊料將上述發光二極體固定於次載體上並使發光二極體之基板與次載體上之電路形成電連接；以及，一電性連接結構，以電性連接發光二極體之電極墊與次載體上之電路；其中，上述之次載體可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置之電路規劃並提高其散熱效果。
一發光二極體結構，包含一基板，一半導體發光疊層位於基板上，其中半導體發光疊層包含一第一半導體層、一第二半導體層與第一半導體層之電性相異、及一主動層介於第一半導體層及第二半導體層之間，一第一電極與第一半導體層電性相連，及一第二電極與第二半導體層電性相連，其中，第一電極包含一接觸區與一延伸區，接觸區具有與第一半導體層相對之一第一表面，延伸區具有與第一半導體層相對之一第二表面，第一表面及第二表面具有相異之粗糙度，且第一表面的反射率小於第二表面的反射率。
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。
第2A圖顯示根據本發明第一實施例之發光二極體結構1a的剖面圖，此發光二極體結構1a包含一基板10，基板10的材料包含但不限於絕緣材料，例如矽橡膠、玻璃、石英、陶瓷或氮化鋁。一半導體發光疊層2位於基板10上包含一第一半導體層22、一主動層24及一第二半導體層26，當第一半導體層22為p型半導體，第二半導體層26可為相異電性的n型半導體，反之，當第一半導體層22為n型半導體，第二半導體層26可為相異電性的p型半導體。主動層24位於第一半導體層22及第二半導體層26之間，可為中性、p型或n型電性的半導體。施以電流通過半導體發光疊層2時，主動層24會發光。當主動層24以磷化鋁銦鎵(AlGaInP)為基礎的材料時，會發出紅、橙、黃光之琥珀色系的光，當以氮化鋁鎵銦(AlGaInN)為基礎的材料時，會發出藍或綠光。一透明導電層3形成在第一半導體層22上，透明導電層3的材料包含但不限於具有透明特性的導電材料，例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅(ZnO)、磷化鎵(GaP)或上述材料之組合。
一第一電極4形成在透明導電層3上與透明導電層3形成歐姆接觸，第一電極4藉由透明導電層3與第一半導體層22電性相連，當電流從第一電極4注入時，可藉由透明導電層3增加電流散佈的均勻度，避免電流過度集中在第一半導體層22的部分區域。一第二電極5形成在第二半導體層26上與第二半導體層26形成歐姆接觸。
第一電極4包含第一接觸區4a及一個或複數個第一延伸部4b，其中第一延伸部4b的形狀與第一接觸區4a的形狀相異，如第1A圖所示第一電極4包含圓形的第一接觸區4a以及長條狀的第一延伸部4b，及第6圖所示第一電極4包含圓形的第一接觸區4a以及兩個L型狀的第一延伸部4b。第一接觸區4a包含第一焊墊42及高反射率層41，且具有第一表面43與透明導電層3歐姆接觸；第一延伸部4b包含一個或複數個第一指狀電極44及高反射率層45，且具有第二表面46與透明導電層3歐姆接觸。第一接觸區4a之第一焊墊42用於打線連接，引導外部電流進入半導體發光疊層2，包含但不限於鎳(Ni)、鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)之單層或多層金屬結構。高反射率層41位於第一焊墊42下方與透明導電層3歐姆接觸，包含但不限於導電性佳，且於可見光波段之反射率大於70%的金屬，例如鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)及其合金的單層或多層金屬結構。第一延伸部4b之第一指狀電極44用於散佈電流至透明導電層3， 包含但不限於鎳(Ni)、鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)之單層或多層金屬結構。高反射率層45位於第一指狀電極44下方與透明導電層3歐姆接觸，包含但不限於導電性佳，且於可見光波段之反射率大於70%的金屬，例如鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)及其合金的單層或多層金屬結構。
其中，第一電極4與透明導電層3歐姆接觸的第一表面43相較於第二表面46，具有較高的粗糙度，第一表面43的粗糙度(Ra)至少大於100nm。具體而言，第二表面46的粗糙度(Ra)至少小於60nm。本實施例中，第一表面43的粗糙度(Ra)為137nm，第二表面46的粗糙度(Ra)為28.1nm。第一接觸區4a為供打線的區域，其附著力須較第一延伸部4b高，以避免在封裝打線的過程中發生剝離的情況。第2B圖所示為第一接觸區4a與第二電極5的受力示意圖，對於第一接觸區4a與透明導電層3接觸之第一表面43而言，由於粗糙接觸面相較於平坦接觸面能夠增加接觸面積，可以使得發光二極體結構1a在封裝過程，第一接觸區4a能夠承受更多的垂直於第一表面43的拉力61，且粗糙的接觸面具有不平整的凹凸結構，第一接觸區4a能夠承受更多平行於第一表面43的剪切力(shcar)62。第一延伸部4b與透明導電層3之間的第二表面46為粗糙度(Ra)小於60nm的平坦接觸面，用於反射主動層24所發出的光線，以提高發光二極體結構1a的出光效率。第二 表面46的形成方法，是藉由在第一半導體層22之粗糙的上表面221，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻上表面221以形成一平坦區域222，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。接著在上表面221上形成透明導電層3及第一電極4，其中，第二表面46對應於平坦區域222，使得第二表面46的粗糙度(Ra)小於第一表面43的粗糙度(Ra)。
由於第一接觸區4a的第一表面43為粗糙表面，因此第一表面43的反射率小於第二表面的反射率，具體而言，第一表面43與第二表面的反射率相差30%以上，因此在其他的實施例中，第一接觸區4a亦可不包含高反射率層41。
第二電極5包含第二焊墊52及高反射率層51，且具有第三表面53與第二半導體層26歐姆接觸。其中，第二焊墊52用於打線連接，引導外部電流進入半導體發光疊層2，包含但不限於鎳(Ni)、鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)之單層或多層金屬結構。高反射率層51位於第二焊墊52下方與第二半導體層26歐姆接觸，包含但不限於導電性佳，且於可見光波段之反射率大於70%的金屬，例如鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)及其合金的單層或多層金屬結構。第三表面53的粗糙度接近第一表面43粗糙度，具體而言，第三表面53粗糙度大於100nm，可以使得第二電極5在發光二極體結構1封裝過程中，如第2B圖所示，能夠承受更 多的垂直於第三表面53的拉力61，且粗糙的接觸面具有不平整的凹凸結構，第二電極5能夠承受更多平行於第三表面53的剪切力(shear)62。
第3圖顯示根據本發明第二實施例之發光二極體結構1b的剖面圖。第二實施例與第一實施例差異在於第一電極4包含的第一接觸區4a與第一半導體層22直接接觸，也就是第一接觸區4a所包含的高反射率層41大部分與第一半導體層22直接接觸，只有少部分的高反射率層41與透明導電層3歐姆接觸。高反射率層41與第一半導體層22直接接觸的接觸面形成非歐姆接觸，具有高的電阻值，阻擋電流直接流過，使得第一接觸區4a正下方的發光量降低，以減少光被第一表面43所吸收，並使電流集中流經第一接觸區4a下方以外的區域，提升發光二極體結構1b的發光效率。
第4圖顯示根據本發明第三實施例之發光二極體結構1c的剖面圖。第三實施例與第二實施例差異在於形成一電性絕緣層6在第一接觸區4a與第一半導體層22之間。電性絕緣層6為一個電流阻擋結構，具有高的電阻值，阻擋電流直接流過第一表面43，使得第一接觸區4a正下方的發光量降低，以減少光被第一表面43所吸收，電性絕緣層6的材料包含但不限於有機材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物 (COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)，無機材料，例如矽膠(Silicone)、玻璃(Glass)，介電材料，例如氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)，或上述材料之組合。
第5圖顯示根據本發明第四實施例之發光二極體結構1d的剖面圖。第四實施例與第一實施例差異在於，形成一電性絕緣層6在透明導電層3與第一半導體層22之間，並位於第一接觸區4a下方阻擋電流直接流過第一表面43，使得第一接觸區4a正下方的發光量降低，以減少光被第一表面43所吸收，電性絕緣層6的材料包含但不限於有機材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)，無機材料，例如矽膠(Silicone)、玻璃(Glass)，介電材料，例如氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)，或上述材料之組合。
第7圖及第8圖顯示根據本發明第五實施例之發光二極體結構1e的上視圖。第五實施例與第一至第四實施例差異在於，第二電極5包含第二接觸區5a及一個或複數個第二延伸部5b，其中第二接觸區5a的形狀與第二延伸部5b相異，如第7圖所示第二 電極5包含方形的第二接觸區5a以及長條狀的第二延伸部5b，及第8圖所示第二電極5包含正方形的第二接觸區5a以及兩個L型狀及長條狀的第二延伸部5b。如第9圖所顯示第7圖中虛線BB’的剖面圖，第二延伸部5b包含一個或複數個第二指狀電極54及高反射率層55，且具有第四表面56與第二半導體層26歐姆接觸，其中第四表面56的粗糙度(Ra)小於第三表面53的粗糙度(Ra)。第四表面56的形成方法，是藉由在第二半導體層26的上表面261，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻上表面261以形成一平坦區域262，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。接著在上表面261上形成第二電極5，其中，第四表面56形成在平坦區域262上，使得第四表面56的粗糙度(Ra)小於第三表面53的粗糙度(Ra)。第二指狀電極54用於散佈電流至第二半導體層26，包含但不限於鎳(Ni)、鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)之單層或多層金屬結構。高反射率層55位於第二指狀電極54下方與第二半導體層26歐姆接觸，包含但不限於導電性佳，且於可見光波段之反射率大於70%的金屬，例如鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)及其合金的單層或多層金屬結構，避免第二延伸部5b的吸光，以增加發光二極體結構1e的出光效率。
第10圖顯示根據本發明第六實施例之發光二極體結構1f的剖面圖。第六實施例與第一實施例差異在於第一半導體層22 的上表面221為一平坦表面，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻部分上表面221以形成一粗糙區域223，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。位於粗糙區域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大於100nm，位於平坦之上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小於60nm。
第11圖顯示根據本發明第七實施例之發光二極體結構1g的剖面圖。第七實施例與第二實施例差異在於第一半導體層22的上表面221為一平坦表面，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻部分上表面221以形成一粗糙區域223，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。位於粗糙區域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大於100nm，位於平坦之上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小於60nm。
第12圖顯示根據本發明第八實施例之發光二極體結構1h的剖面圖。第八實施例與第三實施例差異在於第一半導體層22的上表面221為一平坦表面，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻部分上表面221以形成一粗糙區域223，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。位於粗糙區域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大於100nm，位於平坦之上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小於60nm。
第13圖顯示根據本發明第九實施例之發光二極體結構1i的剖面圖。第九實施例與第四實施例差異在於第一半導體層22 的上表面221為一平坦表面，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻部分上表面221以形成一粗糙區域223，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。位於粗糙區域223上方的第一表面43的粗糙度(Ra)大於100nm，位於平坦之上表面221上方的第二表面46粗糙度(Ra)小於60nm。
第14圖顯示根據本發明第十實施例之發光二極體結構1j的剖面圖。第十實施例與第五實施例差異在於第二半導體層26的上表面261為一平坦表面，以化學蝕刻或乾蝕刻方式，圖形化蝕刻部分上表面261以形成一粗糙區域263，其中較佳係以乾蝕刻方式進行圖形化蝕刻。位於粗糙區域263上方的第三表面53的粗糙度(Ra)大於100nm，位於平坦之上表面261上方的第四表面56粗糙度(Ra)小於60nm。
1a~1j‧‧‧發光二極體結構
10‧‧‧基板
2‧‧‧半導體發光疊層
43‧‧‧第一表面
4b‧‧‧第一延伸部
44‧‧‧第一指狀電極
22‧‧‧第一半導體層
221‧‧‧上表面
222‧‧‧平坦區域
223‧‧‧粗糙區域
24‧‧‧主動層
26‧‧‧第二半導體層
261‧‧‧上表面
262‧‧‧平坦區域
263‧‧‧粗糙區域
3‧‧‧透明導電層
4‧‧‧第一電極
4a‧‧‧第一接觸區
41‧‧‧高反射率層
42‧‧‧第一焊墊
45‧‧‧高反射率層
46‧‧‧第二表面
5‧‧‧第二電極
5a‧‧‧第二接觸區
51‧‧‧高反射率層
52‧‧‧第二焊墊
53‧‧‧第三表面
5b‧‧‧第二延伸部
54‧‧‧第二指狀電極
55‧‧‧高反射率層
56‧‧‧第四表面
61‧‧‧拉力
62‧‧‧剪切力
第1A圖顯示習知發光二極體之上視圖；第1B圖顯示習知發光二極體之剖面圖；第2A圖顯示根據本發明第一實施例之發光二極體結構的剖面圖；第2B圖顯示封裝打線區域的受力示意圖；第3圖顯示根據本發明第二實施例之發光二極體結構的剖面圖；第4圖顯示根據本發明第三實施例之發光二極體結構的 剖面圖；第5圖顯示根據本發明第四實施例之發光二極體結構的剖面圖；第6圖顯示發光二極體具有複數個第一延伸部的上視圖；第7與8圖顯示根據本發明第五實施例之發光二極體結構的上視圖；第9圖所顯示根據本發明第五實施例之發光二極體結構的剖面圖；第10圖顯示根據本發明第六實施例之發光二極體結構的剖面圖；第11圖顯示根據本發明第七實施例之發光二極體結構的剖面圖；第12圖顯示根據本發明第八實施例之發光二極體結構的剖面圖；第13圖顯示根據本發明第九實施例之發光二極體結構的剖面圖；第14圖顯示根據本發明第十實施例之發光二極體結構的剖面圖。
1a‧‧‧發光二極體結構
10‧‧‧基板
2‧‧‧半導體發光疊層
22‧‧‧第一半導體層
221‧‧‧上表面
222‧‧‧平坦區域
24‧‧‧主動層
26‧‧‧第二半導體層
3‧‧‧透明導電層
4‧‧‧第一電極
4a‧‧‧第一接觸區
41‧‧‧高反射率層
42‧‧‧第一焊墊
43‧‧‧第一表面
4b‧‧‧第一延伸部
44‧‧‧第一指狀電極
45‧‧‧高反射率層
46‧‧‧第二表面
5‧‧‧第二電極
51‧‧‧高反射率層
52‧‧‧第二焊墊
53‧‧‧第三表面

Claims (10)

  1. 一發光二極體結構，包含：一基板；一半導體發光疊層位於該基板上，其中該半導體發光疊層包含一第一半導體層、一第二半導體層與該第一半導體層之電性相異、及一主動層介於該第一半導體層及該第二半導體層之間，其中該第一半導體層包含一粗糙表面以及一平坦表面；一第一電極與該第一半導體層電性相連；及一第二電極與該第二半導體層電性相連；其中，該第一電極包含一接觸區與一延伸區，該接觸區位於該粗糙表面的正上方且具有與該第一半導體層相對之一第一表面以及較該第一表面遠離該第一半導體層的一第一外表面，該延伸區位於該粗糙表面以外的該平坦表面的正上方且具有與該第一半導體層相對之一第二表面以及較該第二表面遠離第一半導體層的一第二外表面，其中該第一外表面的粗糙度大於該第二外表面的粗糙度。
  2. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，更包含一透明導電層位於該第一電極與該第一半導體層之間。
  3. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，其中該第一電極具有一最大寬度小於該第一半導體層的一寬度。
  4. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，其中該接觸區相對 該粗糙表面之表面的平均粗糙度大於100nm及該延伸區相對該平坦表面之表面的平均粗糙度小於60nm。
  5. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，其中該第二電極相對於該第二半導體層之表面的平均粗糙度大於100nm。
  6. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，其中該第一電極包含一反射層，該反射層對於可見光波段之反射率大於70%。
  7. 如申請專利第6項所述的發光二極體結構，其中該接觸區包含一焊墊位於該反射層之上，該焊墊用於打線連接。
  8. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，其中該延伸區延伸自該接觸區，且該接觸區具有一實質上為圓形或是長方形的輪廓。
  9. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，更包含一電性絕緣層位於該第一表面與該第一半導體層之間。
  10. 如申請專利第1項所述的發光二極體結構，其中該延伸區包含一位於該平坦表面的正上方的指狀電極以及一介於該指狀電極以及該第一半導體層之間的反射層。
TW101127914A 2012-08-01 2012-08-01 發光二極體結構 TWI544658B (zh)

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