TWI549278B - 發光二極體元件 - Google Patents

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Description

發光二極體元件
本發明係關於一種發光二極體元件，尤其是關於一種具有高出光效率的陣列式發光二極體元件。
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，在市場上的應用頗為廣泛。例如，光學顯示裝置、雷射二極體、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置、以及醫療裝置等。
習知的高壓發光二極體元件1，如第1A圖與第1B圖所示，包含一透明基板10、複數個發光二極體單元12以二維方向延伸，緊密排列形成於透明基板10上，每一個發光二極體單元的磊晶疊層120包含一第一半導體層121、一活性層122、以及一第二半導體層123。由於透明基板10不導電，因此於複數個發光二極體單元磊晶疊層120之間由蝕刻形成溝渠14後可使各發光二極體單元12彼此絕緣，另外再藉由部分蝕刻複數個發光二極體單元磊晶疊層120至第一半導體層121以形成部份暴露區域。接著，再分別於相鄰的發光二極體單元磊晶疊層120的第一半導體層121的暴露區域以及第二半導體層123上形成一導電配線 結構19，包含第一電極18以及第二電極16。第一電極18與第二電極16分別各自又包含第一電極延伸部180與第二電極延伸部160，分別形成於相鄰發光二極體單元磊晶疊層120的第一半導體層121與第二半導體層123之上，協助電流均勻分散流入半導體層中。藉由導電配線結構19選擇性連接於複數個相鄰的發光二極體單元12的第二半導體層123以及第一半導體層121，使得複數個發光二極體單元12之間形成串聯或並聯之電路。其中，導電配線結構19下方可以是空氣，也可以在形成導電配線結構19之前，預先在發光二極體單元12的磊晶層部分表面及相近的發光二極體單元12磊晶層間以化學氣相沉積方式(CVD)、物理氣相沉積方式(PVD)、濺鍍(sputtering)等技術沉積形成絕緣層13，作為磊晶層的保護與相近發光二極體單元12間的電性絕緣。絕緣層13的材質較佳例如可以是氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(SiNx)、二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Tantalum pentoxide,Ta2O5)等材料或其複合組合。
然而，藉由導電配線結構19進行發光二極體單元12間的電路連結時，由於發光二極體單元12與之間的溝渠14高低差距頗大，在形成導電配線結構19時容易產生導線連結不良或斷線的問題，進而影響元件的良率。
此外，上述之發光二極體元件1更可以進一步地與其他元件組合連接以形成一發光裝置(light-emitting apparatus)。第2圖為習知之發光裝置結構示意圖，如第2圖所示，一發光裝置100包含一具有至少一電路101之次載體(sub-mount)110，將上述發光二極體元件1黏結固定於次載體110上；以及，一電性連接結構104，以電性連接發光元件1之第一電極襯墊16’、第二電極襯墊18’與次載體110上之電路101；其中，上述之次載體110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100之電路規劃並提高其散熱效果。上述之電性連接結構104可以是焊線(bonding wire)或其他連結結構。
本發明提供一種發光二極體元件，尤其是關於一種具有高出光效率的發光二極體元件。
本發明的一實施例提供一種發光二極體元件，包含一基板，具有一第一表面；複數發光二極體單元，形成在第一表面上，每一個發光二極體單元包含一第一半導體層、一第二半導體層，形成在第一半導體層上、以及一活性層，形成在第一半導體層與第二半導體層之間；以及複數導電配線結構，彼此完全分離，一端具有一第一延伸部分別形成在第二半導體層上，直接接觸第二半導體層，並透過第二半導體層彼此電性連結；其中，上述複數導電配線結構另一端具有一第二延伸部分別形成在另一發光二極體單元上，直接接觸另一發光二極體單元所包含的上述複數半導體層其中之一。
本發明的另一實施例提供一種發光二極體元件，包含一基板具有一第一表面；複數發光二極體單元，形成在第一表面上，每一個發光二極體單元包含第一半導體層、第二半導體層，形成在第一半導體層上、一活性層，形成在第一半導體層與第二半導體層之間、一第一側邊，邊長為a毫米(μm)、以及複數導電配線結構，彼此完全分離，形成在發光二極體單元的第一側邊上；其中，第一側邊設置有至少(a-1)/100個上述複數導電配線結構。
本發明的另一實施例提供一種發光二極體元件，包含一基板，具有一第一表面；複數發光二極體單元，形成在該第一表面上，每一個發光二極體單元包含第一半導體層、第二半導體層，形成在第一半導體層上、一活性層， 形成在第一半導體層與第二半導體層之間、一第一側邊、以及一第二側邊，相對於第一側邊；以及複數導電配線結構，彼此完全分離，分別形成在每一發光二極體單元的第一側邊及第二側邊上；其中每一發光二極體單元的第一側邊上分別包含n個導電配線結構(n為一整數，且n>1)，每一發光二極體單元的第二側邊上分別包含m個導電配線結構(m為一整數，且m1)，其中n與m不相等。
1、2、3‧‧‧陣列發光二極體元件
10、20、30‧‧‧基板
12、22、32‧‧‧發光二極體單元
13、23‧‧‧絕緣層
100‧‧‧發光裝置
101‧‧‧電路
104‧‧‧電性連接結構
110‧‧‧次載體
120、220‧‧‧發光二極體單元磊晶疊層
121、221‧‧‧第一導電型半導體層
122、222‧‧‧活性層
123、223‧‧‧第二導電型半導體層
14‧‧‧溝渠
16‧‧‧第二電極
18‧‧‧第一電極
19、29、39‧‧‧導電配線結構
201‧‧‧第一表面
202‧‧‧底面
16’、26、36‧‧‧第一電極襯墊
160‧‧‧第二電極延伸部
18’、28、38‧‧‧第二電極襯墊
180‧‧‧第一電極延伸部
23‧‧‧水平側邊
25‧‧‧垂直側邊
D‧‧‧水平間距
d‧‧‧間距
第1A圖為一結構圖，顯示一習知陣列發光二極體元件側視結構圖；第1B圖為一結構圖，顯示一習知陣列發光二極體元件上視結構圖；第2圖為一示意圖，顯示一習知發光裝置結構示意圖；第3A圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的發光二極體單元側視結構圖；第3B圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的發光二極體單元上視結構圖；第4圖為一示意圖，顯示依據本發明一實施例的發光二極體元件局部上視示意圖；第5圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視結構圖；
以下配合圖式說明本發明之各實施例。隨著市場需求，發光二極體元件的體積逐漸縮小化。當發光二極體元件中每一個發光二極體單元的面積相對應縮小時，形成於發光二極體單元出光面上的電極，電極延伸部，與導電配線結構等不透光的結構，相對應大幅影響發光二極體單元的出光效率。
首先，第3A圖與第3B圖所示為本發明第一實施例之陣列發光二極體元件2的側視圖與上視圖。發光二極體元件2具有一個基板20，基板20具有第一表面201與底面202，其中第一表面201與底面202相對。基板20並不限定為單一材料，亦可以是由複數不同材料組合而成的複合式透明基板。例如：基板20可以包含兩個相互接合的第一基板與第二基板(圖未示)。本實施例中，基板20的材質為藍寶石(sapphire)。然而，基板20的材質亦可以包含但不限於鋁酸鋰(lithium aluminum oxide,LiAlO2)、氧化鋅(zinc oxide,ZnO)、磷化鎵(gallium phosphide,GaP)、玻璃(Glass)、有機高分子板材、氮化鋁(aluminum nitride,AlN)、砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)、鑽石(diamond)、石英(quartz)、矽(silicon,Si)、碳化矽(silicon carbide,SiC)、類鑽石碳(diamond like carbon,DLC)。接著，在基板20的第一表面201上，形成複數二維延伸排列的陣列式發光二極體單元22。陣列式發光二極體單元22的製作方式，例如下面所述： 首先，以傳統的磊晶成長製程，在一成長基板(圖未示)上形成一磊晶疊層，包含第一半導體層221，活性層222，以及第二半導體層223。成長基板的材質係可包含但不限於砷化鎵(GaAs)、鍺(germanium,Ge)、磷化銦(indium phosphide,InP)、藍寶石(sapphire)、碳化矽(silicon carbide,SiC)、矽(silicon)、氧化鋰鋁(lithium aluminum oxide,LiAlO2)、氧化鋅(zinc oxide,ZnO)、氮化鎵(gallium nitride,GaN)、氮化鋁(aluminum nitride,AlN)。
接著，以黃光微影製程技術選擇性移除部分磊晶疊層後，以在成長基板上形成分開排列的多個發光二極體單元磊晶疊層220，如第3B圖所示。其 中，更可包含以黃光微影製程技術蝕刻形成每一個發光二極體單元第一半導體層221的暴露區域，以做為後續導電配線結構的形成平台。
為了增加元件整體的出光效率，可以透過基板轉移與基板接合的技術，將發光二極體單元磊晶疊層220設置於基板20之上。發光二極體單元磊晶疊層220可以以加熱或加壓的方式與基板20直接接合，或是透過透明黏著層(圖未示)將發光二極體單元磊晶疊層220與基板20黏著接合。其中，透明黏著層可以是一有機高分子透明膠材，例如聚醯亞胺(polyimide)、苯環丁烯類高分子(BCB)、全氟環丁基類高分子(PFCB)、環氧類樹脂(Epoxy)、壓克力類樹脂(Acrylic Resin)、聚脂類樹脂(PET)、聚碳酸酯類樹脂(PC)等材料或其組合；或一透明導電氧化金屬層，例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化錫氟(FTO)、銻錫氧化物(ATO)、鎘錫氧化物(CTO)、氧化鋅鋁(AZO)、掺鎘氧化鋅(GZO)等材料或其組合；或一無機絕緣層，例如氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiO2)、氮化鋁(AlN)、二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Tantalum Pentoxide,Ta2O5)等材料或其組合。
實際上，將發光二極體單元磊晶疊層220設置於基板20上的方法不限於此，於本技術領域中具有通常知識的人應可以理解，根據不同的結構特性，發光二極體單元磊晶疊層220亦可以磊晶成長的方式直接形成於基板20上。此外，根據基板20轉移次數的不同，可以形成第二半導體層223與基板的第一表面201相鄰，第一半導體層221在第二半導體層223上，中間夾有活性層222的結構。
接著，在發光二極體單元磊晶疊層220的部分表面及相鄰發光二極體單元磊晶疊層220間以化學氣相沉積方式(CVD)、物理氣相沉積方式(PVD)、濺鍍(sputtering)等技術沉積形成絕緣層23，作為磊晶層的保護與相鄰發光二極體單元22間的電性絕緣。絕緣層23的材質較佳例如可以是氧化鋁 (Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(SiNx)、二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Tantalum Pentoxide,Ta2O5)等材料或其複合組合。
之後，以濺鍍的方式在兩個相鄰的發光二極體單元22的第一半導體層221表面上與第二半導體層223表面上分別形成複數個彼此完全分離的導電配線結構29。這些彼此完全分離的複數導電配線結構29，一端以單一方向分布(亦即無其他方向的延伸電極)的方式配置在第一半導體層221上，直接與第一半導體層221接觸，並透過第一半導體層221使導電配線結構29彼此電性連結；這些在空間上彼此分離的導電配線結構29繼續延伸至另一個相鄰的發光二極體單元22的第二半導體層223上，另一端與發光二極體單元22的第二半導體層223直接接觸，使兩個相鄰的發光二極體單元22形成電性串聯。自第3B圖上視圖觀之，配置在上述發光二極體單元22的第一半導體層221上，以及配置在另一相鄰發光二極體單元22的第二半導體層223上的導電配線結構29兩端之寬度皆小於上述第一半導體層221上及第二半導體層223上以外其他部份的導電配線結構29之寬度。
實際上，將相鄰的發光二極體單元22進行電性連結的方法不限於此，於本技術領域中具有通常知識的人應可以理解，透過將導電配線結構兩端分別配置於不同發光二極體單元的相同或不同導電極性的半導體層上，可以使發光二極體單元間形成並聯或串聯的電性連結結構。
自第3B圖上視圖觀之，在電路設計上為一串串聯陣列排列的發光二極體元件2中，於串聯陣列電路末端的兩發光二極體單元22的第一半導體層221與第二半導體層223上分別形成第一電極襯墊26與第二電極襯墊28。藉由兩個電極襯墊，可以以打線或焊錫等方式與外部電源或其他電路元件形成電性連接。其中，形成電極襯墊26，28的製程，可以與形成導電配線結構29於單一次 製程中進行，也可以由多次製程所完成。而形成電極襯墊26，28的材質，可以分別與形成導電配線結構29的材質相同或不同。
其中，為了達到一定的導電度，導電配線結構29材質較佳例如可以是金屬，例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、錫(Sn)等，其合金或其疊層組合。
此外，除了第一半導體層221與第二半導體層223之外，根據不同的功能特性，在基板20與第二半導體層223之間可以置入一層或多層相同或不同組成的半導體層。例如在基板20與第一半導體層221之間形成一緩衝層，作為基板與第一導電型半導體層221之間磊晶成長時應力緩和層；此外，第二半導體層223例如可以是形成在活性層222上的一層透明氧化物金屬層，在第二半導體層223與活性層222之間包含有其它一層或多層的半導體層，由於透明氧化物金屬層具有較佳的橫向電流擴散速率，可以用以協助電流均勻擴散到下方的半導體層之中。一般而言，根據透明氧化物金屬層摻混的雜質與製程的方式不同而有所變動，其能隙的寬度約介於0.5eV至5eV之間，屬於一種半導體結構。以本實施例為例，以氧化銦錫做為透明氧化物金屬層，其能隙寬度約為3.5eV至4.2eV，屬於一種半導體結構。其它的材料選擇例如還有氧化鋅(ZnO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO2)、氧化錫氟(FTO)、銻錫氧化物(ATO)、鎘錫氧化物(CTO)、氧化鋅鋁(AZO)、掺鎘氧化鋅(GZO)等材料或其組合。
由於這些複數的導電配線結構29是以單一方向分布的方式配置在半導體層上，並沒有多餘的電極延伸部與電極的設計。與習知的發光二極體單元相比較，發光二極體單元22表面的遮光面積比例相對減少，具有較高的出光效率。
根據實驗結果得知，發光二極體單元表面金屬導電配線結構的電流橫向傳導距離極限大約為100微米(μm)。因此，為了使電流在半導體層中可 以均勻擴散，在發光二極體單元半導體層上配置導電配線結構時，必須進行適度的調整；此外，還可透過改變發光二極體單元本身的形狀來調整發光二極體單元間的電流擴散效率。
第4圖顯示發光二極體元件2其中兩個串聯的發光二極體單元22的結構設計。其中，在發光二極體單元22的水平側邊23上，為了達到均勻的電流擴散速率，配置有複數的導電配線結構29，每一個導電配線結構29間的水平間距D小於100微米(μm)。也就是說，當水平側邊23邊長為a微米(μm)時，在水平側邊23上較佳應配置有至少(a/100)-1個導電配線結構29。以本實施例為例，水平側邊23邊長約為240微米，則為了使在水平側邊23上的導電配線結構29之間水平間距小於100微米(μm)，導電配線結構29設置的個數應大於(240/100)-1=1.4。如本實施例所示，一側的水平側邊23設置有2或3個導電配線結構。垂直側邊25部分，在沒有導電配線結構與電極延伸結構協助電流擴散的情況下，為了保持導電配線結構之間的間距d小於100微米(μm)，垂直側邊25的邊長設計較佳為小於150微米(μm)。就單一個發光二極體單元22而言，具有第一水平側邊，以及相對的第二水平側邊。為了使電流擴散更均勻，在兩水平側邊的導電配線結構29較佳應以交錯的方式配置在兩個水平的側邊上。在本實施例中，由左至右觀之，導電配線結構29依序以交錯的方式配置在單一發光二極體單元22的第一水平側邊、第二水平側邊、第一水平側邊、第二水平側邊、第一水平側邊，其中，第一水平側邊包含有3個導電配線結構，而第二水平側邊包含有2個導電配線結構。
實際上，導電配線結構29的配置方法不限於此，於本技術領域中具有通常知識的人應可以理解，配置於兩側邊的導電配線結構數目與位置可以依據側邊的延伸方向與長度等不同特性進行調整，數目也可以相同或不相同。
第5圖顯示依據本發明精神所提供的第二實施例，發光二極體元件3，其基本架構與第一實施例之發光二極體元件2相似，以下以相似的代號表示相似的結構。發光二極體元件3具有一個基板30，在基板30上形成有複數二維延伸排列的陣列式發光二極體單元32。在每一個發光二極體單元32的兩相對側邊分別配置有彼此分離的複數的導電配線結構39，依據上述的規則進行配置，電性連接兩相鄰的發光二極體單元32。在基板相對的兩端或兩邊，更配置有分別與電路兩末端發光二極體單元32連結的第一電極襯墊36及第二電極襯墊38，用以作為與外部電源及電路元件進行電性連結。
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。
2‧‧‧二維式陣列發光二極體元件
20‧‧‧透明基板
201‧‧‧第一表面
22‧‧‧發光二極體單元
221‧‧‧第一半導體層
223‧‧‧第二半導體層
29‧‧‧導電配線結構

Claims (12)

  1. 一種發光二極體元件，包含：一基板，具有一第一表面；複數發光二極體單元，形成在該第一表面上，任一該些發光二極體單元包含：一第一半導體層；一第二半導體層，形成在該第一半導體層上；以及一活性層，形成在該第一半導體層與該第二半導體層之間；以及複數導電配線結構，彼此完全分離，其中任一該些導電配線結構其一端具有一第一延伸部分別形成在該第二半導體層上，直接接觸該第二半導體層，並透過該第二半導體層彼此電性連結；其另一端具有一第二延伸部分別形成在另一該發光二極體單元上，直接接觸另一該些發光二極體單元所包含的該些半導體層其中之一；其中，由上視觀之，該第一延伸部與該第二延伸部之寬度較該導電配線結構中該第一延伸部與該第二延伸部以外的其他部分之寬度小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體元件，其中，更包含一第三半導體層，形成於該第二半導體層與該活性層之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體元件，其中該第二半導體層係為一金屬氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體元件，其中該第二半導體層與該第一半導體層具有不同的導電特性。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體元件，其中該些導電配線結構的間距小於100微米(μm)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體元件，其中每一該發光二極體單元具有一側邊，該側邊之邊長小於150微米(μm)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體元件，其中該些導電配線結構形成在與該側邊不平行的另一側邊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體元件，其中該些導電配線結構的延伸方向與一電流自該發光二極體單元流至該相鄰的發光二極體單元的方向相同，且該第一延伸部與該第二延伸部分別以一單一方向分布的方式配置在該發光二極體單元及另一該發光二極體單元上。
  9. 一種發光二極體元件，包含：一基板，具有一第一表面；複數發光二極體單元，形成在該第一表面上，任一該些發光二極體單元包含：一第一半導體層；一第二半導體層，形成在該第一半導體層上；一活性層，形成在該第一半導體層與該第二半導體層之間；一第一側邊，邊長為a微米(μm)；以及複數導電配線結構，彼此完全分離，形成在該發光二極體單元的該第一側邊上；其中，該第一側邊設置有至少(a/100)-1個該些導電配線結構。
  10. 一種發光二極體元件，包含：一基板，具有一第一表面；複數發光二極體單元，形成在該第一表面上，任一該些發光二極體單元包含：一第一半導體層；一第二半導體層，形成在該第一半導體層上；一活性層，形成在該第一半導體層與該第二半導體層之間； 一第一側邊；一第二側邊，相對於該第一側邊；以及複數導電配線結構，彼此完全分離，分別形成在任一該些發光二極體單元的該第一側邊及該第二側邊上，連接該發光二極體單元以及一相鄰發光二極體單元；其中該發光二極體單元的該第一側邊上分別包含n個導電配線結構(n為一整數，且n>1)，該發光二極體單元的該第二側邊上分別包含m個導電配線結構(m為一整數，且m1)，其中n與m不相等。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體元件，其中鄰近該第一側邊的該些導電配線結構與鄰近該第二側邊的該些導電配線結構交錯配置於任一該些發光二極體單元上。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體元件，其中該側邊上不具有該導電配線結構。
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