TWI580082B

TWI580082B - 發光元件

Info

Publication number: TWI580082B
Application number: TW104134510A
Authority: TW
Inventors: 賴育弘; 林子暘
Original assignee: 錼創科技股份有限公司
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2017-04-21
Also published as: TW201620160A; TWI577055B; TWI578581B; TW201620161A; TWI557943B; TW201620153A; TW201620166A; TW201620167A; TWI569479B; TW201620165A; TWI612694B; TW201620164A; TWI622190B

Description

發光元件

本發明是有關於一種半導體元件，且特別是有關於一種發光元件。

一般來說，發光二極體晶片可透過打線接合（wire bonding）或覆晶接合(flip-chip bonding)的方式與外部電路電性連接。以覆晶接合的連接方式來說，發光二極體晶片的電極可透過導電凸塊(conductive bump)、導電膠(conductive paste)、焊料(solder)等導電材料而與外部電路上的接墊電性連接。其中，導電凸塊或焊料，其與發光二極體晶片的接觸面積小於發光二極體晶片的面積，因此導電凸塊或焊料與外部電路的接墊之間並沒有足夠的對位裕度，因而降低發光二極體晶片與外部電路之間的對位精準度。

本發明提供一種發光元件，其微型發光晶片與基板之間具有較佳的對位精準度。

本發明的發光元件，其包括一基板、多個微型發光晶片以及多個導電凸塊。基板具有多個接墊。微型發光晶片分散配置於基板上。每一微型發光晶片包括一N型半導體層、一主動層以及一Ｐ型半導體層。導電凸塊對應微型發光晶片配置且位於微型發光晶片與基板之間。微型發光晶片透過導電凸塊與基板的接墊電性連接。每一導電凸塊於基板上的正投影面積大於每一微型發光晶片於基板上的正投影面積。

在本發明的一實施例中，上述的每一導電凸塊的厚度大於每一微型發光晶片的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的微型發光晶片具有不同的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的微型發光晶片的主動層具有相近的水平高度，且微型發光晶片的N型半導體層具有不同的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的微型發光晶片包括至少一垂直式紅光發光晶片、至少一垂直式綠光發光晶片以及至少一垂直式藍光發光晶片。

在本發明的一實施例中，上述的導電凸塊具有不同的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的導電凸塊於基板上的正投影面積與導電凸塊的厚度成正比。

在本發明的一實施例中，上述的每一導電凸塊包括至少二層金屬層，靠近接墊的一金屬層的熔點低於靠近微型發光晶片的另一金屬層的熔點。

在本發明的一實施例中，上述的每一導電凸塊包括至少一金層以及位於金層上的至少一合金層，而每一接墊至少包括一銅層以及位於銅層上的一銦層。每一導電凸塊的金層直接接觸每一接墊的銦層。

在本發明的一實施例中，上述的金層的厚度大於合金層的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的每一導電凸塊更包括一反射材料層，配置於對應的微型發光晶片與合金層之間。

在本發明的一實施例中，上述的每一導電凸塊於基板上的正投影面積為每一微型發光晶片於基板上的正投影面積的1.05倍至1.5倍。

在本發明的一實施例中，上述的每一微型發光晶片的一外部量子效率曲線的一最大峰值電流密度介於0.01 A/cm² 至2 A/cm² 之間。

在本發明的一實施例中，上述的每一微型發光晶片的缺陷密度介於10⁸ /cm² 至10⁴ /cm² 之間。

基於上述，由於本發明的發光元件的每一導電凸塊於基板上的正投影面積大於每一微型發光晶片於基板上的正投影面積，意即導電凸塊的正投影面積大於微型發光晶片與導電凸塊之間的接觸面積。因此，導電凸塊與基板的接墊之間可具有較大的對位裕度，故有助於提高微型發光晶片與基板之間的對位精準度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示為本發明的一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請參考圖1，在本實施例中，發光元件100a包括一基板110、多個微型發光晶片120以及多個導電凸塊130。基板110具有多個接墊112。微型發光晶片120分散配置於基板110上，其中每一微型發光晶片120包括一P型半導體層122、一主動層124以及一N型半導體層126。導電凸塊130對應微型發光晶片120配置且位於微型發光晶片120與基板110之間，其中微型發光晶片120透過導電凸塊130與基板110的接墊112電性連接。每一導電凸塊130於基板110上的正投影面積大於每一微型發光晶片120於基板110上的正投影面積。較佳地，每一導電凸塊130於基板110上的正投影面積為每一微型發光晶片120於基板110上的正投影面積的1.05倍至1.5倍。

詳細來說，本實施例的基板110具體來說為一驅動基板，其例如是一線路基板、顯示基板（display substrate）、發光基板（lighting substrate）、具電晶體（transistors）或積體電路（integrated circuits (ICs)）的基板或者是具有金屬再分配線（metal redistribution lines）之基板，於此並不加以限制。如圖1所示，本實施例的每一接墊112於基板110上的正投影面積也小於每一導電凸塊130於基板110上的正投影面積。需說明的是，於此接墊112是配置於基板110的表面上，但於其他未繪示的實施例中，接墊亦可內埋於基板內，此仍屬於本發明所欲保護的範圍。

再者，本實施例的每一微型發光晶片120更包括一第一電極121以及一第二電極123。主動層124位於P型半導體層122與N型半導體層126之間，而第一電極121結構性及電性連接P型半導體層122，且第二電極123結構性及電性連接N型半導體層126。在本實施例的微型發光晶片120中，主動層124為一多重量子井（multiple quantum well, MQW）結構，而第一電極121例如是P電極，且第二電極123例如是N電極。此實施例中，P型半導體層122位於N型半導體層126與導電凸塊130之間，而於其他未繪示的實施例中，亦可以是N型半導體層126位於P型半導體層122與導電凸塊130之間，而第一電極121例如是Ｎ電極，且第二電極123例如是Ｐ電極，於此並不加以限制。特別是，在本實施例中，導電凸塊130的厚度T’大於每一微型發光晶片的厚度t’。

如圖1所示，本實施例的N型半導體層126的厚度大於P型半導體層122的厚度，其中N型半導體層126的厚度例如是4微米，而P型半導體層122的厚度例如是0.3微米。因此，主動層124較接近導電凸塊130與基板110的接墊112，可有效將微型發光晶片120所產生的熱透過導電凸塊130與基板110而傳遞至外界，可使發光元件100a具有較佳的散熱效果。再者，本實施例的每一微型發光晶片120的一外部量子效率曲線的一最大峰值電流密度，較佳地，介於0.01 A/cm² 至2 A/cm² 之間。意即，本實施例的微型發光晶片120適於在低電流密度的情況下操作。此外，本實施例的每一微型發光晶片120可作為顯示器中的子像素（sub-pixel），本實施例的微型發光晶片120與目前一般常用的發光二極體晶片具有不同的尺寸規格。詳細地說，常用的發光二極體晶片的邊長尺寸是0.2公釐(mm) 至 1 公厘(mm)，而本實施例的每一微型發光晶片120的邊長尺寸為1微米(μm)至100微米(μm)，較佳地，每一微型發光晶片120的邊長尺寸為3微米(μm)至40微米(μm)。另外，本實施例的微型發光晶片120的磊晶缺陷密度也較小，較佳地，微型發光晶片120的磊晶缺陷密度介於10⁸ /cm² 至10⁴ /cm² 之間。

由於本實施例的發光元件100a的每一導電凸塊130於基板110上的正投影面積大於每一微型發光晶片120於基板110上的正投影面積，意即導電凸塊130的正投影面積大於微型發光晶片120與導電凸塊130之間的接觸面積。因此，導電凸塊130與基板110的接墊112之間可具有較大的對位裕度，故有助於提高微型發光晶片120與基板110之間的對位精準度。

此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖1與圖2，本實施例的發光元件100b與圖1中的發光元件100a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的發光元件100b的微型發光晶片120a、120b、120c具有不同的厚度。詳細來說，本實施例的發光晶片120a、120b、120c的主動層124具有相近的水平高度，且微型發光晶片120a、120b、120c的N型半導體層126a、126b、126c具有不同的厚度t1’、t2’、t3’，其中微型發光晶片120a的N型半導體層126a的厚度t1’大於微型發光晶片120b的N型半導體層126b的厚度t2’，而微型發光晶片120b的N型半導體層126b的厚度t2’大於微型發光晶片120c的N型半導體層126c的厚度t3’。此處，微型發光晶片120a例如是一垂直式紅色發光晶片，而微型發光晶片120b例如是一垂直式藍色發光晶片，且微型發光晶片120c例如是一垂直式綠色發光晶片。

圖3繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖2與圖3，本實施例的發光元件100c與圖2中的發光元件100b相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的除了發光元件100c的微型發光晶片120a、120b、120c具有不同的厚度，且導電凸塊130a、130b、130c也具有不同的厚度。詳細來說，如圖3所示，微型發光晶片120a的N型半導體層126a的厚度t1’大於微型發光晶片120b的N型半導體層126b的厚度t2’，而微型發光晶片120b的N型半導體層126b的厚度t2’大於微型發光晶片120c的N型半導體層126c的厚度t3’，且導電凸塊130a、130b、130c的厚度T1、T2、T3也分別大於微型發光晶片120a、120b、120c的厚度。較佳地，導電凸塊130a、130b、130c於基板110上的正投影面積與導電凸塊130a、130b、130c的厚度T1、T2、T3成正比。也就是說，導電凸塊130a、130b、130c於基板110上的正投影面積越大，則導電凸塊130a、130b、130c的厚度T1、T2、T3越厚，可有效提高微型發光晶片120a、120b、120c與基板110之間的對位精準度。此處，導電凸塊130a、130b、130c的厚度T1、T2、T3介於2微米至10微米之間。此實施例中，微型發光晶片120a、120b、120c的P型半導體層122具有相同的厚度，而於其他未繪示的實施例中，微型發光晶片120a、120b、120c的P型半導體層122可具有不同的厚度，並搭配不同厚度的導電凸塊，使發光晶片120a、120b、120c的主動層124具有相近的水平高度。

圖4繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖1與圖4，本實施例的發光元件100d與圖1中的發光元件100a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的發光元件100d的每一導電凸塊130’包括至少一金層132以及位於金層132上的至少一合金層134，而每一接墊112’至少包括一銅層112b以及位於銅層112b上的一銦層112a。每一導電凸塊130’的金層132直接接觸每一接墊112’的銦層112a。此處，如圖4所示，導電凸塊130’的厚度T是由金層132的厚度T11及合金層134的厚度T12所組成，其中金層132的厚度T11大於合金層134的厚度T12。金層132與銦層112a直接接觸可產生金銦(AuIn)共金鍵結(eutectic bonding)，金銦共金的熱應力低且導熱係數高，熱應力低可增加微型發光晶片120與基板110之間的對位精準度，而導熱係數高則可以快速將發光晶片120的熱傳遞出去。

圖5繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖4與圖5，本實施例的發光元件100e與圖4中的發光元件100d相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的發光元件100e的每一導電凸塊130’’更包括一反射材料層136，其中反射材料層136配置於對應的微型發光晶片120與合金層134之間。也就是說，本實施例的導電凸塊130’’除了具有導電的功能之外，其亦具有反射的功能，可有效提高發光元件100d的出光效率。

圖6繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖1與圖6，本實施例的發光元件100f與圖1中的發光元件100a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的發光元件100f的每一導電凸塊130f包括至少二層金屬層132f、134f，其中靠近接墊112的一金屬層132f的熔點低於靠近微型發光晶片120的另一金屬層134f的熔點。金屬層132f由熔點較低的金屬材料所形成，較佳為熔點低於200°C的金屬，例如錫或銦；而金屬層134f由熔點較高的金屬材料所形成，較佳為熔點高於210°C的金屬，例如金或鉛。進行固晶熱壓合時，加熱基板110至高於金屬層132f的熔融溫度但低於金屬層134f的熔融溫度之一溫度，在此溫度下，金屬層132f轉化為液狀，而金屬層134f仍維持固狀，微型發光晶片120與基板110對接時，液狀的金屬層132f可以降低接觸面的碰撞力，避免微型發光晶片120產生傾斜。一般來說，金屬層134f的厚度與金屬層132f的厚度並無特別限制，但以金屬層132f的厚度大於等於金屬層134f時，可降低接觸面的碰撞力的效果較佳。

綜上所述，由於本發明的發光元件的每一導電凸塊於基板上的正投影面積大於每一微型發光晶片於基板上的正投影面積，意即導電凸塊的正投影面積大於微型發光晶片與導電凸塊之間的接觸面積。因此，導電凸塊與基板的接墊之間可具有較大的對位裕度，故可有助於提高微型發光晶片與基板之間的對位精準度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100a、100b、100c、100d、100e、100f‧‧‧發光元件
110‧‧‧基板
112、112’‧‧‧接墊
112a‧‧‧銦層
112b‧‧‧銅層
120、120a、120b、120c‧‧‧微型發光晶片
121‧‧‧第一電極
122‧‧‧Ｐ型半導體層
123‧‧‧第二電極
124‧‧‧主動層
126、126a、126b、126c‧‧‧Ｎ型半導體層
130、130’、130’’、130a、130b、130c、130f‧‧‧導電凸塊
132‧‧‧金層
132f、134f‧‧‧金屬層
134‧‧‧合金層
136‧‧‧反射材料層
t’、t1’、t2’、t3’、T、T’、T1、T2、T3、T11、T12‧‧‧厚度

圖1繪示為本發明的一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。圖2繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。圖3繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。圖4繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。圖5繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。圖6繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。

100a‧‧‧發光元件

110‧‧‧基板

112‧‧‧接墊

120‧‧‧微型發光晶片

121‧‧‧第一電極

122‧‧‧P型半導體層

123‧‧‧第二電極

124‧‧‧主動層

126‧‧‧N型半導體層

130‧‧‧導電凸塊

t’、T’‧‧‧厚度

Claims

一種發光元件，包括：一基板，具有多個接墊；多個微型發光晶片，分散配置於該基板的該些接墊上，各該微型發光晶片包含一N型半導體層、一主動層以及一P型半導體層；以及多個導電凸塊，對應該些微型發光晶片配置且位於該些微型發光晶片與該基板之間，且該些微型發光晶片透過該些導電凸塊與該基板的該些接墊電性連接，其中各該導電凸塊於該基板上的正投影面積大於各該微型發光晶片於該基板上的正投影面積，其中各該接墊於該基板上的正投影面積小於各該導電凸塊於該基板上的正投影面積。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中各該導電凸塊的厚度大於各該微型發光晶片的厚度。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該些微型發光晶片具有不同的厚度。
如申請專利範圍第3項所述的發光元件，其中該些微型發光晶片的該些主動層具有相近的水平高度，且該些微型發光晶片的該些N型半導體層具有不同的厚度。
如申請專利範圍第3項所述的發光元件，其中該些微型發光晶片包括至少一垂直式紅光發光晶片、至少一垂直式綠光發光晶片以及至少一垂直式藍光發光晶片。
如申請專利範圍第3項所述的發光元件，其中該些導電凸塊具有不同的厚度。
如申請專利範圍第6項所述的發光元件，其中該些導電凸塊於該基板上的正投影面積與該些導電凸塊的厚度成正比。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中各該導電凸塊包括至少二層金屬層，靠近該些接墊的一金屬層的熔點低於靠近該些微型發光晶片的另一金屬層的熔點。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中各該導電凸塊包括至少一金層以及位於該金層上的至少一合金層，而各該接墊至少包括一銅層以及位於該銅層上的一銦層，且各該導電凸塊的該金層直接接觸各該接墊的該銦層。
如申請專利範圍第9項所述的發光元件，其中該金層的厚度大於該合金層的厚度。
如申請專利範圍第9項所述的發光元件，其中各該導電凸塊更包括一反射材料層，配置於對應的該微型發光晶片與該合金層之間。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中各該導電凸塊於該基板上的正投影面積為各該微型發光晶片於該基板上的正投影面積的1.05倍至1.5倍。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中各該微型發光晶片的一外部量子效率曲線的一最大峰值電流密度介於0.01A/cm²至2A/cm²之間。
如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中各該微型發光晶片的缺陷密度介於10⁸/cm²至10⁴/cm²之間。