TWI581398B - 發光元件 - Google Patents

Description

發光元件

本發明揭示一種發光元件，特別是關於一種於一次載體上至少包含一電子元件與至少一顆發光二極體陣列晶片並且可直接用於交流電之發光元件。

發光二極體(light-emitting diode,LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具，已逐漸取代傳統光源，並且應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等。

第1圖為習知可用於交流電源之發光二極體照明元件結構示意圖，如第1圖所示，習知可用於交流電源之發光二極體照明元件100包含一次載體(submount)10、一位於次載體10上之發光二極體陣列晶片12，以及至少一焊墊14與上述之發光二極體陣列晶片12形成電性連接，其中上述之發光二極體陣列晶片12至少包含一基板120以及複數位於基板120上之發光二極體單元122。

若欲將上述習知可用於交流電源之發光二極體照明元件100 直接取代一般照明裝置，此發光二極體照明元件100必須在100伏特至240伏特之高電壓環境工作，而長時間處於工作狀態之發光二極體照明元件100容易產生溫度過高之問題。在上述高溫高電流(壓)的環境中，電子元件往往容易產生電致遷移效應(electron migration effect)，所謂「電致遷移效應」係指經由溫度和電子風(electron wind)加乘效應所造成之金屬離子的移動。一般而言，溫度愈高愈容易發生金屬離子的電遷移現象。於發光二極體元件中，電子流在高的溫度下會使得金屬原子從電極擴散至活性區域，諸如氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)和銀等電極材料就容易有電致遷移。此外焊料(solder)或細小金屬連結亦可能因為電致遷移效應產生空洞(void)，進而導致元件斷路。

由上述描述可知，高溫高電流(壓)之工作環境大大地降低了可用於交流電源之發光二極體照明元件的可靠度。

本發明之主要目的係在於提供一種發光元件，至少包含一次載體(submount)、至少一位於次載體上之電子元件，以及至少一顆位於次載體上之發光二極體陣列晶片，其中上述至少一顆發光二極體陣列晶片與電子元件形成電性連接。

本發明之又一目的係提供至少一位於次載體上之焊墊(bond pad)，與上述之電子元件以及發光二極體陣列晶片形成電性連接，並且藉由焊墊與一高壓交流電源供應器連接，以提供交流電源至發光元件。

本發明之再一目的係提供一發光元件，其中上述之電子元件可以是整流單元、電阻單元、電容單元或電感單元等被動元件，用以提高 發光元件之效率。

本發明揭示一種發光元件，於此發光元件中具有至少一顆發光二極體陣列晶片，且上述發光二極體陣列晶片包含串聯或並聯連接之複數發光二極體單元。

本發明揭示一種發光元件，於此發光元件中具有至少一顆發光二極體陣列晶片，且上述發光二極體陣列晶片包含複數發光二極體單元，並且排列成一串接之封閉迴路。

本發明說明一種發光元件，於此發光元件中具有至少一顆發光二極體陣列晶片，且上述發光二極體陣列晶片包含複數發光二極體單元，複數發光二極體單元排列成複數串接封閉迴路，其中任二相鄰之封閉迴路具有相異之串接方向，且此相鄰之封閉迴路具有一共用部分。

本發明另一方面在揭示一種發光元件，至少包含一次載體；至少一電子元件，位於所述之次載體上、至少一顆藍光發光二極體陣列晶片，位於所述之次載體上、至少一顆紅光二極體晶片，位於所述之次載體上、以及一導電線路，位於所述之次載體上，並且分別使所述之電子元件、所述之藍光二極體陣列晶片、以及所述之紅光二極體晶片形成電性連接。

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

100‧‧‧照明元件

10、20、30‧‧‧次載體

12、24、32、400、500‧‧‧發光二極體陣列晶片

14、26、38‧‧‧焊墊

120、40、50‧‧‧基板

122、42‧‧‧發光二極體單元

200、300‧‧‧發光元件

21‧‧‧反射層

22‧‧‧電子元件

23‧‧‧波長轉換層

25‧‧‧封裝膠材

28、39‧‧‧導電線路

31‧‧‧整流元件

34‧‧‧電阻

36‧‧‧電容

44、56、56a、56b‧‧‧電極

46、58‧‧‧電性連接結構

52‧‧‧磊晶疊層

520‧‧‧第一導電型半導體層

522‧‧‧活性層

524‧‧‧第二導電型半導體層

54‧‧‧二極體單元

540、540’‧‧‧發光二極體單元

542、542a、542b、542c、542d‧‧‧整流二極體單元

580‧‧‧絕緣層

582‧‧‧金屬層

第1圖為習知可用於交流電源之發光二極體照明元件結構示意圖。

第2A圖為本發明實施例之上視結構示意圖。

第2B圖為本發明實施例之側視結構示意圖。

第2C圖為本發明另一實施例之側視結構示意圖。

第3圖為本發明又一實施例之上視結構示意圖。

第4圖為本發明發光二極體陣列晶片之側視結構示意圖。

第5A圖至第5D圖為本發明實施例中發光二極體陣列晶片之製造流程示意圖。

第6圖為本發明實施例中發光二極體陣列晶片之上視結構示意圖。

第7A與7B圖為本發明實施例中發光二極體陣列晶片之電路示意圖。

第8圖為本發明實施例中發光二極體陣列晶片之另一電路示意圖。

以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。

本發明揭示一種發光元件。為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合第2A圖至第8圖之圖示。

第2A圖為本發明實施例之上視結構示意圖，第2B圖為本發明實施例之側視結構示意圖，如第2A圖與第2B圖所示，發光元件200 至少包含一次載體(submount)20、至少一位於次載體20上之電子元件22、複數顆位於次載體20上發光二極體陣列晶片(light-emitting array chip)24、至少一位於次載體20上之焊墊26，以及一位於次載體20上之導電線路(conductive trace)28以串聯或並聯之方式電性連接上述之電子元件22、發光二極體陣列晶片24與焊墊26；其中，任二相鄰發光二極體陣列晶片24之間具有一間距D，並且間距D大於10μm；較佳為大於100μm；而上述焊墊26與一交流電電源供應器(圖未示)形成電性連接，其中此交流電電源供應器提供一般家用100V至240V之高壓交流電至上述發光元件200。

上述之電子元件22可以是至少一種單元選自電阻、電容、電感等被動元件(passive element)所構成之群組。

第2C圖為本發明另一實施例結構示意圖，如第2C圖所示，本發明之發光元件200亦包含一位於次載體20上之反射層21，用以反射發光二極體陣列晶片24所發出之光線，而次載體20上更具有一碗杯狀凹陷結構29以容納上述之電子元件22或發光二極體陣列晶片24；此外，上述之發光元件200更包含一位於發光二極體陣列晶片24上之波長轉換層23以及一位於次載體20上且至少覆蓋上述發光二極體陣列晶片24之封裝膠材25。

第3圖為本發明另一實施例之上視結構示意圖，如第3圖所述，發光元件300至少包含一次載體30、一位於次載體30上之整流元件31、複數顆位於次載體30上發光二極體陣列晶片32、至少一位於次載體30上與發光二極體陣列晶片32串聯之電阻34、至少一位於次載體30上與發光二極體陣列晶片32與電阻34串聯之電容36、至少一位於次載體30上之焊墊38，以及一位於次載體30上之導電線路39用以使上述之整流元件31、 發光二極體陣列晶片32、電容34、電阻36與焊墊38形成電性連接；其中，整流元件31係包含至少一具有低導通電壓及高逆向偏壓之二極體單元排列而成之橋式整流迴路，藉由此整流元件31將交流電源供應器所提供之正弦波交流電(AC)轉換為脈衝式直流電(pulsed DC)後供發光元件300利用；其中，具有低導通電壓高逆向偏壓之二極體單元可以是基納二極體(Zener Diode)或蕭特基二極體(Schottky Diode)；其材質係選自包含III-V族化合物或IV族元素，例如氮化鎵(GaN)系列材料、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列材料、或矽。其中，任二相鄰發光二極體陣列晶片32之間具有一大於10μm之間距，較佳為大於100μm之間距；此外，上述焊墊38與一交流電電源供應器(圖未示)形成電性連接，其中上述之交流電電源供應器(圖未示)提供為一般家用100V至240V之高壓交流電之電源至上述發光元件300。

第4圖為上述實施例中發光二極體陣列晶片之側視結構示意圖，如第4圖所示，發光二極體陣列晶片400包含一基板40、複數位於基板40上之發光二極體單元(light-emitting diode unit)42、至少二位於基板40上之電極44，以及以同向串聯或並聯方式使複數發光二極體單元42與電極44形成電性連接之電性連接結構46；其中，上述連接結構46可以是金屬線(wire)或金屬層，而上述之電極44係用以與本發明發光元件次載體上之導電線路形成電性連接(圖未示)；不僅如此，此發光二極體陣列晶片400可藉由控制發光二極體單元42之數量與連接方式使發光二極體陣列晶片400本身具有特定工作電壓。藉由上述發光二極體陣列晶片可彈性設計電壓之特性，再配合複數顆發光二極體陣列晶片400串聯之設計，使本發明發光元件可符合一般家用100V至240V之電壓條件。

參考第2圖至第4圖，以應用於一般照明系統之110伏特之交流電力系統之應用為例，前述之複數顆發光二極體陣列晶片係為一2x2排列之矩陣(如第3圖所示)，其中至少一顆發光二極體陣列晶片32包含氮化銦鎵(InGaN)之發光層以發出峰波長(peak wavelength)範圍介於440~480奈米之藍光(定義為藍光二極體陣列晶片)，以及至少一顆發光二極體陣列晶片32包含磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之發光層以發出峰波長(peak wavelength)範圍介於600~650奈米之紅光(定義為紅光二極體陣列晶片)。於藍光二極體陣列晶片上塗佈可吸收發出之藍光波長並轉換為峰波長範圍介於570~595奈米之黃光之波長轉換層(定義為黃光螢光粉)，例如為商用之YAG或TAG螢光粉(如第2C圖所示)，以混合發出白光。為達到不同色溫(color temperature)之要求，可調整所述之藍光及/或紅光二極體陣列晶片之顆數、所述之藍光及/或紅光二極體陣列晶片之晶片面積、或所述之藍光及/或紅光二極體陣列晶片之二極體單元數量，或覆蓋以可轉換發出其他顏色之螢光粉，例如綠光螢光粉，以達到調整色溫之要求。各實施例詳列如下表所示，並舉下表之第2實施例詳述如后：

上表之第2實施例為依本發明之發出暖白光(warm white)之 發光元件，其中，所有藍光二極體陣列晶片之發光功率與所有紅光二極體陣列晶片之發光功率比約為3：1。所述之發光元件包含藍光及紅光二極體陣列晶片之顆數例如各為3顆及1顆。藍光二極體陣列晶片中串聯之發光二極體單元(定義為藍光二極體單元)數量為8個單元，紅光二極體陣列晶片中串聯之發光二極體單元(定義為紅光二極體單元)數量為12個單元，因此，發光元件之所有藍光二極體單元與所有紅光二極體單元之比例為24：12或2：1；並且，各藍光及紅光二極體單元之順向偏壓值分別約為3伏特及2伏特，因此，所述之各藍光及紅光二極體陣列晶片係為一24伏特之高壓直流陣列晶片，且其所串聯而形成之一整體2x2矩陣係為一96伏特之負載。於驅動時，上述之發光元件發出之藍光及紅光功率比約為3：1。將此矩陣串聯至一預定電阻及前述之具有橋式整流迴路之整流元件，可形成一用於110V交流電力系統之發光元件。於本發明之實施例中，所有藍光二極體陣列晶片與所有紅光二極體陣列晶片之發光功率之比值約介於2至4，較佳為介為2.6~3.4；或者所述之發光元件之所有藍光與紅光二極體單元之數量比值約介於4/3與8/3之間，以控制色溫範圍介於2000~5000K形成偏暖色系白光；較佳為色溫範圍介於2000~3500K之暖白光。於本發明之另一實施例，所述之紅光二極體陣列晶片亦可被複數個串聯之非陣列式紅光二極體晶片所取代，所述之複數個非陣列式紅光二極體晶片串聯之晶片數量相同於被取代之紅光二極體陣列晶片所具有之紅光二極體單元之數量；其中，各所述之非陣列式紅光二極體晶片僅具有一所述之紅光二極體單元，其順向偏壓值約為2伏特。

第5A圖至第5D圖為另一發光二極體陣列晶片之製造流程 示意圖；如第5A圖所示，提供一基板50，並且以有機金屬化學氣相沉積法於基板50上形成一磊晶疊層52，其中上述之磊晶疊層52由下而上至少包含一第一導電型半導體層520、一活性層522，以及一第二導電型半導體層524，並且此磊晶疊層52之材質係選自包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或砷(As)之半導體物質，例如氮化鎵(GaN)系列材料或磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列材料。

隨後，如第5B圖所示，利用微影蝕刻技術蝕刻上述之磊晶疊層52，以定義出複數溝槽53，藉此於基板50上形成複數二極體單元54，其中上述二極體單元54包含發光二極體單元540/540’與整流二極體單元542。此外，二極體單元54除了可以磊晶成長方式直接成長於基板50，亦可以二次基板轉移(double substrate transfer)接合之方式，於移除原成長基板50之後，藉由一黏著層或直接加壓/加熱之方式將二極體單元54接合至另一基板，以取代原成長基板50，例如為熱傳導係數或透光度較原成長基板50為佳之高導熱基板或透光基板，以提高發光二極體陣列晶片之散熱或光取出效率，並於接合之後移除原成長基板50。以上述之紅光二極體陣列晶片或非陣列式紅光二極體晶片為例，其中之紅光二極體單元較佳為以接合方式藉由一金屬、氧化物、或有機高分子等材質之黏著層接合至另一高導熱基板或透光基板上。

接著如第5C圖所示，再次利用微影蝕刻技術蝕刻上述之二極體單元54，使二極體單元54裸露部分之第一導電型半導體層520。

最後，如第5D圖所示，於基板上形成電極56，用以與先前所述之次載體上的導電線路(圖未示)形成電性連接；並且形成複數電性連接 結構58電性連接相異二極體單元54與電極56；於本實施例中，電性連接結構58包含一絕緣層580覆蓋於二極體單元54之側壁以及一金屬層582位於絕緣層580上。

此外，於上述發光二極體單元540中，任一發光二極體單元540係以第一導電型半導體層520藉由電性連接結構58與相鄰發光二極體單元540’之第二導電型半導體層524形成電性連接，並且排列成一串接之封閉迴路，藉由上述之步驟成一發光二極體陣列晶片500。

第6圖為第5D圖中發光二極體陣列晶片500之上視結構示意圖，如第6圖所示，發光二極體陣列晶片500包含一基板50、複數位於基板50上之二極體單元54、位於基板50上之電極56a/56b，以及以串聯或並聯方式使連接相異二極體單元54與電極56a/56b之電性連接結構58。

上述之複數二極體單元54，包含複數個發光二極體單元540以及複數個整流發光二極體單元542a/542b/542c/542d，其中電極56a藉由電性連接結構58分別與整流發光二極體單元542a之第一導電型半導體層(圖未示)以及542b之第二導電型半導體層(圖未示)形成電性連接；而電極56b藉由電性連接結構58分別與整流發光二極體單元542c之第一導電型半導體層(圖未示)以及542d之第二導電型半導體層(圖未示)形成電性連接；此外，發光二極體單元540排列形成串接之封閉迴路，整流發光二極體單元542a/542b/542c/542d則分別連接於上述封閉迴路中相異之端點w/x/y/z，以形成一橋式迴路。

第7A圖與第7B圖為上述發光二極體陣列晶片之電路示意圖，其中箭號方向係發光二極體陣列晶片電流通入時之電流路徑方向，如 第7A圖所示，當電流由電極56a流入發光二極體陣列晶片500時，電流會流經整流二極體單元542a、封閉迴路中部分之發光二極體單元540(如箭號所示之路徑)、整流二極體單元542c，並且由電極56b離開發光二極體陣列晶片500；相對於此，如第7B圖所示，當電流由56b流入發光二極體陣列晶片500時，電流會流經整流二極體542d、封閉迴路中部分之發光二極體單元540(如箭號所示之路徑)、經整流二極體542b，並且由電極56a離開發光二極體陣列晶片500。

第8圖為本發明實施例中發光二極體陣列晶片另一電路示意圖，如第8圖所示，發光二極體陣列晶片800中複數發光二極體單元82排列成複數串接封閉迴路A/B及一共用迴路C，其中相鄰封閉迴路之電性串接方向相異，於本實施例中，封閉迴路A係以順時針方向串接，封閉迴路B係以逆時針方向串接，且上述相鄰之封閉迴路A與封閉迴路B之間至少具有一共用迴路C；不僅如此，發光二極體陣列晶片800更包含複數整流二極體單元84，分別與封閉迴路A/B中相異之四個端點相連接形成一橋式迴路，以提供整流功能。

需了解的是，本發明中上述之實施例在適當的情況下，是可互相組合或替換，而非僅限於所描述之特定實施例。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見之修飾或變更接不脫離本發明之精神與範圍。

200‧‧‧發光元件

20‧‧‧次載體

22‧‧‧電子元件

24‧‧‧發光二極體陣列晶片

26‧‧‧焊墊

28‧‧‧導電線路

Claims (10)

1. 一種發光元件，包含：一第一發光二極體晶片，包含：一成長基板；複數個發光二極體單元形成於該成長基板上並排列成一封閉迴路；一電極直接位於該成長基板上；一電性連接結構形成於該成長基板上，並且電性連接該複數個發光二極體單元以及該電極；以及複數個整流二極體單元各自連接於該封閉迴路中相異的端點，並與該複數個發光二極體單元具有相同的磊晶疊層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該複數個整流二極體單元中至少其一為一發光二極體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該複數個整流二極體單元與該複數個發光二極體單元物理性分離。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該複數個發光二極體單元至少有兩個發光二極體單元排列成一直線。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一次載板，該第一發光二極體晶片設置於該次載板上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，更包含一第二發光二極體晶片形成於該次載板上，且具有一峰波長不同於該第一發光二極體晶片。
7. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，更包含一電子元件位於該次載板上，該電子元件包含電阻、電容、或電感。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一封裝材料覆蓋該第一發光二極體晶片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一波長轉換層設置於該第一發光二極體晶片上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該複數個發光二極體單元包含一不具焊墊的發光二極體單元。