TWI581458B - 發光元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光元件，尤其關於一種可增加側面出光之發光元件。
一般發光二極體元件之結構如圖1所示，係在基板130上置有一發光疊層110，基板130與發光疊層110間以一接合層120接合。封裝時再將基板130以一晶片固定物質140固定於一封裝載體150上，整體再以一封裝樹脂160予以封裝。發光疊層110是一半導體疊層，由上而下依序包括第一電性半導體層111、活性層112、及第二電性半導體層113。第一電性半導體層111和第二電性半導體層113電性相異，例如第一電性半導體層111是n型半導體層，而第二電性半導體層113是p型半導體層，在施加外部電源時，第一電性半導體層111及第二電性半導體層113分別產生載子(電子/電洞)，載子於活性層112複合並產生光。此外，分別在第一電性半導體層111上設有一第一電極114，及在第二電性半導體層113上設有一第二電極115以傳遞電流。這樣的發光二極體結構，其光取出主要依賴正面出光。如圖所示，當發光疊層110柱下方發出光線並行進至基板130側面時，如圖中A點所示，由於基板130之折射率n=1.7(以藍寶石基板為例)，而封裝樹脂160之折射率n=1.5，
因此，根據斯涅爾定律(Snell’s Law)，當光線入射至封裝樹脂160表面之角度大於臨界角時，如圖所示，光線會產生內部全反射(Total Internal Reflection)而無法傳出發光二極體元件，如虛線所示，甚至經過多次反射而被發光二極體元件吸收，導致亮度的損耗。因此，這樣的發光二極體結構其側面出光不佳，除了亮度受影響外，其所展現之出光角度亦相對較小。
一發光元件，包括：一半導體疊層；一透明基板包含一第一材料；一接合層，接合半導體疊層與透明基板；以及一介質在透明基板中，此介質包含一第二材料相異於第一材料。
圖2為本發明第一實施例之示意圖，在基板230上置有一發光疊層210，基板230與發光疊層210間以一接合層220接合。封裝時再將基板230以一晶片固定物質240固定於一封裝載體250上，整體再以一封裝樹脂260予以封裝。發光疊層210是一半導體疊層，由上而下依序包括第一電性半導體層211、活性層212、及第二電性半導體層213。第一電性半導體層211和第二電性半導體層213電性相異，例如第一電性半導體層211是n型半導體層，而第二電性半導體層213是p型半
導體層，在施加外部電源時，第一電性半導體層211及第二電性半導體層213分別產生載子(電子/電洞)，載子於活性層212複合並產生光。第一電性半導體層211、活性層212、及第二電性半導體層213為III-V族材料所形成，例如為磷化鋁鎵銦(AlGaInP)材料系列或氮化鋁鎵銦(AlGaInN)材料系列。此外，分別在第一電性半導體層211上設有一第一電極214，及在第二電性半導體層213上設有一第二電極215以傳遞電流。在本實施例中，用以接合基板230與發光疊層210之接合層220可由同一材料所構成，或如圖2所繪示由相異材料之多層疊層所構成。同一材料之接合層220包含導電物質或非導電物質。導電物質包含金屬氧化物或厚度小於500埃之金屬或合金，其中金屬例如包含金、銀、或錫，而金屬氧化物例如為一種材料選自氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、氧化鋁鋅(Aluminum Zinc Oxide,AZO)、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)、及氧化鋅錫(ZTO)所構成之材料群組。而非導電物質包含聚合物、氧化物、或氟化物，例如聚醯亞胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹酯(Epoxy)等。相異材料之多層疊層則如圖2所繪示，例如由第一接合材料層221與第二接合材料層222構成，且第一接合材料層221與第二接合材料層222之材料相異，例如第一接合材料層221為氧化鋁而第二接合材料層222為氧化矽。此第二接合材料層222與基板230相接，而利用第一接合材料層221與
半導體材料附著力較好之特性，將其置於半導體材料之第二電性半導體層213與第二接合層222之間。
另外在本實施例中，基板230為一包含第一材料之透明基板，且在第一材料中包含第二材料之介質231，其中第二材料相異於第一材料。第一材料例如為一種材料選自於藍寶石、氧化鎵、磷化鎵、氮化鎵、碳化矽、氮化鋁、氧化鋅、及玻璃所組成之群組。介質231包含複數之粒子或含有空氣之孔隙散佈於此透明基板內，且介質231可於此透明基板形成過程中同時摻入而為此透明基板之第一材料所包圍。介質231之第二材料可選自相異於第一材料之物質以造成光之散射或折射。介質231可為導體、非導體、或半導體。導體例如包括石墨或金屬；非導體例如包括空氣、鑽石、類碳鑽或四氯銅雙二乙基銨鹽([(CH3CH2)2NH2]2[CuCl4])；半導體例如包括氧化鈦或氧化鋅。以介質231為空氣為例，在透明基板之第一材料為玻璃之情形，可以是玻璃在燒熔狀態下混入空氣所形成，成為散佈於玻璃基板內包含空氣之孔隙。以介質231為金屬為例，此金屬可以是金屬離子植入透明基板所形成，例如使用具有40-keV能量之Cu+金屬離子，以1.0*1017(個/cm2)之劑量植入第一材料為藍寶石之透明基板，可形成銅(Cu)粒子散佈於此藍寶石透明基板內。又例如以介質231為四氯銅雙二乙基銨鹽([(CH3CH2)2NH2]2[CuCl4])為例，此四氯銅雙二乙基銨鹽係一種常用之熱致變色材料(Thermochromic materials)，在透明基板
之第一材料為玻璃之情形，可以是玻璃在燒熔狀態下混入此四氯銅雙二乙基銨鹽以形成粒子。
在本實施例中，由於基板230具有介質231內含於透明基板中，如圖2中所繪示，當發光疊層210柱下發出的光線行進至基板230時，相較於第1圖，同一光線因為介質231的存在，可被此介質231散射或穿透此介質231並折射而分散(如圖所繪示之情形)，因而形成多道不同角度之光線，相對於基板230之側面具有不同之入射角，而增加出光之機會。且對於第一次在基板230之側面發生全反射情形之光線，其反射回基板230內部時，亦有機會再次碰到此介質231而發生上述散射或折射之情形，故而增加出光之機會。
視基板230之第一材料、介質231之第二材料，及發光疊層210之材料選擇不同，介質231之第二材料的折射率可介於發光疊層210之折射率及基板230之第一材料的折射率之間。例如當基板230之第一材料選擇藍寶石，而介質231之第二材料為鑽石時，其折射率(n=2.4)介於磷化鋁鎵銦(AlGaInP)材料系列之發光疊層210之折射率(n=3~3.5)及基板230之藍寶石的折射率(n=1.7)之間，光抵達介質231時，可能發生上述穿透此介質231並折射而改變入射光的角度造成分散之情形。同樣地，視基板230之第一材料、介質231之第二材料之材料選擇不同，介質231之第二材料之折射率可小於基板230之第一材料之折射率。例如當基板230之第一材料選擇玻璃，
而介質231之第二材料為空氣時，其折射率(n=1)小於基板230之玻璃的折射率(n=1.5~1.7)，光抵達介質231時，可能因全反射而發生上述散射而分散之情形。
另外，圖2中介質231雖以圓形示意，然隨介質231之選擇，其外形可能為不規則形狀，其外形中最大之兩點距離，依材料不同而異，例如空氣約10nm至20μm，金屬約1nm至10μm，而鑽石、類碳鑽、石墨、氧化鈦、氧化鋅、及四氯銅雙二乙基銨鹽等約10nm至30μm。總體而言，介質231外形中最大之兩點距離分佈之範圍約為1nm至30μm。
在本實施例中，在基板230之上形成有一反射層270，位於基板230與晶片固定物質240間。此反射層270可為金屬材料，例如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫等金屬或其合金；也可由金屬和氧化物組合而成，例如氧化銦錫/銀(ITO/Ag)、氧化銦錫/氧化鋁/銀(ITO/AlOx/Ag)、氧化鈦/氧化矽/鋁(TiOx/SiOx/Al)、氧化銦錫/氮化矽/鋁(ITO/SiNx/Al)、氧化銦錫/氮化矽/銀(ITO/SiNx/Ag)、氧化銦錫/氮化矽/氧化鋁/鋁(ITO/SiNx/Al2O3/Al)、或氧化銦錫/氮化矽/氧化鋁/銀(ITO/SiNx/Al2O3/Ag)等。此反射層270可使未於基板230之側面出光而往下行進之光線，再次反射回基板230而能側面出光，或再次抵達介質231時，可能發生上述散射或穿透介質231並折射而改變入射光的角度造成分散之情形。故而本發明
之此些設計，大大提高發光二極體元件之側面出光。
圖3為本發明之第二實施例，在本實施例中，部份元件與圖2之元件相同，其代碼為圖2元件代碼的第1碼由”2”改為”3”，例如圖2之元件211為第一電性半導體層211，而圖3之元件311與其相對應，亦為第一電性半導體層311。
在本實施例中，發光疊層310是一磷化鋁鎵銦(AlGaInP)材料系列之半導體疊層，第一電性半導體層311是n型半導體層，而第二電性半導體層313是p型半導體層。在第一電性半導體層311上置有一第一窗戶層(window layer)311a，其材料同樣可以為磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之材料系列，在第二電性半導體層313上設置有一第二窗戶層313a，置於第二電性半導體層313與接合層320之間，其材料同樣可以為磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之材料系列，例如為磷化鎵(GaP)。此兩個窗戶層均有助於光取出，特別是因為厚度增加而使側面出光增加。此外，第二窗戶層313a與接合層320相接之表面係一粗化表面，有粗化結構313ar，形成一漫射面，使得光取出效率提昇。此粗化表面可於發光二極體磊晶製程中成長而成，或者是晶粒製程中經過化學蝕刻或利用感應耦合電漿(Inductive Coupling Plasma,ICP)乾蝕刻技術以蝕刻部分之第二窗戶層313a而成；亦可以預先圖案之光罩蝕刻技術，於第二窗戶層313a表面先形成一預定圖案，預定圖案可以是半圓球形、金字塔形或角錐形，再接著在預定圖案之第二窗戶層313a表面形成此粗化表面。此外，在本實施
例中，第一電極314係設置於第一窗戶層311a上，而第二電極315係設置於第二窗戶層3131a上。且第一電極314更設置有延伸電極314a，以助於電流擴散，同樣地，第二電極315基於電流擴散之目的而設計成雙叉狀(由上視方向觀察)，故如圖所示，於此剖面圖可見左右兩邊均有第二電極315。此外於發光二極體之最外層設置有抗反射層380，此抗反射層380選擇折射率介於第一窗戶層311a及封裝樹脂360之材料，如此可降低由第一窗戶層311a行進至外圍封裝樹脂360之光線發生全反射之機率。例如在本實施例中，可選擇氮化矽為抗反射層380。
此外，在發光二極體由晶圓(wafer)經雷射切割成晶粒時，隨著使用之雷射種類、切割條件(如能量)，及發光二極體各被切割層之材料不同，雷射切割之生成物(byproduct)之情形亦不同。藉由量測側面出光量，可判斷是否需要進行生成物移除(LBR)製程。在生成物不多且生成物透光率亦良好之情形下，生成物構成增加側面出光之粗糙結構，可不進行生成物移除(LBR)之製程。本實施例顯示進行生成物移除(LBR)製程之情形。於進行生成物移除(LBR)之製程後，在側面受雷射切割之區域留下一粗糙面390，亦增加側面出光之效果。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請
專利範圍所列。
110‧‧‧發光疊層
111‧‧‧第一電性半導體層
112‧‧‧活性層
113‧‧‧第二電性半導體層
114‧‧‧第一電極
115‧‧‧第二電極
120‧‧‧接合層
130‧‧‧基板
140‧‧‧晶片固定物質
150‧‧‧封裝載體
160‧‧‧封裝樹脂
210‧‧‧發光疊層
211‧‧‧第一電性半導體層
212‧‧‧活性層
213‧‧‧第二電性半導體層
214‧‧‧第一電極
215‧‧‧第二電極
220‧‧‧接合層
221‧‧‧第一接合材料層
222‧‧‧第二接合材料層230基板
231‧‧‧介質
240‧‧‧晶片固定物質
250‧‧‧封裝載體
260‧‧‧封裝樹脂
270‧‧‧反射層
310‧‧‧發光疊層
311‧‧‧第一電性半導體層
311a‧‧‧第一窗戶層
312‧‧‧活性層
313‧‧‧第二電性半導體層
313a‧‧‧第二窗戶層
313ar‧‧‧粗化結構
314‧‧‧第一電極
314a‧‧‧延伸電極
315‧‧‧第二電極
320‧‧‧接合層
321‧‧‧第一接合材料層
322‧‧‧第二接合材料層230基板
331‧‧‧介質
340‧‧‧晶片固定物質
350‧‧‧封裝載體
360‧‧‧封裝樹脂
370‧‧‧反射層
380‧‧‧抗反射層
390‧‧‧粗糙面
圖1：先前技術之發光二極體元件之結構
圖2：本發明第一實施例之發光二極體元件之結構
圖3：本發明第二實施例之發光二極體元件之結構
210‧‧‧發光疊層
211‧‧‧第一電性半導體層
212‧‧‧活性層
213‧‧‧第二電性半導體層
214‧‧‧第一電極
215‧‧‧第二電極
220‧‧‧接合層
221‧‧‧第一接合材料層
222‧‧‧第二接合材料層
230‧‧‧基板
231‧‧‧介質
240‧‧‧晶片固定物質
250‧‧‧封裝載體
260‧‧‧封裝樹脂
270‧‧‧反射層
Claims (10)
- 一發光元件，包括：一半導體疊層；一透明基板包含一第一材料，該第一材料為選自於藍寶石、氧化鎵、磷化鎵、氮化鎵、碳化矽、氮化鋁及氧化鋅所組成之群組；一接合層，位於該半導體疊層及該透明基板之間以接合該半導體疊層與該透明基板；以及一介質在該透明基板中，該介質包含一第二材料相異於該第一材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括一反射層於該透明基板上。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該介質包含複數粒子或包含空氣之孔隙散佈於該透明基板內。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光元件，更包括一第一電極及一第二電極，其中該第一電極及該第二電極位於該透明基板之一第一面，而該反射層位於該透明基板之一第二面，該第二面相對於該第一面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第二材料包括石墨或金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第二材料包括空氣、鑽石、類碳鑽或四氯銅雙二乙基銨鹽([(CH3CH2)2NH2]2[CuCl4])。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第二材料包括氧化鈦或氧化鋅。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括一粗糙結構位於該透明基板之側壁，或該透明基板之側壁具有一粗糙面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該介質係於該透明基板形成過程中同時摻入形成，或該介質包括以金屬離子植入該透明基板所形成之金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該介質之該第二材料的折射率介於該半導體疊層之折射率及該透明基板之該第一材料的折射率之間。
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