TWI581466B - 發光二極體晶片結構及發光二極體元件 - Google Patents

Description

發光二極體晶片結構及發光二極體元件

本發明係有關於一種半導體裝置，且特別是有關於一種發光二極體元件及其發光二極體晶片結構。

自1994年日本成功量產高亮度藍光二極體後，LED的應用範圍大幅增加，而且，隨著LED生產良率的提高，使得單位製造成本降低，業界對發光二極體的需求持續增加。

就特性而言，發光二極體(Light Emitting Diode；LED)屬於半導體元件之一，基於發光二極體具有體積小、壽命長、耗電量小等特性，3C產品指示器與顯示裝置等已普遍採用發光二極體。

然而，一般發光二極體晶片僅具有單一發光角，照明範圍有限，使得發光二極體晶片的應用層面受到限制。由此可見，上述現有的方式，顯然仍存在不便與缺陷，而有待改進。為了解決上述問題，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來仍未發展出適當的解決方案。

本發明內容之一目的是在提供一種發光二極體元件及其發光二極體晶片結構，藉以改善發光二極體晶片僅具有單一發光角的問題。

為達上述目的，本發明內容之一技術態樣係關於一種 發光二極體晶片結構，其包含基板、平台狀(mesa)發光二極體結構及電致變色層，進一步而言，平台狀發光二極體結構包含第一型半導體層、發光層及第二型半導體層。於結構上，平台狀發光二極體結構形成於基板上。進一步而言，第一型半導體層設置於基板上，發光層設置於部分第一型半導體層上，並且裸露出部分第一型半導體層，第二型半導體層設置於發光層上，而電致變色層設置於第二型半導體層上。

根據本發明一實施例，電致變色層之光穿透率和光反射率可隨一施加於其間之可變電壓之變化而被改變。

根據本發明另一實施例，當施加於電致變色層之可變電壓逐漸升高或降低時，光穿透率逐漸降低或升高，而光反射率之變化則與光穿透率相反。

根據本發明再一實施例，發光二極體晶片結構更包括第一電極以及第二電極，分別設置於第一型半導體層和第二型半導體層上，使一可變的第一電壓可經由第一電極和第二電極被施加於第一型半導體層和第二型半導體層間，此外，由於電致變色層與第一型半導體層和第二型半導體層串連，進一步使得可變的第一電壓被施加於電致變色層。

根據本發明另再一實施例，發光二極體晶片結構更包括絕緣層，其位在第二型半導體層和電致變色層之間，且電致變色層上更包括第三電極和第四電極。

根據本發明另又一實施例，可變的第二電壓經由第三電極和第四電極被施加於電致變色層。

根據本發明再另一實施例，可變第一電壓係透過可變電阻而轉變成可變第二電壓。

根據本發明再又一實施例，電致變色層更覆蓋平台狀發光二極體結構側面之第二型半導體層、發光層及第一型半導體層。

為達上述目的，本發明內容之另一技術態樣係關於一種發光二極體元件，其包含發光二極體晶片及波長轉換物質，進一步而言，發光二極體晶片包含基板、平台狀發光二極體結構及電致變色層，更進一步而言，平台狀發光二極體結構包含第一型半導體層、發光層及第二型半導體層。

根據本發明一實施例，電致變色層之光穿透率和光反射率可隨一施加於其間之電壓變化而被改變。

根據本發明另一實施例，當施加於電致變色層之電壓逐漸升高或降低時，光穿透率逐漸降低或升高，而光反射率之變化則與光穿透率相反。

根據本發明再一實施例，發光二極體元件更包括第一電極以及第二電極，分別設置於第一型半導體層和第二型半導體層上，使可變的第一電壓可經由第一電極和第二電極被施加於第一型半導體層和第二型半導體層間。

根據本發明又一實施例，電致變色層與第一型半導體層和第二型半導體層串連，使得可變的第一電壓被施加於電致變色層。

根據本發明另再一實施例，發光二極體元件更包括絕緣層，其位在第二型半導體層和電致變色層之間，且電致 變色層上更包括第三電極和第四電極。

根據本發明另又一實施例，可變的第二電壓經由第三電極和第四電極被施加於電致變色層。

根據本發明再另一實施例，可變第一電壓係透過可變電阻而轉變成可變第二電壓。

根據本發明再又一實施例，發光二極體晶片之出射光波長λ 1是落在紫外光或可見光之波長範圍內。

根據本發明又另一實施例，波長轉換物質是選自螢光粉、色素、顏料或其組合。

根據本發明又再一實施例，電致變色層更覆蓋平台狀發光二極體結構側面之第二型半導體層、發光層及第一型半導體層。

因此，根據本發明之技術內容，本發明實施例藉由提供一種發光二極體元件及其發光二極體晶片結構，藉以改善一般發光二極體晶片僅具有單一發光角，照明範圍有限，使得發光二極體晶片的應用層面受到限制的問題。

為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。

其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。

第1圖係依照本發明一實施例繪示一種發光二極體晶片結構的示意圖。如圖所示，發光二極體晶片結構100包含基板110、平台狀(mesa)發光二極體結構120及電致變色層130，進一步而言，平台狀發光二極體結構120包含第一型半導體層122、發光層124及第二型半導體層126。

於結構上，平台狀發光二極體結構120形成於基板110上。進一步而言，平台狀發光二極體結構120之第一型半導體層122設置於基板110上。平台狀發光二極體結構120之發光層124設置於第一型半導體層122的一部分上，並且裸露出第一型半導體層122的一部分，然本發明並不以此為限，在其它實施例中，發光層124亦可完全覆蓋第一型半導體層122，本發明之實現方式，當視實際需求而得以選擇性地採用部分覆蓋或完全覆蓋。此外，第二型半導體層126設置於發光層124上，而電致變色層130設置於第二型半導體層126上。然本發明並不以第1圖所示之結構為限，其僅用以例示性地繪示本發明其中一種實施方式，在不脫離本發明之精神的狀況下，對第1圖所示之結 構作任何更動或潤飾皆落入本發明之範圍內。

為使本發明實施例之發光二極體晶片結構100的效果更易於理解，在此配合第2A及2B圖以一併例示性地說明本發明。第2A圖係繪示依照先前技術的一種發光二極體晶片所發出光線之光形示意圖，而第2B圖則繪示依照本發明一實施例的一種發光二極體晶片所發出光線之光形示意圖。

如第2A圖所示，一般發光二極體晶片僅具有一個發光角，使得其照明範圍有限。然而，採用本發明實施例第1圖所示之結構，其相較於一般發光二極體晶片至少增加電致變色層130。藉由此電致變色層130，可將平台狀發光二極體結構120所發出之光線進行調控，進而改變平台狀發光二極體結構120所發出光線之光形，使得發光二極體晶片結構100之整體如第2B圖所示具有至少兩個發光角，據此，其相較於僅具有單一發光角的一般發光二極體晶片而言，具有較廣之照明範圍，而得以拓展發光二極體晶片結構100的應用層面。

於實現本發明時，基板110可為藍寶石基板(Sapphire)、矽基板(SiC)等。第一型半導體層122可為N型半導體層，而第二型半導體層126可相對的為P型半導體層，詳細而言，第一型半導體層122可為N型氮化鎵(GaN)層，而第二型半導體層126可為P型氮化鎵層。發光層可為多重量子井層(Multiple Quantum Well,MQW)。然本發明之各層狀結構所採用之材料並不以上述材料為限，其僅 用以例示性地闡述本發明之一實現方式，熟習此技藝者當可依照實際需求而選擇性地採用適當之材料來製作本發明之各層狀結構。

關於上述電致變色層130對平台狀發光二極體結構120所發出之光線的調控方式，配合第3圖詳述如下。於實現本發明實施例之發光二極體晶片結構100時，其可包含第一與第二電極140、150。在結構上，第一與第二電極140、150分別設置於第一與第二型半導體層122、126上，一外部電源供應器195可分別電性耦接於第一與第二電極140、150，用以輸出可變的第一電壓，並經由第一與第二電極140、150而施加於第一與第二型半導體層122、126間。此外，由於電致變色層130與第一與第二型半導體層122、126串連，使得可變的第一電壓被施加於電致變色層130，藉使電致變色層130之光穿透率和光反射率可隨前述施加於其間之可變的第一電壓之變化而被改變。

前述電致變色層130之光穿透率係繪示於第4A圖中，在此，電致變色層130例示性地採用二氧化鈦(TiO2)來實現，由圖中之曲線可知，當施加於電致變色層130之可變的第一電壓逐漸升高時，光穿透率(T(%))逐漸降低，反之，當可變的第一電壓逐漸降低時，光穿透率(T(%))逐漸升高，而光反射率之變化則與光穿透率相反。上述電致變色層130之光穿透率及光反射率的變化，將改變平台狀發光二極體結構120所發出光線之光形。此外，請看到第4B圖，其係電致變色層130採用氧化鎳(NiOx)來實現時， 電致變色層130之光穿透率示意圖，由第4A及第4B圖可看出，當電致變色層130採用氧化鎳來實現時，其較採用二氧化鈦來實現之電致變色層130而言，欲使光穿透率下降所需提供予電致變色層130之電壓較高。

在此，舉一實施方式來說明光穿透率與光線之光形間的對應關係，詳述如下。首先，請先看到第4A圖，當施加於電致變色層130之可變的第一電壓為約0.8伏特(V)時，其光穿透率約為50%，此時，電致變色層130處於半穿透模式，而平台狀發光二極體結構120所發出光線如第5A圖所示，部分直接穿越電致變色層130，另一部份則被電致變色層130所反射，由平台狀發光二極體結構120之側面出光，此時，發光二極體晶片結構100之整體光線的光形圖，如第5B圖所示，在此需說明的是，黑色實線部分為整合黑色虛線部分發光角度之總角度。

此外，舉另一實施方式來說明光穿透率與光線之光形間的對應關係，詳述如下。首先，請先看到第4A圖，當施加於電致變色層130之可變的第一電壓大於約1.5伏特(V)時，其光穿透率接近0%，此時，電致變色層130處於反射模式，而平台狀發光二極體結構120所發出光線如第6A圖所示，幾乎全部被電致變色層130所反射，由平台狀發光二極體結構120之側面出光，此時，發光二極體晶片結構100之整體光線的光形圖，如第6B圖所示，同第5B圖，黑色實線部分為整合黑色虛線部分發光角度之總角度。

此外，為使施加於電致變色層130間之電壓與光線光 形的對應關係更易於理解，以下將繪示施加不同電壓於電致變色層130間所產生之光線光形，在此，電致變色層130例示性地採用二氧化鈦來實現，然本發明並不以此為限。如第7A圖至第7E圖所示，其分別依序繪示施加0.2伏特(V)、0.4伏特(V)、0.8伏特(V)、1.0伏特(V)以及1.5伏特(V)於電致變色層130間，平台狀發光二極體結構120所產生之光線光形示意圖，同第5B圖，第7A至第7E圖之黑色實線部分為整合黑色虛線部分發光角度之總角度。

由上述實施方式可知，對施加於電致變色層130間之電壓進行控制，即可調控平台狀發光二極體結構120所發出光線之光形，諸如當使用者需要較集中的光線時，使用者可透過外部電源供應器195，施加0.2伏特(V)之電壓於電致變色層130上，而使平台狀發光二極體結構120產生如第7A圖所示之光線光形。當使用者需要涵蓋範圍較廣之光線時，使用者可透過外部電源供應器195施加1.5伏特(V)之電壓於電致變色層130上，而使平台狀發光二極體結構120產生如第7E圖所示之光線光形。然上述實施方式並非用以限定本發明，其僅用以例示性地繪示本發明其中一種實施方式，熟習此技藝者當可依照實際需求選擇性地控制電壓，而能調控平台狀發光二極體結構120所發出光線之光形。

在本發明一種類型之實施例中，請參照第3圖，電致變色層130更覆蓋平台狀發光二極體結構120側面之第二型半導體層126、發光層124及第一型半導體層122，如此， 當電源供應器195輸出可變的第一電壓，並經由第一與第二電極140、150而施加於第一與第二型半導體層122、126間時，由於電致變色層130與第一與第二型半導體層122、126串連，使得可變的第一電壓被施加於電致變色層130。

在本發明另一種類型之實施例中，請看到第8圖，其與第3圖之不同在於發光二極體晶片結構800之電致變色層830與第二型半導體層826之間更包含絕緣層880，此外，發光二極體晶片結構800更包含第三電極860和第四電極870。在一實施例中，發光二極體晶片結構800更包含電源供應器895，其耦接至第一與第二電極840、850，此電源供應器895可輸出可變第一電壓，此可變第一電壓經由第三與第四電極860、870被施加於電致變色層830。

同樣地，如第8圖所示，可變第一電壓透過一可變電阻885而轉變成可變第二電壓，並被施加至第三與第四電極860、870之間的電致變色層830。在本實施例中，電源供應器895與可變電阻885可分別輸出可變的第一電壓與可變的第二電壓，經過第一與第二電極840、850以及第三與第四電極860、870，而施加於平台狀發光二極體結構820與電致變色層830，俾使平台狀發光二極體結構820與電致變色層830可分別被控制，因而在發光二極體晶片結構800之發光亮度與光線光形上，得以有更加多元之搭配，故進一步拓展了發光二極體晶片結構800的應用層面。

再者，第3與8圖的發光二極體晶片結構100、800分別發出一出射光波長λ 1之第一光線，而發光二極體晶片 結構100、800分別包含波長轉換物質190、890，其經波長λ 1之第一光線照射後，可將其轉換成出射光波長λ 2之第二光線，而波長轉換物質190、890分別設置於電致變色層130、830上，且波長轉換物質190、890分別與發光二極體晶片結構100、800形成發光二極體元件。在一實施例中，發光二極體晶片結構100、800之出射光波長λ 1是落在紫外光或可見光之波長範圍內。於實現本發明時，波長轉換物質190、890可選自螢光粉、色素、顏料或其組合，然其並非用以限定本發明，熟習此技藝者當可依照實際需求而選擇性地採用可轉換波長之其餘材料，以作為波長轉換物質。

由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點。本發明實施例藉由提供一種發光二極體元件及其發光二極體晶片結構，藉以改善一般發光二極體晶片僅具有單一發光角，照明範圍有限，使得發光二極體晶片的應用層面受到限制的問題。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧發光二極體晶片結構

110‧‧‧基板

120‧‧‧平台狀發光二極體結構

122‧‧‧第一型半導體層

124‧‧‧發光層

126‧‧‧第二型半導體層

130‧‧‧電致變色層

140‧‧‧第一電極

150‧‧‧第二電極

190‧‧‧波長轉換物質

195‧‧‧電源供應器

800‧‧‧發光二極體晶片結構

810‧‧‧基板

820‧‧‧平台狀發光二極體結構

822‧‧‧第一型半導體層

824‧‧‧發光層

826‧‧‧第二型半導體層

830‧‧‧電致變色層

840‧‧‧第一電極

850‧‧‧第二電極

860‧‧‧第三電極

870‧‧‧第四電極

880‧‧‧絕緣層

885‧‧‧可變電阻

890‧‧‧波長轉換物質

895‧‧‧電源供應器

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本發明一實施例的一種發光二極體晶片結構之示意圖。

第2A圖係繪示依照先前技術的一種發光二極體晶片所發出光線之光形示意圖；第2B圖則繪示依照本發明一實施例的一種發光二極體晶片所發出光線之光形示意圖。

第3圖係繪示依照本發明另一實施例的一種發光二極體晶片結構之示意圖。

第4A圖係繪示依照本發明又一實施例的一種發光二極體晶片結構之電致變色層的光穿透率示意圖；第4B圖係繪示依照本發明一實施例的一種發光二極體晶片結構之電致變色層的光穿透率示意圖。

第5A圖係繪示依照本發明再一實施方式的一種發光二極體晶片結構之光線出光路徑示意圖；第5B圖係繪示依照本發明再一實施方式的一種發光二極體晶片結構之光線光形示意圖。

第6A圖係繪示依照本發明另一實施方式的一種發光二極體晶片結構之光線出光路徑示意圖；第6B圖係繪示依照本發明另一實施方式的一種發光二極體晶片結構之光線光形示意圖。

第7A~7E圖係繪示依照本發明再一實施方式的一種施加於電致變色層間之電壓與光線光形的對應關係示意圖。

第8圖係繪示依照本發明又一實施方式的一種發光二極體晶片結構之示意圖。

100‧‧‧發光二極體晶片結構

110‧‧‧基板

120‧‧‧平台狀發光二極體結構

122‧‧‧第一型半導體層

124‧‧‧發光層

126‧‧‧第二型半導體層

130‧‧‧電致變色層

140‧‧‧第一電極

150‧‧‧第二電極

190‧‧‧波長轉換物質

Claims (10)

1. 一種發光二極體元件，包括：一發光二極體晶片，用以發出一出射光波長λ 1之第一光線；以及一波長轉換物質，經該波長λ 1之第一光線照射後，可將其轉換成一出射光波長λ 2之第二光線，其中，該發光二極體晶片包括：一基板；一平台狀(mesa)發光二極體結構，形成於該基板上，包括：一第一型半導體層，設置於該基板上；一發光層，設置部分該第一型半導體層上，並且裸露出部分該第一型半導體層；一第二型半導體層，設置於該發光層上；以及一第一電極以及一第二電極，分別設置於該第一型半導體層和該第二型半導體層上，使一可變的第一電壓可經由該第一電極和該第二電極被施加於該第一型半導體層和該第二型半導體層間；一電致變色層，設置於該第二型半導體層上；以及一絕緣層，位在該第二型半導體層和該電致變色 層之間，且該電致變色層上更包括一第三電極和一第四電極，其中該第三電極和該第四電極係設置在該電致變色層的同一表面上，其中該波長轉換物質設置於該電致變色層之上，以及一可變的第二電壓可透過該第三電極和該第四電極施加在該電致變色層上，使該電致變色層之光穿透率和光反射率改變，來改變平台狀發光二極體結構所發出光線之光形。
2. 如請求項1所述之發光二極體元件，當該施加於該電致變色層之該可變的第二電壓逐漸升高或降低時，該光穿透率逐漸降低或升高，而該光反射率之變化則與該光穿透率相反。
3. 如請求項1所述之發光二極體元件，其中該可變的第一電壓係透過一可變電阻而轉變成該可變的第二電壓。
4. 如請求項1~3中任一項所述之發光二極體元件，其中該發光二極體晶片之出射光波長λ 1是落在紫外光或可見光之波長範圍內。
5. 如請求項4所述之發光二極體元件，其中該波長轉換物質是選自螢光粉、色素、顏料或其組合。
6. 如請求項5所述之發光二極體元件，其中該電致變色層更覆蓋該平台狀發光二極體結構側面之該第二型半導體層、該發光層及該第一型半導體層。
7. 一種發光二極體晶片結構，包含：一基板；一平台狀(mesa)發光二極體結構形成於該基板上，包括：一第一型半導體層，設置於該基板上；一發光層，設置於部分該第一型半導體層上，並且裸露出部分該第一型半導體層；一第二型半導體層，設置於該發光層上；以及一第一電極以及一第二電極，分別設置於該第一型半導體層和該第二型半導體層上，使一可變的第一電壓可經由該第一電極和該第二電極被施加於該第一型半導體層和該第二型半導體層間；一絕緣層，設置於該第二型半導體層上；以及一電致變色層，設置於該絕緣層上，且該電致變色層上更包括一第三電極和一第四電極，其中該第三電極和該第四電極係設置在該電致變色層的同一表面上，一可變的第二電壓可透過該第三電極和該第四電極施加在該電致變色層上，使該電致變色層之光穿透率和光反射率改變，改變該平台狀發光二極體結構所發出之該光線 光形。
8. 如請求項7所述之發光二極體晶片結構，當該施加於該電致變色層之該可變的第二電壓逐漸升高或降低時，該光穿透率逐漸降低或升高，而該光反射率之變化則與該光穿透率相反。
9. 如請求項7所述之發光二極體晶片結構，其中該可變的第一電壓係透過一可變電阻而轉變成該可變的第二電壓。
10. 如請求項7所述之發光二極體晶片結構，其中該電致變色層更覆蓋該平台狀發光二極體結構側面之該第二型半導體層、該發光層及該第一型半導體層。