TWI589021B - 發光元件及其製法 - Google Patents

Description

發光元件及其製法

本發明係有關於一種發光元件，尤指一種具有反射層之發光元件。

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。

然而，發光二極體由於本身的折射率比空氣高，因此所產生的光在半導體與空氣的介面下大多會反射回內部，在發光二極體未做任何特殊處理的情況下，光能輸出的效率(輸出光能/光源光能)依發光二極體材料的不同大約介於2.21~4.18%間。

近年來，有人提出了將發光二極體的半導體表面或基板進行非平整化的加工，以使得原本會全反射的光可藉由散射而增加射出發光二極體表面的機率。部分的發光二極體甚至將原本的成長基板移除後，將半導體層黏著於另一大尺寸基板上，而此大尺寸基板底部具有一反射層，以使光線多一次反射機會而增加光射出發光二極體的機率。

本發明提出一種發光元件，包括：一發光疊層，用以產生光線；以及一基板結構形成於發光疊層下，包括：至少一第一基板，形成於發光疊層下方且具有朝向發光疊層之至少一第一表面；及一第二基板，形成於發光疊層下方且為一透明基板，第二基板並具有朝向發光疊層之至少一第二表面；以及至少一反射層，以非垂直第一表面之角度形成於第一基板與第二基板間，以反射來自於發光疊層之光線。

本發明提出一種發光元件之製法，其步驟包括：提供一第一基板，於第一基板表面形成一凹部結構，而凹部結構定義出側壁非垂直於第一基板之底面之複數凸部；形成一順應第一基板表面之反射層；形成一基板結構，於第一基板之凹部結構中形成一透明之第二基板，使基板結構包括第一基板及第二基板；以及提供一發光疊層，並將發光疊層連接於該基板結構上。

本發明提出一種發光元件之製法，其步驟包括：提供一第一基板，於第一基板表面形成一凹部結構，而凹部結構定義出側壁非垂直於一基板之底面之複數凸部；形成一順應該第一基板表面之反射層；提供一發光疊層，並將發光疊層連接於第一基板上；以及形成一包括第一基板及第二基板之一基板結構，於第一基板之凹部結構中填入一透明液態材料；將透明液態材料固化以形成第二基板，進而形成包括第一基板及第二基板之基板結構。

如圖1所示，本發明第一實施例之發光元件100可包括：一發光疊層102，用以產生光線L；一基板結構104形成於發光疊層102下，包括：一第一基板106，形成於發光疊層102下方且具有朝向發光疊層102之至少一第一表面101，且第一表面101係平行於第一基板106之底面106c；及一第二基板108，形成於發光疊層102下方且為一透明基板，第二基板108具有朝向發光疊層102之至少一第二表面103其係平行於第一基板106之底面106c；以及至少一反射層110，以一非垂直第一表面101之角度形成於第一基板106與第二基板108間，以反射來自於發光疊層102之光線。第一基板106可為一導電或不導電基板，第二基板108之透明特性可使來自於發光疊層102之光線L透過第二基板108到達反射層110上。第二基板108為單一基板時可環繞第一基板106，而第一基板106之剖面可呈下表面長度寬於上表面之圓錐或角錐狀，以令光線L被反射層110反射後可由第二基板108之側面射出；或第一基板106可為兩側具有斜面之楔形基板，而第二基板108形成於第一基板106兩側的斜面上。此外，於基板結構104與發光疊層102間可形成有一絕緣接合層112，以將發光疊層102連接於基板結構104。發光疊層102底部可另分 佈形成有複數歐姆接觸層114，其材料可例如為鍺金(GeAu)合金，而歐姆接觸層114係被絕緣接合層112所覆蓋。前述反射層110復可形成於第一表面101與絕緣接合層112間。此外，絕緣接合層112與發光疊層102間的部分介面可形成為粗化介面126。絕緣接合層112之材料可例如為矽樹脂、苯并環丁烯(BCB)、環氧樹脂(Epoxy)、聚亞醯胺(Polyimide)或過氟環丁烷(PFCB)。於絕緣接合層112與發光疊層102間，或絕緣接合層112與反射層110間可形成有一例如為類鑽石(diamond-like)之導熱層(圖未示)，以將發光疊層102之熱往基板結構104方向散逸。

第一基板106可例如為藍寶石(Sapphire)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、氮化鎵(GaN)基板、氧化鋅(ZnO)基板、磷化鎵(GaP)基板或陶瓷基板，反射層110相對第一表面101的傾斜角度係因第一基板106之斜面，其夾角可介於25度~75度間。以矽基板作第一基板106為例，可利用濕式蝕刻方式於第一基板106表面上沿著矽晶格形成與第一基板106之第一表面101夾角57.4度之一斜面，接著再利用濺鍍或蒸鍍等方式於斜面上形成反射層110。第二基板108之材料可包括聚醯亞胺(polyimide)、苯并環丁烯(BCB)，過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺 (Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、矽膠(Silicone)、玻璃、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化矽(SiO₂)、氧化鈦(TiO₂)、氮化矽(SiN_x)或旋塗玻璃(SOG)。

反射層110之材料可包含一種或一種以上之物質選自銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈷(Co)、錳(Mn)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)、鉈(Tl)、砷(As)、硒(Se)、碲(Te)、釙(Po)、銥(Ir)、錸(Re)、銠(Rh)、鋨(Os)、鎢(W)、鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鋯(Zr)、鉬(Mo)、鑭(La)、銅-錫(Cu-Sn)、銅-鋅(Cu-Zn)、銅-鎘(Cu-Cd)、錫-鉛-銻(Sn-Pb-Sb)、錫-鉛-鋅(Sn-Pb-Zn)、鎳-錫(Ni-Sn)、鎳-鈷(Ni-Co)與金合金(Au alloy)所構成之群組。

發光疊層102可包括一第一半導體層116、形成於第一半導體層116上之發光層118及形成於發光層118上之一第二半導體層120。第一半導體層116係部份外露，且於外露的表面上形成有一第一電極122，第二半導體層120上則形成有一第二電極124。發光疊層102之材料係包含至少一種元素選自於由鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)及砷(As)所構成之群組，例如為AlGaInP、AlN、GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN等之半導體化合物。其中發光疊層102之結構可為單異質結構(single heterostructure； SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、或多重量子井(multi-quantum well；MQW)結構。

如圖2A至2F所示，係顯示本發明之發光元件第一實施例之製法，首先，如圖2A所示，提供一第一基板106，且於第一基板106表面形成一凹部結構106a，而凹部結構106a定義複數凸部106b其側壁係不垂直於第一基板106之底面106c，且一反射層110可順應地形成於第一基板106之表面。如圖2B所示，於凹陷結構106a中填入一透明液態材料，並將透明液態材料固化以形成第二基板108。如圖2C所示，進行一研磨程序以將多餘之第二基板108之材料去除，形成包括第一基板106及第二基板108之基板結構104。如圖2D所示，提供一發光疊層102，並於基板結構104與發光疊層102間形成絕緣接合層112以將發光疊層102連接於基板結構104上。發光疊層102可預先承載於一暫時基板(圖未示)上，當發光疊層102連接於基板結構104後可將暫時基板移除。之後，如圖2E所示，可於發光疊層102上利用蝕刻顯影方式定義出複數尚未分離之發光元件100，且於各發光元件100上製作第一電極122及第二電極124。如圖2F所示，進行一切割程序，以將各發光元件100分離。

如圖3所示，本發明第二實施例之發光元件200可包 括：一發光疊層202，用以產生光線L；一基板結構204形成於發光疊層202下，包括：一第一基板206，形成於發光疊層202下方且具有朝向發光疊層之至少一第一表面201，且第一表面201係平行於第一基板206之底面206c；及至少一第二基板208，形成於發光疊層202下方且為一透明基板，且具有朝向發光疊層202之至少一第二表面203，且第二表面203係平行於第一基板206之底面206c；以及至少一反射層210，以非垂直於第一表面201的角度形成於第一基板206與第二基板208間，以反射來自於發光疊層202之光線。第一基板206可為一導電基板，第二基板208之透明特性可使來自於發光疊層202之光線L透過第二基板208到達反射層210上。第二基板208為單一基板時可環繞第一基板206，而第一基板206之剖面可為下表面長度寬於上表面之圓錐或角錐狀，以令光線L被反射層210反射後可由第二基板208之側面射出；或第一基板206可為兩側具有斜面之楔形基板，而第二基板208可形成於第一基板206兩側之斜面上。

本實施例之第一基板206為導電基板，例如可為矽(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板、氧化鋅(ZnO)基板或磷化鎵(GaP)基板。第一基板206之第一表面201上可形成有一第一金屬結合層222a，近發光疊層202之一側則形成有一第二金屬結合層222b，第二金屬結合層222b可較第一金屬結合 層222a具有較高的反射率，以反射來自於發光疊層202之光線。兩金屬結合層係形成一金屬合金層222，以將發光疊層202連接於基板結構204上。金屬合金層222可選自銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、銅(Cu)、鎳(Ni)、錫化金(AuSn)、銀化銦(InAg)、金化銦(InAu)、鈹化金(AuBe)、鍺化金(AuGe)、鋅化金(AuZn)、錫化鉛(PbSn)或銦化鈀(PdIn)之單層或多層金屬合金，其中金屬合金層222接近發光疊層202處具有高反射率，可藉由於第二金屬結合層222b中摻入例如為銀、鋁或鉑之高反射率金屬而達成。發光疊層202與基板結構204之間復可形成有一透明導電層212，而金屬合金層222可形成於透明導電層212下方。發光疊層202底部可分佈形成有複數歐姆接觸層214，其係被透明導電層212所覆蓋且材料可例如為鍺金(GeAu)。透明導電層212之材料可包括氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)或氧化鋅(ZnO)。於透明導電層212與發光疊層202間或透明導電層212與反射層210間可另形成有一例如為類鑽石(diamond-like)之導熱層，以將發光疊層202所產生的熱往基板結構204引導。

發光疊層202可包括一第一半導體層216、形成於第一半導體層216上之發光層218及形成於發光層218上之 一第二半導體層220，其中第二半導體層220上形成有一電極224。

如圖4A至圖4D所示，係顯示本發明之發光元件第二實施例之製法，首先，提供一第一基板206，且於第一基板206表面形成一凹部結構206a，而凹部結構206a定義出複數凸部206b其側壁係不垂直於第一基板206之底面206c，且一反射層210可順應地形成於第一基板206之表面，而在反射層210形成後，可於對應第一基板206之複數凸部206b的反射層210上位置分別形成一第一金屬結合層222a。如圖4B所示，提供一發光疊層202，於發光疊層202與第一金屬結合層222a間形成複數第二金屬結合層222b，接著於第一金屬結合層222a與第二金屬結合層222b間進行如升溫或超音波之合金程序，使第一金屬結合層222a與第二金屬結合層222b形成為一金屬合金層222，以將發光疊層202連接於第一基板206上。一透明導電層212可預先形成於發光疊層202底部，而第二金屬結合層222b可先整層地形成於透明導電層212上，再選擇性地移除掉部分區域而形成。接著可於第一基板206之凹部結構206a中填入透明液態材料再經固化後形成一透明之第二基板208，以形成包括第一基板206及第二基板208之一基板結構204。第一金屬結合層222a與第二金屬結合層222b可分別為銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、 銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、銅(Cu)、鎳(Ni)、錫化金(AuSn)、銀化銦(InAg)、金化銦(InAu)、鈹化金(AuBe)、鍺化金(AuGe)、鋅化金(AuZn)、錫化鉛(PbSn)或銦化鈀(PdIn)。第二基板208之材料與形成方式類似於第一實施例，惟因發光疊層202已連接於第一基板206上，因此第二基板208可充滿於第一基板206與發光疊層202間的空隙。雖然本實施例係先進行第一基板206與發光疊層202間的連接再以填補第二基板208方式完成基板結構204，然而亦可相同於第一實施例之先於第一基板206之凹陷結構206a形成第二基板208後，再進行連接基板結構204與發光疊層202之製程。若第二基板208的材料為矽樹脂、苯并環丁烯(BCB)、環氧樹脂(Epoxy)、聚亞醯胺(Polyimide)或過氟環丁烷(PFCB)時，進行第一金屬結合層222a與第二金屬結合層222b之合金程序可使第二基板208產生黏著性而黏著於發光疊層202之底部。如圖4C所示，可於發光疊層202上利用蝕刻顯影方式定義出尚未分離之複數發光元件200，且於各單元上製作電極224。如圖4D所示，進行一切割程序，以將各發光元件200分離。

如圖5所示，本發明第三實施例之發光元件300可包括：一發光疊層302，用以產生光線L；一基板結構304形成於發光疊層下302，包括：一第一基板306，形成於發光疊層302下方且具有朝向發光疊層302之至少一第一表 面301；及至少一第二基板308，形成於發光疊層302下方且為一透明基板，且具有朝向發光疊層302之複數第二表面303；以及至少一反射層310，以非垂直於第一表面301的角度形成於第一基板306與第二基板308間，以反射來自於發光疊層302之光線。本實施例與前述實施例之差異在於發光疊層302與基板結構304間係透過一透明導電連接結構312彼此連接，透明導電連接結構312包括：形成於基板結構304上之一第一透明導電連接層312a；以及形成於發光疊層302底部之一第二透明導電連接層312b。藉由使第一透明導電連接層312a連接於第二透明導電連接層312b而使發光疊層302連接於基板結構304。302底部可另形成有複數歐姆接觸層314，其材料可例如為鍺金(GeAu)合金，而歐姆接觸層314係被第二透明導電連接層312b所覆蓋。本實施例之的電極形成位置可相同於第一實施例或第二實施例，當相同於第一實施例時，發光疊層302上可具有位於同側且極性不同之兩電極，此時第一基板306與第二基板308較佳地為絕緣基板，或可為與發光疊層302間有一絕緣層(圖未示)之一導電基板；當相同於第二實施例時，發光疊層302上可具有一電極，在此情況下至少第一基板306必須為一導電基板。第一透明導電連接層312a及第二透明導電連接層312b之材料可包括氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧 化銻錫(ATO)、氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)或氧化鋅 (ZnO)。

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。

100、200、300‧‧‧發光元件

101、201、301‧‧‧第一表面

102、202、302‧‧‧發光疊層

103、203、303‧‧‧第二表面

104、204、304‧‧‧基板結構

106、206、306‧‧‧第一基板

106a、206a‧‧‧凹部結構

106b、206b‧‧‧凸部

106c、206c‧‧‧底面

108、208、308‧‧‧第二基板

110、210、310‧‧‧反射層

112‧‧‧絕緣接合層

114、214、314‧‧‧歐姆接觸層

116、216‧‧‧第一半導體層

118、218‧‧‧發光層

120、220‧‧‧第二半導體層

122‧‧‧第一電極

124‧‧‧第二電極

126‧‧‧粗化介面

212‧‧‧透明導電層

222‧‧‧金屬合金層

222a‧‧‧第一金屬結合層

222b‧‧‧第二金屬結合層

224‧‧‧電極

312‧‧‧透明導電連接結構

312a‧‧‧第一透明導電連接層

312b‧‧‧第二透明導電連接層

L‧‧‧光線

圖1係本發明發光元件之第一實施例示意圖；圖2A至圖2F係顯示本發明發光元件第一實施例之製法；圖3係本發明發光元件之第二實施例示意圖；圖4A至圖4D係本發明發光元件第二實施例之製法；以及圖5係本發明發光元件之第三實施例示意圖。

100‧‧‧發光元件

101‧‧‧第一表面

102‧‧‧發光疊層

103‧‧‧第二表面

104‧‧‧基板結構

106‧‧‧第一基板

106c‧‧‧底面

108‧‧‧第二基板

110‧‧‧反射層

112‧‧‧絕緣接合層

114‧‧‧歐姆接觸層

116‧‧‧第一半導體層

118‧‧‧發光層

120‧‧‧第二半導體層

122‧‧‧第一電極

124‧‧‧第二電極

126‧‧‧粗化介面

Claims (10)

1. 一種發光元件包括：一發光疊層，用以產生光線；一基板結構形成於該發光疊層下，包括：一第一基板，形成於該發光疊層下方且具有朝向該發光疊層之一第一表面；及一第二基板，形成於該發光疊層下方且為一透明基板，該第二基板並具有朝向該發光疊層之一第二表面；一接合層形成於該基板結構與該發光疊層之間；一歐姆接觸層位於該發光疊層及該基板結構之間，且該歐姆接觸層與該第一基板之該第一表面橫向錯位；以及一反射層，以非垂直該第一表面之角度形成於該第一基板與該第二基板間，以反射來自於該發光疊層之光線。
2. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該第二基板係環繞該第一基板，且該第二表面由剖面觀之為一非連續表面。
3. 如申請專利範圍第1項之發光元件，該接合層為一透明導電連接結構。
4. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該接合層為一金屬合金層包括：形成於該第一基板之該第一表面之一第一金屬結合層；以及形成於該發光疊層底部之一第二金屬結合層。
5. 如申請專利範圍第4項之發光元件，其中該發光疊層底部與該金屬合金層間復形成有一透明導電層。
6. 如申請專利範圍第5項之發光元件，包含複數歐姆接觸層，形成於該發光疊層底部且被該透明導電層所包覆，且該些歐姆接觸層係橫向錯位於該金屬合金層。
7. 如申請專利範圍第1項之發光元件，該接合層設於該第一基板之該第一表面上，且該接合層未延伸至該第二基板之該第二表面。
8. 一種發光元件之製法，其步驟包括：提供一第一基板，於該第一基板表面形成一凹部結構，而該凹部結構定義出複數凸部，該凸部具有一第一表面，該各複數凸部的側壁係不垂直於該第一基板之底面； 形成一順應該第一基板表面之一反射層；形成一第二基板於該第一基板之該凹部結構中，使該第一基板與該第二基板共同形成一基板結構，其中該第二基板係為透明；提供一發光疊層；於發光疊層的底部形成一歐姆接觸層；以及藉由一接合層將該發光疊層連接於該基板結構上，使該凸部之該第一表面朝向該發光疊層且令該歐姆接觸層與該第一表面橫向錯位。
9. 如申請專利範圍第8項之發光元件之製法，其中該發光疊層連接於該基板結構之製程包括：於該第一基板之該複數凸部之第一表面上分別形成一第一金屬結合層；於該發光疊層之一側形成複數第二金屬結合層；以及於該第一金屬結合層與該第二金屬結合層間進行合金程序以形成該接合層，其中該接合層係形成於該第二基板形成之前。
10. 如申請專利範圍第8項之發光元件之製法，其中該發光疊層連接於該基板結構之製程包括：於該基板結構上形成一第一透明導電結合層；於該發光疊層底部形成一第二透明導電結合層；以及使該第一透明導電結合層連接於該第 二透明導電結合層。