TWI599070B - 具有平整表面的電流擴散層的發光元件 - Google Patents

Description

具有平整表面的電流擴散層的發光元件

本發明關於一種發光元件，特別是關於一種具有平整表面的電流擴散層之發光元件。

發光二極體(Light-emitting Diode；LED)目前已經廣泛地使用在光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置與醫療器材上。LED具有電流擴散層與反射層位於基板與發光疊層之間，但是電流擴散層與反射層接觸的表面不平整，易導致反射層的反射率不佳，使LED的發光效率降低。

此外，上述之LED更可以進一步地與其他元件組合連接以形成一發光裝置(light-emitting apparatus)。第9圖為習知之發光裝置結構示意圖，如第9圖所示，一發光裝置6包含一具有至少一電路602之次載體(sub-mount)60；至少一焊料62(solder)位於上述次載體60上，藉由此焊料62將上述LED 7黏結固定於次載體60上並使LED 7之基板70與次載體60上之電路602形成電連接；以及，一電性連接結構64，以電性連接LED 7之電極72與次載體60上之電路602；其中，上述之次載體60可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置6之電路規劃並提高其散熱效果。

一發光元件具有一透明導電層，具有相對之一第一表面與一第二表面；一反射層，位於第一表面之下；以及一發光疊層，具有一主動層，位於第二表面之上；其中第一表面之中心線平均粗糙度不大於2奈米。

一發光元件具有一透明導電層，具有相對之一第一表面與一第二表面；一發光疊層，具有一主動層，位於第一表面之上；以及一反射層，位於第二表面之下；其中第一表面之中心線平均粗糙度小於第二表面之中心線平均粗糙度10奈米。

本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。

如第1圖所示，一發光元件1包含一LED，具有一黏結層12、一反射層14、一電流擴散層16、一窗戶層18、一發光疊層20與一第一電極22形成於一基板10之上，以及一第二電極24形成於基板10之下。發光疊層20具有一第一半導體層202位於窗戶層18與第一電極22之間；一主動層204位於第一半導體層202與第一電極22之間；以及一第二半導體層206位於主動層204與第一電極22之間，其中第一半導體層202與第二半導體層206之極性相異。另外，第二半導體層206具有一粗糙上表面，以提升出光效率。

基板10可用以支持位於其上之發光疊層12與其它層或結構，其材料可為導電材料，包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、鉬(Mo)、銅-錫(Cu-Sn)、銅-鋅(Cu-Zn)、銅-鎘(Cu-Cd)、鎳-錫(Ni-Sn)、鎳-鈷(Ni-Co)、金合金(Au alloy)、類鑽碳薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)、石墨(Graphite)、碳纖維(Carbon fiber)、金屬基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)、矽(Si)、磷化碘(IP)、硒化鋅(ZnSe)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、磷化銦(InP)、鎵酸鋰(LiGaO₂)或鋁酸鋰(LiAlO₂)。

黏結層12可連接基板10與反射層14，而且具有複數個從屬層(未顯示)。黏結層12之材料可為導電材料，包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦釔(YZO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氧化銦鋅(IZO)、類鑽碳薄膜(DLC)、銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈷(Co)、錳(Mn)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)、鎢(W)、銀-鈦(Ag-Ti)、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)或金合金(Au alloy)等。反射層14可反射來自發光疊層12之光線，其材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、銀-鈦(Ag-Ti)、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)、銀-銅(Ag-Cu)或金合金(Au alloy)等。

電流擴散層16可提升電流擴散，並與反射層14直接接觸。電流擴散層16配合反射層14可形成全向反射鏡以提升對發光疊層20所產生之光的反射率，以及保護發光疊層20免於被自反射層14擴散的元素破壞。電流擴散層16更可具有複數個從屬層(未顯示)，其材料可為導電材料，包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦釔(YZO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氧化銦鋅(IZO)或類鑽碳薄膜(DLC)。電流擴散層16更包含靠近基板10之一第一表面162與一第二表面164位於第一表面162之上，其中第一表面162為一平整表面，其中心線平均粗糙度(Ra)不大於2奈米，更佳為介於0至1奈米。參考第3圖，以電流擴散層與反射層的接觸表面之Ra約為2.744奈米的發光元件為基準，當發光元件1之第一表面162之Ra為2奈米，表示第一表面162較Ra約為2.744奈米之電流擴散層與反射層的接觸表面平整，因此反射層14的反射率提高，發光元件1的亮度相較於前述電流擴散層與反射層的接觸表面之Ra約為2.744奈米的發光元件的亮度提升約10%。當Ra介於0至1奈米時，發光元件1的亮度提升至少約20%。調整第一表面162的粗糙度的方法例如有化學機械研磨(Chemical mechanical Polishing,CMP)或反應式離子蝕刻(RIE)。此外，亦可經由調整形成電流擴散層16的製程參數以降低表面粗糙度。形成電流擴散層16的方法包括物理沉積法，例如為電子束蒸鍍(E-Gun)、濺鍍(sputtering)與分子束磊晶(MBE)；或是化學沉積法，例如為電漿增強化學氣相沉積(PECVD)與有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)。另一方面，當第一表面162的Ra小於第二表面164的Ra約10奈米，亦可提升發光元件的效率。前述中心線平均粗糙度Ra例如從加工面之粗糙曲線上，截取一段測量長度L，如第7圖所示，並以長度內粗糙深之中心線C為基準將下方曲線反摺，然後計算中心線上方經反摺後之全部曲線所涵蓋面積，再以測量長度除之。

窗戶層18可提升電流擴散以及配合電流擴散層16與反射層14以提升發光元件的出光效率。窗戶層18更可具有複數個從屬層(未顯示)，其材料可為導電材料，包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氧化銦釔(YZO)、氧化銦鋅(IZO)或類鑽碳薄膜(DLC)。

發光疊層20可產生光線，具有半導體材料。其中，半導體材料具有一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。主動層204之結構可包含為單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)或多層量子井(multi-quantum well；MQW)。第二半導體層206之粗糙上表面的Ra約為200奈米至2000奈米。第一電極22與第二電極24用以接受外部電壓，其材料可為透明導電材料或金屬材料。透明導電材料包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦釔(YZO)或類鑽碳薄膜(DLC)。金屬材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈷(Co)、錳(Mn)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)、鎢(W)、鈹(Be)、銀-鈦(Ag-Ti)、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)、銀-銅(Ag-Cu)、鍺-金(Ge-Au)或金合金(Au alloy)等。

第2圖所示之一發光元件2與發光元件1相似，但其還具有一複數個接觸部26位於發光疊層20與透明導電層16之間，以及一窗戶層28位於第一電極22與發光疊層20之間，可傳導與擴散電流。每一個接觸部26皆與其他接觸部26分離，且可包含複數個從屬層(未顯示)。複數個接觸部26的材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈷(Co)、錳(Mn)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)、鎢(W)、鈹(Be)、銀-鈦(Ag-Ti)、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)、銀-銅(Ag-Cu)、鍺-金(Ge-Au)、金合金(Au alloy)、鍺-金-鎳(Ge-Au-Ni)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)或磷砷化鎵(GaAsP)等。每一接觸部26從上視之形狀可為三角形、矩形、梯形或圓形等。如第8圖所示，以圓形的接觸部為例，其直徑可為3~15微米，較佳為6~10微米。複數個接觸部26的面積相對於主動層204上表面的面積之比例約為0.5~6%，更佳為1~3%。為了提升電流擴散的能力，一些靠近透明導電層16之側面交會處166的接觸部的面積大於其他接觸部的面積。複數個接觸部26彼此之間的距離係取決於第一半導體層202之厚度。例如當第一半導體層202之厚度約為3微米時，複數個接觸部26彼此之間的距離約為20~40微米。第一半導體層202的厚度越薄，複數個接觸部26彼此之間的距離越短。另外，窗戶層28更具有一粗糙上表面，其Ra約為200奈米至2000奈米，以提升出光效率。

如第4圖所示，一發光元件3包含一LED，具有黏結層12、反射層14、電流擴散層16、發光疊層20、窗戶層28與一第一電極32形成於基板10之上。發光疊層20具有一第一半導體層202位於窗戶層28與電流擴散層16之間；一主動層204位於第一半導體層202與窗戶層28之間；以及一第二半導體層206位於主動層204與窗戶層28之間。未有第一電極32位於其上之部分窗戶層28與部分發光疊層20被移除以裸露部分第一半導體層202，部分裸露之第一半導體層202被移除形成一通孔38位於第一半導體層202之中。一第二電極34形成於未有第一電極32位於其上之窗戶層28之上，且第二電極34沿著發光疊層20之側璧向下延伸至通孔38之中。發光元件3還具有一複數個接觸部36位於發光疊層20與反射層14之間，可與發光疊層20及反射層14直接接觸，並被透明導電層16圍繞，其中第二電極34藉由通孔38與複數個接觸部36電連結。

此實施例中，基板10可為透明絕緣材料，包含但不限於藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、環氧樹脂(Epoxy)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)等。黏結層12可為絕緣材料，包含但不限於聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、氧化鎂(MgO)、Su8、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)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化矽(SiO_x)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)、氮化矽(SiN_x)或旋塗玻璃(SOG)。

第5圖係繪示出一光源產生裝置示意圖，一光源產生裝置4包含一晶粒產生自具有前述任一實施例中之發光元件晶圓。光源產生裝置4可以是一照明裝置，例如路燈、車燈或室內照明光源，也可以是交通號誌或一平面顯示器中背光模組的一背光光源。光源產生裝置4具有前述發光元件組成之一光源41、一電源供應系統42以供應光源41一電流、以及一控制元件43，用以控制電源供應系統42。

第5圖係繪示出一背光模組剖面示意圖，一背光模組5包含前述實施例中的光源產生裝置4，以及一光學元件51。光學元件51可將由光源產生裝置4發出的光加以處理，以應用於平面顯示器，例如散射光源產生裝置4發出的光。

惟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。

1、2、3．．．發光元件

10．．．基板

12．．．黏結層

14．．．反射層

16．．．電流擴散層

162．．．第一表面

164．．．第二表面

166．．．側面交會處

18．．．窗戶層

20．．．發光疊層

202．．．第一半導體層

204．．．主動層

206．．．第二半導體層

22、32．．．第一電極

24、34．．．第二電極

26、36．．．複數個接觸部

38．．．通孔

4．．．光源產生裝置

41．．．光源

42．．．電源供應系統

43．．．控制元件

5．．．背光模組

51．．．光學元件

6．．．發光裝置

60．．．次載體

602．．．電路

62．．．焊料

64．．．電性連接結構

7．．．LED

70．．．基板

72．．．電極

C．．．中心線

L．．．長度

第1圖為本發明一實施例之發光元件之剖面圖。

第2圖為本發明另一實施例之發光元件之剖面圖。

第3圖為本發明之發光元件之中心線平均粗糙度與亮度百分比之關係圖。

第4圖為本發明另一實施例之發光元件之剖面圖。

第5圖為本發明一實施例之光源產生裝置之示意圖。

第6圖為本發明一實施例之背光模組之示意圖。

第7圖為中心線平均粗糙度之示意圖。

第8圖為本發明一實施例之透明導電層之上視圖。

第9圖為習知之發光裝置結構示意圖。

1．．．發光元件

10．．．基板

12．．．黏結層

14．．．反射層

16．．．電流擴散層

162．．．第一表面

164．．．第二表面

18．．．窗戶層

20．．．發光疊層

202．．．第一半導體層

204．．．主動層

206．．．第二半導體層

22．．．第一電極

24．．．第二電極

Claims (9)

1. 一發光元件包含：一透明導電層，具有相對之一第一表面與一第二表面；一反射層，位於該透明導電層之下與該第一表面接觸；以及一發光疊層，具有一主動層，位於該第二表面之上；其中該第一表面之中心線平均粗糙度不大於2奈米，以及該反射層包含金屬，其中該發光疊層具有一粗糙上表面，該粗糙上表面的中心線平均粗糙度介於200奈米至2000奈米之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包含：一基板位於該反射層之下；以及一黏結層位於該基板與該反射層之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包含複數個接觸部介於該發光疊層與該透明導電層之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一表面與該反射層直接接觸。
5. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一表面之中心線平均粗糙度小於該第二表面之中心線平均粗糙度至少10奈米。
6. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該透明導電層 包含氧化銦鋅(IZO)。
7. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包含複數個接觸部介於該發光疊層與該透明導電層之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該發光疊層包含：一第一半導體層介於該透明導電層與該主動層之間；以及一第二半導體層位於該主動層之上。
9. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包含一窗戶層位於該發光疊層之上，該窗戶層具有一粗糙上表面，該粗糙上表面的中心線平均粗糙度介於200奈米至2000奈米之間。