TWI604633B - 發光元件 - Google Patents

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曾慶東
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張峻瑋
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Description

發光元件
本發明關於一種發光元件，特別是關於一種具有高製造良率之發光元件。
光電元件，例如發光二極體(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。此外，上述之LED可與其他元件組合連接以形成一發光裝置。第1圖為習知之發光裝置結構示意圖，如第1圖所示，一發光裝置1包含一具有一電路14之次載體(submount)12；一焊料16(solder)位於上述次載體12上，藉由此焊料16將LED 11固定於次載體12上並使LED 11與次載體12上之電路14形成電連接；以及一電性連接結構18，以電性連接LED 11之電極15與次載體12上之電路14；其中，上述之次載體12可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)。
一發光元件，包含一發光疊層，包含一上表面，其中上表面包含一第一平坦部；一保護層包含一電流阻擋部位於第一平坦部之上；以及一覆蓋部位於上表面之上，其中電流阻擋部 與覆蓋部空間上隔離；以及一第一電極包覆電流阻擋部。
一發光元件，包含一發光疊層，包含一側表面及一上表面，其中上表面包含一第一區及一第二區；一保護層，包含一覆蓋部位於側表面及上表面之第二區之上，且暴露第一區；以及一第一電極位於上表面之上；其中第二區面積小於第一區面積。
1‧‧‧發光裝置
11‧‧‧LED
12‧‧‧次載體
13、20、30‧‧‧基板
14‧‧‧電路
15‧‧‧電極
16‧‧‧焊料
18‧‧‧電性連接結構
2、3、4‧‧‧發光元件
200、300‧‧‧圖案化上表面
21、31‧‧‧第一電極
210‧‧‧第一打線部
212‧‧‧第一延伸部
22、32‧‧‧發光疊層
221‧‧‧第一粗化上表面
222、322‧‧‧第一半導體層
223‧‧‧第一平坦部
224、324‧‧‧主動層
225、325‧‧‧側表面
226、326‧‧‧第二半導體層
23、33‧‧‧第二電極
231‧‧‧第二打線部
233‧‧‧第二延伸部
235‧‧‧第三延伸部
24、34‧‧‧透明導電氧化層
241‧‧‧第二粗化上表面
243‧‧‧第二平坦部
245‧‧‧第二側邊
25‧‧‧第一邊
26、36、46‧‧‧保護層
261‧‧‧第一開口
260、360‧‧‧電流阻擋部
263‧‧‧第二開口
262、362‧‧‧覆蓋部
265、365‧‧‧電流阻擋部上表面
264‧‧‧第一階部
267、367‧‧‧覆蓋部上表面
266‧‧‧第三開口
268‧‧‧第四開口
27‧‧‧第二邊
321‧‧‧上表面
321A、421A‧‧‧第一區
321B、421B‧‧‧第二區
324A‧‧‧障蔽層
324B‧‧‧井層
51‧‧‧燈罩
52‧‧‧透鏡
53‧‧‧載體
54‧‧‧照明模組
55‧‧‧燈座
56‧‧‧散熱槽
57‧‧‧連結部
58‧‧‧電連結器
第1圖繪示習知之發光裝置結構示意圖。
第2A~2D圖繪示本申請案一實施例之發光元件之製造流程圖。
第2E圖繪示本申請案第2D圖之發光元件之上視圖。
第3圖繪示本申請案另一實施例之發光元件之剖面圖。
第4圖繪示本申請案另一實施例之發光元件之剖面圖。
第5圖本申請案一實施例之燈泡分解示意圖。
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
第2A~2D圖繪示本申請案第一實施例之發光元件之製造流程圖。如第2A圖所示，一發光疊層22位於一基板20之上。發光疊層22具有一第一半導體層222、一主動層224與一第二半導體層226依序形成於基板20之上，其中第二半導體層226具有一第一粗化上表面221。如第2B圖所示，一第一平坦部223形成於第一粗化上表面221之上，一透明導電氧化層24形成於第二半導體層226之上，其中透明導電氧化層24具有一第二粗化上表面241以及一第二平坦部243形成於第二粗化上表面241之上，其中第二平坦部243之表面粗糙度與第一平坦部223大致相同。如第 2C圖所示，移除部分透明導電氧化層24與發光疊層22以曝露部分第一半導體層222與第一粗化上表面221。形成保護層26於發光疊層22與透明導電氧化層24之上，覆蓋發光疊層22之一第一側邊225與透明導電氧化層24之一第二側邊245。由於第一粗化上表面221與第二粗化上表面241的高度差，保護層26形成於第二側邊245時會形成一第一階部264位於第一粗化上表面221之上。移除部份保護層26形成一第一開口261以曝露第二粗化上表面241與第二平坦部243；一第二開口263曝露第一半導體層222；保護層26可區分為一電流阻擋部260於第二平坦部243之上，以及一覆蓋部262於第二粗化上表面241之上，其中電流阻擋部上表面265與主動層224之間的距離與覆蓋部上表面267與主動層224之間的距離大致相等。如第2D圖所示，形成一第一電極21於第一開口261與保護層26之上，且第一電極21填入開口261，覆蓋電流阻擋部260；以及形成一第二電極23於第二開口263與保護層26之上，且第二電極23填入開口263，其中部分第二電極23位於第二半導體層226與透明導電氧化層24之上，覆蓋於第一階部264之上以形成一第二階部230。第2E圖繪示發光元件2之上視圖，第2D圖繪示自第2E圖剖面線AA’所視之剖面圖。如第2E圖所示，第一電極21具有一第一打線部210與一第一延伸部212自第一打線部210延伸；第二電極23具有一第二打線部231以及一第二延伸部233與一第三延伸部235自第二打線部231延伸。發光元件2具有一第一邊25以及與第一邊25相鄰之一第二邊27，移除部份保護層26與發光疊層22以形成一第三開口266與一第四開口268，曝露第一半導體層222，其中第三開口266位於第一邊25，第四開口268位於第二邊27。第二延伸部233延伸至第三開口266，且與曝露之第一半導體層222接觸，第三延伸部 235延伸至第四開口268，且與曝露之第一半導體層222接觸，以增加電流擴散，提升發光元件2之效率。第二延伸部233和第三延伸部235下方之保護層26與發光疊層22未完全移除，避免減少發光面積，降低發光元件2之發光效率。
第一電極21及/或第二電極23用以接受外部電壓，可由透明導電材料或金屬材料所構成。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)、氧化銦鎢(IWO)、氧化鋅(ZnO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、氧化銦鋅(IZO)或類鑽碳薄膜(DLC)。金屬材料包含但不限於鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、錫(Sn)、金(Au)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銻(Sb)、銠(Rh)、銀(Ag)、鎂(Mg)或上述材料之合金等。部分第二電極23形成於透明導電氧化層24之上，增加第二電極23之面積，以利後續製程，例如打線。第一電極21覆蓋電流阻擋部260至少一側面以增加與電流阻擋部260之接觸面積，提升第一電極21與電流阻擋部260之間的接合強度，避免後續製程，例如為打線，造成第一電極21與電流阻擋部260剝離，降低發光元件2之良率。
保護層26用以保護發光疊層22，增加結構強度。另外，保護層26亦用以電絕緣部分第二電極23與發光疊層22，避免短路。保護層26之厚度約為1微米至3微米，保護層26之厚度若低於1微米會導致漏電流，若厚度高於3微米會導致第一電極21無法包覆電流阻擋部260，增加剝離的機率。電流阻擋部260係經由移除部分保護層26而形成，電流阻擋部260與覆蓋部262空間上分離，無直接接觸。另一實施例中，電流阻擋部260亦可 與覆蓋部262相連。電流阻擋部260用以減少通過發光疊層22位於第一電極21正下方之區域的電流，降低發光疊層22所發之光被第一電極21吸收的機率，避免降低發光元件2之發光效率。此外，電流阻擋部260亦用以連接第一電極21與透明導電氧化層24，降低第一電極21剝離的機率，提升良率。保護層26、電流阻擋部260及覆蓋部262之材料可為絕緣材料，例如為聚亞醯胺(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(SiOx)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)、四乙氧基矽烷(TEOS)、氟化鎂(MgF2)、鑽石(Diamond)或上述材料之組合。電流阻擋部260及覆蓋部262可具有相同之厚度及組成材料。
發光疊層22之材料可為半導體材料，包含一種以上之元素，此元素可選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。第一半導體層222與第二半導體層226的電性相異，用以產生電子或電洞。第二半導體層226具有第一粗化上表面221，用以降低全反射，提升光電元件2之發光效率。主動層224可發出一種或多種色光，可為可見光或不可見光，其結構可為單異質結構、雙異質結構、雙側雙異質結構、多層量子井或量子點。如第2D圖所示，第一平坦部223大致形成於第一電極21之下，第一平坦部223之寬度W1及/或第二平坦部243之寬度W2大於第一打線部210之寬度W3，增加全反射，避 免主動層224所發之光射向第一打線部210而被吸收，以提升發光元件2之出光效率。另一實施例中，第一平坦部223及/或第二平坦部243更可大致形成於第一延伸部212之下，增加全反射，避免主動層224所發之光射向第一延伸部212而被吸收，以提升發光元件2之出光效率。又一實施例中，第一打線部210可覆蓋於部分第二粗化上表面241，增加第一打線部210與透明導電氧化層24之接觸面積，降低第一電極21剝離的機率，提升良率。透明導電氧化層24對於主動層224所發之光為透明，增加第一電極21與發光疊層22之間的歐姆接觸以及電流傳導與擴散。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)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、石墨烯(graphene)或氧化銦鋅(IZO)。
基板20可用以支持位於其上之發光疊層22與其它層或結構，其材料可為透明材料或導電材料。透明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)、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)等。導電材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鎳(Ni)、鈷(Co)、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)，其中可用以成長發光疊 層之材料例如為藍寶石、砷化鎵、碳化矽或矽。基板20具有一圖案化上表面200，用以改善自基板20生長之磊晶的品質與散射發光疊層22所發之光，提升發光元件2之發光效率。
本申請案之發光元件之第二實施例如第3圖所繪示，本實施例為第一實施例之變化。本實施例之發光元件3包含一發光疊層32位於一基板30之上，發光疊層32具有一上表面321及一側表面及325。發光疊層32具有一第一半導體層322、一主動層324與一第二半導體層326依序形成於基板30之上，其中第二半導體層326具有上表面321。一保護層36於發光疊層32之上，保護層36具有一電流阻擋部360形成於上表面321之一第一區321A之上；以及一覆蓋部362覆蓋發光疊層32之側表面325與上表面321之一第二區321B。其中電流阻擋部360上表面365與主動層324之間的距離與覆蓋部362上表面367與主動層324之間的距離大致相等。主動層於外部電流通入後會產生光，主動層之結構可與第一半導體層與第二半導體層326形成一異質結構或雙異質結構。主動層本身亦可由障蔽層和井層組成一量子井結構，包含單一量子井結構或多重量子井結構。於本實施例中採用多重量子井結構，由障蔽層324A及井層324B構成。
一透明導電氧化層34形成於第二半導體層326之上，其所在位置為第一區321A並覆蓋電流阻擋部360，覆蓋部362覆蓋第二區321B上，並直接接觸第二半導體層326，上表面321未被透明導電氧化層34覆蓋區域之面積大於或等於第二區321B，第二區321B之面積小於第一區321A，第二區321B之面積為第一區321A面積之15%以下；第二區321B之面積可為第一區321A面積之2-15%，於本實施例中，第二區321B之面積為第一區 321A面積之3-10%。當外部電流注入發光元件時，透明導電氧化層34係作為電流分散之用，透明導電氧化層34下方之主動層324主要扮演發光之功能，使光可由透明導電氧化層34處摘出。由於保護層36之折射係數與透明導電氧化層34之差異，可能造成內部全反射，因此習知技藝者須花費心力選擇適合的保護層材料及設計適當之厚度以減少內部全反射之發生。因此保護層較佳地未覆蓋於透明導電氧化層之上。
在不影響亮度之情況下，保護層36之覆蓋部362覆蓋第二區321B上，一方面在形成開口分隔覆蓋部362及電流阻擋部360之製程中可確保覆蓋部362能完全覆蓋側表面，另一方面可藉由覆蓋部362形成於第二區之上增加其附著力。
一第一電極31於形成於透明導電氧化層34之上對應於電流阻擋部360之位置；一第二電極33形成於第一半導體層322之上。於第二電極33及第一半導體層322之間亦可形成覆蓋部362，覆蓋部362具有一開口，暴露出第一半導體層322，第二電極33部分形成於覆蓋部362上，部分與暴露之第一半導體層322接觸。
由於第二實施例為第一實施例之變化，故第一實施例列舉之條件亦可應用於本實施例中。另外本實施例之基板30如同第一實施例具有一圖案化上表面300，用以改善自基板30生長之磊晶的品質與散射發光疊層32所發之光，提升發光元件3之發光效率。上表面300的圖案係圓底尖頂的圓錐狀，剖面圖為三角形。上表面300的圖案亦可選自其他多邊形之角椎。其圖案可以黃光顯影製程以乾式或濕式蝕刻法蝕刻基板30之上表面形成圖案畫基板。本實施例是以乾式蝕刻製程形成圖案。
於另一實施例中，在電流阻擋部360上方，第一電極31下方的透明導電氧化層34可以局部形成開口，暴露出部分電流阻擋部360，使第一電極31與電流阻擋部360接觸。上述之電流阻擋部360亦可局部開口，暴露出第二半導體層326，使第一電極經過透明導電氧化層34之開口及電流阻擋部360之開口向下延伸與第二半導體層326接觸。
第4圖繪示本申請案之發光元件第三實施例，發光元件4之透明導電氧化層34可以部份或全部覆蓋上表面321，當透明導電氧化層34部份覆蓋上表面321時，發光元件4的保護層46覆蓋於發光疊層32之側表面325與上表面321。於另一實施例中，保護層46亦可部分覆蓋於透明導電氧化層34之上。當透明導電氧化層34全部覆蓋上表面321時，發光元件4的保護層46覆蓋於發光疊層32之側表面325與部分透明導電氧化層34之上。
上表面321被保護層46覆蓋之區域為上表面321之第二區421B，未被保護層46覆蓋之區域為上表面321之第一區421A，其中第二區421B的面積小於第一區421A，第二區421B的面積是第一區421A的15%以下；於本實施例中，第二區421B之面積為第一區421A面積之3-10%。
第5圖係繪示出一燈泡分解示意圖，一燈泡5具有一燈罩51；一透鏡52，置於燈罩51之中；一照明模組54，位於透鏡52之下；一燈座55，具有一散熱槽56，用以承載照明模組54；一連結部57；以及一電連結器58，其中連結部57連結燈座55與電連接器58。照明模組54具有一載體53；以及複數個前述任一實施例之發光元件50，位於載體53之上。
惟上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效，而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本申請案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。因此本申請案之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
2‧‧‧發光元件
20‧‧‧基板
200‧‧‧圖案化上表面
21‧‧‧第一電極
210‧‧‧第一打線部
212‧‧‧第一延伸部
22‧‧‧發光疊層
221‧‧‧第一粗化上表面
222‧‧‧第一半導體層
223‧‧‧第一平坦部
224‧‧‧主動層
225‧‧‧第一側邊
226‧‧‧第二半導體層
23‧‧‧第二電極
24‧‧‧透明導電氧化層
241‧‧‧第二粗化上表面
243‧‧‧第二平坦部
245‧‧‧第二側邊
26‧‧‧保護層
260‧‧‧電流阻擋部
265‧‧‧電流阻擋部上表面
267‧‧‧覆蓋部上表面

Claims (14)

  1. 一發光元件，包含：一發光疊層，包含一上表面，其中該上表面包含一第一區及一第二區；一保護層，包含：一電流阻擋部位於該第一區之上；一覆蓋部位於該上表面之上；以及一第一開口介於該電流阻擋部與該覆蓋部之間，其中該第一開口在空間上隔離該電流阻擋部與該覆蓋部；一第一電極包覆該電流阻擋部；以及一第二電極，其中該第二電極之一第一部份位於該覆蓋部上。
  2. 一發光元件，包含：一發光疊層，包含一側表面及一上表面，其中該上表面包含一第一區及一第二區；一保護層，包含一覆蓋部位於該側表面及該上表面之第二區之上，且暴露該第一區；以及一第一電極位於該上表面之上；其中該第二區面積小於該第一區面積。
  3. 如請求項第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；一第二半導體層，位於該第一半導體層與該電流阻擋部之 間；以及一主動層，位於該第一半導體層與該第二半導體層之間；其中，該第一電極位於該第二半導體層之上，該第二電極之一第二部分位於該第一半導體層之上以及該第二半導體層之側邊，並與該第一電極分離。
  4. 如請求項第2項所述的發光元件，其中該發光疊層包含：一第一半導體層；一第二半導體層，位於該第一半導體層與該覆蓋部之間；以及一主動層，位於該第一半導體層與該第二半導體層之間；其中該保護層更包含一電流阻擋部位於該第一區之上以及該第一電極之下。
  5. 如請求項第1或4項所述的發光元件，其中該覆蓋部與該電流阻擋部具有實質上相同之厚度及組成材料。
  6. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第一電極填入該第一開口且包含一打線部以及一延伸部，其中該第一電極之該打線部包覆該電流阻擋部，該第一電極之該延伸部下方不具有該電流阻擋部。
  7. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第一區包含一第一平坦部，該第二區包含一粗化部；更包含一透明導電氧化層，位於該保護層與該發光疊層之間，包含一第二平坦部位於該第一平坦部與該電流阻擋部之間，其中該第一平坦部之表面粗糙度與第二平坦部之表面粗糙度大致相同。
  8. 如請求項第3項所述的發光元件，其中該保護層更包含一第二開口位於該第一半導體層上，且該第二電極之一第三部份填入該第二開口。
  9. 如請求項第4項所述的發光元件，更包含一透明導電氧化層，位於該第一電極與該電流阻擋部之間且位於該第一區之上。
  10. 如請求項第8項所述的發光元件，其中該第二電極包含一打線部以及一延伸部，由該打線部延伸出；其中，該第一部分包含該打線部之一部份，以及該第三部份包含該打線部之另一部份，自該第二部分延伸填入該第二開口中。
  11. 如請求項第2項所述的發光元件，其中該第二區面積為該第一區面積之15%以下。
  12. 如請求項第1或2項所述的發光元件，其中該保護層之厚度係介於1微米至3微米之間。
  13. 如請求項第1項所述的發光元件，更包含：一第一邊；一第三開口穿過部份該發光疊層且位於該第一邊；一第二邊，相鄰於該第一邊；以及一第四開口穿過部份該發光疊層且位於該第二邊；其中該第二電極包含一打線部位於該覆蓋部上、一第一延伸部從該打線部延伸出且位於該第三開口中、以及一第二延伸部從該打線部延伸出且位於該第四開口中。
  14. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該保護層包含一第一階部，位於該發光疊層之上，該第二電極包含一第二階部位於該第一階部之上。
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