TWI611602B - 具有高效率反射結構之發光元件 - Google Patents

Abstract

一發光元件，包含一反射層；一第一透光層，位於反射層之上；一發光疊層，包含一主動層，位於該第一透光層之上；以及一孔洞，形成於該第一透光層之中。

Description

具有高效率反射結構之發光元件

本發明關於一種發光元件，特別是關於一種具有高效率反射結構之發光元件。

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︰一發光疊層包含一主動層，其中該發光疊層具有依第一表面以及一第二表面相對於該第一表面；一第一透光層位於該第二表面上；複數個孔洞，形成於該第一透光層之中；以及一單一層位於該第一透光層上；其中，該第一透光層包含氧化物。

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2圖為本申請案一實施例之發光元件之剖面圖。如第2圖所示，一發光元件2具有一基板20；一黏結層22，位於基板20之上；一反射結構24，位於黏結層22之上；一發光疊層26，位於反射結構24之上；一第一電極21，位於基板20之下；以及一第二電極23，位於發光疊層26之上。發光疊層26具有一第一半導體層262，位於反射結構24之上；一主動層264，位於第一半導體層262之上；以及一第二半導體層266，位於主動層264之上。

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)、氧化鋅(ZnO)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鋅(IZO)、類鑽碳薄膜(DLC)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之化合物。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)、鈷(Co)或上述材料之合金等。

發光疊層26具有一粗化上表面261與一粗化下表面263，可降低全反射的機率，提高出光效率。粗化上表面具有一平坦部265，第二電極23可位於平坦部265之上，提升第二電極23與發光疊層26之間的黏著性，降低第二電極23因後續製程，例如打線，而自發光疊層26上剝離的機率。發光疊層26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262與第二半導體層266的電性相異，用以產生電子或電洞。主動層124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。

反射結構24自黏結層22往發光疊層26之方向具有一反射層242、一第一透光層244與一窗戶層248。窗戶層248具有一粗化下表面，粗化下表面具有複數個凸部241與凹部243。其中，粗化下表面更具有一平坦部位於第二電極23之正下方，用以與第一透光層244形成歐姆接觸。至少一孔洞245形成於第一透光層244之中，孔洞245可自窗戶層248之粗化下表面向下延伸至反射層242。另一實施例中，孔洞245可自凸部241向下延伸至反射層242。其中，孔洞245之折射率小於窗戶層248與第一透光層244之折射率。由於孔洞245之折射率小於窗戶層248與第一透光層244之折射率，窗戶層248與孔洞245之間介面之臨界角小於窗戶層248與第一透光層244之間介面的臨界角，所以發光疊層26所發之光射向孔洞245後，在窗戶層248與孔洞245之間的介面形成全反射的機率增加。此外，原本在窗戶層248與第一透光層244介面未形成全反射而進入第一透光層244之光，在第一透光層244與孔洞245之間的介面亦會形成全反射，因而提升發光元件2的出光效率。孔洞245由剖面圖觀之可以為上寬下窄的漏斗狀。反射結構24可更包含一第二透光層246，第二透光層246位於部分第一透光層244與窗戶層248之間，以增加第一透光層244與窗戶層248之間的歐姆接觸。另一實施例中，第二透光層246可具有孔洞245，其中孔洞245之折射率小於窗戶層248與第二透光層246之折射率。由於孔洞245之折射率小於窗戶層248與第二透光層246之折射率，第二透光層246與孔洞245之間介面之臨界角小於窗戶層248與第二透光層246之間介面的臨界角，所以發光疊層26所發之光射向孔洞245後，在第二透光層246與孔洞245之間的介面形成全反射的機率增加。又一實施例中，反射結構24可不具有窗戶層248，第一透光層244形成於發光疊層26之下。此時，發光疊層26之粗化下表面263具有複數個凸部與凹部，利於孔洞245之形成。

窗戶層248對於發光疊層26所發之光為透明，用以提升出光效率，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)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鈰(ICO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化銦鈦(ITiO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之組合。粗化下表面之凹部243與凸部241之間的高度差h約為窗戶層厚度t的1/3至2/3，利於孔洞245的形成。

第一透光層244及/或第二透光層246之材料對於發光疊層26所發之光為透明，以增加窗戶層248與反射層242之間的歐姆接觸以及電流傳導與擴散，並與反射層242形成全方位反射鏡(Omni-Directional Reflector，ODR)。其材料可為透明導電材料，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)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鈰(ICO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化銦鈦(ITiO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之組合。其中第一透光層244之材料較佳為氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)或上述材料之組合。形成第一透光層244及/或第二透光層246之方法包含物理氣相沉積法，例如電子束蒸鍍或濺鍍。反射層242可反射來自發光疊層26之光，其材料可為金屬材料，包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鎢(W)或上述材料之合金等。

黏結層22可連接基板20與反射結構24，可具有複數個從屬層(未顯示)。黏結層22之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)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鈰(ICO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化銦鈦(ITiO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之組合。金屬材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鎢(W)或上述材料之合金等。

基板20可用以支持位於其上之發光疊層26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)、氧化鋁(Al2O3)、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)。

第3圖為本申請案另一實施例之發光元件之剖面圖。一發光元件3具有上述發光元件2類似之結構，但反射結構24之第二透光層246具有複數個孔洞30，以致第二透光層246之折射率小於1.4，較佳為1.35。如第4圖所示，孔洞30的形成是將晶圓4固定，以特定的方向，例如與垂直於晶圓的法線夾角θ的方向D，以物理氣相法沉積第二透光層246之材料於晶圓上。因為沉積方向D的調整使材料無法沉積到部分區域而形成孔洞30。其中，夾角θ約為60度。有孔洞30形成之第二透光層246之折射率較不具有孔洞之透光層之折射率低，可增加第二透光層246與其他層介面間的產生全反射的機率，提升發光元件3的出光效率。第一透光層244可用物理氣相法或化學氣相法形成於第二透光層246之下，其厚度大於第二透光層246之厚度，可防止反射層242之材料擴散至第二透光層246。第一透光層244不具有孔洞，可避免反射層242之材料擴散至孔洞之中，破壞反射層242的結構，導致反射層242的反射率降低。第一透光層244具有一第一下表面247，第一下表面247可用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)研磨，使其中心線平均粗糙度(Ra)約為1nm~40nm。當反射層242形成於第一下表面247之下時，反射層242可形成一中心線平均粗糙度較低的表面，因而提高反射層242的反射率。

發光元件3更具有至少一導電部32位於發光疊層26與反射層242之間。另一實施例中，導電部32可位於窗戶層248與反射層242之間。導電部32用以傳導電流，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)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鈰(ICO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化銦鈦(ITiO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之組合。金屬材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鎢(W)、鍺(Ge)或上述材料之合金等。

此實施例中，第一透光層244及/或第二透光層246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)、氟化鎂(MgF2)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。

第5圖為本申請案另一實施例之發光元件之剖面圖。如第5圖所示，一發光元件5具有一基板50；一發光疊層52，位於基板50之上；一反射結構54，位於發光疊層52之上；以及一電極56，位於反射結構54之上。發光疊層52具有一第一半導體層522，位於基板50之上；一主動層524，位於第一半導體層522之上；以及一第二半導體層526，位於主動層524之上，其中部分第二半導體層526與主動層524被移除以裸露第一半導體層522。

反射結構54具有一窗戶層540，位於發光疊層52之上；一第一透光層542，位於窗戶層540之上；一反射層544，位於第一透光層542之上；以及一第一絕緣層546，位於反射層544之上。窗戶層540具有一粗化上表面541，粗化上表面具有複數個凸部543與凹部545。至少一孔洞547形成於第一透光層542之中，且位於粗化上表面541之上，孔洞547之折射率小於窗戶層540與第一透光層542之折射率。另一實施例中，孔洞547可自凹部545向上延伸。由於孔洞547之折射率小於窗戶層540與第一透光層542之折射率，在窗戶層540與孔洞547之間介面之臨界角小於窗戶層540與第一透光層542之間介面的臨界角，所以發光疊層52所發之光射向孔洞547後，在窗戶層540與孔洞547之間的介面形成全反射的機率增加。此外，原本在窗戶層540與第一透光層542介面未形成全反射而進入第一透光層542之光，在第一透光層542與孔洞547之間的介面亦會形成全反射，因而提升發光元件5的出光效率，孔洞547由剖面圖觀之可以為下寬上窄的倒漏斗狀。因為發光疊層52所發之光在窗戶層540與孔洞547之間的介面和第一透光層542與孔洞547之間的介面形成全反射的機率增加，降低光到達電極56而被電極56吸收的機率，提升發光元件5之發光效率。第一絕緣層546可包覆反射層544以使反射層544不與電極56直接接觸，避免反射層544之材料擴散至電極56，降低反射層544之反射率。反射結構54更包含複數個通道549形成於第一透光層542與第一絕緣層546之中，電極56可經由通道549與發光疊層52電連結。反射結構54可更包含一第二透光層548，第二透光層548位於部分第一透光層542與反射層544之間，第二透光層548不具有孔洞，可避免反射層544之材料擴散至孔洞之中，破壞反射層544的結構，導致反射層544的反射率降低。

電極56具有一第一導電層562與一第二導電層564，其中第一導電層562與第二導電層564彼此不直接接觸。第一導電層562經由通道549與第一半導體層522連接，第二導電層564經由通道549與窗戶層540連接。另一實施例中，發光元件5更包含一第一接觸層51位於第一導電層562與第一半導體層522之間，增加第一導電層562與第一半導體層522之間的歐姆接觸；一第二接觸層53位於第二導電層564與窗戶層540之間，增加第二導電層564與窗戶層540之間的歐姆接觸，降低發光元件5的操作電壓，以提升效率。其中，第一接觸層51與第二接觸層53之材料和上述電極之材料相同。

第6圖係繪示出一燈泡分解示意圖，一燈泡6具有一燈罩61；一透鏡62，置於燈罩61之中；一照明模組64，位於透鏡62之下；一燈座65，具有一散熱槽66，用以承載照明模組64；一連結部67；以及一電連結器68，其中連結部67連結燈座65與電連接器68。照明模組66具有一載體63；以及複數個前述任一實施例之發光元件60，位於載體63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。

1‧‧‧發光裝置

11‧‧‧LED

12‧‧‧次載體

13、20、50‧‧‧基板

14‧‧‧電路

15、56‧‧‧電極

16‧‧‧焊料

18‧‧‧電性連接結構

2、3、40、5‧‧‧發光元件

21‧‧‧第一電極

22‧‧‧黏結層

23‧‧‧第二電極

24、54‧‧‧反射結構

241、543‧‧‧凸部

242、544‧‧‧反射層

243、545‧‧‧凹部

244、542‧‧‧第一透光層

245、30、547‧‧‧孔洞

246‧‧‧第二透光層

247‧‧‧第一下表面

248、540‧‧‧窗戶層

26‧‧‧發光疊層

261、541‧‧‧粗化上表面

262、522‧‧‧第一半導體層

263‧‧‧粗化下表面

264、524‧‧‧主動層

265‧‧‧平坦部

266、526‧‧‧第二半導體層

32‧‧‧導電部

41‧‧‧燈罩

42‧‧‧透鏡

43‧‧‧載體

44‧‧‧照明模組

45‧‧‧燈座

46‧‧‧散熱槽

47‧‧‧連結部

48‧‧‧電連結器

51‧‧‧第一接觸層

53‧‧‧第二接觸層

546‧‧‧第一絕緣層

548‧‧‧第三透光層

549‧‧‧通道

562‧‧‧第一導電層

564‧‧‧第二導電層

h‧‧‧高度

t‧‧‧厚度

第1圖為習知之發光裝置結構示意圖。

第2圖繪示本申請案一實施例之發光元件之剖面示意圖。

第3圖繪示本申請案另一實施例之發光元件之剖面示意圖。

第4圖繪示第3圖之實施例之第二透光層之材料沉積方向示意圖。

第5圖繪示本申請案另一實施例之發光元件之剖面示意圖。

第6圖為本申請案一實施例之燈泡分解示意圖。

2‧‧‧發光元件

20‧‧‧基板

21‧‧‧第一電極

22‧‧‧黏結層

23‧‧‧第二電極

24‧‧‧反射結構

241‧‧‧凸部

242‧‧‧反射層

243‧‧‧凹部

244‧‧‧第一透光層

245‧‧‧孔洞

246‧‧‧第二透光層

248‧‧‧窗戶層

26‧‧‧發光疊層

261‧‧‧粗化上表面

262‧‧‧第一半導體層

263‧‧‧粗化下表面

264‧‧‧主動層

265‧‧‧平坦部

266‧‧‧第二半導體層

Claims (10)

1. 一發光元件，包含：一發光疊層包含一主動層，其中該發光疊層具有一第一表面以及一第二表面相對於該第一表面；一第一透光層位於該第二表面上；複數個孔洞，形成於該第一透光層之中；一單一層位於該第一透光層上；以及一電極位於該第一表面；其中，該第一透光層包含氧化物；其中該第二表面包含一第二粗化部以及一第二平坦部，至少一該孔洞位於該第二粗化部上，該第二平坦部位於該電極下方。
2. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第一表面包含一第一粗化部以及一第一平坦部，其中該電極位於該第一平坦部上。
3. 如請求項第1項所述的發光元件，更包含一第二透光層位於該第一透光層與該單一層之間。
4. 如請求項第3項所述的發光元件，其中該第二透光層的厚度大於該第一透光層。
5. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該單一層包含銅，鋁，金，銀或其組合。
6. 如請求項第1項所述的發光元件，更包含一基板於該單一層之上，以及一黏結層連接該基板與該單一層。
7. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該發光疊層包含一窗戶層，該窗戶層包含磷化鎵或透明導電氧化物。
8. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該複數個孔洞的折射率小於該第一透光層的折射率。
9. 如請求項第3項所述的發光元件，其中該第二透光層包含一表面與該單一層相接，該表面的中心線平均粗糙度(Ra)介於1nm~40nm之間。
10. 如請求項第3項所述的發光元件，其中該第二透光層與該第一透光層的材料不同。