TWI641778B - 微型化發光裝置 - Google Patents

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Abstract

微型化發光裝置包含一基板、形成於基板上之一絕緣層、一側發光微元件，以及一開關元件。側發光微元件包含一第一電極、一第二電極和一出光面。側發光微元件設置成使其出光面垂直或平行於基板之表面。開關元件包含一第一端、耦接於第一電極之一第二端，以及一控制端。

Description

微型化發光裝置
本發明相關於一種微型化發光裝置，尤指一種使用側發光微元件之微型化發光二極體裝置。
相較於傳統的白熾燈泡，發光二極體(light emitting diode, LED)具有耗電量低、元件壽命長、體積小、無須暖燈時間和反應速度快等優點，並可配合應用需求而製成極小或陣列式的元件。除了戶外顯示器、交通號誌燈之外、各種消費性電子產品，例如行動電話、筆記型電腦或電視的液晶顯示螢幕背光源之外，發光二極體亦廣泛地被應用於各種室內室外照明裝置，以取代日光燈管或白熾燈泡等。依據發光方式，發光二極體可採用正發光(front-emission)或側發光(side-emission)架構。正發光元件可提供寬廣的發光視角，但發光效率與半波寬較不易控制。側發光元件的發光效率高且半波寬較窄，但發光視角較為狹隘。
傳統的LED陣列典型地為毫米(mm)等級的尺寸，最新微型化發光二極體(micro LED) 陣列能將體積降到微米(μm)等級的尺寸，並承繼了 LED 的特性，包括低功耗、高亮度、超高解析度與色彩飽和度、反應速度快、壽命較長，以及高效率等優點。微型化 LED 製程包含首先將LED結構設計進行薄膜化、微小化與陣列化，使其尺寸僅在1~250μm左右，隨後將微型化LED批量式轉移至電路基板上，再利用物理沉積製程完成保護層與上電極，最後進行上基板的封裝。
先前技術之微型化發光裝置皆採用正發光微元件，其光學效能不高。因此，需要一種能同時提供寬廣發光視角和高發光效率之微型化發光裝置。
本發明提供一種微型化發光裝置，其包含一基板；一絕緣層，形成於該基板之上；一側發光微元件，其包含一第一電極、一第二電極和一出光面，其中該側發光微元件設置成使該出光面垂直於該基板之表面；以及一開關元件，其包含一第一端、耦接於該第一電極之一第二端，以及一控制端。
本發明另提供一微型化發光裝置，其包含一基板；一絕緣層，形成於該基板之上；一側發光微元件，其包含一第一電極、一第二電極和一出光面，其中該側發光微元件設置成使該出光面平行於該第一基板之表面；一開關元件，其包含一第一端、耦接於該第一電極之一第二端，以及一控制端；以及至少一反射結構，該反射結構之表面和該出光面呈一特定角度，以調整該側發光微元件發出光束之行進路徑。
本發明另提供一種微型化發光裝置，其包含一基板；一絕緣層，形成於該基板之上；一側發光微元件，其包含一第一電極、一第二電極和一出光面，其中該側發光微元件設置成使該出光面平行於該基板之表面；一開關元件，其包含一第一端、耦接於該第一電極之一第二端，以及一控制端；一第一介電層，具有一第一折射率；以及一第二介電層，具有一第二折射率，其中該第一折射率相異於該第二折射率，且使得該側發光微元件發出光束在經過該第一介電層而抵達該第二介電層時滿足一全反射條件。
第1圖至第3圖為本發明實施例中側發光微元件10之結構示意圖。本發明之側發光微元件10可為微型化LED元件，其係利用P型半導體和N型半導體元素的結合所製成的發光元件，在製作完成後可批量式轉移設置於一基板(未顯示)之上。
在第1圖所示之實施例中，側發光微元件10包含一第一金屬層11、一第二金屬層12、一第一半導體層13、一第二半導體層14，以及一發光層15。第一金屬層11可做為P電極，第二金屬層12可做為N電極，第一半導體層13可為P型摻雜，第二半導體層14可為N型摻雜，而發光層15被製作成具有多層量子井(multiple quantum wells, MQW)結構之一主動層(active layer)或又稱載子複合區，由材料的能隙可決定發光波長。發光層15形成於第一半導體層13和第二半導體層14之間，而發光層15、第一半導體層13和第二半導體層14形成於第一金屬層11和第二金屬層12之間。當在第一金屬層11和第二金屬層12分別施加不同極性的電壓時，順向電壓會讓電子由 N 區流向 P 區，電洞則由 P 區流向 N 區，電子與電洞於發光層15之PN接面結合而產生光源。
在第2圖所示之實施例中，側發光微元件10包含一第一金屬層11、一第二金屬層12、一第一半導體層13、一第二半導體層14、一發光層15，以及一基板16。第一金屬層11可做為P電極，第二金屬層12可做為N電極，第一半導體層13可為P型摻雜，第二半導體層14可為N型摻雜，而發光層15被製作成具有MQW結構之一主動層或又稱載子複合區，由材料的能隙可決定發光波長。基板16可為藍寶石(sapphire)基板、矽(SiC)基板，或金屬基板，其中第二半導體層14形成於基板16之上，發光層15和第二金屬層12形成於第二半導體層14之上，第一半導體層13形成於發光層15之上，而第一金屬層11形成於第一半導體層13之上。當在第一金屬層11和第二金屬層12分別施加不同極性的電壓時，順向電壓會讓電子由 N 區流向 P 區，電洞則由 P 區流向 N 區，電子與電洞於發光層15之PN接面結合而產生光源。
在第3圖所示之實施例中，側發光微元件10包含一第一金屬層11、一第二金屬層12、一第一半導體層13、一第二半導體層14、一發光層15，以及一基板16。第一金屬層11可做為P電極，第二金屬層12可做為N電極，第一半導體層13可為P型摻雜，第二半導體層14可為N型摻雜，而發光層15被製作成具有MQW結構之一主動層或又稱載子複合區，由材料的能隙可決定發光波長。基板16可為藍寶石基板、矽基板，或金屬基板，其中第二金屬層12形成於基板16之上，第二半導體層14形成基板16和第二金屬層12之上，發光層15形成於第二半導體層14之上，第一半導體層13形成於發光層15之上，而第一金屬層11形成於第一半導體層13之上。當在第一金屬層11和第二金屬層12分別施加不同極性的電壓時，順向電壓會讓電子由 N 區流向 P 區，電洞則由 P 區流向 N 區，電子與電洞於發光層15之PN接面結合而產生光源。
第4圖為本發明實施例中一微型化發光裝置100之結構示意圖。第5圖為本發明另一實施例中一微型化發光裝置200之結構示意圖。微型化發光裝置100和200採用薄膜化、微小化與陣列化的設計，其包含複數個側發光微元件、複數個開關元件、一絕緣層30，以及一基板40。為了簡化說明，第4圖和第5圖僅顯示了如第1圖所示之單一側發光微元件10以及單一開關元件20，然而微型化發光裝置100和200亦可採用第2圖和第3圖所示之實施例。側發光微元件10、開關元件20和絕緣層30皆設置或形成於基板40之上，其中側發光微元件10設置成使其主出光面(至少大於50%的分配率)垂直於絕緣層30和基板40的表面(成長面)，如虛線箭頭所示。開關元件20為三端元件，其中第一端22耦接於一資料線32、第二端24透過一汲極線34耦接於側發光微元件10之P電極(第一金屬層11)，而控制端26耦接於一掃描線36。
在第4圖所示之實施例中，微型化發光裝置100採用下開關架構，亦即開關元件20形成於基板40之上，而側發光微元件10形成於較高的絕緣層30之上。在第5圖所示之實施例中，微型化發光裝置200採用上開關架構，亦即側發光微元件10形成於基板40之上，而開關元件20形成於較高的絕緣層30之上。
第6圖為本發明實施例中另一微型化發光裝置300之結構示意圖。第7圖為本發明另一實施例中一微型化發光裝置400之結構示意圖。微型化發光裝置300和400採用薄膜化、微小化與陣列化的設計，其包含複數個側發光微元件、複數個開關元件、一絕緣層30、一基板40，以及周圍結構50。為了簡化說明，第4圖和第5圖僅顯示了如第1圖所示之單一側發光微元件10以及單一開關元件20，然而微型化發光裝置300和400亦可採用第2圖和第3圖所示之實施例。周圍結構50包含絕緣材料，其上覆蓋著反射層55。側發光微元件10、開關元件20、絕緣層30和周圍結構50皆設置或形成於基板40上，其中側發光微元件10設置成使其主出光面(至少大於50%的分配率)平行於絕緣層30和基板40的表面(成長面)，如虛線箭頭所示。開關元件20為三端元件，其中第一端22耦接於一資料線32、第二端24透過一汲極線34耦接於側發光微元件10之P電極(第一金屬層11)，而控制端26耦接於一掃描線36。
在第6圖所示之實施例中，微型化發光裝置300採用下開關架構，亦即開關元件20形成於基板40之上，而側發光微元件10和周圍結構50形成於較高的絕緣層30之上。周圍結構50包含複數個表面，每一表面和絕緣層30之表面各呈特定角度，因此可調整側發光微元件10於主出光面發出之光束其行進路徑，如虛線箭頭所示。
在第7圖所示之實施例中，微型化發光裝置400採用上開關架構，亦即側發光微元件10和周圍結構50形成於基板40之上，而開關元件20形成於較高的絕緣層30之上。周圍結構50包含複數個表面，每一表面和基板40之表面各呈特定角度，因此可調整側發光微元件10於主出光面發出之光束其行進路徑，如虛線箭頭所示。
第8圖為本發明實施例中一微型化發光裝置500之結構示意圖。第9圖為本發明另一實施例中一微型化發光裝置600之結構示意圖。微型化發光裝置500和600採用薄膜化、微小化與陣列化的設計，其包含複數個側發光微元件、複數個開關元件、一絕緣層30、一基板40、一第一介電層61，以及一第二介電層62。為了簡化說明，第8圖和第9圖僅顯示了如第1圖所示之單一側發光微元件10以及單一開關元件20，然而微型化發光裝置500和600亦可採用第2圖和第3圖所示之實施例。側發光微元件10、開關元件20、絕緣層30、第一介電層61，以及第二介電層62皆設置或形成於基板40之上，其中側發光微元件10設置成使其主出光面(至少大於50%的分配率)平行於絕緣層30和基板40的表面(成長面)，如虛線箭頭所示。開關元件20為三端元件，其中第一端22耦接於一資料線32、第二端24透過一汲極線34耦接於側發光微元件10之P電極(第一金屬層11)，而控制端26耦接於一掃描線36。
在第8圖所示之實施例中，微型化發光裝置500採用下開關架構，亦即開關元件20形成於基板40之上，而側發光微元件10、第一介電層61和第二介電層62形成於較高的絕緣層30之上。第一介電層61和第二介電層62具相異介電係數，且第二介電層62之表面和絕緣層30之表面呈一特定角度θ。因此，第一介電層61和第二介電層62在側發光微元件10於主出光面發出之光束其行進路徑上提供不同折射率，進而調整光束行進方向，如虛線箭頭所示。
在第9圖所示之實施例中，微型化發光裝置600採用上開關架構，亦即側發光微元件10、第一介電層61和第二介電層62形成於基板40之上，而開關元件20形成於較高的絕緣層30之上。第一介電層61和第二介電層62具相異介電係數，且第二介電層62之表面和絕緣層30之表面呈一特定角度θ。因此，第一介電層61和第二介電層62在側發光微元件10於主出光面發出之光束其行進路徑上提供不同折射率，進而調整光束行進方向，如虛線箭頭所示。
在第8圖和第9圖所示之實施例中，第一介電層61之介電係數n1和第二介電層62之介電係數n2可依據司乃耳(Snell's law)定律來設計以滿足全反射條件。更詳細地說，假設光線從第一介電層61進入第二介電層62之入射角為θ1，被第二介電層62影響的折射角為θ2，其中n1*sin(θ1)=n2*sin(θ2)，而臨界角則為θc=sin -1(n2/n1)。當光線的入射角大於臨界角時將不會發生透射，此現象稱為全反射。因此，本發明可決定第一介電層61之介電係數n1和第二介電層62之介電係數，再依據第一介電層61和第二介電層62之折射率來調整特定角度θ，以使側發光微元件10發出之光線在從第一介電層61進入第二介電層62時之入射角會大於臨界角為θc，進而調整光束行進方向，如虛線箭頭所示。
綜上所述，本發明提供一種採用側發光微元件之微型化發光裝置，其不但能提供高發光效率和較窄半波寬，也能提供寬廣的發光視角。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
11‧‧‧第一金屬層
12‧‧‧第二金屬層
13‧‧‧第一半導體層
14‧‧‧第二半導體層
15‧‧‧發光層
16、40‧‧‧基板
20‧‧‧開關元件
22‧‧‧開關元件之第一端
24‧‧‧開關元件之第二端
26‧‧‧開關元件之控制端
30‧‧‧絕緣層
32‧‧‧資料線
34‧‧‧汲極線
36‧‧‧掃描線
50‧‧‧周圍結構
55‧‧‧反射層
61‧‧‧第一介電層
62‧‧‧第二介電層
100、200、300、 400、500、600‧‧‧側發光微元件
第1圖為本發明一實施例中側發光微元件之結構示意圖。 第2圖為本發明另一實施例中側發光微元件之結構示意圖。 第3圖為本發明另一實施例中側發光微元件之結構示意圖。 第4圖為本發明一實施例中微型化發光裝置之結構示意圖。 第5圖為本發明另一實施例中微型化發光裝置之結構示意圖。 第6圖為本發明另一實施例中微型化發光裝置之結構示意圖。 第7圖為本發明另一實施例中微型化發光裝置之結構示意圖。 第8圖為本發明另一實施例中微型化發光裝置之結構示意圖。 第9圖為本發明另一實施例中微型化發光裝置之結構示意圖。

Claims (7)

  1. 一種微型化發光裝置，其包含：一第一基板；一絕緣層，形成於該第一基板之上；一側發光微元件，其包含一第一電極、一第二電極和一出光面，其中該側發光微元件設置成使該出光面垂直於該第一基板之表面；以及一開關元件，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一電極；以及一控制端。
  2. 一種微型化發光裝置，其包含：一第一基板；一絕緣層，形成於該第一基板之上；一側發光微元件，其包含一第一電極、一第二電極和一出光面，其中該側發光微元件設置成使該出光面平行於該第一基板之表面；一開關元件，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一電極；以及一控制端；以及至少一周圍結構，其上覆蓋一反射層且包含複數個表面，每一表面和該出光面各呈特定角度，以調整該側發光微元件發出光束之行進路徑。
  3. 一種微型化發光裝置，其包含：一第一基板；一絕緣層，形成於該第一基板之上；一側發光微元件，其包含：一第一金屬層，用來作為一第一電極；一第二金屬層，用來作為一第二電極；一第一半導體層；一第二半導體層；一發光層；一第二基板；和一出光面，其中：該第一半導體層和該第二半導體層呈相異摻雜型態；該第二半導體層形成於該第二基板之上；該發光層和該第二金屬層形成於該第二半導體層之上；該第一半導體層形成於該發光層之上；該第一金屬層形成於該第一半導體層之上；且該側發光微元件設置成使該出光面平行於該第一基板之表面；一開關元件，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一電極；以及一控制端；一第一介電層，具有一第一折射率；以及一第二介電層，具有一第二折射率，其中該第一折射率相異於該第二折射率，且使得該側發光微元件發出光束在經過該第一介電層而抵達該第二介電層時滿足一全反射條件。
  4. 一種微型化發光裝置，其包含：一第一基板；一絕緣層，形成於該第一基板之上；一側發光微元件，其包含：一第一金屬層，用來作為一第一電極；一第二金屬層，用來作為一第二電極；一第一半導體層；一第二半導體層；一發光層；一第二基板；和一出光面，其中：該第一半導體層和該第二半導體層呈相異摻雜型態；該第二金屬層形成於該第二基板之上；該第二半導體層形成該基板和該第二金屬層之上；該發光層形成於該第二半導體層之上；該第一半導體層形成於該發光層之上；該第一金屬層形成於該第一半導體層之上；且該側發光微元件設置成使該出光面垂直於該第一基板之表面；以及一開關元件，其包含：一第一端；一第二端，耦接於該第一電極；以及一控制端；一第一介電層，具有一第一折射率；以及一第二介電層，具有一第二折射率，其中該第一折射率相異於該第二折射率，且使得該側發光微元件發出光束在經過該第一介電層而抵達該第二介電層時滿足一全反射條件。
  5. 如請求項1~4之任一項所述之微型化發光裝置，其中該側發光微元件係形成於該絕緣層之上，而該開關元件係形成於該第一基板之上。
  6. 如請求項1~4之任一項所述之微型化發光裝置，其中該側發光微元件係形成於該第一基板之上，而該開關元件係形成於該絕緣層之上。
  7. 如請求項1~4之任一項所述之微型化發光裝置，其中該側發光微元件係為微型化發光二極體。
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