TWI648870B - 發光二極體晶片 - Google Patents
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Abstract
一種發光二極體晶片，具有一傾斜凹槽。傾斜凹槽具有至少一傾斜面。發光二極體晶片包括第一型摻雜半導體層、第二型摻雜半導體層、發光層、第一電極以及第二電極。發光層位於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。傾斜面相對於發光層傾斜。第一電極與第一型摻雜半導體層電性連接。第二電極與第二型摻雜半導體層電性連接。傾斜凹槽配置於發光層間。
Description
本發明是有關於一種發光晶片，且特別是有關於一種發光二極體（Light Emitting Diode, LED）晶片。
隨著半導體科技的進步，現今的發光二極體已具備了高亮度與高演色性等特性，加上發光二極體具有省電、體積小、低電壓驅動以及不含汞等優點，發光二極體已廣泛地應用在顯示器與照明等領域。
然而，對於現階段發光二極體的發展來說，如何提升發光二極體的發光效率係為在發光二極體的領域中最受矚目的議題之一。發光二極體的發光效率係為內部量子效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）以及光萃取效率（Light Extraction Efficiency, LEE）的乘積。一般來說，高品質的發光二極體的內部量子效率可以達到90%以上，但是光萃取效率則相對於內部量子效率為低。光萃取效率較低的原因是：當發光層所產生的部分光束傳遞至晶片與空氣中的界面時，且此部分的光束的入射角大於臨界角（Critical Angle）時，此部分的光束會發生在上述的界面處有全內反射（Total Internal Reflection, TIR）的現象。在晶片內進行全反射的部分光束在發光二極體晶片的上下表面經過多次全反射後會被發光二極體晶片內的材料所吸收，而造成光萃取效率的損耗。因此，如何增加發光二極體的光萃取效率，實為目前研發人員研發的重點之一。
本發明提供一種發光二極體晶片，其具有良好的光萃取效率。
本發明的一實施例提出一種發光二極體晶片，具有一傾斜凹槽。傾斜凹槽具有多個傾斜面。發光二極體晶片包括第一型摻雜半導體層、第二型摻雜半導體層、發光層、第一電極以及第二電極。發光層位於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。這些傾斜面相對於發光層傾斜。第一電極與第一型摻雜半導體層電性連接。第二電極與第二型摻雜半導體層電性連接。傾斜凹槽配置於發光層間。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽連續地環繞部分發光層。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽分段地環繞部分發光層。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽沿著發光二極體晶片的邊緣環繞部分發光層。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽包括第一子傾斜凹槽以及第二子傾斜凹槽。第一子傾斜凹槽連接於第二傾斜子凹槽。第一子傾斜凹槽環繞部分的發光層以及第一電極，且第二子傾斜凹槽環繞另一部分的發光層以及第二電極。
在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片為微型發光二極體晶片、共振腔發光二極體晶片或薄膜發光二極體晶片。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽內的折射率小於該第一型摻雜半導體層的折射率、該第二型摻雜半導體層的折射率以及該發光層的折射率。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽內為空氣。
在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片更包括光學膠。光學膠設置於傾斜凹槽內。
在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片的剖面中，傾斜凹槽的形狀為倒三角形、三角形、梯形、倒梯形及上述之組合。
在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片具有貫孔。貫孔貫穿第一型摻雜半導體層、發光層以及部分第二型摻雜半導體層。發光二極體晶片更包括絕緣層。絕緣層設置於貫孔的側壁以及部分第一型摻雜半導體層的上表面。第二電極設置於貫孔內以與第二型摻雜半導體層電性連接，且絕緣層用以使第二電極與第一型摻雜半導體層以及發光層電性絕緣。
在本發明的一實施例中，上述的傾斜凹槽相對於第一型摻雜半導體層的上表面的深度大於發光層相對於第一型摻雜半導體層的上表面的深度。
在本發明的一實施例中，上述傾斜凹槽相對於第一型摻雜半導體層的上表面的深度與發光層相對於第一型摻雜半導體層的上表面的深度的比值為大於1且小於等於10。
基於上述，本發明的實施例的發光二極體晶片中具有傾斜凹槽。傾斜凹槽的傾斜面相對於發光層傾斜，且傾斜凹槽配置於發光層間。當發光層發出光束時，大部分的光束會在傾斜凹槽的傾斜面處發生全反射，進而使大部分的光束集中出射於發光二極體晶片，因此本發明的實施例的發光二極體晶片具有良好的光萃取效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A為本發明一實施例的發光二極體晶片的上視圖。圖1B為圖1A中沿著切線A-A’的剖面示意圖。圖1C為本發明一實施例的發光二極體晶片應用於顯示面板的剖面示意圖。
請同時參照圖1A以及圖1B，在本實施例中，發光二極體晶片100具有傾斜凹槽IN。傾斜凹槽IN具有多個傾斜面S，且例如是具有兩個傾斜面S1、S2。傾斜面S1連接於傾斜面S2。發光二極體晶片100包括第一型摻雜半導體層110、第二型摻雜半導體層120、發光層130、第一電極140以及第二電極150。發光層130位於第一型摻雜半導體層110與第二型摻雜半導體層120之間。這些傾斜面S1、S2相對於發光層130傾斜。第一電極140與第一型摻雜半導體層110電性連接。第二電極150與第二型摻雜半導體層120電性連接。請參照圖1B，傾斜凹槽IN配置於發光層130間。
具體而言，在本實施例中，傾斜凹槽IN凹入於發光二極體晶片100的上表面US。傾斜凹槽IN例如是以蝕刻（Etching）的方式形成於發光二極體晶片100中而配置於發光層130間，本發明並不以此為限。傾斜凹槽IN內的物質折射率小於第一型摻雜半導體層110的折射率、第二型摻雜半導體層120的折射率以及發光層130的折射率，此處，傾斜凹槽IN內的物質折射率例如是介於1至2.5之間，使光束L透過傾斜凹槽IN與發光二極體晶片100出光界面的折射率變化而增加全反射。於本實施例中，傾斜凹槽IN內為空氣。在其他的實施例中，發光二極體晶片100更包括光學膠（Optical Clear Adhesive, OCA），光學膠設置於傾斜凹槽IN內，可使發光二極體晶片100晶片結構有更高的強度。光學膠的折射率小於第一型摻雜半導體層110的折射率、第二型摻雜半導體層120的折射率以及發光層130的折射率。光學膠可選自二氧化鈦或二氧化矽，本發明並不以此為限。當發光層130發出光束L時，大部分的光束L會傳遞至傾斜凹槽IN的傾斜面S1或S2，大部分的光束L會在傾斜凹槽的傾斜面S1、S2處發生全反射，進而使大部分的光束L集中出射於發光二極體晶片100。因此，本實施例的發光二極體晶片100具有良好的光萃取效率。
在本實施例中，傾斜凹槽IN連續地環繞部分發光層130，亦即傾斜凹槽IN將發光層130分隔成至少兩部分而配置於發光層130間。具體而言，傾斜凹槽IN沿著發光二極體晶片100的邊緣E部分環繞發光層130。較佳者，傾斜凹槽IN與邊緣E同形。此處，傾斜凹槽IN與邊緣E的一任一距離W例如是小於等於30微米，超過會減少發光二極體晶片100的發光區域，降低出光效率，特別說明的是，此處W示意為傾斜凹槽IN與邊緣E的最短距離，但並不以為限。透過將傾斜凹槽IN沿著發光二極體晶片100的邊緣E環繞部分發光層130的設計，發光二極體晶片100可以避免犧牲發光二極體晶片100的發光區域，藉此發光二極體晶片100可以達到較高的光萃取效率。傾斜凹槽IN在發光二極體晶片100沿著切線A-A’的剖面為倒三角形。傾斜凹槽IN相對於第一型摻雜半導體層110的上表面US的深度T1大於發光層130相對於第一型摻雜半導體層110的上表面US的深度T2，亦即傾斜凹槽IN的深度超過發光層130的深度。傾斜凹槽IN的深度的範圍大於等於1微米且小於發光二極體晶片100的厚度。特別說明的是，傾斜凹槽IN相對於第一型摻雜半導體層110的上表面US的深度T1與發光層130相對於第一型摻雜半導體層110的上表面US的深度T2的比值較佳是介於大於1且小於等於10，大於10可能降低發光二極體晶片100的結構強度。
在本實施例中，發光二極體晶片100具有貫孔160。貫孔160貫穿第一型摻雜半導體層110、發光層130以及部分第二型摻雜半導體層120。發光二極體晶片100更包括絕緣層170。絕緣層170設置於貫孔160的側壁160S以及部分第一型摻雜半導體層110的上表面110US。第二電極150設置於貫孔160內以與第二型摻雜半導體層120電性連接。絕緣層170用以使第二電極150與第一型摻雜半導體層110以及發光層130電性絕緣。在本實施例中，絕緣層170的材料例如是二氧化矽（Silicon Dioxide,SiO2
），本發明並不以此為限。此外，第二電極150凸出於發光二極體晶片100a的上表面US。
在本實施例中，第一型摻雜半導體層例如是P型摻雜半導體層。P型摻雜半導體層的材料例如是P型氮化鎵（p-GaN），第二型摻雜半導體層例如是N型摻雜半導體層。N型摻雜半導體層的材料例如是N型氮化鎵（n-GaN），但本發明並不以此為限。發光層130的結構例如是多層量子井結構（Multiple Quantum Well, MQW）。多重量子井結構包括以重複的方式交替設置的多個量子井層（Well）和多個量子阻障層（Barrier）。進一步來說，發光層130的材料例如是包括交替堆疊的多層氮化銦鎵（InGaN）以及多層氮化鎵（GaN），藉由設計發光層130中銦或鎵的比例，可使發光層130發出不同的發光波長範圍。應注意的是，關於上述所舉的發光層130的材料僅為舉例，本實施例的發光層130的材料並不以氮化銦鎵與氮化鎵為限。第一電極140以及第二電極150的材料例如是選自金（Au）、錫（Sn）、鎳(Ni)、鈦(Ti) 、銦（In）、上述材料之合金及上述之組合，本發明並不以此為限。
請再參照圖1B，由圖1B觀之，第一電極140的形狀與第二電極150的形狀不同。具體而言，第一電極140的形狀例如是圓形，第二電極150的形狀例如是方形，但本發明並不以此為限。此處第一電極140與第二電極150示意地只繪示一個，但本發明並不以此為限。
在其他的實施例中，發光二極體晶片100的種類例如是共振腔發光二極體（Resonant Cavity Light Emitting Diode, RC LED）晶片或者是薄膜發光二極體（Thin Film Light Emitting Diode）晶片，本發明並不以此為限。
請參照圖1C，在圖1C中，本實施例的發光二極體晶片100的種類例如是微型發光二極體（Micro Light Emitting Diode, μLED），其尺寸大小例如是微米等級的尺寸大小。具體來說，本實施例的發光二極體晶片100的對角線長度大小例如是落在1微米至100微米的範圍內。
請再參照圖1C，在本實施例中，發光二極體晶片100例如是應用於顯示面板200上。顯示面板200具有多個子像素區域SPR。顯示面板200包括多個第一接墊210（Pad）、多個第二接墊220以及多個發光二極體晶片100以及背板230。顯示面板200具體化為微型發光二極體顯示面板（Micro LED display Panel）。背板230具體化為薄膜電晶體基板（Thin Film Transistor, TFT）。一第一接墊210與一發光二極體晶片100的第一電極210接合（Bonding）。一第二接墊220與一發光二極體晶片100的第二電極220接合。第一接墊210以及第二接墊220的材料例如是選自銦（In）、錫（Sn）或其合金（In/Sn），本發明並不以此為限。這些第一接墊210以及這些第二接墊220設置於背板230上。一發光二極體晶片100、一第一接墊210以及一第二接墊220位於顯示面板200的一子像素區域SPR（Sub-pixel region）。
顯示面板200例如是透過驅動單元（未示出）、多條資料線（未示出）、多條掃描線（未示出）以及多個電晶體（未示出）以控制子像素區域SPR中對應的發光二極體晶片100是否發出光束，進而控制子像素區域SPR所顯示的光束。這些子像素區域SPR所發出的光束共同形成影像。顯示面板200的操作與實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。
由於本實施例的發光二極體晶片100的光萃取效率較高，因此當本實施例的發光二極體晶片100應用於顯示面板200內時，可以進一步地提升顯示面板200的出光效率。
在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。
圖2A為本發明另一實施例的發光二極體晶片的上視圖。圖2B為圖2A中沿著切線B-B’的剖面示意圖。
圖2A以及圖2B的發光二極體晶片100a大致類似於圖1A以及圖1B中的發光二極體晶片100，其主要差異在於：傾斜凹槽IN在發光二極體晶片100a沿著切線B-B’的剖面為倒梯形，可使出光具有較佳的光型。
圖3A為本發明又一實施例的發光二極體晶片的上視圖。圖3B為圖3A中沿著切線C-C’的剖面示意圖。
圖3A以及圖3B的發光二極體晶片100b大致類似於圖1A以及圖1B中的發光二極體晶片100，其主要差異在於：傾斜凹槽IN包括第一子傾斜凹槽IN1以及第二子傾斜凹槽IN2。第一子傾斜凹槽IN1連接於第二傾斜子凹槽IN2。第一子傾斜凹槽IN1環繞部分的發光層130以及第一電極140，且第二子傾斜凹槽IN2環繞另一部分的發光層130以及第二電極150。也就是說，從圖3B來看，第一子傾斜凹槽IN1以及第二子傾斜凹槽IN2所構成的圖案例如是類8字形的圖案。特別說明的是，第一子傾斜凹槽IN1也可以分段地連接於第二傾斜子凹槽IN2，例如第一子傾斜凹槽IN1分段地環繞部分的發光層130以及第一電極140，且第二子傾斜凹槽IN2分段地環繞另一部分的發光層130以及第二電極150，亦或是，第一子傾斜凹槽IN1也可以連續地連接於第二傾斜子凹槽IN2構成例如是8字形的圖案，本發明並不以此為限。
圖4A為本發明再一實施例的發光二極體晶片的上視圖。圖4B為圖4A中沿著切線D-D’的剖面示意圖。
圖4A以及圖4B的發光二極體晶片100c大致類似於圖1A以及圖1B中的發光二極體晶片100，其主要差異在於：傾斜凹槽IN分段地環繞發光層130，可兼具增加光萃取效率以及避免減少發光面積。
圖5A為本發明又一實施例的發光二極體晶片的上視圖。圖5B為圖5A中沿著切線E-E’的剖面示意圖。
圖5A以及圖5B的發光二極體晶片100d大致類似於圖1A以及圖1B中的發光二極體晶片100，其主要差異在於：第二電極150位於貫孔160內，且第二電極150未凸出於發光二極體晶片100d的上表面US。
圖6A為本發明另一實施例的發光二極體晶片的上視圖。圖6B為圖6A中沿著切線F-F’的剖面示意圖。圖6A以及圖6B的發光二極體晶片100e大致類似於圖1A以及圖1B中的發光二極體晶片100，其主要差異在於：發光二極體晶片100e為一垂直型的發光二極體（Vertical LED）。在本實施例中，傾斜凹槽IN凹入於發光二極體晶片100的上表面US。但亦可以自發光二極體晶片100的下表面BS凹入，形成一剖面形狀為三角形或梯形的傾斜凹槽IN，本發明並不以此為限。
綜上所述，本發明的實施例的發光二極體晶片中具有傾斜凹槽。傾斜凹槽的傾斜面相對於發光層傾斜，且傾斜凹槽配置於發光層間。當發光層發出光束時，大部分的光束會在傾斜凹槽的傾斜面處發生全反射，進而使大部分的光束集中出射於發光二極體晶片，因此本發明的實施例的發光二極體晶片具有良好的光萃取效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、100a、100b、100c、100d、100e‧‧‧發光二極體晶片
110‧‧‧第一型摻雜半導體層
120‧‧‧第二型摻雜半導體層
130‧‧‧發光層
140‧‧‧第一電極
150‧‧‧第二電極
160‧‧‧貫孔
160S‧‧‧側壁
170‧‧‧絕緣層
200‧‧‧顯示面板
210‧‧‧第一接墊
220‧‧‧第二接墊
230‧‧‧背板
E‧‧‧邊緣
IN‧‧‧傾斜凹槽
IN1‧‧‧第一子傾斜凹槽
IN2‧‧‧第二子傾斜凹槽
L‧‧‧光束
S、S1、S2‧‧‧傾斜面
SPR‧‧‧子像素區域
T1、T2‧‧‧深度
US‧‧‧上表面
BS‧‧‧下表面
W‧‧‧距離
A-A’、B-B’、C-C’、D-D’、E-E’、F-F’‧‧‧切線
圖1A為本發明一實施例的發光二極體晶片的上視圖。 圖1B為圖1A中沿著切線A-A’的剖面示意圖。 圖1C為本發明一實施例的發光二極體晶片應用於顯示面板的剖面示意圖。 圖2A為本發明另一實施例的發光二極體晶片的上視圖。 圖2B為圖2A中沿著切線B-B’的剖面示意圖。 圖3A為本發明又一實施例的發光二極體晶片的上視圖。 圖3B為圖3A中沿著切線C-C’的剖面示意圖 圖4A為本發明再一實施例的發光二極體晶片的上視圖。 圖4B為圖4A中沿著切線D-D’的剖面示意圖。 圖5A為本發明又一實施例的發光二極體晶片的上視圖。 圖5B為圖5A中沿著切線E-E’的剖面示意圖。 圖6A為本發明又一實施例的發光二極體晶片的上視圖。 圖6B為圖6A中沿著切線F-F’的剖面示意圖。
Claims (16)
- 一種發光二極體晶片，具有一傾斜凹槽，該傾斜凹槽具有多個傾斜面且配置於該發光二極體晶片內，該發光二極體晶片包括：一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層；一發光層，位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，該些傾斜面相對於該發光層傾斜；一第一電極，與該第一型摻雜半導體層電性連接；以及一第二電極，與該第二型摻雜半導體層電性連接，其中，該傾斜凹槽貫穿該發光二極體晶片的該第一型摻雜半導體層與該發光層而延伸配置至部分該第二型摻雜半導體層內部，且該傾斜凹槽將該發光二極體晶片內的該發光層至少分隔成一第一部分以及一第二部分，該第一電極與該第二電極配置於該發光層的該第一部分。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽連續地環繞部分該發光層。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽分段地環繞部分該發光層。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽沿著該發光二極體晶片的邊緣環繞部分該發光層。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽包括一第一子傾斜凹槽以及一第二子傾斜凹槽，該第一子傾斜凹槽連接於該第二傾斜子凹槽，該第一子傾斜凹槽環繞部分的該發光層以及該第一電極，且該第二子傾斜凹槽環繞另一部分的該發光層以及該第二電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該發光二極體晶片為微型發光二極體晶片、共振腔發光二極體晶片或薄膜發光二極體晶片。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽內的物質的折射率小於該第一型摻雜半導體層的折射率、該第二型摻雜半導體層的折射率以及該發光層的折射率。
- 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽內的物質為空氣。
- 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體晶片，其中該發光二極體晶片更包括一光學膠，該光學膠設置於該傾斜凹槽內。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中在該發光二極體晶片的一剖面中，該傾斜凹槽的形狀為倒三角形、正三角形、梯形、倒梯形及上述之組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該發光二極體晶片具有一貫孔，該貫孔貫穿該第一型摻雜半導體層、該發光層以及部分該第二型摻雜半導體層，該發光二極體晶片更包括一絕緣層，該絕緣層設置於該貫孔的側壁以及部分該第 一型摻雜半導體層的一上表面，其中該第二電極設置於該貫孔內以與該第二型摻雜半導體層電性連接，且該絕緣層用以使該第二電極與該第一型摻雜半導體層以及該發光層電性絕緣。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽相對於該第一型摻雜半導體層的一上表面的深度大於該發光層相對於該第一型摻雜半導體層的該上表面的深度。
- 如申請專利範圍第12項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽相對於該第一型摻雜半導體層的該上表面的深度與該發光層相對於該第一型摻雜半導體層的該上表面的深度的比值為大於1且小於等於10。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽與該發光二極體晶片的邊緣的任一距離小於等於30微米。
- 一種發光二極體晶片，具有一傾斜凹槽，該傾斜凹槽具有多個傾斜面且配置於該發光二極體晶片內，該發光二極體晶片包括：一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層；一發光層，位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，該些傾斜面相對於該發光層傾斜；一第一電極，與該第一型摻雜半導體層電性連接；以及一第二電極，與該第二型摻雜半導體層電性連接， 其中，該傾斜凹槽配置於該發光層間，且該第一電極、該第二電極以及該傾斜凹槽配置在遠離該發光二極體晶片的一出光面的一側，該傾斜凹槽內的物質的折射率小於該第一型摻雜半導體層的折射率、該第二型摻雜半導體層的折射率以及該發光層的折射率。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該傾斜凹槽的深度的範圍大於等於1微米且小於該發光二極體晶片的厚度。
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