TWI675522B

TWI675522B - 發光元件

Info

Publication number: TWI675522B
Application number: TW108101567A
Authority: TW
Inventors: 鍾昕展; 陳守龍; 呂志強
Original assignee: 晶智達光電股份有限公司
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2019-10-21
Also published as: CN111435780A; TW202029601A; CN111435780B

Abstract

一種發光元件包含一基板、一發光單元以及一光偵測單元。基板包含相對之一正表面以及一背表面。發光單元設於正表面側。發光單元包含相對之一第一表面以及一第二表面，其中第二表面之一背透光區之面積小於第一表面之至少一正出光區之總面積，且第二表面朝向正表面。光偵測單元相鄰於發光單元並設於正表面與第二表面之間。光偵測單元之一收光區用於接收來自背透光區之一光線。

Description

發光元件

本發明是有關一種發光元件，特別是一種整合光偵測單元的發光元件。

這裡的陳述僅提供與本發明有關的背景資訊，而不必然地構成先前技術。

雷射模組是將發光元件，例如：垂直腔表面發光雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL)，與相對應的光學元件組裝作為雷射光源，在使用過程中，若發光元件的發光亮度衰退時，可能影響雷射模組的表現及應用效果。然而，傳統的監測機制需要在雷射模組外設置相對應之光學偵測元件，將導致封裝結構複雜且體積龐大。

有鑑於此，本發明部分實施例提供一種發光元件。

本發明一實施例之發光元件包含一基板、一發光單元以及一光偵測單元。基板包含相對之一正表面以及一背表面。發光單元設於正表面側。發光單元包含相對之一第一表面以及一第二表面，其中第二表面之一背透光區之面積小於第一表面之至少一正出光區之總面積，且第二表面朝向正表面。光偵測單元相鄰於發光單元並設於正表面與第二表面之間。光偵測單元之一收光區用於接收來自背透光區之一光線。

本發明另一實施例之發光元件包含一第一基板、一發光單元以及一光偵測單元。第一基板包含相對之一正表面以及一背表面、以及自正表面延伸至背表面之一透光區。發光單元設於正表面側。發光單元包含相對之一第一表面以及一第二表面，其中第二表面之一背透光區之面積小於第一表面之至少一正出光區之總面積，且第二表面朝向正表面。光偵測單元設於背表面側。光偵測單元之一收光區用於透過透光區接收來自背透光區之一光線。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下仍可實施。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

請參照第1圖，本發明一實施例之發光元件包含一基板1、一發光單元2以及一光偵測單元3。基板1包含一正表面11以及一背表面12，且背表面12與正表面11為相對配置。基板1可為透光基板，舉例而言：基板1可包含藍寶石 (Sapphire)、玻璃或碳化矽 (SiC)等材料，但不以此為限，於本實施例中，基板1亦可為不透光基板，例如：矽基板或印刷電路板(PCB)。

發光單元2設於正表面11側。發光單元2包含一第一表面21以及一第二表面22，且第二表面22與第一表面21為相對配置，其中發光單元2之第二表面22朝向基板1之正表面11。

在一實施例中，發光單元2為雷射。發光單元2之第一表面21具有一個或多個正透光區A1，用於輸出發光元件之工作雷射，亦即，第一表面21作為發光元件的主要出光面。在一實施例中，發光單元2可為垂直腔表面發光雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL)，但不以此為限。請參照第2A圖，於至少一實施例中，發光單元2包含半導體疊層，且在相鄰之不同電性之半導體層間之交界處形成pn介面(pn junction)產生空乏區(或稱活性層)而發光，並定義出靠近第一表面21側之多個正透光區A1。於一實施例中，半導體疊層之材料包含三五族化合物半導體，例如可以為：GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlInGaAs、GaP、InGaP、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlAsSb、InGaAsP、InGaAsN、AlGaAsP等。當半導體疊層之材料為AlGaInP系列時，活性層可發出峰值波長(peak wavelength)介於700及1700 nm 之間的紅外光、610 nm及700 nm之間的紅光、或是峰值波長介於530 nm及570 nm之間的黃光。當半導體疊層之材料為InGaN系列時，活性層可發出峰值波長介於400 nm及490 nm之間的藍光、深藍光，或是峰值波長介於490 nm及550 nm之間的綠光。當半導體疊層之材料為AlGaN系列時，活性層可發出峰值波長介於250 nm及400 nm之間的紫外光。

請繼續參照第1圖，在發光單元2中第二表面22側具有一背透光區A2，用於輸出可供監測之一光線L，亦即，第二表面22作為發光元件的監測出光面。其中，第二表面22之背透光區A2的面積小於第一表面21之一個或多個正出光區A1的總面積，以控制發光單元2內部產生之工作雷射大部分由第一表面21側輸出，進而提高出光效率。於本實施例中，發光單元2之半導體疊層包含一半導體層狀結構24，且半導體層狀結構24設於靠近第二表面22側。半導體層狀結構24包含背透光區A2以及反光區241，且反光區241圍繞背透光區A2。舉例而言，反光區241包含複數個交疊的層狀結構，以形成分散式布拉格反射鏡 (Distributed Bragg Reflector, DBR)，使得由活性層發射的工作雷射可以在分散式布拉格反射鏡中反射以形成同調光後，朝向第一表面21的方向射出。需注意者，背透光區A2對於上述紅外光、紅光、黃光、藍光、深藍光、綠光或紫外光等光波長區段之穿透率大於反光區241對於該些光波長區段之穿透率。

為了改良封裝結構，節省發光元件總體積，請一併參照第1圖及第2A圖，於至少一實施例中，光偵測單元3設於基板1之正表面11與發光單元2之第二表面22之間。詳言之，在第1圖所示之實施例中，光偵測單元3設於基板1之第一表面21上，並直接地電性連接於基板1。在第2A圖所示之實施例中，光偵測單元3設於發光單元2之第二表面22上，透過重佈層 (Re-Distribution Layers) 直接地與第一電極211及第二電極222電性連接，為了行文方便，以下統稱光偵測單元3相鄰配置於發光單元2旁，此處所謂的相鄰是指光偵測單元3與發光單元2彼此之間不存在或無設置間接連接元件而言，惟用於保護元件表面之鈍化層或其他表面處理結構不在此限。

請繼續參照第1圖，光偵測單元3具有一收光區A3，朝向發光單元2之背透光區A2，藉此接收來自背透光區A2所輸出之一光線L，以監控發光單元2之發光強度變異，例如：光偵測單元3可為光電二極體 (Photo Diode)。於一實施例中，光偵測單元3之收光區A3中心對齊發光單元2之背透光區A2中心，可提高偵測效率。藉由上述機制，發光元件可隨時監控發光單元2之發光強度，當光偵測單元3所偵測到的亮度衰退時，可以適當提高發光單元2之操作電流，反之亦然，從而控制發光單元2之發光強度維持在相同的輸出水準。因此，若發光元件的發光亮度在使用過程中發生變異時，可透過上述光學監控機制維持原有的性能表現及應用效果。簡言之，本發明部分實施例之發光元件係將上述基板、發光單元以及光偵測單元所構成之監測電路整合為一，透過一體成型之製程，生產出內建光學監測機制之發光元件，因此，可以節省模組端的封裝體積以及簡化模組化工序。

於一實施例中，發光元件可選擇性包含一控制電路設於基板1，用於接收來自複數偵測電極121、122之電壓訊號，並輸出相對應之電流訊號至複數導電電極123、124；舉例而言：控制電路為一微控制器(MCU)，其電性連接於光偵測單元3之複數偵測電極121、122以及發光單元2之複數導電電極123、124。微控制器通過複數偵測電極121、122監控光偵測單元3之電壓訊號，並通過複數導電電極123、124調整發光單元2之操作電流，以控制發光單元2於第一表面21之發光強度維持在相同的輸出水準。

以下例示說明相關衍生實施例之封裝結構。請參照第1圖，於本實施例中，發光元件更包含一接著層4以及一光學基板5。接著層4其一側連接於光學基板5，且其另一側連接於發光單元2之第一表面21側。舉例而言，接著層4為苯環丁烯(Benzocyclobutene, BCB)或二氧化矽，但不以此為限。光學基板5可包含藍寶石(Sapphire)、玻璃或碳化矽(SiC)等材質，但不以此為限。於部分實施例中，光學基板5可經由圖案化處理後產生特定的光學效果，舉例而言，光學基板5可為繞射光學元件 (Diffractive Optical Element) 或微透鏡(Microlens)，搭配發光單元2，可產生數萬個雷射光點，適用於感測或辨識應用，但不限於此。

於本實施例中，基板1之背表面12上設有相互分離且共平面之複數偵測電極121、122及導電電極123、124，其中複數導電電極123、124分布於複數偵測電極121、122之相異兩側，複數偵測電極121、122電性連接於光偵測單元3，且複數導電電極123、124電性連接於發光單元2，詳言之，發光單元2之第一表面21設有第一電極211，橫跨發光單元2之側面而延伸至第二表面22上，從而與第二表面22上之第二電極222共平面，例如：第一電極211為正極，且第二電極222為負極，反之亦可。因此，發光單元2可透過覆晶(Flip chip)製程與基板1進行電性連接，可無需打線製程，節省封裝體積，但不以此為限。同理，光偵測單元3之相異二電極亦可共平面設置，適於與基板1進行覆晶封裝，但不以此為限。

請一併參照第2A圖及第2B圖，其中第2B圖為沿第2A圖所示XX'截面之一仰視示意圖。於本實施例中，光偵測單元3之相異二電極透過位於發光元件2之第二表面22上之重佈線(Re-Distribution Layout)R1、R2，分別電性連接於複數偵測電極121、122，因此，光偵測單元3可透過覆晶製程與基板1進行電性連接，而無需打線製程。

請參照第3圖，於本實施例中，光偵測單元3之二電極分別設置於其相反二側，可透過打線(Wire Bonding)製程，藉由導線W與基板1進行電性連接；又請參照第4圖，於本實施例中，發光單元2之第一電極211與第二電極222分別設置於雷射電極之相反二側，可透過打線製程，藉由導線W與基板1進行電性連接。

請繼續參照第1圖，於本實施例中，發光元件包含複數導電連接件23，分布於光偵測單元3之相異兩側，形成用於容置光偵測單元3之空間。每一導電連接件23之兩端分別連接於基板1以及發光單元2，且複數導電連接件23分別電性連接於發光單元2之第一電極211以及第二電極222，以利於後續電路布局設計，但不以此為限。

請參照第5圖，於本實施例中，基板1之正表面11具有一第一平面111以及一第二平面112，其中第二平面112低於第一平面111，且第一平面111圍繞第二平面112，以形成可容置光偵測單元3之凹槽結構，藉此，發光單元2設於第一平面111，且光偵測單元3設於第二平面112；請參照第6圖，於本實施例中，發光元件與如第5圖所示實施例不同的結構在於，基板1形成可同時容置發光單元2及光偵測單元3之梯狀凹槽結構，亦可簡化發光元件封裝工序及成本。

請參照第7圖，本發明另一實施例之發光元件包含一第一基板1、一發光單元2以及一光偵測單元3。第一基板1包含一正表面11、一背表面12、以及自正表面11延伸至背表面12之一透光區A4，其中背表面12與正表面11為相對配置。於本實施例中，第一基板1可為透光基板，例如：藍寶石(Sapphire)、玻璃或碳化矽(SiC)，但不以此為限。在另一實施例中，第一基板1為不透光基板，例如：矽基板或印刷電路板(PCB)，但具有一透光區A4，透光區A4可由透光材料所組成。於第8圖所示之實施例中，發光元件與上述實施例不同的結構在於，透光區A4具有一開孔T，因此第一基板1可採用不透光材料，但不以此為限。依據上述諸多實施例之結構設計，透光區A4可允許發光單元2所發射之光線L自第一基板1之一側穿透至另一側。

發光單元2設於正表面11側。發光單元2包含相對配置之第一表面21以及第二表面22，詳細構件特徵、連結關係及技術功效已如前述。於本實施例中，發光單元2之第二表面22側具有一背透光區A2，可發射雷射光線L。於第8圖所示之實施例中，發光單元2具有一半導體層狀結構24靠近於第二表面22側，且半導體層狀結構24包含背透光區A2以及一反光區241圍繞背透光區A2，詳細構件特徵、連結關係及技術功效已如前述。有關發光單元2之衍生實施例及其構件特徵、連結關係、優點功效，請詳參前述。

光偵測單元3設於背表面12側。光偵測單元3設於第一基板1之連接方式可透過覆晶製程或打線製程來實現，已如前述。如第7圖及第8圖所示，光偵測單元3之收光區A3，透過第一基板1之透光區A4，可接收來自發光單元2之背透光區A2之雷射光線L，以產生相對應之電壓訊號，舉例而言，光偵測單元3之收光區A3中心對齊發光單元2之背透光區A4中心，可提高偵測效率。其中，有關光偵測單元3之構件特徵、連結關係、優點功效及其相關實施例，請詳參前述。透過光偵測單元3，發光元件可隨時監控發光單元2之發光強度，當光偵測單元3所偵測到的亮度衰退時，可以適當提高發光單元2之操作電流，反之亦然，從而控制發光單元2之發光強度維持在相同的輸出水準。

於一實施例中，第一基板1之背表面12上設有複數導電連接件231、232、233、234，舉例而言，複數導電連接件231、232、233、234彼此相互分離且共平面，且複數導電連接件231、232、233、234分布於光偵測單元3之相異兩側，但不以此為限。複數導電連接件231、232、233、234之厚度大於或等於光偵測單元3之厚度，因此，複數導電連接件231、232與第一基板1之間形成可容置光偵測單元3之空間。其中，有一些導電連接件231、232透過第一基板1電性連接於光偵測單元3的正極和負極，而另一些導電連接件233、234則透過第一基板1電性連接於發光單元2的第一電極211和第二電極222。

依據上述結構，本實施例之發光元件係將第一基板、發光單元以及光偵測單元所構成之監測電路整合為一，透過一體成型之半導體製程，生產出內建光學監測機制之發光元件，因此，可以節省模組端的封裝體積、簡化模組化工序以及降低生產成本。

於一實施例中，發光元件可選擇性包含一控制電路設於第一基板1，用於接收來自複數導電連接件231、232之電壓訊號，並輸出相對應之電流訊號至複數導電連接件233、234；舉例而言：控制電路為一微控制器 (MCU) ，其電性連接於相應於光偵測單元3之複數導電連接件231、232以及相應於發光單元2之複數導電連接件233、234。微控制器通過複數導電連接件231、232監控光偵測單元3之電壓訊號，並通過複數導電連接件233、234調整發光單元2之操作電流，以控制發光單元2於第一表面21的發光強度維持在相同的輸出水準。

請參照圖9，於本實施例中，發光元件與如第7圖所示實施例不同的結構在於，發光元件更包含一第二基板6以及複數導電連接件233、234。其中，光偵測單元3直接地電性連接於第二基板6，複數導電連接件233、234設於第一基板1之背表面12且分布於光偵測單元3之相異兩側。依此結構，每一導電連接件之一端透過第一基板1電性連接於發光單元2，且其另一端電性連接於第二基板6。亦即，發光單元2設於第一基板1，光偵測單元3設於第二基板6，第一基板1可以藉由光偵測單元3與第二基板6相接，再透過複數導電連接件233、234連接第一基板1及第二基板6。因此，光偵測單元3之收光區A3，透過第一基板1之透光區A4，可接收來自發光單元2之背透光區A2之雷射光線L，以產生相對應之電壓訊號。

請參照第10圖，於本實施例中，發光元件與如第9圖所示實施例不同的結構在於，透光區A4具有一開孔T，因此第一基板1可採用不透光材料，但不以此為限。於其他實施例中，第一基板1可藉由間隔材料 (Spacer，圖未示)，例如：膠材或玻璃，黏合於第二基板6。第一基板1之透光區A4可允許發光單元2所發射之雷射光線L自第一基板1之一側穿透至另一側。因此，光偵測單元3之收光區A3，可接收來自背透光區A2之雷射光線L，以產生相對應之電壓訊號。

於本實施例中，第二基板6之外表面62上設有相互分離且共平面之複數偵測電極121、122及導電電極123、124，其中複數導電電極123、124分布於複數偵測電極121、122之相異兩側，複數偵測電極121、122電性連接於光偵測單元3，且複數導電電極123、124電性連接於發光單元2。詳言之，發光單元2之第一表面21設有第一電極211，橫跨發光單元2之側面而延伸至第二表面22上，並透過第一基板1、導電連接件233以及第二基板6電性連接於導電電極123，又發光單元2之第二表面22設有一第二電極222，透過第一基板1、導電連接件234以及第二基板6電性連接於導電電極124，且光偵測單元3之正極和負極分別透過第二基板6電性連接於一偵測電極121和另一偵測電極122。因此，發光元件適於覆晶封裝模組應用，但不以此為限。

於一實施例中，發光元件可選擇性包含一控制電路設於第二基板6，用於接收來自複數偵測電極121、122之電壓訊號，並輸出相對應之電流訊號至複數導電電極123、124；舉例而言：控制電路為一微控制器 (MCU)，其電性連接光偵測單元3之複數偵測電極121、122以及發光單元2之複數導電電極123、124。微控制器通過複數偵測電極121、122監控光偵測單元3之電壓訊號，並通過複數導電電極123、124調整發光單元2之操作電流，以控制發光單元2於第一表面21之發光強度維持在相同的輸出水準。

綜合上述，本發明之部分實施例提供一種發光元件，主要是利用發光單元之背透光區結構發射用於監測之雷射光線，藉由相鄰設置之光偵測單元監測雷射光線以產生電壓訊號，可隨時監控發光單元於主要出光面之發光強度，並適時地調整發光單元之操作電流，以控制發光單元維持原有的性能表現及應用效果。同時，針對封裝結構進行改良，透過一體成型之半導體製程，生產出內建光學監測機制之發光元件，透過半導體技術的奈米等級製程，將發光單元以及光偵測單元所構成之監測電路整合為一，相較之下，傳統的監測機制是利用載板封裝技術的微米或毫米等級製程，在發光元件外另設相對應之光學偵測元件，將導致封裝模組結構複雜且體積龐大。因此，本發明之部分實施例之發光元件透過一體成型的半導體元件製程可以節省模組端的封裝體積、簡化模組化工序以及降低生產成本，例如，透過晶圓級半導體製程，生產出內建光學監測機制之發光元件，適於覆晶封裝，可無需打線製程，節省封裝體積，有利於後續的微型化應用。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以此限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

A1‧‧‧正出光區

A2‧‧‧背透光區

A3‧‧‧收光區

A4‧‧‧透光區

T‧‧‧開孔

L‧‧‧光線

R1、R2‧‧‧重佈線

W‧‧‧導線

1‧‧‧基板、第一基板

11‧‧‧正表面

111‧‧‧第一平面

112‧‧‧第二平面

12‧‧‧背表面

121、122‧‧‧偵測電極

123、124‧‧‧導電電極

2‧‧‧發光單元

21‧‧‧第一表面

211‧‧‧第一電極

22‧‧‧第二表面

222‧‧‧第二電極

23、231、232、233、234‧‧‧導電連接件

24‧‧‧半導體層狀結構

241‧‧‧反光區

3‧‧‧光偵測單元

4‧‧‧接著層

5‧‧‧光學基板

6‧‧‧第二基板

62‧‧‧外表面

第1圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第2A圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第2B圖為本發明一實施例之發光元件沿XX'截面之一仰視示意圖。
第3圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第4圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第5圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第6圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第7圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第8圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第9圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。
第10圖為本發明一實施例之發光元件之一示意圖。

Claims

一種發光元件，包含：
一基板，包含相對之一正表面以及一背表面；
一發光單元，設於該正表面側，該發光單元包含相對之一第一表面以及一第二表面，其中該第二表面之一背透光區之面積小於該第一表面之至少一正出光區之總面積，且該第二表面朝向該正表面；以及
一光偵測單元，相鄰於該發光單元並設於該正表面與該第二表面之間，該光偵測單元之一收光區用於接收來自該背透光區之一雷射光線。
如請求項1所述之發光元件，其中該基板之該背表面上設有相互分離且共平面之複數偵測電極及導電電極，其中該複數導電電極分布於該複數偵測電極之相異兩側，該複數偵測電極電性連接於該光偵測單元，且該複數導電電極電性連接於該發光單元。
如請求項1所述之發光元件，其中該基板之該正表面具有一第一平面以及低於該第一平面之一第二平面，且該第一平面圍繞該第二平面，其中該發光單元設於該第一平面，且該光偵測單元設於該第二平面。
如請求項1所述之發光元件，其中該發光單元包含靠近該第二表面側之一半導體層狀結構，該半導體層狀結構包含該背透光區以及圍繞該背透光區之一反光區，其中該背透光區之穿透率大於該反光區之穿透率。
如請求項1所述之發光元件，更包含：
複數導電連接件，每一該導電連接件之兩端分別連接於該基板以及該發光單元，且該複數導電連接件分布於該光偵測單元之相異兩側。
一種發光元件，包含：
一第一基板，包含相對之一正表面以及一背表面、以及自該正表面延伸至該背表面之一透光區；
一發光單元，設於該正表面側，該發光單元包含相對之一第一表面以及一第二表面，其中該第二表面之一背透光區之面積小於該第一表面之至少一正出光區之總面積，且該第二表面朝向該正表面；以及
一光偵測單元，設於該背表面側，該光偵測單元之一收光區用於透過該透光區接收來自該背透光區之一雷射光線。
如請求項6所述之發光元件，其中該第一基板之該背表面上設有相互分離且共平面之複數導電連接件，其中該複數導電連接件分布於該光偵測單元之相異兩側，些許之該複數偵測電極電性連接於該光偵測單元，且其餘之該複數導電電極電性連接於該發光單元。
如請求項6所述之發光元件，其中該發光單元包含靠近該第二表面側之一半導體層狀結構，該半導體層狀結構包含該背透光區以及圍繞該背透光區之一反光區，其中該背透光區之穿透率大於該反光區之穿透率。
如請求項6所述之發光元件，更包含：
複數導電連接件，設於該背表面且分布於該光偵測單元之相異兩側，且每一該導電連接件之一端電性連接於該發光單元；以及
一第二基板，相對於該第一基板設於該複數導電連接件之另一端，其中該光偵測單元設於該第二基板。
如請求項9所述之發光元件，其中該第二基板包含相互分離而共平面之複數偵測電極及導電電極，設於與該光偵測單元相反側之一外表面，其中該複數導電電極分布於該複數偵測電極之相異兩側，該複數偵測電極電性連接於該光偵測單元，且該複數導電電極電性連接於該複數導電連接件。