TWI677110B - 微型發光二極體及發光裝置 - Google Patents
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Abstract
一種微型發光二極體，包括第一型半導體、發光層、第二型半導體、第一電極以及第二電極。第一型半導體具有沿一方向延伸的柱體。發光層實質上包覆第一型半導體的柱體。第二型半導體實質上包覆發光層。第一電極與第一型半導體電性連接。第二電極設置於第二型半導體上且與第二型半導體電性連接。此外，包括上述微型發光二極體的發光裝置也被提出。
Description
本發明是有關於一種光電元件及光電裝置，且特別是關於一種微型發光二極體及發光裝置。
發光二極體具有省電、高效率、高亮度等優點，因此，發光二極體已取代冷陰極管成為新世代的光源。發光二極體包括微型發光二極體（micro-LED）。多個微型發光二極體可組成各樣的發光裝置。舉例而言，由於微型發光二極體具有照射面積小的特性，因此，多個微型發光二極體適合應用在液晶顯示裝置的背光模組，進而使背光模組具有分區發光（local dimming）的能力。
一般而言，微型發光二極體可分為水平式、垂直式及覆晶式。水平式微型發光二極體於相同的一側具有電性連接至第一型半導體的第一電極及電性連接至第二型半導體的第二電極。水平式微型發光二極體的第一電極及第二電極可利用導線（例如：金線）電性連接至發光層下方的驅動線路。然而，水平式微型發光二極體的第一電極、第二電極及導線會遮蔽發光層之部分面積，而不利於亮度的提升。垂直式微型發光二極體於相對的兩側分別具有電性連接至第一型半導體的第一電極及電性連接至第二型半導體的第二電極。然而，垂直式微型發光二極體的第一電極與載板上之驅動線路的接合難度高。此外，用以使多個垂直式微型發光二極體之第二電極互相電性連接的導電層，其透光度不高，而不利於亮度的提升。覆晶式微型發光二極體於靠近載板一側具有電性連接至第一型半導體的第一電極及電性連接至第二型半導體的第二電極。然而，覆晶式微型發光二極體易出現電流擁擠（current crowded）現象，進而使覆晶式微型發光二極體操作於高功率時產生散熱問題。
本發明提供一種微型發光二極體，性能佳。
本發明提供一種發光裝置，性能佳。
本發明一實施例的微型發光二極體，包括第一型半導體、發光層、第二型半導體、第一電極以及第二電極。第一型半導體具有沿一方向延伸的柱體。發光層實質上包覆第一型半導體的柱體。第二型半導體實質上包覆發光層。第一電極與第一型半導體電性連接。第二電極設置於第二型半導體上且與第二型半導體電性連接。
在本發明的一實施例中，上述的第二電極包括脊部以及多個肋部組。脊部沿一方向延伸。多個肋部組彼此隔開。各肋部組的多個肋部分別設置於脊部的相對兩側且與脊部連接。第一型半導體的柱體位於至少一肋部組的多個肋部之間。
在本發明的一實施例中，上述的第一型半導體的柱體、發光層以及第二型半導體構成柱狀半導體結構，第二電極的脊部以及第二電極的多個肋部組設置於柱狀半導體結構的周面上。
在本發明的一實施例中，上述的第二電極更包括頂部，與脊部連接，且設置於柱狀半導體結構的頂面上。
在本發明的一實施例中，上述的柱狀半導體結構位於第一電極與第二電極的頂部之間。
在本發明的一實施例中，上述的第二電極更包括底部，位於柱狀半導體結構旁，其中脊部連接於頂部與底部之間。
在本發明的一實施例中，上述的微型發光二極體，更包括絕緣層，具有一開口，其中第一型半導體的柱體設置於絕緣層的開口，絕緣層的實體位於發光層與第一電極之間，絕緣層的實體更位於第二型半導體層與第一電極之間。
在本發明的一實施例中，上述的第一型半導體還具有生長基底，柱體形成於生長基底上，而生長基底位於柱體與第一電極之間。
本發明一實施例的發光裝置，包括多個如前述的微型發光二極體，呈陣列排列。
在本發明的一實施例中，上述的發光裝置更包括介電層，覆蓋多個微型發光二極體之間的間隙以及各微型發光二極體之第二電極的脊部及多個肋部組，其中介電層具有多個開口，分別與多個微型發光二極體的多個第二電極重疊。上述的發光裝置更包括透光導電層，設置於介電層上且實質上覆蓋多個第二電極。
在本發明的一實施例中，上述的多個微型發光二極體之多個第一電極中之兩相鄰者係直接連接。
基於上述，本發明一實施例之發光裝置包括陣列排列的多個微型發光二極體。微型發光二極體包括第一型半導體、發光層、第二型半導體、電性連接至第一型半導體的第一電極以及電性連接至第二型半導體的第二電極。特別是，第一型半導體具有沿一方向延伸的柱體，發光層實質上包覆第一型半導體的柱體，且第二型半導體實質上包覆發光層。第一型半導體的柱體、發光層及第二型半導體構成柱狀半導體結構。藉由包覆第一型半導體之柱體的發光層，微型發光二極體發出的光束不但會從柱狀半導體結構的頂面出射，更會從半導體結構的周面出射。也就是說，微型發光二極體是一個能向三度空間發光的立體發光結構。由於微型發光二極體能朝三度空間發光，因此發光裝置的亮度能提升。
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。
現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於所附圖式中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。
圖1為本發明一實施例之發光裝置10的立體示意圖。圖2為圖1之發光裝置10之相鄰兩個微型發光二極體100的放大示意圖。圖3為根據圖2之剖線A-A’所繪的發光裝置10的剖面示意圖。圖4為根據圖2之剖線B-B’所繪的發光裝置10的剖面示意圖。
請參照圖1，發光裝置10包括呈陣列排列的多個微型發光二極體100。多個微型發光二極體100沿著方向x及方向y排成多行與多列，其中方向x與方向y交錯。在本實施例中，每一微型發光二極體100可被輸入各自的驅動訊號，進而實現具有分區發光能力的背光模組（backlight module with local dimming capability）。請參照圖1、圖2及圖3，舉例而言，在本實施例中，多個微型發光二極體100之多個第一型半導體110的柱體112可形成在同一生長基底111（例如：氮化鎵基板）上，多個微型發光二極體100之多個第一型半導體110的多個柱體112可透過生長基底111彼此電性連接，多個微型發光二極體100的多個第二型半導體120可彼此隔開而互相電性獨立。然而，本發明不限於此，根據其它實施例，多個微型發光二極體100也可以依實際需求以其它適當方式電性連接。
請參照圖2、圖3及圖4，每一微型發光二極體100包括第一型半導體110、發光層130、第二型半導體120、第一電極140及第二電極150。第一型半導體110具有沿方向z延伸的柱體112，其中方向z垂直於方向x與方向y。舉例而言，在本實施例中，第一型半導體110的柱體112可以選擇性為圓柱體。然而，本發明不限於此，根據其它實施例，第一型半導體110的柱體112也可以是其它形狀的柱體，例如：六邊形柱等。此外，本發明也不限制柱體112各處的截面積形狀及/或截面積尺寸必需完全相同。舉例而言，在其它實施例中，柱體112的至少一部分（例如：柱體112的頂部）的截面積尺寸也可隨著遠離生長基底111的方向而縮減。在本實施例中，第一型半導體110可以是N型半導體，例如：N型的氮化镓（N-GaN），但本發明不以此為限。
在本實施例中，微型發光二極體100還包括絕緣層160。絕緣層160具有開口162，而第一型半導體110的柱體112設置於絕緣層160的開口162。舉例而言，於發光裝置10的製程中，可先在生長基底111上形成絕緣層160，其中絕緣層160具有暴露生長基底111之生長區111a的開口162；接著，於生長區111a上形成朝方向z延伸的柱體112。因此，於最終完成的發光裝置10中，第一型半導體110的柱體112係設置在絕緣層160的開口162中，且柱體112的高度H超過絕緣層160的膜厚T。在本實施例中，第一型半導體110之柱體112的高度H例如是0.1微米（μm）至10微米，第一型半導體110之柱體112的直徑d例如是10奈米（nm）至1500奈米，但本發明不以此為限。
在本實施例中，可利用由底向上（bottom up）方法於生長區111a上形成朝方向z延伸的柱體112。舉例而言，由底向上方法包括氣液固法（vapor-liquid-solid；VLS）、陽極氧化鋁模板輔助成長法（anodic alumina membranes；AAM）、界面活性劑輔助合成法（Soft template）、氧化物輔助成長法、奈米晶粒輔助成長法、離子束濺鍍沈積（ion-beam sputtering deposition）、超臨界流體溶液（super critical fluid solution-phase）與溶劑熱（solvothermal）反應法、磁電管濺鍍（magnetron sputtering）、熱化學氣相沈積（thermal CVD）、微波物理氣相沈積（microwave PECVD）或電子迴旋共振化學氣相沉積法（ECR CVD）。舉例而言，在本實施例中，絕緣層160的材質可以是無機材料（例如：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或上述至少二種材料的堆疊層）、有機材料或上述之組合。
發光層130實質上包覆第一型半導體110的柱體112。舉例而言，在本實施例中，是在形成絕緣層160及柱體112之後，再於未被絕緣層160覆蓋之柱體112的表面112a上形成發光層130，而發光層130覆蓋柱體112之絕大部分的表面112a而未覆蓋柱體112之根部的表面112b。 在本實施例中，發光層130大致上係共形地覆蓋凸出於絕緣層160之部分的柱體112，而發光層130係為第一殻體（shell）。在本實施例中，發光層130例如是多重量子井（multiple quantum well）結構，多重量子井結構包括彼此交替堆疊之多個井層132及多個阻障層134，且每兩阻障層134之間具有一井層132，但本發明不以此為限。
第二型半導體120實質上包覆發光層130。在本實施例中，第二型半導體120大致上係共形地覆蓋發光層130，而第二型半導體120係為包覆發光層130的第二殻體。在本實施例中，第二型半導體120可以是P型半導體，例如：P型的氮化镓（P-GaN），但本發明不以此為限。
第一電極140與第一型半導體110電性連接。舉例而言，在本實施例中，生長基底111具有相對的第一表面111b及第二表面110c，柱體112形成於生長基底111的第一表面111b上，第一電極140係形成於生長基底111的第二表面111c上，相鄰之多個微型發光二極體10的多個第一電極140係形成於同一導電層而直接連接。生長基底111位於柱體112與第一電極140之間，而絕緣層160的實體位於發光層130與第一電極140之間以及第二型半導體層120與第一電極140之間。基於導電性的考量，第一電極140一般是使用金屬材料。然而，本發明不限於此，根據其他實施例，第一電極140也可使用其他導電材料，例如：合金、金屬材料的氮化物、金屬材料的氧化物、金屬材料的氮氧化物、或是金屬材料與其它導電材料的堆疊層。
第二電極150設置於第二型半導體120上且與第二型半導體120電性連接。在本實施例中，第一型半導體110的柱體112、發光層130以及第二型半導體120構成柱狀半導體結構170。柱狀半導體結構170在方向z上延伸。柱狀半導體結構170之周面170a的面積大於柱狀半導體結構170之頂面170b的面積。第二電極150包括設置於柱狀半導體結構170之周面170a上的脊部152與多個肋部組154。脊部152沿方向z延伸，多個肋部組154彼此隔開且沿方向z排列，而各肋部組154的多個肋部154a、154b分別設置於脊部152的相對兩側且與脊部152連接。在本實施例中，各肋部組154具有相對於脊部152呈鏡向設置之兩個肋部154a、154b，但本發明不以此為限。在本實施例中，此些肋部組154之肋部154a係位於脊部152之一側而沿方向z依序排列，此些肋部組154之肋部154b係位於脊部152之另一側而沿方向z依序排列，但本發明不以此為限。第一型半導體110的柱體112位於各肋部組154的多個肋部154a、154b之間。此些肋部組154的多個肋部154a、154b共同環抱第一型半導體110之柱體112、發光層130及第二型半導體120構成的柱狀半導體結構170。
圖5為圖2之發光裝置10之相鄰兩個微型發光二極體100的側視示意圖。請參照圖2及圖5，在本實施例中，各個肋部154a具有相對的第一端154a1及第二端154a2，各個肋部154b具有相對的第一端（未標示）及第二端154b2，同一肋部組154之肋部154a的第一端及肋部154b的第一端（未標示）連接至脊部152，而同一肋部組154之兩肋部154a、154b的第二端154a2、154b2可彼此分離而未直接連接且相隔一間距，各個微型發光二極體100中，此些間距相對於脊部152設置且實質上沿方向z排列而不沿方向x或方向y排列，但本發明不限於此。根據其它實施例，同一肋部組154之兩肋部154a、154b的第二端154a2、154b2也可以直接連接。
請參照圖2、圖3及圖4，在本實施例中，第二電極150還可包括頂部156。第一型半導體110的柱體112、發光層130以及第二型半導體120構成的柱狀半導體結構170具有遠離生長基底111的頂面170b，而第二電極150的頂部156可設置於柱狀半導體結構170的頂面170b上且與脊部152連接。柱狀半導體結構170位於第一電極140與第二電極150的頂部156之間。第二電極150還可包括底部158，底部158位於柱狀半導體結構170旁，其中脊部152連接於頂部156與底部158之間，底部158之延伸方向舉例係垂直於方向z，底部158舉例係朝遠離柱狀半導體結構170之方向延伸。
基於導電性的考量，在本實施例中，第二電極150是使用金屬層製作，例如：鈦層、金層或其它金屬層。所述金屬層的膜厚t很小，而至少部分的第二電極150能透光。然而，本發明不限於此，根據其他實施例，至少部分的第二電極150（例如：第二電極150的頂部156）也可使用透明導電層，例如：銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物、或其它合適的氧化物、或者是上述至少二者之堆疊層。
值得注意的是，在本實施例中，第一型半導體110具有沿方向z延伸的柱體112，發光層130實質上包覆第一型半導體110的柱體112，且第二型半導體120實質上包覆發光層130，而第一型半導體110的柱體112、發光層130以及第二型半導體120構成柱狀半導體結構170。藉由包覆第一型半導體110之柱體112的發光層130，微型發光二極體100發出的光束L不但會從柱狀半導體結構170的頂面170b出射，更會從半導體結構170的周面170a出射。也就是說，微型發光二極體100是一個能向三度空間發光的立體發光結構。由於微型發光二極體100能朝三度空間發光，因此發光裝置10的亮度能提升。此外，透過第二電極150的脊部152與肋部組154，在第一型半導體110之柱體112與第二型半導體120之間流動的電流i（繪於圖3）能被分散至發光層130各處。藉此，不但能改善電流擁擠（current crowded）及/或散熱的問題，更能充分利用發光層130的面積，進而提升發光裝置10的亮度。
圖6為本發明另一實施例之發光裝置10A的局部的剖面示意圖。圖7為發光裝置10A的局部的另一剖面示意圖。請對照圖3及圖6、圖4及圖7，圖6及圖7的發光裝置10A與圖3及圖4的發光裝置10類似，兩者主要的差異在於，圖6及圖7的發光裝置10A還包括介電層180及透光導電層190。以下主要說明發光裝置10A與發光裝置10的差異，兩者相同或相似處，請參照前述說明。
請參照圖6及圖7，發光裝置10A包括呈陣列排列的多個微型發光二極體100A。微型發光二極體100A包括第一型半導體110、發光層130、第二型半導體120、第一電極140及第二電極150。發光層130實質上包覆第一型半導體110的柱體112。第二型半導體120實質上包覆發光層130。第一電極140與第一型半導體110電性連接。第二電極150設置於第二型半導體120上且與第二型半導體120電性連接。
與發光裝置10不同的是，發光裝置10A還包括介電層180及透光導電層190。介電層180覆蓋多個微型發光二極體100A之間的間隙g以及每一微型發光二極體100A之第二電極150的脊部152及多個肋部組154，其中介電層180具有多個開口182，多個開口182分別與多個微型發光二極體100A的多個第二電極150的多個頂部156重疊，介電層180不覆蓋頂部156。透光導電層190設置於介電層180上且實質上覆蓋多個微型發光二極體100A之第二電極150的多個頂部156。在圖6的實施例中，相鄰之多個微型發光二極體100A的多個第一電極140係直接連接，相鄰之多個微型發光二極體100A的多個第二電極150係透過透光導電層190互相電性連接。也就是說，在本實施例中，相鄰之多個微型發光二極體100A可並聯，但本發明不以此為限。
舉例而言，在本實施例中，介電層180的材質可以是無機材料（例如：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或上述至少二種材料的堆疊層）、有機材料或上述之組合。在本實施例中，透光導電層190例如是具有奈米銀絲的透光導電材料。然而，本發明不限於此，根據其它實施例，透光導電層190也可以是金屬氧化物，例如：銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物、其它合適的氧化物、或者是上述至少二者之堆疊層。
綜上所述，本發明一實施例之發光裝置包括陣列排列的多個微型發光二極體。微型發光二極體包括第一型半導體、發光層、第二型半導體、電性連接至第一型半導體的第一電極以及電性連接至第二型半導體的第二電極。特別是，第一型半導體具有沿一方向延伸的柱體，發光層實質上包覆第一型半導體的柱體，且第二型半導體實質上包覆發光層。第一型半導體的柱體、發光層及第二型半導體構成柱狀半導體結構。藉由包覆第一型半導體之柱體的發光層，微型發光二極體發出的光束不但會從柱狀半導體結構的頂面出射，更會從半導體結構的周面出射。也就是說，微型發光二極體是一個能向三度空間發光的立體發光結構。由於微型發光二極體能朝三度空間發光，因此發光裝置的亮度能提升。
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。
10、10A‧‧‧發光裝置
100、100A‧‧‧微型發光二極體
110‧‧‧第一型半導體
111‧‧‧生長基底
111a‧‧‧生長區
111b‧‧‧第一表面
111c‧‧‧第二表面
112‧‧‧柱體
112a、112b‧‧‧表面
120‧‧‧第二型半導體
130‧‧‧發光層
132‧‧‧井層
134‧‧‧阻障層
140‧‧‧第一電極
150‧‧‧第二電極
152‧‧‧脊部
154‧‧‧肋部組
154a、154b‧‧‧肋部
154a1‧‧‧第一端
154a2、154b2‧‧‧第二端
156‧‧‧頂部
158‧‧‧底部
160‧‧‧絕緣層
162‧‧‧開口
170‧‧‧柱狀半導體結構
170a‧‧‧周面
170b‧‧‧頂面
180‧‧‧介電層
182‧‧‧開口
190‧‧‧透光導電層
A-A’、B-B’‧‧‧剖線
d‧‧‧直徑
g‧‧‧間隙
H‧‧‧高度
i‧‧‧電流
L‧‧‧光束
T、t‧‧‧膜厚
x、y、z‧‧‧方向
圖1為本發明一實施例之發光裝置10的立體示意圖。 圖2為圖1之發光裝置10之相鄰兩個微型發光二極體100的放大示意圖。 圖3為根據圖2之剖線A-A’所繪的發光裝置10的剖面示意圖。 圖4為根據圖2之剖線B-B’所繪的發光裝置10的剖面示意圖。 圖5為圖2之發光裝置10之相鄰兩個微型發光二極體100的側視示意圖。 圖6為本發明另一實施例之發光裝置10A的局部的剖面示意圖。 圖7為圖6發光裝置10A的局部的另一剖面示意圖。
Claims (11)
- 一種微型發光二極體，包括：一第一型半導體，具有沿一方向延伸的一柱體；一發光層，實質上包覆該第一型半導體的該柱體；一第二型半導體，實質上包覆該發光層；一第一電極，與該第一型半導體電性連接；以及一第二電極，設置於該第二型半導體上且與該第二型半導體電性連接，其中該第二電極包括一脊部以及多個肋部組，該脊部沿該方向延伸，該些肋部組彼此隔開，且各該肋部組的多個肋部分別設置於該脊部的相對兩側且與該脊部連接，而該第一型半導體的該柱體位於至少一肋部組的多個肋部之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體，其中該第一型半導體的該柱體、該發光層以及該第二型半導體構成一柱狀半導體結構，該第二電極的該脊部以及該第二電極的該些肋部組設置於該柱狀半導體結構的一周面上。
- 如申請專利範圍第2項所述的微型發光二極體，其中該第二電極更包括：一頂部，與該脊部連接，且設置於該柱狀半導體結構的一頂面上。
- 如申請專利範圍第3項所述的微型發光二極體，其中該柱狀半導體結構位於該第一電極與該第二電極的該頂部之間。
- 如申請專利範圍第3項所述的微型發光二極體，其中該第二電極更包括：一底部，位於該柱狀半導體結構旁，其中該脊部連接於該頂部與該底部之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體，更包括：一絕緣層，具有一開口，其中該第一型半導體的該柱體設置於該絕緣層的該開口，該絕緣層的一實體位於該發光層與該第一電極之間，且該絕緣層的該實體更位於該第二型半導體層與該第一電極之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體，其中該第一型半導體還具有一生長基底，該柱體形成於該生長基底上，而該生長基底位於該柱體與該第一電極之間。
- 一種發光裝置，包括多個如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體，呈陣列排列。
- 如申請專利範圍第8項所述的發光裝置，更包括：一介電層，覆蓋該些微型發光二極體之間的間隙以及各該微型發光二極體之該第二電極的該脊部及該些肋部組，其中該介電層具有多個開口，分別與該些微型發光二極體的該些第二電極重疊；以及一透光導電層，設置於該介電層上且實質上覆蓋該些第二電極。
- 如申請專利範圍第9項所述的發光裝置，更包括：一絕緣層，具有多個開口，其中該些柱體分別設置於該絕緣層的該些開口，而該絕緣層的實體位於該些發光層與該些第一電極之間，該絕緣層的實體更位於該些第二型半導體層與該些第一電極之間。
- 如申請專利範圍第10項所述的發光裝置，其中該些第一電極中之兩相鄰者係直接連接。
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