TWI690093B

TWI690093B - 發光元件

Info

Publication number: TWI690093B
Application number: TW106111396A
Authority: TW
Inventors: 歐震; 許琪揚; 賈逸平; 陳俊昌
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2020-04-01
Also published as: TW201838206A

Abstract

一種發光元件，包含：一基板，包含一第一側表面；一半導體結構位於基板上，包含一第一表面、一第二表面相對於第一表面、及一第二側表面；以及一電極結構位於第二表面上；其中第一表面面向基板，且較第二表面接近基板；其中第二側表面位於第一側表面上且鄰近第一側表面，第一側表面與第二側表面構成一側表面結構；其中側表面結構之面積大於第二表面之面積。

Description

發光元件

本發明係關於一種發光元件及其製造方法，更詳言之，係關於一種具有高亮度之發光元件。

發光二極體(light-emitting diode,LED)為p型半導體與n型半導體所組成之光電元件，透過p-n接面上載子的結合放出光線，可廣泛地使用於顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置與醫療器材等。

其中，在顯示裝置的應用中，例如公共顯示器或者個人穿戴裝置中的顯示螢幕，藉由將發光二極體結構進行薄膜化、微小化與陣列化，達到發光二極體顯示器低功耗、高亮度、超高解析度與色彩飽和度、反應速度快、省電、壽命較長、效率較高等優點。如何將發光二極體微小化且能維持其高亮度，為該顯示技術中的重要議題。

本申請案揭露一種發光元件，包含：一基板，包含一第一側表面；一半導體結構位於基板上，包含一第一表面、一第二表面相對於第一表面、及一第二側表面；以及一電極結構位於第二表面上；其中第一表面面向基板，且較第二表面接近基板；其中第二側表面位於第一側表面上且鄰近第一側表面，第一側表面與第二側表面構成一側表面結構；其中側表面結構之一面積大於第二表面之一面積。

1、3、4、5:發光元件

2:發光裝置

10:基板

20:半導體結構

10a、20a:上表面

10b、20b:下表面

10c、20c:側表面

18:電流分散層

180:第一開口

180’:第二開口

201:第一半導體層

202:第二半導體層

203:活性層

28:暴露區域

30:電極結構

30a:第一電極

30b:第二電極

301:第二打線墊

302:延伸電極

36:反射結構

40:載體

42:電路

50:金屬線

60、60’:絕緣層

601:第三開口

602:第四開口

T1、T2:圖案化結構

T1a:凹部

T1b:凸部

L:導光結構

260:導光柱

〔圖1A至1B〕分別為本發明一實施例之發光元件1上視圖及截面圖。

〔圖2〕為本發明一實施例之發光裝置2。

〔圖3A至圖3B〕分別為本發明另一實施例之發光元件3上視圖及截面圖。

〔圖4A至圖4B〕分別為本發明另一實施例之發光元件4上視圖及截面圖。

〔圖5A至圖7B〕為本發明另一實施例中所揭示之發光元件5的製造方法。。

本申請案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1A及1B圖係本申請案一實施例中所揭示之一發光元件1，其中，第1A圖為發光元件1之上視圖，第1B圖為沿第1A圖中A-A’截面之側視圖。發光元件1包含一基板10，基板10具有一上表面10a、一相對於上表面10a之下表面10b，以及複數個側表面10c位於上表面10a與下表面10b之間；以及一半導體結構20位於基板10之上表面10a。半導體結構20具有一下表面20b面對基板之上表面10a、一上表面20a相對於下表面20b，以及複數個側表面20c位於上表面20a與下表面20b之間。其中半導體結構10包含一第一半導體層201、一第二半導體層202，以及一活性層203位於第一半導體層201及第二半導體層202之間。

在半導體結構20中，部份第一半導體層201之上表面未被第二半導體層202所覆蓋，形成一暴露區域28；此外，第二半導體層202與活性層203之側壁與第一半導體層201之暴露區域28相連接。其中，半導體結構20之上表面20a包含第二半導體層202之上表面以及第一半導體層201之暴露區域28之上表面。半導體結構20之側表面20c包含第一半導體層201之側壁以及第二半導體層202和活性層203之側壁。

於本申請案之一實施例中，基板10包括用以成長磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之砷化鎵(GaAs)晶圓，或用以成長氮化銦鎵(InGaN)之藍寶石(Al₂O₃)晶圓、氮化鎵(GaN)晶圓、矽(Si)晶圓或碳化矽(SiC)晶圓。在基板10欲形成半導體結構20之上表面10a，可具有一圖案化結構(圖未示)，藉此提高半導體結構20之磊晶品質，或提高發光元件1之光摘出效率。此外，於此基板10上可利用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、氫化物氣相沉積法(HVPE)、蒸鍍法或離子電鍍方法形成具有光電特性之半導體結構20，例如發光(light-emitting)結構。

於本申請案之一實施例中，在形成半導體結構20之前，可在基板10上先形成一緩衝結構(圖未示)。緩衝結構可減緩基板10與半導體結構20之間晶格常數的不匹配，以改善磊晶品質。

於本申請案之一實施例中，第一半導體層201與第二半導體202層具有不同之導電性、電性、極性或摻雜物以分別提供電洞與電子。極性可為n型或p型，使得電子與電洞可於活性層203中複合以產生光線。舉例而言，第一半導體層201可為n型半導體層，第二半導體層202可為p型半導體層。半導體結構20之材料包含Ⅲ-V族半導體材料，例如Al_xIn_yGa_(1-x-y)N或Al_xIn_yGa_(1-x-y)P，其中0≦x，y≦1；(x+y)≦1。依據活性層之材料，當半導體結構10材料為AlInGaP系列材料時，可發出波長介於610nm及650nm之間的紅光，波長介於530nm及570nm之間的綠光，當半導體結構10材料為InGaN系列材料時，可發出波長介於450nm及490nm之間的藍光，或是當半導體結構20材料為AlN、AlGaN、AlGaInN系列材料時，可發出波長介於400nm及250nm之間的藍紫光或不可見光的紫外光。Ⅲ-V族半導體材料的選擇不再此限，亦可選擇上述以外的材料產生其他波段的非可見光，例如紅外光或遠紅外光。活性層203可為單異質結構(single heterostructure,SH)，雙異質結構(double heterostructure,DH)，雙側雙異質結構(double-side double heterostructure,DDH)，多層量子井結構(multi-quantum well,MQW)。活性層材料可為不摻雜摻雜物、摻雜p型摻雜物或摻雜n型摻雜物的半導體。

一電流分散層18覆蓋第二半導體層202之上表面上，且與第二半導體層202電性接觸。電流分散層18可以是金屬或是透明導電材料，其中金屬可選自具有透光性的薄金屬層，透明導電材料對於活性層203所發出的光線為透明，包含銦錫氧化物(ITO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵鋅(GZO)、或銦鋅氧化物(IZO)等材料。電流分散層18具有一第一開口180，暴露第二半導體層202。

一電極結構30位於半導體結構20之上表面20a上，包含第一電極30a位於第一半導體層201之暴露區域28，並與第一半導體層201電性連接，以及一第二電極30b位於第二半導體層202與電流分散層18上。第二電極30b填入第一開口180，與第二半導體層202及電流分散層18電性連接。電極結構30之材料包含金屬，例如鉻(Cr)、鈦(Ti)、金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銠(Rh)或鉑(Pt)等金屬或上述材料之合金或疊層。在電極結構30靠近半導體結構20之表面可選用具有較高反射率之金屬材料以形成一反射鏡來增進出光，在此所述具有較高的反射率係指對於活性層203所發出光線的波長具有80%以上的反射率。較高反射率之金屬材料包含例如鋁(Al)或銀(Ag)。

一絕緣層60包覆半導體結構20之上表面20a及側表面20c，在電極結構30上方具有開口，裸露出電極結構30。絕緣層60為一透明絕緣材料，可對發光元件1提供保護作用，避免外在環境的溫度、溼度及靜電等對發光元件1之效能產生不良影響。

一反射結構36可選擇性地位於基板10之下表面10b，以反射來自半導體結構20之光，增進發光元件1之出光效率。反射結構36之材料可為金屬材料，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)、銠(Rh)或上述材料之合金等。反射結構36也可以是布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)，包含至少兩種以上折射率不同之可透光材料堆疊而成。布拉格反射結構可為絕緣材料或導電材料，絕緣材料包含但不限於聚亞醯胺(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)、氧化鎂(MgO)、氧化矽(SiO_x)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)、氮化矽(SiN_x)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。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)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)或氧化銦鋅(IZO)。反射結構36也可以是由上述可透光材料層與金屬層所形成之全方向反射鏡(omnidirectional reflector,ODR)。

發光元件1可更進一步的連接於其他元件以形成一發光裝置2，如第2圖所示。發光元件1連接於一載體40上，例如以焊料或膠材(圖未示)形成於載體40與基板10之下表面10b之間，將發光元件1以半導體結構20之上表面20a朝上的方式固定在載體40上，以形成一發光裝置2。此外，載體40可更包含一電路42與發光元件1電性連接，例如利用金屬線50以打線方式電性連接於發光元件1之電極結構30。其中，載體40可以是導線架(lead frame)、大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)、電路基板或軟性載板。在第2圖中未繪示出絕緣層60。於一實施例中，可將複數個發光元件1排列固定在載體40上，利用載體40上的電路42將複數發光元件1達成電性連接後，各發光元件1或一群組的發光元件1構成一顯示單元，每一顯示單元可透過定址化單獨驅動點亮，組成一矩陣式的發光二極體顯示裝置，例如公共顯示器，包含商用看板、戶外看板、跑馬燈、劇場螢幕等。於另一實施例中，將發光元件1之尺寸縮小，並將複數發光元件1以高密度、小間距的方式排列組成發光二極體顯示裝置，更可提升發光二極體顯示裝置之解析度。

在小尺寸的發光元件1中，半導體結構20之上表面20a面積亦縮小，而電極結構30在發光裝置2或顯示裝置中由於做為打線墊使用，必須具有足夠面積以供打線。如此一來，電極結構30佔半導體結構20上表面20a面積之比例相對增加；此外，電極結構30之材料為不透光金屬，當發光元件1固定在載體40上後，發光元件1從半導體結構20上表面20a能射出光線的面積受限。於本申請案之一實施例中，發光元件1之任一側表面面積，即基板10任一側表面10c與其上方半導體結構20側表面20c的面積總合，大於半導體結構20之上表面20a面積，如此一來，活性層203所發出的光線大部份可藉由發光元件1之側表面射出，而不受限於上表面20a的面積及電極結構30的遮光。由於絕緣層60之厚度甚小於半導體結構20之長寬與厚度，半導體結構20側表面20c面積可實質上視為等同於絕緣層60覆蓋在半導體結構20側表面20c之面積。半導體結構20上表面20a面積可實質上視為等同於絕緣層60覆蓋在半導體結構20上表面20a之外輪廓的面積。於本申請案之一實施例中，第一電極30a及/或第二電極30b之直徑或寬度不小於40μm，且第一電極30a與第二電極30b可不具有延伸電極；發光元件1之長寬分別為117μm及77μm，基板10的厚度不小於90μm，當基板10之厚度越大時，基板10之任一側表面10c的面積越大，可增加發光元件1之側表面出光的面積並提升發光元件1的亮度。

於本申請案之另一實施例中，電極結構30之面積至少佔上表面20a的70%。

於本申請案之另一實施例中，第二電極30b之面積至少佔第二半導體層202上表面的40%。

第3A及3B圖係本申請案另一實施例中所揭示之一發光元件3，其中，第3A圖為發光元件3之上視圖，第3B圖為沿第3A圖中線段A-A’截面之側視圖。發光元件3之結構與發光元件1相似，差別在於，發光元件3在側表面具有光摘出結構。於本申請案之一實施例中，光摘出結構可為一圖案化結構。如第3A及3B圖所示，半導體結構20之側表面20c具有圖案化結構T1，及/或基板10之側表面10c具有圖案化結構T2。圖案化結構T1可藉由蝕刻半導體結構20之側表面20c所形成，包含複數個凹部T1a與複數凸部T1b；於一實施例中，圖案化結構T2可藉由蝕刻基板10之側表面10c所形成。請參考第3B圖，於本實施例中，圖案化結構T2係於發光元件3製造過程之一晶圓切割步驟中，利用雷射照射晶圓內部後，沿著雷射照射區域將晶圓分割成複數個發光元件，而雷射照射區域的基板10之側表面10c產生變質區域所形成。於一實施例中，圖案化結構T1及/或T2可以是週期性或是非週期性，可避免活性層203所發出的光被半導體結構20之側表面20c及/或基板10之側表面10c反射，發生內部全反射，而使得出光效率不佳的情況。於本申請案另一實施例中，基板10之下表面10b同樣可具有光摘出結構(圖未示)，光摘出結構可為週期性或非週期性的圖案化結構。

第4A及4B圖係本申請案另一實施例中所揭示之一發光元件4，其中，第4A圖為發光元件4之上視圖，第4B圖為沿第4A圖中線段B-B’截面之側視圖。發光元件4之結構與發光元件1相似，差別在於，發光元件4之半導體結構20具有導光結構L，為了清楚顯示本實施例之導光結構L，絕緣層60在此省略未示。導光結構L可藉由蝕刻半導體結構20所形成，包含了複數個由第一半導體層201、第二半導體層202，以及活性層203所構成的導光柱260。於本申請案之一實施例中，複數個導光柱260設置於半導體結構20之週圍。於本實施例中，導光柱260分散於第二電極30b所在的半導體結構20週圍，亦即發光區的週圍。相較於發光元件1，在相同的尺寸下的發光元件4，可藉由導光結構L增加出光，使得發光元件4整體發光效率提升。

第7B圖係本申請案另一實施例中所揭示之一發光元件5；第5A~第7B圖係本申請案發光元件5的製造方法。如第5A之上視圖、第5B係為第5A圖沿著線段A-A’之剖面圖所示，發光元件5之製造方法包含包含一暴露區域28形成步驟與一電流分散層18形成步驟。其包含提供基板10；以及形成半導體結構20於基板10之上表面10a。其中半導體結構20藉由微影、蝕刻之方式移除部分的第二半導體層202及活性層203，以暴露出第一半導體層201及第二半導體層202及活性層203之側壁，形成第一半導體層201上的暴露區域28。

接續暴露區域28形成步驟，電流分散層18可藉由蒸鍍或沉積等方式形成於第二半導體層202上，與第二半導體層202電性接觸，並具有一第一開口180暴露部份第二半導體層202，以及一第二開口180’於上視圖中對應暴露區域28的形狀。第一開口180可以如第1A圖所示為一完整幾何形狀之開口，也可以如第5A圖所示為一缺口。

接續上述步驟，如第6A圖之上視圖及第6B圖係為沿著第6A圖線段A-A’之剖面圖所示，發光元件5之製造方法包含包含一絕緣層60’形成步驟。絕緣層60’可藉由蒸鍍或沉積等方式形成一透明絕緣材料層於半導體結構20之上表面20a與側表面20c上，再藉由微影、蝕刻之方式圖案化透明絕緣材料層，以形成絕緣層60’，其包含一第三開口601對應暴露區域28以裸露出第一半導體層101，以及一第四開口602以裸露出第二半導體層202及/或電流分散層18。於本實施例中，第四開口602由上視觀之為一環狀。

接續絕緣層60’形成步驟，如第7A圖之上視圖及第7B圖係為沿著第7A圖線段A-A’之剖面圖所示，發光元件5之製造方法包含包含一電極結構30形成步驟。電極結構30可藉由蒸鍍或沉積等方式於絕緣層60’及半導體結構20上形成一導電材料層，再藉由微影、蝕刻之方式圖案化導電材料層以形成電極結構30。與第1B圖所示之發光元件1相似，發光元件5的電極結構30包含第一電極30a以及第二電極30b；差別在於，第一電極30a透過絕緣層60’之第三開口601與第一半導體層201接觸並電性連接，第二電極30b透過絕緣層60’之第四開口602與第二半導體層201及/或電流分散層18接觸並電性連接，以形成發光元件5。

於本申請案之一實施例中，第二電極30b包含第二打線墊301與一延伸電極302延伸自第二打線墊301，其中延伸電極302之長度不大於第二打線墊301之直徑或寬度。

於本申請案之一實施例中，延伸電極302具有一寬度大於其線寬之末端。

相較於發光元件1，發光元件5的第一電極30a藉由第三開口601與第一半導體層201接觸並電性連接，而非整個第一電極30a之下表面皆接觸第一半導體層201。如此一來，可以減小暴露區域28之面積，並保留較多的活性層203與第二半導體層202的面積，增進發光元件5之發光效率。

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:發光元件