CN108269908B - 发光二极管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光二极管装置，包含：一发光叠层，包含一第一型半导体层，一第二型半导体层，及一活性层形成在该第一型半导体层与该第二型半导体层间且发出一光线；一反射结构，形成于该第一型半导体层上并具有第一界面与第二界面，其中，该光线于该第一界面所产生的全反射角大于该光线于该第二界面所产生的全反射角；以及一结合层包覆该反射结构并与该第一型半导体层相接触；其中，该反射结构与该第一型半导体层于该第一界面形成欧姆接触。
Description
本发明是中国发明专利申请(申请号：201410172042.3，申请日：2014年4月25日，发明名称：发光二极管装置)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种发光二极管装置，更具体而言，是关于一种具有孔隙的发光二极管装置。
背景技术
固态发光元件中的发光二极管元件(Light Emitting Diode；LED)具有低耗电量、低发热量、操作寿命长、耐撞击、体积小、反应速度快、以及可发出稳定波长的色光等良好光电特性，因此常应用于家电、仪表的指示灯及光电产品等领域。然而，如何改善发光二极管元件的发光效率在此领域中仍是一项很重要的议题。
此外，以上发光二极管元件可进一步结合一次载体(sub-mount)而形成一发光装置，例如发光二极管封装结构。所述发光装置包含一具有至少一电路的次载体；至少一焊料(solder)位于上述次载体上，通过此焊料将上述发光二极管固定于次载体上并使发光二极管的基板与次载体上的电路形成电连接；以及，一电连接结构，以电连接发光二极管的电极垫与次载体上的电路；其中，上述的次载体可以是导线架(lead frame)或大尺寸镶嵌基底(mounting substrate)，以方便发光装置的电路规划并提高其散热效果。
发明内容
本发明的发光二极管装置，包含：一发光叠层，包含一第一型半导体层，一第二型半导体层，及一活性层形成在该第一型半导体层与该第二型半导体层间且发出一光线；一反射结构，形成于该第一型半导体层上并具有第一界面与第二界面，其中，该光线于该第一界面所产生的全反射角大于该光线于该第二界面所产生的全反射角；以及一结合层包覆该反射结构并与该第一型半导体层相接触；其中，该反射结构与该第一型半导体层于该第一界面形成欧姆接触。
本发明的发光二极管装置，包含：一发光叠层，包含一第一型半导体层，一第二型半导体层，及一活性层形成在该第一型半导体层与该第二型半导体层间且发出一光线；以及一反射结构，形成于该第一型半导体层上并具有第一界面与第二界面，其中，该光线于该第一界面所产生的全反射角大于该光线于该第二界面所产生的全反射角，且由上视观之，该第一界面的面积大于该第二界面的面积；其中，该反射结构与该第一型半导体层于该第一界面形成欧姆接触。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下
附图说明
图1为本发明的一实施例中一发光二极管装置的剖面图；
图2为本发明的一实施例中发光二极管装置的上视图；
图3A-图3E为本发明一实施例的制造发光二极管装置的流程剖面图；
图4A-图4H为本发明另一实施例的制造发光二极管装置的流程剖面图；
图5A及图5B为另一实施例中图案化牺牲层与透明导电层的上视图；
图6为本发明的另一实施例中发光二极管装置的剖面图；
图7为本发明的发光二极管装置应用于一灯泡的灯泡分解图。
符号说明
100、200、300 发光二极管装置
10 基板
12 结合结构
121 第一结合层
122 第二结合层
123 第三结合层
14 反射结构
141 金属层
142 透明导电层
143 孔隙
144 第一界面
145 第二界面
146 第三界面
147 接触层
148 第四界面
15 牺牲层
151、151'、151”、151”' 图案化牺牲层
16 发光叠层
161 第一型半导体层
162 活性层
163 第二型半导体层
17 保护层
18 第二电极
180 电极垫
181 第一延伸电极部
182 第二延伸电极部
183 第三延伸电极部
19 第一电极
20 成长基板
21 灯罩
22 透镜
23 载体
24 发光模块
25 载板
26 散热元件
27 连接件
28 电路单元
30 灯泡
具体实施方式
以下实施例将伴随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。
图1为本发明的一实施例中一发光二极管装置100的剖面图。参照图1，发光二极管装置100包含一基板10，一结合结构12形成在基板10上、一反射结构14形成在结合结构12上、一发光叠层16形成在反射结构14上、一第一电极19形成在基板10上及一第二电极18形成在发光叠层16上。结合结构12包含一第一结合层121、一第二结合层122、及一第三结合层123。反射结构14包含一金属层141形成在第一结合层121上、一透明导电层142形成在金属层141上、及一孔隙143形成在透明导电层142与发光叠层16间。发光叠层16包含一第一型半导体层161、活性层162形成在第一型半导体层161上并发出一光线，及一第二型半导体层163形成在活性层162上。第一型半导体层161及第二型半导体层163例如为包覆层(cladding layer)或限制层(confinement layer)，可分别提供电子、空穴，使电子、空穴于活性层162中结合以发光。在本实施例中，第一型半导体层161与透明导电层142直接接触以具有一第一界面144，及第一型半导体层161与孔隙143直接接触以具有一第二界面145。孔隙143形成在透明导电层142内并未与金属层141直接接触。再者，孔隙143的折射率小于透明导电层142的折射率，即第一型半导体层161与透明导电层142的折射率差小于第一型半导体层161与孔隙143的折射率差。因此，当活性层162所发出的光线朝向反射结构14行进时，于第一界面144所产生的全反射角大于光线于第二界面145所产生的全反射角，亦即，光线于第二界面145发生全反射的机率大于第一界面144。此外，第一型半导体层161与透明导电层142的第一界面144形成欧姆接触，而第一型半导体层161与孔隙143的第二界面145形成非欧姆接触。
图2显示的本发明的发光二极管装置100的上视图。图2中沿着AA’的剖面图显示在图1。在本实施例中，第二电极18具有一电极垫180及多个第一电极延伸部181、多个第二延伸部182、及多个第三延伸部183。多个第一电极延伸部181由电极垫180沿着X方向往发光二极管装置100的左右两侧延伸并排列成一直线；多个第二延伸部182由电极垫180沿着Y方向往发光二极管装置100的上下两侧延伸并排列成一直线且与第一电极延伸部181互相垂直；第三电极延伸部183与第二延伸部182物理性连接以和电极垫180形成电连接。第三电极延伸部183平行于第一电极延伸部181，且第一电极延伸部181位于多个第三电极延伸部183之间且可与多个第三电极延伸部183相距相同或不同的距离。部分第一电极延伸部181与第三电极延伸部183的下方形成有孔隙143，且孔隙143的宽度大于第一电极延伸部181与第三电极延伸部183的宽度(Y方向)。电极垫180下方以及部分的第二延伸部182下方并未形成孔隙143。孔隙143仅对应形成于电极延伸部181、183的位置且延伸至发光二极管装置100的两侧边。在本实施例中，第一电极延伸部181靠近电极垫180的下方并未形成孔隙143。对应于第三电极延伸部183下方的孔隙143的长度(X方向)大于第三电极延伸部183的长度。在另一实施例中，电极延伸部的数目及排列方式，可依实际需求作变化。
在本实施例中，第一型半导体层可为p型半导体层且第二型半导体层可为n型半导体，选择性第，第一型半导体层可为n型半导体层且第二型半导体层可为p型半导体。第一型半导体层及第二型半导体层且包含选自于AlGaAs、AlGaInP、AlInP、InGaP、GaP、及GaAs所构成材料群组中的一种材料或AlInGaN、InGaN、AlGaN及GaN所构成材料群组中的一种材料；p型半导体的掺杂物包含镁、铍、锌、碳、或其组合；n型半导体的掺杂物包含硅、磷、砷、锑或其组合。选择性地，第一型半导体层可为p型半导体层且第二型半导体层可为n型半导体。活性层可包含选自于AlGaAs、AlGaInP、AlInP、InGaP、GaP、及GaAs所构成材料群组中的一种材料或AlInGaN、InGaN、AlGaN及GaN所构成材料群组中的一种材料。活性层结构可为单异质结构(single heterostructure；SH)、双异质结构(double heterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-side double heterostructure；DDH)、或多层量子阱(multi-quantum well；MQW)。基板则包含选自砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、锗(Ge)、蓝宝石、玻璃、钻石、碳化硅(SiC)、硅、氮化镓(GaN)、及氧化锌(ZnO)所构成材料组群中的至少一种材料或其它替代性材料取代之。金属层可为单层或多层结构，包含银、铝、金、镍或及其组合。第一结合层、一第二结合层、及一第三结合层分别可为单层或多层，且包含金属或胶材。金属包含金、铟、锡、钛、铂、铋或其组合。胶材包含苯环丁烯(BCB)、环氧树脂(Epoxy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶(SiOx)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiNx)、或其组合。透明导电层可包含金属氧化物，例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓铝锌(GAZO)、氧化铟锌(IZO)，或包含磷化镓(GaP)、类钻碳薄膜(DLC)或上述材料的化合物。孔隙可包含空气、氮气、氦气、或氩气。
图3A-图3E为依本发明的一实施例制造发光二极管装置100的流程剖面图。参照图3A，提供成长基板20(例如：GaAs)，及一发光叠层16外延形成于成长基板20上。发光叠层16依序包含第二型半导体层163(例如：AlGaInP)、活性层162(例如：AlGaInP)及第一型半导体层161(例如：GaP)。参照图3B，形成一牺牲层15(例如：二氧化硅(SiO2)于第一型半导体层161上。在另一实施例，牺牲层15也可包含光阻、氮化硅(SiNx)或金属(例如：镍)。参照图3C，利用黄光制作工艺将牺牲层15图案化以形成一图案化牺牲层151。形成透明导电层142(例如：ITO)于图案化牺牲层151与第一型半导体层161上，以包覆图案化牺牲层151于其内。参照图3D，形成金属层141(例如：银)于透明导电层142上；第一结合层121与第二结合层122形成于金属层141上；及第三结合层123形成于基板10(例如：硅)上。通过接合第二结合层122与第三结合层123，将基板10接合至金属层141。在另一实施例中，第一结合层121包含多层(例如：Ti/Pt/Au)。Ti层可做为障蔽层(barrier layer)以防止金属层141的金属扩散至结合层；Pt层可做为黏结层(adhesion layer)以增加Ti层与Au层间的黏着力。参照图3E，利用蚀刻方式移除图案化牺牲层151以形成孔隙143。蚀刻方式可使用气相蚀刻或液相蚀刻；气相蚀刻可包含气相氟化氢；液相蚀刻可包含氢氧化钠、氟化氢、氟化铵或其混和物。在移除成长基板20以暴露出第二型半导体层163之后，分别形成第一电极19于基板10上，第二电极18于第二型半导体层163上。第二电极18包含电极垫180及延伸电极部183。延伸电极部183对应于孔隙143位置。在另一实施例中，可先移除基板，再进行蚀刻图案化牺牲层步骤。需注意的是，当通过气相蚀刻方式来蚀刻图案化牺牲层151时，因气相蚀刻未包含液体(例如：水)，当图案化牺牲层151被移除时，第一型半导体层161与透明导电层142并不因表面张力而互相黏结。由此，图案化牺牲层151与孔隙143实质上具有相同的形状。此外，图案化牺牲层151可具有一小于
的高度，亦即，孔隙143也具有一小于
的高度。
图4A-图4H为本发明的另一实施例中制造发光二极管装置200的流程剖面图。发光二极管装置200与发光二极管装置100结构类似，其中相同的符号或是记号所对应的元件、装置或步骤，为具有类似或是相同的元件、装置或步骤。参照图4A，提供成长基板20(例如：GaAs)，及一发光叠层16外延形成于成长基板20上。发光叠层16依序包含第二型半导体层163(例如：AlGaInP)、活性层162(例如：AlGaInP)及第一型半导体层161(例如：GaP)。参照图4B，形成一牺牲层15(例如：二氧化硅(SiO2)于第一型半导体层161上。参照图4C，利用黄光制作工艺将牺牲层15图案化以形成一图案化牺牲层151'。形成透明导电层142(例如：ITO)于部分图案化牺牲层151'与第一型半导体层161上，且此透明导电层142并未完全包覆图案化牺牲层151'而暴露出部分图案化牺牲层151'。参照图4D，形成金属层141于透明导电层142上。形成保护层17以覆盖透明导电层142及金属层141的侧壁及部分图案化牺牲层151'。参照图4E，利用气相蚀刻方式(例如：气相氟化氢，HF)移除图案化牺牲层151'以形成孔隙143。接着，参照图4F，移除保护层17后，形成第一结合层121以覆盖透明导电层142及金属层141的侧壁，由此，孔隙143可形成并埋入于第一结合层121内与透明导电层142之间。第一结合层121可为单层或多层。在一实施例中，第一结合层121包含多层(例如：Ti/Pt/Au)。Ti层可做为障蔽层(barrier layer)以防止金属层141的金属扩散至结合层；Pt层可做为黏结层(adhesion layer)以增加Ti层与Au层间的黏着力。
参照图4G，通过第一结合层121、第二结合层122、第三结合层123以将基板10(例如：硅)结合至发光叠层16。参照图4H，移除成长基板20后，分别形成第一电极19于基板10上、第二电极18于第二型半导体层163上。在此实施例中，第二电极18并未对应于孔隙143位置。第一型半导体层161与透明导电层142直接接触以具有一第一界面144、第一型半导体层161与孔隙143直接接触以具有一第二界面145以及第一型半导体层161与第一结合层121以具有一第三界面146。孔隙143也未与金属层141直接接触。再者，孔隙143的折射率小于透明导电层142与第一结合层121的折射率，即第一型半导体层161与透明导电层142的折射率差小于第一型半导体层161与孔隙143的折射率差，以及第一型半导体层161与第一结合层121的折射率差小于第一型半导体层161与孔隙143的折射率差。因此，当活性层162所发出的光线朝向反射结构14行进时，光线于第一界面144与第三界面146所产生的全反射角大于光线于第二界面145所产生的全反射角，亦即，光线于第二界面145发生全反射的机率大于第一界面144与第三界面146。需注意的是，当活性层162所发出的光线为蓝光(波峰值约为430nm-480nm)时，第一结合层121对于蓝光的折射率小于透明导电层的折射率，例如当第一结合层121为Ti或Pt，透明导电层为ITO时，第一结合层121的折射率约为1.6-1.9，透明导电层的折射率约为2.0-2.3。亦即，蓝光于第一界面144所产生的全反射角大于光线于第三界面146所产生的全反射角，亦即，光线于第三界面146发生全反射的机率大于第一界面144。当活性层162所发出的光线为红光(波峰值约为630nm-670nm)时，第一结合层121对于红光的折射率大于透明导电层的折射率142，例如当第一结合层121为Ti或Pt，透明导电层为ITO时，第一结合层121的折射率约为2.0-2.3，透明导电层的折射率约为1.7-1.9。红光于第三界面146所产生的全反射角大于光线于第一界面144所产生的全反射角，亦即，光线于第一界面144发生全反射的机率大于第三界面146。当活性层162所发出的光线为蓝光或红光时，孔隙143的折射率都约略为1。此外，第一型半导体层161与透明导电层142的第一界面144形成欧姆接触；第一型半导体层161与孔隙143的第二界面144形成非欧姆接触；且第一型半导体层161与第一结合层121的第三界面146形成非欧姆接触。
图5A及图5B显示一实施例中的发光二极管装置的图案化牺牲层151'与透明导电层142的上视图。参照图5A，图案化牺牲层151”包含多个长条状结构，且透明导电层142形成于长条状结构上并覆盖部分的长条状结构。参照图5B，图案化牺牲层151”'包含多个彼此垂直的长条状结构以形成网格状的结构。透明导电层142也形成于网格状的结构上并覆盖部分网格状的结构。在一实施例中，图案化牺牲层151”、151”'的表面积与第一型半导体层161的表面积的面积比介于10％至90％、或50％至90％。然，图案化牺牲层151”、151”'的面积、形状、及数目，可依实际需求作变化。透明导电层142的表面积与第一型半导体层161的表面积的面积比介于10％至90％、或10％至50％。需注意的是，由上述描述可知通过移除图案化牺牲层以形成孔隙，因此孔隙具有与图案化牺牲层相同的形状或结构。孔隙具有长条状结构或网状结构。
图6显示本发明的另一实施例中一发光二极管装置300的剖面图。发光二极管装置300与发光二极管装置200结构类似，其中相同的符号或是记号所对应的元件、装置或步骤，为具有类似或是相同的元件、装置或步骤。在此实施例中，发光二极管装置300还包含接触层147形成于透明导电层142与第一型半导体161间以帮助电流分散。接触层147被透明导电层142包覆或埋入于其内且并未与金属层141直接接触。此外，孔隙143形成于接触层147与第一结合层121之间以及围绕接触层147。第一型半导体层161与接触层147直接接触以具有一第四界面148并形成欧姆接触。接触层147可包含金属或合金。金属可包含铜、铝、铟、锡、金、铂、锌、银、钛、镍、铅、钯、或铬；合金可包含铍-金、锗-金、铬-金、银-钛、铜-锡、铜-锌、铜-镉、锡-铅-锡、锡-铅-锌、镍-锡、或镍-钴。
图7为本发明的发光二极管装置应用于一灯泡的灯泡分解图。灯泡30包含一灯罩21、一透镜22、一发光模块24、一载板25、一散热元件26、一连接件27、及一电路单元28。发光模块24包含一载体23及多个发光装置。发光装置可为任何上述所提及的发光二极管装置(100、200或300)。如图7所示，例如，12个发光装置位于载体23上，其中包含六个红光发光装置及六个蓝光发光装置彼此交错排列且彼此电连接(可为串联、并联或桥式联接)。蓝光发光装置可包含一荧光粉置于其上以转换蓝光发光装置所发出的光。蓝光发光装置所发出的光与转换的光混和以形成一白光，并搭配红光发光装置后使灯泡30发出一色温为2400-3000K的暖白光。
本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用几限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易见的修饰或变更接不脱离本发明的精神与范围。
Claims (10)
1.一种发光二极管装置，其特征在于，包含：
发光叠层，包含第一型半导体层，第二型半导体层，及活性层形成在该第一型半导体层与该第二型半导体层间且发出一光线；
反射结构，形成于该第一型半导体层上并具有第一界面与第二界面且包含透明导电层；以及
接触层，位于该第一型半导体层及该反射结构之间且包含金属或合金；
其中，该反射结构于该第一界面及该第二界面与该第一型半导体层直接接触，该光线于该第一界面所产生的全反射角大于该光线于该第二界面所产生的全反射角；
其中，该反射结构与该第一型半导体层于该第一界面形成电连接，该透明导电层包覆该接触层；且
其中，该接触层与该第一型半导体层形成电连接。
2.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中，更包含结合结构，位于该反射结构上。
3.如权利要求2所述的发光二极管装置，其中，该结合结构包覆该反射结构。
4.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中，该反射结构包含一金属层，该接触层未与该金属层接触。
5.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中，该反射结构与该第一型半导体层于该第二界面未形成电连接。
6.一种发光二极管装置，其特征在于，包含：
基板；
发光叠层，包含第一型半导体层，第二型半导体层，及活性层形成在该第一型半导体层与该第二型半导体层间且发出一光线；
结合结构，位于该基板及该发光叠层之间且包含第一结合层；
反射结构，形成于该第一型半导体层及该结合结构之间并具有第一界面与第二界面；以及
孔隙，埋入于该第一结合层内；
接触层，位于该第一型半导体层及该反射结构之间；
其中，该反射结构于该第一界面及该第二界面与该第一型半导体层直接接触，该光线于该第一界面所产生的全反射角大于该光线于该第二界面所产生的全反射角，该接触层与该第一型半导体层形成电连接。
7.如权利要求6所述的发光二极管装置，其中，该反射结构包含金属层，该第一结合层覆盖该金属层的侧壁。
8.如权利要求7所述的发光二极管装置，其中，该接触层并未与该金属层接触。
9.如权利要求7所述的发光二极管装置，其中，由上视观之，该反射结构包含第二结合层位于第一结合层和该基板之间。
10.如权利要求9所述的发光二极管装置，其中，该第二结合层未覆盖该金属层的该侧壁。
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