CN103887395A - 发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一发光元件，其包括：一半导体叠层；一透明基板包含一第一材料；一接合层，接合半导体叠层与透明基板；以及一介质在透明基板中，此介质包含一第二材料相异于第一材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件，尤其是涉及一种可增加侧面出光的发光元件。
背景技术
一般发光二极管元件的结构如图1所示，在基板130上置有一发光叠层110，基板130与发光叠层110间以一接合层120接合。封装时再将基板130以一芯片固定物质140固定于一封装载体150上，整体再以一封装树脂160予以封装。发光叠层110是一半导体叠层，由上而下依序包括第一电性半导体层111、活性层112、及第二电性半导体层113。第一电性半导体层111和第二电性半导体层113电性相异，例如第一电性半导体层111是n型半导体层，而第二电性半导体层113是p型半导体层，在施加外部电源时，第一电性半导体层111及第二电性半导体层113分别产生载子(电子/空穴)，载子于活性层112复合并产生光。此外，分别在第一电性半导体层111上设有一第一电极114，及在第二电性半导体层113上设有一第二电极115以传递电流。这样的发光二极管结构，其光取出主要依赖正面出光。如图所示，当发光叠层110往下方发出光线并行进至基板130侧面时，如图中A点所示，由于基板130的折射率n=1.7(以蓝宝石基板为例)，而封装树脂160的折射率n=1.5，因此，根据斯涅尔定律(Snell’s Law)，当光线入射至封装树脂160表面的角度大于临界角时，如图所示，光线会产生内部全反射(Total InternalReflection)而无法传出发光二极管元件，如虚线所示，甚至经过多次反射而被发光二极管元件吸收，导致亮度的损耗。因此，这样的发光二极管结构其侧面出光不佳，除了亮度受影响外，其所展现的出光角度也相对较小。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一发光元件，其包括：一半导体叠层；一透明基板包含一第一材料；一接合层，接合半导体叠层与透明基板；以及一介质在透明基板中，此介质包含一第二材料相异于第一材料。
附图说明
图1为现有技术的发光二极管元件的结构图；
图2为本发明第一实施例的发光二极管元件的结构图；
图3为本发明第二实施例的发光二极管元件的结构图。
主要元件符号说明
110发光叠层
111第一电性半导体层
112活性层
113第二电性半导体层
114第一电极
115第二电极
120接合层
130基板
140芯片固定物质
150封装载体
160封装树脂
210发光叠层
211第一电性半导体层
212活性层
213第二电性半导体层
214第一电极
215第二电极
220接合层
221第一接合材料层
222第二接合材料层230基板
231介质
240芯片固定物质
250封装载体
260封装树脂
270反射层
310发光叠层
311第一电性半导体层
311a第一窗户层
312活性层
313第二电性半导体层
313a第二窗户层
313ar粗化结构
314第一电极
314a延伸电极
315第二电极
320接合层
321第一接合材料层
322第二接合材料层230基板
331介质
340芯片固定物质
350封装载体
360封装树脂
370反射层
380抗反射层
390粗糙面
具体实施方式
图2为本发明第一实施例的示意图，在基板230上置有一发光叠层210，基板230与发光叠层210间以一接合层220接合。封装时再将基板230以一芯片固定物质240固定于一封装载体250上，整体再以一封装树脂260予以封装。发光叠层210是一半导体叠层，由上而下依序包括第一电性半导体层211、活性层212、及第二电性半导体层213。第一电性半导体层211和第二电性半导体层213电性相异，例如第一电性半导体层211是n型半导体层，而第二电性半导体层213是p型半导体层，在施加外部电源时，第一电性半导体层211及第二电性半导体层213分别产生载子(电子/空穴)，载子于活性层212复合并产生光。第一电性半导体层211、活性层212、及第二电性半导体层213为III-V族材料所形成，例如为磷化铝镓铟(AlGaInP)材料系列或氮化铝镓铟(AlGaInN)材料系列。此外，分别在第一电性半导体层211上设有一第一电极214，及在第二电性半导体层213上设有一第二电极215以传递电流。在本实施例中，用以接合基板230与发光叠层210的接合层220可由同一材料所构成，或如图2所绘示由相异材料的多层叠层所构成。同一材料的接合层220包含导电物质或非导电物质。导电物质包含金属氧化物或厚度小于500埃的金属或合金，其中金属例如包含金、银、或锡，而金属氧化物例如为一种材料选自氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)、氧化铝锌(Aluminum Zinc Oxide,AZO)、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(IZO)、及氧化锌锡(ZTO)所构成的材料群组。而非导电物质包含聚合物、氧化物、或氟化物，例如聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、环氧树酯(Epoxy)等。相异材料的多层叠层则如图2所绘示，例如由第一接合材料层221与第二接合材料层222构成，且第一接合材料层221与第二接合材料层222的材料相异，例如第一接合材料层221为氧化铝而第二接合材料层222为氧化硅。此第二接合材料层222与基板230相接，而利用第一接合材料层221与半导体材料附着力较好的特性，将其置于半导体材料的第二电性半导体层213与第二接合层222之间。
另外在本实施例中，基板230为一包含第一材料的透明基板，且在第一材料中包含第二材料的介质231，其中第二材料相异于第一材料。第一材料例如为一种材料选自于蓝宝石、氧化镓、磷化镓、氮化镓、碳化硅、氮化铝、氧化锌、及玻璃所组成的群组。介质231包含多个粒子或含有空气的孔隙散布于此透明基板内，且介质231可于此透明基板形成过程中同时掺入而为此透明基板的第一材料所包围。介质231的第二材料可选自相异于第一材料的物质以造成光的散射或折射。介质231可为导体、非导体、或半导体。导体例如包括石墨及金属；非导体例如包括空气、钻石、类碳钻及四氯铜双二乙基铵盐([(CH3CH2)2NH2]2[CuCl4])；半导体例如包括氧化钛及氧化锌。以介质231为空气为例，在透明基板的第一材料为玻璃的情形，可以是玻璃在烧熔状态下混入空气所形成，成为散布于玻璃基板内包含空气的孔隙。以介质231为金属为例，此金属可以是金属离子注入透明基板所形成，例如使用具有40-keV能量的Cu+金属离子，以1.0*1017(个/cm2)的剂量注入第一材料为蓝宝石的透明基板，可形成铜(Cu)粒子散布于此蓝宝石透明基板内。又例如以介质231为四氯铜双二乙基铵盐([(CH3CH2)2NH2]2[CuCl4])为例，此四氯铜双二乙基铵盐是一种常用的热致变色材料(Thermochromic materials)，在透明基板的第一材料为玻璃的情形，可以是玻璃在烧熔状态下混入此四氯铜双二乙基铵盐以形成粒子。
在本实施例中，由于基板230具有介质231内含于透明基板中，如图2中所绘示，当发光叠层210往下发出的光线行进至基板230时，相较于第1图，同一光线因为介质231的存在，可被此介质231散射或穿透此介质231并折射而分散(如图所绘示的情形)，因而形成多道不同角度的光线，相对于基板230的侧面具有不同的入射角，而增加出光的机会。且对于第一次在基板230的侧面发生全反射情形的光线，其反射回基板230内部时，也有机会再次碰到此介质231而发生上述散射或折射的情形，故而增加出光的机会。
视基板230的第一材料、介质231的第二材料，及发光叠层210的材料选择不同，介质231的第二材料的折射率可介于发光叠层210的折射率及基板230的第一材料的折射率之间。例如当基板230的第一材料选择蓝宝石，而介质231的第二材料为钻石时，其折射率(n=2.4)介于磷化铝镓铟(AlGaInP)材料系列的发光叠层210的折射率(n=3~3.5)及基板230的蓝宝石的折射率(n=1.7)之间，光抵达介质231时，可能发生上述穿透此介质231并折射而改变入射光的角度造成分散的情形。同样地，视基板230的第一材料、介质231的第二材料的材料选择不同，介质231的第二材料的折射率可小于基板230的第一材料的折射率。例如当基板230的第一材料选择玻璃，而介质231的第二材料为空气时，其折射率(n=1)小于基板230的玻璃的折射率(n=1.5~1.7)，光抵达介质231时，可能因全反射而发生上述散射而分散的情形。
另外，图2中介质231虽以圆形示意，然随介质231的选择，其外形可能为不规则形状，其外形中最大的两点距离，依材料不同而异，例如空气约10nm至20μm，金属约1nm至10μm，而钻石、类碳钻、石墨、氧化钛、氧化锌、及四氯铜双二乙基铵盐等约10nm至30μm。总体而言，介质231外形中最大的两点距离分布的范围约为1nm至30μm。
在本实施例中，在基板230之上形成有一反射层270，位于基板230与芯片固定物质240间。此反射层270可为金属材料，例如铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡等金属或其合金；也可由金属和氧化物组合而成，例如氧化铟锡/银(ITO/Ag)、氧化铟锡/氧化铝/银(ITO/AlOx/Ag)、氧化钛/氧化硅/铝(TiOx/SiOx/Al)、氧化铟锡/氮化硅/铝(ITO/SiNx/Al)、氧化铟锡/氮化硅/银(ITO/SiNx/Ag)、氧化铟锡/氮化硅/氧化铝/铝(ITO/SiNx/Al2O3/Al)、或氧化铟锡/氮化硅/氧化铝/银(ITO/SiNx/Al2O3/Ag)等。此反射层270可使未于基板230的侧面出光而往下行进的光线，再次反射回基板230而能侧面出光，或再次抵达介质231时，可能发生上述散射或穿透介质231并折射而改变入射光的角度造成分散的情形。故而本发明的此些设计，大大提高发光二极管元件的侧面出光。
图3为本发明的第二实施例，在本实施例中，部分元件与图2的元件相同，其代码为图2元件代码的第1码由“2”改为“3”，例如图2的元件211为第一电性半导体层211，而图3的元件311与其相对应，也为第一电性半导体层311。
在本实施例中，发光叠层310是一磷化铝镓铟(AlGaInP)材料系列的半导体叠层，第一电性半导体层311是n型半导体层，而第二电性半导体层313是p型半导体层。在第一电性半导体层311上置有一第一窗户层(windowlayer)311a，其材料同样可以为磷化铝镓铟(AlGaInP)的材料系列，在第二电性半导体层313上设置有一第二窗户层313a，置于第二电性半导体层313与接合层320之间，其材料同样可以为磷化铝镓铟(AlGaInP)的材料系列，例如为磷化镓(GaP)。此两个窗户层均有助于光取出，特别是因为厚度增加而使侧面出光增加。此外，第二窗户层313a与接合层320相接的表面是一粗化表面，有粗化结构313ar，形成一漫射面，使得光取出效率提升。此粗化表面可于发光二极管外延制作工艺中成长而成，或者是管芯制作工艺中经过化学蚀刻或利用感应耦合等离子体(Inductive Coupling Plasma,ICP)干蚀刻技术以蚀刻部分的第二窗户层313a而成；也可以预先图案的光掩模蚀刻技术，于第二窗户层313a表面先形成一预定图案，预定图案可以是半圆球形、金字塔形或角锥形，再接着在预定图案的第二窗户层313a表面形成此粗化表面。此外，在本实施例中，第一电极314设置于第一窗户层311a上，而第二电极315设置于第二窗户层3131a上。且第一电极314更设置有延伸电极314a，以助于电流扩散，同样地，第二电极315基于电流扩散的目的而设计成双叉状(由上视方向观察)，故如图所示，于此剖视图可见左右两边均有第二电极315。此外于发光二极管的最外层设置有抗反射层380，此抗反射层380选择折射率介于第一窗户层311a及封装树脂360的材料，如此可降低由第一窗户层311a行进至外围封装树脂360的光线发生全反射的机率。例如在本实施例中，可选择氮化硅为抗反射层380。
此外，在发光二极管由晶片(wafer)经激光切割成管芯时，随着使用的激光种类、切割条件(如能量)，及发光二极管各被切割层的材料不同，激光切割的生成物(byproduct)的情形也不同。通过测量侧面出光量，可判断是否需要进行生成物移除(LBR)制作工艺。在生成物不多且生成物透光率也良好的情形下，生成物构成增加侧面出光的粗糙结构，可不进行生成物移除(LBR)的制作工艺。本实施例显示进行生成物移除(LBR)制作工艺的情形。于进行生成物移除(LBR)的制作工艺后，在侧面受激光切割的区域留下一粗糙面390，也增加侧面出光的效果。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本发明所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如上述的权利要求所列。
Claims (17)
1.一发光元件，包括：
半导体叠层；
透明基板，包含一第一材料；
接合层，接合该半导体叠层与该透明基板；以及
介质在该透明基板中，该介质包含一第二材料相异于该第一材料。
2.如权利要求1所述的发光元件，还包括一反射层于该透明基板上。
3.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一材料选自于蓝宝石、氧化镓、磷化镓、氮化镓、碳化硅、氮化铝、氧化锌、及玻璃所组成的群组。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该介质包含多个粒子或包含空气的孔隙散布于该透明基板内。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二材料包括导体、非导体、及半导体。
6.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二材料包括石墨及金属。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二材料包括空气、钻石、类碳钻及四氯铜双二乙基铵盐([(CH3CH2)2NH2]2[CuCl4])。
8.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二材料包括氧化钛及氧化锌。
9.如权利要求6所述的发光元件，其中该金属以金属离子注入该透明基板所形成。
10.如权利要求1所述的发光元件，其中该介质于该透明基板形成过程中同时掺入形成。
11.如权利要求1所述的发光元件，其中该接合层包含导电物质或非导电物质。
12.如权利要求11所述的发光元件，其中该非导电物质包含聚合物、氧化物、或氟化物。
13.如权利要求1所述的发光元件，其中该接合层包含具有相异材料的多层叠层。
14.如权利要求1所述的发光元件，其中该接合层包含金属氧化物或厚度小于500埃的金属或合金。
15.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二材料的折射率介于该半导体叠层的折射率及该第一材料的折射率之间。
16.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二材料的折射率小于该第一材料的折射率。
17.如权利要求1所述的发光元件，其中该介质外形中最大的两点距离约1nm至30μm。
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