TWI604632B

TWI604632B - 發光二極體裝置

Info

Publication number: TWI604632B
Application number: TW102114988A
Authority: TW
Inventors: 陳怡名; 顧浩民; 呂志強; 徐子傑
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2017-11-01
Also published as: US10892380B2; CN108269908B; TW201442275A; US20210119078A1; CN104124329A; CN104124329B; US20180062033A1; US20140319558A1; US11349047B2; US20200066935A1; CN108269908A; US9831384B2

Description

發光二極體裝置

本發明係關於一種發光二極體裝置，更具體而言，係關於一種具有孔隙之發光二極體裝置。

固態發光元件中之發光二極體元件(Light Emitting Diode；LED)具有低耗電量、低發熱量、操作壽命長、耐撞擊、體積小、反應速度快、以及可發出穩定波長的色光等良好光電特性，因此常應用於家電、儀表之指示燈及光電產品等領域。然而，如何改善發光二極體元件的發光效率在此領域中仍是一項很重要的議題。

此外，以上發光二極體元件可進一步結合一次載體(sub-mount)而形成一發光裝置，例如發光二極體封裝結構。所述發光裝置包含一具有至少一電路之次載體；至少一焊料(solder)位於上述次載體上，藉由此焊料將上述發光二極體固定於次載體上並使發光二極體之基板與次載體上之電路形成電連接；以及，一電性連接結構，以電性連接發光二極體之電極墊與次載體上之電路；其中，上述之次載體可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置之電路規劃並提高其散熱效果。

因此，本發明係關於一種具有孔隙之發光二極體裝置。

發光二極體裝置，包含：一發光疊層包含一第一型半導體層，一第二型半導體層，及一活性層形在第一型半導體層與第二型半導體層間且發出一光線；以及一反射結構形成於第一型半導體層上並具有一第一界面與一第二界面；其中，光線於第一界面所產生之全反射角大於光線於第二界面所產生之全反射角；及其中，反射結構與第一型半導體層於第一界面形成歐姆接觸。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下

100、200、300‧‧‧發光二極體裝置

10‧‧‧基板

12‧‧‧結合結構

121‧‧‧第一結合層

122‧‧‧第二結合層

123‧‧‧第三結合層

14‧‧‧反射結構

141‧‧‧金屬層

142‧‧‧透明導電層

143‧‧‧孔隙

144‧‧‧第一界面

145‧‧‧第二界面

146‧‧‧第三界面

147‧‧‧接觸層

148‧‧‧第四界面

15‧‧‧犧牲層

151、151'、151"‧‧‧圖案化犧牲層

16‧‧‧發光疊層

161‧‧‧第一型半導體層

162‧‧‧活性層

163‧‧‧第二型半導體層

17‧‧‧保護層

18‧‧‧第二電極

180‧‧‧電極墊

181‧‧‧第一延伸電極部

182‧‧‧第二延伸電極部

183‧‧‧第三延伸電極部

19‧‧‧第一電極

20‧‧‧成長基板

21‧‧‧燈罩

22‧‧‧透鏡

23‧‧‧載體

24‧‧‧發光模組

25‧‧‧載板

26‧‧‧散熱元件

27‧‧‧連接件

28‧‧‧電路單元

30‧‧‧燈泡

第1圖為為本發明之一實施例中一發光二極體裝置之剖面圖。

第2圖為為本發明之一實施例中發光二極體裝置之上視圖。

第3A-3E圖為本發明一實施例之製造發光二極體裝置之流程剖面圖。

第4A-4H圖為為本發明另一實施例之製造發光二極體裝置之流程剖面圖。

第5A及5B圖為另一實施例中圖案化犧牲層與透明導電層之上視圖。

第6圖為為本發明之另一實施例中發光二極體裝置之剖面圖。

第7圖顯示本發明之發光二極體裝置應用於一燈泡之燈泡爆炸圖。

以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。

第1圖為本發明之一實施例中一發光二極體裝置100之剖面圖。參照第1圖，發光二極體裝置100包含一基板10，一結合結構12形成在基板10上、一反射結構14形成在結合結構12上、一發光疊層16形成在反射結構14上、一第一電極19形成在基板10上及一第二電極18形成在發光疊層16上。結合結構12包含一第一結合層121、一第二結合層122、及一第三結合層123。反射結構14包含一金屬層141形成在第一結合層121 上、一透明導電層142形成在金屬層141上、及一孔隙143形成在透明導電層142與發光疊層16間。發光疊層16包含一第一型半導體層161、活性層162形成在第一型半導體層161上並發出一光線，及一第二型半導體層163形成在活性層162上。第一型半導體層161及第二型半導體層163例如為包覆層(cladding layer)或限制層(confinement layer)，可分別提供電子、電洞，使電子、電洞於活性層162中結合以發光。在本實施例中，第一型半導體層161與透明導電層142直接接觸以具有一第一界面144，及第一型半導體層161與孔隙143直接接觸以具有一第二界面145。孔隙143形成在透明導電層142內並未與金屬層141直接接觸。更者，孔隙143之折射率小於透明導電層142之折射率，即第一型半導體層161與透明導電層142的折射率差小於第一型半導體層161與孔隙143的折射率差。因此，當活性層162所發出的光線朝向反射結構14行進時，於第一界面144所產生之全反射角大於光線於第二界面145所產生之全反射角，意即，光線於第二界面145發生全反射的機率大於第一界面144。此外，第一型半導體層161與透明導電層142之第一界面144形成歐姆接觸，而第一型半導體層161與孔隙143之第二界面144形成非歐姆接觸。

第2圖顯示之本發明之發光二極體裝置100之上視圖。第2圖中沿著AA’之剖面圖顯示在第1圖。在本實施例中，第二電極18具有一電極墊180及複數個第一電極延伸部181、複數個第二延伸部182、及複數個第三延伸部183。複數第一電極延伸部181由電極墊180沿著X方向往發光二極體裝置100的左右兩側延伸並排列成一直線；複數第二延伸部182由電極墊180沿著Y方向往發光二極體裝置100的上下兩側延伸並排列成一直線且與第一電極延伸部181互相垂直；第三電極延伸部183係與第二延伸部182物理性連接以和電極墊180形成電連接。第三電極延伸部183係平行於第一電極延伸部181，且第一電極延伸部181位於複數第三電極延伸部183之間且可與複數第三電極延伸部183相距相同或不同之距離。部分第一電極延伸部181與第三電極延伸部183之下方係形成於孔隙143，且孔隙143之寬度大於第一電極延伸部181與第三電極延伸部183之寬度(Y方向)。電極墊180下方並未形成孔隙143。孔隙143僅對應形成於電極延伸部181、 183的位置且延伸至發光二極體裝置100的兩側邊。在本實施例中，第一電極延伸部181靠近電極墊180之下方並未形成孔隙143。對應於第三電極延伸部183下方之孔隙143的長度(X方向)大於第三電極延伸部183之長度。在另一實施例中，電極延伸部的數目及排列方式，可依實際需求作變化。

在本實施例中，第一型半導體層可為n型半導體層且第二型半導體層可為p型半導體，第一型半導體層及第二型半導體層且包含選自於AlGaAs、AlGaInP、AlInP、InGaP、GaP、及GaAs所構成材料群組中的一種材料或AlInGaN、InGaN、AlGaN及GaN所構成材料群組中的一種材料；p型半導體之摻雜物包含鎂、鈹、鋅、碳、或其組合；n型半導體之摻雜物包含矽、磷、砷、銻或其組合。選擇性地，第一型半導體層可為p型半導體層且第二型半導體層可為n型半導體。活性層可包含選自於AlGaAs、AlGaInP、AlInP、InGaP、GaP、及GaAs所構成材料群組中的一種材料或AlInGaN、InGaN、AlGaN及GaN所構成材料群組中的一種材料。活性層結構可為單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、或多層量子井(multi-quantum well；MQW)。基板則包含選自砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、鍺(Ge)、藍寶石、玻璃、鑽石、碳化矽(SiC)、矽、氮化鎵(GaN)、及氧化鋅(ZnO)所構成材料組群中之至少一種材料或其它替代性材料取代之。金屬層可為單層或多層結構，包含銀、鋁、金、鎳或及其組合。第一結合層、一第二結合層、及一第三結合層分別可為單層或多層，且包含金屬或膠材。金屬包含金、銦、錫、鈦、鉑、鉍或其組合。膠材包含苯環丁烯(BCB)、環氧樹脂(Epoxy)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、矽膠(SiO_x)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、氮化矽(SiN_x)、或其組合。透明導電層可包含金屬氧化物，例如氧化銦錫(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)、磷化鎵(GaP)、氧化銦鋅(IZO)、類鑽碳薄膜(DLC)、氧化銦鎵(IGO)、氧化鎵鋁鋅(GAZO)或上述材料之化合物。孔隙可包含空氣、氮氣、氦氣、或氬氣。

第3A-3E圖為依本發明之一實施例製造發光二極體裝置100 之流程剖面圖。參照第3A圖，提供成長基板20(例如：GaAs)，及一發光疊層16磊晶形成於成長基板20上。發光疊層16依序包含第二型半導體層163(例如：AlGaInP)、活性層162(例如：AlGaInP)及第一型半導體層161(例如：GaP)。參照第3B圖，形成一犧牲層15(例如：二氧化矽(SiO₂))於第一型半導體層161上。在另一實施例，犧牲層15亦可包含光阻、氮化矽(SiN_x)或金屬(例如：鎳)。參照第3C圖，利用黃光製程將犧牲層15圖案化以形成一圖案化犧牲層151。形成透明導電層142(例如：ITO)於圖案化犧牲層151與第一型半導體層161上，以包覆圖案化犧牲層151於其內。參照第3D圖，形成金屬層141(例如：銀)於透明導電層142上；第一結合層122與第二結合層123形成於金屬層141上；及第三結合層形成於基板10(例如：矽)上。藉由接合第二結合層122與第三結合層123，將基板10接合至金屬層141。在另一實施例中，第一結合層121包含多層(例如：Ti/Pt/Au)。Ti層可做為障蔽層(barrier layer)以防止金屬層141之金屬擴散至結合層；Pt層可做為黏結層(adhesion layer)以增加Ti層與Au層間的黏著力。參照第3E圖，利用蝕刻方式移除圖案化犧牲層151以形成孔隙143。蝕刻方式可使用氣相蝕刻或液相蝕刻；氣相蝕刻可包含氣相氟化氫；液相蝕刻可包含氫氧化鈉、氟化氫、氟化銨或其混和物。在移除成長基板20以暴露出第二型半導體層163之後，分別形成第一電極19於基板10上，第二電極18於第二型半導體層163上。第二電極18包含電極墊180及延伸電極部183。延伸電極部183係對應於孔隙143位置。在另一實施例中，可先移除基板，再進行蝕刻圖案化犧牲層步驟。需注意的是，當藉由氣相蝕刻方式來蝕刻圖案化犧牲層151時，因氣相蝕刻未包含液體(例如：水)，當圖案化犧牲層151被移除時，第一型半導體層161與透明導電層142並不因表面張力而互相黏結。藉此，圖案化犧牲層151與孔隙143實質上具有相同的形狀。此外，圖案化犧牲層151可具有一小於800 Å的高度，意即，孔隙143亦具有一小於800 Å的高度。

第4A-4H圖為本發明之另一實施例中製造發光二極體裝置200之流程剖面圖。發光二極體裝置200與發光二極體裝置100結構類似，其中相同的符號或是記號所對應的元件、裝置或步驟，為具有類似或是相同的元件、裝置或步驟。參照第4A圖，提供成長基板20(例如：GaAs)，及一發光疊層16磊晶形成於成長基板20上。發光疊層16依序包含第二型半導體層163(例如：AlGaInP)、活性層162(例如：AlGaInP)及第一型半導體層161(例如：GaP)。參照第4B圖，形成一犧牲層15(例如：二氧化矽(SiO₂))於第一型半導體層161上。參照第4C圖，利用黃光製程將犧牲層15圖案化以形成一圖案化犧牲層151'。形成透明導電層142(例如：ITO)於部分圖案化犧牲層151'與第一型半導體層161上，且此透明導電層142並未完全包覆圖案化犧牲層151'而暴露出部分圖案化犧牲層151'。參照第4D圖，形成金屬層141於透明導電層142上。形成保護層17以覆蓋透明導電層142及金屬層141之側壁及部分圖案化犧牲層151'。參照第4E圖，利用氣相蝕刻方式(例如：氣相氟化氫，HF)移除圖案化犧牲層151'以形成孔隙143。接著，參照第4F圖，移除保護層17後，形成第一結合層121以覆蓋透明導電層142及金屬層131之側壁，藉此，孔隙143可形成並埋入於第一結合層121內與透明導電層142之間。第一結合層121可為單層或多層。在一實施例中，第一結合層121包含多層(例如：Ti/Pt/Au)。Ti層可做為障蔽層(barrier layer)以防止金屬層141之金屬擴散至結合層；Pt層可做為黏結層(adhesion layer)以增加Ti層與Au層間的黏著力。

參照第4G圖，藉由第一結合層121、第二結合層122、第三結合層123以將基板10(例如：矽)結合至發光疊層16。參照第4H圖，移除成長基板20後，分別形成第一電極19於基板10上、第二電極18於第二型半導體層163上。在此實施例中，第二電極18並未對應於孔隙143位置。第一型半導體層161與透明導電層142直接接觸以具有一第一界面144、第一型半導體層161與孔隙143直接接觸以具有一第二界面145以及第一型半導體層161與第一結合層121以具有一第三界面146。孔隙143亦未與金屬層141直接接觸。更者，孔隙143之折射率小於透明導電層142與第一結合層121之折射率，即第一型半導體層161與透明導電層142的折射率差小於第一型半導體層161與孔隙143的折射率差，以及第一型半導體層161與第一結合層121的折射率差小於第一型半導體層161與孔隙143的折射率差。因此，當活性層162所發出的光線朝向反射結構14行進時，光線於第一界面144與第三界面146所產生之全反射角大於光線於第二界面145所產生之全反射角，意即，光線於第二界面145發生全反射的機率大於第一界面144與第三界面146。需注意的是，當活性層162所發出的光線為藍光(波峰值約為430nm-480nm)時，第一結合層121對於藍光之折射率小於透明導電層之折射率，例如當第一結合層121為Ti或Pt，透明導電層為ITO時，第一結合層121之折射率約為1.6-1.9，透明導電層之折射率約為2.0-2.3。意即，藍光於第一界面144所產生之全反射角大於光線於第三界面146所產生之全反射角，意即，光線於第三界面146發生全反射的機率大於第一界面144。當活性層162所發出的光線為紅光(波峰值約為630nm-670nm)時，第一結合層121對於紅光之折射率大於透明導電層之折射率142，例如當第一結合層121為Ti或Pt，透明導電層為ITO時，第一結合層121之折射率約為2.0-2.3，透明導電層之折射率約為1.7-1.9。紅光於第三界面146所產生之全反射角大於光線於第一界面144所產生之全反射角，意即，光線於第一界面144發生全反射的機率大於第三界面146。當活性層162所發出的光線為藍光或紅光時，孔隙143的折射率皆約略為1。此外，第一型半導體層161與透明導電層142之第一界面144形成歐姆接觸；第一型半導體層161與孔隙143之第二界面144形成非歐姆接觸；且第一型半導體層161與第一結合層121之第三界面146形成非歐姆接觸。

第5A及5B圖顯示發光二極體裝置200之圖案化犧牲層151'與透明導電層142之上視圖。參照第5A圖，圖案化犧牲層151'係包含複數個長條狀結構，且透明導電層142係形成於長條狀結構上並覆蓋部分之長條狀結構。參照第5B圖，圖案化犧牲層151"包含複數個彼此垂直之長條狀結構以形成網格狀之結構。透明導電層142亦係形成於網格狀之結構上並覆蓋部分網格狀之結構。在一實施例中，圖案化犧牲層151'、151"之表面積與第一型半導體層161之表面積之面積比介於10%至90%、或50%至90%。然，圖案化犧牲層151'、151"之面積、形狀、及數目，可依實際需求作變化。透明導電層142之表面積與第一型半導體層161之表面積之面積比介於10%至90%、或10%至50%。

第6圖顯示本發明之另一實施例中一發光二極體裝置300之剖面圖。發光二極體裝置300與發光二極體裝置200結構類似，其中相同的符號或是記號所對應的元件、裝置或步驟，為具有類似或是相同的元件、裝置或步驟。在此實施例中，發光二極體裝置300更包含接觸層147形成於透明導電層142與第一型半導體161間以幫助電流分散。接觸層147被透明導電層142包覆或埋入於其內且並未與金屬層141直接接觸。第一型半導體層161與接觸層147直接接觸以具有一第四界面148並形成歐姆接觸。接觸層147可包含金屬或合金。金屬可包含銅、鋁、銦、錫、金、鉑、鋅、銀、鈦、鎳、鉛、鈀、或鉻；合金可包含鈹-金、鍺-金、鉻-金、銀-鈦、銅-錫、銅-鋅、銅-鎘、錫-鉛-錫、錫-鉛-鋅、鎳-錫、或鎳-鈷。

第7圖為本發明之之發光二極體裝置應用於一燈泡之燈泡爆炸圖。燈泡30包含一燈罩21、一透鏡22、一發光模組24、一載板25、一散熱元件26、一連接件27、及一電路單元28。發光模組24包含一載體23及複數個發光裝置。發光裝置可為任何上述所提及之發光二極體裝置100(200、300)。如第7圖所示，例如，12個發光裝置位於載體23上，其中包含六個紅光發光裝置及六個藍光發光裝置彼此交錯排列且彼此電性連接(可為串聯、並聯或橋式聯接)。藍光發光裝置可包含一螢光粉置於其上以轉換藍光發光裝置所發出的光。藍光發光裝置所發出的光與轉換的光混和以形成一白光，並搭配紅光發光裝置後使燈泡30發出一色溫為2400-3000K之暖白光。

本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用幾限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易見之修飾或變更接不脫離本發明之精神與範圍。

100‧‧‧發光二極體裝置