CN100487932C - 具有多个发光单元的发光装置和安装所述发光装置的封装 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有多个发光单元的发光装置和一种上面安装有所述发光装置的封装。所述发光装置包含多个发光单元，所述发光单元形成在衬底上且其每一者具有N型半导体层和位于N型半导体层的一部分上的P型半导体层。多个发光单元接合到次载具衬底。因此，从发光单元产生的热量可容易地散发，以使得可降低发光装置上的热负荷。同时，由于多个发光单元通过使用形成在次载具衬底上的连接电极或电极层而进行电连接，因而可能提供彼此串联连接的发光单元阵列。另外，可能提供一种发光装置，其能够通过以彼此反向并联的方式连接所述串联连接的发光单元阵列而由交流(AC)电源直接驱动。

Description

具有多个发光单元的发光装置和安装所述发光装置的封装
技术领域
本发明涉及一种具有多个发光单元的发光装置和一种上面安装有所述发光装置的封装，且更明确地说，涉及一种具有多个发光单元的发光装置，其中所述多个发光单元在单个衬底上形成串联阵列且可使用AC电源来直接驱动，且涉及一种上面安装有所述发光装置的封装。
背景技术
发光二极管是一种具有以下结构的电致发光装置：主要载流子为电子的n型半导体和主要载流子为空穴的p型半导体结合在一起，且通过重新组合这些电子和空穴来发射预定光。此类发光二极管被用作为显示装置和背光，且其应用领域已扩展到将其用于一般照明，同时取代常规的白炽灯炮和荧光灯。
与常规灯泡或荧光灯相比，发光二极管消耗较少电力且具有较长使用寿命。发光二极管的电力消耗不到常规照明装置的电力消耗的几十分之一或几百分之一，且其使用寿命是几倍或几十倍，从而具有降低的电力消耗和极佳的耐用性。
为使用此类发光二极管来进行照明，必须有效地将从发光装置产生的热量散发到外部。因此，对于能够有效地将从发光装置产生的热量散发到外部的倒装芯片(flip-chip)型发光装置的关注日益增加。
图1是说明常规倒装芯片型发光装置20的截面图。
参看图1，第一和第二电极12和14形成在预定衬底10(例如，次载具衬底(submount substrate)或引线框)上，且焊料形成在这些电极上。接着，发光装置20接合在所述衬底10上。此时，发光装置20的P型半导体层和N型半导体层接合到各自的焊料。此后，对上面接合有发光装置20的衬底10进行包封。
与其它使用接合线(bonding wire)的发光装置相比，此类常规倒装芯片型发光装置具有较高的散热效率，且由于存在少量光屏蔽而改进了光学效率。另外，倒装芯片型发光装置的优点在于可使其封装紧凑，因为它们不使用接合线。
然而，由于此类发光装置依据AC电源的相位而被反复接通和断开，因而存在所述发光装置可容易地被损坏的问题。因此，难以通过将发光装置直接连接到家用AC电源而实现将所述发光装置用于一般照明目的。
发明内容
技术问题
本发明的一目的在于提供一种发光装置，其可通过直接连接到AC电源来驱动。
本发明的另一目的在于提供一种发光装置，其中可降低所述发光装置上的热负荷且可改进发光效率。
本发明的再一目的在于提供一种封装，所述封装上面安装有所述发光装置且可通过直接连接到AC电源来驱动。
本发明的又一目的在于提供一种发光装置，其中可防止将所述发光装置安装在次载具或引线框的工艺复杂化。
技术解决方案
为实现本发明的这些目的，本发明提供一种具有多个发光单元的发光装置和一种上面安装有所述发光装置的封装。根据本发明一方面的发光装置包括多个发光单元，所述多个发光单元一同设置在衬底上且其每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层。所述多个发光单元接合到次载具衬底。其中所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。因此，由于可容易地散发从发光单元产生的热量，因而可降低发光装置上的热负荷。
在本发明的某些实施例中，所述次载具衬底可包含多个彼此间隔开的电极层。所述多个发光单元可接合到电极层。此时，电极层可电连接所述多个发光单元中两个相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层。因此，电极层可将所述多个发光单元串联连接为串联发光单元阵列。可形成至少两个串联发光单元阵列，且它们可以彼此反向并联的方式进行连接，从而提供一种能够由AC能源直接驱动的发光装置。
常规倒装芯片发光装置20意指一种其中形成有一个发光二极管的发光芯片。然而，本发明的发光装置在单个衬底上具有多个发光二极管。因此，术语“发光单元”意指形成在单个衬底上的所述多个发光二极管中的每一者。另外，术语“串联发光单元阵列”意指其中多个发光单元串联连接的结构。单个衬底上的两个串联发光单元阵列可经连接以由在相反方向上流动的个别电流驱动。因此，所述发光装置可直接连接到AC电源而不使用AC-DC转换器或类似装置，以使得所述发光装置可用于一般照明。
同时，所述发光装置可进一步包含形成在所述N型半导体层的每一者上的N型金属凸块(metal bumper)和形成在所述P型半导体层的每一者上的P型金属凸块。所述多个发光单元通过所述N型和P型金属凸块而接合到电极层。因此，所述多个发光单元通过金属凸块而电连接到电极层，且同时，热量可容易地通过金属凸块而散发到次载具衬底。
次载具衬底可具有多个凹入部分和凸起部分，且N型半导体层和P型半导体层可分别接合到凸起部分和凹入部分。凹入部分和凸起部分可分别被界定为N区和P区。此时，所述电极层中的每一者形成在P区和N区上方以连接P区和N区。
在本发明的实施例中，次载具衬底可包含形成在其一边缘处的P型接合垫和形成在其另一边缘处的N型接合垫。
同时，在所述多个发光单元中，位于衬底的所述边缘处的发光单元的P型半导体层可电连接到P型接合垫，且位于衬底的所述另一边缘处的发光单元的N型半导体层可电连接到N型接合垫。
P型半导体层和P型接合垫可通过P型金属凸块而彼此电连接，且N型半导体层和N型接合垫可通过N型金属凸块而彼此电连接。
多个连接电极可连接位于衬底的所述边缘处的发光单元与位于衬底的所述另一边缘处的发光单元之间的相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层，从而在所述衬底上形成串联发光单元阵列。同时，所述多个发光单元中的每一者可包含形成在衬底上的缓冲层。N型半导体层可形成在所述缓冲层上，且有源层(active layer)可位于所述N型半导体层的一部分上。另外，P型半导体层可位于所述有源层上。另外，第一金属层可形成在P型半导体层上，且第二金属层可形成在所述第一金属层上。第一金属层可以是透明电极，且第二金属层可以是反射膜。
根据本发明另一方面的发光装置包括一同设置在衬底上的多个发光单元。所述多个发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层。同时，N型金属凸块形成在所述多个发光单元中的一个发光单元的N型半导体层上，且P型金属凸块形成在所述多个发光单元中的另一发光单元的P型半导体层上。发光装置通过N型金属凸块和P型金属凸块而安装在引线框或次载具衬底上。多个连接电极形成在衬底上并电连接相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层，以在衬底上形成串联发光单元阵列，且上述一个发光单元和上述另一发光单元位于串联发光单元阵列的两端处。其中多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。
在本发明的某些实施例中，除所述N型金属凸块以外，可在所述多个发光单元中除上述一个发光单元以外的发光单元的N型半导体层上形成其它N型金属凸块，且除所述P型金属凸块以外，可在所述多个发光单元中除上述另一发光单元以外的发光单元的P型半导体层上形成其它P型金属凸块。可通过在次载具衬底上形成电极层且经由所述电极层电连接所述N型和P型金属凸块来形成串联发光单元阵列。
相反地，可通过用多个连接电极电连接相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层来在衬底上形成串联发光单元阵列。此时，上述一个发光单元和上述另一发光单元可位于所述串联发光单元阵列的两端处。另外，形成在所述一个发光单元的N型半导体层上的N型金属凸块的顶部表面和形成在所述另一发光单元的P型半导体层上的P型金属凸块的顶部表面可至少与连接电极的顶部表面齐平。也就是说，连接电极的顶部表面可位于N型和P型金属凸块的顶部表面下方或位于与N型和P型金属凸块的顶部表面相同的水平处。如果连接电极的顶部表面位于金属凸块的顶部表面下方，那么可防止连接电极与次载具衬底或引线框之间的短路。如果连接电极的顶部表面位于与接合垫的顶部表面相同的水平处，那么连接电极的顶部表面可与次载具衬底或引线框直接接触，从而促进热量散发。
本发明的另一方面提供一种用于在上面安装多个发光单元的次载具衬底。所述次载具衬底包含上面界定有多个N区和P区的衬底。多个电极层位于所述衬底上，且同时彼此间隔开。所述电极层连接相邻的N区和P区。此时，介电膜可位于所述多个电极层之下。
同时，衬底可具有凹入部分和凸起部分，且可分别将所述凸起部分和所述凹入部分界定为N区和P区。
本发明的又一方面提供上面安装具有多个发光单元的发光装置的封装。所述封装包括具有金属引线的引线框。发光装置位于所述引线框上。所述发光装置包含一同设置在衬底上的多个发光单元。所述多个发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层。多个连接电极形成在所述衬底上并电连接相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层，从而在衬底上形成串联发光单元阵列。另外，金属凸块可位于所述串联发光单元阵列的两端处。所述金属凸块可电连接到所述金属引线。其中所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。因此，即使存在多个发光单元，也可简化接合，因为位于串联发光单元阵列两端处的金属凸块连接到金属引线。与安装倒装芯片型发光装置的常规工艺相比，可防止安装发光装置的工艺复杂化。
另外，可在引线框与发光装置之间***次载具衬底。所述次载具衬底可在其顶部表面上具有对应于金属凸块的接合垫。所述接合垫可电连接到金属引线。
接合垫可通过接合线而电连接到金属引线，或通过形成在次载具衬底上的电路而直接连接到金属引线。
同时，发光装置的连接电极可与次载具衬底的顶部表面接触。此时，可通过次载具衬底散发从发光装置产生的热量，从而促进热量散发。相反地，连接电极可与次载具衬底的顶部表面间隔开。因此，可容易防止连接电极与金属引线之间的短路。
根据本发明再一方面的提供发光装置包括：多个发光单元，形成在衬底上且从所述衬底分离，所述发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层；以及次载具衬底，其上面接合有所述多个发光单元，其中所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。
前述次载具衬底包括多个彼此间隔开的电极层，所述多个发光单元接合到所述电极层，且所述电极层中的每一者电连接所述多个发光单元中两个相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层。
前述的发光装置，其进一步包括形成在所述N型半导体层中每一者上的N型金属凸块和形成在所述P型半导体层中每一者上的P型金属凸块，其中所述多个发光单元通过所述N型和P型金属凸块而接合到所述电极层。
在本发明的某些实施例中，前述次载具衬底具有多个凹入部分和凸起部分，且所述N型半导体层和所述P型半导体层分别接合到所述凸起部分和所述凹入部分。
有利效果
根据本发明，提供一种发光二极管，其可通过采用具有串联连接的多个发光单元的串联发光单元阵列经由直接连接到AC电源来驱动。由于构建了具有串联连接的多个发光单元的倒装芯片型发光装置，因而可容易地散发从发光单元产生的热量，从而降低发光装置上的热负荷且同样改进发光效率。同时，可能提供一种通过在上面安装发光装置而经由直接连接到AC电源来驱动的封装。此外，即使采用多个发光单元，也可简化将所述多个发光单元安装在次载具衬底或引线框的工艺，因为通过使用连接电极来串联连接所述多个发光单元。
附图说明
图1是说明常规倒装芯片型发光装置的截面图。
图2是说明根据本发明实施例的具有多个发光单元的发光装置的操作原理的电路图。
图3和4是说明根据本发明实施例的倒装芯片型发光装置的发光单元块的截面图。
图5是说明根据本发明实施例的倒装芯片型次载具衬底的截面图。
图6是说明根据本发明实施例的在图5次载具衬底上安装有图4发光单元块的发光装置的截面图。
图7是说明根据本发明另一实施例的在次载具衬底上安装有多个发光单元的发光装置的截面图。
图8是说明根据本发明又一实施例的在次载具衬底上安装有发光单元块的发光装置的截面图。
图9和10是说明根据本发明再一实施例的发光装置的截面图。
图11到13是说明上面安装有图10的发光装置的封装的截面图。
具体实施方式
下文将参看附图来详细描述本发明实施例。仅出于说明目的来提供以下实施例，使得所属领域的技术人员可完全理解本发明精神。因此，本发明不限于以下实施例，而是可以其它形式来实施。在图式中，为方便说明起见，可夸大元件的宽度、长度和厚度等。在说明书和图式中，相同参考标号始终指示相同元件。
图2是说明根据本发明实施例的具有多个发光单元的发光装置的操作原理的电路图。
参看图2，第一串联阵列31是通过串联连接发光单元31a、31b和31c而形成的，且第二串联阵列33是通过串联连接其它发光单元33a、33b和33c而形成的。
所述第一和第二串联阵列31和33每一者的两端均分别连接到AC电源35和接地。第一和第二串联阵列并联连接在AC电源35与接地之间。也就是说，第一串联阵列的两端均电连接到第二串联阵列的两端。
同时，第一和第二串联阵列31和33经布置以使得其发光单元由在相反方向上流动的电流驱动。换句话说，如图所示，包含在第一串联阵列31中的发光单元的阳极和阴极以及包含在第二阵列33中的发光单元的阳极和阴极布置在相反方向上。
因此，如果AC电源35处于正相，那么接通包含在第一串联阵列31中的发光单元来发光，且断开包含在第二串联阵列33中的发光单元。相反地，如果AC电源35处于负相，那么断开包含在第一串联阵列31中的发光单元，且接通包含在第二串联阵列33中的发光单元。
因此，由AC电源交替地接通和断开第一和第二串联阵列31和33，使得包含第一和第二串联阵列的发光装置连续发光。
虽然每一者包括单个发光二极管的发光芯片可彼此连接以由AC电源驱动(如图2的电路)，但增加了发光芯片所占用的空间。然而，在本发明的发光装置中，可通过连接到AC电源来驱动单个芯片，从而防止由发光装置占用的空间的增加。
同时，虽然图2所示的电路经配置以使得第一和第二串联阵列中的每一者的两端分别连接到AC电源35和接地，但电路可经配置以使得其两端连接到AC电源的两个端子。另外，虽然第一和第二串联阵列中的每一者包括三个发光单元，但这只是出于更好理解目的的说明性实例，且在必要时可增加发光单元的数目。也可增加串联阵列的数目。
同时，可在AC电源与串联阵列之间布置桥式整流器(bridgerectifier)，以提供由AC电源驱动的发光装置。此时，可使用发光单元来配置所述桥式整流器。通过采用此类桥式整流器，可能提供仅具有一个串联阵列的发光装置，所述发光装置可由AC电源驱动。
图3和4是说明根据本发明实施例的倒装芯片型发光装置的发光单元块1000的截面图，且图5是说明根据本发明实施例的倒装芯片型次载具衬底2000的截面图。
参看图3和4，发光单元块1000具有排列在蓝宝石衬底110上的多个发光单元。所述发光单元中的每一者包含形成在衬底110上的缓冲层120、形成在所述缓冲层120上的N型半导体层130、形成在所述N型半导体层130的一部分上的有源层140和形成在所述有源层140上的P型半导体层150。另外，在所述P型半导体层150上形成第一金属层160。同时，在第一金属层160上形成用于凸块接合(bumping)的P型金属凸块170，且在N型半导体层130上形成用于凸块接合的N型金属凸块180。同样，可在第一金属层160和N型半导体层130上形成具有10％到100％反射率的第二金属层(未图示)。此外，可在P型半导体层150上形成用于平稳供应电流的额外欧姆金属层。
衬底110可以是由Al2O3、SiC、ZnO、Si、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN、AlN或GaN制成的衬底。考虑形成在上面的半导体层的晶格系数而选择衬底110。举例来说，在衬底110上形成基于GaN的半导体层的情况下，可选择蓝宝石衬底110或SiC衬底作为衬底110。在此实施例中，当在衬底110上形成N型半导体层130时，形成执行缓冲功能的缓冲层120。然而，其并不限于此，且可以不形成缓冲层120。
虽然可使用掺杂有N型杂质的氮化镓(GaN)膜作为N型半导体层130，但其并不限于此，且可使用各种半导体材料层。在此实施例中，N型半导体层130可形成为包含N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)膜。另外，可使用掺杂有P型杂质的氮化镓膜作为P型半导体层150。在此实施例中，P型半导体层150经形成为包含P型AlxGa1-xN(0≤x≤1)膜。同时，InGaN膜可用作半导体层。此外，N型半导体层130和P型半导体层150的每一者可形成为多层膜。Si用作N型杂质，且Zn和Mg分别用作InGaAlP和基于氮化物的化合物的P型杂质。
另外，在N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)膜上反复形成量子阱层(quantum welllayer)和阻挡层(barrier layer)的多层膜用作有源层140。阻挡阱层(barrier well 1ayer)和量子阱层可由例如GaN、InN或AlN的二元化合物、例如InxGa1-xN(0≤x≤1)或AlxGa1-xN(0≤x≤1)的三元化合物或例如AlxInxGa1-x-yN(0≤x+y≤1)的四元化合物制成。所述二元到四元化合物可掺杂有N型或P型杂质。
优选的是，透明电极膜用作第一金属层160。在此实施例中，使用ITO。具有导电性的反射膜用作第二金属层。N型和P型金属凸块170和180可由Pb、Sn、Au、Ge、Cu、Bi、Cd、Zn、Ag、Ni和Ti中的至少一者制成。
下文将简要描述制作具有前述结构的发光单元块1000的方法。
在衬底110上依次形成缓冲层120、N型半导体层130、有源层140和P型半导体层150。
通过各种沉积和生长方法来形成这些材料层，所述方法包含金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)、氢化物气相外延(hydride vaporphase epitaxy，HVPE)等。
部分移除P型半导体150、有源层140、N型半导体层130和缓冲层120，以分离所述发光单元。为此目的，在P型半导体层150上形成预定掩膜图案(未图示)，且蚀刻P型半导体150、有源层140、N型半导体层130和缓冲层120中通过掩膜图案而暴露的部分，以使得所述多个发光单元彼此电性分离。
接着，通过预定蚀刻工艺来部分移除P型半导体150和有源层140，以暴露N型半导体层130的一部分。举例来说，在上面形成用于暴露P型半导体层150的一部分的蚀刻掩膜图案，且接着通过干式或湿式蚀刻工艺来移除P型半导体层150和有源层140的暴露部分，以使得可部分暴露N型半导体层130。此时，可同时部分移除N型半导体层130的上部分。
此后，在P型半导体层150上形成第一金属层160。所述第一金属层160可使用剥离工艺(lift-off process)来形成。也就是说，在整个结构上施加光致抗蚀剂，且接着使用预定掩膜通过光刻和显影工艺来形成用于暴露P型半导体层150的第一光致抗蚀图案(未图示)。随后，在整个结构上形成第一金属层160，且接着移除第一光致抗蚀图案。结果，移除金属层160中除位于P型半导体层150上的一部分以外的另一部分，以使得第一金属层160保留在P型半导体层150上。
在第一金属层160上形成P型金属凸块170，且在N型半导体层130上形成N型金属凸块180。为此目的，在整个结构上施加光致抗蚀剂，且接着使用预定掩膜通过光刻和显影工艺来形成用于暴露第一金属层160的一部分和N型半导体层130的一部分的第二光致抗蚀图案。接着，在整个结构上沉积金属层，且接着移除金属层中除形成在第一金属层160的暴露部分上的一部分和形成在N型半导体层130的暴露部分上的一部分以外的部分以及第二光致抗蚀图案。结果，在第一金属层160上形成P型金属凸块170，且在N型半导体层130上形成N型金属凸块180。
根据本发明的制作用于倒装芯片型发光装置的发光单元块的工艺不限于前述方法，而是可向其进一步添加各种修改和材料膜。也就是说，在P型半导体层上形成第一金属层之后，可执行分离发光单元的蚀刻工艺。另外，在暴露N型半导体层之后，可移除N型半导体层的暴露部分和缓冲层中在N型半导体层的部分下方的一部分，以分离所述发光单元。此外，可在第一金属层上进一步形成由金属反射膜形成的第二金属层。
图5是说明根据本发明实施例的用于倒装芯片型发光装置的次载具衬底2000的截面图。
参看图5，所述次载具衬底2000包括：衬底200，其上面界定有多个N区B和P区A；介电膜210，其形成在衬底200上；和多个电极层230，其每一者单一地将相邻N区B和P区A彼此连接。次载具衬底进一步包括位于衬底的一边缘处的延伸到P区A的P型接合垫240以及位于其另一边缘处的延伸到N区B的N型接合垫250。
N区B指的是发光单元块1000中N型金属凸块180所连接的区，且P区A指的是发光单元块1000中P型金属凸块170所连接的区。
此时，各种具有导热性的材料可用于衬底200，且举例来说，可使用SiC、Si、Ge、SiGe、AlN、金属和类似物。在衬底200具有传导性的情况下，介电膜210使电极230和接合垫240及250与衬底200电绝缘。介电膜210可形成为多层膜。介电膜210可由(例如)SiO2、MgO和SiN中的至少一者制成。
电极层230、N型接合垫250和P型接合垫240由具有优良导电性的金属制成。
下文将描述制作次载具衬底2000的方法。
在衬底200上形成凹入部分和凸起部分，以在上面界定N区B和P区A。可根据N型金属凸块180和P型金属凸块170的尺寸来对N区B和P区A的宽度、高度和形状进行各种修改。在此实施例中，衬底200的凸起部分成为N区B，且衬底200的凹入部分成为P区A。具有此类形状的衬底200可使用模制技术或通过蚀刻工艺来制作。也就是说，在衬底200上形成用于暴露P区A的掩膜，且接着蚀刻衬底200的暴露部分来形成凹陷的P区A。接着，移除所述掩膜，以使得形成凹陷的P区A和相对突出的N区B。或者，可借助于机械加工来形成凹陷的P区A。
接着，在整个结构(即，具有凹入部分和凸起部分的衬底200)上形成介电膜210。此时，在衬底200不是由传导材料制成的情况下，可以不形成介电膜210。在此实施例中，具有优良导电性的金属材料用作衬底200，以改进导热性。因此，介电膜210经形成以充当充分绝缘体。
接下来，在介电膜210上形成电极层230，所述电极层230的每一者成对连接相邻的N区B和P区A。可通过网版印刷(screen printing)方法或使用预定掩膜图案的气相沉积工艺来形成电极层230。
此后，前述发光单元块1000接合到次载具衬底2000，使得制作得到发光装置。
图6是说明在次载具衬底2000上安装有发光单元块1000的发光装置的截面图。
参看图6，发光单元块1000的P型和N型金属凸块170和180接合到次载具衬底2000的N区B和P区A，且两个相邻发光单元的N型金属凸块180和P型金属凸块170通过次载具衬底200的电极层230而连接到彼此，如图所示。位于发光单元块1000的一个边缘处的P型金属凸块170连接到次载具衬底2000的P型接合垫240，且位于发光单元块1000的另一边缘处的N型金属凸块180连接到次载具衬底2000的N型接合垫250。
此时，金属凸块170和180、电极层230以及接合垫240和250可通过各种接合方法来接合，所述方法例如使用共晶温度(eutectic temperature)的共晶方法。结果，所述多个发光单元接合到次载具衬底2000的顶部，使得形成串联连接的发光单元阵列。
此时，可依据待使用的电源和发光单元的功率消耗来对串联连接的发光单元的数目进行各种修改。
优选地，上面形成有10到1,000个发光单元的发光单元块1000接合到次载具衬底2000，以制作发光单元由衬底2000串联连接的发光装置。更优选地，上面形成有15到50个发光单元的发光单元块1000接合到次载具衬底2000，以制作发光单元由衬底2000串联连接的发光装置。举例来说，当由220V AC电源驱动时，可能制作在特定驱动电流下具有3.3V的66或67个单位发光单元的倒装芯片型发光装置，所述单位发光单元接合到次载具衬底2000。另外，当由110V AC电源驱动时，可能制作在特定驱动电流下具有3.3V的33或34个单位发光单元的发光装置，所述单位发光单元串联接合到次载具衬底2000。
本发明的接合方法并不限于此，且可形成各种实施例。
举例来说，代替图6所示的其中所述多个发光单元由衬底110连接的发光单元块1000，个别发光单元100a、100b和100c可位于次载具衬底2000上，且同时彼此间隔开，如图7所示。此时，相邻发光单元100a到100c的N型金属凸块170和P型金属凸块180通过形成在次载具衬底2000上的电极层230而彼此电连接。
通过在图6的发光单元块1000中将衬底110与多个发光单元分离来制作图7的发光单元100a、100b和100c。可使用激光或研磨工艺来将衬底110与发光单元进行分离。
或者，如图8所示，可通过在上面界定有多个N区B和P区A的平坦衬底200上形成电极层230(所述电极层230成对连接相邻的N区B和P区A)以形成次载具衬底2000且通过在次载具衬底2000上安装发光单元块来制作发光装置。也就是说，在上面未形成特定图案(例如，凹入部分和凸起部分)的衬底200上形成彼此间隔开的电极层230，且相邻发光单元的N型金属凸块180和P型金属凸块170彼此电连接。此时，N型金属凸块180和P型金属凸块170在相同水平处接合到电极层230，如图所示。
同时，代替在发光单元上形成P型和N型金属凸块170和180，可在次载具衬底2000上的N区B和P区A上形成金属凸块170和180。此时，可在N型和P型半导体层130和150上进一步形成特定金属电极(未图示)，以便接合到金属凸块170和180。
在本发明实施例中，可由电极层230连接形成在衬底110上的发光单元，以形成至少两个串联发光单元阵列。所述至少两个串联发光单元阵列可由家用AC电源驱动，且同时彼此反向并联连接。相反地，可在发光装置内配置额外桥接电路。所述桥接电路可使用发光单元和电极层来配置。
在前述实施例中，次载具衬底2000的电极层将所述多个发光单元彼此电连接，以形成串联发光单元阵列。然而，由于应将所述多个发光单元与次载具衬底2000的电极层对准，因而在本实施例中将所述多个发光单元接合到次载具衬底2000可能是复杂的。
下文将描述根据本发明另一实施例的能够防止将多个发光单元接合到次载具衬底或引线框的工艺复杂化的发光装置。
图9是说明根据本发明再一实施例的发光装置50的截面图。
参看图9，所述发光装置50包括衬底51和形成在所述衬底上的多个发光单元。考虑将要形成在上面的半导体层的晶格系数而选择所述衬底51。举例来说，在衬底51上形成基于GaN的半导体层的情况下，衬底51可为蓝宝石衬底。
所述发光单元中的每一者包括N型半导体层55、有源层57和P型半导体层59。所述有源层57位于所述N型半导体55的一部分上，且所述P型半导体层59位于所述有源层57上。因此，N型半导体层的顶部表面的一部分由有源层57和P型半导体层59覆盖，且N型半导体层的顶部表面的剩余部分被暴露。同时，金属层61可位于P型半导体层59上，且另一金属层63可位于N型半导体层55的另一部分上。金属层61和63与P型和N型半导体层形成欧姆接触，以降低结电阻。此时，虽然另一金属层63可由与包含在金属层中的金属材料相同的材料制成，但其并不限于此。另外，如果不需要用于形成额外欧姆接触的金属层，那么将去除金属层63。
同时，可在N型半导体层55与衬底51之间***缓冲层53。所述缓冲层53用于降低由于衬底51与N型半导体层55的晶格系数之间的差异引起的应力。作为缓冲层，可使用基于GaN的半导体层。
虽然N型半导体层55可以是掺杂有N型杂质的基于GaN的膜(例如，N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)膜)，但其并不限于此，且可由各种半导体层形成。另外，虽然P型半导体层59可以是掺杂有P型杂质的基于GaN的膜(例如，P型AlxGa1-xN(0≤x≤1)膜)，但其并不限于此，且可由各种半导体层形成。N型和P型半导体层可以是InxGa1-xN(0≤x≤1)膜，且形成为多层膜。同时，Si可用作N型杂质，且Mg可用作P型杂质。如果半导体层基于GaP而并非GaN，那么Zn可用作P型杂质。
有源层57一般具有多层膜结构，其中反复形成量子阱层和阻挡层。所述量子阱层和所述阻挡层可使用AlxInxGa1-x-yN(0≤x，y≤1，0≤x+y≤1)化合物来形成，且可掺杂有N型或P型杂质。
另外，金属层61可包含上下层压的第一和第二金属层。所述第一金属层和所述第二金属层可分别为透明电极层和反射层。反射层通过将光反射回到衬底51来改进光学效率，所述光已从有源层发射且接着透射穿过透明电极层。透明电极层可为氧化锡铟(ITO)膜，且所述反射层可以是反射率为10％到100％的金属层。
可通过在衬底51上依次形成缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层且通过使用光刻和蚀刻工艺来对它们进行蚀刻而形成所述发光单元。此时，可通过各种沉积和生长方法来形成材料层，所述方法例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)。在执行光刻和蚀刻工艺之前，可进一步在P型半导体层上形成金属层。
在使用光刻和蚀刻工艺将发光单元彼此分离之后，可形成其它金属层63。可通过在分离的发光单元上沉积金属层且使用光刻和蚀刻工艺来图案化所述金属层而形成所述其它金属层。
同时，相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层由各自连接电极65电连接。发光单元由连接电极65串联连接，以形成串联发光单元阵列。如参看图2描述，可在衬底51上形成至少两个串联发光单元。所述至少两个串联发光单元阵列经布置以由在相反方向上流动的电流驱动。
于在N型和P型半导体层55和59上形成金属层61和63的情况下，连接电极65连接P型半导体层上的金属层61和N型半导体层上的金属层63。连接电极65可以空中桥梁(air bridge)或阶梯覆盖(step-cover)的形式来连接金属层。可使用金属气相沉积、电镀或化学镀(electrolessplating)来形成连接电极65。
同时，金属凸块67a和67b位于串联发光单元阵列的两端处。金属凸块67a和67b是在稍后于次载具衬底或引线框上安装发光装置50时执行凸块接合作用的金属凸块。
金属凸块67a的厚度可为0.01到1000，且金属凸块67a和67b的顶部表面位于比连接电极65的水平高的水平处。
同时，金属凸块可形成在串联发光单元阵列两端处，但并不限于此。金属凸块可形成在一个串联阵列的两端处，且其它串联阵列中的每一者的两端可电连接到所述金属凸块。
根据本发明实施例的发光装置50可通过直接连接到AC电源来进行操作。由于发光单元通过连接电极65而彼此连接，因而可通过将金属凸块67a和67b接合到次载具衬底或引线框来操作发光装置50。因此，即使存在所述多个发光单元，也可能防止安装发光装置50的工艺复杂化。
图10是说明根据本发明再一实施例的发光装置70的截面图。
参看图10，发光装置70包括与参看图9描述的发光装置50的组件相同的组件。下文将仅描述发光装置70中与发光装置50的那些部分不同的部分。
此实施例的发光装置70具有位于与金属凸块67a和67b的顶部表面相同的水平处的连接电极75。因此，可使用与形成连接电极75的工艺相同的工艺来形成金属凸块67a和67b。此外，由于接触电极还与次载具衬底或引线框的顶部接触，因而与图9的发光装置50相比，发光装置70可改进热量散发。
图11到13是说明根据本发明其它实施例的具有发光装置70的封装的截面图。图11是说明发光装置70安装在引线框上的封装的截面图，且图12和13是说明发光装置70安装在次载具衬底上的封装的截面图。
参看图11，封装3000包括具有金属引线101a和101b的引线框。所述引线框可包含其中金属引线是经***模制的封装主体103。另外，引线框可以是印刷电路板。
发光装置70安装在引线框上且接着电连接到金属引线101a和101b。此时，发光装置70的金属凸块67a和67b分别接合到金属引线101a和101b。结果，发光装置70的串联发光单元阵列电连接到金属引线101a和101b。同时，连接电极75与引线框的顶部表面物理接触，且同时与金属引线间隔开。因此，从发光装置70产生的热量可容易地通过连接电极75散发到引线框。
模制部件105覆盖发光装置70的顶部。模制组件可含有荧光物质和/或漫射物质。所述荧光物质可将从发光装置70发射的一部分光转换为具有较长波长的光。因此，可使用发射紫外线或蓝光的发光装置70来获得白光。同时，可在模制部件105与发光装置70之间***荧光物质。模制部件105可具有透镜形状，以调整发射光的方向角。
同时，封装3000可进一步在封装主体103之下包含散热片(heat sink)107。散热片107促进从发光装置70发射的热量的散发。
根据此实施例，提供一种可通过安装具有多个发光单元的发光装置70经由直接连接到AC电源来驱动的封装3000。另外，由于连接电极75与引线框的顶部表面物理接触，因而可促进从发光装置70产生的热量的散发。
同时，代替发光装置70，可安装图9的发光装置50。此时，由于与金属凸块67a和67b相比，发光装置50的连接电极65具有较低高度，因而它们不与引线框的顶部表面形成物理接触。因此，可容易防止连接电极65与金属引线101a和101b之间的短路。
参看图12，通过向参看图11描述的封装3000添加次载具衬底201和接合线203a及203b来配置根据此实施例的封装4000。次载具衬底201***在发光装置70与引线框顶部表面之间。
次载具衬底201包含衬底和形成在所述衬底上的接合垫201a和201b。所述接合垫对应于发光装置70的金属凸块67a和67b。发光装置的金属凸块接合到次载具衬底的接合垫。
优选的是，次载具衬底的衬底由具有导热性的材料制成。由SiC、Si、锗(Ge)、硅锗(silicone germanium，SiGe)、氮化铝(AlN)、金属或类似物制成的衬底可用作所述衬底。同时，可在衬底顶部表面上形成介电层。所述介电层使接合垫201a和201b以及连接电极75与衬底绝缘。同时，如果衬底由绝缘材料制成，那么可去除介电层。
所述接合垫201a和201b以及所述金属引线101a和101b通过接合线来进行电连接。
如参看图11所述，代替发光装置70，可安装图9的发光装置50。
参看图13，根据此实施例的封装5000具有以与图12中说明的封装相同的方式***在发光装置70与引线框之间的次载具衬底301。然而，次载具衬底301与图12的次载具衬底201的不同之处在于，其具有穿透过次载具衬底的接合垫301a和301b。因此，由于接合垫直接接合到金属引线101a和101b，因而可去除图12的接合线。
次载具衬底301并不限于此，而是可进行各种修改。举例来说，接合垫301a和301b可能不穿透过次载具衬底而是分别沿着衬底侧边延伸到次载具衬底的底部。
另外，代替发光装置70，图9的发光装置50可安装在次载具衬底301上。

Claims (18)

1.一种发光装置，其包括：
衬底；
多个发光单元，一同设置在所述衬底上，所述发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层；以及
次载具衬底，其上面接合有所述多个发光单元，其中
所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述次载具衬底包括多个彼此间隔开的电极层，所述多个发光单元接合到所述电极层，且所述电极层中的每一者电连接所述多个发光单元中两个相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层。
3根据权利要求2所述的发光装置，其进一步包括形成在所述N型半导体层中每一者上的N型金属凸块和形成在所述P型半导体层中每一者上的P型金属凸块，其中所述多个发光单元通过所述N型和P型金属凸块而接合到所述电极层。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述次载具衬底具有多个凹入部分和凸起部分，且所述N型半导体层和所述P型半导体层分别接合到所述凸起部分和所述凹入部分。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述次载具衬底包括形成在其一边缘处的P型接合垫和形成在其另一边缘处的N型接合垫，且在所述多个发光单元中，位于所述衬底的所述边缘处的发光单元的P型半导体层电连接到所述P型接合垫，且位于所述衬底的所述另一边缘处的发光单元的N型半导体层电连接到所述N型接合垫。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其进一步包括用于电连接所述P型半导体层和所述P型接合垫的P型金属凸块以及用于电连接所述N型半导体层和所述N型接合垫的N型金属凸块。
7.根据权利要求6所述的发光装置，其进一步包括多个连接电极，所述连接电极电连接位于所述衬底的所述边缘处的所述发光单元与位于所述衬底的所述另一边缘处的所述发光单元之间的相邻发光单元的所述N型半导体层和所述P型半导体层，从而在所述衬底上形成串联发光单元阵列。
8.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述多个发光单元中的每一者包括：
缓冲层，其形成在所述衬底上；
所述N型半导体层，其形成在所述缓冲层上；
有源层，其形成在所述N型半导体层的一部分上；
所述P型半导体层，其形成在所述有源层上；
第一金属层，其形成在所述P型半导体层上；以及
第二金属层，其形成在所述第一金属层上。
9.一种发光装置，其包括：
衬底；
多个发光单元，一同设置在所述衬底上，所述发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层；
N型金属凸块，其形成在所述多个发光单元中的一个发光单元的N型半导体层上；
P型金属凸块，其形成在所述多个发光单元中的另一发光单元的P型半导体层上；以及
多个连接电极，形成在所述衬底上并电连接相邻发光单元的所述N型半导体层和所述P型半导体层，以在所述衬底上形成串联发光单元阵列，且上述一个发光单元和上述另一发光单元位于所述串联发光单元阵列的两端处，其中
所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。
10.根据权利要求9所述的发光装置，其中所述N型金属凸块和所述P型金属凸块的顶部表面经定位成至少与所述连接电极的顶部表面齐平。
11.根据权利要求9所述的发光装置，其中所述多个所述发光单元中的每一者包括：
缓冲层，其形成在所述衬底上；
所述N型半导体层，其形成在所述缓冲层上；
有源层，其形成在所述N型半导体层的一部分上；
所述P型半导体层，其形成在所述有源层上；
第一金属层，其形成在所述P型半导体层上；以及
第二金属层，其形成在所述第一金属层上。
12.根据权利要求11所述的发光装置，其中所述第一和所述第二金属层分别为透明电极和反射膜。
13.一种封装，其包括：
具有金属引线的引线框；以及
发光装置，其安装在所述引线框上，所述发光装置包含：
衬底；
多个发光单元，一同设置在所述衬底上，所述发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层，
多个连接电极，形成在所述衬底上并电连接相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层，以在所述衬底上形成串联发光单元阵列，以及
金属凸块，其位于所述串联发光单元阵列的两端处，所述金属凸块电连接到所述金属引线，其中
所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。
14.根据权利要求13所述的封装，其进一步包括次载具衬底，所述次载具衬底***在所述引线框与所述发光装置之间，其中所述次载具衬底在其顶部表面上具有对应于所述金属凸块的接合垫，且所述接合垫电连接到所述金属引线。
15.根据权利要求14所述的封装，其中所述接合垫通过接合线而电连接到所述金属引线。
16.根据权利要求14所述的封装，其中所述连接电极与所述次载具衬底的所述顶部表面接触，但与所述接合垫间隔开。
17.一种发光装置，其包括：
多个发光单元，形成在衬底上且从所述衬底分离，所述发光单元中的每一者具有N型半导体层和位于所述N型半导体层的一部分上的P型半导体层；以及
次载具衬底，其上面接合有所述多个发光单元，其中
所述多个发光单元彼此电连接，而使用AC电源来直接驱动所述发光装置。
18.根据权利要求17所述的发光装置，其中所述次载具衬底包括多个彼此间隔开的电极层，所述多个发光单元接合到所述电极层，且所述电极层中的每一者电连接所述多个发光单元中两个相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层。
19根据权利要求18所述的发光装置，其进一步包括形成在所述N型半导体层中每一者上的N型金属凸块和形成在所述P型半导体层中每一者上的P型金属凸块，其中所述多个发光单元通过所述N型和P型金属凸块而接合到所述电极层。
20.根据权利要求17所述的发光装置，其中所述次载具衬底具有多个凹入部分和凸起部分，且所述N型半导体层和所述P型半导体层分别接合到所述凸起部分和所述凹入部分。
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