CN101211957A - 交流电发光装置及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种交流电发光装置,包括一基材、多个形成于该基材上的微管芯发光元件、形成于部份微管芯发光元件表面的整流元件专用部、形成于该整流元件专用部上且具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件的整流单元、以及电性连接各该整流元件与微管芯发光元件的导电结构,通过整流单元形成于该整流元件专用部上设计可使整流元件具有更高的反偏电压承受能力与较低的正偏开启电压值。此外,本发明还提供一种交流电发光装置的制法。

Description

交流电发光装置及其制法
技术领域
本发明涉及发光装置,尤其涉及一种交流电发光装置及其制法。
背景技术
随着光电科技的不断发展,属于发光源之一的发光二极管(LightEmitting Diode,LED)已大量应用于各种领域,并于光电产业中占有举足轻重的地位。传统LED芯片(chip)均是以直流电源驱动,在以交流电为主的一般生活环境中使用时必须外加交流转直流的控制电路以及降压元件方可正常操作,如此不仅增加制造成本,操作效率亦随之降低,因此开发交流电直接操作的LED芯片确有其必要。自2005年以来,美、日、韩、中等国陆续有厂商发表以交流电直接操作的LED(AC LED)芯片,足见AC LED已被视为极具潜力的新型元件。
在美国专利第US 6,547,249号案与第US 6,957,899号案以及台湾专利申请第093126201号案中,均提出于单一芯片中连接多颗微小化发光二极管管芯以使该芯片可达到高压交流电环境下直接操作的目的,其中相仿的设计均包括至少一组交流微管芯发光二极管模块形成于一芯片之上,且该交流微管芯发光二极管模块至少包含两颗微管芯发光二极管相互电性连结,在施加交流电的情况下各微管芯则依照电路连结的方式而轮流发光。此种LED管芯虽可于交流电环境下正常操作,但由于其本身的设计使得每一微管芯仅能于二分之一周期中发光,因此于交流电环境下每一瞬间均仅有一半的管芯处于正向偏压的工作状态,将造成发光面积的浪费。
为改善上述缺点,以惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)为等效电路的AC LED设计概念被提出,其主要是将发光管芯模块置于整流后电流方向恒定的区域以使得发光管芯无论交流电偏压方向为何均可发光,然而此种设计所产生另一问题是如直接以发光二极管微管芯作为整流元件,则会因为发光二极管的反偏电压承受力不佳而需大量发光二极管微管芯作为整流之用,因此亦会造成管芯表面面积的浪费。
因此,如何有效解决上述现有技术的缺失,以直接于LED管芯表面制作具备高反偏电压承受力与低正向开启电压的整流元件,实为目前亟需解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述背景技术的缺点,本发明的一目的是提供一种交流电发光装置及其制法,以提升高反向偏压承受能力。
本发明的又一目的是提供一种交流电发光装置及其制法,以提升单位面积的利用率。
本发明的另一目的是提供一种具惠斯通电桥电路结构的交流电发光装置及其制法。
为达上揭目的以及其他目的,本发明提供一种交流电发光装置,至少包括:基材;多个微管芯发光元件,形成于该基材上,每一微管芯发光元件至少具有一有源层及导电端子;整流元件专用部,形成于部份微管芯发光元件的表面;整流单元,形成于该整流元件专用部上,具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件,用以提供整流作用而输出直流电信号至各该微管芯发光元件;以及导电结构,电性连接各该整流元件与微管芯发光元件。
前述的交流电发光装置中,该基材可为一晶片或一绝缘基板;该有源层可为一发光活性层;该微管芯发光元件的导电端子可为欧姆电极。该整流元件专用部可为采用外延生长(epitaxy growth)及沉积的其中一种方式制成的整流元件专用层,优选地,该整流元件专用层为半导体材料AlGaN形成的构造。该整流元件专用部可为采用掺杂杂质方式制成于该基材上的整流元件专用区域,优选地,该杂质为N型杂质,而该区域以离子注入或扩散方式制成。
于一优选实施例中,各该微管芯发光元件可为矩阵排列,各该微管芯发光元件可依单色光或混光的需求而相互串联、并联、或串连且并联,同时,各该微管芯发光元件可具有相同波长或相异波长,从而依需求选择适当数量而变化混光效果。于另一优选实施例中,该微管芯发光元件可包含缓冲层、N型半导体、有源层及P型半导体。该导电结构可为选自导电架桥、打线金属构造、及具导电能力的透明金属氧化层的其中之一;而该整流元件可为肖特基二极管(Schottky diode)。
为达与前述相同的目的,本发明还提供二种交流发光装置制法。
第一种制法至少包括:提供一基材;于该基材上形成至少具一层有源层的多个微管芯发光元件;于部份微管芯发光元件的表面形成整流元件专用层;于该整流元件专用层上形成整流单元,该整流单元具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件;蚀刻沟槽以使各该微管芯发光元件与整流元件相互绝缘;于各该微管芯发光元件形成导电端子;以及形成电性连接各该整流元件与微管芯发光元件的导电端子的导电结构。
前述制法中,可预先以蚀刻方式于该整流元件专用层表面定义出整流元件区域之后再形成整流单元,后续并完全去除该整流元件专用层的残留部份。另外,可预先于各该微管芯发光元件的外缘包覆一保护层,再移除部分保护层以穿过该保护层形成多个导电端子,其中,该保护层的材质可为例如SiOx或SiNx的介电材料。
第二种制法至少包括:提供一基材;于该基材上形成至少具一层有源层的多个微管芯发光元件;于部份微管芯发光元件的表面掺杂杂质,通过降低表面杂质的掺杂浓度而形成整流元件专用区域;于该整流元件专用区域上形成整流单元,该整流单元具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件;蚀刻沟槽以使各该微管芯发光元件与整流元件相互绝缘;于各该微管芯发光元件形成导电端子;以及形成电性连接各该整流元件与微管芯发光元件的导电端子的导电结构。同样地,可预先以蚀刻方式于该整流元件专用区预定义出整流元件区域之后再形成整流单元。
由于本发明的交流电发光装置及其制法主要是将整流单元制作于依整流元件专用部上,而该整流元件专用部是以外延生长、沉积、扩散或注入等方式制作于基材上,因此该整流元件将具有更高的反偏电压承受能力与较低的正偏开启电压值,可由此减少整流单位中的整流元件使用量,以节省更多空间供增加微管芯发光元件的配置面积,以提升单位面积的利用率,达到增加整体发光效率的目的,从而可克服现有发光二极管的反偏电压承受力不佳而需大量发光二极管微管芯作为整流的缺失。
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用,本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
附图说明
图1A及1B分别显示本发明的交流电发光装置中,位于有源层上方的整流元件专用层或区域的材料结构侧视图;
图2A及2B分别显示本发明的交流电发光装置中,为整流元件与微管芯发光元件的详细管芯结构侧视图;
图3A及3B为本发明的交流电发光装置等效电路示意图;以及
图4A及4B为本发明的交流电发光装置中各元件配置的俯视结构示意图。
主要元件符号说明
10          芯片
11          缓冲层
12          N型半导体
13          有源层
14          P型半导体
15          整流元件专用层
16          基材
17          掺杂浓度区
20          交流电发光装置
20a、20b    微管芯发光元件
20c         整流元件
201a、201b  欧姆电极
202a、202b  欧姆电极
203a、203b  整流电极
23a、23b    导电结构
31a、31b、31c、31d  整流元件
32a、32b            微管芯发光模块
41a、41b、41c、41d  整流元件
42                  微管芯发光元件
43、44              打线金属层
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。
本发明揭示一种适用于例如以晶片为基材的交流发光装置,该交流发光装置经将外加的交流电(AC power)以例如惠斯通电桥整流后驱动微管芯发光元件产生单色光源或非单色光源以供使用者利用,而该单色光源或非单色光源是以全时发光的状态表现于该芯片的出光表面。该交流电的优选实施方式为一般市电,依各国的电气标准,其电压为110V(伏特)、100V或220V,频率为60Hz(赫兹)或50Hz。
参阅图1A至4B,分别显示有关本发明交流电发光装置及其制法的实施例示意图。
本发明提供一种交流电发光装置,至少包括:基材16;多个微管芯发光元件20a、20b,形成于该基材16上,每一微管芯发光元件至少具有一有源层13及导电端子;整流元件专用部,形成于部份微管芯发光元件的表面;整流单元,形成于该整流元件专用部上,具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件20c,用以提供整流作用而输出直流电信号至各该微管芯发光元件20a、20b;以及导电结构23a、23b,电性连接各该整流元件20c与微管芯发光元件20a、20b。
该基材16可为一晶片或一绝缘基板;该有源层13可为一发光活性层;该微管芯发光元件20a、20b的导电端子可为欧姆电极201a、201b、202a、202b。该整流元件专用部可为采用外延生长及沉积的其中一种方式制成的整流元件专用层,如半导体材料AlGaN形成的构造。此外,该整流元件专用部亦可为采用离子注入及扩散的其中一种方式掺杂杂质制成于该基材16上的整流元件专用区域17,优选地,该杂质为N型杂质。
如图1A中所示的剖面图表示本发明交流电发光装置所使用的微管芯发光元件的外延生长结构,以一芯片10中以外延生长方式直接制成一微管芯发光元件为例,但本发明并不限于以外延生长方式制作。该芯片10的外延生长结构至少包括一基材16、一形成于该基材16上的缓冲层11,于缓冲层上的N型半导体12,于N型半导体上的有源层13,于有源层上的P型半导体14,以及于P型半导体14上的一整流元件专用层15。以GaN系半导体为例,该整流元件专用层15优选的实施方式为本征半导体AlGaN,或亦可为其他具有相同特性的半导体材料。该整流元件专用层15主要用途在于提供一符合制作整流单元的整流元件所需的材料,以使得整流元件具备高反向击穿电压与低正向开启电压。
该基材16的优选实施方式为Al2O3、GaAs、GaP、SiC等晶片或任何绝缘材料。
图1B则为另一交流电发光装置的微管芯发光元件构造,相比于前述,图1B为利用离子注入或扩散等其他方式将可降低原本芯片10的二极管外延生长片表面掺杂浓度的杂质加入其中。以一般GaN外延生长片为例,芯片表面通常为P型掺杂,本发明提出以注入或扩散等方式掺杂N型杂质,如Si,进入P型GaN膜后经过活化可使得P型与N型杂质掺杂效果相互抵消,使得芯片10表面的掺杂浓度区17的浓度可降低至近似于本征半导体的程度,将有利于整流元件的制作。
图2A(邻近微管芯发光元件构造)以放大图说明该交流电发光装置20,其包括微管芯发光元件20a及20b与整流元件20c,每一微管芯发光元件20a及20b均具有至少一层的有源层13,其中,该有源层13为一发光活性层,每一微管芯发光元件20a、20b表面均不具有整流元件专用层15,且该微管芯发光元件20a及20b的各有源层13均具有各自对应的欧姆电极201a、201b、202a、202b,外加的交流电经由该欧姆电极201a、201b、202a、202b即可令该有源层13发出光源。
图2A中的整流元件20c至少具有一层有源层13,以及位于有源层13上方供制作整流元件15电极的结构,该结构可以外延生长、沉积、扩散或注入等不同方式制作。该整流元件20c具有至少一(肖特基)整流电极203a与(欧姆)整流电极203b,当施与整流电极203a一相对欧姆电极203b的正向偏压时,电流将因为金属半导体接面势垒降低而可流过接面,但当施予欧姆电极203b一相对于整流电极203a正向偏压时,电流则因金属半导体接面的势垒增加而无法流过接面,以达到整流的效果。
图2A中的导电结构23a、23b使微管芯发光元件20a、20b间以及与整流单元可形成电性连结,一微管芯发光元件20a的导电端子包括欧姆电极201a、201b通过该导电结构23a可与另一微管芯发光元件20b的欧姆电极202a、202b相互连结,而微管芯发光元件20a、20b与整流元件20c亦由该导电结构23b形成电性连结。该导电构造23a、23b的优选实施方式为一导电架桥。
图2B为本发明另一实施方式示意图,相比于图2A中所示,图2B中所揭示为一同时具整流与发光作用的整流元件20c设计。图2B中的整流元件20c具有完整微管芯发光元件结构与置于其上的整流元件专用层15,将(肖特基)整流电极203a制作于该整流元件专用层15之上,而(欧姆)整流电极203b则制作于该整流元件20c下方的N型半导体12表面。在正偏的情况下,电流可流过该整流元件20c的有源层13而使其发光,而当处于反偏的情况时则因整流元件20c可阻止电流流过达整流的目的。此设计可以最简易的制造方式得到最大的发光面积。
图3A为具整流元件的交流电发光模块等效电路示意图,图中的整流元件31a、31b、31c以及31d分别代表一颗前述管芯型式的整流元件(如前述的20c),并由各该整流元件31a、31b、31c以及31d分别为构成依惠斯通电桥电路结构配置的整流单元,输入交流电发光模块的交流电源经整流单元的整流元件31a整流后导入微管芯发光模块32a(包括适当数量的微管芯发光元件,如前述的20a),经整流元件31d整流后可使微管芯发光模块32a恒处于正偏状态下发光;相同地,经整流元件31c整流后导入微管芯发光模块32a,经整流元件31b整流后可使微管芯发光模块32a恒处于反偏状态下发光。
图3A中的微管芯发光模块32a中的微管芯发光元件(如前述的20a、20b)并不仅限于单排串接,如图3B的电路示意图中的微管芯发光模块32b为双排并串接,故本发明中所使用的微管芯发光模块32b可为单色或多色的微管芯发光元件以串连与并联等多种组合构成,亦即可依需求选择适当数量相同或相异波长的微管芯发光元件而变化混光效果。
图4A为本发明的交流电发光装置中,具表面惠斯通电桥的其中一实施例的俯视示意图,具有整流元件41a、41b、41c以及41d,交流电在不同偏压条件下分别经打线电极43与44(例如图2A的(肖特基)整流电极203a)进入惠斯通电桥电路结构后再流入各微管芯发光元件42中,如此可使各微管芯发光元件42恒处于正偏操作的环境以达提升管芯表面利用率的效果。图4A中整流元件41a、41b、41c、41d分别制作于打线电极43与44下方,利用原本无法使用的区域作为整流用途以增加本交流发光装置的发光面积(可配合引用于图2A中所示构造)。
图4B为本发明的另一实施例,不同于图4A的是将整流元件41a、41b、41c、41d与微管芯发光元件42结合,使得整流元件41a、41b、41c、41d本身亦具有发光功能,与打线电极43、44连结后整流元件41a、41b、41c、41d于导通状态下可如同其余微管芯发光元件42一般发光,可达增加本交流发光装置发光面积的目的(可配合引用于图2B中所示构造)。
对应前述交流电发光装置,本发明还提供二种交流电发光装置制法。第一种制法与图1A相关,提供一基材16,再于该基材16上外延生长形成至少具一层有源层13的微管芯发光元件20a、20b,后于其表面以外延生长或沉积方式制作整流元件专用层15;以蚀刻等方式于管芯表面分别定义出整流元件20c与微管芯发光元件20a、20b区域,并于该整流元件专用层15上形成整流单元,该整流单元具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件20c;续使微管芯发光元件20a、20b表面的整流元件专用层15完全去除;以干蚀刻或湿蚀刻方式蚀刻出沟槽使得该各微管芯发光元件20a、20b与该整流元件20c相互绝缘;于该各微管芯发光元件20a、20b的外缘包覆一保护层,再移除部分保护层以穿过该保护层形成多个导电端子;以及对该保护层下的该导电端子形成多个导电结构23a、23b,以电性连接该整流元件20c与该微管芯发光元件20a、20b,形成依惠斯通电桥配置的整流元件20c,用以输出直流电信号对于该多个微管芯发光元件20a、20b形成整流作用的电性连接以进行发光。
第二种制法与图1B相关,提供一基材16,再于该基材16上外延生长形成至少具一层有源层13的微管芯发光元件20a、20b,后于其表面以离子注入或扩散等方式,通过降低其表面杂质的掺杂浓度,制作整流元件专用区域17;并于该整流元件专用区域17上形成整流单元,该整流单元具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件20c;续以干蚀刻或湿蚀刻方式蚀刻出沟槽使得该各微管芯发光元件20a、20b与该整流元件20c相互绝缘;于该各微管芯发光元件20a、20b的外缘包覆一保护层,再移除部分保护层以穿过该保护层形成多个导电端子;以及对该保护层下的该导电端子形成多个导电结构23a、23b,以电性连接该整流元件20c与该微管芯发光元件20a、20b,形成依惠斯通电桥配置的整流元件20c,用以输出直流电信号对于该多个微管芯发光元件20a、20b形成整流作用的电性连接以进行发光。
由于本发明的交流电发光装置及其制法主要是将整流单元制作于依整流元件专用部上,而该整流元件专用部是以外延生长、沉积、扩散或注入等方式制作于基材上,因此该整流元件将具有更高的反偏电压承受能力与较低的正偏开启电压值,可由此减少整流单位中的整流元件使用量,以节省更多空间供增加微管芯发光元件的配置面积,以提升单位面积的利用率,达到增加整体发光效率的目的,从而可克服现有发光二极管的反偏电压承受力不佳而需大量发光二极管微管芯作为整流的缺失。
以上所述的具体实施例仅用以例释本发明的特点及功效,而非用以限定本发明的可实施范围,在未脱离本发明上揭的精神与技术范围下,任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰均仍应为随附的权利要求所涵盖。

Claims (36)

1.一种交流电发光装置,至少包括:
基材;
多个微管芯发光元件,形成于该基材上,每一微管芯发光元件至少具有一有源层及导电端子;
整流元件专用部,形成于部份微管芯发光元件的表面;
整流单元,形成于该整流元件专用部上,具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件,用以提供整流作用而输出直流电信号至各该微管芯发光元件;以及
导电结构,电性连接各该整流元件与微管芯发光元件。
2.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该基材为晶片及绝缘基板的其中之一。
3.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该有源层为一发光活性层。
4.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该导电端子为欧姆电极。
5.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该整流元件专用部为采用外延生长及沉积的其中一种方式制成的整流元件专用层。
6.根据权利要求5所述的交流电发光装置,其中,该整流元件专用层为半导体材料AlGaN形成的构造。
7.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该整流元件专用部为采用离子注入及扩散的其中一种方式掺杂杂质制成于该基材上的整流元件专用区域。
8.根据权利要求7所述的交流电发光装置,其中,该杂质为N型杂质。
9.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,各该微管芯发光元件选自相互串联、并联、及串联且并联的其中之一。
10.根据权利要求9所述的交流电发光装置,其中,各该微管芯发光元件具有选自相同及相异波长的其中之一。
11.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该导电结构为选自导电架桥、打线金属构造、及具导电能力的透明金属氧化层的其中之一。
12.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该微管芯发光元件包含缓冲层、N型半导体、有源层及P型半导体。
13.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,各该微管芯发光元件为矩阵排列。
14.根据权利要求1所述的交流电发光装置,其中,该整流元件为肖特基二极管。
15.一种交流电发光装置的制法,至少包括:
提供一基材;
于该基材上形成至少具一层有源层的多个微管芯发光元件;
于部份微管芯发光元件的表面形成整流元件专用层;
于该整流元件专用层上形成整流单元,该整流单元具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件;
蚀刻沟槽以使各该微管芯发光元件与整流元件相互绝缘;
于各该微管芯发光元件形成导电端子;以及
形成电性连接各该整流元件与微管芯发光元件的导电端子的导电结构。
16.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,预先以蚀刻方式于该整流元件专用层表面定义出整流元件区域之后再形成整流单元,后续并完全去除该整流元件专用层的残留部份。
17.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,预先于各该微管芯发光元件的外缘包覆一保护层,再移除部分保护层以穿过该保护层形成多个导电端子。
18.根据权利要求17所述的交流电发光装置的制法,其中,该保护层的材质为介电材料。
19.根据权利要求18所述的交流电发光装置的制法,其中,该介电材料为SiOx及SiNx的其中之一。
20.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,该导电端子为欧姆电极。
21.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,该整流元件为肖特基二极管。
22.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,该导电结构为选自导电架桥、打线金属构造、及具导电能力的透明金属氧化层的其中之一。
23.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,该整流元件专用层为半导体材料AlGaN形成的构造。
24.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,该整流元件专用层以外延生长及沉积的其中一种方式形成。
25.根据权利要求15所述的交流电发光装置的制法,其中,该导电端子以蒸镀方式形成。
26.一种交流电发光装置的制法,至少包括:
提供一基材;
于该基材上形成至少具一层有源层的多个微管芯发光元件;
于部份微管芯发光元件的表面掺杂杂质,通过降低表面杂质的掺杂浓度而形成整流元件专用区域;
于该整流元件专用区域上形成整流单元,该整流单元具有至少四个依惠斯通电桥电路结构配置的整流元件;
蚀刻沟槽以使各该微管芯发光元件与整流元件相互绝缘;
于各该微管芯发光元件形成导电端子;以及
形成电性连接各该整流元件与微管芯发光元件的导电端子的导电结构。
27.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,预先以蚀刻方式于该整流元件专用区域定义出整流元件区域之后再形成整流单元。
28.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,预先于各该微管芯发光元件的外缘包覆一保护层,再移除部分保护层以穿过该保护层形成多个导电端子。
29.根据权利要求28所述的交流电发光装置的制法,其中,该保护层的材质为介电材料。
30.根据权利要求29所述的交流电发光装置的制法,其中,该介电材料为SiOx及SiNx的其中之一。
31.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,该导电端子为欧姆电极。
32.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,该整流元件为肖特基二极管。
33.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,该导电结构为选自导电架桥、打线金属构造、及具导电能力的透明金属氧化层的其中之一。
34.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,形成该整流元件专用区域所掺杂的杂质为N型杂质。
35.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,该导电端子以蒸镀方式形成。
36.根据权利要求26所述的交流电发光装置的制法,其中,该整流元件专用区域以离子注入及扩散的其中一种方式掺杂杂质而形成。
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