CN101593798A

CN101593798A - 含渐变式折射率透明基材或散热性高的发光二极管及应用

Info

Publication number: CN101593798A
Application number: CNA2008101003001A
Authority: CN
Inventors: 许嘉良
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: CN102842669A; CN101593798B; CN102842669B

Abstract

含渐变式折射率透明基材或散热性高的发光二极管及应用。本发明涉及一种包含由具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为发光元件的承载基板。此外，本发明所述的具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层亦可作为发光元件的导热层结构。

Description

含渐变式折射率透明基材或散热性高的发光二极管及应用

技术领域

本发明涉及一种包含由具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为发光元件的承载基板。此外，本发明所述的具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层亦可作为发光元件的导热层结构。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)为一种由半导体材料所制成的发光元件，此元件具有两个电极，在电极间施加电压并通入极小的电流后，经由电子/空穴的结合，可将剩余能量以光的形式释出，此即发光二极管的基本发光原理。

不同于一般白炽灯泡，发光二极管属于冷发光，具有耗电量低、元件寿命长、无需暖灯时间及反应速度快等优点，再加上其体积小、耐震动、易于量产、容易配合应用的需求制成极小或阵列式的元件的特性，使得发光二极管已被广泛应用于信息、通讯、消费性电子产品及一般生活用品上，而成为日常生活中不可或缺的重要元件，例如，可利用于光学显示装置、交通信号标志、数据储存装置、通讯装置、照明装置以及医疗装置等。

发光二极管依发光波长可分为可见光发光二极管(波长450至680纳米)与不可见光发光二极管(波长850至1550纳米)两大类，其中，可见光发光二极管可大略分为GaP/GaAsP系发光二极管、AlGaAs系发光二极管、AlGaInP系发光二极管及GaN系发光二极管。就此类技艺而言，目前最重要的课题之一是如何提高发光二极管的亮度。目前多以提升发光二极管发光效率或提高输入功率为发展方向。要提升发光二极管发光效率，就要提升发光二极管内部量子效率及光取出效率；而提高输入功率，则必须解决散热问题。

发光二极管的发光效率必须透过增加内部量子效率(internal quantumefficiency)与光取出效率(light extraction efficiency)两方面来增进，包括p-n结(p-n junction)发光层效率的改善、用不同基板及/或各种长晶技术等各方面技术来推进等。发光二极管的发光亮度及发光效率皆与外延层材料直接相关，其外部量子效率(相当于发光二极管的发光效率)为

外部量子效率(发光效率)＝内部量子效率x光取出效率

由此可知，增加发光效率的方法可以通过增加发光二极管的内部量子效率与发光二极管的光取出效率来提升。内部量子效率代表电子转换成光子的效能，其重点在于调整发光结构层外延的品质，而光取出效率则跟物理现象相关，当光从密介质到疏介质的过程将因全反射效应造成大部分光被局限在发光体中，经过多次发光层吸收致使光取出效率明显下降。因此，如何让已产出的光可以更有效率的取出，已是目前刻不容缓的重点工作。目前常见技术有以氮化镓(GaN)基板或碳化硅(SiC)基板取代蓝宝石(sapphire)基板，以提高内部量子效率；通过不同工艺技术与各式管芯设计，透过封装结构改变，或封装材料更新，以改善光取出效率。

目前一种已知技术是提出通过n1＝(n0*n2)^1/2原理，以形成抗反射层的结构，可以减少光源或光信号在经过多次来回折射反射造成损失。

另一已知方法披露黏合高折射率的透明材料层于含有发光层的半导体层的不平坦表面上以提升光取出效率。

再一已知作法通过掺杂技术(doping)以局部改变钻石(diamond)材料的折射率，此技术可减少光反射而使光源局限于材料的可能性变小。

此外，尚有先前技术提及利用SiC作为InGaN外延基板，且利用提高SiC基板厚度可减少光局限而提升光取出效率。

另外在提高输入功率方面，主要是发展高功率发光二极管，通过封装阵列(packaged array)或扩大管芯尺寸以提高发光二极管输入功率。封装阵列是将复数颗LED排列成矩阵状，并将其封装成单体结构，以获得高光通量。扩大管芯尺寸一般则由0.2～0.35毫米方形管芯，扩大为大于0.8毫米的方形芯片，并以高电流驱动，以获得高光通量输出。

此外，从目前芯片水准推算发光二极管的发光效率，其内部量子效率与光取出效率随不同材料有所不同。其中，红光因为外延材料折射率约为3.3，由于折射率差异过大，致使光取出效率不彰，通过透明载体可以有效提升光取出效率，但通常目前透明载体的热传导能力不佳，亦即在高温下会有可靠度不佳的问题。

发明内容

本发明发现通过渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，作为发光元件的承载基板时，可以减少光多次在发光体内折射反射，避免光局限与吸收于发光体内，从而有效提升光取出效率。利用多层折射率匹配的透明材料组合来提升光取出效率，其重点在与发光层接着的第一层的透明材料的相关条件设定，例如厚度必须大于一定范围，此设计可经由工艺调整作相关组合的最佳化实施。此外，渐变式折射率的透明材料可通过选择特定材料等方式而同时具有高导热性质，当与外延层直接接触时，可避免产生热点(hot spot)，使芯片在高电流密度操作过程中更具可靠性。

因此，本发明提供一种由渐变式折射率透明材料所组成的叠层及/或具高导热性质的发光二极管元件及其应用。

本发明涉及一种具有渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为发光元件的承载基板，其包含：

透明基板；

透明材料叠层，形成于透明基板的一面，其中透明材料为渐变式折射率的材料组合，与透明基板接着的第一层透明材料的厚度不小于约3μm，且透明材料叠层与透明基板组成承载基板；

反射层，形成于透明基板的另一面；以及

发光层，形成于渐变式折射率的透明材料所组成的叠层上。

于本发明的一具体实施例中，透明基板的折射率须小于任一层透明材料。

于本发明的一具体实施例中，其透明材料组合为由自与透明基板接着的第一层透明材料折射率逐渐变大的透明材料所组合。

于本发明的另一具体实施例中，透明基板选自蓝宝石(n～1.7)及其他可替代材料所组成的群组。

于本发明的另一具体实施例中，透明材料选自钻石(n～2.4)及其他可替代材料所组成的群组。

于本发明的另一具体实施例中，反射层选自金属及其他可替代材料所组成的群组。

于本发明的另一具体实施例中，透明基板的厚度为约100μm～300μm。

于本发明的另一具体实施例中，透明材料的厚度大于约3μm，较佳为约20至30μm。

本发明还涉及一种具有渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为发光元件的承载基板，其包含：

透明基板；

形成于透明基板之上的至少一层透明材料，其中透明材料为渐变式折射率的材料组合，与透明基板接着的第一层厚度不小于约3μm，且透明材料与透明基板组成承载基板；

形成于承载基板上的反射层；以及

形成于透明基板的另一面的发光层。

于本发明的一具体实施例中，透明基板的折射率须大于任一层透明材料。

于本发明的一具体实施例中，其透明材料组合为由自与透明基板接着的第一层透明材料折射率逐渐变小的透明材料所组合。

于本发明的另一具体实施例中，透明基板选自SiC(n～2.7)及其他可替代材料所组成的群组。

于本发明的另一具体实施例中，透明材料选自钻石(n～2.4)、氧化铟锡(n～2)、蓝宝石(n～1.7)、玻璃(n～1.5)及其他可替代材料所组成的群组。

于本发明的另一具体实施例中，透明基板的厚度为约100至300μm。

本发明另亦关于一种具高导热层的光学元件，其包含：

基板；

形成于基板上的反射层；

形成于反射层上的透明薄膜，其中透明薄膜的厚度不小于约15μm，且反射层与透明薄膜形成具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层；以及

形成于透明薄膜上的发光层。

于本发明的一具体实施例中，反射层与透明薄膜形成具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为光学元件的导热层结构。

于本发明的一具体实施例中，反射层与透明薄膜间进一步包含金属碳化物层及发光层与透明薄膜间进一步包含接着层。

于本发明的另一具体实施例中，至少一个导电沟道穿过反射层与透明薄膜间。

于本发明的另一具体实施例中，至少一个导电沟道穿过反射层、金属碳化物层、透明薄膜与接着层间。

于本发明的一具体实施例中，基板为硅基板。

于本发明的另一具体实施例中，反射层为DBR。

于本发明的另一具体实施例中，发光层材料为InGaN或AlGaInP的半导体结构。

于本发明的另一具体实施例中，透明薄膜选自钻石、陶瓷、玻璃、氧化锌、类钻石及其他可替代材料所组成的群组。于本发明的另一具体实施例中，透明薄膜为钻石薄膜。

于本发明的另一具体实施例中，透明薄膜的厚度为约20至30μm。

本发明由渐变式折射率透明材料所组成的叠层及/或具高导热层的发光二极管元件可作为信息、通讯、消费性电子产品及一般生活用品等的发光源，例如可应用于光学显示装置、交通信号标志、数据储存装置、通讯装置、照明装置及/或医疗装置等。

附图说明

图1A、1B、1C和1D为根据本发明实施例I-1的调整发光二极管元件透明基板/透明材料厚度的光取出示意图。

图2为根据本发明实施例I-2的结构示意图。

图3为根据本发明实施例I-3的结构示意图。

图4为以InGaN为发光层的调整透明基板/透明材料厚度的光取出效率图。

图5为以AlGaInP为发光层的调整透明基板/透明材料厚度的光取出效率图。

图6为根据本发明实施例II-1的结构示意图。

图7为根据本发明实施例II-2的结构示意图。

图8为根据本发明实施例II-3的结构示意图。

图9为根据本发明实施例II-4的结构示意图。

附图标记说明

1 p型电极 2 p型半导体层

3 活性层 4 n型电极

5 p型半导体层 6 透明材料

7 透明基板 8 反射层

9 承载基板 10 外延结构

11 碳化硅层 12 透明材料

15 接着层 20 高热传导性透明层

25 金属碳化物层 30 反射层

35 导电沟道 40 耐热支撑层

具体实施方式

本发明可藉下述的实施例描述其技术内容。

实施例I-1

如图1A所示，在蓝宝石(sapphire，n＝1.7)基板7上生长一层透明钻石薄膜6(diamond film，n＝2.1～2.4)，蓝宝石基板和透明钻石薄膜即形成具有渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为光电元件的承载基板9。在钻石薄膜上形成n型半导体层5；如n-GaN或n-AlGaInP，在n型半导体层上形成有源层3；有源层材料可以是InGaN或AlGaInP等相关半导体材料，在有源层上形成p型半导体层2；如p-GaN或p-AlGaInP，再分别于n型半导体层及p型半导体层上形成n型电极4及p型电极1。在蓝宝石基板下方制作反射层8，反射层可以是金属反射层、介电材料反射层或有机扩散反射层等。但是从光线的路径可以看出，还是有部分光线经过反射层反射回有源层，因此可通过调整透明基板厚度及透明钻石薄膜的厚度来调整光线的路径，减少光线反射回有源层，以增加光取出效率。如图1B、1C二者比较，增加蓝宝石基板的厚度可以增加光线折射，减少光线反射回有源层，增加光取出效率。如图1C、1D二者比较，增加透明钻石薄膜的厚度，也可以增加光线折射，减少光线反射回有源层，增加光取出效率。

实施例I-2

本实施例的结构示意图如图2。于碳化硅(SiC，n＝2.7)基板11的一面生长钻石薄膜6，并在钻石薄膜上通过掺杂(doping)机制降低钻石薄膜最外层的折射率，碳化硅基板和透明钻石薄膜即形成具有渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为此元件的承载基板。并在钻石薄膜上制作反射层8，有源层3则生长或形成于碳化硅基板另一平面上。

实施例I-3

本实施例的结构示意图如图3。于碳化硅(SiC，n＝2.7)基板11的一面生长钻石薄膜6，并在钻石薄膜上通过沉积(deposition)、涂覆(coating)或键结(bonding)工艺形成至少一层n＝1.5～2之间的透明材料12，碳化硅基板、透明钻石薄膜及透明材料即形成具有渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作为此元件的承载基板。之后在透明材料叠层上作反射层8，有源层3则生长或形成于碳化硅基板的另一平面上。

本发明发光二极管元件发光量测方式

本发明发光二极管元件发光情况使用国际照明委员会(InternationalCommission on Illumination；CIE)所制定发光二极管光学特性标准量测技术加以量测。以下所得的测量结果是通过球型光束器法(简称积分球)而得。测量时先将室内温度保持在24至26℃，将点胶后的LED样品配置于积分球(如75mm积分球及其导入光纤，量测范围VIS～NIR)，以CAS 140B光学量测***、Keithley 2400电源供应器与所搭配的计算机软件量测该样品的光强度、光功率、波长、CIE色度图及其发散角。

量测结果

图4为当发光元件的承载基板为具渐变式折射率的透明材料所组成的基板叠层且发光有源层为InGaN时，调整透明基板厚度与光取出效率提升的关系图。从图中可以得知当蓝宝石基板厚度为100μm到250μm时其光取出效率提升有限。当利用钻石薄膜生长在蓝宝石基板上形成具渐变式折射率的透明材料所组成的基板叠层后，从图中可以明显看出，在蓝宝石基板厚度为150μm与钻石薄膜厚度大于3μm形成的渐变式折射率的透明材料所组成的叠层基板，可以明显提升光取出效率。例如在蓝宝石基板厚度150μm与钻石薄膜厚度为20μm形成的渐变式折射率的透明材料所组成的叠层基板，可以提升光取出效率约16％；在蓝宝石基板厚度为150μm与钻石薄膜厚度为150μm形成的渐变式折射率的透明材料所组成的叠层基板，可以提升光取出效率约37％。此结果说明在蓝宝石基板厚度为150μm与在钻石薄膜厚度大于3μm形成的渐变式折射率的透明材料所组成的叠层承载基板，可以提升光取出效率，因此可达到提升亮度的目的。

此渐变式折射率的透明材料所组成的叠层亦可以使用于AlGaInP发光元件的承载基板，其相对应的光取出效率与钻石薄膜厚度趋势如图5所示。当钻石薄膜厚度大于3μm时即可发现出光效率已有提升趋势，随着钻石薄膜厚度增加其光取出效率提升幅度将慢慢下降。

实施例II-1

本实施例的结构示意图如图6。在耐热支撑层40上(thermal supportinglayer)如：硅、铜、碳化硅，先镀上DBR(TiO₂/SiO₂多层结构)的反射层30(reflector layer)，再于反射层上生长一层高热传导性透明层20(high thermalconductive transparent layer)，其热传导系数大于300W/mK，如：透明钻石薄膜(diamond film，n＝2.1～2.4)，其中钻石薄膜的厚度须大于15μm使其光取出效率较为明显，另在钻石薄膜上形成有源层，其中有源层可为InGaN或AlGaInP等相关半导体外延结构(epitaxy layer)10。由反射层及高热传导性透明层所组成具渐变式折射率的叠层，除了可增加光取出效率外，于此元件中也可作为高导热结构。

实施例II-2

本实施例的结构示意图如图7。在耐热支撑层40上(thermal supportinglayer)如：硅、铜、碳化硅，先镀上DBR(TiO₂/SiO₂多层结构)的反射层30(reflector layer)，再于反射层上生长一层高热传导性透明层20(high thermalconductive transparent layer)，其热传导系数大于300W/mK，如：透明钻石薄膜(diamond film，n＝2.1～2.4)，其中钻石薄膜的厚度须大于15μm。另在钻石薄膜上形成有源层，其中有源层可为InGaN或AlGaInP等相关半导体外延结构10(epitaxy layer)。又在钻石薄膜与DBR反射层间存在金属碳化物25(metalcarbide)层，且发光层与钻石薄膜间另具有接着层15(adhesion layer)。由接着层、高热传导性透明层、金属碳化物层及反射层所组成具渐变式折射率的叠层，除了可增加光取出效率外，于此元件中也可作为高导热结构。

实施例II-3

本实施例的结构示意图如图8。在耐热支撑层40上(thermal supportinglayer)如：硅、铜、碳化硅，先镀上DBR(TiO₂/SiO₂多层结构)的反射层30(reflector layer)，再于反射层上生长一层高热传导性透明层20(high thermalconductive transparent layer)，其热传导系数大于300W/mK，如：透明钻石薄膜(diamond film，n＝2.1～2.4)，其中钻石薄膜的厚度须大于15μm。另在钻石薄膜上形成有源层，其中有源层可为InGaN或AlGaInP等相关半导体外延结构10(epitaxy layer)。另以至少一个导电沟道35(electrical conductive via)穿过反射层与钻石薄膜以使有源层与耐热支撑层电性连结。由反射层及高热传导性透明层所组成具渐变式折射率的叠层，除了可增加光取出效率外，于此元件中也可作为高导热结构。

实施例II-4

本实施例的结构示意图如图9。在耐热支撑层40上(thermal supportinglayer)如：硅、铜、碳化硅，先镀上DBR(TiO₂/SiO₂多层结构)的反射层30(reflector layer)，再于反射层上生长一层高热传导性透明层20(high thermalconductive transparent layer)，其热传导系数大于300W/mK，如：透明钻石薄膜(diamond film，n＝2.1～2.4)，其中钻石薄膜的厚度须大于15μm。另在钻石薄膜上形成有源层，其中有源层可为InGaN或AlGaInP等相关半导体外延结构10(epitaxy layer)。又在钻石薄膜与DBR反射层间存在金属碳化物层25(metal carbide)，且有源层与钻石薄膜间另具有接着层15(adhesion layer)。另以至少一个导电沟道35(electrical conductive via)穿过反射层、金属碳化物层、钻石薄膜与接合层以使有源层与耐热支撑层电性连结。由接着层、高热传导性透明层、金属碳化物层及反射层所组成具渐变式折射率的叠层，除了可增加光取出效率外，于此元件中也可作为高导热结构。

本发明发光二极管元件散热量测方式

根据本发明的含钻石薄膜的发光二极管元件与一般发光二极管元件的散热效能，是通过Quantum Focus仪器公司(Quantum Focus Instruments Corp.)的InfraScope微热影像仪(InfraScope Micro-Thermal Imager)进行量测，由此可测得该等发光二极管元件的最高工作温度(Tmax)。

量测结果

根据前述的量测方法，本发明实施例II-1的包含钻石薄膜的发光二极管元件所测得的T_max为88.49℃；另一方面，已知的由硅基板构成而不含钻石薄膜的发光二极管元件所测得的T_max则为103.87℃。由此可知，根据本发明的发光二极管元件表现出本领域技术人员无法预期的明显散热效果。

本发明的各个实施例已显示及描述如上，但其并非用以限制本案的权利要求。明显地，本领域技术人员在不悖离本发明且依发明最广观点的情况下所作的任何改变或修改，均应视为仍落于本案权利要求所界定范围之中。

Claims

1.一种具有渐变式折射率的透明材料层所组成的叠层的发光元件，其包含：

承载层，包含：

透明基板；以及

透明材料层，形成于该透明基板的第一面，其中该透明材料层的折射率为包含多个折射率的渐变式折射率；

反射层，形成于该透明基板的第二面，其中该第二面与该第一面相对；以及

有源层，形成于该承载层上。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明基板的折射率须小于该透明材料层的任一折射率。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明材料层为单层结构，其厚度不小于约3μm。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明材料层为多层结构，其中与该透明基板直接接着的层其厚度不小于约3μm。

5.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明基板选自蓝宝石及其他可替代透明材料所组成的群组，且该透明基板的厚度为约100至300μm。

6.如权利要求1所述的发光元件，其中该透明材料层选自钻石及其他可替代透明材料所组成的群组，且该透明材料层的较佳厚度为约20至30μm。

7.一种具有渐变式折射率的透明材料层所组成的叠层的发光元件，其包含：

承载层，包含：

透明基板；以及

反射层，形成于该承载层之上；以及

有源层，形成于该透明基板的第二面，其中该第二面与该第一面相对。

8.如权利要求7所述的发光元件，其中该透明基板的折射率须大于该透明材料层的任一折射率。

9.如权利要求7所述的发光元件，其中该透明基板选自SiC及其他可替代透明材料所组成的群组，且该透明基板的厚度为约100至300μm。

10.如权利要求7所述的发光元件，其中该透明材料层选自钻石、蓝宝石、氧化铟锡、玻璃及其他可替代透明材料所组成的群组，且该透明材料层的较佳厚度为约20至30μm。

11.一种具高导热结构的光学元件，其包含：

基板；

高导热结构，为具渐变式折射率的叠层，包含：

反射层形成于该基板上；以及

透明薄膜形成于该反射层上，其中该透明薄膜的厚度不小于约15μm；以及

有源层形成于该高导热结构上。

12.如权利要求11所述的光学元件，其中该反射层与该透明薄膜间还包含金属碳化物层，且该有源层与该透明薄膜间还包含接着层。

13.如权利要求11所述的光学元件，其中该基板为硅、铜或碳化硅。

14.如权利要求11所述的光学元件，其中该透明薄膜选自钻石、陶瓷、玻璃、氧化锌、类钻石及其他可替代透明材料所组成的群组，且该透明薄膜的厚度为约20至30μm。