TW201318147A - 發光二極體陣列 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種發光二極體陣列，主要包括有複數個發光二極體單元，其中各個發光二極體單元形成一串聯序列，該發光二極體陣列有n列(row)及m行(column)，且m及n至少一者為奇數。
Description
本發明有關於一種發光二極體陣列，特別是關於一種串聯序列的發光二極體陣列。
發光二極體(LED；Light-Emitting Diode)由於具備有壽命長、體積小、耗電量少及反應速度快等優點，因而被廣泛應用於指示燈、廣告看板、交通號誌燈、汽車車燈、顯示面板、通訊器具及室內照明等各項產品中。
請參閱第１圖所示，為習用發光二極體的構造示意圖。如圖所示，習用的發光二極體晶片100包括基底102、N型層110、發光層125及P型層130。此外，第一電極115與第二電極135分別形成在N型層110與P型層130上，並與其電性連接。當適當電壓被施加到第一電極115與第二電極135時，電子將會離開N型層110並與電洞在發光層125內結合而發光。
基底102通常以藍寶石製成；N型層110例如可由摻雜矽的氮化鋁鎵(AlGaN)或摻雜矽的氮化鎵(GaN)製成；P型層130例如可由摻雜鎂的氮化鋁鎵(AlGaN)或摻雜鎂的氮化鎵(GaN)製成。發光層125通常由單量子井或多量子井，例如氮化銦鎵/氮化鎵形成。
一般而言，驅動單一個發光二極體晶片100大約需要在第一電極115及第二電極135之間提供一3伏特的直流電壓，以發光二極體晶片100作為手電筒的光源為例，可使得單一個發光二極體晶片100與兩顆1.5伏特的電池串聯，便可驅動發光二極體晶片100產生光源。
然而，在以家用電源驅動發光二極體晶片100時，則會面臨電壓轉換的問題。目前國際上所使用的家用電源大多為110伏特或220伏特的交流電源，因此在以家用電源驅動發光二極體晶片100時，需要對家用電源進行降壓及整流的動作。
由於家用電源(110V或220V)與發光二極體晶片100所需驅動電壓(3V)之間存在有相當大的電壓差距，並會導致電壓轉換效率偏低，進而在電壓轉換的過程中造成能量的額外損耗。
本發明之一目的，在於提供一種發光二極體陣列，主要使得複數個發光二極體單元形成一串聯序列，藉由增加發光二極體單元串聯的數量，可以提高發光二極體陣列所需要的驅動電壓，以降低外部電壓在電壓轉換的過程中所造成的能量損耗。
本發明之另一目的，在於提供一種發光二極體陣列，主要將複數個發光二極體單元排列成為發光二極體陣列，該發光二極體陣列有n列(row)及m行(column)，且m及n至少有一者為奇數，藉此有利於將複數個發光二極體單元的排列成陣列，並可使得電流輸入端及電流輸出端位於發光二極體陣列的邊緣或角落，而有利於進行電源供應器與發光二極體陣列的之間電性連接。
本發明之另一目的，在於提供一種發光二極體陣列，主要使得複數個發光二極體單元形成一串聯序列，藉此有利於以一般的家用電源驅動發光二極體陣列，使得發光二極體陣列成為一般固定式的照明光源。
本發明之另一目的，在於提供一種發光二極體陣列，例如四邊形、近似平行四邊形、近似矩形、近似正方形、近似菱形…等的發光二極體單元排列成陣列，並將正負電極大致配置為對角關係，以提高兩電極之間電流分佈的均勻性(uniform current spreading)，並增加發光二極體單元所產生之光源的均勻度。
為達成上述目的，本發明提供一種發光二極體陣列，包含有複數個發光二極體單元，所有複數個發光二極體單元形成一串聯序列，發光二極體陣列有n列(row)及m行(column)，且m及n至少一者為奇數。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中每一顆發光二極體單元係為四邊形，且具有電性相反的一第一電極與一第二電極，第一電極位於或鄰近四邊形的一第一端點，第二電極位於或鄰近四邊形的一第二端點，第一端點與第二端點大致為對角關係(in a diagonal position)。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中每一顆發光二極體單元近似正方形，且具有電性相反的一第一電極與一第二電極，第一電極位於或鄰近近似正方形的一第一端點，第二電極位於或鄰近近似正方形的一第二端點，第一端點與第二端點大致為對角關係(in a diagonal position)。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中發光二極體陣列係為四邊形，且連接一電流輸入端與一電流輸出端。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中發光二極體陣列近似正方形，且連接一電流輸入端與一電流輸出端。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中串聯序列的第一個發光二極體單元以第二電極連接電流輸入端，串聯序列的最後一個發光二極體單元以第一電極連接電流輸出端。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中m與n兩者之中一者為奇數，一者為偶數，電流輸入端與電流輸出端位於或鄰近該發光二極體陣列的一邊線上。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中m與n兩者皆為奇數，電流輸入端與電流輸出端位於或鄰近發光二極體陣列的對角位置。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中串聯序列中的第一個發光二極體單元的電極位置圖案與第三個發光二極體單元相同。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中串聯序列中的第一個發光二極體單元的電極位置圖案順時鐘旋轉90度會相同於第二個發光二極體單元，第二個發光二極體單元的電極位置圖案逆時鐘旋轉90度會相同於第三個發光二極體單元。
上述發光二極體陣列的一實施例，包含有一基板，且複數個發光二極體單元設置於基板上。
上述發光二極體陣列的一實施例，包含有複數個銲線(wire bonding)以連接串聯序列中相鄰之發光二極體單元。
上述發光二極體陣列的一實施例，包含有複數個內連線(interconnect)以連接串聯序列中相鄰之發光二極體單元。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中內連線(interconnect)係沿著相鄰發光二極體單元的最短路徑以連接相鄰之發光二極體單元的電極。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中發光二極體單元係堆疊複數個發光二極體(Stacking LEDs)而成。
上述發光二極體陣列的一實施例，堆疊複數個發光二極體(Stacking LEDs)係為垂直串聯或垂直並聯。
上述發光二極體陣列的一實施例，其中第一電極位於最接近基板的發光二極體，第二電極則位於最遠離基板的發光二極體。
請參閱第２圖及第３圖所示，本發明之部分實施例中顯示一發光二極體陣列之立體示意圖及俯視圖。如圖所示，本發明所述之發光二極體陣列200主要包括有複數個發光二極體單元20，其中各個發光二極體單元20形成一串聯序列，在使用時可以單一個電源供應器29同時驅動複數個串聯的發光二極體單元20。
本發明主要將複數個發光二極體單元20以矩陣方式排列在一基板24上，且各個發光二極體單元20藉由間隙36隔離，其中發光二極體陣列200有n列(row)及m行(column)，且m及n至少一者為奇數。在一範例中，發光二極體陣列200具有2列3行。
本發明之部分實施例中，各個發光二極體單元20包括有一第一材料層21、一第二材料層23、至少一第一電極25及至少一第二電極27，其中第一材料層21及第二材料層23以層疊的方式設置，且第二材料層23設置於第一材料層21的部分表面。第一電極25設置於第一材料層21的部分表面，且不與第二材料層23接觸，第二電極27則設置於第二材料層23的部分表面。在使用時可對第一電極25及第二電極27供給電源，以使得發光二極體單元20產生光源。在不同實施例中，本發明所述之發光二極體單元20亦可為堆疊之複數個發光二極體(Stacking LEDs)，此一構造將會在後續的實施例中說明。
本發明之部分實施例中，各個發光二極體單元20可為四邊形，例如近似平行四邊形、近似矩形、近似正方形、近似菱形…等，第一電極25及第二電極27的電性相反，且第一電極25位於或鄰近四邊形的一第一端點，第二電極27位於或鄰近四邊形的一第二端點，第一端點與第二端點大致為對角關係(in a diagonal position)，以提高兩電極之間電流分佈的均勻性(uniform current spreading)，並有利於提高各個發光二極體單元20的發光均勻度。此外，將各個發光二極體單元20之第一電極25及第二電極27大致配置為對角關係，更有利於進行相鄰之發光二極體單元20的電性連接。
藉由排列上述不同形狀的發光二極體單元20可以形成不同形狀的發光二極體陣列200，例如：四邊形、近似平行四邊形、近似矩形、近似正方形、近似菱形…等。
請參閱第３圖所示，本發明之部分實施例中，於發光二極體單元20排列成為發光二極體陣列200之前，需要特別留意各個發光二極體單元20的相對電極位置，再進行各個發光二極體單元20的設置，例如串聯序列中的第一個發光二極體單元201的電極位置圖案順時鐘旋轉90度會相同於第二個發光二極體單元202，而第二個發光二極體單元202的電極位置圖案逆時鐘旋轉90度會相同於第三個發光二極體單元203；也就是說第一個發光二極體單元201的電極位置圖案與第三個發光二極體單元203相同。此一設計使得相鄰發光二極體單元的不同電性電極具有最短距離，以便於相鄰發光二極體的串聯電性連接使用最短的銲線22或內連線32，藉此降低電阻以及降低成本。例如第一個發光二極體單元201的第一電極25與第二個發光二極體單元202之第二電極27相鄰，而第二個發光二極體單元202之第一電極25則與第三個發光二極體單元203之第二電極27相鄰。
如前所述，本發明所提供之發光二極體陣列200中的m及n至少一者必須是奇數，此一設計使得發光二極體單元在跨行串聯或跨列串聯時，仍然維持相鄰發光二極體單元20的不同電性電極具有最短距離，以便於相鄰發光二極體20的串聯電性連接使用最短的銲線22或內連線32，藉此降低電阻以及降低成本。例如第３圖所示，第三個發光二極體單元203之第一電極25與第四個發光二極體單元204之第二電極27相鄰。
請參閱第２圖與第３圖所示，銲線(wire bonding)22可用以連接串連序列中相鄰之發光二極體單元20，通常適用於間隙36較大的情形；請參閱第４圖所示，內連線(interconnect)32可用以連接串連序列中相鄰之發光二極體單元20，通常適用於間隙36較小的情形。
藉由內連線形成LED陣列的常見方法如下，可在一絕緣或高電阻基板34，例如藍寶石、碳化矽或者其他三族氮化物基板上，串聯或並聯許多發光二極體單元20，以形成一發光二極體陣列300。各個發光二極體單元20藉由間隙36隔離，並以內連線(internnect)32連接不同發光二極體單元20的電極。一般而言，為了確保各個發光二極體單元20之間為絕緣，會先沈積氧化材料，例如矽氧化物、矽氮化物、矽氮氧化物、氧化鋁，絕緣材料在發光二極體陣列300上，再沈積內連線32，且內連線32通常為金屬材質。
本發明之部分實施例中，發光二極體陣列200包括有一電流輸入端271及一電流輸出端251，在使用時可將電源供應器29與發光二極體陣列200之電流輸入端271及電流輸出端251相連接，並對各個發光二極體單元20供給電源。請參閱第３圖與第４圖所示，近似正方形或近似矩形的發光二極體單元20可排列成為近似正方形或近似矩形的發光二極體陣列200，而電流輸入端271與電流輸出端251位於或鄰近四邊形或近似正方形之發光二極體陣列200的邊線上或對角位置。例如串聯序列的第一個發光二極體單元201以第二電極27連接該電流輸入端271，串聯序列的最後一個發光二極體單元209以第一電極25連接電流輸出端251。
電源供應器29，例如直流電源供應器，主要用以進行電壓的降壓及整流，用以接收一般的家用電源，例如110伏特或220伏特的家用電源，並將家用電源進行降壓及整流，藉此以輸出適當大小的直流電源，以驅動發光二極體陣列200。
本發明之部分實施例中，透過複數個發光二極體單元20的串聯，將可以提高驅動發光二極體陣列200所需要的電壓，使得電源供應器29不需要進行大幅度的電壓轉換，便可以驅動發光二極體陣列200，藉此以降低在電壓轉換的過程中所造成的能量損耗。例如第３圖之發光二極體陣列200包括有六個發光二極體單元20的串聯，且各個發光二極體單元20所需要的驅動電壓約為3伏特，換言之，發光二極體陣列200所需要的驅動電壓約為18伏特(3伏特乘以6)，則電源供應器29只需要將一般的家用電源(110伏特或220伏特)轉換為18伏特，便可用以驅動發光二極體陣列200。
在本實施例中，主要以發光二極體陣列200包括有六個發光二極體單元20來進行說明，然而在實際應用時亦可增加發光二極體單元20的串聯個數，此一部分將會在後續的實施例中進行說明。藉由增加發光二極體單元20串聯的數量，將可進一步提高發光二極體陣列所需要的驅動電壓，並增加發光二極體陣列的發光面積及發光亮度。
此外，本發明所述之發光二極體陣列200包括有複數個相同的發光二極體單元20，並可用以產生相同顏色的光源。在本發明之部分實施例中，發光二極體陣列200亦可包括有複數個不同的發光二極體單元20，並可用以產生不同顏色的光源，例如紅光、綠光或藍光。
請參閱第４圖所示，為本發明發光二極體陣列又一實施例之俯視圖。如圖所示，本發明所述之發光二極體陣列300主要包括有複數個發光二極體單元20，其中各個發光二極體單元20以矩陣方式排列在一基板34上，並形成一3列3行的發光二極體陣列300。
發光二極體陣列300之發光二極體單元20以串聯的方式連接，例如可透過內連線(interconnect)32連接串聯序列中相鄰之發光二極體單元20，在實際應用時對發光二極體單元20進行適當的排列，使得內連線32沿著相鄰發光二極體單元的最短路徑連接相鄰之發光二極體單元20的電極。內連線32與其相連接的第一電極25、第二電極27的尺寸可以縮小，以減少電極遮光面積，但是電流輸入端371及電流輸出端351可以保持較大的面積以便於進行外部電性連接。藉由九個發光二極體單元20的串聯，可將發光二極體陣列300所需的驅動電壓提高至約27伏特，以進一步降低在電壓轉換的過程中所造成的能量損耗。
當然，亦可進一步增加串聯之發光二極體單元20的數量，例如可將十五個發光二極體單元20以串聯的方式連接，並排列成為成一5列3行的發光二極體陣列400，其中發光二極體陣列400所需的驅動電壓約為45伏特，如第５圖所示，或是將二十五個發光二極體單元20以串聯的方式連接，並排列成為成一5列5行的發光二極體陣列500，其中發光二極體陣列500所需的驅動電壓約為75伏特，如第６圖所示。
於本發明之部分實施例中，每一個發光二極體單元20近似正方形，當發光二極體陣列200的m等於n時，發光二極體陣列200的外觀會近似正方形；而當發光二極體陣列200的m不等於n時，發光二極體陣列200的外觀則會近似矩形。
於本發明之部分實施例中，當n列m行之發光二極體陣列200的m及n兩者之中一者為奇數，一者為偶數時，如第３圖所示，電流輸入端271及電流輸出端251位於或鄰近該發光二極體陣列200的一邊線上。當n列m行之發光二極體陣列300/400/500的m及n皆為奇數時，如第４圖、第５圖及第６圖所示則電流輸入端371/471/571及電流輸出端351/451/551位於或鄰近發光二極體陣列300/400/500的對角位置。使得發光二極體陣列300/400/500適用於一般常用的導電架，並與之進行電性連接。
於本發明之部分實施例中，上述之發光二極體單元20亦可為堆疊之複數個發光二極體(Stacking LEDs)，其中複數個發光二極體以垂直的方式進行堆疊 (垂直串聯或垂直並聯)，且發光二極體單元20的第一電極25位於最接近基板的發光二極體，而第二電極27則位於最遠離基板的發光二極體，如第７圖所示。
發光二極體單元20包括有一第一N型半導體材料層211、一第一P型半導體材料層231、一穿隧接面(tunnel junction)26、一第二N型半導體材料層213及一第二P型半導體材料層233之堆疊。第一N型半導體材料層211及第一P型半導體材料層231之間存在有一第一主動層(active layer)281，而第二N型半導體材料層213及第二P型半導體材料層233之間則存在有一第二主動層(active layer)283。此外，第一電極25設置於最接近基板之發光二極體的第一N型半導體材料層211表面，第二電極27則設置於最遠離基板之發光二極體的第二P型半導體材料層233表面。在本實施例中，發光二極體單元20包括有兩個發光二極體的堆疊，並與兩個發光二極體之間設置有一穿隧接面26，而在不同實施例中，發光二極體單元20亦可包括有兩個以上之發光二極體的堆疊，並於相鄰之發光二極體之間設置該穿隧接面26。
以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
100．．．發光二極體晶片
102．．．基底
110．．．N型層
115．．．第一電極
125．．．發光層
130．．．P型層
135．．．第二電極
20．．．發光二極體單元
200．．．發光二極體陣列
201．．．第一個發光二極體單元
202．．．第二個發光二極體單元
203．．．第三個發光二極體單元
204．．．第四個發光二極體單元
209．．．最後一個發光二極體單元
21．．．第一材料層
211．．．第一N型半導體材料層
213．．．第二N型半導體材料層
22．．．銲線
23．．．第二材料層
231．．．第一P型半導體材料層
233．．．第二P型半導體材料層
24．．．基板
25．．．第一電極
251．．．電流輸出端
26．．．穿隧接面
27．．．第二電極
271．．．電流輸入端
281．．．第一主動層
283．．．第二主動層
29．．．電源供應器
300．．．發光二極體陣列
32．．．內連線
34．．．基板
351．．．電流輸出端
36．．．間隙
371．．．電流輸入端
400．．．發光二極體陣列
451．．．電流輸出端
471．．．電流輸入端
500．．．發光二極體陣列
551．．．電流輸出端
571．．．電流輸入端
第１圖：為習用發光二極體的構造示意圖；
第２圖：為本發明發光二極體陣列一實際例之立體示意圖；
第３圖：為本發明發光二極體陣列一實際例之俯視圖；
第４圖：為本發明發光二極體陣列又一實施例之俯視圖；
第５圖：為本發明發光二極體陣列又一實施例之俯視圖；
第６圖：為本發明發光二極體陣列又一實施例之俯視圖；及
第７圖：為本發明發光二極體陣列內之發光二極體單元又一實施例之剖面示意圖。
20．．．發光二極體
200．．．發光二極體陣列
21．．．第一材料層
22．．．導線
23．．．第二材料層
24．．．基板
25．．．第一電極
251．．．電流輸出端
27．．．第二電極
271．．．電流輸入端
29．．．電源供應器
Claims (18)
- 一種發光二極體陣列，包含有複數個發光二極體單元，所有該複數個發光二極體單元形成一串聯序列，該發光二極體陣列有n列(row)及m行(column)，且m及n至少一者為奇數。
- 如申請專利範圍第１項所述之發光二極體陣列，其中每一顆發光二極體單元係為四邊形，且具有電性相反的一第一電極與一第二電極，該第一電極位於或鄰近該四邊形的一第一端點，該第二電極位於或鄰近該四邊形的一第二端點，該第一端點與該第二端點大致為對角關係(in a diagonal position)。
- 如申請專利範圍第２項所述之發光二極體陣列，其中每一顆發光二極體單元近似正方形，且具有電性相反的一第一電極與一第二電極，該第一電極位於或鄰近該近似正方形的一第一端點，該第二電極位於或鄰近該近似正方形的一第二端點，該第一端點與該第二端點大致為對角關係(in a diagonal position)。
- 如申請專利範圍第２項所述之發光二極體陣列，其中該發光二極體陣列係為四邊形，且連接一電流輸入端與一電流輸出端。
- 如申請專利範圍第４項所述之發光二極體陣列，其中該發光二極體陣列近似正方形，且連接一電流輸入端與一電流輸出端。
- 如申請專利範圍第４項所述之發光二極體陣列，其中該串聯序列的第一個發光二極體單元以該第二電極連接該電流輸入端，該串聯序列的最後一個發光二極體單元以該第一電極連接該電流輸出端。
- 如申請專利範圍第４項所述之發光二極體陣列，其中m與n兩者之中一者為奇數，一者為偶數，該電流輸入端與該電流輸出端位於或鄰近該發光二極體陣列的一邊線上。
- 如申請專利範圍第４項所述之發光二極體陣列，其中m與n兩者皆為奇數，該電流輸入端與該電流輸出端位於或鄰近該發光二極體陣列的對角位置。
- 如申請專利範圍第４項所述之發光二極體陣列，其中該串聯序列中的第一個發光二極體單元的電極位置圖案與第三個發光二極體單元相同。
- 如申請專利範圍第９項所述之發光二極體陣列，其中該串聯序列中的第一個發光二極體單元的電極位置圖案順時鐘旋轉90度會相同於第二個發光二極體單元，第二個發光二極體單元的電極位置圖案逆時鐘旋轉90度會相同於第三個發光二極體單元。
- 如申請專利範圍第１項所述之發光二極體陣列，包含有一基板，且該複數個發光二極體單元設置於該基板上。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體陣列，包含有複數個銲線(wire bonding)以連接該串聯序列中相鄰之發光二極體單元。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體陣列，包含有複數個內連線(interconnect)以連接該串聯序列中相鄰之發光二極體單元。
- 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體陣列，其中該內連線(interconnect)係沿著相鄰發光二極體單元的最短路徑以連接相鄰之發光二極體單元的電極。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體陣列，其中該發光二極體單元係堆疊複數個發光二極體(Stacking LEDs)而成。
- 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體陣列，其中堆疊複數個發光二極體(Stacking LEDs)係為垂直串聯。
- 如申請專利範圍第16項所述之發光二極體陣列，包括有電性相反的一第一電極與一第二電極，其中該第一電極位於最接近該基板的發光二極體，該第二電極則位於最遠離該基板的發光二極體。
- 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體陣列，其中堆疊複數個發光二極體(Stacking LEDs)係為垂直並聯。
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