TWI385826B - 含漸進式折射率透明基材或具高散熱性質之發光二極體元件及其應用 - Google Patents

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含漸進式折射率透明基材或具高散熱性質之發光二極體元件及其應用
本發明係關於一種包含由具漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為發光元件之承載基板。此外，本發明所述之具漸變式折射率之透明材料所組成之疊層亦可作為發光元件之導熱層結構。
發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)係一種由半導體材料所製成之發光元件，此元件具有兩個電極，在電極間施加電壓並通入極小的電流後，經由電子/電洞之結合，可將剩餘能量以光的形式釋出，此即發光二極體之基本發光原理。
不同於一般白熾燈泡，發光二極體係屬冷發光，具有耗電量低、元件壽命長、無需暖燈時間及反應速度快等優點，再加上其體積小、耐震動、易於量產、容易配合應用之需求製成極小或陣列式的元件之特性，使得發光二極體已被廣泛應用於資訊、通訊、消費性電子產品及一般生活用品上，而成為日常生活中不可或缺的重要元件，例如，可利用於光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置以及醫療裝置等。
發光二極體依發光波長可分為可見光發光二極體(波長450至680奈米)與不可見光發光二極體(波長 850至1550奈米)兩大類，其中，可見光發光二極體可大略分為GaP/GaAsP系發光二極體、AlGaAs系發光二極體、AlGaInP系發光二極體及GaN系發光二極體。就此類技藝而言，目前最重要的課題之一係如何提高發光二極體之亮度。目前多以提升發光二極體發光效率或提高輸入功率為發展方向。要提升發光二極體發光效率，就要提升發光二極體內部量子效率及光取出效率；而提高輸入功率，則必須解決散熱問題。
發光二極體的發光效率必須透過增加內部量子效率(internal quantum efficiency)與光取出效率(light extraction efficiency)兩方面來增進，包括p-n接合面(p-n junction)發光層效率之改善、用不同基板及/或各種長晶技術等各方面技術來推進等。發光二極體之發光亮度及發光效率皆與磊晶層材料直接相關，其外部量子效率(相當於發光二極體之發光效率)為外部量子效率(發光效率)=內部量子效率x光取出效率
由此可知，增加發光效率的方法可以藉由增加發光二極體的內部量子效率與發光二極體的光取出效率來提升。內部量子效率代表電子轉換成光子的效能，其重點在於調整發光結構層磊晶的品質，而光取出效率則跟物理現象相關，當光從密介質到疏介質的過程將因全反射效應造成大部分光被侷限在發光體中，經過多次發光層吸收致使光取出效率明顯下降。因此，如 何讓已產出的光可以更有效率的取出，已是目前刻不容緩的重點工作。目前常見技術有以氮化鎵(GaN)基板或碳化矽(SiC)基板取代藍寶石(sapphire)基板，以提高內部量子效率；藉由不同製程技術與各式晶粒設計，透過封裝結構改變，或封裝材料更新，以改善光取出效率。
目前一習知技術係提出藉由n1=(n0＊n2)1/2原理，以形成抗反射層之結構，可以減少光源或光訊號在經過多次來回折射反射造成損失。
另一已知方法係揭露黏合高折射率之透明材料層於含有發光層之半導體層的不平坦表面上以提升光取出效率。
再一習知作法係藉由摻雜技術(doping)以局部改變鑽石(diamond)材料的折射率，此技術可減少光反射而使光源侷限於材料的可能性變小。
此外，尚有先前技術提及利用SiC作為InGaN磊晶基板，且利用提高SiC基板厚度可減少光侷限而提升光取出效率。
另外在提高輸入功率方面，主要是發展高功率發光二極體，藉由封裝陣列(packaged array)或擴大晶粒尺寸以提高發光二極體輸入功率。封裝陣列是將複數顆LED排列成矩陣狀，並將其封裝成單體結構，以獲得高光通量。擴大晶粒尺寸一般則由0.2~0.35毫米方形 晶粒，擴大為大於0.8毫米的方形晶片，並以高電流驅動，以獲得高光通量輸出。
此外，從目前晶片水準推算發光二極體之發光效率，其內部量子效率與光取出效率隨不同材料有所不同。其中，紅光因為磊晶材料折射率約為3.3，由於折射率差異過大，致使光取出效率不彰，藉由透明載體可以有效提升光取出效率，但通常目前透明載體的熱傳導能力不佳，亦即在高溫下會有可靠度不佳的問題。
本發明發現藉由漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，作為發光元件之承載基板時，可以減少光多次在發光體內折射反射，避免光侷限與吸收於發光體內，從而有效提升光取出效率。利用多層折射率匹配之透明材料組合來提升光取出效率，其重點在與發光層接著的第一層之透明材料的相關條件設定，例如厚度必須大於一定範圍，此設計可經由製程調整作相關組合之最佳化實施。此外，漸變式折射率之透明材料可藉由選擇特定材料等方式而同時具有高導熱性質，當與磊晶層直接接觸時，可避免產生熱點(hot spot)，使晶片在高電流密度操作過程中更具可靠性。
因此，本發明係提供一種由漸變式折射率透明材料所組成之疊層及/或具高導熱性質之發光二極體元件及其應用。
本發明係關於一種具有漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為發光元件之承載基板，其包含：一透明基板；一透明材料疊層，形成於透明基板之一面，其中透明材料係為漸變式折射率之材料組合，與透明基板接著之第一層透明材料之厚度不小於約3μm，且透明材料疊層與透明基板組成一承載基板；一反射層，形成於透明基板之另一面；以及一發光層，形成於漸變式折射率之透明材料所組成之疊層上。
於本發明之一具體實施例中，透明基板的折射率須小於任一層透明材料。
於本發明之一具體實施例中，其透明材料組合為由自與透明基板接著之第一層透明材料折射率逐漸變大的透明材料所組合。
於本發明之另一具體實施例中，透明基板係選自藍寶石(n~1.7)及其他可替代材料所組成之群組。
於本發明之另一具體實施例中，透明材料係選自鑽石(n~2.4)及其他可替代材料所組成之群組。
於本發明之另一具體實施例中，反射層係選自金屬及其他可替代材料所組成之群組。
於本發明之另一具體實施例中，透明基板之厚度係為約100 μm~300 μm。
於本發明之另一具體實施例中，透明材料之厚度係 大於約3 μm，較佳為約20至30 μm。
本發明亦關於一種具有漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為發光元件之承載基板，其包含：一透明基板；一形成於透明基板之上之至少一層透明材料，其中透明材料係為漸變式折射率之材料組合，與透明基板接著之第一層厚度不小於約3 μm，且透明材料與透明基板組成一承載基板；一形成於承載基板上之反射層；以及一形成於透明基板之另一面之發光層。
於本發明之一具體實施例中，透明基板的折射率須大於任一層透明材料。
於本發明之一具體實施例中，其透明材料組合為由自與透明基板接著之第一層透明材料折射率逐漸變小的透明材料所組合。
於本發明之另一具體實施例中，透明基板係選自SiC(n~2.7)及其他可替代材料所組成之群組。
於本發明之另一具體實施例中，透明材料係選自鑽石(n~2.4)、氧化銦錫(n~2)、藍寶石(n~1.7)、玻璃(n~1.5)及其他可替代材料所組成之群組。
於本發明之另一具體實施例中，反射層係選自金屬及其他可替代材料所組成之群組。
於本發明之另一具體實施例中，透明基板之厚度係為約100至300 μm。
於本發明之另一具體實施例中，透明材料之厚度係大於約3 μm，較佳為約20至30 μm。
本發明另亦關於一種具高導熱層之光學元件，其包含：一基板；一形成於基板上之反射層；一形成於反射層上之透明薄膜，其中透明薄膜之厚度不小於約15 μm，且反射層與透明薄膜形成一具漸變式折射率之透明材料所組成之疊層；以及一形成於透明薄膜上之發光層。
於本發明之一具體實施例中，反射層與透明薄膜形成一具漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為光學元件之導熱層結構。
於本發明之一具體實施例中，反射層與透明薄膜間進一步包含一金屬碳化物層及發光層與透明薄膜間進一步包含一接著層。
於本發明之另一具體實施例中，至少一個導電通道穿過反射層與透明薄膜間。
於本發明之另一具體實施例中，至少一個導電通道穿過反射層、金屬碳化物層、透明薄膜與接著層間。
於本發明之一具體實施例中，基板為矽基板。
於本發明之另一具體實施例中，反射層為DBR。
於本發明之另一具體實施例中，發光層材料係InGaN或AlGaInP之半導體結構。
於本發明之另一具體實施例中，透明薄膜係選自鑽石、陶瓷、玻璃、氧化鋅、類鑽石及其他可替代材料所組成之群組。於本發明之另一具體實施例中，透明薄膜為鑽石薄膜。
於本發明之另一具體實施例中，透明薄膜之厚度係為約20至30 μm。
本發明由漸變式折射率透明材料所組成之疊層及/或具高導熱層之發光二極體元件可作為資訊、通訊、消費性電子產品及一般生活用品等之發光源，例如可應用於光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置及/或醫療裝置等。
本發明可藉下述之實施例描述其技術內容。
實施例I-1
如圖一(a)所示，在藍寶石(sapphire，n=1.7)基板7上成長一層透明鑽石薄膜6(diamond film，n=2.1~2.4)，藍寶石基板和透明鑽石薄膜即形成具有漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為光電元件之承載基板9。在鑽石薄膜上形成一n型半導體層5；如n-GaN或n-AlGaInP，在n型半導體層上形成一活性層3；活性層材料可以是InGaN或AlGaInP等相關半導體材料，在活性層上形成一p型半導體層2；如p-GaN或p-AlGaInP，再分別於n型半導體層及p 型半導體層上形成一n型電極4及一p型電極1。在藍寶石基板下方製作反射層8，反射層可以是金屬反射層、介電材料反射層或有機擴散反射層等。但是從光線的路徑可以看出，還是有部分光線經過反射層反射回活性層，因此可藉由調整透明基板厚度及透明鑽石薄膜的厚度來調整光線的路徑，減少光線反射回活性層，以增加光取出效率。如圖一(b)、(c)二者比較，增加藍寶石基板的厚度可以增加光線折射，減少光線反射回活性層，增加光取出效率。如圖一(c)、(d)二者比較，增加透明鑽石薄膜的厚度，也可以增加光線折射，減少光線反射回活性層，增加光取出效率。
實施例I-2
本實施例之結構示意圖如圖二。於碳化矽(SiC，n=2.7)基板11之一面成長鑽石薄膜6，並在鑽石薄膜上藉由摻雜(doping)機制降低鑽石薄膜最外層的折射率，碳化矽基板和透明鑽石薄膜即形成具有漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為此元件之承載基板。並在鑽石薄膜上製作反射層8，活性層3則成長或形成於碳化矽基板另一平面上。
實施例I-3
本實施例之結構示意圖如圖三。於碳化矽(SiC，n=2.7)基板11之一面成長鑽石薄膜6，並在鑽石薄膜 上藉由沉積(deposition)、塗覆(coating)或鍵結(bonding)製程形成至少一層n=1.5~2之間的透明材料12，碳化矽基板、透明鑽石薄膜及透明材料即形成具有漸變式折射率之透明材料所組成之疊層，可作為此元件之承載基板。之後在透明材料疊層上作反射層8，活性層3則成長或形成於碳化矽基板之另一平面上。
本發明發光二極體元件發光量測方式
本發明發光二極體元件發光情況係使用國際照明委員會(International Commission on Illumination；CIE)所制定發光二極體光學特性標準量測技術加以量測。以下所得之測量結果係以球型光束器法(簡稱積分球)而得。測量時先將室內溫度保持在24至26℃，將點膠後之LED樣品配置於積分球(如75mm積分球及其導入光纖，量測範圍VIS~NIR)，以CAS140B光學量測系統、Keithley 2400電源供應器與所搭配之電腦軟體量測該樣品之光強度、光功率、波長、CIE色度圖及其發散角。
量測結果
圖四為當發光元件之承載基板為具漸變式折射率之透明材料所組成之基板疊層且發光活性層為InGaN時，調整透明基板厚度與光取出效率提升之關係圖。從圖中可以得知當藍寶石基板厚度為100 μm到250 μm時其光取出效率提升有限。當利用鑽石薄膜成長在藍寶石基板上形成具漸變式折射率之透明材料所組成之基板疊層後，從圖中可以明顯看出，在藍寶石基板厚度為150μm與鑽石薄膜厚度大於3μm形成的漸變式折射率之透明材料所組成之疊層基板，可以明顯提升光取出效率。例如在藍寶石基板厚度150μm與鑽石薄膜厚度為20μm形成的漸變式折射率之透明材料所組成之疊層基板，可以提升光取出效率約16%；在藍寶石基板厚度為150μm與鑽石薄膜厚度為150μm形成的漸變式折射率之透明材料所組成之疊層基板，可以提升光取出效率約37%。此結果說明在藍寶石基板厚度為150μm與在鑽石薄膜厚度大於3μm形成的漸變式折射率之透明材料所組成之疊層承載基板，可以提升光取出效率，因此可達到提升亮度之目的。
此漸變式折射率之透明材料所組成之疊層亦可以使用於AlGaInP發光元件之承載基板，其相對應之光取出效率與鑽石薄膜厚度趨勢如圖五所示。當鑽石薄膜厚度大於3μm時即可發現出光效率已有提升趨勢，隨著鑽石薄膜厚度增加其光取出效率提升幅度將慢慢下降。
實施例II-1
本實施例之結構示意圖如圖六。在耐熱支撐層40上(thermal supporting layer)如：矽、銅、碳化矽，先鍍上DBR(TiO2/SiO2多層結構)的反射層30(reflector layer)，再於反射層上成長一層高熱傳導性透明層20(high thermal conductive transparent layer)，其熱傳導係數大於300W/mK，如：透明鑽石薄膜(diamond film，n=2.1~2.4)，其中鑽石薄膜之厚度須大於15μm使其光取出效率較為明顯，另在鑽石薄膜上形成活性層，其中活性層可為InGaN或AlGaInP等相關半導體磊晶結構(epitaxy layer)10。由反射層及高熱傳導性透明層所組成具漸變式折射率之疊層，除了可增加光取出效率外，於此元件中也可作為高導熱結構。
實施例II-2
本實施例之結構示意圖如圖七。在耐熱支撐層40上(thermal supporting layer)如：矽、銅、碳化矽，先鍍上DBR(TiO2/SiO2多層結構)的反射層30(reflector layer)，再於反射層上成長一層高熱傳導性透明層20(high thermal conductive transparent layer)，其熱傳導係數大於300W/mK，如：透明鑽石薄膜(diamond film，n=2.1~2.4)，其中鑽石薄膜之厚度須大於15μm。另在鑽石薄膜上形成活性層，其中活性層可為InGaN或AlGaInP等相關半導體磊晶結構10(epitaxy layer)。又在鑽石薄膜與DBR反射層間存在一金屬碳化物25(metal carbide)層，且發光層與鑽石薄膜間另具有一接著層15(adhesion layer)。由接著層、高熱傳導性透明層、金屬碳化物層及反射層所組成具漸變式折射率之疊層，除了可增加光取出效率外，於此元件中也可作為高導熱結構。
實施例II-3
本實施例之結構示意圖如圖八。在耐熱支撐層40上(thermal supporting layer)如：矽、銅、碳化矽，先鍍上DBR(TiO2/SiO2多層結構)的反射層30(reflector layer)，再於反射層上成長一層高熱傳導性透明層20(high thermal conductive transparent layer)，其熱傳導係數大於300W/mK，如：透明鑽石薄膜(diamond film，n=2.1~2.4)，其中鑽石薄膜之厚度須大於15μm。另在鑽石薄膜上形成活性層，其中活性層可為InGaN或AlGaInP等相關半導體磊晶結構10(epitaxy layer)。另以至少一個導電通道35(electrical conductive via)穿過反射層與鑽石薄膜以使活性層與耐熱支撐層電性連結。由反射層及高熱傳導性透明層所組成具漸變式折射率之疊層，除了可增加光取出效率外，於此元件中也可作為高導熱結構。
實施例II-4
本實施例之結構示意圖如圖九。在耐熱支撐層40上(thermal supporting layer)如：矽、銅、碳化矽，先鍍上DBR(TiO2/SiO2多層結構)的反射層30(reflector layer)，再於反射層上成長一層高熱傳導性透明層20(high thermal conductive transparent layer)，其熱傳導係數大於300W/mK，如：透明鑽石薄膜(diamond film，n=2.1~2.4)，其中鑽石薄膜之厚度須大於15μm。 另在鑽石薄膜上形成活性層，其中活性層可為InGaN或AlGaInP等相關半導體磊晶結構10(epitaxy layer)。又在鑽石薄膜與DBR反射層間存在一金屬碳化物層25(metal carbide)，且活性層與鑽石薄膜間另具有一接著層15(adhesion layer)。另以至少一個導電通道35(electrical conductive via)穿過反射層、金屬碳化物層、鑽石薄膜與接合層以使活性層與耐熱支撐層電性連結。由接著層、高熱傳導性透明層、金屬碳化物層及反射層所組成具漸變式折射率之疊層，除了可增加光取出效率外，於此元件中也可作為高導熱結構。
本發明發光二極體元件散熱量測方式
根據本發明之含鑽石薄膜之發光二極體元件與一般發光二極體元件的散熱效能，係藉由Quantum Focus儀器公司(Quantum Focus Instruments Corp.)之InfraScope微熱影像儀(InfraScope Micro-Thermal Imager)進行量測，藉此可測得該等發光二極體元件之最高工作溫度(Tmax)。
量測結果
根據前述之量測方法，本發明實施例II-1之包含鑽石薄膜的發光二極體元件所測得之Tmax為88.49℃；另一方面，習知之由矽基板構成而不含鑽石薄膜的發光二極體元件所測得之Tmax則為103.87℃。由此可 知，根據本發明之發光二極體元件表現出熟悉該項技藝人士無法預期之明顯散熱效果。
本發明的各個實施例已顯示及描述如上，但其並非用以限制本案之申請專利範圍。明顯地，熟悉此項技術之人士在不悖離本發明且依發明最廣觀點的情況下所作之任何改變或修改，均應視為仍落於本案申請專利範圍所界定範圍之中。
1‧‧‧p型電極
2‧‧‧p型半導體層
3‧‧‧活性層
4‧‧‧n型電極
5‧‧‧p型半導體層
6‧‧‧透明材料
7‧‧‧透明基板
8‧‧‧反射層
9‧‧‧承載基板
10‧‧‧磊晶結構
11‧‧‧碳化矽層
12‧‧‧透明材料
15‧‧‧接著層
20‧‧‧高熱傳導性透明層
25‧‧‧金屬碳化物層
30‧‧‧反射層
35‧‧‧導電通道
40‧‧‧耐熱支撐層
圖一為根據本發明實施例I-1之調整發光二極體元件透明基板/透明材料厚度之光取出示意圖。
圖二為根據本發明實施例I-2之結構示意圖。
圖三為根據本發明實施例I-3之結構示意圖。
圖四為以InGaN為發光層之調整透明基板/透明材料厚度之光取出效率圖。
圖五為以AlGaInP為發光層之調整透明基板/透明材料厚度之光取出效率圖。
圖六為根據本發明實施例II-1之結構示意圖。
圖七為根據本發明實施例II-2之結構示意圖。
圖八為根據本發明實施例II-3之結構示意圖。
圖九為根據本發明實施例II-4之結構示意圖。
1‧‧‧p型電極
2‧‧‧p型半導體層
3‧‧‧發光層
4‧‧‧n型電極
5‧‧‧n型半導體層
6‧‧‧透明材料
7‧‧‧透明基板
8‧‧‧金屬反射層
9‧‧‧承載基板

Claims (26)

  1. 一種發光元件，其包含：一承載基板係為一具漸變式折射率之疊層，包含：一透明基板；以及一透明材料層，形成於該透明基板之一第一面，其中該透明材料層之厚度不小於約3μm；一反射層，形成於該透明基板之一第二面，其中該第二面係與該第一面相對；以及一活性層，形成於該承載基板上。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明基板的折射率須小於該透明材料層之任一折射率。
  3. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明材料層為一單層結構。
  4. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明材料層為一多層結構，其中與該透明基板直接接著之一層其厚度不小於約3μm。
  5. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明基板係選自藍寶石及其他可替代透明材料所組成之群組。
  6. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明材料層係選自鑽石及其他可替代透明材料所組成之群組。
  7. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該反射層係選自金屬反射層、介電層反射層、有機擴散反射層及其他可替代材料所組成之群組。
  8. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明基板之厚度係為約100至300μm。
  9. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該透明材料層之較佳厚度係為約20至30μm。
  10. 一種發光元件，其包含：一承載基板係為一具漸變式折射率之疊層，包含：一透明基板；以及一透明材料層係為一多層結構，形成於該透明基板之一第一面，其中該透明基板折射率大於該多層結構之任一層之折射率；一反射層，形成於該承載基板之上；以及一活性層，形成於該透明基板之一第二面，其中該第二面係與該第一面相對。
  11. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中該透明材料層其厚度不小於約3μm。
  12. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中與該透明基板直接接著之一層其厚度不小於約3μm。
  13. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中該透明基板係選自SiC及其他可替代透明材料所組成之群組。
  14. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中該透明材料層係選自鑽石、藍寶石、氧化銦錫、玻璃及其他可替代透明材料所組成之群組。
  15. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中該反射層係選自金屬及其他可替代材料所組成之群組。
  16. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中該透明基板之厚度係為約100至300μm。
  17. 如申請專利範圍第10項之發光元件，其中該透明材料層之較佳厚度係為約20至30μm。
  18. 一種發光元件，其包含：一耐熱支撐層；一高導熱結構，係為一具漸變式折射率之疊層，包含：一反射層形成於該耐熱支撐層上；一高熱傳導性透明層形成於該反射層上，其中該高熱傳導性透明層之厚度不小於約15μm；以及至少一個導電通道穿過該反射層與該高熱傳導性透明層間；以及一活性層形成於該高導熱結構上。
  19. 如申請專利範圍第18項之發光元件，其中該反射層與該高熱傳導性透明層間更包含一金屬碳化物層，且該活性層與該高熱傳導性透明層間更包含一接著層。
  20. 如申請專利範圍第19項之發光元件，其中至少一個導電通道穿過該反射層、該金屬碳化物層、該高熱傳導性透明層與該接著層間。
  21. 如申請專利範圍第18項中之發光元件，其中該耐熱支撐層為矽、銅或碳化矽。
  22. 如申請專利範圍第18項中之發光元件，其中該反 射層為DBR。
  23. 如申請專利範圍第18項中之發光元件，其中該活性層材料係InGaN或AlGaInP之半導體結構。
  24. 如申請專利範圍第18項中之發光元件，其中該高熱傳導性透明層係選自鑽石、陶瓷、玻璃、氧化鋅、類鑽石及其他可替代透明材料所組成之群組。
  25. 如申請專利範圍第18項之發光元件，其中該高熱傳導性透明層之厚度係為約20至30μm。
  26. 如申請專利範圍第18項之發光元件，其中該高熱傳導性透明層之熱傳導係數大於300W/mK。
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