TWI423467B - 半導體發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體發光裝置，尤其關於一種具有外接光學元件之半導體發光裝置，此光學元件之折射係數係大於或接近於發光結構的透明基板之折射係數，或介於透明基板之折射係數與封裝材料之折射係數之間。
發光二極體(Light Emitting Diode；LED)係一種固態物理半導體元件，其至少包含一p－n接合(p－n junction)，此p－n接合係形成於p型與n型半導體層之間。當於p－n接合上施加一定程度之偏壓時，p型半導體層中之電洞與n型半導體層中之電子將會結合而釋放出光。此光產生之區域一般又稱為發光區(light－emitting region)。
發光區所產生之光係朝各個方向前進。然而，使用者通常僅需要特定方向之光，而需要利用反射層或鏡面反射部分之光線。此外，LED材料與環境介質間之折射係數差異會造成照射在LED邊界之光線在特定入射角下產生全反射。一般來說，上述各種形式之被反射光難以避免地會再行經LED內部。
如第1A圖所示，一習知發光二極體100包括一基板110與磊晶層130。磊晶層130中包括一發光層131。發光層131在承受一偏壓下會朝各個方向發射光線。磊晶層130與基板110間形成一反射層150以反射來自發光層131之光線。
射線R1
射向發光二極體100上方，當環境介質之折射係數小於發光二極體100之折射係數，且入射角大於臨界角，射線R1
會在磊晶層130之邊界全反射而返回磊晶層130內部。當射線R1
穿過發光層131時，部分之射線R1
會被發光層131吸收。另一部份未被吸收之射線R1
會照射到反射層150且被反射向上而再次穿過發光層131。如此，射線R1
於磊晶層130內震盪並反覆行經發光層131而逐漸被吸收。於相同機制下，射向發光二極體100下方之射線R2
亦於磊晶層130內震盪並反覆行經發光層131而逐漸被吸收。
如第1B圖所示，發光二極體100之基板110與磊晶層130間不形成反射層，且基板110相對於發光層131所發之光為透明。基板110下方可以設置鏡面(未顯示)或僅為空氣。自基板110底面被反射之射線R3
，若以大於臨界角θC
之入射角θI
照射基板110之側壁，射線R3
將被反射回磊晶層130內部。部分返回磊晶層130之射線R3
為發光層131所吸收。如上所述，射線R3
於磊晶層130之邊界可能會被全反射而返回磊晶層130內部，並於磊晶層130內震盪並反覆行經發光層131而逐漸被吸收。被發光層131所吸收之光線於某些程度上勢將降低發光二極體100之光摘出效率(light extraction efficiency)。特別在小型晶粒，如8mil和10mil，其焊墊所佔面積相對於晶片的出光面積比率升高，光會被焊墊反射而在晶片內行進，導致許多光因為經過磊晶層130而被吸收；或是焊墊本身將光吸收，光摘出效率明顯降低。
如第1C圖所示之發光二極體具有一磊晶層130，其上方設有一漫射罩120，位於下方的GaAs基板140下接一透明基板110；而該磊晶層130所發出之射線R4則經由側方的透明樹脂160向側邊出光。由於透明基板110通常熱阻係數較高，導致發光二極體散熱不易。
在發光二極體應用方面，以液晶顯示器(LCD)之主要元件之一背光模組(BLU)為例，其光源以高亮度、低耗電、薄型化與輕量化之點光源為主。除傳統的EL(Electro Luminescence)，CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)與HCFL，發光二極體亦為背光模組最常使用之點光源。
本發明提供一種半導體發光裝置以及一種封裝結構，可以減少被半導體疊層吸收之光線。
本發明之半導體發光裝置包含發光結構與外接之光學元件。發光結構係包含一半導體疊層與一透明基板。光學元件係與發光結構之周邊相連接，且光學元件之折射係數係大於或接近於透明基板之折射係數，或介於透明基板之折射係數與封裝材料之折射係數之間。發光結構承受偏壓時會發出光線，部分光線會經由透明基板射入光學元件，光學元件可以增加發光結構之光摘出效率。該發光結構下方係與環境介質或散熱材料相接觸，藉熱對流及熱傳導等方式提升散熱效率。此外，本發明之半導體發光裝置特別適用於p型與n型焊墊佔據表面積50%以上之半導體發光結構。
本發明之封裝結構，特別適用於發光結構，至少包含光學元件、基座。光學元件係連接於基座上，光學元件與基座間可以選擇性地設置一反射結構。
如第2A－2B圖所示，本發明之半導體發光裝置200包含一光學元件210與一發光結構220。發光結構220，例如一發光二極體晶粒，包含一半導體疊層221與一透明基板222，其中半導體疊層221更包括一發光層223。當發光結構220承受一偏壓時，發光層223會產生光線。光學元件210環繞發光結構220，以其內壁與發光結構220相連接，並曝露發光結構220至少部份之上或下表面。發光結構下方係與環境介質或散熱材料相接觸，藉由熱對流及熱傳導等方式達到散熱效果。光學元件210可在結構製程中一併形成，或獨立於發光結構形成，例如獨立形成光學元件210後，再將光學元件210與發光結構220接合。
本發明中，發光層223之材料包含但不限於第III－V族、第II－VI族、第IV族之元素或其組合。光學元件210之折射係數no
係大於或近於透明基板222之折射係數ns
，或介於透明基板222之折射係數ns
與封裝材料之折射係數ne
之間。因此，光線有較大的機率可以經由透明基板222自光學元件210射出，而相對地減少反射回半導體疊層221之光線，亦即，降低了被半導體疊層221吸收的光量。如第2C圖所示，射線R5
自發光層223射向透明基板222之底面並朝光學元件210反射。由於光學元件210之折射係數no
大於或近於透明基板222之折射係數ns
，因此，射線R5
不易如習知技術一般向半導體疊層221反射，而有較大機率進入光學元件210，因此降低射線R5
被半導體疊層221吸收之機率。
本實施例中，光學元件210之第一表面211與第二表面212為平滑表面。但光線在照射光學元件210與環境空氣之界面時，由於折射係數的差異，可能會遭遇全反射之問題。若此界面係為粗糙或不平整，光線在此界面上會被散射。所以，遭遇全反射的光線減少，光摘出效率因而提高。因此較佳地係如第2D圖所示，於第一表面211與第二表面212形成一粗糙面或一非平整面，藉此提升光摘出效率。粗糙面或非平整面可為規則或不規則之圖形，如菲涅耳(Fresnel)表面，端視所需而設計。上述實施例之電極或焊墊位於發光結構之同側，然而如第2E圖所示，電極或焊墊位置並不限於發光結構之同側。
在另一實施例中，透明基板222具有不同面積之上下表面，形成如倒梯形(inverted－trapezoid)、梯形(trapezoid)或平截頭體(frustum)等特殊形狀。為增加光摘出效率，光學元件210亦可以形成為以上列舉之各種外型或其組合。
如第3A圖所示，於本實施例中，第一表面311相對於第二表面312傾斜一θA
角度，射線R6
因此較容易進入臨界角θC
之範圍內，而得以脫離光學元件210。此外，如第3B~3F圖所示，第二表面312係為一斜面，或第一表面311和第二表面312同時係為斜面。為提升光摘出效率，第一表面311與第二表面312亦可形成一粗糙面或一非平整面。除此之外，光學元件210亦可配合實際應用所需，環繞於發光結構220四周或與其至少一側相接。
一種製造上述實施例之方法，若光學元件210為藍寶石，則以雷射在該光學元件之中心位置形成一略大於該透明基板222之通孔，以膠結合方式將發光結構220與光學元件210相連接。惟膠270相對於透明基板222所發之光為透明，而且膠270之折射係數nb
近於透明基板222之折射係數ns
，或介於ns
與no
之間。
本發明之透明基板222之材料可以為導體或絕緣體，如：碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、藍寶石(sapphire)、或硒化鋅(ZnSe)。上述膠結合所使用之膠270係包含但不限於旋塗玻璃(SOG)、矽膠(silicone)、苯并環丁烯(BCB)、環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)、過氟環丁烯(PFCB)、Su8膠、樹脂或上述材料之組合。上述之光學元件210之材料係包含但不限於碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、CVD鑽石、鑽石、樹脂、氧化鋯(ZrO2
)、尖晶石、氮氧化鋁(AlON)或藍寶石(sapphire)；其中，樹脂較佳地係為Su8膠。
若該光學元件210為樹脂，可直接環繞於該發光結構220之側壁，或將該發光結構220嵌入一樹脂層，再將發光結構220下方之多餘樹脂層移除。除此之外，可在一成長基板上之半導體疊層中形成複數個孔洞，並形成樹脂層於孔洞中，自孔洞處切割半導體疊層與成長基板，再移除成長基板而形成發光二極體晶粒，如此可以形成具有環繞發光結構之光學元件210，詳細說明可參考本案申請人之中華民國專利申請案第94101800號與第94101801號。然而，於本案中，若成長基板為透明，則可以選擇保留不移除，再撘配環繞發光結構周圍與位於成長基板上側之光學元件210，可以提高光線離開晶粒之機會。再者，光學元件亦可以環繞於半導體疊層與成長基板周圍。甚或，藉由上述方法，可以於孔洞中形成具有不同折射係數之樹脂層，以降低全反射提高光線離開機率。惟較佳者，樹脂之折射係數係大於或近於透明基板222之折射係數，或介於透明基板222之折射係數與封裝材料之折射係數之間。在理想狀況下，當ns
≦nb
≦no
或ns
≦no
，全反射將不會於上述結構內部發生，特別是當ns
＝no
＝nb
。另一方面，當no
略小於或等於ns
，但no
略大於ne
，光摘出效率可獲得提升。當no
略小於或等於nb
，而且nb
略小於或等於ns
，但no
略大於ne
，可增加光經由光學元件210出光的機率。同樣地，當nb
略小於或等於no
，而且no
略小於或等於ns
，但nb
略大於ne
且膠的厚度夠薄，光摘出效率亦可提升。
另一方面，在市場需求與成本考量之下，半導體發光晶粒的尺寸逐趨縮小。然而，焊墊的尺寸仍有一定的限制。一般而言，焊墊是不透光的，因此，被焊墊所遮蔽的發光結構220之表面積比例相對增加；換言之，晶粒出光的面積將減少。如第4A圖所示，本發明之結構特別適用於一被p型焊墊230與n型焊墊240所遮蔽的發光結構220之表面積50%以上之半導體發光晶粒。如第4B圖所示，於焊墊下方設有第一反射層250與第二反射層260，將射向p型焊墊230與n型焊墊240之射線R7
反射至透明基板222或光學元件210出光，降低焊墊吸光的機率，提升光摘出效率。在相同概念下，焊墊可為不透光電極或其他具有相同功效之替代結構，本實施例依然適用。
如上所述之光學元件210亦可以適用於一封裝結構中。如第5A－5B圖所示，一封裝結構300，特別適用於發光結構200，至少包含一基座340與一光學元件210。其中，光學元件210位於基座340之上，基座340可選擇性地包含至少一導線320。光學元件210之下可以選擇性地形成一第三反射層310或朗伯表面(Lambertian Surface)以反射光線，再以封裝材料覆蓋上述結構。一波長轉換材料可選擇性地包含於光學元件210或封裝材料(未顯示)中，或覆蓋於發光二極體晶粒上以轉換發光二極體晶粒之原始色光。該波長轉換材料包含螢光粉、有機半導體、第II－VI族或第III－V族半導體、奈米晶體、染料和聚合物。封裝過程中，光學元件210可以先設置於基座340後再與發光結構220結合，因此，使用一般市面上取得之發光二極體晶粒便可以完成本發明之發光裝置。
第一反射層250、第二反射層260與第三反射層310的材料係為金屬、氧化物、上述材料之合成或其他可反射光之材料。更佳地，第一反射層250、第二反射層260與第三反射層310之材料係擇自銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、錫(Pb)、鍺(Ge)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈹化金(AuBe)、鍺化金(AuGe)、鋅化金(AuZn)、錫化鉛(PbSn)、氮化矽(SiNx
)、氧化矽(SiO2
)、三氧化二鋁(Al2
O3
)、氧化鈦(TiO2
)與氧化鎂(MgO)所構成之群組。
如第6A－6B圖所示，在上述的封裝結構300中之光學元件210另配置一反射結構330，反射結構330包含內壁331。射向反射結構330之光，被內壁331反射；向上射出之光被焊墊230、240下方之第一反射層250與第二反射層260反射；向下發射之光亦因與反射層310相遇而被反射。最終，光線回到第三表面213集中出光。如第6C－6D圖所示，將基板222與半導體疊層221和反射結構330之內壁331相接之側面以膠270接合，基板222與半導體疊層221未與反射結構330相接之側面則與光學元件210接合。當nb
<<ns
，於基板222與膠270之介面會產生全反射，導致發光結構220所發之光全經由光學元件210向外出光；而且no
>ne
，光摘出效率獲得提升。換言之，此結構可限定發光結構220所發之光之出光方向。本發明可在其發明精神下，依據所需進行修改及變化。
上述反射結構330之內壁331包含一具有布拉格反射層(DBR)或朗伯表面等反射特性之反射層，用以反射射向反射結構330之光。反射結構330的材料係為金屬、氧化物、上述材料之合成或其他可反射之材料。更佳地，反射結構330之材料係擇自銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、錫(Pb)、鍺(Ge)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈹化金(AuBe)、鍺化金(AuGe)、鋅化金(AuZn)、錫化鉛(PbSn)、氮化矽(SiNx
)、氧化矽(SiO2
)、三氧化二鋁(Al2
O3
)、氧化鈦(TiO2
)與氧化鎂(MgO)所構成之群組。
本發明正符合高亮度、低耗電、薄型化與輕量化之點光源的特性，可應用於背光模組。除此之外，本發明亦可廣泛地運用於各種顯示器與發光裝置，為其主要零件。
惟上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟於此項技藝之人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
100．．．發光二極體
110．．．基板
130‧‧‧磊晶層
140‧‧‧GaAs基板
150‧‧‧反射層
160‧‧‧透明樹脂
200‧‧‧半導體發光裝置
210‧‧‧光學元件
211‧‧‧第一表面
212‧‧‧第二表面
213‧‧‧第三表面
220‧‧‧發光結構
221‧‧‧半導體疊層
222‧‧‧透明基板
223‧‧‧發光層
230‧‧‧p型焊墊
240‧‧‧n型焊墊
250‧‧‧第一反射層
260‧‧‧第二反射層
270‧‧‧膠
300‧‧‧封裝結構
310‧‧‧第三反射層
311‧‧‧第一表面
312‧‧‧第二表面
320‧‧‧導線
330‧‧‧反射結構
331‧‧‧內壁
340‧‧‧基座
T-T’‧‧‧割面線
第1A~1C圖係顯示習知發光二極體內之光跡圖。
第2A圖係顯示依據本發明一實施例之半導體發光裝置之俯視圖。
第2B圖係顯示第2A圖之半導體發光裝置之剖面圖。
第2C圖係顯示第2A圖之半導體發光裝置之光跡圖。
第2D圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置之剖面圖。
第2E圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置之剖面圖。
第3A~3F圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置之剖面圖。
第4A圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置之俯視圖。
第4B圖係顯示第4A圖之半導體發光裝置之剖面圖。
第5A圖係顯示採用本發明之封裝結構之俯視圖。
第5B圖係顯示第5A圖之封裝結構之剖面圖。
第6A圖係顯示採用本發明另一實施例之封裝結構之俯視圖。
第6B圖係顯示第6A圖之封裝結構之剖面圖。
第6C圖係顯示採用本發明另一實施例之封裝結構之俯視圖。
第6D圖係顯示第6C圖之封裝結構之剖面圖。
200．．．半導體發光裝置
210．．．光學元件
211．．．第一表面
212．．．第二表面
220．．．發光結構
221．．．半導體疊層
222．．．透明基板
230．．．p型焊墊
240．．．n型焊墊
Claims (32)
- 一種半導體發光裝置，包含：一發光結構，包含：一半導體疊層，包含一發光層；及一透明基板，係位於該半導體疊層之下方；及一光學元件環繞該發光結構周邊，並曝露該發光結構至少部份之上或下表面。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該光學元件之折射係數係擇自不小於該透明基板之折射係數、接近於該透明基板之折射係數與介於該透明基板與封裝材料間之折射係數所組成之群組。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該第一表面與第二表面係包含一非平整表面。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該第一表面與該第二表面係包含一粗糙表面。
- 如請求項3或4中任一項所述之半導體發光裝置，其中至少該第一表面與第二表面其中之一包含一斜面。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該透明基板更包含一反射層，係位於該光學元件之下方。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該透明基板更包含一散熱層，係位於該光學元件之下方。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含：一波長轉換材料，係覆蓋於該發光結構上。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含：一波長轉換材料，係覆蓋於該光學元件上。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該光學元件更包含一波長轉換材料。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含：一基座，係位於該光學元件之下方；及一反射層，係位於該基座與該光學元件之間。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含：一膠，係位於該發光結構與該光學元件之間。
- 如請求項12所述之半導體發光裝置，其中該膠之材料係擇自旋塗玻璃(SOG)、矽膠(silicone)、苯并環丁烯(BCB)、環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)、過氟環丁烯(PFCB)、Su8膠與樹脂所構成之群組。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該光學元件之材料係擇自碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、CVD鑽石、鑽石、樹脂、氧化鋯(ZrO2 )、尖晶石、氮氧化鋁(AlON)與藍寶石(sapphire)所構成之群組。
- 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該透明基板之材料係擇自碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、藍寶石(sapphire)與硒化鋅(ZnSe)所構成之群組。
- 一種半導體發光裝置，包含：一發光結構，包含：一半導體疊層，包含一發光層；及一透明基板，係位於該半導體疊層之下方；複數個不透光電極，係位於該發光結構的同一側上，其中該不透光電極遮蔽該發光結構50%以上之表面積；及一光學元件，係位於該發光結構周邊，並曝露該發光結構至少 部份之上或下表面，其中該光學元件具有相對之一第一表面與一第二表面。
- 如請求項16所述之半導體發光裝置，其中，該光學元件之折射係數係擇自不小於該透明基板之折射係數、接近於該透明基板之折射係數與介於該透明基板與封裝材料間之折射係數所組成之群組
- 如請求項16所述之半導體發光裝置，其中該不透光電極下方係設置有反射層。
- 一種封裝結構，包含：一基座；一光學元件，係位於該基座之上方，具有一通孔；及一發光結構位於該通孔之中，包含：一半導體疊層，包含一發光層；及一透明基板，係位於該半導體疊層之下方。
- 如請求項19所述之封裝結構，更包含：一波長轉換材料，係覆蓋於該光學元件上。
- 如請求項19所述之封裝結構，其中該光學元件更包含一波長轉換材料。
- 如請求項19所述之封裝結構，更包含：一散熱層，係位於該光學元件之下方。
- 如請求項19所述之封裝結構，更包含：一封裝材料，係覆蓋於該基座上。
- 如請求項23所述之封裝結構，其中該封裝材料更包含一波長轉換材料。
- 如請求項19所述之封裝結構，更包含： 一波長轉換材料，摻雜於該封裝材料之中。
- 如請求項19所述之封裝結構，更包含：一反射結構，係位於該基座之上方，包含有一內壁。
- 如請求項26所述之封裝結構，其中該內壁包含一反射層。
- 一種顯示器，包含：一顯示面板包含複數個半導體發光裝置，其中至少一個半導體發光裝置包含：一發光結構包含：一半導體疊層，包含一發光層；及一透明基板，位於該半導體疊層之下方；及一光學元件，係位於該發光結構至少兩相鄰側邊，並曝露該發光結構至少部份之上或下表面，其中該光學元件具有相對之一第一表面與一第二表面。
- 如請求項28所述之顯示器，其中該光學元件之折射係數係擇自不小於該透明基板之折射係數、接近於該透明基板之折射係數與介於該透明基板與封裝材料間之折射係數所組成之群組。
- 如請求項28所述之顯示器，更包含：一種背光模組包含複數個半導體發光裝置，其中至少一個半導體發光裝置包含：一發光結構，包含：一半導體疊層，包含一發光層；及一透明基板，位於該半導體疊層之下方；及一光學元件，係位於該發光結構至少兩相鄰側邊，並曝露該發光結構至少部份之上或下表面，其中該光學元件具有相對之一第一表面與一第二表面； 其中，該光學元件之折射係數係擇自不小於該透明基板之折射係數、接近於該透明基板之折射係數與介於該透明基板與封裝材料間之折射係數所組成之群組。
- 一種半導體發光裝置，包含：一發光結構，包含：一半導體疊層，包含一發光層；及一透明基板，係位於該半導體疊層之下方；及一光學元件，係與該發光結構至少兩相鄰側邊相連接。
- 如請求項31所述之半導體發光裝置，其中該光學元件之折射係數係擇自不小於該透明基板之折射係數、接近於該透明基板之折射係數與介於該透明基板與封裝材料之間折射係數所組成之特性。
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