TWI570904B - 發光二極體元件 - Google Patents

Description

發光二極體元件

本發明係關於一種二維式陣列發光二極體元件，尤其是關於一種具有高出光效率的二維式陣列高壓發光二極體元件。

發光二極體(LED)之發光原理和結構與傳統光源並不相同，具有耗電量低、元件壽命長、無須暖燈時間、反應速度快等優點，再加上其體積小、耐震動、適合量產，容易配合應用需求製成極小或陣列式的元件，在市場上的應用頗為廣泛。例如，光學顯示裝置、雷射二極體、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。

習知的二維式陣列發光二極體元件1，如第1A圖與第1B圖所示，包含一透明基板10、複數個發光二極體單元12以二維方向延伸，緊密排列形成於透明基板10上，每一個發光二極體單元12包含一p型半導體層121、一發光層122、以及一n型半導體層123。由於透明基板10不導電，因此於複數個發光二極體單元12之間由蝕刻形成溝渠14後可使各發光二極體單元12彼此絕緣，另外再藉由部分蝕刻複數個發光二極體單元12至n型半導體層123，分別於n型半導體層123的暴露區域以及p型半導體層121上形成一第一電極18以及一第二電極16。再藉由導電配線結構19選擇性連接複數個發光二極體單元12之第一電極18及第二電極16，使得複數個發光二極體單元12之間形成串聯或並聯之電路。其中，導電配線結構19下方可以是空氣；也可以預先在形成導電配線結構19之前，在發光二極體單元12的磊晶層部分表面及相近的發光二極體單元12磊晶層間以化學氣相沉積方式(CVD)、物理氣相沉積方式(PVD)、濺鍍(sputtering)等技術沉積形成絕緣層13，作為磊晶層的保護與相近發光二極體單元12間的電性絕緣。絕緣層13的材質較佳例如可以是氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(SiNx)、二氧化鈦(TiO2)等材料或其複合組合。

然而，藉由導電配線結構19進行發光二極體單元12間的電路連結時，由於發光二極體單元12與之間的溝渠14高低差距頗大，在形成導電配線結構19時容易產生導線連結不良或斷線的問題，進而影響元件的良率。

此外，上述之發光二極體元件1更可以進一步地與其他元件組合連接以形成一發光裝置(light-emitting apparatus)。第11圖為習知之發光裝置結構示意圖，如第11圖所示，一發光裝置100包含一具有至少一電路101之次載體(sub-mount)110，將上述發光二極體元件1黏結固定於次載體110上；以及，一電性連接結構104，以電性連接發光元件1之第一電極襯墊16’、第二電極襯墊18’與次載體110上之電路101；其中，上述之次載體110 可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置100之電路規劃並提高其散熱效果。上述之電性連接結構104可以是焊線(bonding wire)或其他連結結構。

本發明提供一種二維式陣列發光二極體元件，尤其是關於一種具有高出光效率的二維式陣列高壓發光二極體元件。

本發明的一實施例提供一種二維式陣列發光二極體元件，包含一透明基板，具有一第一表面；複數相鄰的發光單元，每一個發光單元包含複數側邊及一周長，配置在第一表面上；以及複數導電配線結構，電性連接上述複數相鄰的發光單元，配置在第一表面上；其中，每一發光單元的側邊與最近的發光單元間具有複數垂直距離，當上述複數垂直距離大於50μm時，發光單元的側邊與最近的發光單元不相近；其中，上述複數發光單元中每一發光單元與最近的發光單元不相近的側邊長度總和與發光單元的周長比大於50%。

本發明的另一實施例提供一種二維式陣列發光二極體元件，包含一透明基板，具有一第一表面；複數發光單元，其中，每一個發光單元包含一第一電性半導體層，配置於透明基板的第一表面上；一第二電性半導體層；配置於第一電性半導體層上；以及一發光層，配置於第一電性半導體層與第二電性半導體層之間；以及複數導電配線結構，電性連接上述複數發光單元，配置在第一表面上；其中，每一發光單元的發光層間間距大於35μm。

以下配合圖式說明本發明之各實施例。首先，第2A圖與第2B圖所示為本發明第一實施例之二維式陣列發光二極體元件2的上視圖與側視圖。二維式陣列發光二極體元件2具有一個透明基板20，透明基板20具有第一表面201與底面202，其中第一表面201與底面202相對。透明基板20並不限定為單一材料，亦可以是由複數不同材料組合而成的複合式透明基板。例如：透明基板20可以包含兩個相互接合的第一透明基板與第二透明基板(圖未示)。本實施例中，透明基板20的材質為藍寶石(sapphire)。然而，透明基板20的材質亦可以包含但不限於鋁酸鋰(lithium aluminum oxide, LiAlO2)、氧化鋅(zinc oxide, ZnO)、磷化鎵(gallium nitride, GaP)、玻璃(Glass)、有機高分子板材、氮化鋁(aluminum nitride, AlN)。接著，在透明基板20的第一表面201上，形成複數二維延伸排列的發光二極體單元22陣列。在本實施例中，製作方式如下所述：

首先，以傳統的磊晶成長製程，在一成長基板(圖未示)上依序形成n型半導體層221，發光層222，以及p型半導體層223。在本實施例中，成長基板的材質為砷化鎵(GaAs)。當然，除了砷化鎵(GaAs)基板之外，成長基板的材質係可包含但不限於鍺(germanium, Ge)、磷化銦(indium phosphide, InP)、藍寶石(sapphire)、碳化矽(silicon carbide)、矽(silicon)、氧化鋰鋁(lithium aluminum oxide, LiAlO2)、氧化鋅(zinc oxide, ZnO)、氮化鎵(gallium nitride, GaN)、氮化鋁(aluminum nitride)。

接著，以黃光微影製程技術選擇性移除部分磊晶層後，殘餘的磊晶層在成長基板上形成如第2B圖所示，分開排列的多個發光二極體單元22的磊晶層部分結構。其中，更可包含以黃光微影製程技術蝕刻形成每一個發光二極體單元22的n型半導體層暴露區域，以做為後續電極結構的形成平台。

為了增加元件整體的出光效率，透過基板轉移與基板接合的技術，將發光二極體單元22磊晶層結構設置於透明基板20之上。發光二極體單元22可以以加熱或加壓的方式與透明基板20直接接合，或是透過透明黏著層(圖未示)將發光二極體單元22與透明基板20黏著接合。其中，透明黏著層可以是一有機高分子透明膠材，例如聚醯亞胺(polyimide)、苯環丁烯類高分子(BCB)、全氟環丁基類高分子(PFCB)、環氧類樹脂(Epoxy)、壓克力類樹脂(Acrylic Resin)、聚脂類樹脂(PET)、聚碳酸酯類樹脂(PC)等材料或其組合；或一透明導電氧化金屬層，例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化錫氟（FTO）、銻錫氧化物（ATO）、鎘錫氧化物（CTO）、氧化鋅鋁（AZO）、掺鎘氧化鋅（GZO）等材料或其組合；或一無機絕緣層，例如氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiO2)、氮化鋁(AlN)、二氧化鈦(TiO2)等材料或其組合。

在本實施例中，發光二極體單元22係以苯環丁烯類高分子(BCB)做為透明黏著層與透明基板20進行接合。實際上，將發光二極體單元22設置於透明基板20上的方法不限於此，於本技術領域中具有通常知識的人應可以理解，根據不同的結構特性，發光二極體單元22亦可以磊晶成長的方式直接形成於透明的基板上。此外，根據基板轉移次數的不同，亦可以形成p型半導體層與基板相鄰，且n型半導體層在p型半導體層上，中間夾有發光層的結構。

接著，在發光二極體單元22的磊晶層部分表面及相鄰發光二極體單元22磊晶層間以化學氣相沉積方式(CVD)、物理氣相沉積方式(PVD)、濺鍍(sputtering)等技術沉積形成絕緣層23，作為磊晶層的保護與相鄰發光二極體單元22間的電性絕緣。絕緣層23的材質較佳例如可以是氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(SiNx)、二氧化鈦(TiO2)等材料或其複合組合。

之後，以濺鍍的方式在發光二極體單元22的n型半導體層暴露區域表面，p型半導體層表面，以及透明基板的第一表面201上形成第一電極28、第二電極26及導電配線結構29，以進行發光二極體單元22之間的電性連結。以本實施例為例，在第一發光二極體單元22的n型半導體層暴露區域上形成第一電極28，在相鄰的發光二極體單元22的p型半導體層223上形成第二電極26，以及形成一導電配線結構29於兩個電極之間，以串聯的方式電性連結兩個相鄰的發光二極體單元22。導電配線結構29與電極26，28的材質較佳例如可以是金屬，例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、錫(Sn)等，其合金或其層疊組合。形成第一電極28、第二電極26與導電配線結構29的材質可以相同或不同，其結構可以是單一次製程，也可以是由多次製程所完成。

除此之外，如第2A圖所示，為了減少不透光的金屬結構對發光二極體元件2出光效率所產生的影響，依據不同的電路設計，分別自本實施例中的發光二極體單元22串列之中其中兩個發光二極體單元22 的p型半導體層223及n型半導體層221表面形成兩組導電配線結構29，延伸至磊晶層之外的透明基板20第一表面201上形成第一電極襯墊26'與第二電極襯墊28'。藉由兩個電極襯墊，可以以打線或焊錫等方式與外部電源形成電性連接。其中，形成電極襯墊26'，28'的製程，可以與形成電極26，28及導電配線結構29於單一次製程中進行，也可以由多次製程所完成。而形成電極襯墊26’，28’的材質，可以分別與形成電極26，28或導電配線結構29的材質相同或不同。

第3圖所示為發光二極體單元22放大之上視圖。在本實施例中，每一個發光二極體單元22係為長方形，依序具有四個側邊22a，長度為a、側邊22b，長度為b、側邊22c，長度為a、以及側邊22d，長度為b。而發光二極體單元22的周長即為四個側邊的長度總和，即2a+2b。

值得注意的是，在本發明之中，為了增加發光二極體元件的出光效率，對發光二極體單元22的排列方式進行了調整。

習知的二維式陣列發光二極體元件之中，當發光二極體單元22之間設置距離過近時，發光二極體單元所產生的光容易被相近發光二極體單元中能帶相近的半導體層(尤其是發光層)再吸收，進而影響元件整體的出光效率。

在本發明的實施例中，為減少發光二極體單元之間的再吸收現象，使每一個不同的發光二極體單元22之間距離拉大。以本實施例為例，由於發光層之間能帶相近，再吸收現象尤其明顯。因此，以發光層間的距離為基準，調整十個發光二極體單元彼此之間的發光層間距都大於35μm。除此之外，不同的發光二極體單元22間，側邊的相鄰比例應儘量減少。以第4A圖為例，當不同發光二極體單元22之間的側邊垂直距離x大於50μm時，相鄰的發光二極體單元之間的再吸收機會較低，因此可以定義為兩側邊之間不相近。這樣的定義，可以廣泛適用於不同形狀的發光二極體單元22結構之中，如第4B圖所示，圓形的發光二極體單元22也可以適當地以彼此不相近的方式以二維陣列的方式設置在基板上，減少彼此之間再吸收的機會，增加發光二極體元件的出光效率。

以本實施例為例，我們可以推算出每一個發光二極體單元22與其他發光二極體單元的側邊不相近值α。不相近值α的定義為單一發光二極體單元與其他發光二極體單元不相近的側邊長度總和與周長的比值。如第5圖所示，我們將十個發光二極體單元22進行編號，計算發光二極體單元22-1的不相近值α。發光二極體單元22-1與下方的發光二極體單元22-2側邊部分經由導電配線結構29相連接，側邊22-1c與側邊22-2d之間的垂直距離小於或等於50μm時，彼此相近，相近的長度為b。同樣的，發光二極體單元22-1的側邊22-1d與左側的發光二極體單元22-3的側邊22-3b垂直距離小於50μm，也是彼此相近，相近的長度為b；此外，發光二極體單元22-1的周長為2a+2b。在本實施例中，有2b長度的側邊與其他的發光二極體單元相近，不相近的側邊長度總和為(2a+2b)-2b=2a。因此，發光二極體單元22-1的不相近值α為2a/(2a+2b)。相同的計算公式，同樣可以應用在不同形狀的發光二極體單元22結構之中。把單一發光二極體單元的側邊分割為無數的點，沿著每一個點的側邊做切線，就任一點依垂直其切線方向計算與最近的發光二極體單元側邊的垂直距離。確認每一個點與最近的發光二極體單元的距離後，把所有不相近的側邊以積分的方式加總，所獲得的積分值即為不相近的側邊長度總和，不相近值α即為積分值與周長的比值。

以第6A圖與第6B圖為例，我們可以延伸計算形狀為不規則形的發光二極體單元每一點與其他發光二極體單元是否相近。當發光二極體單元的形狀為不規則形狀時，以側邊上的每一個點垂直於此側邊的方向計算與最近的發光二極體單元側邊的垂直距離x，當側邊為弧形時，則以弧形上的每一個點對弧形做切線後，就此點垂直於其切線方向計算垂直距離。在第6A圖與第6B圖中，分別以發光二極體單元32-1與發光二極體單元42-1為例，標示出發光二極體單元側邊不同位置與最近發光二極體單元32-2，32-3，42-2，42-3間垂直距離x的計算方式。

根據實驗的結果可以發現，當二維式陣列發光二極體元件上發光二極體的單元不相近值α大於50%時，發光二極體元件2可以比習知緊密排列的二維式陣列發光二極體元件3提升發光效率5%，如第7圖提供的發光二極體元件對元件發光效率與每顆發光二極體單元的發光能量比較表所示。當發光二極體元件2中的每一個發光二極體單元側邊長a值為560μm，側邊長b值為290μm時，不相近值α約為65%，發光二極體元件2之發光效率比習知緊密排列的二維式陣列發光二極體元件提升10%。

除了本實施例之外，第8A圖至第8C圖提供其它符合不相近值α大於50%的發光二極體單元排列方式所組成的二維式陣列發光二極體元件的實施例。

此外，為了增加元件整體的出光效率，我們還可以利用乾蝕刻或濕蝕刻等方式在透明基板的第一表面及/或背面進行表面粗化，以增加光線散射與出光機率。此外，自上視圖觀之，發光二極體單元22設置於透明基板20上時，發光二極體單元22的發光層垂直投影於第一表面的位置與透明基板20任一側邊之間最短距離較佳應大於20μm，以增加光自透明基板20摘出的機會。

在相同的發明精神之下，我們可以將單列的串聯式高壓發光二極體元件接合於透明基板上，利用適當的二微陣列排列方式，也可以達到增加串聯式高壓發光二極體元件中每一顆發光單元的不相近值α的效果，以形成具有高出光效率的二維式陣列發光二極體元件。

第9A圖至第9D圖分別顯示單列的串聯式高壓發光二極體元件4、5、6、7。其中，每一個高壓發光二極體元件分別包含有四個發光二極體單元42、52、62、72，以磊晶成長或接合的方式形成於基板40、50、60、70之上。與上述的結構相同，先在第一發光二極體單元42、52、62、72的n型半導體層暴露區域上形成第一電極46、56、66、76，延伸出導電配線結構49、59、69、79至另一個相鄰的發光二極體單元42、52、62、72，並形成第二電極48、58、68、78於相鄰的發光二極體單元42的p型半導體層上，以串聯的方式電性連結兩個相鄰的發光二極體單元42、52、62、72。在每一個單列的串聯式高壓發光二極體元件4、5、6、7之中，行列末端的兩個發光二極體單元42、52、62、72更分別形成有第一電極襯墊46’、56’、66’、76’與第二電極襯墊48’、58’、68’、78’，用以與外部元件或電源形成電性連接。

我們可以將複數個上述第9A圖至第9D圖所示的單列的串聯式高壓發光二極體元件4、5、6、7以透明黏著層設置於一個單一的透明基板80上，發光二極體元件4、5、6、7彼此之間可以透過打線製程或黃光製程形成導電配線結構89的方式進行電性連結，在適當的排列之下，可以形成較習知緊密排列的二維式陣列發光二極體元件具有較高不相近值α的二維式陣列發光二極體元件，以達成較高的元件整體出光效率，如第10圖所示。

本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。

1、2、3、4、5、6、7、8‧‧‧二維式陣列發光二極體元件
10、20、40、50、60、70、80‧‧‧透明基板
12、22、42、52、62、72、22-1、22-2、22-3、32-1、32-2、32-3、42-1、42-2、42-3‧‧‧發光二極體單元
13、23‧‧‧絕緣層
101‧‧‧電路
104‧‧‧電性連接結構
110‧‧‧次載體
121、223‧‧‧p型半導體層
122、222‧‧‧發光層
123、221‧‧‧n型半導體層
14‧‧‧溝渠
16、26、48、58、68、78‧‧‧第二電極
18、28、46、56、66、76‧‧‧第一電極
19、29、49、59、69、79、89‧‧‧導電配線結構
201‧‧‧第一表面
202‧‧‧底面
22a、22b、22c、22d、22-1c、22-1d、22-3b、22-2d‧‧‧側邊
16’、26’、46’、56’、66’、76’‧‧‧第一電極襯墊
18’、28’、48’、58’、68’、78’‧‧‧第二電極襯墊
x‧‧‧垂直距離
a、b‧‧‧邊長

第1圖為一結構圖，顯示一習知二維式陣列發光二極體元件側視結構圖；

第2A圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視結構圖；

第2B圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的二維式陣列發光二極體元件側視結構圖；

第3圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的發光二極體單元上視結構圖；

第4A-4B圖為一示意圖，顯示依據本發明一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視示意圖；

第5圖為一結構圖，顯示依據本發明一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視結構圖；

第6A-6B圖為一示意圖，顯示依據本發明另一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視示意圖；

第7圖為一表格，顯示依據不同二維式陣列發光二極體元件對發光效率與每顆發光二極體單元的發光能量比較表；

第8A-8C圖為一結構圖，顯示依據本發明另一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視結構圖；

第9A-9D圖為一結構圖，顯示一種單列的串聯式高壓發光二極體元件上視結構圖。

第10圖為一結構圖，顯示依據本發明另一實施例的二維式陣列發光二極體元件上視結構圖；。

第11圖為一示意圖，顯示一習知發光裝置示意圖。

2‧‧‧二維式陣列發光二極體元件

20‧‧‧透明基板

201‧‧‧第一表面

22‧‧‧發光二極體單元

221‧‧‧n型半導體層

223‧‧‧p型半導體層

26‧‧‧第一電極

26’‧‧‧第一電極襯墊

28‧‧‧第二電極

28’‧‧‧第二電極襯墊

29‧‧‧導電配線結構

Claims (20)

1. 一種發光二極體裝置包含：一基板；數個發光二極體單元設於該基板上；及數個電性連接結構電性連接於該數個發光二極體單元；兩個電極襯墊被該數個發光二極體單元包圍。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該基板具有一周邊區域及被該周邊區域所圍繞之一中心區域，該數個發光二極體單元設於該周邊區域，且該中心區域不具有任何發光二極體單元。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中該基板為透明基板。
4. 如申請專利第1或2項所述之發光二極體裝置，其中該數個發光二極體單元排列形成一個封閉圖案。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中各該數個發光二極體單元之間的間距超過35μm。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，更包含一黏著層形成於該基板及該數個發光二極體單元之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中該黏著層為一透明黏著層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該透明黏著層的材料包含高分子材料或氧化物。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中該基板為一複合基板。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中各該數個發光二極體單元包含一第一導電型半導體層在該基板上，一第二導電型半導體層在該第一導電型半導體層上，以及一發光層設於該第一導電型半導體層及該第二導電型半導體層之間，各該電性連接結構設於兩個相鄰的發光二極體單元之間，且使其中一個相鄰的發光二極體之第一導電型半導體層電性連接於另一個相鄰的發光二極體單元之該第二導電型半導體層。
11. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中一該數個發光二極體單元與該基板的任一側邊之最短距離不小於20μm。
12. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中該基板包含一第一邊及一第二邊；其中該第二邊連接於該第一邊且與該第一邊朝不同方向延伸，沿著該第一邊設置的該數個發光二極體單元的總數目係等於沿著該第二邊設置的該數個發光二極體單元的總數目。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，更包含一發光二極體單元被該數個發光二極體單元包圍。
14. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中該數個發光二極體單元實質上排列為格狀。
15. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中各該數個發光二極體單元包含一長邊及一短邊，且該電性連接結構設於兩相鄰發光二極體單元之短邊之間。
16. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中任一該數個發光二極體單元包含一長邊及一短邊，且一該數個發光二極體單元之長邊係垂直於另一該數個發光二極體單元之長邊。
17. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，另包含一絕緣層部分地形成於該數個發光二極體單元上，且位於兩個相鄰的該發光二極體單元之間。
18. 如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體裝置，其中該數個發光二極體單元各包含一成長基板。
19. 如申請專利第1項所述之發光二極體裝置，其中一該數個發光二極體單元隔開兩個該電極襯墊。
20. 如申請專利第1項所述之發光二極體裝置，其中兩個電極襯墊設於該基板上。