TWI608633B - 發光二極體裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體裝置及其製造方法

本發明關於一種發光二極體裝置，特別是一種製程容易、改善散熱性之發光二極體裝置，及其製造方法。

近年來發光二極體裝置的應用越來越廣泛，近年來搭配透明基板可以兩面發光的LED燈的LED燈絲燈，因為外型仿古美觀，很受消費者的青睞，是以許多廠商都投入了LED燈絲燈之生產。

但儘管LED燈絲燈的數量持續成長，但與傳統的鎢絲燈出貨數量來相比，仍有一段相當大的差距。LED燈絲燈無法普遍的主要的原因在於LED燈絲燈對於封裝有較高的要求，在製程工藝方面較為複雜、生產良率低，價格也因此較高。現在LED燈絲燈的作法多是先於大基板上長成LED單元，再將LED單元減薄切割成個別獨立的LED晶粒，再將多個個別獨立的LED晶粒黏附或焊接於一載板，最後再將載板上的個別獨立的LED晶粒拉線串接而成。如此的多步驟製程，因為在每一個步驟皆會造成良率降低的損失，所以良率並不高。例如在切割成LED晶粒的步驟，良率降低就非常明顯。再加上其他步驟施作時的良率損失，製作良率的改善變成是LED燈絲燈產品製造的重要課題。

再者，LED燈絲燈也有散熱的技術問題亟需克服，特別是大瓦數的LED燈絲燈運作時，會產生大量熱，因此如何有效地散熱，提高電光效率，也成為LED燈絲燈需要改善的重要課題。另外尚有消費者認為LED燈絲燈的照度不足、光效低之問題須要改善，因此導致LED燈絲燈價格與效能，離市場期待仍有一段差距，成為LED燈絲燈擴大應用的障礙。

然而，LED燈的耗電量少，燈泡壽命長，是效率很高的光源。為了達到省電節能的目標，目前已有許多廠商及研究團隊投入，企圖從製程或結構方面著手改良，期待能夠提高LED燈絲燈照度、加強散熱、降低成本，進而可以開發出一種能夠解決現有LED燈絲燈發展困境的新型燈具。

本發明之主要目的旨在提供一種散熱性佳、並具有改良電光轉換效率之發光二極體裝置。

本發明之另一目的旨在提供一種改良良率、步驟簡單之發光二極體製造方法。

為達成上述目的，本發明特別在一基板上形成複數個磊晶單元，每一個磊晶單元包括有n型半導體單元、發光層、p型半導體單元、以及透明電極層，並在該些磊晶單元形成多對布拉格反射鏡對，使該些多對布拉格反射鏡對包覆該些磊晶單元，透過反射光線來提升出光強度。換言之，相較於習知技術中同時使用更多的晶片來取得足夠的出光總量，本發明的發光二極體裝置就已具有改善的照度。除此之外，本發明之發光二極體裝置，因第一金屬層及第二金屬層之結構設置，沒有散熱性不佳的缺點，反而具有優秀的散熱性。

具體而言，本發明之發光二極體裝置包括：一基板；複數個磊晶單元，位於該基板之一表面；一第一金屬層，該第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元；n對布拉格反射鏡對，係包覆該些磊晶單元以及該第一金屬層之部份表面，其中n係為一大於6之整數；以及一第二金屬層，係設於該布拉格反射鏡對之表面，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層；其中，每一磊晶單元包括：一n型半導體單元，係位於該基板之表面；一個發光層，位於該n型半導體單元上；一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面。

於本發明之發光二極體裝置中，該p型半導體單元之側壁及該發光層之側壁更可選擇性地包括一絕緣層。可使用作為絕緣層之材料並無特別限制，任何一種用在發光二極體裝置的絕緣層材料都可以被使用。譬如說，氮化物，如氮化矽；氧化物，如二氧化矽或氧化鋁；或者也可以使用氮氧化物等。本領域具有通常知識者可依情況選用適當之材料形成絕緣層，並不特別限制在上述之材料中。

於本發明一示例性實施例中，可以使用習知領域中任何用來形成磊晶單元的材料來形成磊晶單元，譬如說，該n型半導體單元可為一n型氮化鎵、該p型半導體單元係一p型氮化鎵、該發光層為複數層矽摻雜的氮化鎵銦磊晶(In_xGa_yN/GaN多重量子井)、且該透明電極層可為ITO(氧化銦錫，Indium Tin Oxide)。除此之外，為了提升層和層之間介面黏著力、或者為了使磊晶單元有其他輔助或附加功能，亦可加入其他習知的輔助功能層。舉例來說，可在基板與該磊晶單元之間更包括一氮化鎵或氮化鋁緩衝 層，使後續形成之磊晶單元和基板之間有更好的結合，然而，本發明對此並無特別限制。

第一金屬層與第二金屬層可由任何適合的金屬材料形成，舉例來說，可為金、銀、銅、鈦、鋁、鉻、鎳、鉑、鈹、鎂、鈣、鍶或上述任意複數種金屬材料之組合。本發明中第一金屬層連接兩相鄰磊晶單元，係透過連接磊晶單元之陽極(或透明電極)及另一磊晶單元之陰極而達成。

於本發明一示例性實施例中，該第二金屬層可經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極。本發明第二金屬層所覆蓋之區域無限制，較佳為覆蓋大部分基板或之n對布拉格反射鏡對區域以改善漏光、增加光回收效率、以及改善散熱效率。

於上述之n對布拉格反射鏡對，其中該布拉格反射鏡對係由兩種不同折射率的材料重覆交錯堆疊而形成，且該兩種不同折射率的材料的厚度可相同或不同。於本發明中，該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率可介於1.3至2.8之間，較佳為1.45至2.3之間，更佳為1.3至2.8之間。兩種不同折射率的材料，可為五氧化二鉭/三氧化二鋁之組合、五氧化二鉭/氮化矽之組合、五氧化二鉭/氧化矽之組合、二氧化鈦/二氧化矽、二氧化鈦/三氧化二鋁之組合、氧化鈦/二氧化矽之組合、以及二氧化鈦/氮化矽之組合，於本發明一示例性實施例中使用二氧化鈦/二氧化矽組合之布拉格反射鏡對。至於布拉格反射鏡對中兩種不同折射率的材料的厚度分別可在450Å~675Å之間、更佳為460Å~690Å之間。舉例來說，可為由460Å的二氧化鈦與690Å的二氧化矽所組成之布拉格反射鏡對、450Å的二氧化鈦與675Å的二氧化矽所組成之布拉格反射鏡對、或是400Å的二氧化鈦與770Å的二氧化矽所組成之布拉格反射鏡對，然本發明並不限於此。

布拉格反射鏡對的反射率隨材料的層數和材料之間的折射率差而改變，於本發明中，布拉格反射鏡對的對數(n)較佳為6對以上(n>6)，更佳為20對以上；至於材料之間的折射率差，較佳可在1.3至2.8的範圍之內，然本發明並不限於此。

於本發明之一示例性實施例中，上述之基板可為任何具有透光性之半導體材料，也可以是藍寶石基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板，較佳可為藍寶石基板，然本發明不限於此，本領域具有通常知識者可依需求加以選擇。本發中使用之基板之形狀及大小並無限制，可為任何習用之形狀。較佳可為矩形、圓形、多邊形、橢圓形、半圓形、或不規則形。

除此之外，本發明也提供一種發光二極體裝置之製造方法，包括下列步驟：(a)於一基板上形成複數個獨立之磊晶單元，且每一磊晶單元包括：一n型半導體單元，係位於該基板之表面；至少一發光層，位於該n型半導體單元上；一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；(b)於該些磊晶單元之表面形成第一金屬層，使該第一金屬層覆蓋部分之磊晶單元表面，以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元；(c)形成n對布拉格反射鏡對，使該些布拉格反射鏡對包覆該些該磊晶單元以及部分之第一金屬層，其中n係為一大於6之整數；以及(d)於該布拉格反射鏡對之一表面形成一第二金屬層，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層。

於上述之製造方法中，在步驟(a)之前，可選擇性地先在基板上先形成一緩衝層，譬如，氮化鋁緩衝層，以使後續形成之磊晶單元和基板之間有更好的結合。

為了避免電流經由側壁連通n型層或金屬電極造成短路，在步驟(a)中，更包括在該p型半導體單元之側壁及該發光層之側壁上形成一絕緣層；再者，步驟(a)中所述之n型半導體單元可為一n型氮化鎵，且該p型半導體單元可為一p型氮化鎵。

此外，於本發明之製造方法中，在步驟(d)之後更包括一步驟(e)，係圖案化該第二金屬層使該第二金屬層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極。

10‧‧‧發光二極體裝置

110‧‧‧第一金屬層

120‧‧‧磊晶單元

130‧‧‧基板

140‧‧‧布拉格反射鏡對

150‧‧‧第二金屬層

圖1係本發明一示例性實施例之發光二極體裝置結構示意圖。

圖2係本發明一示例性實施例之發光二極體裝置結構之俯視圖。

以下係利用特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點與其他功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，且本說明書中的各項細節亦可針對不同的觀點與應用，在不背離本發明精神下進行各種修飾與變更。

實施例1

圖1係本發明一示例性實施例之發光二極體裝置10結構示意圖。該發光二極體裝置10包括：第一金屬層110、磊晶單元120、基板130、布拉格反射鏡對140、以及第二金屬層150。

更具體地，於實施例1中，係在藍寶石基板130之一表面上，於750~1200℃、1大氣壓的操作條件下利用有機金屬氣相沉積方法依序形成氮化鎵本質磊晶、n型氮化鎵、發光層、p型氮化鎵；之後以半導體製程如黃光、微影、蝕刻工序將前述磊晶材料製作成帶有PN極性的元件。然後在p型氮化鎵之側壁及發光層之側壁上，利用化學氣相沉積法形成氮化矽絕緣層(圖未示)，以避免電流經由側壁連通n型層或金屬電極而短路。

接下來，在真空條件下，利用電子束蒸鍍方式，在該些磊晶單元120的表面以金/鎳形成第一金屬層110，使第一金屬層覆蓋部分的磊晶單元表面，使得該些磊晶單元與相鄰之磊晶單元120能夠彼此串接相連。

形成磊晶單元之後，接下來在真空條件下，以電子束蒸鍍方式，在該些磊晶單元120及第一金屬層110之表面形成布拉格反射鏡對140。該布拉格反射鏡對140係以460Å的TiO₂與690Å的SiO₂所組成，總共有20層(對)，並且包覆該些磊晶單元120以及部分之第一金屬層110，且部分之第一金屬層110不被該布拉格反射鏡140包覆(參考圖1)。

圖2係本發明實施例1之發光二極體裝置結構之俯視圖。由圖2可清楚看見，第一金屬層110係以交錯的方式與相鄰之磊晶單元120串聯連結，換言之，若由發光二極體裝置的上方俯視，可見第一金屬層係位於磊晶單元之一側之某一側使第一個磊晶單元與相鄰之第二個磊晶單元相連，而由與某一側相對之另一側使第二個磊晶單元與相鄰之第三個磊晶單元相連，以此類推。

最後，在真空條件下，利用電子束蒸鍍方式，在該布拉格反射鏡對140之一表面形成一第二金屬層150，且該第二金屬層150與未經該布拉格反射鏡140對所覆蓋之該第一金屬層110連接。並進一步圖案化該第二金屬層150使該第二金屬150層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極。

以積分球在80V、15mA的操作條件下，實際測量所獲得之發光二極體裝置的出光強度為在750至850mW，電光轉換效率約在60%，證實本發明之發光二極體裝置具有優異的效能。

10‧‧‧發光二極體裝置

110‧‧‧第一金屬層

120‧‧‧磊晶單元

130‧‧‧基板

140‧‧‧布拉格反射鏡對

150‧‧‧第二金屬層

Claims (14)

1. 一種發光二極體裝置，包括：一基板；複數個磊晶單元，位於該基板之一表面，每一磊晶單元包括：一n型半導體單元，係位於該基板之表面；至少一發光層，位於該n型半導體單元上；一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；一第一金屬層，該第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元；n對布拉格反射鏡對，係包覆該些磊晶單元以及該第一金屬層之部份表面，其中n係為一大於6之整數；以及一第二金屬層，係設於該布拉格反射鏡對之表面，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層，以及該第二金屬層係經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中更包括一絕緣層，係位於該p型半導體單元之側壁及該發光層之側壁。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中更包括一緩衝層，位於該基板與該磊晶單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中，該n型半導體單元係一n型氮化鎵，且該p型半導體單元係一p型氮化鎵。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中，n係為一大於6之整數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中，該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率係介於1.3至2.8之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中，該基板係為藍寶石基板。
8. 一種發光二極體裝置之製造方法，係包括下列步驟：(a)於一基板上形成複數個獨立之磊晶單元，且每一磊晶單元包括：一n型半導體單元，係位於該基板之一表面；至少一發光層，位於該n型半導體單元上；一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；(b)於該些磊晶單元之表面形成第一金屬層，使該第一金屬層覆蓋部分之磊晶單元表面，以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元；(c)形成n對布拉格反射鏡對，使該些布拉格反射鏡對包覆該些該磊晶單元以及部分之第一金屬層，其中n係為一大於6之整數；(d)於該布拉格反射鏡對之一表面形成一第二金屬層，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層；以及(e)圖案化該第二金屬層使該第二金屬層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，在步驟(a)之前，更包括在基板上先形成一緩衝層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，在步驟(a)中，更包括在該p型半導體單元之側壁及該發光層之側壁上形成一絕緣層。
11. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，在步驟(a)中，該n型半導體單元係一n型氮化鎵，且該p型半導體單元係一p型氮化鎵。
12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，於步驟(c)中，n係為一大於6之整數。
13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，於步驟(c)中，該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率係介於1.3至2.8之間。
14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該基板係為藍寶石基板。