TWI641163B - 發光元件 - Google Patents

Abstract

一種發光元件，包括一基板、一半導體結構層、一第一電極、一第二電極、一第三電極及一連接層。半導體結構層配置於基板上且區分為一第一半導體結構層與一第二半導體結構層。第一與第二半導體結構層分別具有一發光層、一第一型半導體層及一第二型半導體層。第一電極連接第一半導體結構層的第二型半導體層。第二電極連接第二半導體結構層的第一型半導體層。第一電極與第二電極相互電性連接。第三電極連接第一半導體結構層的第一型半導體層。連接層連接第一半導體結構層的第一型半導體層與第二半導體結構層的第二型半導體層。

Description

發光元件

本發明是有關於一種發光元件及其封裝結構，且特別是有關於一種具有靜電防護(electrostatic discharge, ESD protection)功能的發光元件及其封裝結構。

發光二極體具有諸如壽命長、體積小、高抗震性、低熱產生及低功率消耗等優點，因此已被廣泛應用於家用及各種設備中的指示器或光源。近年來，發光二極體已朝高功率發展，因此其應用領域已擴展至道路照明、大型戶外看板、交通號誌燈及相關領域。在未來，發光二極體甚至可能成為兼具省電及環保功能的主要照明光源。

雖然發光二極體具有上述眾多優點，但卻常因異常電壓或靜電放電(electrostatic discharge, ESD)而損壞。在習知作法中，為了避免發光二極體因異常電壓或靜電放電而損壞，而將發光二極體與齊納二極體(Zener diode)同時設置在同一基板上，且發光二極體與齊納二極體是透過電極直接反向相連接，來避免發光二極體受到異常電壓或靜電放電的破壞。

然而，一般發光二極體與齊納二極體的連接是藉由外部的金屬接線，然而這樣的外部線路，很有可能因為金屬接線與二極體電極間的連接不牢固，而導致斷路，進而使齊納二極體無法發揮其穩壓的作用；另外，由於發光二極體與齊納二極體連接時，需預留連接空間，在邁向積體化的時代潮流下，先前技術中發光二極體與齊納二極體的配置將無法有效地利用模組空間，甚至會犧牲發光模組的出光效率，因此如何兼顧出光效率以及靜電防護是一個值得思考的課題。

本發明提供一種發光元件及其封裝結構。

本發明的一實施例的發光元件，其包括一基板以及一第一半導體結構層與一第二半導體結構層。第一半導體結構層與第二半導體結構層相互分隔地配置於基板上，且第一半導體結構層連續地環繞第二半導體結構層。第一半導體結構層與第二半導體結構層分別具有一第一型半導體層、一第二型半導體層及一配置於第一型半導體層與第二型半導體層之間的載子接合層，其中第一半導體結構層的載子接合層為順向發光層與非順向發光層的其中之一，第二半導體結構層的載子接合層為順向發光層與非順向發光層的其中之另一。

本發明的發光元件，其包括一基板、一第一發光單元與一第二發光單元。第一發光單元與第二發光單元間隔地配置於基板上，且第一發光單元與第二發光單元之間形成有一間隙而暴露出部分基板，其中第一發光單元與第二發光單元分別具有一第一型半導體層、一第二型半導體層及一配置於第一型半導體層與第二型半導體層之間的發光層。一絕緣層填入間隙並實質地完全覆蓋暴露的部分基板，絕緣層暴露出第一發光單元的第一型半導體層及第二發光單元的第二型半導體層。一電連接層配置該絕緣層上且實質地完全遮蔽暴露的部分基板，而電連接層電性連接第一發光單元的第一型半導體層及第二發光單元的第二型半導體層。

本發明的發光元件，其包括一基板、一第一型半導體層、一第二型半導體層、一發光層。第一型半導體層及第二型半導體層配置在該基板上，發光層配置在第一型半導體層與第二型半導體層之間，且第二型半導體層與發光層位暴露出部分第一型半導體層。一墊高層配置在暴露的部分第一型半導體層上且一導電層配置在第二型半導體層上。一絕緣層配置在暴露的部分第一型半導體層上及導電層上，並形成一第一開口及一第二開口而分別暴露出墊高層及導電層。一第一電極層配置在絕緣層上並填入第一開口，通過墊高層與第一型半導體層電性連接。一第二電極層配置在絕緣層上並填入第二開口，通過導電層與第二型半導體層電性連接。

在本發明的一實施例中，上述的發光元件更包括一第一電極及一第二電極，且第一半導體結構層的第一型半導體層具有一第一接點及一第二接點，其中第一半導體結構層的第一型半導體層的第一接點與第二半導體結構層的第二型半導體層電性連接，第一電極電性連接第一半導體結構層的第一型半導體層的第二接點，第二電極至少電性連接第一半導體結構層的第二型半導體層。

在本發明的一實施例中，上述的第二電極更電性連接第二半導體結構層的第一型半導體層。

在本發明的一實施例中，上述的發光元件更包括一墊高層及一導電層。墊高層配置在第一半導體結構層的第一型半導體層上，且電性連接第一電極。導電層配置在第一半導體結構層的第二型半導體層上，且電性連接第二電極。

在本發明的一實施例中，上述的發光元件更包括一絕緣層，配置在暴露的部分第一型半導體層上及導電層上，並形成一第一開口及一第二開口而分別暴露出墊高層及導電層。第一電極層配置在絕緣層上並填入第一開口，第二電極層配置在絕緣層上並填入第二開口。

在本發明的一實施例中，上述的第一發光單元連續地環繞第二發光單元。

在本發明的一實施例中，上述的導電層包括一歐姆接觸層。

在本發明的一實施例中，上述的導電層包括一歐姆接觸層及一反射層，該歐姆接觸層位於該反射層與該第二型半導體層之間。

基於上述，本發明的發光元件具有第二發光二極體的設計，因此可以避免第一發光二極體遭受靜電放電破壞，可延長第一發光二極體的使用壽命。故，採用發光元件的發光元件封裝結構可具有較佳的靜電防護(ESD protection)的功能。另外，本發明的發光元件可以用相同的磊晶手法同時製造第一發光二極體及具有穩壓功能的第二發光二極體，不但減少製程成本，也增加了封裝時單位面積可放置的晶片數量。再者，比起習知將各個獨立的電極以金屬接線連接，本發明之內埋的連接層還可避免外部金屬接線受外力破壞斷裂而導致元件失效的問題產生，故可防止第二發光二極體無法保護第一發光二極體的情形發生。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A繪示為本發明的一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請參考圖1A，在本實施例中，發光元件100a包括一基板110、一半導體結構層120、一第一電極132、一第二電極134、一第三電極136以及一連接層140。基板110具有一上表面112。半導體結構層120配置於基板110的上表面112上，且區分為一第一半導體結構層120a與一第二半導體結構層120b。第一半導體結構層120a與第二半導體結構層120b相互隔離且暴露出基板110的部分上表面112。第一半導體結構層120a與第二半導體結構層120b分別具有一配置於上表面112上的第一型半導體層122、一第二型半導體層126及一配置於第一型半導體層122與第二型半導體層126之間的發光層124。

如圖1A所示，本實施例的第一電極132連接第一半導體結構層120a的第二型半導體層126，其中第一電極132電性連接第一半導體結構層120a的第二型半導體層126。第二電極134連接第二半導體結構層120b的第一型半導體層122，其中第二電極134電性連接第二半導體結構層120b的第一型半導體層122，且第一電極132與第二電極134相互隔離並具有間距。第三電極136連接第一半導體結構層120a的第一型半導體層122，其中第三電極136電性連接第一半導體結構層120a的第一型半導體層122。連接層140連接第一半導體結構層120a的第一型半導體層122與第二半導體結構層120b的第二型半導體層126，其中連接層140電性連接第一半導體結構層120a的第一型半導體層122與第二半導體結構層120b的第二型半導體層126，且連接層140與第三電極136之間具有間距。第一電極132、第三電極136及第一半導體結構層120a定義出一第一發光二極體D1。第二電極134與第二半導體結構層120b定義出一第二發光二極體D2。此處，第一型半導體層122例如是N型半導體層，而第二型半導體層126例如是P型半導體層。此時，第二電極134與第三電極136將為N電極，而第一電極132則為P電極，當然，也可以依製程需要令第一型半導體層122為P型半導體層，而第二型半導體層126為N型半導體層，如此一來，相對應的第二電極134與第三電極136將為P電極，而第一電極132則為N電極。第一電極132的一第一表面132a、第二電極134的一第二表面134a及第三電極136的一第三表面136a實質上齊平。

詳細來說，本實施例的第一半導體結構層120a厚度與第二半導體結構層120b的厚度實質上相同。第一半導體結構層120a的第一型半導體層122具有一平板部122a以及一位於平板部122a上的突出部122b。第一半導體結構層120a的發光層124與第二型半導體層126位於突出部122b上，且第三電極136與連接層140分別電性連接平板部122a。另一方面，第二半導體結構層120b的第一型半導體層122具有一平板部122a’以及一位於平板部122a’上的突出部122b’。第二半導體結構層120b的發光層124與第二型半導體層126位於突出部122b’上，而第二電極134電性連接平板部122a’。此處，第一半導體結構層120a於上表面112上的正投影面積大於第二半導體結構層120b於上表面112上的正投影面積。較佳地，第一半導體結構層120a的正投影面積與第二半導體結構層120b的正投影面積的比值介於10到10000之間，最佳地，介於100到1000之間。如此一來，第一半導體結構層120a與第二半導體結構層120b可藉由相同磊晶製程同時製作，且又因為第二半導體結構層120b與第一半導體結構層120b的面積比例相差懸殊，因此可同時達到不影響出光效率又具靜電防護之功效。

更具體來說，本實施例的發光元件100a更包括一絕緣層150，配置於第一半導體結構層120a與第二半導體結構層120b所暴露出的上表面112上，且至少延伸覆蓋第一半導體結構層120a以及第二半導體結構層120b的側表面。如圖1A所示，絕緣層150填滿第一半導體結構層120a與第二半導體結構層120b之間的間隙並延伸至第一半導體結構層120a的第一型半導體層122的平板部122a上，且部分絕緣層150位於連接層140及上表面112之間。絕緣層150更可以配置於部分第二型半導體層126上，並向下延伸覆蓋第二型半導體層126、發光層124及第一型半導體層122的突出部122b(122b’)的側表面，較佳地，絕緣層150還覆蓋到第一半導體結構層120a的第一型半導體層122的部分平板部122a(122a’)上，可具有更佳的絕緣功效。此處，絕緣層150的材質例如是氧化矽或氮化矽，如此可避免電極間的接觸而導致電子電洞未能在半導體結構層120中結合，進而使元件失效。

再者，本實施例的發光元件100a更包括一電性絕緣層160，配置於連接層140上，且位於第一電極132與連接層140之間以及第二電極134與連接層140之間，可防止電極間因接觸而短路。此外，本實施例的發光元件100a還包括一墊高層170以及一導電結構層180。墊高層170配置於第三電極136與第一半導體結構層120a的第一型半導體層122的平板部122a之間、第二電極134與第二半導體結構層120b的第一型半導體層122的平板部122a’之間以及連接層140與第一半導體結構層120a的第一型半導體層122的平板部122a之間。導電結構層180配置於第一半導體結構層120a的第二型半導體層126上以及第二半導體結構層120b的第二型半導體層126上，其中絕緣層150延伸覆蓋至部份導電結構層180上，且第一電極132與連接層140連接導電結構層180。第二型半導體層126可藉由導電結構層180與第一電極132形成良好之歐姆接觸(ohmic contact)。此處，導電結構層180例如是一透明導電層或一反射層，其中透明導電層的材質例如為銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide, IZO) 、氧化鋅(zinc oxide, ZnO)、銦錫鋅氧化物(indium tin zinc oxide, ITZO) 、鋁錫氧化物(aluminum tin oxide, ATO)、鋁鋅氧化物(aluminum zinc oxide, AZO)或其他適當的透明導電材質，而反射層的材質例如是鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或其合金。

必須說明的是，於其他實施例中，請參考圖1B，本實施例的發光元件100b的導電結構層180’包括一透明導電層182以及一反射層184，其中反射層184覆蓋透明導電層182。此處，反射層的材質例如是鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或其合金，而透明導電層182的材質例如為銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide, IZO) 、氧化鋅(zinc oxide, ZnO)、銦錫鋅氧化物(indium tin zinc oxide, ITZO) 、鋁錫氧化物(aluminum tin oxide, ATO)、鋁鋅氧化物(aluminum zinc oxide, AZO)或其他適當的透明導電材質。當導電結構層180為反射層或是導電結構層180’同時包含反射層184及透明導電層182的形式時，導電結構層180、180’可反射發光層124射出的光，使半導體結構層120為覆晶式發光元件；當導電結構層180只包含透明導電層時，則光線穿過導電結構層180向外射出，因此適合將此種形式的導電結構層180運用在水平式發光元件上。

由於本實施例的發光元件100a的設計是第一電極132與第二電極134相互隔離，其中第一電極132電性連接第一半導體結構層120a的第二型半導體層126，而第二電極134電性連接第二半導體結構層120b的第一型半導體層122。第一發光二極體D1與第二發光二極體D2藉由內部的連接層140的連接，可防止線路受外力破壞而斷路，在第一半導體結構層120a的第一型半導體層122上配置與連接層140隔離的第三電極136，可使發光元件100a在封裝時與易於與載體（未繪示）連接。第一電極132、第二電極134與第三電極136齊平，可在與載體封裝時維持發光元件100a的平坦度。

圖2繪示為本發明的一實施例的一種發光元件封裝結構的剖面示意圖。請參考圖2，在本實施例中，發光元件封裝結構200包括一載體210以及圖1A的發光元件100a。載體210具有一承載面212、一第一接墊222以及一第二接墊224，其中第一接墊222與第二接墊224相互隔離且位於承載面212上。發光元件100a的第三電極136結構性連接與電性連接第一接墊222，而發光元件100a的第一電極132與第二電極134結構性連接與電性連接第二接墊224。此處，第一接墊222與第三電極136之間為共晶接合，而第二接墊224與第一電極132及第二電極134之間為共晶接合。

圖3繪示為本發明的一實施例的一種發光元件的俯視示意圖，須說明的是，沿圖3的線A-A’的剖面即為圖1A的發光元件的示意圖。詳細來說，請同時參考圖1與圖3，第一電極132的第一表面132a的最大寬度W略等於該第三電極136的第三表面136a的最大寬度W’，且第一表面132a的面積與第三表面136a的面積的比值介於0.9到1之間，如此一來，表面積相近的電極可增加與載體間的組裝方便性，降低習知電極與電極間面積相差太大而造成固晶或回銲(reflow)組裝良率不佳或元件表面不平的問題產生。

由於本實施例的發光元件100a具有第二發光二極體D2的設計，因此當發光元件100a透過載體210的第二接墊224而使第一電極132與第二電極134電性連接時，第二發光二極體D2可以避免第一發光二極體D1遭受靜電放電破壞，可延長第一發光二極體D1的使用壽命。故，本實施例的發光元件封裝結構200具有較佳的靜電防護(ESD protection)的功能。此外，由於第一電極132的第一表面132a、第二電極134的第二表面134a及第三電極136的第三表面136a實質上齊平，因此當第一電極132、第二電極134與第二接墊224共晶接合，以及第三電極134與第一接墊222共晶接合時，除了可具有較佳的平整度外，亦具有較佳的接合強度。

綜上所述，由於本發明的發光元件的設計是第一電極與第二電極相互隔離，其中第一電極連接第一半導體結構層的第二型半導體層，而第二電極連接第二半導體結構層的第一型半導體層，藉由內埋的連接層來連接第一半導體結構層的第一型半導體層及第二半導體結構層的第二型半導體層，如此可使電極間的連接不易受外力破壞。再者，藉由載體上的第二接墊分別供給相互隔離的第一電極與第二電極相同電壓，可將電流較均勻的傳遞至第一電極與第二電極上，縮短第二發光二極體啟動靜電防護的反應時間。此外，由於本發明的發光元件具有第二發光二極體的設計，因此可以避免第一發光二極體遭受靜電放電破壞，可延長第一發光二極體的使用壽命。故，採用發光元件的發光元件封裝結構可具有較佳的靜電防護(ESD protection)的功能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100a、100b‧‧‧發光元件
110‧‧‧基板
112‧‧‧上表面
120‧‧‧半導體結構層
120a‧‧‧第一半導體結構層
120b‧‧‧第二半導體結構層
122‧‧‧第一型半導體層
122a、122a’‧‧‧平板部
122b、122b’‧‧‧突出部
124‧‧‧發光層
126‧‧‧第二型半導體層
132‧‧‧第一電極
132a‧‧‧第一表面
134‧‧‧第二電極
134a‧‧‧第二表面
136‧‧‧第三電極
136a‧‧‧第三表面
140‧‧‧連接層
150‧‧‧絕緣層
160‧‧‧電性絕緣層
170‧‧‧墊高層
180、180’‧‧‧導電結構層
200‧‧‧發光元件封裝結構
210‧‧‧載體
212‧‧‧承載面
222‧‧‧第一接墊
224‧‧‧第二接墊
D1‧‧‧第一發光二極體
D2‧‧‧第二發光二極體
W、W’‧‧‧最大寬度

圖1A繪示為本發明的一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。 圖1B繪示為本發明的另一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。 圖2繪示為本發明的一實施例的一種發光元件封裝結構的剖面示意圖。 圖3繪示為本發明的一實施例的一種發光元件的俯視示意圖。

Claims (9)

1. 一種發光元件，包括：一基板；一第一半導體結構層與一第二半導體結構層，相互分隔地配置於該基板上，且該第一半導體結構層連續地環繞該第二半導體結構層，其中該第一半導體結構層與該第二半導體結構層分別具有一第一型半導體層、一第二型半導體層及一配置於該第一型半導體層與該第二型半導體層之間的載子接合層，其中該第一半導體結構層的該載子接合層為順向發光層與非順向發光層的其中之一，該第二半導體結構層的該載子接合層為順向發光層與非順向發光層的其中之另一；以及一第一電極及一第二電極，且該第一半導體結構層的該第一型半導體層具有一第一接點及一第二接點，其中該第一半導體結構層的該第一型半導體層的該第一接點與該第二半導體結構層的該第二型半導體層電性連接，該第一電極電性連接該第一半導體結構層的該第一型半導體層的該第二接點，該第二電極至少電性連接該第一半導體結構層的該第二型半導體層。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第二電極更電性連接該第二半導體結構層的該第一型半導體層。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包括：一墊高層，配置在該第一半導體結構層的該第一型半導體層上，且電性連接該第一電極；以及一導電層，配置在該第一半導體結構層的該第二型半導體層上，且電性連接該第二電極。
4. 如申請專利範圍第3項所述的發光元件，更包括：一絕緣層，配置在暴露的部分該第一型半導體層上及該導電層上，並形成一第一開口及一第二開口而分別暴露出該墊高層及該導電層，其中該第一電極層配置在該絕緣層上並填入該第一開口，該第二電極層配置在該絕緣層上並填入該第二開口。
5. 一種發光元件，包括：一基板；一第一發光單元與一第二發光單元間隔地配置於該基板上，且該第一發光單元與該第二發光單元之間形成有一間隙而暴露出部分該基板，其中該第一發光單元與該第二發光單元分別具有一第一型半導體層、一第二型半導體層及一配置於該第一型半導體層與該第二型半導體層之間的發光層；一絕緣層，填入該間隙並實質地完全覆蓋暴露的部分該基板，該絕緣層暴露出該第一發光單元的該第一型半導體層及該第二發光單元的該第二型半導體層；以及一電連接層，配置在該絕緣層上且實質地完全遮蔽暴露的部分該基板，而該電連接層電性連接該第一發光單元的該第一型半導體層及該第二發光單元的該第二型半導體層。
6. 如申請專利範圍第5項所述的發光元件，其中該第一發光單元連續地環繞該第二發光單元。
7. 一種發光元件，包括：一基板；一第一型半導體層，配置在該基板上；一第二型半導體層，配置在該基板上；一發光層，配置在該第一型半導體層與該第二型半導體層之間，且該第二型半導體層與該發光層位暴露出部分該第一型半導體層；一墊高層，配置在暴露的部分該第一型半導體層上；一導電層，配置在該第二型半導體層上；一絕緣層，配置在暴露的部分該第一型半導體層上及該導電層上，並形成一第一開口及一第二開口而分別暴露出該墊高層及該導電層；一第一電極層，配置在該絕緣層上並填入該第一開口，通過該墊高層與該第一型半導體層電性連接；以及一第二電極層，配置在該絕緣層上並填入該第二開口，通過該導電層與該第二型半導體層電性連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述的發光元件，其中該導電層包括一歐姆接觸層。
9. 如申請專利範圍第7項所述的發光元件，其中該導電層包括一歐姆接觸層及一反射層，該歐姆接觸層位於該反射層與該第二型半導體層之間。