TW201336116A - 發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種發光二極體元件，該發光二極體元件係包含一元件基板、一第一型摻雜層、一發光層、一第二型摻雜層、複數個第一溝部、一第二溝部、一絕緣層、一第一接點及一第二接點。該發光二極體元件之特徵在於，該第二溝部串接該等第一溝部之一端並貫穿該第二型摻雜層及該發光層，且裸露部分該第一型摻雜層，增加該第ㄧ接點與該第一型摻雜層接觸之面積，使該發光二極體元件可於高電流密度下使用而不會產生熱聚集之問題，並且不會使該發光二極體元件之發光面積變小，而產生該發光二極體元件之發光效率降低之問題。而本發明之發光二極體元件可倒覆於一封裝基板進行覆晶封裝，以形成一覆晶式發光二極體封裝元件。

Description

發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件

    本發明係有關於一種發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件，特別是指一種可使用於高電流密度之發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件。

    電能為現今不可或缺的能源之一，舉凡照明裝置、家庭電器、通訊裝置、交通傳輸、或是工業設備等，若缺乏電能將無法運作。而目前全球的能源多半是利用燃燒石油或是煤等，而石油或煤並不是取之不盡的，若不積極的尋找替代能源，等到石油或煤耗盡時，全球將陷入能源危機。為了因應目前的能源危機，除了積極開發各式的再生能源之外，必須節約使用能源，並且有效的使能源，以讓能源的使用效率提升。
    以照明設備為例，照明設備為人類生活中不可或缺，隨著技術的發展，具有更好照度及更省電的照明工具也逐漸應運而生。目前常使用發光二極體作為照明光源。發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)與傳統光源比較，發光二極體係具有體積小、省電、發光效率佳、壽命長、操作反應速度快、且無熱輻射與水銀等有毒物質的污染等優點，因此近幾年來，發光二極體的應用面已極為廣泛。過去由於發光二極體之亮度還無法取代傳統之照明光源，但隨著技術領域之不斷提升，目前已研發出高照明輝度之發光二極體(高功率LED)，其足以取代傳統之照明光源。
    習知發光二極體至少包含一基板、一N型半導體層、一發光層、一P型半導體層、一N型電極及一P型電極。P型半導體層上蝕刻至少一凹槽，凹槽延伸至N型半導體層，使N型電極設置於N型半導體層，當凹槽的面積越小時，可以增加發光二極體之發光面積，但因N型電極與N型半導體層之接觸面積太小，此發光二極體於高電流密度使用下，容易產生熱聚集的問題。相反地，當凹槽的面積越大時，使發光二極體之發光面積減少，導致發光二極體之發光效率降低。
    有鑑於上述問題，本發明提供一種發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件，該發光二極體元件透過控制第一接點(N型電極)接觸第一型摻雜層(N型半導體層)之面積於適當範圍內，使該發光二極體元件可於高電流密度下使用而不會產生熱聚集的問題，並不會減少發光二極體元件之發光面積而影響發光二極體元件之發光效率。

    本發明之目的，在於提供一種發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件，該發光二極體元件可於高電流密度下使用而不會產生熱聚集的問題。
    本發明之目的，在於提供一種發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件，該發光二極體元件之電流分布均勻，且其發光面積不會減少，進而不會影響發光二極體元件之發光效率。
    本發明提供一種發光二極體元件，係包含：一元件基板；一第一型摻雜層，其配置於該元件基板上；一發光層，其配置於該第一型摻雜層上；一第二型摻雜層，其配置於該發光層上；複數個第一溝部，其貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面，其中每一第一溝部具有一第一端及一第二端；一第二溝部，其串接該等第一溝部之該第一端，該第二溝部之延伸方向不同於該等第一溝部之延伸方向，該第二溝部貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面；一絕緣層，其配置於部分該第二型摻雜層上並延伸至該等第一溝部及該第二溝部之側壁；一第一接點，其配置於該等第一溝部及該第二溝部內並與該第一型摻雜層電性連接；及一第二接點，其配置於該第二型摻雜層上且與該第二型摻雜層電性連接；其中，該等第一溝部與該第二溝部連接的一端與該第二型摻雜層與該發光層之邊緣之間具有一間距
    本發明提供一種覆晶式發光二極體封裝元件，係包含：一封裝基板；一發光二極體元件，其倒覆於該封裝基板而與其電性連接，該發光二極體元件包括:一元件基板；一第一型摻雜層，其配置於該元件基板上；一發光層，其配置於該第一型摻雜層上；一第二型摻雜層，其配置於該發光層上；複數個第一溝部，其貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面，其中每一第一溝部具有一第一端及一第二端；一第二溝部，其串接該等第一溝部之該第一端，該第二溝部之延伸方向不同於該等第一溝部之延伸方向，該第二溝部貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面；一絕緣層，其配置於部分該第二型摻雜層上並延伸至該等第一溝部及該第二溝部之側壁；一第一接點，其配置於該等第一溝部及該第二溝部內並與該第一型摻雜層電性連接；及一第二接點，其配置於該第二型摻雜層上且與該第二型摻雜層電性連接；其中該等第一溝部與該第二溝部連接的一端與該第二型摻雜層與該發光層之邊緣之間具有一間距。

    茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
    請參閱第一圖與第二A及二B圖，係本發明之第一實施例之發光二極體元件之上視圖與第一圖之AA’方向及BB’方向之剖面圖。如圖所示，本實施例提供一種發光二極體元件1，其包含一元件基板10、一磊晶結構12、複數個第一溝部13、一第二溝部14、一絕緣層15、一第一接點16及一第二接點17。磊晶結構12配置於元件基板10上，其中磊晶結構12係包含一第一型摻雜層121、一發光層122及一第二型摻雜層123，第一型摻雜層121配置於元件基板10，發光層122配置於第一型摻雜層121，第二型摻雜層123配置於發光層122。該等第一溝部13及第二溝部14(如第一圖中虛線所示)分別形成於磊晶結構2，即貫通第二型摻雜層123及發光層122，以裸露部分第一型摻雜層121。該等第一溝部13分別具有一第一端131及一第二端132，第二溝部14串接每一第一溝部13之第一端131，該等第一溝部13之第二端132往發光二極體元件1之中心延伸，而第二溝部14之延伸方向與該等第一溝部13之延伸方向不同，且第二溝部14與發光層122及第二型摻雜層123之邊緣間具有一間距D(參閱第二B圖)。然絕緣層15配置於部分第二型摻雜層123上(即與該等第一溝部13及第二溝部14相鄰之第二型摻雜層123)，且絕緣層15往該等第一溝部13及第二溝部14內延伸，以覆蓋該等第一溝部13及第二溝部14之側壁，並保持部分第一型摻雜層121裸露。第一接點16配置於該等第一溝部13及第二溝部14內之第一型摻雜層121，並與第一型摻雜層121電性連接，而第二接點17配置於第二型摻雜層123上，並與第二型摻雜層123電性連接，其中第一接點16透過絕緣層15以與第二型摻雜層123間作電性絕緣。
    本實施例之發光二極體元件1之該等第一溝部13與第二溝部14之設置，使第一接點16與第一型摻雜層121接觸之面積增加，且電流於第一型摻雜層121可縱向及橫向分布，使發光二極體元件1之第一接點16與第二接點17間之電流分布均勻，如此發光二極體元件1可於高電流密度下使用。
    請進一步參閱第二C圖，發光二極體元件1可進一步地包含一反射層19，反射層19配置於第二型摻雜層123上，其中反射層19之面積係第二型摻雜層123面積之百分之50以上。當發光二極體元件1發光時，反射層19位於發光層122之上方，所以發光層12向上發出的光線係藉由反射層19反射，而由元件基板10處發出，具有背面出光之效果，可用於覆晶式的封裝模組。
    請一併參閱第三圖，係本發明之第一實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖。如圖所示，為了清楚地顯示該等第一溝部13與第二溝部14之形狀及連接方式，特將第一圖之絕緣層15、第一接點16及第二接點17省略。本實施例之該等第一溝部13及第二溝部14皆為直線型溝部，並相互垂直。當每一第一溝部13或第二溝部14之寬度d過小時，第一接點16與第一型摻雜層121接觸之面積太小，不但於製作上困難，導致整體良率降低，而且使發光二極體元件1無法用於高電流密度，因容易發生熱聚集的問題。當每一第一溝部13或第二溝部14之寬度d過大時，雖然使其製作上簡單以提升整體良率，但因第一接點16與第一型摻雜層121接觸之面積太大，縮小發光二極體元件1之發光面積，導致發光二極體元件1之發光效率降低。所以本實施例之每一第一溝部13或第二溝部14的寬度d設定介於10微米與100微米之間，使該些第一溝部13及第二溝部14的總面積為第一型摻雜層121面積的百分之5與百分之15之間，如此不但可使發光二極體元件1之製作良率不會降低，而且發光二極體元件1可於高電流密度下使用，不會產生熱聚集的問題，亦可提升發光二極體元件1之發光效率。
    另，為了維持較大發光面積同時兼顧第一型摻雜層11內的電流擴散性，每一第一溝部13與第二溝部14兩端之最短距離L₁設定介於0.5L_L至L_L之間，其中LL為元件基板10之較長一側的邊長。而本實施例之該等第一溝部13與第二溝部14皆為直線型溝部，所以第一溝部13及第二溝部14之最短距離L₁即為第一溝部13及第二溝部14本身之長度。
    請參閱第四至六圖，係本發明之第二至四實施例之第一溝部與第二溝部之示意圖。第四圖中每一第一溝部13為曲線型溝部，第二溝部14為直線型溝部；而第五圖中第一溝部13為直線型溝部，第二溝部14為曲線型溝部；然第六圖中第一溝部13及第二溝部14為曲線型溝部，由上述可知，第一溝部13與第二溝部14可同時為直線型溝部或曲線型溝部，也可其中一者為曲線型溝部，另一者為直線型溝部。若第一溝部13或第二溝部14為曲線型溝部時，可增加第一接點與第一型摻雜層11之接觸面積，藉此提高電流通過發光層122之電流量，而改善發光二極體元件之發光效率。
    請參閱第七圖，係本發明之第五實施例之第一溝部與第二溝部的示意圖。如圖所示，上述實施例之第一溝部13不論其形狀，皆相互平行。而本實施例有兩個第一溝部13相互平行，位於相互平行之二第一溝部13的中間之第一溝部13相對於相互平行之二第一溝部13傾斜，即不與相互平行之二第一溝部13平行。而位於相互平行之二第一溝部13的中間之第一溝部13的兩端之直線距離即最短距離L₁，最短距離L₁係符合介於0.5L_L至L_L之間之設定，其中LL為元件基板10之較長一側的邊長。此實施例係揭示該等第一溝部13不一定要相互平行，若該等第一溝部13皆相互平行時，發光二極體元件之發光面積較多，進而提升發光二極體元件之發光效率。
    請參閱第八至十圖，係本發明之第六至第八實施例之第一溝部及第二溝部的示意圖。如圖所示，本實施例與上述實施例不同在於，發光二極體元件更包含複數個第三溝部18，該等第三溝部18設置於該等第一溝部13，並與該等第一溝部13連通，亦與第一溝部13一樣貫通第二型摻雜層123與該發光層122並裸露部分該第一型摻雜層121之表面，以與第一接點16電性連接。本實施例具有三個第三溝部18為直線型溝部，分別設置於每ㄧ第一溝部13之中間(參閱第八圖)、或者設置於每ㄧ第一溝部13之第二端132(參閱第九及十圖)。然本實施例之該等第三溝部18與該等第一溝部13之延伸方向不同，例如：第三溝部18與第一溝部13相互垂直(參閱第八及九圖)；或者第三溝部18相對第一溝部13向上傾斜。不論第三溝部18設置於第一溝部13之位置及相對於第一溝部13之延伸方向，只要第三溝部18與第一溝部13之延伸方向不同，可增加第一接點16（如第二圖所示）與第二接點17（如第二圖所示）之間橫向的電流傳遞。上述第三溝部18可為曲線型溝部，於此不再贅述。
    請參閱第十一圖，係本發明之第九實施例之第一溝部及第二溝部的示意圖。如圖所示，為了增加橫向的電流傳遞，可增加於每ㄧ第一溝部13設置第三溝部18之數量，該等第三溝部18的總數量為xn，其中，x為大於0的正整數，n為第一溝部13的總數量，也就是每ㄧ第一溝部13設有x個第三溝部18。而本實施例係於每ㄧ第一溝部13上設置三個第三溝部18，該等第三溝部18為圓型溝部，而其間隔相等地配置於每ㄧ第一溝部13，以增加第一型摻雜層121於橫向之外露面積，如此與第六至八實施例相較更可增加電流於第一型摻雜層121之橫向傳遞，其中該等第三溝部18可為直線型溝部或曲線型溝部，於此不再贅述。
    請參閱第十二圖，其為本發明之第十實施例之剖面圖。如圖所示，其係第一實施例之發光二極體元件1進行覆晶封裝後所得之覆晶式發光二極體封裝元件2。第一實施例之發光二極體元件1係倒覆於一封裝基板20上，第一接點16與第二接點17係分別利用一共晶結構21、22與封裝基板20電性連接。而上述第一接點16與第二接點17係亦可利用二金屬凸塊與封裝基板20電性連接，於此不再贅述。而本實施例之覆晶式發光二極體封裝元件2更包含ㄧ反射層19，反射層19係配置於第二型摻雜層123與第一接點16及/或第二接點17之間，其中反射層之面積係第二型摻雜層123面積之百分之50以上。當覆晶式發光二極體封裝元件2發光時，反射層19位於發光層122之下方，所以發光層12向下發出的光線係藉由反射層19反射，而由元件基板10處發出，以增加整體之發光效率。上述之其他實施例的發光二極體元件均可藉由覆晶封裝後得到覆晶式發光二極體封裝元件。
    此外，本實施例之元件基板10之材料係為選自於Al2O3、SiC、GaAs、GaN、AlN、GaP、Si、ZnO及MnO、或玻璃等透明基板。本實施例之第一型摻雜層121與第二型摻雜層123可分別N型氮化鎵半導體層與P型氮化鎵半導體層，或分別為P型氮化鎵半導體層與N型氮化鎵半導體層，也就是第一型摻雜層121與第二型摻雜層123為不同摻雜之氮化鎵半導體層。本實施例之發光層122可為多重量子井(MQW)結構。本實施例之絕緣層15之材質為光穿透度高的絕緣材質，其包含氧化物、氮化物或氮氧化物，較佳之絕緣層15是採用氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。本實施例之反射層19之材質較佳可採用反射率良好之金屬，其包含銀、鋁、鈦、金、鉑、鈀或上述之組合。第一接點16與第二接點17之材料為導電材料，其包含金屬導電材料與非金屬導電材料，較佳地為金屬導電材料，特別是金、鈦、鎳、鋁、鉻、鉑或上述的組合，且該導電材料係以單一結構或是多層導電結構堆疊。本實施例共晶結構21、22為一共晶金屬，例如金錫合金、銀錫合金、金鍺合金等，而金屬凸塊可使用金、鎳或焊錫等金屬材料。綜上所述，本發明為一種發光二極體元件及覆晶式發光二極體封裝元件，其藉由該等第一溝部及第二溝部貫通發光層與第二型摻雜層並外露部分第一型摻雜層，以供設置並電性連接第一接點，而提高電流在第一型摻雜層中的縱向及橫向的分布，再者，可進一步利用該等第三溝部配置於該等第一溝部，並與該等第一溝部之延伸方向不同，以增加電流在第一型摻雜層中的橫向分布，而使整體發光二極體元件的電流分布均勻度提高，進而提高發光二極體元件之發光效率。
    故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。
    惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1．．．發光二極體元件

10．．．元件基板

12．．．磊晶結構

121．．．第一型摻雜層

122．．．發光層

123．．．第二型摻雜層

13．．．第一溝部

131．．．第一端

132．．．第二端

14．．．第二溝部

15．．．絕緣層

16．．．第一接點

17．．．第二接點

18．．．第三溝部

19．．．反射層

2．．．覆晶式發光二極體封裝元件

20．．．封裝基板

21．．．共晶結構

22．．．共晶結構

第一圖為本發明之第一實施例之發光二極體元件的上視圖；
第二A圖為本發明之一較佳實施例之AA’方向之剖面圖；
第二B圖為本發明之第一實施例之BB’方向之剖面圖；
第二C圖為本發明之第一實施例之剖面圖；
第三圖為本發明之第一實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第四圖為本發明之第二實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第五圖為本發明之第三實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第六圖為本發明之第四實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第七圖為本發明之第五實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第八圖為本發明之第六實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第九圖為本發明之第七實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第十圖為本發明之第八實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；
第十ㄧ圖為本發明之第九實施例之第一溝部及第二溝部之示意圖；以及
第十二圖為本發明之第十實施例之覆晶式發光二極體封裝元件之示意圖。

1．．．發光二極體元件

10．．．元件基板

12．．．磊晶結構

123．．．第二型摻雜層

13．．．第一溝部

131．．．第一端

132．．．第二端

14．．．第二溝部

15．．．絕緣層

16．．．第一接點

17．．．第二接點

Claims (18)

1. 一種發光二極體元件，係包含：
   一元件基板；
   一第一型摻雜層，配置於該元件基板上；
   一發光層，配置於該第一型摻雜層上；
   一第二型摻雜層，配置於該發光層上；
   複數個第一溝部，其貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面，其中每一第一溝部具有一第一端及一第二端；
   一第二溝部，串接該等第一溝部之該第一端，該第二溝部之延伸方向不同於該等第一溝部之延伸方向，該第二溝部貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面；
   一絕緣層，配置於部分該第二型摻雜層上並延伸至該等第一溝部及該第二溝部之側壁；
   一第一接點，配置於該等第一溝部及該第二溝部內並與該第一型摻雜層電性連接；及
   一第二接點，配置於該第二型摻雜層上且與該第二型摻雜層電性連接；
   其中，該第二溝部與該第二型摻雜層與該發光層之邊緣之間具有一間距。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該發光二極體元件更包含:
   一反射層，配置於該第二型摻雜層上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體元件，其中該反射層之面積範圍為該第二型摻雜層面積之百分之50以上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該第一溝部及該第二溝部之總面積為該第一型摻雜層面積之百分之5至15。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該等第一溝部及該第二溝部分別為直線型溝部，並相互垂直。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該等第一溝部或該第二溝部為曲線型溝部。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該等第一溝部之至少二者係相互平行。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該等第一溝部及該第二溝部的二端最短距離範圍為0.5L_L至L_L，其中，L_L為該元件基板之較長一側之邊長。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該等第一溝部及該第二溝部的各別寬度範圍為10至100 微米。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該等第一溝部之另一端向該發光二極體元件中心延伸。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，更包含：
    複數第三溝部，設置於該等第一溝部，並與該等第一溝部連通，且貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體元件，其中該等第三溝部之數量為xn，x為正整數，n為該第一溝部之數量。
13. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體元件，其中該等第三溝部分別設置於該等第一溝部之該第二端。
14. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體元件，其中該等第三溝部係分別為圓形溝部。
15. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體元件，其中該等第三溝部係分別為直線型溝部或曲線型溝部，其延伸方向不同於該等第一溝部之延伸方向。
16. 一種覆晶式發光二極體封裝元件，係包含：
    一封裝基板；
    一發光二極體元件，倒覆於該封裝基板而與其電性連接，該發光二極體元件包括:
    一元件基板；
    一第一型摻雜層，配置於該元件基板上；
    一發光層，配置於該第一型摻雜層上；
    一第二型摻雜層，配置於該發光層上；
    複數個第一溝部，其貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面，其中每一第一溝部具有一第一端及一第二端；
    一第二溝部，串接該等第一溝部之該第一端，該第二溝部之延伸方向不同於該等第一溝部之延伸方向，該第二溝部貫通該第二型摻雜層與該發光層並外露部分該第一型摻雜層之表面；
    一絕緣層，配置於部分該第二型摻雜層上並延伸至該等第一溝部及該第二溝部之側壁；
    一第一接點，配置於該等第一溝部及該第二溝部內並與該第一型摻雜層電性連接；及
    一第二接點，配置於該第二型摻雜層上且與該第二型摻雜層電性連接；
    其中該等第一溝部與該第二溝部連接的一端與該第二型摻雜層與該發光層之邊緣之間具有一間距。
17. 如申請專利範圍第16項所述之覆晶式發光二極體封裝元件，其中該發光二極體元件係藉由二金屬凸塊與該封裝基板電性連接。
18. 如申請專利範圍第16項所述之覆晶式發光二極體封裝元件，其中該發光二極體元件係藉由二共晶結構與該封裝基板電性連接。