TWI382566B - And a light-emitting diode chip having an adhesive layer of reflectionable light - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種固態發光晶片，特別是指一種發光二極體晶片。
參閱圖1，發光二極體晶片包含一塊基材11、一層自該基材11向上磊晶成長的磊晶膜12、一層形成在該磊晶膜12上的透明導電層13，及一組包括相配合提供電能於該磊晶膜12的n型電極141與p型電極142的電極單元14。
該基材11易於供氮化鎵系列半導體材料磊晶成長，目前常用的是藍寶石、氮化鎵。
該層磊晶膜12主要是氮化鎵系列半導體材料自該基材11向上磊晶長成，具有一層與該基材11連接並經過摻雜呈n型(n-type)的第一披覆層121、一層形成在該第一披覆層121上的活性層122(active layer)，及一層形成在該活性層122上並經過摻雜呈p型(p-type)的第二披覆層123，該第一、二披覆層121、123相對該活性層122形成載子能障而可在對該磊晶膜12提供電能時以電子-電洞複合，釋放能量進而轉換成光能。
該透明導電層13以相對該磊晶膜12產生的光為透明且可導電的材料，例如銦錫氧化物(ITO)構成，用以導引電流沿著磊晶膜12頂面橫向擴散後再向下擴散通過磊晶膜12使磊晶膜12產生光子，進而提昇磊晶膜12的內部量子效率。
該電極單元14的n型電極141、p型電極142是以例如金、鎳、白金、銀、鋁等金屬，及/或其合金構成，其中，n型電極141設置在該磊晶膜12的第一披覆層121上並與其形成歐姆接觸；P型電極142則設置於第二披覆層123頂面上並與第二披覆層123相歐姆接觸，而可相配合地對該磊晶膜12提供電能。
當自該n型電極141、p型電極142施加電能時，電流分散流通過該磊晶膜12，而使該磊晶膜12以電子-電洞複合，釋放能量轉換成光子，而向外發光。
這類的發光二極體晶片由於磊晶膜12是自基材11直接向上磊晶長成的，而為了磊晶膜12具有良好的晶體結構，基材11必須要與磊晶膜具有相當程度的晶格匹配度，也因此，基材的選擇被限制在例如藍寶石、氮化鎵等基板種類上，而通常，此類材料的熱傳導係數較差，因此會影響到磊晶膜12作動時的散熱，從而降低了磊晶膜12的內部量子效率。
參閱圖2，因此，目前的發光二極體晶片會先以金屬或是合金製作一導熱基材15，再將磊晶膜12利用膠材16固結到該導熱基材15上，或是採用晶圓貼合(wafer bonding)技術直接將磊晶膜貼合到導熱基材上，藉此將原本導熱功能較差的基材11更換掉，以提高磊晶膜12作動時的散熱效率，進而讓磊晶膜12穩定的作動。
這樣，雖然可以藉著更換導熱基材15而提高磊晶膜12作動時的散熱效率，但是由磊晶膜12產生並朝向該導熱基
材15方向行進的光子，卻逕由膠材16、導熱基材15等吸收掉而損失，此外，目前膠材16的熱傳能力尚有很大的改善空間，所以對將熱導離磊晶膜12的實質效果有限，並無法達成預定解決熱堆積問題的目的。
所以，目前的發光二極體晶片仍需研發改善，以提昇光取出效率，進而提昇發光亮度。
因此，本發明之目的，即在提供一種可以提高光取出率與整體發光亮度、均勻度的解析度的具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片。
於是，本發明一種具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，包含一層基材、一層磊晶膜、一層黏著層，一電極單元。
該層磊晶膜以光電效應產生光並具有相反的一底面與一頂面，且該底面與頂面經過粗化而具有100 nm以上的粗糙度。
該層黏著層設置於該基材與該磊晶膜底面之間用以連結該基材與該磊晶膜，該黏著層具有多數可反射該磊晶膜產生的光的微粒，及一連結該基材、磊晶膜與該等微粒的膠材，該等微粒的粒徑在100nm~1000nm範圍內，且微粒的折射係數大於空氣與膠材，該膠材折射係數大於空氣但小於該磊晶膜。
該電極單元與該磊晶膜相歐姆接觸而對該磊晶膜提供電能。本發明之功效在於：利用具有特定折射係數、熱傳
導係數的微粒與膠材構成的黏著層，配合磊晶膜頂面與底面經過粗化而具有100 nm以上的粗糙度，而可有效地將磊晶膜產生的光反射後自頂面取出，而有效地提高光取出效率與元件整體的發光亮度，並同時解決磊晶膜熱堆積的問題。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖3，本發明一種具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片的一較佳實施例，是包含一層基材21、一層磊晶膜22、一層連結該基材21與該磊晶膜22的黏著層23，及一組電極單元24。
該層基材21包括一層底層211，及一層形成在該底層211上並與黏著層23連接的反射鏡層212，該底層211是選自於例如矽、高散熱陶瓷材料，或金屬等材料所構成，用以快速地導熱並可支撐反射鏡層212與磊晶膜22、黏著層23、電極單元24等結構，該反射鏡層212可以例如鋁、銀、金、白金、鈀、銣，或此等金屬的組合為材料形成，用以反射光。
該層磊晶膜22是以氮化鎵系列半導體材料先在一塊磊晶基板(圖未示出)磊晶形成後，再以該黏著層23與該基
材21相黏結成一體，該磊晶膜22依序具有一層與該黏著層23連接並經過摻雜呈n型的第一披覆層221、一層與該第一披覆層221連接的活性層222，及一層與該活性層222連接並經過摻雜呈p型的第二披覆層223，該第一、二披覆層221、223相對該活性層222形成載子位障而以電子/電洞複合產生光，該磊晶膜22的底面225(即與該黏著層23連接的第一披覆層221下表面)與頂面224(即第二披覆層223上表面)分別是由例如磊晶成長、濕蝕刻、感應耦合電漿蝕刻，或光輔助電化學蝕刻方式刻意粗化的粗糙不連續面，且粗糙度為100nm以上，藉此提高磊晶膜22的出光量。
該黏著層23的厚度不小於20μm，具有多數可反射該磊晶膜22產生的光的微粒231，及一連結該基材21、磊晶膜22與該等微粒231的膠材232，該等微粒231概成球狀且粒徑在100nm~1000nm範圍中且須大於磊晶膜22產生光的波長，且折射係數大於空氣與該膠材232，同時，該等微粒231的散熱功率須在10W/m.K以上，較佳地，該等微粒231可以選自氧化鋁粉末、氧化矽粉末、氧化鈦粉末、鑽石粉末、陶瓷粉末，或此等粉末的組合；該膠材232相對該磊晶膜22產生的光為透明且散熱功率達0.2 W/m.K以上，同時，折射係數大於空氣與該磊晶膜22，較佳地，膠材232的折射係數介於1~2之間，是高分子材料或介電材料所構成。
該組電極單元24具有以例如金、鎳、白金、銀、鋁等
金屬及/或其合金為材料構成的n型電極241、p型電極242，其中n型電極241設置在該磊晶膜22之第一披覆層221上並與第一披覆層221相歐姆接觸，p型電極242則與設置在磊晶膜22之第二披覆層223上並與其歐姆接觸，而相配合地對該磊晶膜22提供電能進而產生光。
當自電極單元的n型電極241、p型電極242施加電能時，電流流通過該磊晶膜22而使該磊晶膜22以電子/電洞複合產生光，其中，向上行進的光在穿經該磊晶膜22頂面224(即第二披覆層223的上表面)時，因為頂面224經過粗化而具有100 nm以上粗糙度，所以相對光的行進而言具有各種不同的法線夾角，而可有效改善光行進的限制而大幅提昇光進入外界的量，且進入外界的光的行進角度也更為多樣，而讓出光更為均勻。
同時，向下(向基材21方向)行進的光類似地在穿經該磊晶膜22底面225(即第一披覆層221的下表面)時，因為底面225也經過粗化而具有100 nm以上粗糙度，所以相對光的行進而言具有各種不同的法線夾角，而可有效改善光行進的限制而大幅提昇光穿過並繼續在該黏著層23中行進的機率；而此時，由於黏著層23膠材232的折射率大於空氣但小於該磊晶層22(較佳地是介於1~2之間)，且膠材23間遍布概成球狀、可反光、且折射係數大於空氣與膠材232的微粒231，所以對光的行進而言，黏著層23不但是介於磊晶膜22與基材21的反射鏡層212之間的另一介質，可以產生多方位角之散射，同時還會在行進中被微粒
231反射，而使得部分光可以直接先被反射而反向於基材21方向自磊晶膜22頂面224向外界射出；部分穿過黏著層23的光則再被基材21的反射鏡層212反射而再穿經黏著層23、磊晶膜22進入外界，從而有效提昇元件整體的發光亮度。
此外，光在自磊晶膜22進入黏著層23被反射與進入黏著層23再被基材21的反射鏡層212反射而穿過黏著層23的過程中，行進的角度也會變得更多元且無序，也就是說光會以更多不同的角度穿過磊晶膜22頂面224向外射出，而使得元件出光更為均勻且柔和。
另外，由於膠材232、微粒231本身都具有高的熱傳導功率，所以對本發明具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片而言，電流的傳導路徑是以電極單元24、磊晶膜22成通路，而磊晶膜22作動發光所產生的內廢熱，則是經過黏著層23的膠材232與微粒231、基材21而導離磊晶膜22，所以是熱、電分別以不同的路徑作傳導，而可避免內廢熱的排離造成材料本身阻值的提高，而影響電流供應傳導的穩定性，以保持元件作動的穩定度，進而延長元件的工作壽命。
在此要特別說明的是，上述的微粒231都是相對磊晶膜產生的光為透明、或成白色，而當該等微粒的晶體結構本身即具有顏色時，則可以配合磊晶膜產生的光的波長，產生混光的功效，進而讓元件發出預定顏色的光。
參閱圖4，另外要說明的是，基材21的反射鏡層212
也可以分別具有相對高與相對低之折射率的介電材料交錯堆疊成複數介電膜3所構成而反射光。
參閱圖5，此外，磊晶膜22頂面還可以相對磊晶膜22發出的光為透明且可導電的材料，例如銦錫氧化物，形成一層透明導電層4，用來導引電流先沿著頂面224方向橫向均勻擴散後再向向流通過磊晶膜22，從而提高磊晶膜22的內部量子效率，進而達到提高元件整體發光亮度的目的。
參閱圖6，再者，當基材21的選擇材料還具有導電特性，且該膠材232也是具有導電特性時，可以改變電極單元24’僅為單一電極，並與磊晶膜22的第二披覆層223連接且相歐姆接觸，配合基材21作為另一電極，而成一垂直導通式的發光二極體晶片；這樣的垂直導通式發光二極體晶片雖然喪失了上例所述之熱電分徑傳遞的優點，但是在整體發光亮度與均勻度上，因為有黏著層的存在，而仍有大幅度的提昇。
綜上所述，本發明具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，利用具有特定折射係數的膠材與具有特定折射係數且可反射光的微粒構成的黏著層，配合磊晶膜頂面與底面經過粗化而具有100nm以上的粗糙度，而可有效地充分將磊晶膜產生的光提出且以更多角度、更無序地自頂面射出至外界，不但有效地提高光取出效率與元件整體的發光亮度，同時也讓元件的發光更為均勻且柔和；此外，藉著膠材、微粒均具有預定散熱功率，而可以讓電、熱以不同路徑行進，不但解決熱堆積的問題，也可以保持元件作動
的穩定、延長元件的實際工作壽命，確實達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
21‧‧‧基材
211‧‧‧底層
212‧‧‧反射鏡層
22‧‧‧磊晶膜
221‧‧‧第一披覆層
222‧‧‧活性層
223‧‧‧第二披覆層
224‧‧‧頂面
225‧‧‧底面
23‧‧‧黏著層
231‧‧‧微粒
232‧‧‧膠材
24‧‧‧電極單元
241‧‧‧n型電極
242‧‧‧p型電極
3‧‧‧介電膜
4‧‧‧透明導電層
圖1是一剖視圖，說明一習知的發光二極體晶片；圖2是一剖視圖，說明另一習知的發光二極體晶片；圖3是一剖視圖，說明本發明具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片的一較佳實施例；圖4是一剖視圖，說明本發明具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，其基材的反射鏡層是由分別具有相對高與相對低之折射率的介電材料所成的介電膜3構成；圖5是一剖視圖，說明本發明具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，磊晶膜頂面還具有一透明導電層；及圖6是一剖視圖，說明以本發明具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片稍加變化而成的一垂直導通式發光二極體晶片。
21‧‧‧基材
211‧‧‧底層
212‧‧‧反射鏡層
22‧‧‧磊晶膜
221‧‧‧第一披覆層
222‧‧‧活性層
223‧‧‧第二披覆層
224‧‧‧頂面
225‧‧‧底面
23‧‧‧黏著層
231‧‧‧微粒
232‧‧‧膠材
24‧‧‧電極單元
241‧‧‧n型電極
242‧‧‧p型電極
Claims (7)
- 一種具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，包含：一層基材；一層磊晶膜，以光電效應產生光並具有相反的一底面與一頂面，且該底面與頂面經過粗化而具有100nm以上的粗糙度；一層黏著層，設置於該基材與該磊晶膜底面之間用以連結該基材與該磊晶膜，該黏著層具有多數可反射該磊晶膜產生的光的微粒，及一連結該基材、磊晶膜與該等微粒的膠材，該等微粒的粒徑在100nm~1000nm範圍內，且微粒的折射係數大於空氣與膠材，該膠材折射係數大於空氣但小於該磊晶膜；及一電極單元，與該磊晶膜相歐姆接觸而對該磊晶膜提供電能。
- 依據申請專利範圍第1項所述具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，其中，該黏著層的厚度不大於20μm，且該等微粒成球狀，該等微粒的粒徑大於磊晶膜產生的光的波長。
- 依據申請專利範圍第2項所述具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，其中，該膠材選自於具散熱功率達0.2 W/m.K以上且折射係數介於1~2之間的高分子材料，或介電材料構成，該等微粒是選自散熱功率達10W/m.K以上的材料構成。
- 依據申請專利範圍第3項所述具有可反射光之黏著層的 發光二極體晶片，其中，該等微粒是選自氧化鋁粉末、氧化矽粉末、氧化鈦粉末、鑽石粉末、陶瓷粉末，及此等之組合。
- 依據申請專利範圍第1項所述具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，其中，該基材包括一層底層，及一層形成在該底層上並與該黏著層連結且反射該磊晶膜產生的反射鏡層，該底層的構成材料選自於矽、可散熱陶瓷材料、金屬，或此等之一組合，該反射鏡層的構成材料選自於鋁、銀、金、白金、鈀、銣，或此等之一組合。
- 依據申請專利範圍第1項所述具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，其中，該基材包括一層底層，及一層形成在該底層上並與該黏著層連結且反射該磊晶膜產生的反射鏡層，該底層的構成材料選自於矽、可散熱陶瓷材料、金屬，或此等之一組合，該反射鏡層包括複數分別具有相對高與相對低之折射係數的介電材料交互堆疊的介電膜。
- 依據申請專利範圍第1項所述具有可反射光之黏著層的發光二極體晶片，還包括一層形成在該頂面上且可使電流均勻擴散的透明導電層。
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