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TWI458075B - 發光元件 - Google Patents

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TWI458075B
TWI458075B TW099129831A TW99129831A TWI458075B TW I458075 B TWI458075 B TW I458075B TW 099129831 A TW099129831 A TW 099129831A TW 99129831 A TW99129831 A TW 99129831A TW I458075 B TWI458075 B TW I458075B
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light emitting
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陳昭興
洪詳竣
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晶元光電股份有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
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    • H10H29/10—Integrated devices comprising at least one light-emitting semiconductor component covered by group H10H20/00
    • H10H29/14—Integrated devices comprising at least one light-emitting semiconductor component covered by group H10H20/00 comprising multiple light-emitting semiconductor components
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/857—Interconnections, e.g. lead-frames, bond wires or solder balls

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  • Led Devices (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

發光元件
本發明係關於一種發光元件，更具體而言，係關於一種具有整流功能的發光元件。
固態發光元件中之發光二極體元件(Light Emitting Diode；LED)具有低耗電量、低發熱量、操作壽命長、耐撞擊、體積小、反應速度快、以及可發出穩定波長的色光等良好光電特性，因此常應用於家電、儀表之指示燈及光電產品等領域。隨著光電科技的進步，固態發光元件在提升發光效率、使用壽命以及亮度等方面已有長足的進步，預期能在不久的將來成為未來發光元件的主流。
然而，習知之LED必須以直流電(DC)驅動，所以一般在與交流電(AC)之間必須要有一個轉換器，但轉換器體積大、重量重，不但增加成本，於電力轉換時亦多有耗損，在價格上更無法與現有的光源競爭。因此，如何在不需要AC/DC轉換器的前提下以AC操作發光二極體，仍為一重要發展課題。
本發明提出一具有整流功能的發光元件。發光元件，包含：一基板；及一第一發光單元，包含複數個形成在基板上且彼此電連結的發光二極體；其中，在第一發光單元中的一第一發光二極體包含一具有一第一導電型態的第一半導體層、一具有一第二導電型態的第二半導體層、及一形成在第一和第二半導體層間的發光疊層；一第一連接層，形成在第一半導體層上，用以電連結至第一發光單元的一第二發光二極體；一第二連接層，與第一連接層分開形成在第一半導體層上；及一第三連接層，形成在第二半導體層上，用以電連結至第一發光單元的一第三發光二極體。
本發明又提供一種發光元件，包含：一基板；及複數個發光單元，形成在基板上且彼此電連結；其中，複數個發光單元中，一第一發光單元包含一第一連接層，係位於第一發光單元的一側，以沿著一第一連接方向電連結至一鄰近的發光單元；及一第二連接層，係位於第一發光單元的另一側，以沿著一第二連接方向電連結至另一鄰近的發光單元；其中第二連接方向不平行於第一連接方向。
本發明又提供一種發光元件，包含：一第一發光群組，包含一發光二極體，發光二極體包含一第一端點、一第二端點、及一第三端點；其中，一第一電流，流經第一和第二端點；及一第二電流，不同於第一電流，且流經第三端點及第一和第二端點其中之一，以使發光二極體發光。
本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。
以下配合圖式說明本發明之實施例。
第1圖揭露本發明第一實施例之一發光元件200。發光元件200包含複數個彼此串聯電性連結的發光單元210，且發光單元210進一步連結至一外部交流電(AC)供應器。每一發光單元210包含一第一發光群組(發光二極體B和D)、一第二發光群組(發光二極體A和E)、及一橋接發光二極體(發光二極體D)。第一發光群組和第二發光群組係將交流電供應器的交流訊號調整為一直流訊號且用以發光。第一發光群組、第二發光群組和橋接發光二極體在一共同基板上形成一全波橋式整流結構，例如惠斯同電橋結構。
第2圖顯示本發明第一實施例所揭露之發光單元210的一上視圖。發光單元210包含一第一連接層211、第二連接層212、第三連接層213、第四連接層214、及第五連接層215。每一發光二極體(A~E)包含一n形區域(暗色面積)216和一p形區域217。發光二極體A的p形區域217和發光二極體D的n形區域216係透過第一連結層211形成電連結；發光二極體A和B的n形區域216與發光二極體C的p形區域217係透過第五連結層215形成電連結；發光二極體C的n形區域216與發光二極體D和E的p形區域217係透過第三連結層213形成電連結；且發光二極體B的p形區域217和發光二極體E的n形區域216係透過第四連結層214形成電連結。第二和第四連接層212、214係將發光單元210電連結至鄰近的發光單元或交流電供應器(未顯示)。在交流電供應器的正循環下，交流電供應器之正極提供一第一電流給發光元件200，且電流流經複數個以串聯方式連結的發光單元210。更具體地，第一電流係從發光單元210的第二連接層212流入發光單元210，且流經發光二極體A、C和E使得發光二極體A、C和E處於順向偏壓(發光二極體B和D處於逆向偏壓)，然後流經第四連接層214至鄰近的發光單元，最後流回至交流電供應器的負極。相反地，在交流電供應器的負循環下，交流電供應器之負極提供一第二電流，第二電流從發光元件200的第四連接層214流入發光元件200且流經發光二極體B、C和D使得發光二極體B、C和D處於順向偏壓(發光二極體A和E處於逆向偏壓)，然後流經第二連接層212至另一鄰近的發光單元，最後流回至交流電供應器的正極。橋接發光二極體(發光二極體C)能在交流電操作的正、負循環下發光。
每一發光單元係以全波橋式整流結構的方式排列，且包含最少數量的發光二極體(5個發光二極體)。藉由此方式排列，發光單元200能實現可靠性和使用壽命的需求。連接層間只有一個發光二極體的排列方式能有效地降低逆向崩潰的風險，尤其當發光元件為一單一晶片時。
值得注意的，前述的發光單元210並無限制地只包含一橋接發光二極體(發光二極體C)。為了具有較佳的發光效率，取代一個發光二極體C的二或更多以串聯方式連結的發光二極體仍在本發明所包含的範疇內。發光元件200包含複數個發光單元且具有一尺寸範圍為0.3mm-5mm。複數個發光單元係共同形成在在一共同基板220上以形成一單一晶片。在另一實施例中，每一發光單元210為一獨立的發光二極體晶片，於此實施例中，此發光單元係封裝於一尺寸大於5mm的共同基座(submount)上。。值得注意的是發光單元210彼此間的連結不限於串聯且/或並聯連結。
更者，如第2A圖所示，第二連接層212係位於發光單元210的一側，以沿著一第一連接方向(L)電連結至一相鄰的發光單元(未顯示)或交流電供應器(未顯示)；第四連接層214係位於發光單元210的另一側，沿著一第二連接方向(M)電連結至另一相鄰的發光單元(未顯示)或交流電供應器(未顯示)。第二連接方向(M)與第一連接方向(L)互不平行。在此實施例中，第二連接方向(M)係與第一連接方向(L)互相垂直。較佳地，第一連接方向(L)與第二連接方向(M)之間的夾角為90度到170度。此連接方式可形成二維結構的發光元件。
第2B圖顯示沿著第2A圖剖面線XX’的剖面圖。發光二極體A和D包含一具有一第一導電型態的的第一半導體層714、一具有一第二導電型態的第二半導體層718、以及形成在第一和第二半導體層714、718間的一發光疊層717。在此實施例中，第一半導體層714為一n型半導體層，且第二半導體層718為一p型半導體層。n型半導體層形成在共同基板220上且具有一第一曝露區域7141a。發光疊層717形成在n型半導體層上且與n型半導體為歐姆接觸。p型半導體層形成在發光疊層717上。發光疊層717包含一形成在n型半導體層上的n側接觸層715、一形成在n側接觸層715上的n型半導體披覆層7171、一形成在n型半導體披覆層7171上的主動層7172、及一形成在主動層7172上的p型半導體披覆層7173。為了使兩個發光二極體在基板上220可物理性地分離，一溝渠720形成在發光二極體A和D之間。發光二極體D的n型半導體層更包含一第二曝露區域7141b。第一連接層211形成在發光二極體D之n型半導體層的第一曝露區域7141a及發光二極體A的p型半導體層，用以在彼此之間形成一電連結。第二連接層212形成在發光二極體D之n型半導體層的第二曝露區域7141b，以電連結至一鄰近的發光單元(未顯示)或交流電供應器(未顯示)。發光疊層717形成在第一與第二連接層211、212之間，用以在發光二極體D之n型半導體層上隔開第一與第二連接層211、212。由於第一與第二連接層211、212在發光二極體D之n型半導體層上彼此相隔開，當一電流流經第一與第二連接層211、212時，發光二極體D之n型半導體層形成一嵌入電阻(R)。較佳地，每一連接層211、212、213、214、215包含金屬。一絕緣層719形成在第一連接層211、發光二極體A和D、及溝渠720之間以防止任何不必要的短路路徑。
如第2B圖和第2C圖所示，在交流電供應器的正循環下，第一電流流經第二連接層212、發光二極體D之n型半導體層及第一連接層211至第二發光群組(發光二極體A和E)及橋接發光二極體(發光二極體C)。簡單來說，第一電流流經嵌入電阻(R)和發光二極體A、C和E。因此，第二發光群組(發光二極體A和E)及橋接發光二極體(發光二極體C)為順向偏壓而發光。
值得注意的是，本發明之嵌入電阻(R)並不限於嵌入至發光二極體A~E中的任何一個。嵌入電阻(R)可形成在每一發光單元210中作為保護裝置，當發光元件承受一額外的異常電壓時，可避免元件的損壞。嵌入電阻(R)的電阻值可藉由改變n型半導體層的掺雜濃度而作調整。較佳地，n型半導體層包含未掺雜矽(Si)或掺雜矽(Si)的氮化鎵或氮化磷，因此使其具有一範圍從0.01到0.7Ω-cm的電阻率。發光元件200的總壓降也可藉由調整嵌入電阻(R)的電阻值而調變，以符合商業應用，例如12V、24V、110V、220V的應用或是其他電力系統。
相反地，在交流電供應器的負循環下，第二電流流經第一發光群組(發光二極體B和D)及橋接發光二極體(發光二極體C)，因此，發光二極體B、C和D為順向偏壓而發光。
第3A圖顯示本發明第二實施例所揭露之發光單元210b的一上視圖。發光單元210b不同於發光單元210係在於第一半導體層714為p型半導體層，而第二半導體層718為n型半導體層。第一和第二連接層211'、212'形成在發光二極體B的p型半導體層且彼此是相隔開的。此外，發光二極體A的p型區域217和發光二極體D的n型區域216係透過第四連結層214'形成電連結，及發光二極體B的p型區域217和發光二極體E的n型區域216係透過第一連結層211'形成電連結。由於第一與第二連接層211'、212'在發光二極體B之p型半導體層上彼此相隔開，當一電流流經第一與第二連接層211'、212'時，發光二極體B之p型半導體層會形成一嵌入電阻(R')。
在此實施例中，在交流電供應器的正循環下，第一電流流經第二發光群組(發光二極體A和E)、橋接發光二極體(發光二極體C)、第一連接層211'、發光二極體B之p型半導體層至第二連接層212'。簡單來說，第一電流流經發光二極體A、C和E和嵌入電阻(R')。因此，第二發光群組(發光二極體A和E)及橋接發光二極體(發光二極體C)為順向偏壓而發光。在交流電供應器的負循環下，第二電流流經第一發光群組(發光二極體B和D)及橋接發光二極體(發光二極體C)，因此，發光二極體B、C和D為順向偏壓而發光。
第3B圖顯示發光單元210b的一電路圖。本發明之嵌入電阻(R)並不限於嵌入至發光二極體A~E中的任何一個。嵌入電阻(R)的電阻值可藉由改變p型半導體層的掺雜濃度而作調整。較佳地，p型半導體層包含未掺雜鎂(Mg)或掺雜鎂(Mg)的氮化鎵或氮化磷，因此使其具有一範圍從0.01到0.7Ω-cm的電阻率。
第4圖顯示本發明第三實施例所揭露之發光單元210c的一上視圖。發光單元210與210c的不同在於第一連接層211"連結發光二極體A和D至鄰近的發光單元。
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。
200‧‧‧發光元件
210、210b、210c‧‧‧發光單元
211、211'、211"‧‧‧第一連接層
212、212'‧‧‧第二連接層
213‧‧‧第三連接層
214、214'‧‧‧第四連接層
215‧‧‧第五連接層
216‧‧‧n型區域
217‧‧‧p型區域
220‧‧‧共同基板
714‧‧‧第一半導體導電層
715‧‧‧n側接觸層
717‧‧‧發光疊層
718‧‧‧第二半導體層
719‧‧‧絕緣層
720‧‧‧溝渠
7141a‧‧‧第一曝露區
7141b‧‧‧第二曝露區
7171‧‧‧n型半導體披覆層
7172‧‧‧主動層
7173‧‧‧p型半導體披覆層
第1圖為本發明第一實施例之一發光元件的電路圖。
第2A圖為本發明第一實施例之發光元件中，一發光單元的上視圖。
第2B圖為本發明之發光元件中發光單元的剖面圖，其為第2A圖之X-X’剖面。
第2C圖為本發明第一實施例之發光元件中，發光單元的電路圖。
第3A圖為本發明第二實施例之發光元件中，一發光單元的上視圖。
第3B圖本發明第二實施例之發光元件中，發光單元的電路圖。
第4圖為本發明第三實施例之發光元件中，一發光單元的上視圖。
210．．．發光單元
211．．．第一連接層
212．．．第二連接層
213．．．第三連接層
214．．．第四連接層
215．．．第五連接層
216．．．n型區域
217．．．p型區域
220．．．共同基板

Claims (9)

  1. 一種發光元件，包含：一基板；及一第一發光單元，包含形成在該基板上的一第一發光二極體、一第二發光二極體及一第三發光二極體；其中，該第一發光二極體包含：一具有一第一導電型態的第一半導體層、一具有一第二導電型態的第二半導體層、及一形成在該第一和該第二半導體層間的發光疊層；一第一連接層，形成在該第一半導體層上以一第一連接方向電連結至該第二發光二極體；一第二連接層，與該第一連接層分開並形成在該第一半導體層上；及一第三連接層，形成在該第二半導體層上以一第二連接方向電連結至該第三發光二極體，其中該第一連接方向與該第二連接方向不平行。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一第四連接層、一第二發光單元、及一第三發光單元，其中，該第二連接層沿著該第一連接方向電連結該第一發光單元及該第二發光 單元，該第四連接層沿著該第二連接方向電連結該第一發光單元及該第三發光單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該第一半導體層具有一範圍從0.01到0.7Ω-cm的電阻率。
  4. 一種發光元件，包含：一基板；一第一發光單元，位於該基板上；一第二發光單元；一第三發光單元；一第一連接層，位於該第一發光單元的一側，以一第一連接方向電連接該第一發光單元及該第二發光單元；及一第二連接層，位於該第一發光單元的另一側，以一第二連接方向電連結該第三發光單元，並且該第二連接方向不平行於該第一連接方向。
  5. 一種發光元件，包含：一第一發光群組，包含一第一發光二極體，該發光二極體 包含一第一端點、一第二端點、及一第三端點；其中，該第一和該第二端點被一第一電流流經時，該第一發光二極體發光不發光，以及該第三端點與該第一端點或與該第二端點被一第二電流流經時，該第一發光二極體會發光。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，更包含一第二發光群組，與該第一發光群組形成電連結；其中，該第一電流流經該第二發光群組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，更包含一橋接發光二極體，與該第二發光群組彼此串聯時，該第一電流可流經該橋接發光二極體。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，更包含一橋接發光二極體，與該第一發光群組彼此串聯時，該第二電流可流經該橋接發光二極體。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該第一發光群組更包含一第二發光二極體； 一溝渠位於該第二發光二極體與該第一發光二極體之間；以及一絕緣層位於溝渠之上並連接該第二發光二極體與該第一發光二極體。
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