TWI479695B - A light emitting diode chip and a light emitting element - Google Patents

Description

一種發光二極體晶片與發光元件

本發明係一種發光元件，尤指一種具有多方向出光特性之發光元件。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種半導體材料製成的固態發光元件，具有小尺寸、低功耗和高可靠性的特點。其係使用磷化鎵、砷化鎵等III-V族化學元素之組合，透過將此化合物半導體施加電壓，使電洞和電子在不同的電極電壓作用下相遇而產生複合，此時電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放，讓電能轉換為光能，達成發光的效果。

而此種照明的技術，其背後的推動乃是由於煤炭、天然氣、石油等非再生資源逐漸匱乏，特別是國際間石油價格並不穩定，因此在開發新能源的同時，也一併需要開發節能產品以減緩消耗剩餘石化燃料的速度。而在此些自然條件的壓力之下，於全球皆積極地投入節能產品開發的關鍵時刻，被喻為綠色光源的發光二極體即符合此一節能趨勢，不但技術日益成熟進步，其應用領域也更為廣泛。目前，發光二極體已普遍應用於3C產品指示器與顯示裝置之上；而再隨著發光二極體生產良率的提高，單位製造成本也跟著大幅降低，促使各領域皆考慮採用發光二極體為照明材料。

承前所述，由於此刻開發高亮度的發光二極體已成為各國廠 商的研發重點，故如何將發光二極體的成本做進一步的降低，係為攸關發光二極體能否進一步普及應用於生活之重點。然而發光二極體本身是一種指向性的光源，並非如傳統燈泡為一種發散性的光源，也因此難以有效地應用在一般室內外照明的燈具上提供所需要的光型。

以發光二極體的結構而言，其於製備發光二極體晶片後，將會進行封裝製程。封裝的功能在於提供發光二極體晶片電能輸入、光能輸出或是散熱上的必要支援。例如半導體元件長時間暴露在大氣中，會受到水氣或其他環境中的化學物質影響而老化，造成特性的衰退。而在所謂的封裝製程中，現今的技術大致可區分為固晶(die bonding)、打線(wire bonding)以及灌膠(encapsulation)等三個程序。

在過去技術中，早期於固晶程序大多以銀膠把發光二極體晶片鍵結在基材上，但銀膠的散熱性及鍵結強度已無法應付高功率發光二極體的需求，因此後期朝向使用金屬的軟銲材料做為發光二極體晶片的鍵結，但因為有助銲劑而引發的後續清洗問題。至於打線，則是利用熱壓合、超音波楔合或以超音波輔助的熱壓合方式，把金線或鋁線的兩端分別連結到晶片及導線架或基板上。

然而，雖然固晶、打線等程序已於此領域中被開發得相當成熟，但仍然是發光二極體製程上的一道巨大成本，且每一程序本身都有良率的問題；因此，若能針對此點進行改良和簡化，則發光二極體的普及將會有更好的前景。

本發明之主要目的，係提供一種具有多方向出光特性之發光 元件，其係讓發光二極體晶片的磊晶層被兩個透明電極上下同時覆蓋，使磊晶層發出的光可穿透該些透明電極，向空間中多個方位行進而不受阻礙，擴大了發光元件的照光角度。

本發明之次要目的，係提供一種具有多方向出光特性之發光元件，其發光二極體晶片的電極係直接與基板上的金屬電極相連接，使之可直接被外部電源供電，同時本發明在製程上相當簡單，省去了固晶以及打線接合的步驟，不但可以提高良率，也可降低成本，具有實際的經濟效益。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種具有大發光角度特性之發光元件，其在結構上係包含：一基板；一金屬電極區，設置於該基板之上，係包含分離之一第一金屬電極以及一第二金屬電極；以及一發光二極體晶片，其具有一磊晶層，該磊晶層之上下部分別具有一第一電極以及一第二電極，該發光二極體晶片透過該第一電極以及該第二電極而分別與該第一金屬電極以及該第二金屬電極電性耦接而流通供電於該磊晶層，並以該磊晶層的側部方向設置於該基板，而使發光二極體晶片矗立於基板上。透過此種結構組合，即可達到本發明所欲達到的多方向出光和高製備良率表現。

1‧‧‧基板

11‧‧‧絕緣散熱層

2‧‧‧金屬電極區

21‧‧‧第一金屬電極

22‧‧‧第二金屬電極

3‧‧‧發光二極體晶片

31‧‧‧第一電極

32‧‧‧第二電極

33‧‧‧磊晶層

331‧‧‧第一半導體層

332‧‧‧第二半導體層

333‧‧‧發光層

334‧‧‧透明導電材料

4‧‧‧類鑽碳膜

5‧‧‧能量轉換層

6‧‧‧導電導熱膠

7‧‧‧藍寶石基板

81‧‧‧第一電極之側邊

82‧‧‧第二電極之側邊

83‧‧‧第一金屬電極之表面

84‧‧‧第二金屬電極之表面

91‧‧‧上部

92‧‧‧下部

93‧‧‧側部

第一圖：其係為本發明之一較佳實施例之結構示意圖；第二圖：其係為本發明之一較佳實施例之發光二極體晶片結構示意圖；第三A~三D圖：其係為本發明之一較佳實施例之發光二極體晶片結構示意圖； 第四A~四D圖：其係為本發明之另一較佳實施例之發光二極體晶片結構示意圖；第五圖：其係為本發明之再一較佳實施例之發光二極體晶片結構示意圖；以及第六圖：其係為本發明之一較佳實施例之封裝結構示意圖。

本發明之特徵及所達成之功效以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：由於過往發光二極體晶片必須經由固晶以及打線的程序以完成封裝，當中存在著良率、材料、加工等生產成本，故本發明亦針對該些程序，設計此一具有多方向出光特性之發光元件，並免去該些程序，降低成本。

首先，請參考第一圖，本發明的主要結構包含了一基板1；一金屬電極區2；一發光二極體晶片3；一第一電極31；一第二電極32以及一磊晶層33。

於此圖的實施例中，金屬電極區2是設置於基板1之上，可區分為第一金屬電極21以及第二金屬電極22，以避免有短路發生；發光二極體晶片3是由第一電極31以及第二電極32分別設置於磊晶層33的上部91、下部92所組成，而此第一電極31的側邊和第二電極32的側邊還分別與第一金屬電極21以及第二金屬電極22有直接接觸而使發光二極體3與基板1相連接。

此基板1為導熱基板，可為材質選用上可包含陶瓷基板、碳化矽基板、陽極化鋁基板或氮化鋁基板等，具有承載及導熱的功能，並不限定是否為導體。基板1與金屬電極區2之間可進一步包 含有一絕緣散熱層11，其功能在於防止金屬電極區2發生漏電或是短路。

除上述結構之外，可參考第二圖，此為發光二極體晶片3的結構示意，該磊晶層33包含有一第一半導體層331、一第二半導體層332以及一發光層333，其中發光層333是設置於第一半導體層331與第二半導體層332之間。此為一般發光二極體磊晶結構中的通常組成。一第一半導體層331以及一第二半導體層332的材質分別為N型以及P型氮化鎵，位於兩者之間的發光層333係電子、電洞主要結合的發光區，可為一般無摻雜發光層或多重量子井(multiple quantum well，MQW)發光層或其他，是光能產生之處。

第一電極31和第二電極32可由透明導電層(Transparent Conductive Layer，TCL)組成，此透明導電層可選用金屬網膜、氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)或是氧化鋅(ZnO)等材質，因其具有良好的透光效果，使發光層333產生的光朝向此第一電極31和第二電極32行進時，不會因大量反射或是吸收而衰減，而可以最大效率出光。另外，第一電極之側邊81以及第二電極之側邊82係分別為與第一圖所揭示的實施方式中，與第一金屬電極之表面83和第二金屬電極之表面84直接接觸的位置。

在此發光二極體晶片3的製作程序上，請參考第三A圖~第三D圖所揭示的順序。如第三A圖所示，係先於一藍寶石(Sapphire)基板7上磊晶，即依序於藍寶石基板7上先後成長第一半導體層331、發光層333以及第二半導體層332，以形成磊晶層33的結構。接著如第三B圖所示，透過接合(bonding)、鍍層、塗覆(coating)或摻雜的方式於磊晶層33之上部91設置第一電極31。 如前所述，此第一電極31的材質是由透明導電層所組成，使發光層333所產生的光能直接全部或部分穿透。

形成第一電極31於磊晶層33之上以後，請參考第三C圖，接著是可透過雷射剝離技術(Laser Lift Off，LLO)、研磨或蝕刻技術，使藍寶石基板7與磊晶層33分離。最後，請參考第三D圖，在移除了藍寶石基板7之後，最後再於磊晶層33的下部92以與形成第一電極雷同方式形成第二電極32，完成發光二極體晶片3的結構架構。

於此發光二極體晶片3的結構上，第一電極31和第二電極32的面積是大於位於兩者之間的磊晶層33，並且基於磊晶層33是位於第一電極31和第二電極32的中間，使得當發光二極體晶片3以磊晶層側面93的方向設置於金屬電極區2之上時，僅有第一電極31和第二電極32與金屬電極區2相接觸，如此可以取代傳統封裝製程中的打線與對導電金線的需求，並能直接導入外部電源所提供的電流於發光二極體晶片3。

另外，本發明的為了提高發光二極體晶片3的散熱效果，在第一電極31和第二電極32上更可以接合(bonding)、鍍層、塗覆(coating)或摻雜等方式形成一層類鑽碳膜(Diamond Like Carbon，DLC)，因類鑽碳膜係為透明，並具有高導熱的性能，故能快速將發光二極體晶片3的熱能導出。另請參考第四A~第四D圖，此為第一電極31和第二電極32上形成類鑽碳膜4時的結構製作程序，其與第三A~第三D圖所揭示的程序基本相同，惟此時有添加類鑽碳膜4，並將此散熱結構形成於第一電極31和第二電極32之表面。

又為了讓發光二極體晶片3能夠固定於金屬電極區2之上，再 請參考第一圖，兩者之間接合的部分可透過導電導熱膠6做黏合上的輔助，此導電導熱膠6的性質具有導電和導熱的功能，因此金屬電極區2除可和第一電極31以及第二電極32電性連接外，亦可將發光二極體晶片3所產生的熱能傳導出去。

請參考第五圖，於磊晶層33和第一電極31以及第二電極32之間，更設置有透明導電材料334，使得發光二極體晶片3及發光元件在降低驅動電流需求或減少暗電流等電性要求、或提高出光效率上達到更好的效果。

在一般的發光二極體製程中，除了固晶、打線之外，尚且有灌膠的程序以保護打線或是調整出光顏色。本發明之具有多方向出光特性之發光元件雖然不再需要灌膠以保護打線，但仍可透過具有螢光粉之膠體進行灌膠封裝，以達成不同的出光顏色。請參考第六圖，發光二極體晶片3可被含有能量轉換材料的能量轉換層5包覆，而變更了出光顏色。此能量轉換材料即係前述的螢光粉。

藉由本發明之具有多方向出光特性之發光元件的結構設計，發光二極體的製程能夠被大幅簡化，並且能高度維持發光二極體應有的出光效果，可同時向發光二極體晶片的前、後、左、右以及上方出光。在可同時直接排除固晶與打線上所需考量的良率、材料、加工等生產成本之下，本發明為一具高經濟價值的設計。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，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‧‧‧基板

11‧‧‧絕緣散熱層

2‧‧‧金屬電極區

21‧‧‧第一金屬電極

22‧‧‧第二金屬電極

31‧‧‧第一電極

32‧‧‧第二電極

33‧‧‧磊晶層

4‧‧‧類鑽碳膜

6‧‧‧導電導熱膠

83‧‧‧第一金屬電極之表面

84‧‧‧第二金屬電極之表面

Claims (10)

1. 一種發光二極體晶片，其係包含：一磊晶層，包括一第一半導體層、一第二半導體層與一發光層，且該發光層設置於該第一半導體層與該第二半導體層之間；以及一第一電極與一第二電極，分別耦接於該磊晶層的上部與下部；其中，該第一電極的至少一側邊與該第二電極的至少一側邊均超出該磊晶層的側邊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第一電極與該第二電極為透明導電層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶片，其中該第一電極與該第二電極的材質係選自金屬網膜、氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)或是氧化鋅(ZnO)。
4. 如申請專利範圍第1項的任一項所述之發光二極體晶片，其中該第一電極和該第二電極分別完整覆蓋該磊晶層的上部與下部。
5. 如申請專利範圍第1、2與4項的任一項所述之發光二極體晶片，其中該一電極和該第二電極的面積均大於所覆蓋該磊晶層的面積。
6. 如申請專利範圍第1、2與4項的任一項所述之發光二極體晶片，更包含一類鑽碳膜覆蓋該第一電極表面。
7. 一種發光元件，其係包含：一基板；一金屬電極區，設置於該基板之上，係包含一第一金屬電極與一 第二金屬電極；以及一如申請專利範圍第1、2與4項的任一項所述之發光二極體晶片；其中該發光二極體晶片係以其該磊晶層之一側部方向設置於該基板上，使該第一電極與該第二電極分別與該第一金屬電極與該第二金屬電極電性耦接。
8. 一種發光元件，其係包含：一基板；一金屬電極區，設置於該基板之上，係包含一第一金屬電極與一第二金屬電極；以及一如申請專利範圍第5項的任一項所述之發光二極體晶片；其中該發光二極體晶片係以其該磊晶層之一側部方向設置於該基板上，使該第一電極與該第二電極分別與該第一金屬電極與該第二金屬電極電性耦接。
9. 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該第一電極的該側邊係直接接觸於該第一金屬電極。
10. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中該第一電極的該側邊係直接接觸於該第一金屬電極。