光電元件、背光模塊裝置和照明裝置的製作方法

2023-04-26 07:39:26 1

專利名稱：光電元件、背光模塊裝置和照明裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電元件，特別是關於一種發光二極體管芯的光電元件。
背景技術：
發光二極體是光電元件中 一種被廣泛使用的光源。相較於傳統的白熾燈 泡或螢光燈管，發光二極體具有省電及使用壽命較長的特性，因此逐漸取代 傳統光源，而應用於各種領域，如交通信號標誌、背光模塊、路燈照明、醫 療設備等。隨著元件發光效率提高及電路設計因模塊化而漸趨簡單，發光二極體管 芯尺寸有增加的趨勢。當發光二極體管芯尺寸變大時，在固定電流密度操作 下，經由電極輸入的電流也相對變大，因此目前高功率發光二極體管芯的電極設計，是在其四個角落或四周邊緣增加多個附屬電極，如圖5所示。但此 附屬電極的設計，若於封裝時使用共晶結合(eutectic bonding)技術，常有無 法完全結合的現象產生，因而造成電流擁擠(current crowding)及電壓不穩等 問題。若使用引線結合(wirebonding)技術，則需多次引線結合步驟，增加封 裝的複雜度。發明內容本發明提供一種光電元件，其中第一釘線電極可通過連溝道與第一導電 性半導體層電性連結。本發明提供一種光電元件，其中第 一釘線電極與第二釘線電極之間被隔 絕溝槽所隔離，且二者位於同一水平面上。本發明提供一種光電元件，其中第 一釘線電極與第二釘線電極所在的平 面與該發光二極體管芯相交的部分界定管芯面，該第 一釘線電極覆蓋於該管 芯面的幾何中心上，該第二釘線電極與該幾何中心之間有預定距離。此結構 不僅適用於各種封裝結合技術，更有降低正向電壓(forward Voltage)與提高發本發明更提供一種光電元件，包含多層外延層，具有第一電性半導體層、 有源層與第二電性半導體層，且第一電性半導體層具有連溝道，用以電性連結位於第一電性半導體層兩側的第一歐姆接點金屬電極層與第一釘線電極；其中第一歐姆接點金屬電極層，具有由連溝道所延伸出去的各種圖案，用以 分散電流至整體元件。


圖1、 2、 3為顯示依本發明一實施例的高亮度發光二極體管芯的製造流程。圖4A為顯示依本發明p型歐姆接點金屬電極層的上視圖。圖4B至圖4D為顯示依本發明第一釘線電極及第二釘線電極的上視圖。圖5為顯示已知釘線電極結構的上視圖。圖6顯示依本發明的高亮度發光二極體管芯與已知發光二極體管芯的正 向電壓差異。圖7顯示依本發明的高亮度發光二極體管芯與已知發光二極體管芯的發 光效率的差異。圖8為本發明另 一實施例的高亮度發光二極體管芯的結構圖。 圖9A至9D為連溝道位置位於中心的圖案設計的實施例。 圖IOA和10B為連溝道位置於角落的圖案設計的實施例。 圖IIA至11C為連溝道位置於側邊的圖案設計的實施例。 圖12為具有兩個連溝道位置的圖案設計的實施例。 圖13為本發明實施例的背光模塊裝置。 圖14為本發明實施例的照明裝置。 附圖標記說明10:透明基板； 12:黏結層14: p型歐姆接點外延層16:上包覆層 18:有源層20:下包覆層22:蝕刻終止層 24:不透光基板26:反射層30: p型歐姆接點金屬電極層 31A:連溝道31B:隔絕溝槽 32:第一金屬釘線電極33: n型歐姆接點金屬電極層 34:第二金屬釘線電極100、200:管芯面900、 501、 502:連溝道位置901:環狀圖案902:螺旋狀圖案903、905、 906、 911、912、913、 921、923、924、 925:指狀部511、512:環狀圖案930:中心931、932、 933、 934:側邊941、 942、 943、 944:角落904、914、 922、 926:延伸部700:背光模塊裝置710:光源裝置711:光電元件720:光學裝置730:電源供應系統誕照明裝置810:光源裝置811:光電元件820:電源供應系統830:控制元件具體實施方式
.本發明披露一種發光二極體管芯及其製造方法。為了使本發明的敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述並配合圖l至圖14的圖示。請參考圖1以說明本發明所提供的實施例。圖1所示的發光二極體管芯 的外延結構包括堆疊的不透光基板24,其材料例如為n型砷化鎵(GaAs)、蝕 刻終止層(Etching Stop Layer) 22、下包覆層(Lower Cladding Layer) 20,其材 料例如為n型磷化鋁鎵銦(n-type (AlxGa,—x)o.5lno.5P)、有源層(Active Layer) 18,其材料例如為磷化鋁鎵銦((AlxGa,-x)o.5ln。.sP)、上包覆層(Upper Cladding Layer) 16，其材料例如為p型磷化鋁鎵銦(p type-(AlxGa,-x)o.sIno.5P)、以及p 型歐姆接點外延層(Ohmic Contact Epitaxy Layer) 14。雖然本實施例是以磷化 鋁鎵銦(AlGalnP)系列的外延層為例，但本發明並不局限於此，上述的多層外 延層結構也可以是各種不同材料的半導體外延層所組成，例如是氮化鎵(GaN) 系列的半導體外延層。此外，在p型歐姆接點外延層14上形成p型歐姆接 點金屬電極層30。 p型歐姆接點外延層14的材料可以是砷化鋁鎵、磷化鋁 鎵或磷砷化鎵，只要其能隙大於有源層18,不會吸收有源層產生的光，且具 有高載流子濃度以利形成歐姆接點即可。蝕刻終止層22的材料可以是任何 III-V族元素的化合物半導體，只要其晶格常數可以和不透光基板24大致上 相匹配，且蝕刻速率遠低於不透光基板24即可。本實施例中的蝕刻終止層 22的較佳材料為磷化銦鎵(InGaP)或砷化鋁鎵(AlGaAs)。此外，若下包覆層 20的蝕刻速率遠低於不透光基板24,只要其具有足夠厚度，即可以作為蝕 刻終止層，因而無需另一層蝕刻終止層。本發明另提供如圖2所示的結構，此結構包括透明基板10和黏結層12。 透明基板10的材料可為藍寶石(Sapphire)、玻璃(Glass)、磷化鎵(GaP)、磷砷 化鎵(GaAsP)、竭化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅硫(ZnSSe)或碳化矽(SiC)。 黏結層12可為高分子黏結層，其材料可為環氧樹脂(Epoxy)、聚醯亞胺 (Polyimide; PI)、過氟環丁烷(Perfluorocyclobutane; PFCB)、苯並環丁烷 (Benzocyclobutene; BCB)、旋塗式玻璃(Spin-on glass; SOG)或矽樹脂 (Silicone)。此外，透明基板10也可以為其它基板所取代，例如矽(Si)基板、 氧化鋅(ZnO)基板、氧化鎂(MgO)基板、氮化鋁(AlN)基板或銅(Cu)基板等金 屬基板或散熱基板；黏結層12也可是銀膠、或包含有自發性導電高分子的 導電材料、或包括鋁、金、柏、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、把 或上述材料的導電材料。接著，使p型歐姆接點金屬電極層30面對黏接層12，將如圖l所示具 有p型歐姆接點金屬電極層30的發光二極體黏接於如圖2所示的透明基板 10,再以蝕刻液(例如5H3P04:3H202:3H20或1雨40^35^02)去除不透光基 板24以棵露下包覆層20。若使用InGaP或AlGaAs作為蝕刻終止層22，因 其仍會吸收有源層產生的光，所以也須以蝕刻液去除。界定管芯面為該發光二極體管芯與第 一釘線電極及第二釘線電極所在 的平面相交的部分，如圖3所示的管芯面100。接著形成連溝道31A與隔絕 溝槽31B，其中該連溝道31A(寬約l-3mil)是利用二次光刻及蝕刻技術將下 包覆層20、有源層18、上包覆層16及p型歐姆接點外延層14依序自管芯 面100向下蝕刻至暴露p型歐姆接點金屬電極層30為止；該隔絕溝槽31B(寬 約0.2-lmil)同樣是依序蝕刻至至少移除部分上包覆層16。以鋁或金填滿連溝 道31A後，於該管芯面100的幾何中心上形成第一釘線電極32，且該第一 釘線電極32可通過連溝道31A與p型歐姆接點金屬電極層30電性連結；並 於與該幾何中心的預定距離的處形成n型歐姆接點金屬電極層33和第二釘 線電極34，且第一釘線電極32與第二釘線電極34之間被隔絕溝槽31B所 隔絕。圖4A為圖1所示發光二極體的上視圖。圖4B至圖4D所示為其他各實 施例的第一釘線電極32及第二釘線電極34的上視圖。其中，圖4B的第一 釘線電極32與第二釘線電極34二者同樣位於管芯面100，第一釘線電極32 位於該管芯面的幾何中心上，第二釘線電極34與該幾何中心之間有預定距離。此外，第一釘線電極32與第二釘線電極34二者所佔面積總和小於該管 芯面100面積的15%;此種釘線電極結構適用於直立式發光二極體。在圖4C、 4D中，第一釘線電極32與第二釘線電極34二者亦同樣位於 該管芯面100,第一釘線電極32位於該該管芯面的幾何中心上，第二釘線電 極34與該幾何中心之間有預定距離。此外，第一釘線電極32與第二釘線電 極34 二者所佔面積總和佔該管芯面100面積的65-80%;此種釘線電極結構 較適用於倒裝焊發光二極體。為增加倒裝焊發光二極體出光效率，更可於下包覆層20與第一釘線電 極32及第二釘線電極34之間增加反射層26,該反射層上具有管芯面200, 該管芯面具有幾何中心，如圖8所示。其中該連溝道31A(寬約l-3mil)是利 用二次光刻及蝕刻技術將反射層26、下包覆層20、有源層18、上包覆層16 及p型歐姆接點外延層14依序自管芯面向下蝕刻至暴露p型歐姆接點金屬 電極層30為止；該隔絕溝槽31B(寬約0.2-1 mil)同樣是依序蝕刻至至少移除 部分上包覆層16。以鋁或金填滿連溝道31A後，於反射層上的管芯面200 幾何中心處形成第一釘線電極32,且該第一釘線電極32可通過連溝道31A 與p型歐姆接點金屬電極層30電性連結；並於反射層上的管芯面200的預 定距離處形成n型歐姆接點金屬電極層33和第二釘線電極34,且第一釘線 電極32與第二釘線電極34之間被隔絕溝槽31B所隔絕。現分別以具有已知釘線電極結構(圖5)及本發明釘線電極結構一實施例 (圖4C)的發光二極體量測其正向電壓(Forward Voltage， Vf)及發光效率 (Luminous Efficiency, lm/W),其結果如圖6 、 7所示。當在350mA測試時, 正向電壓由2.75V降到2.32V (約15°/。)；發光效率由23.71m/W提升到 34.81m/W(效率增加50%),可明顯看出本發明所提供的發光二極體結構具較 低的正向電壓，且有較高的發光效率。本發明更進一步就p型歐姆接點金屬電極層30設計各種不同的圖案， 使電流分布更為均勻。圖9A所示為p型歐姆接點金屬電極層30所形成的平 面，包括中心930、四個側邊931、 932、 933、 934與四個角落941、 942、 943、 944。如圖9A至9D所示，為連溝道位置900位於p型歐姆接點金屬 電極層30所形成的平面的中心930位置為例，其中連溝道位置900與連溝 道31A(如圖8所示)為電性連結。圖9A為具有環繞連溝道位置900的環狀 圖案901,其中環狀圖案901可由一個或多個封閉的環狀圖案所形成。當為多個環狀圖案時，亦可透過一個或數個連接臂910連接此多個環狀圖案。圖9B所示的螺旋狀圖案902,為環繞連溝道位置900而向外延伸的螺旋狀圖案 902。圖9C為具有以連溝道位置900為中心，向p型歐姆接點金屬電極層 30所形成的平面的四個角落941 、 942、 943與944所延伸形成的指狀部903, 以及其他由指狀部903所延伸出去的延伸部904。圖9D為以連溝道位置900 為中心，電性連接具有平行或垂直於p型歐姆接點金屬電極層30所形成的 平面的四個側邊931、 932、 933與934的指狀部905與906,如圖所示也可 更進一步形成網狀圖案。如圖10A和10B所示，以連溝道位置900位於p型歐姆接點金屬電極 層30所形成的平面的四個角落的其中一個角落為例，而設計出來的幾個不 同的圖案，使電流更加均勻的分散至整體元件。其中，圖IOA所示的圖案為 具有平行或垂直側邊931、 932、 933與934,而向對邊延伸的指狀部911與 912,並且與連溝道位置卯O做電性連結。圖10B所示的圖案為具有以連溝 道位置900為起點，向連溝道位置900所在的角落941的相對角位置的角落 943延伸，而形成的指狀部913以及其他自指狀部913向側邊931 、 932、 933、 934延伸出去的延伸部914。如圖11A至11C所示，是以連溝道位置900位於p型歐姆接點金屬電 極層30所形成的平面的四個側邊的其中一側邊的中心位置為例，而設計出 來的幾個具有不同圖案的電極，以達成均勻分散電流的目的。其中，如圖11A 所示的圖案，包含指狀部921是以連溝道位置900為起點，向連溝道位置900 所在的側邊931的對面側邊933延伸，以及其他連接指狀部921且向角落 941、 942、 943與944所延伸而形成的延伸部922。圖11B所示的圖案，為 具有以連溝道位置900為起點，沿著側邊931分別上下延伸出去，再各別沿 著側邊932與934延伸，所形成的包覆型的指狀部923與924,而構成如圖 IIB所示的雙臂型的圖案。圖11C所示的圖案，為具有以連溝道位置900為 起點，向p型歐姆接點金屬電極層30所形成的平面中與連溝道位置900相 距最遠的兩個角落943、 944，而延伸出去的指狀部925，以及其他與指狀部 925電性連接的延伸部926。圖12是本發明的另一實施例，為具有兩個連溝道(圖未示)和與連溝道電 性連接的連溝道位置501、 502，以及兩個環狀圖案511、 512。當然本發明 的任何實施例，並不會局限於連溝道的數量，可以是單個或多個。而且p型歐姆接點金屬電極層與n型歐姆接點金屬電極層所設計的圖案，可以是完全 不重疊而上下交錯的設計、部分不重疊而上下交叉的設計或完全重疊的設 計。圖13顯示背光模塊裝置。其中背光模塊裝置包含由上述任意實施例 的光電元件711所構成的光源裝置710;光學裝置720置於光源裝置710的 出光路徑上，負責將光做適當處理後出光；以及電源供應系統730,提供上 述光源裝置710所需的電源。圖14顯示照明裝置。上述照明裝置可以是車燈、街燈、手電筒、路燈、 指示燈等等。其中照明裝置包含光源裝置810,是由上述任意實施例的光 電元件811所構成；電源供應系統820，提供光源裝置810所需的電源；以 及控制元件830以控制電源供應系統820輸入光源裝置810的電源。雖然本發明已以優選實施例說明如上，然其並非用以限制本發明的範 圍。對於本發明所作的各種修飾與變更，皆不脫本發明的精神與範圍。
權利要求
1.一種光電元件，由發光二極體管芯所構成，該光電元件包含透明基板；多層磷化鋁鎵銦外延層結構，位於該透明基板上方，其中該外延層結構包括第一導電性半導體層、有源層及第二導電性半導體層；第一歐姆接點金屬電極層，與該第一導電性半導體層電性連結；第二歐姆接點金屬電極層，與該第二導電性半導體層電性連結；以及第一釘線電極及第二釘線電極，位於該多層外延層結構上方的平面上，該發光二極體管芯與該平面相交的部分界定管芯面，該第一釘線電極覆蓋於該管芯面的幾何中心上，該第二釘線電極與該幾何中心之間有預定距離。
2. 如權利要求1所述的光電元件，其中該透明基板可通過透明黏結層與 該多層磷化鋁鎵銦外延層結構翻結，且該透明黏結層的材料可為環氧樹脂、 聚醯亞胺、過氟環丁烷、苯並環丁烷、旋塗式玻璃或矽樹脂。
3. 如權利要求1所述的光電元件，其中該多層磷化鋁鎵銦外延層結構與 該第一釘線電極、該第二釘線電極之間還包含反射層。
4. 如權利要求1所述的光電元件，其中該第一釘線電極可通過連溝道與 該第一導電性半導體層電性連結。
5. 如權利要求1所述的光電元件，其中該第一釘線電極與該第二釘線電 極之間被隔絕溝槽所隔離，且該隔絕溝槽將該有源層中的一部分隔離成二分 離部分。
6. 如權利要求1所述的光電元件，其中該第一釘線電極及該第二釘線電 極二者所佔面積總和小於該管芯面面積的15%;或約佔該管芯面面積的 65-80%。
7. —種光電元件，包含多層外延層，包含第一電性半導體層、有源層與第二電性半導體層； 第一歐姆接點金屬電極層，位於該第一電性半導體層的一側且具有第一 圖案；第 一釘線電極，位於該第 一電性半導體層的另 一側而與該第 一歐姆接點 金屬電極層相對；以及連溝道，通過該第一電性半導體層，使該第一歐姆接點金屬電極層與該第一釘線電極電性連結，其中該連溝道電性連接該第一圖案。
8. 如權利要求7所述的光電元件，其中該第一圖案具有連溝道位置與該 連溝道電性連接，且該第一歐姆接點金屬電極層所形成的平面具有中心、四 個角落與四個側邊，其中該連溝道位置位於該中心的位置。
9. 如權利要求8所述的光電元件，其中該第一圖案為單個或多個環狀圖 案，連接並環繞該連溝道位置；或該第一圖案為螺旋狀圖案，連接並環繞該 連溝道位置；或該第一圖案具有指狀部，連接該連溝道位置並向該四個角落 其中之一延伸；或該第一圖案具有指狀部，連接該連溝道位置並沿著該四個 側邊其中之一平行或垂直延伸；或該第一圖案為網狀圖案。
10. 如權利要求7所述的光電元件，其中該第一圖案具有連溝道位置與 該連溝道電性連接，且該第 一歐姆接點金屬電極層所形成的平面具有中心、 四個角落與四個側邊，其中該連溝道位置位於該四個角落中的第一角落的位 置。
11. 如權利要求IO所述的光電元件，其中該第一圖案具有指狀部連結該 連溝道位置；該指狀部與該側邊平行或垂直而延伸，或朝與該第一角落相對 的角落的方向延伸。
12. 如權利要求7所述的光電元件，其中該第一圖案具有連溝道位置與 該連溝道電性連接，且該第 一歐姆接點金屬電極層所形成的平面具有中心、 四個角落與四個側邊，其中該連溝道位置位於該四個側邊中的第一側邊的位 置。
13. 如權利要求12所述的光電元件，其中該第一圖案具有指狀部連接該 連溝道位置；該指狀部沿著該第 一側邊上下平行延伸出去而形成雙臂圖案， 或向與該第 一側邊相對的另 一側邊延伸；或向與該連溝道位置相距較遠之一 角落延伸。
14. 如權利要求7所述的光電元件，還包含第二歐姆接點金屬電極層， 電性連結該第二電性半導體層與第二釘線電極，其中該第二歐姆接點金屬電 極層具有第二圖案。
15. 如權利要求14所述的光電元件，其中該第一圖案與該第二圖案可以 是完全不重疊而交錯、部分重疊而交叉、或完全重疊。
16. 如權利要求7所述的光電元件，其中該連溝道可以是單個或多個。
17. —種背光模塊裝置，包含光源裝置，由權利要求1 16任意一項所述的光電元件所組成; 光學裝置，置於該光源裝置的出光路徑上；以及 電源供應系統，提供該光源裝置所需的電源。
18. —種照明裝置，包含光源裝置，由權利要求1 16任意一項所述的光電元件所組成; 電源供應系統，提供該光源裝置所需的電源；以及 控制元件，控制該電源輸入該光源裝置。
全文摘要
本發明公開了一種光電元件，特別是一種發光二極體管芯的光電元件。該發光二極體管芯具有基板，此基板之上有多層外延層結構；其包括第一導電性半導體層、有源層及第二導電性半導體層，多層外延層結構之上有第一歐姆接點金屬電極層、第二歐姆接點金屬電極層、第一釘線電極及第二釘線電極；且此二釘線電極位於同一水平面。或者，第一歐姆接點金屬電極層更具有圖案，用以使電流均勻分散至管芯整體。本發明還公開了包含該光電元件的背光模塊裝置和照明裝置。
文檔編號H05B37/02GK101276871SQ20081008301
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月18日 優先權日2007年3月29日
發明者林鼎洋, 震 歐, 賴世國 申請人:晶元光電股份有限公司