发光元件的制作方法

专利名称：发光元件的制作方法
技术领域：
本发明关于一种发光元件，具有内含光学结构的透光粘结层。
背景技术：
半导体发光元件已广泛应用于各领域，例如，光学显示装置、激光二极 管、交通标志、数据储存装置、通讯装置、照明装置、以及医疗装置等。但 如何提高发光元件的发光效率，目前仍为一发展的重要课题。
如图1所示，由Snell定律的关系可知，当光在发光二极管内行进时， 只有在临界角0c内才可以被射出，超过此临界角的入射光线会被全反射回 发光二极管内而可能被吸收。换言之，当发光二极管所发出的光由折射率高 的介质进入折射率低的介质时，由发光二极管发光层所产生的光线，需在20c 角度所形成的圆锥范围内才可顺利折射出发光二极管。也就是发光二极管所 发出的光由高折射率的发光二极管外延层进入低折射率的环境中，例如基板
环境中，但有一部分入射角大于临界角的入射光线被反射回发光二极管外延 层，且由于发光二极管外延层周围皆为低介质材料，因此部分光线经由内部 来回反射最后被完全吸收而消失。
已知的技术披露一种具有埋藏式微反射器的发光元件，其利用蚀刻技 术，将一发光元件的外延层蚀刻成一微反射结构，此微反射结构为半圓球形、 金字塔形、或角锥形，接着沉积金属反射层于微反射结构外延层上，再将微 反射结构外延层的顶端与导电载体(硅芯片)接合在一起，之后，移除原先外 延层的不透光基板。通过此埋藏式微反射器，使得所有由发光层产生射向微 反射器的光线皆反射回外延层，并由垂直发光二极管出光面的方向射出，而 不会受到临界角的限制。

发明内容
本发明在于提供发光元件包含内含光学结构的透光粘结层。
本发明的一方面在于提供发光元件包含基板、发光叠层、以及内含波长 转换结构及/或光散射结构的透光粘结层形成于此发光元件的内部或出光表面。
于本发明的一实施例，此波长转换结构包含至少 一种材料选自于蓝色荧 光粉、黄色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉、硒化锌、硒化镉锌、碲化锌、 III族磷化物、III族砷化物、以及III族氮化物所组成的组。
于本发明的另 一实施例，光散射结构包含至少一种透光材料选自氧化铟
锡(ITO)、氧化钛(Ti02)、氧化硅(SiO。、氮化硅(SiN)、氮化铝(A1N)、以及 聚合物(polymer)所组成的组。
于本发明的另一实施例，此发光叠层包含散射表面邻近于此透光粘结 层，并且，此透光粘结层位于此基板及此发光叠层之间。
于本发明的另一实施例，所述的基板为透光基板，包含至少一种材料选 自于GaP、 SiC、 A1203、以及玻璃所组成的组。
于本发明的另一实施例，所述的发光叠层，包含至少一种材料选自于 AlGalnP、 A1N、 GaN、 AlGaN、 InGaN、及AlInGaN所组成的组。
于本发明的另 一实施例，所述的透光粘结层包含至少一种材料选自于聚 酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、及氧化铟锡所组成的 组。
于本发明的另一实施例，所述的散射表面为粗化面。
于本发明的另一实施例，所述的粗化表面包含多个微凸起，这些微凸起 的剖面图案包含至少一种图案选自于半圆球形、金字塔形、及角锥形所组成 的组。
于本发明的另一实施例，所述的粗化表面包含凹凸表面。 于本发明的另一实施例，其中所述的发光叠层包含第一半导体层；发光 层；第二半导体层。所述的第一半导体形成于所述的基板上，并具有一散射
表面；所述的发光层形成于部分的所述的第一半导体层上；所述的第二半导
体层形成于所述的发光层上。
于本发明的另 一实施例，所述的第二半导体层具有另 一散射表面。 于本发明的另一实施例，所述的发光元件包含第一电极及第二电极。所
述的第一电极形成于所述的第一半导体层上，并且所述的第二电极形成于所
述的第二半导体层上。
于本发明的另 一 实施例，所述的发光元件包含第 一透光导电层形成于所 述的第一电极及第一半导体层之间；以及第二透光导电层于所述的第二电极 及第二半导体层之间。
于本发明的另一实施例，所述的发光元件包含第一电极及第二电极分别 形成于所述的发光叠层的上表面及所述的基板的下表面。
于本发明的另 一实施例，所述的发光元件包含第 一透光导电层形成于所 述的第一电极及所述的发光叠层之间以及第二透光导电层形成于所述的第 二电极及所述的基板之间。
于本发明的另 一 实施例，所述的透光导电层的材料包含选自氧化铟锡、 氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌铝、氧化锌锡、金、以及镍/金所构成组中的至 少 一种材料或其它可代替的材料。
于本发明的另一实施例，所述的发光叠层及透光粘结层具有相异的折射 率，以提高光取出效率进而改善发光效率。


图1为说明Snell定律的示意图； 图2为符合本发明的光场示意图； 图3为示意图，揭示符合本发明一实施例的发光元件； 图4为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图5为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图6为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图7为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图8为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图9A为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图9B为示意图，揭示符合本发明另 一 实施例的发光元件； 图10为示意图，揭示符合本发明另一实施例的发光元件； 图11A及11B为示意图，揭示运用本发明发光元件的封装结构； 图11C为示意图，揭示运用本发明发光元件的显示装置。
主要元件符号说明100、200、 300、 510、 611发光元件
110、112基板
110a、110b、 122、 136a散射表面
120透光粘结层121波长转换结构
123光散射结构130发光叠层
132第一半导体层134发光层
136第二半导体层140第一电极
150第二电极180第一透光导电层
190第二透光导电层500封装结构
520载板530电路装置
540连接线600显示装置
610发光装置620散光装置
630液晶装置640滤光装置
具体实施例方式
图2为根据本发明的光场示意图，当由发光层13产生的光线1A射向散 射表面S时，光线1A的一部分折射穿过基板形成光场1B,光线1A的另一 部分被散射表面散射成光场1C。经过散射表面S散射后，被导回发光层13 的散射光线，如果在临界角范围内，可直接经由发光层表面取出，进而提高 光摘出效率。如果导回发光层13的散射光线大于临界角，会再经过散射表 面S的散射而改变射向发光层的入射角。因此，无论经过多少次的全反射， 经过散射表面S散射后，即可增加光取出的机率，进而改善光取出效率。
图3揭示符合本发明一实施例的发光元件剖面示意图。发光元件100包 含基板110、透光粘结层120、发光叠层130、第一电极140、以及第二电极 150。于一实施例中，基板110为透光基板，其材料可为选自于GaP、 SiC、 A1203、及玻璃所构成组中的至少一种。透光粘结层120形成于基板IIO上， 其材料可为非晶质或软质透光材料，例如选自于聚酰亚胺(PI)、笨并环丁烯 (BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、及氧化铟锡所构成组中的至少一种。发光叠层 130包含第一半导体层132、发光层134、以及第二半导体层136。其中，发 光叠层130的折射率不同于透光粘结层120的折射率。第一半导体层132通
过透光粘结层120与基板110接合，并具有散射表面122邻近于透光粘结层 120。第一半导体层132、发光层134、以及第二半导体层136的材料可为选 自于AlGalnP、 A1N、 GaN、 AlGaN、 InGaN及AlInGaN所构成材料组中的 至少一种。第一半导体层132的上表面具有外延区及电极区，发光层134形 成于所述的外延区上，第二半导体层136形成于发光层134上，第一电极140 形成于所述的电极区上，且第二电极150形成于第二半导体层136上。如图 4所示，第二半导体层136的上表面还包含第二散射表面136a，以进一步提 高光摘出效率。于另一实施例，如图IO所示，发光元件100更可包含在基 板110的上表面及/或下表面形成散射表面110a及110b，以进一步提高光线 由基板摘出的效率。
图3及图4所示的第一半导体层132、发光层134、以及第二半导体层 136以外延成长方法形成于基板110上，例如为有才几金属气相外延(Metallic Organic Vapor Phase Epitaxy; MOCVD)成长方法。散射表面122、 136a或110a 可于外延成长时，通过调控工艺参数，例如气体流量、反应槽压力、反应槽 温度等以形成所述的散射表面；散射表面122、 136a、 110a、或110b亦可以 湿蚀刻或千蚀刻方式移除一部分的第一半导体132、第二半导体层136、或 基板110以形成粗糙表面，或形成具有周期性、准周期性、或随机排列等图 案的表面。
于本发明的一实施例，散射表面122、 136a、 110a、或110b包含多个微 凸起，所述的微凸起的剖面形状包含选自半球形、金字塔形、及角锥形所构 成组中的至少 一种图案及其组合。
图5揭示本发明的另一实施例，发光元件100还包含第一透光导电层180 形成于第一电极140与第一半导体层132之间；第二透光导电层l卯形成于 第二电极150与第二半导体层136之间。第一透光导电层180以及第二透光 导电层190的材料包含选自氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌铝及氧 化锌锡所构成组中的至少 一种或其它可代替的材料。
图6揭示本发明的另一实施例，发光元件100还包含第一反应层160形 成于基板110及透光粘结层120之间，以及第二反应层170形成于第一半导 体层132及透光粘结层120之间，以提高透光粘结层120与基板110或第一 半导体132的粘着度；其中，第一反应层160及第二反应层170的材料包含 选自于氮化硅(SiNx)、钛(Ti)、及铬(Cr)所构成组中的至少一种材料。 图7揭示本发明的另一实施例的垂直型发光元件的剖面示意图。其中，
基板110为导电基板，第一反应层160及第二反应层170亦为导电材料；第 一半导体层132与位于其下的第二反应层170接合至一软质的透光粘结层 120，并且第二反应层170的凸起部分穿过透光粘结层120并与第一反应层 160形成欧姆接触；第一电极140形成于基板110的下表面；以及第二电极 150形成于第二半导体层136的上表面上。透光导电层(未绘示)可选择性地 形成于第二电极150与第二半导体层136之间，所述的透光导电层的材料包 含选自氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌铝及氧化锌锡所构成组中的 至少 一种或其它可代替的材料。
图8揭示符合本发明另一实施例的发光元件300,相较于图3所示的发 光元件100，透光粘结层124为透光导电粘结层，并且基板112为透光导电 基板，以形成垂直导通的发光元件300。透光导电粘结层124包含本质上导 电聚合物或具有导电材料分散于其中的高分子材料；其中，所述导电材料包 含选自于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌、氧化锌锡、Au、及Ni/Au 所构成材料组中的至少一种材料。第一电极140形成于透光导电基板112之 下，以及第二电极150形成于第二半导体层136之上。于本发明的另一实施 例，发光元件300还包含透光导电层(未绘示)形成于第二电极150与第二 半导体层136之间，所述的透光导电层的材料包含选自氧化铟锡、氧化镉锡、 氧化锑锡、氧化锌铝及氧化锌锡所构成组中的至少 一种或其它可代替的材 料。
图9A为剖面示意图，揭示具有内含光转换结构的透光粘结层的发光元 件。相较于图3所示的发光元件，本实施例的透光粘结层120内含波长转换 结构121。自发光层134发出具有第一峰波长(peakwavelength)的光线的至少 一部分被波长转换结构121吸收，并转换为具有第二峰波长的光线。因此， 原来未被转换的光线与被转换的光线混合成一具有较宽波幅分布的混成光 线，其包含原光线及转换后光线的光谱。波长转换结构121包含至少一种材 料选自于蓝色荧光粉、黄色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉、竭化锌、竭
化镉锌、m族磷化物、m族砷化物、以及ni族氮化物所组成的材料组。例
如，具有氮化镓为主的发光层的发光元件发出峰波长介于430 470nm的蓝 光，并激发内含于透光粘结层的黄色荧光粉以形成黄光；其中，未被黄色荧
光粉吸收的蓝光与被吸收转换形成的黄光混合形成白光。黄色焚光粉可为已
知的YAG、 TAG、或硅酸盐化合物。另一实施例的发光元件包含具有氮化 镓为主的发光层以发出峰波长介于405~430nm的近紫外光(near UV)，并激 发内含于透光粘结层的蓝色荧光粉、绿色荧光粉、及红色荧光粉以混合形成 白光。又一实施例的发光元件包含具有氮化镓为主的发光层以发出峰波长介 于405 430nm的近紫外光(near UV),并激发内含于透光粘结层的蓝色焚光 粉及黄色荧光粉以形成白光。所述的蓝色荧光粉指能将入射至荧光粉的光线 转换为蓝色的荧光粉；其他诸如黄色荧光粉、绿色焚光粉、及红色荧光粉亦 具类似的意义。各荧光粉材料及其组成属该领域的已知技艺，不在此赘述。
本发明的另一实施例，如图9B的发光元件100,透光粘结层120同时 内含波长转换结构121以及光散射结构123,其中光散射结构用以散射进入 透光粘结层120的光线以及经过波长转换结构121转换的光线，使进一步提 高混光及光摘出效率。光散射结构123包含至少一种材料选自氧化铟锡 (ITO)、氧化钛(Ti02)、氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、氮化铝(A1N)、以及聚 合物(polymer)所组成的组。光散射结构的材料若为导电材料，例如为氧化铟 锡，则可应用于图8所示的垂直式发光元件的实施例，使能垂直导通，并具 有提高光散射的效果。光散射结构123分散于透光粘结层120之中，其形式 例如为粒径小于10微米的圓球；优选为粒径小于5微米的圆球；亦可为不 规则立体结构。于本发明的一实施例，光散射结构123至少可包含具有相同 或相近粒径的圓球，或者包含具有不同粒径的圓球。光散射结构123的折射 率不同于透光粘结层120的折射率；于一实施例，光散射结构123的折射率 与透光粘结层120的折射率差异至少0.05;于一优选的实施例，光散射结构 123的折射率或小于透光粘结层120的折射率至少0.1，以提高光摘出效率。
本发明的内含光学结构的透光粘着层并不限于形成于所述的基板及所 述的发光叠层之间，亦可形成于其他位于所述的发光元件内部或出光表面的 任何位置，例如，可形成于所述的发光叠层的内、亦可形成于所述的第一或 第二透光导电层及所述的发光叠层之间、或形成于所述的发光元件的上表 面、下表面、或侧壁。
图3至图10分别揭示符合本发明的各实施例，然而，任何结合上述各 实施例的各部分特征所形成的发光元件，以进一步提升发光元件的效能，仍 属本发明的范围。例如，图IO所示的粘结层120可内含波长转换结构及/或 光散射结构，亦属本发明的范围。
本发明提及的诸多实施例及其组合所形成的发光元件可运用于任何封
装形式，如图11A及11B所示，发光元件的封装结构500,包含载板520, 具有电路结构530;发光元件510置于载板520上，可为本发明所揭示的任 一发光元件；以及连接线540电性连接发光元件510至载板520的电路结构 530。发光元件510与封装载板520的电性连接方式，例如为导线接合(wire bonding)、倒装片4妄合(flip-chip)、表面接合(surface mounting)。再者，本发 明提及的诸多实施例及其组合所形成的发光元件亦可运用于照明装置、或显 示装置的背光源，如图11C所示，显示装置600包含发光装置610、散光装 置620形成于发光装置610之上、液晶装置630形成于散光装置620之上、 以及滤光装置640形成于液晶装置630之上；其中，发光装置610包含至少 一个本发明所揭示的任一发光元件611。
本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范 围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精 神与范围。
权利要求
1.一种发光元件，包含基板；发光叠层，形成于该基板上；以及透光粘结层，形成于该发光元件的内部或出光表面上，该透光粘结层内含光学结构，其中该光学结构的折射率相异于该透光粘结层的折射率。
2. 如权利要求1所述的一种发光元件，其中该内含光学结构的透光粘结 层形成于该基板与该发光叠层之间。
3. 如权利要求l所述的一种发光元件，其中该光学结构包含至少一结构 择自由波长转换结构及光散射结构所组成的组。
4. 如权利要求3所述的一种发光元件，其中该波长转换结构包含至少一 种材料选自于蓝色荧光粉、黄色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉、竭化锌、竭化镉锌、iii族磷化物、ni族砷化物、以及m族氮化物所组成的材料组。
5. 如权利要求3所述的一种发光元件，其中该光散射结构包含至少一种材料选自氧化铟锡、氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化铝、以及聚合物所组成 的组。
6. 如权利要求l所述的一种发光元件，其中该基板为透光基板，包含选 自于GaP、 SiC、 A1203、及玻璃所构成组中的至少一种材料。
7. 如权利要求l所述的一种发光元件，其中该透光粘结层包含非晶质或 软质透光材料。
8. 如权利要求l所述的一种发光元件，其中该发光叠层具有第一散射表 面邻近于该透光粘结层及/或第二散射表面远离该透光粘结层。
9. 如权利要求l所述的一种发光元件，还包含透光导电氧化层形成于该 发光叠层之上。
10. —种封装结构，包含 载板；发光元件，形成于该载板上，该发光元件包含透光粘结层形成于该发光 元件的内部或出光表面上，且该透光粘结层内含光学结构，其中该光学结构的折射率相异于该透光粘结层的折射率；以及电路结构，电性连接该发光元件。
11. 一种显示装置，包含发光装置，包含至少一发光元件形成于该载板上，该发光元件包含透光 粘结层形成于该发光元件的内部或出光表面上，且该透光粘结层内含光学结构，其中该光学结构的折射率相异于该透光粘结层的折射率； 散光装置，形成于该发光装置之上； 液晶装置，形成于该散光装置之上；以及 滤光装置，形成于该液晶装置之上。
全文摘要
本发明关于一种发光元件，该发光元件包含基板；发光叠层，形成于该基板上；以及透光粘结层，形成于该发光元件的内部或出光表面上，该透光粘结层内含光学结构，其中该光学结构的折射率相异于该透光粘结层的折射率。
文档编号G02F1/1335GK101369622SQ200810129748
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月14日 优先权日2007年8月14日
发明者吕琪玮, 彭韦智, 徐大正, 李亚儒, 杨雅兰, 苏英阳, 蔡孟伦, 谢明勋 申请人:晶元光电股份有限公司