专利名称：半导体发光装置和封装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光装置和封装结构，尤其关于一种具有外接光 学元件的半导体发光装置，此光学元件的折射系数大于或接近于发光结构的 透明基板的折射系数，或介于透明基板的折射系数与封装材料的折射系数之间。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode; LED )是一种固态物理半导体元件， 其至少包含p-n结(p-n junction ),此p-n结形成于p型与n型半导体层之间。 当于p-n结上施加一定程度的偏压时，p型半导体层中的空穴与n型半导体 层中的电子将会结合而释放出光。此光产生的区域一般又称为发光区 (light-emitting region )。
发光区所产生的光朝各个方向前进。然而，使用者通常仅需要特定方向 的光，而需要利用反射层或镜面反射部分的光线。此外，LED材料与环境介 质间的折射系数差异会造成照射在LED边界的光线在特定入射角下产生全 反射。一^l殳来说，上述各种形式的被反射光难以避免地会再行经LED内部。
如图1A所示，已知发光二极管100包括基板110与外延层130。外延 层130中包括发光层131。发光层131在承受一偏压下会朝各个方向发射光 线。外延层130与基板110间形成反射层150以反射来自发光层131的光线。
射线Rl射向发光二极管100上方，当环境介质的折射系数小于发光二 极管100的折射系数，且入射角大于临界角，射线R,会在外延层130的边 界全反射而返回外延层130内部。当射线R,穿过发光层131时，部分的射 线&会被发光层131吸收。另 一部分未被吸收的射线R,会照射到反射层150 且净皮反射向上而再次穿过发光层131。如此，射线R，在外延层130内振荡并 反复行经发光层131而逐渐被吸收。在相同机制下，射向发光二极管100下 方的射线R2亦在外延层130内振荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。—
如图IB所示，发光二极管100的基板110与外延层130间不形成反射
4层，且基板110相对于发光层131所发的光为透明。基板110下方可以设置 镜面(未显示)或仅为空气。自基板110底面被反射的射线R3，若以大于临 界角9c的入射角e^照射基板110的侧壁，射线R3将被反射回外延层130内 部。部分返回外延层130的射线Rg被发光层131吸收。如上所述，射线R3 在外延层130的边界可能会被全反射而返回外延层130内部，并在外延层130 内振荡并反复行经发光层131而逐渐被吸收。被发光层131所吸收的光线在 某些程度上势将降低发光二极管100的光摘出效率(light extraction e伍ciency)。特别在小型管芯，如8mil和lOmil,其焊垫所占面积相对于芯 片的出光面积比率升高，光会被焊垫反射而在芯片内行进，导致许多光因为 经过外延层130而被吸收；或是焊垫本身将光吸收，光摘出效率明显降低。
如图1C所示的发光二极管具有外延层130,其上方设有漫射罩120，位 于下方的GaAs基板140下接透明基板110;而该外延层130所发出的射线 R4则经由侧方的透明树脂160向侧边出光。由于透明基板110通常热阻系数 较高，导致发光二极管散热不易。
在发光二极管应用方面，以液晶显示器(LCD)的主要元件的背光模块 (BLU)为例，其光源以高亮度、低耗电、薄型化与轻量化的点光源为主。除 传统的电致发光EL (Electro Luminescence),冷阴才及焚光灯CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)与热阴极荧光灯HCFL，发光二极管亦为背光模块 最常使用的点光源。
发明内容
本发明提供一种半导体发光装置以及一种封装结构，可以减少被半导体 叠层吸收的光线。
本发明的半导体发光装置包含发光结构与外接的光学元件。发光结构包 含半导体叠层与透明基板。光学元件与发光结构的周边相连接，且光学元件 的折射系数大于或接近于透明基板的折射系数，或介于透明基板的折射系数 与封装材料的折射系数之间。发光结构承受偏压时会发出光线，部分光线会 经由透明基板射入光学元件，光学元件可以增加发光结构的光摘出效率。该 发光结构下方与环境介质或散热材料相接触，通过热对流及热传导等方式提 升散热效率。此外，本发明的半导体发光装置特别适用于p型与n型焊垫占 据表面积50%以上的半导体发光结构。本发明的封装结构，特别适用于发光结构，至少包含光学元件、基座。 光学元件连接于基座上，光学元件与基座间可以选择性地设置一反射结构。
图1A 1C显示已知发光二极管内的光迹图。
图2A显示依据本发明 一实施例的半导体发光装置的俯视图。
图2B显示图2A的半导体发光装置的剖面图。
图2C显示图2A的半导体发光装置的光迹图。
图2D显示依据本发明另 一 实施例的半导体发光装置的剖面图。
图2E显示依据本发明另 一实施例的半导体发光装置的剖面图。
图3A 3F显示依据本发明另 一 实施例的半导体发光装置的剖面图。
图4A显示依据本发明另 一实施例的半导体发光装置的俯视图。
图4B显示图4A的半导体发光装置的剖面图。
图5A显示采用本发明的封装结构的俯视图。
图5B显示图5A的封装结构的剖面图。
图6A显示采用本发明另 一实施例的封装结构的俯视图。
图6B显示图6A的封装结构的剖面图。
图6C显示采用本发明另 一 实施例的封装结构的俯视图。
图6D显示图6C的封装结构的剖面图。
附图标记说明
100发光二极管 110基板 130外延层 140 GaAs基板 150反射层 160透明树脂 200半导体发光装置 210光学元件 211第一表面 212第二表面
6213第三表面 220发光结构 221半导体叠层 222透明基板 223发光层 230p型焊垫 240n型焊垫 250第一反射层 260第二反射层 270胶 300封装结构 310第三反射层 311第一表面 312第二表面 320导线 330反射结构 331内壁 340基座 T-T，割面线
具体实施例方式
如图2A-2B所示，本发明的半导体发光装置200包含光学元件210与发 光结构220。发光结构220，例如发光二极管管芯，包含半导体叠层221与 透明基板222,其中半导体叠层221还包括发光层223。当发光结构220承 受偏压时，发光层223会产生光线。光学元件210环绕发光结构220,以其 内壁与发光结构220相连接，并曝露发光结构220至少部分的上或下表面。 发光结构下方与环境介质或散热材料相接触，通过热对流及热传导等方式达 到散热效果。光学元件210可在结构工艺中一并形成，或独立于发光结构形 成，例如独立形成光学元件210后，再将光学元件210与发光结构22;0接合。
本发明中，发光层223的材料包含但不限于III-V族、II-VI族、IV族的 元素或其组合。光学元件210的折射系数n。大于或近于透明基板222的折射
7系数"，或介于透明基板222的折射系数ns与封装材料的折射系数ne之间。 因此，光线有较大的机率可以经由透明基板222自光学元件210射出，而相 对地减少反射回半导体叠层221的光线，亦即，降低了被半导体叠层221吸
收的光量。
如图2C所示，射线115自发光层223射向透明基板222的底面并朝光学 元件210反射。由于光学元件210的折射系数n。大于或近于透明基板222 的折射系数iV因此，射线R5不易如已知技术一般向半导体叠层221反射， 而有较大机率进入光学元件210，因此降低射线Rs被半导体叠层221吸收的机率。
本实施例中，光学元件210的第一表面211与第二表面212为平滑表面。 但光线在照射光学元件210与环境空气的界面时，由于折射系数的差异，可 能会遭遇全反射的问题。若此界面为粗糙或不平整，光线在此界面上会被散 射。所以，遭遇全反射的光线减少，光摘出效率因而提高。因此优选地如图 2D所示，在第一表面211与第二表面212形成粗糙面或非平整面，由此提 升光摘出效率。粗糙面或非平整面可为规则或不规则的图形，如菲涅耳 (Fresnel)表面，端视所需而设计。上述实施例的电极或焊垫位于发光结构的 同侧，然而如图2E所示，电极或焊垫位置并不限于发光结构的同侧。
在另一实施例中，透明基板222具有不同面积的上下表面，形成如倒梯 形(inverted-trapezoid )、 梯形(trapezoid)或平截头体(frustum)等特殊形 状。为增加光摘出效率，光学元件210亦可以形成为以上列举的各种外型或 其组合。
如图3A所示，在本实施例中，第一表面311相对于第二表面312倾斜 0a角度，射线R6因此较容易进入临界角0c的范围内，而得以脱离光学元件 210。此外，如图3B 3F所示，第二表面312为一斜面，或第一表面311和 第二表面312同时为斜面。为提升光摘出效率，第一表面311与第二表面312 亦可形成粗糙面或非平整面。除此之外，光学元件210亦可配合实际应用所 需，环绕于发光结构220四周或与其至少一侧相接。
一种制造上述实施例的方法，若光学元件210为蓝宝石，则以激光在该 光学元件的中心位置形成略大于该透明基板222的通孔，以胶结合方式将发 光结构220与光学元件210相连接。惟胶270相对于透明基板222所发的光 为透明，而且胶270的折射系数nb近于透明基板222的折射系数rv或介于Ils与n。之间。
本发明的透明基板222的材料可以为导体或绝缘体，如碳化硅(SiC)、 磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、蓝宝石(sapphire )、或硒化锌(ZnSe)。上 述胶结合所使用的胶270包含但不限于旋涂玻璃(SOG)、硅胶(silicone)、苯 并环丁烯(BCB)、环氧树脂(epoxy)、聚亚酰胺(polyimide)、过氟环丁烯 (PFCB)、 Su8胶、树脂或上述材料的组合。上述的光学元件210的材料包含 但不限于碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、 CVD钻石、钻石、树脂、氧化锆(Zr02)、 尖晶石、氮氧化铝(AION)或蓝宝石(sapphire);其中，树脂优选地为Su8胶。
若该光学元件210为树脂，可直接环绕于该发光结构220的侧壁，或将 该发光结构220嵌入一树脂层，再将发光结构220下方的多余树脂层移除。 除此之外，可在成长基板上的半导体叠层中形成多个孔，并形成树脂层于孔 中，自孔处切割半导体叠层与成长基板，再移除成长基板而形成发光二极管 管芯，如此可以形成具有环绕发光结构的光学元件210，详细说明可参考本 申请的申请人的中国台湾专利申请案第94101800号与第94101801号。然而， 在本申请中，若成长基板为透明，则可以选择保留不移除，再搭配环绕发光 结构周围与位于成长基板上侧的光学元件210，可以提高光线离开管芯的机 会。再者，光学元件亦可以环绕于半导体叠层与成长基板周围。甚或，通过 上述方法，可以于孔中形成具有不同折射系数的树脂层，以降低全反射提高 光线离开机率。惟优选者，树脂的折射系数大于或近于透明基板222的折射 系数，或介于透明基板222的折射系数与封装材料的折射系数之间。在理想 状况下，当n^n^n。或n^n。，全反射将不会于上述结构内部发生，特别是当 ns = n。 = nb。另一方面，当n。略小于或等于rv但n。略大于rie，光摘出效率 可获得提升。当n。略小于或等于rv而且nb略小于或等于rv但n。略大于 ne,可增加光经由光学元件210出光的机率。同样地，当nb略小于或等于n。， 而且n。略小于或等于ns，但 略大于rie且胶的厚度够薄，光摘出效率亦可 提升。
另一方面，在市场需求与成本考量之下，半导体发光管芯的尺寸逐趋缩 小。然而，焊垫的尺寸仍有一定的限制。 一般而言，焊垫是不透光的，因此， 被焊垫所遮蔽的发光结构220的表面积比例相对增加；换言之，管芯出光的 面积将减少。如图4A所示，本发明的结构特别适用于被p型焊垫230与n 型焊垫240所遮蔽的发光结构220的表面积50%以上的半导体发光管芯。如
9图4B所示，在焊垫下方设有第一反射层250与第二反射层260,将射向p 型焊垫230与n型焊垫240的射线R7反射至透明基板222或光学元件210 出光，降低焊垫吸光的机率，提升光摘出效率。在相同构思下，焊垫可为不 透光电极或其他具有相同功效的替代结构，本实施例依然适用。
如上所述的光学元件210亦可以适用于一封装结构中。如图5A-5B所示， 封装结构300,特别适用于发光结构200，至少包含基座340与光学元件210。 其中，光学元件210位于基座340之上，基座340可选择性地包含至少一导 线320。光学元件210的下可以选择性地形成第三反射层310或朗伯表面 (Lambertian Surface)以反射光线，再以封装材料覆盖上述结构。波长转换材 料可选择性地包含于光学元件210或封装材料(未显示)中，或覆盖于发光二 极管管芯上以转换发光二极管管芯的原始色光。该波长转换材料包含荧光 粉、有机半导体、II-VI族或III-V族半导体、纳米晶体、染料和聚合物。封 装过程中，光学元件210可以先设置于基座340后再与发光结构220结合， 因此，使用 一般市面上取得的发光二极管管芯便可以完成本发明的发光装 置。
第一反射层250、第二反射层260与第三反射层310的材料为金属、氧 化物、上述材料的合成或其他可反射光的材料。更佳地，第一反射层250、 第二反射层260与第三反射层310的材料选自铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、 柏(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钬(Ti)、锡(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金 (AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、氮化硅(SiNx)、氧 化硅(Si02)、三氧化二铝(八1203)、氧化钛(Ti02)与氧化镁(MgO)所构成的组。
如图6A-6B所示，在上述的封装结构300中的光学元件210另配置一反 射结构330,反射结构330包含内壁331。射向反射结构330的光，被内壁 331反射；向上射出的光被焊垫230、 240下方的第一反射层250与第二反射 层260反射；向下发射的光亦因与反射层310相遇而被反射。最终，光线回 到第三表面213集中出光。如图6C-6D所示，将基板222与半导体叠层221 和反射结构330的内壁331相接的侧面以胶270 4妄合，基板222与半导体叠 层221未与反射结构330相接的侧面则与光学元件210接合。当nb ns,在 基板222与胶270的界面会产生全反射，导致发光结构220所发的光全经由 光学元件210向外出光；而且n。〉ne,光摘出效率获得提升。换言之，此结 构可限定发光结构220所发的光的出光方向。本发明可在其发明精神下，依
10据所需进行修改及变化。
上述反射结构330的内壁331包含具有布拉格反射层(DBR)或朗伯表面 等反射特性的反射层，用以反射射向反射结构330的光。反射结构330的材 料为金属、氧化物、上述材料的合成或其他可反射的材料。更佳地，反射结 构330的材料选自铟(In)、锡(Sn)、铝(A1)、金(Au)、柏(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、 钛(Ti)、锡(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、 锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、氮化硅(SiNJ、氧化硅(SiO。、三氧化二铝 (A1203)、氧化钛(Ti02)与氧化镁(MgO)所构成的组。
本发明正符合高亮度、低耗电、薄型化与轻量化的点光源的特性，可应
用于背光模块。除此之外，本发明亦可广泛地运用于各种显示器与发光装置， 为其主要零件。
发明。任何本领域的技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况 下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如所附的权 利要求所列。
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权利要求
1、一种半导体发光装置，包含发光结构，包含半导体叠层，包含发光层；及透明基板，位于该半导体叠层的下方；及光学元件，位于该发光结构周边，并曝露该发光结构至少部分的上或下表面，其中该光学元件具有相对的第一表面与第二表面。
2、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该光学元件的折射系数选自不小于该透明基板的折射系数、接近于该透明基板的折射系数与介于该透明基板与封装材料间的折射系数所组成的组。
3、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第一表面与第二表面包含一非平整表面。
4、 如权利要求3所述的半导体发光装置，其中至少该第一表面与第二表面其中之一包含一斜面。
5、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该光学元件环绕该发光结构。
6、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透明基板还包含反射层，位于该光学元件的下方。
7、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透明基板还包含散热层，位于该光学元件的下方。
8、 如权利要求1所述的半导体发光装置，还包含波长转换材料，覆盖于该发光结构上。
9、 如权利要求1所述的半导体发光装置，还包含波长转换材料，覆盖于该光学元件上。
10、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该光学元件还包含波长转换材料。
11、 如权利要求1所述的半导体发光装置，还包含基座，位于该光学元件的下方；及 、反射层，位于该基座与该光学元件之间。
12、 如权利要求1所述的半导体发光装置，还包含胶，位于该发光结构与该光学元件之间。
13、 如权利要求12所述的半导体发光装置，其中该胶的材料选自旋涂玻璃、硅胶、苯并环丁烯、环氧树脂、聚亚酰胺、过氟环丁烯、Su8胶与树脂所构成的组。
14、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该光学元件的材料选自碳化硅、磷化镓、CVD钻石、钻石、树脂、氧化锆、尖晶石、氮氧化铝与蓝宝石所构成的组。
15、 如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该透明基板的材料选自碳化硅、磷化镓、磷砷化镓、蓝宝石与硒化锌所构成的组。
16、 一种半导体发光装置，包含发光结构，包含半导体叠层，包含发光层；及透明基板，位于该半导体叠层的下方；至少一不透光电极，位于该发光结构上，其中该不透光电极遮蔽该发光结构50%以上的表面积；及光学元件，位于该发光结构周边，并曝露该发光结构至少部分的上或下表面，其中该光学元件具有相对的第一表面与第二表面。
17、 如权利要求16所述的半导体发光装置，其中，该光学元件的折射系数选自不小于该透明基板的折射系数、接近于该透明基板的折射系数与介于该透明基板与封装材料间的折射系数所组成的组
18、 如权利要求16所述的半导体发光装置，其中该不透光电极下方设置有反射层。
19、 一种封装结构，包含基座；及光学元件，位于该基座之上方，具有一通孔；其中，该基座与该光学元件中间可选择性地设置一反射层。
20、 如权利要求19所述的封装结构，还包含如权利要求1所述的发光结构，位于该通孔之中。
21、 如权利要求20所述的封装结构，还包含反射结构，位于该基座之上方，包含有一内壁，其中该内壁包含一反射层。
全文摘要
本发明披露一种半导体发光装置和封装结构。该半导体发光装置具有发光结构以及光学元件。光学元件环绕连接发光结构，且光学元件的折射系数大于或接近于该发光结构的透明基板，或介于透明基板的折射系数与封装材料的折射系数之间。本发明可以减少被半导体叠层吸收的光线。
文档编号H01L33/00GK101488542SQ20081000264
公开日2009年7月22日 申请日期2008年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者谢明勋 申请人:晶元光电股份有限公司