TWI484673B - 半導體發光裝置 - Google Patents

Description

半導體發光裝置

本發明係有關一種半導體發光裝置，特別是關於一種具抽頭端之發光晶片。

傳統發光二極體裝置的封裝一般係將複數發光二極體晶片設於電路板上。發光二極體晶片先藉由內部連接線形成所要的串/並聯連接型態。於固設在電路板上後，分別連接至電路板上的輸入電壓之正端與負端。

串接之發光二極體晶片間，通常會以導線連接至外部的驅動模組。然而，根據驅動模組之電容的充放電特性，傳統發光二極體裝置的工作效率不高。

因此亟需提出一種發光二極體裝置，無論發光二極體晶片之間作何種串、並聯連接型態，當發光二極體裝置連接至驅動模組時，可提高其工作效率。

鑑於上述發明背景，本發明實施例提出一種半導體發光裝置，其發光晶片包含至少一抽頭端，用以供電性耦合至電子元件。藉此，根據半導體發光裝置之發光晶片的串、並聯型態，可調整抽頭端位於整個半導體發光裝置的位置，以提高整體工作效率。

根據本發明實施例，半導體發光裝置包含至少一發光晶片。發光晶片包含複數發光單元、第一型電極、第二型電極及抽頭端。發光單元之間藉由串聯、並聯或其組合方式以相互電性耦合。第一型電極用以電性耦合至外部電源，其中第一型電極設於至少其中一個發光單元。第二型電極設於至少其中一個發光單元，但異於設有第一型電極的發光單元。抽頭端用以電性耦合至少一發光單元至一電子元件。

根據本發明另一實施例，半導體發光裝置包含複數發光晶片。發光晶片之間藉由串聯、並聯或其組合方式以相互電性耦合。第一型電極用以電性耦合至一外部電源，其中第一型電極設於發光晶片的至少其中一個。第二型電極設於發光晶片的至少其中一個，但異於設有第一型電極的發光晶片。抽頭端位於至少一個發光晶片上或相鄰兩個發光晶片之間，以供電性耦合至一電子元件。

第一A圖顯示本發明實施例之半導體發光裝置1的上視圖，而第一B圖則顯示第一A圖的側視圖。本實施例之半導體發光裝置1包含一電路板10，其具有一固晶區100。固晶區100表面固設有至少一發光晶片11（第一A圖例示有四個發光晶片11），例如發光二極體晶片。若半導體發光裝置1包含有複數發光晶片11，則發光晶片11之間可藉由金屬線12作串聯、並聯或其組合（亦稱串並聯），以適用於各種不同的輸入電壓或/且不同的光通量（luminous flux，其單位為流明（lumen））規格需求。

其中，發光晶片11可不採用平台式(mesa)製程，其可為一大尺寸晶片封裝體或一獨立晶片封裝體。發光晶片11包括成長三族氮化物之磊晶材料於藍寶石(Al₂ O₃ )基板上而形成發光二極體，三族氮化物例如氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN) 、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)等，但不限於上述基板及磊晶材料。在一實施例中，發光晶片11更包括於磷化鎵(GaP)基板上成長磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之發光二極體；於砷化鎵(GaAs)基板上成長砷化銦鎵(InGaAs)之發光二極體；於砷化鎵(GaAs)基板上成長砷化鋁鎵(AlGaAs)之發光二極體；於碳化矽(SiC)基板或於藍寶石基板上成長碳化矽(SiC)之發光二極體；或是，其係由三五族磊晶材料成長於砷化鎵（GaAs）、鍺（Ge）表面形成鍺化矽（SiGe）、矽（Si）表面形成碳化矽（SiC）、鋁（Al）表面形成氧化鋁（Al₂ O₃ ）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁（AlN）、藍寶石（sapphire）、玻璃、石英或其組合等基板上，而形成之發光二極體，但不限定於上述。此外，部分實施例係由二六族磊晶材料成長於基板上而形成之發光二極體。然而，最終的發光二極體封裝體中可移除基板。

半導體發光裝置1還包含有一第一型電極P、一第二型電極N及一抽頭端T。第一型電極P可供半導體發光裝置1電性耦合至一外部電源，其中第一型電極P設於發光晶片11的至少其中一個。第二型電極N設於發光晶片11的至少其中一個，但異於設有第一型電極P的發光晶片11。抽頭端T位於發光晶片11之至少其中一個上或其中相鄰兩個之間，以供電性耦合至一電子元件(未圖示)。在一實施例中，第二型電極N電性耦合至電子元件的端點異於抽頭端T電性耦合至電子元件的端點。

在一實施例中，第二圖例示第一A/B圖之發光晶片11的細部上視圖。如第二圖所示，發光晶片11包含有一基板110及複數發光單元111（第二圖例示發光晶片11係由四個發光單元111所組成），發光單元111固設於基板110上。發光單元111之間可藉由金屬線（未顯示）作串聯、並聯或其組合（亦即串並聯）。在另一實施例中，發光晶片11可相互堆疊，例如使用磊晶堆疊(epitaxy stacking)或接著堆疊(bonding stacking)方式。

第二圖還例示發光單元111的細部放大圖，顯示每ㄧ發光單元111包含複數發光次單元1111（圖示發光單元111係由九個發光次單元1111所組成）。發光次單元1111之間可藉由金屬線（未顯示）作串聯、並聯或其組合（亦即串並聯）。上述的發光次單元1111可為平台式（mesa）結構的發光二極體，但不限定於此。每一發光單元111包含複數個發光次單元1111，發光次單元1111可相互堆疊，例如使用磊晶堆疊(epitaxy stacking)或接著堆疊(bonding stacking)方式。

第三圖例示第一A/B圖及第二圖所示半導體發光裝置1的電路圖。若發光次單元1111的工作電壓大約為3伏特，則串聯九個(n1, n2…n9)發光次單元1111而成的發光單元111之工作電壓大約為28伏特。接著，二個並聯且每個並聯由二個發光單元111所串聯而成的發光晶片11之工作電壓大約為56伏特。串聯二個發光晶片11後，即可使得半導體發光裝置1適用於110伏特之輸入電壓。

繼續參閱第二圖，發光晶片11還包含第一型電極PP（例如P型電極），用以電性耦合至外部電源（未顯示）。其中，第一型電極PP設於發光單元111的至少其中一個。以第二圖所示例子，第一型電極PP跨設於相鄰二個發光單元111上。類似的情形，發光晶片11還包含第二型電極NN（例如N型電極），設於發光單元111的至少其中一個，但異於設有第一型電極PP的發光單元111。以第二圖所示例子，第二型電極NN跨設於相鄰二個發光單元111上。

上述P型電極的材料可為鎳、鉑、銀、氧化銦錫或其組合，例如鎳/銀（Ni/Ag）、鎳/鉑/銀（Ni/Pt/Ag）或氧化銦錫/銀（ITO/Ag）。上述N型電極的材料可為鈦、鋁、鉻、鉑、金或其組合，例如鉻/鉑/金（Cr/Pt/Au）、鈦/鋁/鉑/金（Ti/Al/Pt/Au）或鈦/鉑/金（Ti/Pt/Au）。

根據本發明實施例的特徵之一，如第二圖所示，發光晶片11包含至少一抽頭端（tapped point）TT，用以電性耦合至少一個發光單元111至電子元件。因此，發光晶片11除了具有第一型電極PP與第二型電極NN外，還增加抽頭端TT作為第三型電極。抽頭端TT的設置位置，可設於至少其中一個發光單元111上，但異於設有該第一型電極PP及該第二型電極NN的該些發光單元111；或是，可設於基板110上，且位於發光單元111的其中相鄰兩個之間，並電性耦合相鄰兩個發光單元111的至少其中一個。在本實施例中，第二型電極NN電性耦合至電子元件的端點異於抽頭端TT電性耦合至電子元件的端點。第二圖所示抽頭端TT雖設於發光晶片11內部，然而抽頭端TT也可設於發光晶片11外的電路板10上。

在一實施例中，抽頭端TT設於發光單元111的至少其中一個的電極位置，且其結構可藉由將發光次單元1111上的N型/P型次電極(亦即NNNN/PPPP)之尺寸放大，而作為抽頭端TT使用，以供外部作電性耦合。例如，將N型/P型次電極(亦即NNNN/PPPP)之長寬加長而放大其二維尺寸，而形成片狀結構，或是將N型/P型次電極(亦即NNNN/PPPP)之高度增加而放大其三維尺寸，而形成柱狀結構或球狀結構，例如錫球。抽頭端TT與外部作電性耦合的方式，可藉由一金屬線，將抽頭端TT直接導電至電子元件；或是，藉由覆晶(flip chip)方式，將柱狀結構或球狀結構之抽頭端TT與電子元件作電性耦合；抑或，於電子元件上預留一抽頭位置(未圖示)，藉由直接封裝(Chip on board，COB)方式，將柱狀結構或球狀結構之抽頭端TT對準接合上述抽頭位置，而直接與電子元件作電性耦合。抽頭端TT的材料可為金屬。

以第三圖為例，本實施例之抽頭端T1/T2設於發光次單元1111（例如n10）的第一型次電極（例如P型電極）及另一相鄰發光次單元1111（例如n9）的第二型次電極（例如N型電極）上。一般來說，用以形成抽頭端T1/T2之相鄰發光次單元1111的次電極之電性型態不受限制。例如，可以為第一型次電極與第二型次電極互相電性耦合，也可第一型次電極與第一型次電極互相電性耦合。

第四圖顯示電子元件40與抽頭端T、電源第一端V+與電源第二端V-或接地端GND的連接關係示意圖。其中電子元件可為半導體積體電路元件(integrated circuit，IC)例如定電流驅動IC(constant current driver IC)，印刷電子元件(printed electronics)或被動元件例如定電流二極體(current regulative diode)或電阻(resistor)。

第五A圖及第五B圖顯示第二圖中一些實施例之抽頭端TTT的電性耦合型態。於第五A圖中，發光次單元1111A的（第一/二型）次電極與相鄰發光次單元1111B的（第一/二型）次電極分別藉由金屬線51A及51B以連接至外部，因而形成抽頭端TTT。於第五B圖中，發光次單元1111A的（第一/二型）次電極與相鄰發光次單元1111B的（第一/二型）次電極先於發光晶片11內部電性耦合，再以金屬線52連接至外部，因而形成抽頭端TTT。

根據本發明實施例的另一特徵，抽頭端TTT的設置位置為：半導體發光裝置1連接至外部電源之間，約為所有串聯之發光次單元1111總個數的1/10~2/5處，較佳為靠近三分之一處。第六圖例示串聯有九個發光次單元1111，電子元件例如電容，而抽頭端TTT設於發光次單元n3與n4之間，亦即1/3處。於1/3處作抽頭之目的係基於以下的原因。假設半導體發光裝置1的工作電壓為110 伏特，且操作於交流高壓（例如輸入電壓：-150~150伏特）下。當輸入電壓大於110伏特，若於1/3處作抽頭，可將多餘的電壓能量儲存在電容中；當輸入電壓小於110伏特，電容會釋放出儲存在其中的電壓能量給半導體發光裝置1，則可保持其發光品質一致，因而提高其工作效率。

以第三圖為例，抽頭端T1或T2設於所有串聯之發光次單元1111總個數（36個）的四分之一處（亦即，9/36處）。傳統半導體發光裝置之發光晶片11不具有抽頭端用以連接至電子元件，因此僅能以相鄰串接之發光晶片11之間作為抽頭以連接至電子元件，因而形成二分之一處抽頭，因此其工作效率遠低於第三圖所示的半導體發光裝置1。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1．．．半導體發光裝置

10．．．電路板

100．．．固晶區

11．．．發光晶片

110．．．基板

111．．．發光單元

1111．．．發光次單元

1111A．．．發光次單元

1111B．．．發光次單元

12．．．連接線

40．．．電子元件

51A．．．金屬線

51B．．．金屬線

52．．．金屬線

P．．．第一型電極

PP．．．第一型電極

PPP．．．第一型電極

PPPP．．．第一型電極

N．．．第二型電極

NN．．．第二型電極

NNN．．．第二型電極

NNNN．．．第二型電極

T．．．抽頭端

TT．．．抽頭端

TTT．．．抽頭端

T1/T2．．．抽頭端

V+．．．電源第一端

V-．．．電源第二端

GND．．．接地端

n1~n18．．．發光次單元

第一A圖顯示本發明實施例之半導體發光裝置的上視圖。 第一B圖顯示第一A圖的側視圖。 第二圖例示第一A/B圖之發光晶片的細部上視圖。 第三圖例示第一A/B圖及第二圖所示半導體發光裝置的電路圖。 第四圖顯示電子元件與電源第一端、電源第二端及抽頭端的連接關係示意圖。 第五A圖及第五B圖顯示抽頭端的電性耦合型態。 第六圖例示串聯發光次單元的抽頭端之設置位置。

11．．．發光皛片

110．．．基板

111．．．發光單元

1111．．．發光次單元

PP．．．第一型電極

PPP．．．第一型電極

PPPP．．．第一型電極

NN．．．第二型電極

NNN．．．第二型電極

NNNN．．．第二型電極

TT．．．抽頭端

TTT．．．抽頭端

Claims (20)

1. 一種半導體發光裝置，包含： 至少一發光晶片，包含： 複數發光單元，該些發光單元之間藉由串聯、並聯或其組合方式以相互電性耦合； 一第一型電極，用以電性耦合至一外部電源，其中該第一型電極設於該些發光單元的至少其中一個； 一第二型電極，設於該些發光單元的至少其中一個，但異於設有該第一型電極的該發光單元；及 一抽頭端（tapped point），用以電性耦合該些發光單元的至少其中一個至一電子元件。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該第二型電極電性耦合至該電子元件的端點異於該抽頭端電性耦合至該電子元件的端點。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端設於該些發光單元的至少其中一個，但異於設有該第一型電極及該第二型電極的該些發光單元。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端係設於該些發光單元的至少其中一個的電極位置，該抽頭端之結構形狀包括一片狀結構、一柱狀結構或一球狀結構。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端係藉由一金屬線而直接電性耦合至該電子元件。
6. 根據申請專利範圍第4項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端係藉由覆晶(flip chip)方式及/或直接封裝(Chip on board，COB)方式，經由該柱狀結構或該球狀結構與該電子元件作電性耦合。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，更包含一基板，用以固設該些發光單元。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端設於該基板上，且位於該些發光單元的其中相鄰兩個之間，並電性耦合該相鄰兩個發光單元的至少其中一個。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該至少一發光晶片的數目為複數個，且該些發光晶片之間藉由串聯、並聯或其組合方式作電性耦合。
10. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該至少一發光晶片的數目為複數個，該些發光晶片係相互堆疊。
11. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該第一型電極包含鎳、鉑、銀、氧化銦錫或其組合，且該第二型電極包含鈦、鋁、鉻、鉑、金或其組合。
12. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中每一該發光單元包含複數發光次單元，該些發光次單元之間藉由串聯、並聯或其組合方式作電性耦合。
13. 根據申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中每一該發光單元包含複數發光次單元，該些發光次單元係相互堆疊。
14. 根據申請專利範圍第12項所述之半導體發光裝置，其中每一該發光次單元包含至少一次電極。
15. 根據申請專利範圍第14項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端係該些次電極的至少其中一個。
16. 根據申請專利範圍第14項所述之半導體發光裝置，其中該些發光次單元之其中相鄰兩個的該次電極分別藉由一金屬線以電性耦合至該發光晶片的外部，因而形成該抽頭端。
17. 根據申請專利範圍第14項所述之半導體發光裝置，其中該些發光次單元之其中相鄰兩個的該次電極先於該發光晶片內部連接，再以單一金屬線連接至該發光晶片的外部，因而形成該抽頭端。
18. 根據申請專利範圍第12項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端的設置位置約位於該些發光次單元之所有串聯總個數的十分之一至五分之二處。
19. 根據申請專利範圍第12項所述之半導體發光裝置，其中該抽頭端的設置位置約為位於該些發光次單元之所有串聯總個數的三分之一處。
20. 一種半導體發光裝置，包含： 複數發光晶片，該些發光晶片之間藉由串聯、並聯或其組合方式以相互電性耦合； 一第一型電極，用以電性耦合至一外部電源，其中該第一型電極設於該些發光晶片的至少其中一個； 一第二型電極設於該些發光晶片的至少其中一個，但異於設有該第一型電極的該發光晶片；及 一抽頭端（tapped point），位於該些發光晶片的至少其中一個或其中相鄰兩個之間，以供電性耦合至一電子元件。