[发明专利]含渐变式折射率透明基材或散热性高的发光二极管及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含由具渐变式折射率的透明材料所组成的叠层，可作 为发光元件的承载基板。此外，本发明所述的具渐变式折射率的透明材料所 组成的叠层亦可作为发光元件的导热层结构。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)为一种由半导体材料所制成的 发光元件，此元件具有两个电极，在电极间施加电压并通入极小的电流后， 经由电子/空穴的结合，可将剩余能量以光的形式释出，此即发光二极管的基 本发光原理。

不同于一般白炽灯泡，发光二极管属于冷发光，具有耗电量低、元件寿 命长、无需暖灯时间及反应速度快等优点，再加上其体积小、耐震动、易于 量产、容易配合应用的需求制成极小或阵列式的元件的特性，使得发光二极 管已被广泛应用于信息、通讯、消费性电子产品及一般生活用品上，而成为 日常生活中不可或缺的重要元件，例如，可利用于光学显示装置、交通信号 标志、数据储存装置、通讯装置、照明装置以及医疗装置等。

发光二极管依发光波长可分为可见光发光二极管(波长450至680纳米) 与不可见光发光二极管(波长850至1550纳米)两大类，其中，可见光发光二 极管可大略分为GaP/GaAsP系发光二极管、AlGaAs系发光二极管、AlGaInP 系发光二极管及GaN系发光二极管。就此类技艺而言，目前最重要的课题 之一是如何提高发光二极管的亮度。目前多以提升发光二极管发光效率或提 高输入功率为发展方向。要提升发光二极管发光效率，就要提升发光二极管 内部量子效率及光取出效率；而提高输入功率，则必须解决散热问题。

发光二极管的发光效率必须透过增加内部量子效率(internal quantum efficiency)与光取出效率(light extraction efficiency)两方面来增进，包括p-n结 (p-n junction)发光层效率的改善、用不同基板及/或各种长晶技术等各方面技 术来推进等。发光二极管的发光亮度及发光效率皆与外延层材料直接相关， 其外部量子效率(相当于发光二极管的发光效率)为

外部量子效率(发光效率)＝内部量子效率×光取出效率

由此可知，增加发光效率的方法可以通过增加发光二极管的内部量子效 率与发光二极管的光取出效率来提升。内部量子效率代表电子转换成光子的 效能，其重点在于调整发光结构层外延的品质，而光取出效率则跟物理现象 相关，当光从密介质到疏介质的过程将因全反射效应造成大部分光被局限在 发光体中，经过多次发光层吸收致使光取出效率明显下降。因此，如何让已 产出的光可以更有效率的取出，已是目前刻不容缓的重点工作。目前常见技 术有以氮化镓(GaN)基板或碳化硅(SiC)基板取代蓝宝石(sapphire)基板，以提 高内部量子效率；通过不同工艺技术与各式管芯设计，透过封装结构改变， 或封装材料更新，以改善光取出效率。

目前一种已知技术是提出通过n1＝(n0*n2)^1/2原理，以形成抗反射层的结 构，可以减少光源或光信号在经过多次来回折射反射造成损失。

另一已知方法披露黏合高折射率的透明材料层于含有发光层的半导体 层的不平坦表面上以提升光取出效率。

再一已知作法通过掺杂技术(doping)以局部改变钻石(diamond)材料 的折射率，此技术可减少光反射而使光源局限于材料的可能性变小。

此外，尚有先前技术提及利用SiC作为InGaN外延基板，且利用提高 SiC基板厚度可减少光局限而提升光取出效率。

另外在提高输入功率方面，主要是发展高功率发光二极管，通过封装阵 列(packaged array)或扩大管芯尺寸以提高发光二极管输入功率。封装阵列是 将复数颗LED排列成矩阵状，并将其封装成单体结构，以获得高光通量。 扩大管芯尺寸一般则由0.2～0.35毫米方形管芯，扩大为大于0.8毫米的方形 芯片，并以高电流驱动，以获得高光通量输出。

此外，从目前芯片水准推算发光二极管的发光效率，其内部量子效率与 光取出效率随不同材料有所不同。其中，红光因为外延材料折射率约为3.3， 由于折射率差异过大，致使光取出效率不彰，通过透明载体可以有效提升光 取出效率，但通常目前透明载体的热传导能力不佳，亦即在高温下会有可靠 度不佳的问题。

发明内容