阅读说明：本技术 发光元件 (Light emitting element ) 是由 锺昕展 陈守龙 吕志强 于 2020-01-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种发光元件,其包含一基板、一发光单元以及一光检测单元。基板包含相对的一正表面以及一背表面。发光单元设于正表面侧。发光单元包含相对的一第一表面以及一第二表面,其中第二表面的一背透光区的面积小于第一表面的至少一正出光区的总面积,且第二表面朝向正表面。光检测单元相邻于发光单元并设于正表面与第二表面之间。光检测单元的一收光区用于接收来自背透光区的一光线。(The invention discloses a light-emitting element, which comprises a substrate, a light-emitting unit and a light detection unit. The substrate comprises a front surface and a back surface which are opposite. The light emitting unit is provided on the front surface side. The light-emitting unit comprises a first surface and a second surface which are opposite, wherein the area of a back light-transmitting area of the second surface is smaller than the total area of at least one positive light-emitting area of the first surface, and the second surface faces the positive surface. The light detection unit is adjacent to the light emitting unit and disposed between the front surface and the second surface. A light receiving area of the light detection unit is used for receiving light from the back light-transmitting area.)

发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件，特别是涉及一种整合光检测单元的发光元件。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

激光模块是将发光元件，例如：垂直腔表面发光激光(Vertical Cavity SurfaceEmitting Lasers,VCSEL)，与相对应的光学元件组装作为激光光源，在使用过程中，若发光元件的发光亮度衰退时，可能影响激光模块的表现及应用效果。然而，传统的监测机制需要在激光模块外设置相对应的光学检测元件，将导致封装结构复杂且体积庞大。

发明内容

有鉴于此，本发明部分实施例提供一种发光元件。

本发明一实施例的发光元件包含一基板、一发光单元以及一光检测单元。基板包含相对的一正表面以及一背表面。发光单元设于正表面侧。发光单元包含相对的一第一表面以及一第二表面，其中第二表面的一背透光区的面积小于第一表面的至少一正出光区的总面积，且第二表面朝向正表面。光检测单元相邻于发光单元并设于正表面与第二表面之间。光检测单元的一收光区用于接收来自背透光区的一光线。

本发明另一实施例的发光元件包含一第一基板、一发光单元以及一光检测单元。第一基板包含相对的一正表面以及一背表面、以及自正表面延伸至背表面的一透光区。发光单元设于正表面侧。发光单元包含相对的一第一表面以及一第二表面，其中第二表面的一背透光区的面积小于第一表面的至少一正出光区的总面积，且第二表面朝向正表面。光检测单元设于背表面侧。光检测单元的一收光区用于通过透光区接收来自背透光区的一光线。

以下通过具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图2A为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图2B为本发明一实施例的发光元件沿XX'截面的一仰视示意图；

图3为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图4为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图5为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图6为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图7为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图8为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图9为本发明一实施例的发光元件的一示意图；

图10为本发明一实施例的发光元件的一示意图。

符号说明

A1 正出光区

A2 背透光区

A3 收光区

A4 透光区

T 开孔

L 光线

R1、R2 重布线

W 导线

1 基板、第一基板

11 正表面

111 第一平面

112 第二平面

12 背表面

121、122 检测电极

123、124 导电电极

2 发光单元

21 第一表面

211 第一电极

22 第二表面

222 第二电极

23、231、232、233、234 导电连接件

24 半导体层状结构

241 反光区

3 光检测单元

4 接着层

5 光学基板

6 第二基板

62 外表面

具体实施方式

以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下仍可实施。附图中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。

请参照图1，本发明一实施例的发光元件包含一基板1、一发光单元2以及一光检测单元3。基板1包含一正表面11以及一背表面12，且背表面12与正表面11为相对配置。基板1可为透光基板，举例而言：基板1可包含蓝宝石(Sapphire)、玻璃或碳化硅(SiC)等材料，但不以此为限，在本实施例中，基板1也可为不透光基板，例如：硅基板或印刷电路板(PCB)。

发光单元2设于正表面11侧。发光单元2包含一第一表面21以及一第二表面22，且第二表面22与第一表面21为相对配置，其中发光单元2的第二表面22朝向基板1的正表面11。

在一实施例中，发光单元2为激光。发光单元2的第一表面21具有一个或多个正透光区A1，用于输出发光元件的工作激光，亦即，第一表面21作为发光元件的主要出光面。在一实施例中，发光单元2可为垂直腔表面发光激光(Vertical Cavity Surface EmittingLasers,VCSEL)，但不以此为限。请参照图2A，在至少一实施例中，发光单元2包含半导体叠层，且在相邻的不同电性的半导体层间的交界处形成pn界面(pn junction)产生空乏区(或称活性层)而发光，并定义出靠近第一表面21侧的多个正透光区A1。在一实施例中，半导体叠层的材料包含三五族化合物半导体，例如可以为：GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlInGaAs、GaP、InGaP、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlAsSb、InGaAsP、InGaAsN、AlGaAsP等。当半导体叠层的材料为AlGaInP系列时，活性层可发出峰值波长(peak wavelength)介于700及1700nm之间的红外光、610nm及700nm之间的红光、或是峰值波长介于530nm及570nm之间的黄光。当半导体叠层的材料为InGaN系列时，活性层可发出峰值波长介于400nm及490nm之间的蓝光、深蓝光，或是峰值波长介于490nm及550nm之间的绿光。当半导体叠层的材料为AlGaN系列时，活性层可发出峰值波长介于250nm及400nm之间的紫外光。

请继续参照图1，在发光单元2中第二表面22侧具有一背透光区A2，用于输出可供监测的一光线L，亦即，第二表面22作为发光元件的监测出光面。其中，第二表面22的背透光区A2的面积小于第一表面21的一个或多个正出光区A1的总面积，以控制发光单元2内部产生的工作激光大部分由第一表面21侧输出，进而提高出光效率。于本实施例中，发光单元2的半导体叠层包含一半导体层状结构24，且半导体层状结构24设于靠近第二表面22侧。半导体层状结构24包含背透光区A2以及反光区241，且反光区241围绕背透光区A2。举例而言，反光区241包含多个交叠的层状结构，以形成分散式布拉格反射镜(Distributed BraggReflector,DBR)，使得由活性层发射的工作激光可以在分散式布拉格反射镜中反射以形成同调光后，朝向第一表面21的方向射出。需注意者，背透光区A2对于上述红外光、红光、黄光、蓝光、深蓝光、绿光或紫外光等光波长区段的穿透率大于反光区241对于该些光波长区段的穿透率。

为了改良封装结构，节省发光元件总体积，请一并参照图1及图2A，在至少一实施例中，光检测单元3设于基板1的正表面11与发光单元2的第二表面22之间。详言之，在图1所示的实施例中，光检测单元3设于基板1的第一表面21上，并直接地电连接于基板1。在图2A所示的实施例中，光检测单元3设于发光单元2的第二表面22上，通过重布层(Re-Distribution Layers)直接地与第一电极211及第二电极222电连接，为了行文方便，以下统称光检测单元3相邻配置于发光单元2旁，此处所谓的相邻是指光检测单元3与发光单元2彼此之间不存在或无设置间接连接元件而言，用于保护元件表面的钝化层或其他表面处理结构不在此限。

请继续参照图1，光检测单元3具有一收光区A3，朝向发光单元2的背透光区A2，由此接收来自背透光区A2所输出的一光线L，以监控发光单元2的发光强度变异，例如：光检测单元3可为光电二极体(Photo Diode)。在一实施例中，光检测单元3的收光区A3中心对齐发光单元2的背透光区A2中心，可提高检测效率。通过上述机制，发光元件可随时监控发光单元2的发光强度，当光检测单元3所检测到的亮度衰退时，可以适当提高发光单元2的操作电流，反之亦然，从而控制发光单元2的发光强度维持在相同的输出水准。因此，若发光元件的发光亮度在使用过程中发生变异时，可通过上述光学监控机制维持原有的性能表现及应用效果。简言之，本发明部分实施例的发光元件是将上述基板、发光单元以及光检测单元所构成的监测电路整合为一，通过一体成型的制作工艺，生产出内置光学监测机制的发光元件，因此，可以节省模块端的封装体积以及简化模块化工序。

在一实施例中，发光元件可选择性包含一控制电路设于基板1，用于接收来自多个检测电极121、122的电压信号，并输出相对应的电流信号至多个导电电极123、124；举例而言：控制电路为一微控制器(MCU)，其电连接于光检测单元3的多个检测电极121、122以及发光单元2的多个导电电极123、124。微控制器通过多个检测电极121、122监控光检测单元3的电压信号，并通过多个导电电极123、124调整发光单元2的操作电流，以控制发光单元2于第一表面21的发光强度维持在相同的输出水准。

以下例示说明相关衍生实施例的封装结构。请参照图1，在本实施例中，发光元件还包含一接着层4以及一光学基板5。接着层4其一侧连接于光学基板5，且其另一侧连接于发光单元2的第一表面21侧。举例而言，接着层4为苯环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)或二氧化硅，但不以此为限。光学基板5可包含蓝宝石(Sapphire)、玻璃或碳化硅(SiC)等材质，但不以此为限。在部分实施例中，光学基板5可经由图案化处理后产生特定的光学效果，举例而言，光学基板5可为绕射光学元件(Diffractive Optical Element)或微透镜(Microlens)，搭配发光单元2，可产生数万个激光光点，适用于感测或识别应用，但不限于此。

在本实施例中，基板1的背表面12上设有相互分离且共平面的多个检测电极121、122及导电电极123、124，其中多个导电电极123、124分布于多个检测电极121、122的相异两侧，多个检测电极121、122电连接于光检测单元3，且多个导电电极123、124电连接于发光单元2，详言之，发光单元2的第一表面21设有第一电极211，横跨发光单元2的侧面而延伸至第二表面22上，从而与第二表面22上的第二电极222共平面，例如：第一电极211为正极，且第二电极222为负极，反之亦可。因此，发光单元2可通过倒装(Flip chip)制作工艺与基板1进行电连接，可无需打线制作工艺，节省封装体积，但不以此为限。同理，光检测单元3的相异二电极也可共平面设置，适于与基板1进行倒装封装，但不以此为限。

请一并参照图2A及图2B，其中图2B为沿图2A所示XX'截面的一仰视示意图。在本实施例中，光检测单元3的相异二电极通过位于发光元件2的第二表面22上的重布线(Re-Distribution Layout)R1、R2，分别电连接于多个检测电极121、122，因此，光检测单元3可通过倒装制作工艺与基板1进行电连接，而无需打线制作工艺。

请参照图3，在本实施例中，光检测单元3的两个电极分别设置于其相反两侧，可通过打线(Wire Bonding)制作工艺，通过导线W与基板1进行电连接；又请参照图4，在本实施例中，发光单元2的第一电极211与第二电极222分别设置于激光电极的相反两侧，可通过打线制作工艺，通过导线W与基板1进行电连接。

请继续参照图1，在本实施例中，发光元件包含多个导电连接件23，分布于光检测单元3的相异两侧，形成用于容置光检测单元3的空间。每一导电连接件23的两端分别连接于基板1以及发光单元2，且多个导电连接件23分别电连接于发光单元2的第一电极211以及第二电极222，以利于后续电路布局设计，但不以此为限。

请参照图5，在本实施例中，基板1的正表面11具有一第一平面111以及一第二平面112，其中第二平面112低于第一平面111，且第一平面111围绕第二平面112，以形成可容置光检测单元3的凹槽结构，由此，发光单元2设于第一平面111，且光检测单元3设于第二平面112；请参照图6，在本实施例中，发光元件与如图5所示实施例不同的结构在于，基板1形成可同时容置发光单元2及光检测单元3的梯状凹槽结构，也可简化发光元件封装工序及成本。

请参照图7，本发明另一实施例的发光元件包含一第一基板1、一发光单元2以及一光检测单元3。第一基板1包含一正表面11、一背表面12、以及自正表面11延伸至背表面12的一透光区A4，其中背表面12与正表面11为相对配置。在本实施例中，第一基板1可为透光基板，例如：蓝宝石(Sapphire)、玻璃或碳化硅(SiC)，但不以此为限。在另一实施例中，第一基板1为不透光基板，例如：硅基板或印刷电路板(PCB)，但具有一透光区A4，透光区A4可由透光材料所组成。在图8所示的实施例中，发光元件与上述实施例不同的结构在于，透光区A4具有一开孔T，因此第一基板1可采用不透光材料，但不以此为限。依据上述诸多实施例的结构设计，透光区A4可允许发光单元2所发射的光线L自第一基板1的一侧穿透至另一侧。

发光单元2设于正表面11侧。发光单元2包含相对配置的第一表面21以及第二表面22，详细构件特征、连接关系及技术功效已如前述。在本实施例中，发光单元2的第二表面22侧具有一背透光区A2，可发射激光光线L。在图8所示的实施例中，发光单元2具有一半导体层状结构24靠近于第二表面22侧，且半导体层状结构24包含背透光区A2以及一反光区241围绕背透光区A2，详细构件特征、连接关系及技术功效已如前述。有关发光单元2的衍生实施例及其构件特征、连接关系、优点功效，请详参前述。

光检测单元3设于背表面12侧。光检测单元3设于第一基板1的连接方式可通过倒装制作工艺或打线制作工艺来实现，已如前述。如图7及图8所示，光检测单元3的收光区A3，通过第一基板1的透光区A4，可接收来自发光单元2的背透光区A2的激光光线L，以产生相对应的电压信号，举例而言，光检测单元3的收光区A3中心对齐发光单元2的背透光区A4中心，可提高检测效率。其中，有关光检测单元3的构件特征、连接关系、优点功效及其相关实施例，请详参前述。通过光检测单元3，发光元件可随时监控发光单元2的发光强度，当光检测单元3所检测到的亮度衰退时，可以适当提高发光单元2的操作电流，反之亦然，从而控制发光单元2的发光强度维持在相同的输出水准。

在一实施例中，第一基板1的背表面12上设有多个导电连接件231、232、233、234，举例而言，多个导电连接件231、232、233、234彼此相互分离且共平面，且多个导电连接件231、232、233、234分布于光检测单元3的相异两侧，但不以此为限。多个导电连接件231、232、233、234的厚度大于或等于光检测单元3的厚度，因此，多个导电连接件231、232与第一基板1之间形成可容置光检测单元3的空间。其中，有一些导电连接件231、232通过第一基板1电连接于光检测单元3的正极和负极，而另一些导电连接件233、234则通过第一基板1电连接于发光单元2的第一电极211和第二电极222。

依据上述结构，本实施例的发光元件是将第一基板、发光单元以及光检测单元所构成的监测电路整合为一，通过一体成型的半导体制作工艺，生产出内置光学监测机制的发光元件，因此，可以节省模块端的封装体积、简化模块化工序以及降低生产成本。

在一实施例中，发光元件可选择性包含一控制电路设于第一基板1，用于接收来自多个导电连接件231、232的电压信号，并输出相对应的电流信号至多个导电连接件233、234；举例而言：控制电路为一微控制器(MCU)，其电连接于相应于光检测单元3的多个导电连接件231、232以及相应于发光单元2的多个导电连接件233、234。微控制器通过多个导电连接件231、232监控光检测单元3的电压信号，并通过多个导电连接件233、234调整发光单元2的操作电流，以控制发光单元2于第一表面21的发光强度维持在相同的输出水准。

请参照图9，在本实施例中，发光元件与如图7所示实施例不同的结构在于，发光元件还包含一第二基板6以及多个导电连接件233、234。其中，光检测单元3直接地电连接于第二基板6，多个导电连接件233、234设于第一基板1的背表面12且分布于光检测单元3的相异两侧。依此结构，每一导电连接件的一端通过第一基板1电连接于发光单元2，且其另一端电连接于第二基板6。亦即，发光单元2设于第一基板1，光检测单元3设于第二基板6，第一基板1可以通过光检测单元3与第二基板6相接，再通过多个导电连接件233、234连接第一基板1及第二基板6。因此，光检测单元3的收光区A3，通过第一基板1的透光区A4，可接收来自发光单元2的背透光区A2的激光光线L，以产生相对应的电压信号。

请参照图10，在本实施例中，发光元件与如图9所示实施例不同的结构在于，透光区A4具有一开孔T，因此第一基板1可采用不透光材料，但不以此为限。在其他实施例中，第一基板1可通过间隔材料(Spacer，图未示)，例如：胶材或玻璃，粘合于第二基板6。第一基板1的透光区A4可允许发光单元2所发射的激光光线L自第一基板1的一侧穿透至另一侧。因此，光检测单元3的收光区A3，可接收来自背透光区A2的激光光线L，以产生相对应的电压信号。

在本实施例中，第二基板6的外表面62上设有相互分离且共平面的多个检测电极121、122及导电电极123、124，其中多个导电电极123、124分布于多个检测电极121、122的相异两侧，多个检测电极121、122电连接于光检测单元3，且多个导电电极123、124电连接于发光单元2。详言之，发光单元2的第一表面21设有第一电极211，横跨发光单元2的侧面而延伸至第二表面22上，并通过第一基板1、导电连接件233以及第二基板6电连接于导电电极123，又发光单元2的第二表面22设有一第二电极222，通过第一基板1、导电连接件234以及第二基板6电连接于导电电极124，且光检测单元3的正极和负极分别通过第二基板6电连接于一检测电极121和另一检测电极122。因此，发光元件适于倒装封装模块应用，但不以此为限。

在一实施例中，发光元件可选择性包含一控制电路设于第二基板6，用于接收来自多个检测电极121、122的电压信号，并输出相对应的电流信号至多个导电电极123、124；举例而言：控制电路为一微控制器(MCU)，其电连接光检测单元3的多个检测电极121、122以及发光单元2的多个导电电极123、124。微控制器通过多个检测电极121、122监控光检测单元3的电压信号，并通过多个导电电极123、124调整发光单元2的操作电流，以控制发光单元2于第一表面21的发光强度维持在相同的输出水准。

综合上述，本发明的部分实施例提供一种发光元件，主要是利用发光单元的背透光区结构发射用于监测的激光光线，通过相邻设置的光检测单元监测激光光线以产生电压信号，可随时监控发光单元于主要出光面的发光强度，并适时地调整发光单元的操作电流，以控制发光单元维持原有的性能表现及应用效果。同时，针对封装结构进行改良，通过一体成型的半导体制作工艺，生产出内置光学监测机制的发光元件，通过半导体技术的纳米等级制作工艺，将发光单元以及光检测单元所构成的监测电路整合为一，相较之下，传统的监测机制是利用载板封装技术的微米或毫米等级制作工艺，在发光元件外另设相对应的光学检测元件，将导致封装模块结构复杂且体积庞大。因此，本发明的部分实施例的发光元件通过一体成型的半导体元件制作工艺可以节省模块端的封装体积、简化模块化工序以及降低生产成本，例如，通过晶片级半导体制作工艺，生产出内置光学监测机制的发光元件，适于倒装封装，可无需打线制作工艺，节省封装体积，有利于后续的微型化应用。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以此限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。