CN100389496C - 白光发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种白光发光元件，其发出的白光具有至少一第一波长的第一色光成分、一第二波长的第二色光成分，以及一第三波长的第三色光成分，且该第一波长较该第二波长短，该第二波长较该第三波长短。该白光发光元件包括一封装板、一第一发光元件设置于封装板上，该第一发光元件包括一第一光源以发出该第一色光成分，及一第二光源以发出该第二色光成分。一透明保护层，具有一实质的平坦表面，覆盖该第一发光元件。一第二发光元件设置于该透明保护层的平坦表面上，该第二发光元件发出该第三色光成分，该第三色光成分分别转换自该第一色光成分及该第二色光成分。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体光电元件，特别有关于一种白光发光二极管(white light emitting diode，LED)。
背景技术
发光二极管(light emitting diode，LED)是1960年代所发展的一种特殊的半导体二极管形式。最简单的发光二极管(LED)型态包括由p-型半导体与n-型半导体与之间所形成的pn结(pn junction)。当电流通过上述pn结时，便产生电荷载流子(charge-carrier)，即电子与空穴。于此过程中，电子与空穴结合而以光子(photon)形式释放出能量。现今的高效能发光二极管包括一或多层的发光层，夹置于p-型与n-型半导体区域之间，以改善发光效能。上述一或多层的发光层已可获致所欲的发光波长。发光二极管元件的基本结构包括小块的上述材料叠层，通称做芯片(die)。芯片可置于框架或基板(baseboard)上，供电接触或机械性承载，并且胶封以保护。
就发光二极管而言，其发光波长取决于发光材料层的能隙(band-gap)的能量差。化合物半导体是一种适合作为发光层的材料，其具有相对应于近红外线(near infrared(IR))、可见光、或近紫外光(UV)的能隙。铟磷化铝镓(aluminum gallium indium phosphide，AlGaInP)是典型用于发光二极管的材料之一，因其具有高量子发光效能(即高亮度)与可调变颜色的特性。(AlxGa1-x)1-yInyP合金系统的能隙变化会随着化合物中x与y值而定。AlGaInP发光二极管的颜色范围介于绿光至红光之间。AlGaInP发光二极管必须制作于晶格匹配的砷化镓(gallium arsenide，GaAs)基板上，利用磊晶成长工艺，例如有机金属化学气相沉积法(MOCVD)形成。
于1990年代，氮化镓(gallium nitride，GaN)系的紫光、蓝光及绿光LED相继被研发出。氮化镓(GaN)是直接能隙半导体，其能隙的能阶差值大抵为3.4电子伏特(eV)。于氮化镓(GaN)中电子-空穴复合所发出光子的波长约为360nm，亦即于紫外光(UV)的范围。可见光波长(绿光、蓝光、与紫光)的LED可使用由InzGa1-zN作为发光层，且夹置于P-型GaN层与N-型GaN层之间。InzGa1-zN LED系统的发光波长λ变化，随着化合物中z值而定。例如，对纯蓝光(波长λ＝470nm)而言，z值等于0.2。同样地，氮化镓(GaN)发光二极管必须制作于晶格匹配的蓝宝石(sapphire)或碳化硅(SiC)基板上，利用磊晶成长工艺，例如有机金属化学气相沉积法(MOCVD)形成。
许多现有技艺的研发致力于以白光LED取代传统的光源。目前白光LED可由以下各种方式达成：
(1)设置分离独立的红光、绿光及蓝光LED于一灯中，并且藉由各种光学元件混合上述分离独立LED所发出的红光、绿光及蓝光。然而，由于不同颜色的LED所需的操作电压不同，因而需要多重控制电路。更有甚者，不同颜色的LED的寿命亦彼此不同，长时间使用后，当有某一个或数个LED退化或失效，其混合的光也会明显的改变。
(2)藉由磷光材料将部分短波长的光转换成长波长的光。最常使用的方法之一即将黄色磷光粉设置于蓝光InGaN LED芯片的周围。黄色磷光粉的材质是铯(Ce)掺杂于钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet)晶体中，即(YAG:Ce)。部分的InGaN LED芯片所发出的蓝光被YAG:Ce转换成黄光。然而，上述方法所产生的白光仅包含两种颜色：蓝光与黄光。此种光源适用于指示灯。
(3)产生具三原色的白光：利用极短波长LED所产生的UV光以激发多磷光材料产生不同颜色的光混合。此方法的缺点是UV LED的寿命相对其他LED短。尤有甚者，LED所发出UV光对人体有害，目前大部分的封装材料仍无法完全有效的阻隔UV辐射。
现有技术已发展出许多具高效能及色度佳的白光LED光源。例如：Guo等人于“Photon-Recycling for High Brightness LEDs”，compound semiconductor6(4)May/June，2000中揭露光子回收的概念以产生高亮度的白光LED。光子回收是一种短波长的光子被一种发射材料吸收的过程，上述发射材料能再释放出长波长的光子。基本上，光子回收半导体(photo recycling semiconductor，PRS)发光二极管可有效地发出白光亮度至330lumen/watt。然而，PRS-LED的缺点在于极低的色彩转换指数(color-rendering index)。
Guo等人所提供的双色PRS-LED包括一第一色光源及一第二色光源。该第二色光源具有一第二发光层。该第一色光源用以产生蓝光。产生的蓝光指向该第二发光层，致使部分的蓝光被吸收且在再发光(re-emitting)的过程中产生黄光。基本上，PRS-LED所产生的双色光子类似于磷光材料涂布的LED。然而，不同于磷光材料涂布的LED的是：该第二发光源包括直接键结于第一发光源晶片上的磷光半导体材料(AlGaInP)。因此，于晶片上直接制作双色PRS-LED得以实现。
图1是显示现有技术的白光发光元件100的剖面示意图。于图1中，白光发光元件100包括至少一蓝-红光LED 100a及一绿-红光LED 100a’。LED100a及100a’二者皆镶于基板180上不同的导电部172、174及176。蓝-红光LED 100a各包括发出蓝色光成分的第一光源101B，以及发出该红色光成分的第二光源122a，其中红色光成分转换自蓝色光成分。
第一光源101B包括第一有源层114、提供空穴至第一有源层114的空穴源层112，以及电子源层116，其提供电子至第一有源层114，致使电子与空穴于第一有源层114结合产生蓝光。第二光源122a包括AlGaInP层122R吸收部分的第一光源101B发出的蓝光，再发射出红光。
蓝-红光LED 100a的p-型接触132经由电接触部142与基板180上的导电部172电接触。蓝-红光LED 100a的n-型接触136经由电接触部146与基板180上的导电部174电接触。绿-红光LED 100a’的结构几近于蓝-红光LED100a，且绿-红光LED 100a’与蓝-红光LED 100a并联。电接触部152、156与焊线(Wire Bond)构装162、166更进一步形成于基板180上，以提供一电流通过串联的LED。
现有技术的白光发光元件100以晶片接合方式制作。然而，晶片接合需将蓝宝石基板薄化且研磨抛光，致使制造成本提高。另一方面，晶片接合因其工艺复杂，故存在工艺良率方面的问题。更有甚者，若将红光磊晶膜贴于GaN LED上，则又会面临电极连线取出连结的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种白光发光元件，整合光子回收半导体型发光二极管(PRS-LED)以发出三色波长混合的白光。
本发明的又一目的在于提供一种白光发光元件的制造方法：封装蓝光LED及绿光LED后，再将贴有红光磊晶膜的玻璃片置于其上，整合光子回收半导体型发光二极管(PRS-LED)提高白光光源的发光效率。
根据上述目的，本发明提供一种白光发光元件，其发出的白光具有至少一第一波长的第一色光成分、一第二波长的第二色光成分，以及一第三波长的第三色光成分，且该第一波长较该第二波长短，该第二波长较该第三波长短，该发光元件包括：一封装板；一第一发光元件设置于该封装板上，该第一发光元件包括一第一光源以发出该第一色光成分，及一第二光源以发出该第二色光成分；一透明保护层，具有一实质的平坦表面，覆盖该第一发光元件；以及一第二发光元件设置于该透明保护层的平坦表面上，该第二发光元件发出该第三色光成分，该第三色光成分分别转换自该第一色光成分及该第二色光成分。
根据上述目的，本发明另提供一种白光发光元件的制造方法，包括：提供一第一发光元件设置于一封装板上，该第一发光元件包括一第一光源以发出该第一色光成分，及一第二光源以发出该第二色光成分；形成一透明保护层，覆盖该第一发光元件，该透明保护层具有一实质的平坦表面；形成一第二发光元件于该透明保护层的平坦表面上，该第二发光元件发出该第三色光成分，该第三色光成分分别转换自该第一色光成分及该第二色光成分。
以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。
附图说明
图1是显示现有技术的白光发光元件的剖面示意图；
图2是显示根据本发明的实施例制作白光发光元件的制造流程图；
图3A至图3F是显示根据本发明实施例的第一色光源的工艺剖面示意图；
图4A与图4B是显示根据本发明实施例的第二色光源的工艺剖面示意图；
图5是显示根据本发明实施例将一蓝光LED芯片与一绿光LED芯片镶于基板的剖面示意图；以及
图6是显示根据本发明实施例的白光发光元件的剖面示意图。
附图标记说明
现有部分(图1)
100～白光发光元件；100a～蓝-红光LED；100a’～绿-红光LED；101B、100G～第一光源；180～基板；172、174、176～导电部；122a～第二光源；112～空穴源层；114、114’～有源层；116～电子源层；122R～AlGaInP层；132～p-型接触；142、146～电接触部；136～n-型接触；152、156～电接触部；162、166～焊线构装。
本案部分(图2～6)
210a-280～工艺步骤；310～蓝宝石基板；320～n-型GaN层；330～蓝光发光层；330’～绿光发光层；340～p-型GaN层；350～图案化掩模；360～非等向性蚀刻；370～欧姆接触金属层；380、385～电接触部；410～GaAs晶片基板；430～AlGaInP层；440～粘结层；450～玻璃层；600～白光发光元件；300B～蓝光LED结构；300G～绿光LED结构；580～基板；572、574、576～导电部；542、546～电接触部；552、556～电接触部；562、566～焊线构装。
具体实施方式
为达成于白光光源中包含红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光，本发明实施例利用低温工艺，先封装蓝光LED与绿光LED。接着，形成一透明保护层，覆盖蓝光LED与绿光LED，该透明保护层具有一实质的平坦表面。再将贴有红光磊晶膜的玻璃片置于其上。就其本身而论，混合的后的白光包括红光、绿光及蓝光。
图2是显示根据本发明的实施例制作白光发光元件的制造流程图。请参阅图2，于步骤210a中，形成一蓝光LED结构层于一蓝宝石基板上。接着，于步骤220a中，图案化该蓝光LED结构层，以形成所欲的结构。于步骤230a中，形成p极与n极电接触于该蓝光LED结构上。于步骤240a中，将该蓝光LED结构切割成多个小芯片。
另一方面，于步骤210b中，形成一绿光LED结构层于另一蓝宝石基板上。接着，于步骤220b中，图案化该绿光LED结构层，以形成所欲的结构。于步骤230b中，形成p极与n极电接触于该绿光LED结构上。于步骤240a中，将该绿光LED结构切割成多个小芯片。
接着，于步骤260中，将一蓝光LED芯片及一绿光LED芯片封装于一封装板上。接着，于步骤270中，形成一保护层于封装板上覆盖该蓝光及绿光LED芯片。
另一方面，于步骤252中，形成一红光LED结构于GaAs基板上。接着，于步骤254中，形成一粘结层于红光LED结构上。于步骤256中，形成一玻璃层于粘结层上之后，再移除GaAs基板，留下红光LED结构于玻璃层上，如步骤258所示。接着，于步骤280中，将一红光发光元件的玻璃层粘贴于保护层上，以及提供电接触部电连接各个芯片。
图3A至图3F是显示根据本发明实施例的第一色光源的工艺剖面示意图。请参阅图3A，多层材料层沉积于一透明基板上，以形成一第一光源结构。例如，一n-型GaN层320磊晶成长形成于一蓝宝石基板310上。一蓝光发光层330，例如InGaN层，磊晶成长形成于n-型GaN层320上。一p-型GaN层340磊晶成长形成于InGaN层330上。
接着，请参阅图3B，形成一图案化掩模350于p-型GaN层340上。图案化掩模350由例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅所构成。
接着，请参阅图3C，针对上述p-型GaN层340及InGaN层330进行非等向性蚀刻360，以形成多个分离的蓝光LED结构。例如，利用以非等向性蚀刻或感应式耦合等离子体(inductively coupled plasma，简称ICP)蚀刻部分的p-型GaN层340及InGaN层330。接着，请参考图3D，移除掩模350露出p-型GaN层340。
请参阅图3E，在移除掩模350之后，形成Ni/Al欧姆接触金属层370于p-型GaN层340上。接着，请参阅图3F，形成多个电接触部385于n-型GaN层320上，以及提供多个电接触部380于p-型GaN层340上。接着，将该蓝光LED结构切割成多个小芯片300。
另一方面，形成绿光LED结构于另一蓝宝石基板上。应注意的是，绿光LED芯片的形成步骤几近与绿光LED芯片的形成步骤相同。不同之处在于有源层的材质不同，亦即以InGaN层作为绿色发光层330’，在此略去相同的工艺步骤。
图4A至图4B是显示根据本发明实施例的第二色光源的工艺剖面示意图。请参阅图4A，一磊晶层例如AlGaInP层430成长于GaAs晶片基板410上。接着，形成一粘结层440于AlGaInP层430上。接着，形成一玻璃层450于粘结层440上，例如使用旋布玻璃(spin-on-glass)法。接着，如图4B所示，以湿蚀刻法(例如利用1NH4OH∶1H2O2∶10H2O溶液)移除GaAs基板410，显露出AlGaInP层430。
请参阅图5，将一蓝光LED芯片300B与一绿光LED芯片300G镶于基板580上的不同的导电部572、574及576。电接触部552、556与焊线(WireBond)构装562、566更进一步形成于基板580上，以提供一电流通过串联的LED。接着，形成一保护层590于封装板上覆盖该蓝光及绿光LED芯片。
请参阅图6，将移除GaAs基板410后的红光LED结构(如图4B所示)，以AlGaInP层430粘着于保护层590上，以形成红光LED结构于保护层590上，最上层为玻璃层450。于此实施范例中，第一发光元件的第一光源300B结构320、330与340选定为发蓝光。AlGaInP层430吸收第一光源300B发出穿透蓝宝石基板310的蓝光，待光子回收后，再发射出红光，由此AlGaInP层430则被选定为发红光作为第二发光元件。
另一方面，第一发光元件的第二光源300G结构320、330’与340选定为发绿光。AlGaInP层430吸收第一光源300G发出穿透蓝宝石基板310的绿光，再发射出红光，由此AlGaInP层430则被选定为发红光作为第二发光元件。
[本发明的特征与优点]
本发明的优点在于提供利用低温工艺，先封装蓝光LED与绿光LED。接着，形成一透明保护层，覆盖蓝光LED与绿光LED，该透明保护层具有一实质的平坦表面。再将贴有红光磊晶膜的玻璃片置于其上。就其本身而论，混合之后的白光包括红光、绿光及蓝光。于白光元件中的双色LED数目，部分视所欲的白光强度而定，且部分视各RGB光构件中的相对强度而定。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域内的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围以所附权利要求所界定者为准。
Claims (11)
1.一种白光发光元件，其发出的白光具有至少一第一波长的第一色光成分、一第二波长的第二色光成分以及一第三波长的第三色光成分，且该第一波长较该第二波长短，该第二波长较该第三波长短，该白光发光元件包括：
一封装板；
一第一发光元件，设置于该封装板上，该第一发光元件包括一发出该第一色光成分的第一光源，以及发出该第二色光成分的第二光源；
一透明保护层，具有一实质的平坦表面，覆盖该第一发光元件；以及
一第二发光元件，设置于该透明保护层的平坦表面上，该第二发光元件发出该第三色光成分，该第三色光成分分别转换自该第一色光成分及该第二色光成分。
2.如权利要求1所述的白光发光元件，其中该第一发光元件的第一光源包括：
一第一有源层；
一空穴源层，提供多个空穴至该第一有源层；以及
一电子源层，提供多个电子至该第一有源层，致使至少部分的多个电子与至少部分的多个空穴于该第一有源层结合而产生具第一波长的光；
其中该第一发光元件的第二光源包括：
一第二有源层；
一空穴源层，提供多个空穴至该第二有源层；以及
一电子源层，提供多个电子至该第二有源层，致使至少部分的多个电子与至少部分的多个空穴于该第二有源层结合而产生具第二波长的光。
3.如权利要求2所述的白光发光元件，其中：
该第一与该第二有源层实质上由InGaN组成；
该空穴源层实质上由p-型GaN组成；以及
该电子源层实质上由n-型GaN组成。
4.如权利要求1所述的白光发光元件，其中该第二发光元件的第三光源实质上由AlGaInP组成。
5.如权利要求1所述的白光发光元件，其中该第二发光元件的第三光源实质上由GaxIn1-xP组成，其中0＜x＜1。
6.如权利要求1所述的白光发光元件，其中该第一色光成分是一蓝色光，该第二色光成分是一绿色光，该第三色成分是一红色光。
7.一种白光发光元件的制造方法，包括：
形成一第一发光元件于一封装板上，该第一发光元件包括一发出该第一色光成分的第一光源，以及一发出该第二色光成分的第二光源；
形成一透明保护层，覆盖该第一发光元件，该透明保护层具有一实质的平坦表面；
形成一第二发光元件于该透明保护层的平坦表面上，该第二发光元件发出该第三色光成分，该第三色光成分分别转换自该第一色光成分及该第二色光成分。
8.如权利要求7所述的白光发光元件的制造方法，其中该第一发光元件的第一光源的形成步骤包括：
形成一空穴源层于该封装板上；
形成一第一有源层于该空穴源层上，其中该空穴源层提供多个空穴至该第一有源层；及
形成一电子源层于该第一有源层上，该电子源层提供多个电子至该第一有源层，致使至少部分的多个电子与至少部分的多个空穴于该第一有源层结合产生该第一色光成分；以及
其中该第一发光元件的第二光源的形成步骤包括：
形成一空穴源层于该封装板上；
形成一第二有源层于该空穴源层上，其中该空穴源层提供多个空穴至该第二有源层；以及
形成一电子源层于该第二有源层上，该电子源层提供多个电子至该第二有源层，致使至少部分的多个电子与至少部分的多个空穴于该第二有源层结合产生该第二色光成分。
9.如权利要求8所述的白光发光元件的制造方法，其中：
该第一与该第二有源层实质上由InGaN组成；
该空穴源层实质上由p-型GaN组成；以及
该电子源层实质上由n-型GaN组成。
10.如权利要求7所述的白光发光元件的制造方法，其中该第二发光元件实质上由AlGaInP组成。
11.如权利要求7所述的白光发光元件的制造方法，其中该第二发光元件实质上由GaxIn1-xP组成，其中0＜x＜1。
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