CN101378103A - 白光发光装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种白光发光装置及其制作方法，所述白光发光装置包括发光二极管芯片、荧光物质层及反射层。发光二极管芯片包括基底及位于基底上的发光结构，发光结构包括第一型半导体层、第二型半导体层以及位于第一及第二型半导体层之间的活性层，第一型半导体层、活性层及第二型半导体层沿远离基底的方向排列，基底上形成有至少一凹槽以暴露出部分第一型半导体层，发光二极管芯片具有多个侧面。荧光物质层配置在发光二极管芯片的基底的至少一凹槽内，用于波长转换以形成白光。反射层形成在发光二极管芯片的多个侧面上以环绕发光二极管芯片。所述白光发光装置经由反射层以及荧光物质层位置的设置，因而出光颜色均匀。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光领域，尤其是一种白光发光装置及其制作方法。
背景技术
目前，白光发光二极管(White Light Emitting Diode，White LED)作为一种白光发光装置，因其具功耗低、寿命长、体积小及亮度高等特性而被广泛用作LCD显示器背光源、车用光源及通用照明光源，具体可参见Atsushi Okuno等人在2003 IEEE ElectronicComponents and Technology Conference上发表的“Unique White LED PackagingSystems”一文。
如图6所示，典型的白光发光二极管60包括一基座62、一发光二极管芯片64以及一掺杂荧光物质的透明封装体66。所述发光二极管芯片64由所述基座62与透明封装体66将其密封封装。由于发光二极管芯片64的侧面与其正面(也即上表面)均有光线出射，由于侧面出射的光线与正面出射的光线的光强不同且穿透掺杂荧光物质的透明封装体66之光程差异较大，其将使得经荧光物质转换而产生的白光颜色不均匀，导致白光发光二极管的应用受限。
发明内容
下面将以实施例说明一种出光颜色均匀的白光发光装置及其制作方法。
一种白光发光装置，其包括：一发光二极管芯片、荧光物质层及一反射层。发光二极管芯片包括一基底及位于基底上的发光结构，所述发光结构包括一第一型半导体层、一与第一型半导体层导电类型相反的第二型半导体层以及一位于第一型半导体层与第二型半导体层之间的活性层，第一型半导体层、活性层及第二型半导体层沿远离基底的方向排列，基底上形成有至少一凹槽以暴露出部分第一型半导体层，发光二极管芯片具有多个侧面。荧光物质层配置在发光二极管芯片的基底的至少一凹槽内，用于波长转换以形成白光。反射层形成在发光二极管芯片的多个侧面上以环绕发光二极管芯片。
一种白光发光装置的制作方法，其包括步骤：(a)提供一发光二极管芯片，其包括一基底及一形成在基底上的发光结构，发光结构包括一第一型半导体层、一与第一型半导体层导电类型相反的第二型半导体层以及一位于第一型半导体层与第二型半导体层之间的活性层，第一型半导体层、活性层及第二型半导体层沿远离基底的方向排列，发光二极管芯片具有多个侧面；(b)在发光二极管芯片的基底上形成至少一凹槽以暴露出部分第一型半导体层；(c)在所述至少一凹槽内形成一荧光物质层；以及(d)在发光二极管芯片的多个侧面上形成一反射层。
相对于现有技术，所述白光发光装置经由在发光二极管芯片的多个侧面形成反射层且将荧光物质层设置在发光二极管芯片的基底之凹槽内；一方面侧面漏光现象被有效抑制，另一方面发光二极管芯片所发出的光被集中到其上表面射出而使得其穿过荧光物质层的光程可大致相同，从而可使得白光发光装置的出光颜色均匀。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种白光发光装置的截面示意图。
图2是图1所示白光发光装置的俯视示意图。
图3是本发明另一实施例提供的一种白光发光装置的俯视示意图。
图4是本发明再一实施例提供的一种白光发光装置的截面示意图。
图5是本发明第二实施例提供的一种白光发光装置的制作流程框图。
图6是一种典型的的白光发光二极管的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图1至图3，本发明实施例提供的一种白光发光装置100，其包括一个发光二极管芯片120、一个荧光物质层140以及一个反射层160。
所述发光二极管芯片120包括一个基底122、一个n型半导体层124、一个与n型半导体层124导电类型相反的p型半导体层126、以及一位于n型半导体层124与p型半导体层126之间的活性层125。所述n型半导体层124、活性层125及p型半导体层126通常构成一发光结构。所述发光二极管芯片120具有多个侧面127。
所述n型半导体层124、活性层125及p型半导体层126配置在基底122上且沿远离所述基底122的方向排列。所述n型半导体层124、活性层125及p型半导体层126均可由氮化物半导体材料，如二元、三元或四元氮化物半导体材料制成。所述活性层125通常为一多量子井结构(Multiple Quantum Well Structures，MQWs)。在一实施例中，所述n型半导体层124及p型半导体层126可分别为n型氮化铝铟镓(n-type AlInGaN)半导体层及p型氮化铝铟镓(p-typeAlInGaN)半导体层。
所述基底122上形成有一个凹槽128以暴露出部分n型半导体层124。优选的，所述n型半导体层124的位于所述凹槽128位置的暴露部分设置有一透光的电流扩散层123(CurrentSpreading Layer)(如图2所示)。所述凹槽128为一锥形凹槽，其侧壁为斜面。所述凹槽128的邻近n型半导体层124的开口比其远离n型半导体层124的开口小。所述凹槽128的邻近n型半导体层124的开口之面积小于n型半导体层124的邻近基底122的表面之面积。另外，可以理解的是，所述凹槽128并不限于如图1及图2所示的锥形凹槽，其还可为其它形状的凹槽，如为一方形凹槽，其侧壁为垂直面。所述凹槽128的深度通常设置为小于或等于400微米。
所述基底122可选为金属及金属合金、半导体或透光绝缘体；其中，半导体可为硅(Si)或碳化硅(SiC)等，透光绝缘体可为氧化锌(ZnO)、二氧化硅(SiO2)、氧化镧(LaO)、氧化镁(MgO)或蓝宝石(Sapphire)等。(a)当基底122的材料为金属或金属合金时，所述基底122与n型半导体层124形成欧姆接触而可作为白光发光装置100的负电极，而白光发光装置100的正电极(图未示)则可设置在p型半导体层126的远离基底122的一侧；所述正负电极用于向发光二极管芯片120提供电能；且在此情形下，所述凹槽128的侧面为金属反射面从而具有光反射特性。(b)当基底122的材料为透光绝缘体时，由于基底122不导电，白光发光装置100的负电极(图未示)通常需设置在n型半导体层124的远离基底122的一侧，其正电极(图未示)则可设置在p型半导体层126的远离基底122的一侧。(c)当基底122的材料为半导体时，白光发光装置100的负电极可为一与基底122形成欧姆接触的金属电极(图未示)，其正电极(图未示)则可设置在p型半导体层的远离基底122的一侧。
荧光物质层140填充在发光二极管芯片120的基底122上的凹槽128内，用于波长转换以形成白光。具体的，所述荧光物质层140可为一填满凹槽128之固化的荧光物质胶体，其远离n型半导体层124的一侧的表面优选为平面。所述荧光物质层140主要由至少一种可吸收发光二极管芯片120所发出的光之荧光物质及一透光树脂构成；所述透光树脂可选用粘性较好的硅树脂(Silicone)。例如，当发光二极管芯片120所发出的光为蓝光时，所述荧光物质层140中可包含一种可吸收蓝光而受激发出黄光或两种可吸收蓝光而受激分别发出绿光及红光的荧光物质；当发光二极管芯片120所发出的光为紫外(UV)光时，所述荧光物质层140中可包含三种可吸收紫外光而受激分别发出红光、绿光及蓝光的荧光物质。
反射层160形成在发光二极管芯片120的多个侧面127上以环绕所述发光二极管芯片120。反射层160的设置可防止发光二极管芯片120所发出的光从其多个侧面127出射，进而避免侧面漏光现象之发生。所述反射层160可为金属或介电材料(Dielectric Material)。其中，介电材料可为氮化硅(SiNx)或二氧化硅。
本发明第一实施例中的白光发光装置100，其经由在发光二极管芯片120的多个侧面127形成反射层160且将荧光物质层140设置在发光二极管芯片120的基底122的凹槽128内；一方面侧面漏光现象被有效抑制，另一方面发光二极管芯片所发出的光被集中到其上表面射出而使得其穿过荧光物质层的光程可大致相同，从而可使得白光发光装置的出光颜色均匀。
参见图4，本发明第一实施例中的凹槽128并不限于一个，其可设置为多个，例如四个。图中的四个凹槽128呈阵列式规则排布，所述四个凹槽128的邻近n型半导体层124的开口之总面积小于或等于n型半导体层124的邻近基底122的表面之面积。
参见图1、3及5，本发明第二实施例提供一种制作前述白光发光装置100的方法，所述制作方法包括以下步骤：
步骤220：提供一发光二极管芯片，其包括基底及形成在基底上的发光结构；所述发光二极管芯片120包括多个侧面127。具体的，所述发光结构通常包括n型半导体层124、p型半导体层126及位于n型半导体层124与p型半导体层126之间活性层125；n型半导体层124、活性层125及p型半导体层126沿远离所述基底122的方向形成在基底122上。所述发光结构可经由分子束外延生长法(Molecular Beam Epitaxy)、有机金属化学气相沉积法等化学或物理方式外延生长在所述基底122上。
步骤240：在所述发光二极管芯片的基底上形成至少一个凹槽以暴露出部分所述发光结构。具体的，经由蚀刻、机械加工或激光加工等方式在所述基底122上形成至少一个凹槽128以暴露出部分所述发光结构的n型半导体层124。其中，所采用的蚀刻方式可选用干法蚀刻方式，如电感式耦合等离子体-反应离子蚀刻(ICP-RIE)等、或湿法蚀刻方式，如光增强(Photo-Enhanced)化学蚀刻等。
步骤260：在所述至少一个凹槽内形成一荧光物质层。具体的，可包括以下步骤：在所述至少一个凹槽128内充填并布满荧光物质胶体；去除充填后多余的荧光物质胶体以使所述荧光物质胶体的远离所述n型半导体层124的表面为一平面；以及固化所述荧光物质胶体以形成所述荧光物质层140。
步骤280：在所述发光二极管芯片的所述多个侧面127上形成一反射层。具体的，可先采用一遮盖物保护发光二极管芯片120以仅暴露发光二极管芯片120的多个侧面127，然后利用光学镀膜技术在所述发光二极管芯片120的所述多个侧面127上沉积一反射层160；进而获得一白光发光装置100。
可选的，在步骤240执行之前，还可包括步骤(图未示)：将所述发光二极管芯片120的与其基底122相对的一侧与一个载板接合(Bonded)或粘贴(mounted)在一起，以有效避免所述发光二极管芯片120在形成所述至少一个凹槽128的过程中因可能产生的应力而导致之破损，进而提升白光发光装置100的制作良率。
可选的，在步骤260执行之前，还可包括步骤(图未示)：在所述发光二极管芯片120的n型半导体层124的位于所述至少一个凹槽128位置的暴露部分形成一个透光的电流扩散层123。
另外，本领域技术人员可以理解的是，第一及第二实施例中的发光二极管芯片120中的n型半导体层124与p型半导体层126并不限于前述位置配置，所述n型半导体层与p型半导体层还可以互换位置。第二实施例的白光发光装置100的制作方法中，也可一次提供多个形成在同一晶圆(wafer)上的多个发光二极管芯片，并且上述至少一个凹槽以及荧光物质层之形成步骤相应的在所述晶圆切割之前进行；而反射层之形成步骤则通常是在所述晶圆切割后进行。
再者，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如变更凹槽128的数量及/或形状、发光二极管芯片120的n型半导体层124、活性层125及p型半导体层126的材料及结构等以用于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (18)
- 【权利要求1】一种白光发光装置，其包括：一发光二极管芯片，其包括一基底及一位于基底的发光结构，所述发光结构包括一第一型半导体层、一与所述第一型半导体层导电类型相反的第二型半导体层以及一位于所述第一型半导体层与第二型半导体层之间的活性层，所述第一型半导体层、活性层及第二型半导体层沿远离所述基底的方向排列，所述基底上形成有至少一凹槽以暴露出部分所述第一型半导体层，所述发光二极管芯片具有多个侧面；一荧光物质层，其配置在所述发光二极管芯片的所述基底的所述至少一凹槽内，用于波长转换以形成白光；以及一反射层，其形成在所述发光二极管芯片的所述多个侧面上以环绕所述发光二极管芯片。
- 【权利要求2】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述至少一凹槽为锥形凹槽，其邻近所述第一型半导体层的开口大于其远离所述第一型半导体层的开口。
- 【权利要求3】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述至少一凹槽的深度小于或等于400微米。
- 【权利要求4】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述至少一凹槽的邻近所述第一型半导体层的开口的面积小于所述发光二极管芯片的所述第一型半导体的邻近所述基底的表面的面积。
- 【权利要求5】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述荧光物质层填满所述至少一凹槽，且其远离所述第一型半导体层的表面为一平面。
- 【权利要求6】如权利要求5所述的白光发光装置，其特征在于所述荧光物质层为一固化的荧光物质胶体。
- 【权利要求7】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述反射层为金属或介电材料。
- 【权利要求8】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述第一型半导体层的位于所述至少一凹槽位置的暴露部分设置有一透光的电流扩散层。
- 【权利要求9】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述基底为半导体或透光绝缘体。
- 【权利要求10】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述基底为金属或合金。
- 【权利要求11】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述发光二极管芯片所发出的光的波长为紫外光至绿光。
- 【权利要求12】如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于所述第一型半导体层、活性层及第二型半导体层分别由氮化物半导体材料制成。
- 【权利要求13】一种白光发光装置的制作方法，其包括步骤：提供一发光二极管芯片，其包括一基底及一形成在基底上的发光结构，所述发光结构包括一第一型半导体层、一与所述第一型半导体层导电类型相反的第二型半导体层以及一位于所述第一型半导体层与第二型半导体层之间的活性层，所述第一型半导体层、活性层及第二型半导体层沿远离所述基底的方向排列，所述发光二极管芯片具有多个侧面；在所述发光二极管芯片的所述基底上形成至少一凹槽且暴露出部分所述第一型半导体层；在所述至少一凹槽内形成一荧光物质层；以及在所述发光二极管芯片的所述多个侧面上形成一反射层。
- 【权利要求14】如权利要求13所述的白光发光装置的制作方法，其特征在于所述在所述至少一凹槽内形成一荧光物质层的步骤包括以下分步骤：在所述至少一凹槽内充填并布满一荧光物质胶体；去除充填后多余的荧光物质胶体以使所述荧光物质胶体的远离所述第一型半导体的表面为一平面；以及固化所述荧光物质胶体以形成所述荧光物质层。
- 【权利要求15】如权利要求13所述的白光发光装置的制作方法，其特征在于所述反射层是通过光学镀膜的方式形成在所述发光二极管芯片的所述多个侧面上。
- 【权利要求16】如权利要求13所述的白光发光装置的制作方法，其特征在于在所述基底上形成所述至少一凹槽之前，还包括步骤：将所述发光二极管芯片的与其所述基底相对的一侧与一载板接合或粘贴在一起。
- 【权利要求17】如权利要求13所述的白光发光装置的制作方法，其特征在于在形成所述荧光物质层之前还包括步骤：在所述第一型半导体层的位于所述至少一凹槽位置的暴露部分形成一透光的电流扩散层。
- 【权利要求18】如权利要求13所述的白光发光装置的制作方法，其特征在于所述至少一凹槽是通过蚀刻、机械加工或激光加工方法形成的。
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