CN101488541A

CN101488541A - 半导体发光装置与其制造方法

Info

Publication number: CN101488541A
Application number: CNA2008100026400A
Authority: CN
Inventors: 谢明勋; 王健源
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2009-07-22

Abstract

本发明披露一种半导体发光装置，具有半导体发光元件、接合层以及波长转换结构。半导体发光元件所发的原色光经过波长转换材料结构激发出与原色光波长相异的变色光。此外，亦披露该半导体发光装置的制造方法。

Description

半导体发光装置与其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置，尤其涉及一种具有波长转换材料结构的半导体发光装置。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode；LED)是一种半导体固态元件，至少包含一p-n结(p-n junction)，此p-n结形成于p型与n型半导体层之间。当在p-n结上施加一定程度的偏压时，p型半导体层中的空穴与n型半导体层中的电子将会结合而释放出光。此光产生的区域一般又称为发光区(activeregion)。

LED的主要特征在于尺寸小、发光效率高、寿命长、反应快速、可靠度高和色度良好，目前已经广泛使用在电器、汽车、招牌和交通号志上。随着全彩LED的问世，LED已逐渐取代传统的照明设备，如荧光灯和白热灯泡。

一般通常是采用LED管芯搭配波长转换材料(如荧光粉)来产生白光，波长转换材料在被LED管芯所发出的蓝光照射后会激发黄光、绿光或红光，将蓝光和黄光、绿光或红光混合之后即可产生白光。为了确使LED管芯所发出的光可以通过波长转换材料，而且混合之后可以产生所需的光，波长转换材料必须完全地覆盖在LED管芯可能出光之处。然而光所射出的方向没有特定方向，若波长转换材料没有完全地覆盖在LED管芯可能出光之处，使部分光线未能通过波长转换材料，如边射的光，会导致光的波长转换效率降低。另一方面，若波长转换材料完全地包覆LED管芯，虽可提高波长转换的效率，但是却容易造成散热不易等问题。

将波长转换材料均匀地覆盖在LED管芯上并不容易。当覆盖在LED管芯上的波长转换材料厚度不均匀时，由于较厚的波长转换材料会比较薄的波长转换材料吸收较多的光，射向不同方向的光经过厚度相异的波长转换材料所激发出来的色光会因此有所差异。虽然有许多复杂的方法能将波长转换材料均匀地披覆在LED管芯上(如电泳法)，但其制造成本通常较高或产能较低。此外，波长转换材料通常通过粘料固结成形，因此许多光无可避免地会被粘料所吸收，造成波长转换效率不佳。

发明内容

本发明在提供一种半导体发光装置，包含不透光基板、半导体发光叠层、第一接合层及波长转换结构，其中半导体发光叠层以第一接合层与波长转换结构接合。波长转换结构吸收半导体发光叠层所发的原色光后，产生与原色光波长相异的变色光。此外，不透光基板与半导体发光叠层之间还至少包含反射层或透明导电层。

本发明同时提供一种用于制造半导体发光装置的方法，包含在不透光基板上形成半导体发光叠层，再通过第二接合层将波长转换结构接合于半导体发光叠层。

附图说明

图1显示依据本发明一实施例的半导体发光装置的剖面图。

图2显示依据本发明的波长转换结构的剖面图。

图3显示依据本发明的半导体发光元件的剖面图。

图4显示依据本发明的半导体发光结构的剖面图。

图5显示依据本发明一实施例的晶片的剖面图。

图6显示依据本发明另一实施例的半导体发光装置的剖面图。

图7显示采用本发明的的半导体元件的剖面图。

图8显示依据本发明的另一半导体发光元件的剖面图。

图9显示依据本发明的另一半导体发光结构的剖面图。

图10显示依据本发明的另一实施例的晶片的剖面图。

图11显示依据本发明的又另一实施例的剖面图。

图12显示依据本发明的另一半导体元件的剖面图。

图13显示依据本发明的过渡基板与暂时接合层的剖面图

图14显示图12与图13接合后的剖面图。

图15显示图14移除成长基板与形成透明导电层的剖面图。

图16显示图15与不透光基板接合后的剖面图。

图17显示依据本发明的另一波长转换结构的剖面图。

图18显示依据本发明的又另一半导体发光结构的剖面图。

图19显示依据本发明的又另一实施例的晶片的剖面图。

图20为示意图，显示利用本发明实施例的发光元件组成的光源产生装置的示意图。

图21为示意图，显示利用本发明实施例的发光元件组成的背光模块的示意图。

附图标记说明

1、2、3 半导体发光装置 10、50 半导体发光元件

11、31 不透光基板 13、33 第一粘接层

12、32 半导体发光叠层 121 缓冲层

122 n型半导体层 123 发光层

124 p型半导体层 125 接触层

14、34 第一电极 15、35 第二电极

16 透明导电层 17 反射层

18 第二接合层 19 保护结构

191 第一光学层 192 第二光学层

20、80 波长转换元件 22、42 波长转换结构

221 波长转换材料 24、44 暂时基板

30、60、90 半导体发光结构 311 基材

40、70 半导体元件 5 光源产生装置

51 光源 52 电源供应系统

53 控制元件 6 背光模块

61 光学元件 81 过渡基板

82 暂时接合层

具体实施方式

如图1所示的一实施例中，半导体发光装置1包含半导体发光元件10、第一接合层13和波长转换结构22，其中半导体发光元件10包含半导体发光叠层12和不透光基板11。半导体发光叠层12位于不透光基板11之上，其包含缓冲层121、n型半导体层122、发光层123、p型半导体层124与接触层125。其中，发光层123的材料包含但不限于II-VI族半导体、III-V族半导体，如AlGaInP、AlGaInN或InGaN，碳化硅(SiC)、硒化锌镉(ZnCdSe)或上述材料的组合。接触层125、n型半导体层122与p型半导体层124的材料包含但不限于II-VI族半导体、III-V族半导体、碳化硅(SiC)、硒化锌镉(ZnCdSe)、上述材料的组合或其他可与发光层123匹配使用的材料。其中n型半导体层与p型半导体层的位置并不限于上述说明，而可因需求而更动。不透光基板11的材料可为半导体材料、金属材料、复合材料或上述材料的组合，优选地包含但不限于半导体、金属、硅(Si)、磷化碘(IP)、硒化锌(ZnSe)、氮化铝(AlN)、砷化镓(GaAs)、金属基复合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)或上述材料的组合。不透光基板11还包含在其上的布拉格反射层，且可为散热效率高的基板。

波长转换结构22位于第一接合层13之上，大致覆盖整个半导体发光元件10的上表面，由至少一种波长转换材料221所组成。当半导体发光叠层12被注入电流后，可激发出一原色光，该原色光进入波长转换结构22，被波长转换结构22内的波长转换材料221吸收，产生一波长与原色光波长相异的变色光。因波长转换材料221不限于一种，因此变色光可能含有多种颜色。波长转换结构22在与半导体发光叠层12接合之前，预先形成于暂时基板(未显示)上，再通过第一接合层13接合于半导体发光叠层12，如此可简化管芯包装程序，而且易于控制波长转换结构22的厚度及品质等等。此外，波长转换材构22未包覆不透光基板，利用不透光基板的高散热效率可有效地散发半导体发光叠层12所产生的热量，提升半导体发光装置1的性能。

波长转换结构22更佳地仅包含波长转换材料221或为无胶合波长转换材料结构。该无胶合波长转换结构22如波长转换材料的集合但不含有粘料、如环氧树脂(Epoxy)或其他胶合材料。若波长转换结构22仅包含波长转换材料221，结合波长转换材料211的方法可采用如沉淀法或其他物理沉积工艺，而半导体发光叠层12与波长转换结构22间的粘结强度可通过加热或挤压波长转换材料221提升。若为无胶合波长转换结构22可避免光被粘料或环氧树酯(Epoxy)吸收，因此可提供优选的波长转换效率与颜色呈现。此外，透过调整波长转换结构22的厚度与其中波长转换材料221的分布，可控制原色光被波长转换材料221转换的比例。未被转换的原色光与变色光适当地混合后，可产生演色性优选的白色光。

在本实施例中，波长转换材料221为荧光粉，例如Y₃Al₅O₁₂。除此之外，波长转换材料221亦包含但不限于Gd₃Ga₅O₁₂:Ce、(Lu，Y)₃Al₅O₁₂:Ce、SrS:Eu、SrGa₂S₄:Eu、(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga)₂S₄:Eu、(Ca，Sr)S:Eu，Mn、(Ca，Sr)S:Ce、(Sr，Ba，Ca)₂Si₅N₈:Eu、(Ba，Sr，Ca)₂SiO₄:Eu、(Ca，Sr，Ba)Si₂O₂N₂:Eu或II-VI族半导体；更佳地为非电绝缘性材料，如CdZnSe。

第一接合层13位于半导体发光叠层12之上，用以连接半导体发光元件10与波长转换结构22。第一接合层13的材料包含但不限于环氧树脂(Epoxy)、聚亚酰胺(Polyimide)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide)、过氟环丁烯(PFCB)或其他替代品；更佳地为透明材料，如苯并环丁烯(BCB)。基本上，第一接合层13为完全不含波长转换材料221且独立于其他层的结构，但第一接合层13可依需要，掺杂波长转换材料221于其中。半导体发光装置1还包含第一电极14与第二电极15。第一电极14位于接触层135之上，贯通过波长转换结构22及第一接合层13，与半导体发光叠层12电性接触，第二电极15则形成于不透光基板11之下以完成一电性通路。

本实施例的制造方法如图2-4所示，包含在晶片阶段形成波长转换元件20，其中包含波长转换结构22与暂时基板24；接着形成半导体发光元件10，其中包含半导体发光叠层12与不透光基板11；再通过第一接合层13接合波长转换元件20与半导体发光元件10以形成半导体发光结构30，在半导体发光结构30中，暂时基板24可选择性地移除或保留。接着，再利用蚀刻等工艺形成第一电极(未显示)与第二电极(未显示)。最后再将半导体发光结构30经由管芯工艺，形成如图1所示的半导体发光装置1的管芯，如图5所示，图中管芯数仅为示意。

波长转换结构22形成于暂时基板24上，形成方法包含利用沉降法或沉积法使波长转换材料221形成在暂时基板24上，或者在暂时基板24上生长波长转换材料221。当波长转换结构22由波长转换材料221与粘料混合构成时，可利用已知的光刻蚀刻法(Lithography)或光致抗蚀剂剥除法(Lift-off)形成半导体发光装置1；若波长转换材料221仅由II-VI族半导体组成时，则以光致抗蚀剂剥除法(Lift-off)为佳。此外，亦可采用平板印刷的方法将波长转换材料221披覆在暂时基板之上。上述所使用的沉积法包含但不限于已知的化学气相沉积法(CVD)、有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、气相外延法(VPE)、液相外延法(LPE)或分子束外延法(MBE)。前述的暂时基板24可以为透明材料或不透光材料。若暂时基板24为不透光材料，则在波长转换元件与半导体发光元件10接合后可将其移除。

在一更佳实施例中，相对于不透光基板11与波长转换材料结构21而言，半导体发光叠层13的厚度极薄。例如不透光基板11厚度约为100微米，波长转换材料结构21厚度为10微米，而半导体发光叠层13的厚度仅为3微米。所以半导体发光叠层13所发的光较少有边射的情况，而提高原色光通过波长转换材料结构21的机率。

如图6所示，在另一实施例中，半导体发光装置2除了包含第一电极14、第二电极15、不透光基板11、半导体发光叠层12、第一接合层13与波长转换结构22，还包含透明导电层16、反射层17、第二接合层18与保护结构19。透明导电层16位于半导体叠层12的下，可与半导体发光叠层12一并形成，用以散布电流或与其他层形成欧姆接触。透明导电层16的材料选自由氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡、氧化锌、氧化锌锡、Ni/Au、NiO/Au、TiWN、透明金属层、上述材料的组合及其他可代替材料所构成的组。反射层17可依第二接合层18材料性质而位于第二接合层18之上或之下，其材料为金属、氧化物、上述材料的组合或其他可反射光的材料。反射层17的材料优选地包含但不限于铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、锡(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氧化钛(TiO₂)、氧化镁(MgO)或其组合。此外，反射层17亦可为布拉格反射层。

第二接合层18位于不透光基板11之上，用以接合不透光基板11与半导体发光叠层12。第二接合层18可为金属，例如锡化金(AuSn)、银化铟(InAg)、金化铟(InAu)、铟(In)、金(Au)、铝(Al)与银(Ag)等或上述金属的合金，利用焊接的方式，在一预设温度下，形成于不透光基板11与半导体发光叠层12间，以连接不透光基板11与半导体发光叠层12。此时，第二接合层18亦可当成镜面用以反射射向不透光基板11的光；或作为欧姆接触层，使不透光基板11与半导体发光叠层12形成电性连接。不透光基板11与该半导体发光叠层12在一适当压力，如200g/cm²～400g/cm²，和适当温度，如200℃～800℃，更好是200℃～250℃下接合。第二接合层18亦可为透明材料，并位于反射层17之上。此时第二接合层18的材料包含但不限于聚亚酰胺(Polyimide)、过氟环丁烯(PFCB)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide)、环氧树酯(Epoxy)或其他的有机粘结材料所构成的族群；更佳地为苯并环丁烯(BCB)。第二接合层18可为不含波长转换材料221且独立于其他层的结构，或依需要于其中掺杂波长转换材料221。

保护结构19形成于波长转换结构22之上，保护波长转换结构22与其下的其他结构免于受潮或震动等伤害。保护结构19的材料包含但不限于Su8、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烯(PFCB)、环氧树脂(Epoxy)、丙烯酸树脂(Acrylic Resin)、环烯烃聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、硅胶(Silicone)、玻璃、氧化铝、氧化硅、氧化钛、SiN_X、TiO₂、上述材料的组合或其他透明材料。保护结构19还包含多个光学层191与192，每一光学层可依工艺条件的不同而具有不同的厚度以纾解保护结构19的热应力，防止保护结构19破裂。第一光学层191与第二光学层192可为散光器、集光器或其他可调整半导体发光装置2光发射性质的结构。

本实施例的制造方法如图7-9所示，在晶片阶段在成长基板41上形成半导体发光叠层12、透明导电层16与反射层17，以形成半导体元件40。然后通过第二接合层18接合半导体元件40与不透光基板11，再移除成长基板41，形成半导体发光元件50。然后利用第一接合层13将半导体发光元件50与图2所示的波长转换元件20接合，形成半导体发光结构60。再将半导体发光结构60经由管芯工艺产生半导体发光装置2的管芯，如图10所示，图中管芯数仅为示意。若第二接合层18形成于透明导电层16或反射层17之上，第二接合层18为透明。然而，反射层17亦可在不透光基板11上形成。在半导体发光结构60中，暂时基板24可以选择性地移除或保留；若暂时基板24为透明基板，可选择保留作为保护结构19。

在另一实施例中，如图11所示，半导体发光装置3包含不透光基板31、半导体发光叠层32、第一接合层33、第一电极34、第二电极35、透明导电层36、反射层37、第二接合层38、及波长转换结构42。第一电极34与第二电极35位于半导体发光装置3的同侧。反射层37位于基材311之上，将射向基材311的光反射至波长转换结构42，而不会穿过基材311。此时，第二接合层38为透明。另一方面，反射层37亦可置于第二接合层38与透明导电层36之间。

本实施例的制造方法如图12-18所示，包含在晶片阶段形成半导体元件70，包含在成长基板71上形成半导体发光叠层32，如图12所示；另外形成暂时接合层82于过渡基板81，如图13所示；然后通过暂时接合层82接合上述半导体元件70与过渡基板81，如图14所示。接着，移除成长基板71，再形成透明导电层36于半导体发光叠层32，如图15所示；再通过第二接合层38接合过渡基板81上的半导体发光叠层32及透明导电层36与包含反射层37的不透光基板31，接着移除过渡基板81与暂时接合层82，形成结构，如图16所示。另外如图17所示形成波长转换元件80，其中包含波长转换结构42与暂时基板44，再将波长转换元件80通过第一接合层33与半导体发光叠层32接合，形成半导体发光结构90，如图18所示。再经管芯工艺产生半导体发光装置3的管芯，如图19所示，图中管芯数仅为示意。在半导体发光结构90中，暂时基板44可以选择性地移除或保留；若暂时基板44为透明基板，可选择保留作为保护结构。

图20绘示出光源产生装置的示意图，该光源产生装置5包含本发明任一实施例中的一半导体发光装置。该光源产生装置5可以是一照明装置，例如路灯、车灯、或室内照明光源，也可以是交通号志、或平面显示器中背光模块的一背光光源。该光源产生装置5包含以前述半导体发光装置组成的光源51、电源供应系统52、以及控制元件53，用以控制电源供应系统52。

图21绘示出一背光模块的剖面示意图，该背光模块6包含前述实施例中的光源产生装置5，以及光学元件61。光学元件61可将由光源产生装置5发出的光加以处理，以应用于平面显示器。

惟上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域的技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如所附的权利要求所列。

Claims

1.一种半导体发光装置，包含：

半导体发光元件，包含：

不透光基板；及

半导体发光叠层，位于该不透光基板上；

第一接合层；及

波长转换结构，经由该第一接合层与该半导体发光元件接合，其中该波长转换结构包含至少一波长转换材料。

2.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该不透光基板包含至少一反射层。

3.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该半导体发光叠层包含透明导电层。

4.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第一接合层大致上不包含该波长转换材料。

5.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该第一接合层为透明。

6.如权利要求5所述的半导体发光装置，其中该第一接合层的材料系选自由聚酰亚胺、苯并环丁烯、过氟环丁烯、环氧树酯与其他有机粘结材料所构成的组。

7.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该波长转换结构不包含胶合材料。

8.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该波长转换结构仅包含该波长转换材料。

9.如权利要求1所述的半导体发光装置，其中该波长转换材料选自Y₃Al₅O₁₂、Gd₃Ga₅O₁₂:Ce、(Lu，Y)₃Al₅O₁₂:Ce、SrS:Eu、SrGa₂S₄:Eu、(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga)₂S₄:Eu、(Ca，Sr)S:Eu，Mn、(Ca，Sr)S:Ce、(Sr，Ba，Ca)₂Si₅N₈:Eu、(Ba，Sr，Ca)₂SiO₄:Eu、(Ca，Sr，Ba)Si₂O₂N₂:Eu、II-VI族半导体、CdZnSe与上述材料的组合所构成的组。

10.如权利要求1所述的半导体发光装置，还包含：

第二接合层，位于该不透光基板与该半导体发光叠层之间；

透明导电层，位于该半导体发光叠层下；及

反射层，位于该透明导电层下。

11.如权利要求10所述的半导体发光装置，其中该第二接合层包含金属。

12.如权利要求10所述的半导体发光装置，其中该第二接合层为透明。

13.如权利要求12所述的半导体发光装置，其中该第二接合层的材料选自由聚酰亚胺、苯并环丁烯、过氟环丁烯、环氧树酯与其他有机粘结材料所构成的组。

14.如权利要求10所述的半导体发光装置，还包含：

保护结构，位于该波长转换结构之上。

15.如权利要求14所述的半导体发光装置，其中该保护结构包含至少一光学层。

16.一种用于制造半导体发光装置的方法，包含：

形成波长转换元件，包含在暂时基板上形成波长转换材料结构；

形成半导体发光元件，包含在不透光基板上形成半导体发光叠层；

通过第一接合层接合该波长转换元件与该半导体发光元件以形成半导体发光结构；及

切割该半导体发光结构。

17.如权利要求16所述的方法，还包含：

移除该暂时基板。

18.如权利要求16所述的方法，其中形成该半导体发光元件，包含：

形成该半导体发光叠层于成长基板；及

形成反射层于该半导体发光叠层上

19.如权利要求16所述的方法，还包含：

形成第二接合层；及

通过该第二接合层接合该半导体发光元件与该不透光基板。

20.如权利要求16所述的方法，其中于该不透光基板上形成该半导体发光叠层，包含：

形成该半导体发光叠层于成长基板；

通过暂时接合层接合该半导体发光叠层与过渡基板；

移除该成长基板；及

通过第二接合层接合该半导体发光叠层与该不透光基板。

21.如权利要求20所述的方法，还包含：

移除该过渡基板。