CN102270724B - 发光二极管晶片级色彩纯化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使发光二极管晶片级色彩纯化的方法，包括：提供一LED晶片，已完成n型半导体磊晶层、活化层、p型半导体磊晶层的工艺；设定预定的中心波长值；选取二氧化硅为多层膜的其中第一种透明膜的材质；选取一折射率高于二氧化硅膜的金属氧化膜为第二种透明膜的材质；设定LED晶片出光的中心波长；进行第一种透明膜、第二种透明膜交替沉积下的厚度预定值计算，厚度预定值依所述的中心波长、第一种透明膜、第二种透明膜、LED晶片的最外层膜的折射率计算出第一种透明膜、第二种透明膜交替沉积下进行每一层的厚度预定值计算，折射率是以相对中心波长时的折射率；及沉积第一种透明膜、第二种透明膜并依据膜厚度预定值依序交替沉积。

Description

发光二极管晶片级色彩纯化的方法

技术领域

本发明是关于一种发光二极管晶片，特别是指一种在发光二极管晶片(wafer)的晶片工艺完成后再形成多层滤光膜于其上，以使晶片发光色彩纯化的发光二极管结构。

背景技术

发光二极管(Light emitting diodes；LED)的发光原理是将电流顺向流入半导体的p-n时便会发出光线。其中AlGaInP材料应用于高亮度红、橘、黄及黄绿光LED，AlGaInN材料应用于蓝、绿光LED，常以有机金属气相磊晶法(metalOrganic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE)进行量产，元件上亦使用同质结构(homo-junction，HOMO)、单异质结构(single-heterostructure，SH)、双异质结构(double-heterostructure，DH)、单一量子井结构(single-quantum well，SQW)及多重量子井结构(multiple-quantum well，MQW)…等构造或其他结构方式发光。

传统的发光二极管其结构如图1A所示，从上而下分别是上电极11(frontelectrical contact)、透光层15(capping layer or window layer)增加电流分散、活性层12(active layer)、基板10、背电极13(back contact)。而透光层15最典型的是使用透明导体氧化层，提供电流扩散的功能例如氧化铟锡(ITO)。当电流由上电极11注入时，电流会通过透明导体氧化层14扩散，再经活性层12、基板10、流向背电极13。当电流流经活性层12时，便会发出光线。其中，活性层包含一p型包覆层，一本质层(instric layer)及一n型包覆层。此外，为提升透明导体氧化层的导电性，因此，最常见的例子是在透明导体氧化层15内埋入金属栅16。即金属栅16先形成于活性层12上，再覆盖以ITO层15。

基板10随不同的活性层12选择不同的材料作为基板。当活性层12的材料AlGaInP时，选用砷化镓材料作为基板；而当活性层12的材料AlGaInN时，选用蓝宝石(sapphire)材料作为基板。活性层厚度为0.3～3μm和透光层15厚度为10～50μm，其活性层12及透光层15皆使用有机金属气相磊晶法(MOVPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)制作而成。

以上工艺为典型的发光二极管工艺。然而，由于磊晶工艺均匀度不够，实务上不管是蓝光发光二极管工艺，绿光发光二极管工艺，或红光发光二极管工艺只要是在二时以上的晶片上，请参考图1B，在晶片的中心的晶粒30与边缘处的晶粒32、33、34，发光二极管发光的中心波长是有偏差的。例如，以蓝光发光二极管而言，中心波长约为440nm，而实际上，晶片边缘的晶粒34(直径的一端到另一端)中心波长可能就有30nm-40nm的差值而使得晶粒(die)有色彩偏差。即使是晶片中心晶粒30(die)亦可能因工艺偏差，而使得这一批号和上一批号的晶片的中心波长偏移了。因此，对于LED晶粒的半导体制造业者是否将整批晶片打入不良品或经品管测试每一晶粒的出光的色差以淘汰不再范围的内者是一大困扰。

而对于使用LED晶粒以制造照明灯具的厂商而言中心波长具有少量偏移了或较大的偏移，为可容忍的范围，但若要和其它原色LED配光，以产生装饰或图案的厂商而言，例如LED背光电视、LED背光笔电、LED背光显示器、LED背光手机而言。它的要求通常较为严苛，是不能被接受的。特别是高阶的机种而言。

有鉴于此，本发明提供一晶片级发光二极管多层滤光膜，用以纯化发光二极管色彩。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种LED晶片级色彩纯化的方法及LED晶片色彩纯化的结构。

本发明揭露一种使发光二极管(LED)晶片级色彩纯化的方法，至少包含以下步骤：首先以习知的半导体工艺制造出LED晶片。在单面出光或双面出光不限，两电极则尚未制造。接着，设定发光二极管(LED)晶片级预定出光的中心波长值。随后，选取适当的二种透明膜做为多层膜。这二种透明膜中一较佳的实施例是一为低折射率的二氧化硅膜，另一则为折射率相对较高的金属氧化膜且能与二氧化硅膜相搭配沉积时残留应力不会随着膜数增加而增加者，例如二氧化钛做为第二种透明膜。随后，依据以下参数，包含中心波长，二材质在中心波长下的折射率、LED晶片的最上层材质的折率率、及最终预定的多层厚总厚度或透光率下限，计算出由上述二透明膜交替沉积下的预定厚度值。

本发明的目的之一在于提供一种发光二极管晶片级色彩纯化的方法，该方法包括：提供一LED晶片，已完成n型半导体磊晶层、活化层、p型半导体磊晶层的工艺；设定预定的中心波长值；选取二氧化硅为多层膜的其中第一种透明膜的材质；选取一折射率高于二氧化硅膜的金属氧化膜为第二种透明膜的材质；设定LED晶片出光的中心波长；进行第一种透明膜、第二种透明膜交替沉积下的厚度预定值计算，厚度预定值依所述的中心波长、第一种透明膜、第二种透明膜、LED晶片的最外层膜的折射率计算出第一种透明膜、第二种透明膜交替沉积下进行每一层的厚度预定值计算，折射率是以相对中心波长时的折射率；及沉积第一种透明膜、第二种透明膜并依据膜厚度预定值依序交替沉积。

本发明的目的之一在于，提供一种发光二极管晶片级色彩纯化结构，包含：第一种透明膜及第二种透明膜交替沉积共90层以上以使LED晶片出光的中心波长的波宽在预设值的±1％之内，或80层以上以使中心波长的波宽在预设值的±3％之内，其中第一种透明膜是是低折射率材料膜层，第二种透明膜是高折射率材料膜层。

对LED晶片进行离子电浆清洁术，紧接着，以离子电浆辅助电子枪沉积技术，依据每一膜层的预定厚度，交替沉积第一种透明膜、第二种透明膜。最后，再形成p、n电极，切割晶片成晶片(die)。

附图说明

图1A为已知的发光二极管的结构；

图1B为已知的发光二极管晶片的晶粒在中心与边缘可能会因工艺产生中心波光偏移；

图2显示本发明将多层膜镀于LED晶片上的结构；

图3显示在以本发明纯化LED晶片后的中心波长，包含蓝光用95层滤光膜，绿光为105层滤光膜及红光为120层滤光膜时的模拟结果；

图4A、图4B显示对应于图3的绿光及蓝光LED晶片使用的多层膜的每一层厚度值；及

图5A、图5B显示对应于图3的红光LED晶片使用的多层膜的每一层厚度值。

主要元件符号说明：

基板10              活性层12

背电极13            透明导体氧化层15

透光层15            多层滤光膜50

发光二极管晶片20    第一种透明膜51

第二种透明膜51      最外层透明膜520

次外层透明膜510

具体实施方式

习知晶片在发光二极管工艺后有色彩偏差的问题，晶片核心到周遭的发光的中心波长就可能有差异，而当色彩偏差至超出容忍的限度时，该晶片就被视为不良品，予以作废。且进行品管时，必须就每一晶片的中心波长进行量度，以做为是否淘汰的依据。

本发明提供一晶片级发光二极管多层滤光膜及其色彩纯化的方法以解决上述问题。当整片晶片的中心波长都被调为一致性的目标波长时，LED晶粒的半导体制造业者只要淘汰亮度较差者(整片晶片的中心波长就只有一种)而不用管色差，品管将会变得非常容易。对于下游业者，使用起来更方便，LED背光电视、LED背光笔电、LED背光显示器、LED背光手机的品质趋于一致。

如图1A所示为一习知发光二极管结构的横截面示意图。由下而上包含基板10(包含n型半导体层磊晶层)、一活化层120、一透明层15(包含p型半导体层、电流扩散层)，不管是p、n同侧的发光二极管，或者p、n不同侧的发光二极管晶片都可应用本发明的方法将LED出光的中心波长设定在一定值。

本发明的结构请参见图2，它是在图1A的最顶层15再形成以第一透明层51和第二透明层52交替的多层滤光层50。以一较佳实施例而言，第一透明层51和第二透明层52分别为SiO₂及TiO₂。这两种材料它们的折射率分别为1.45至1.48及2.2至2.5。当然，第一透明层51并不限于SiO₂，它也可以是其它金属氧化物，例如氧化锆(ZrO₂)或氟化物如MgF₂。而第二透明层52则可以是Ti₂O₅、Ta₂O₅、Nb₂O₅。上述的第一透明层51和第二透明层52，具有共同的特色是第一透明层51相较于第二透明层52两者的折射率不同，且是一低一高交替沉积。又由于以本发明所沉积的多层滤光层50至少是数十层例如至少是八十多层以上，因此，先低后高交替或先高后低交替并不重要。

本发明的方法是使整片晶片的中心波长都相同，例如，若目标波长为440nm，则整片都是440nm，不管原始LED晶片半成品(此处所述的半成品是使习知LED晶片工艺已全部完成，除了晶片上晶粒的最上的金属电极尚未完成外)的晶片核心往晶片的四周方向是否中心波长的变化如何。

本发明的方法是选择一高折射率的金属氧化物材料如TiO₂及Ta₂O₅做为第一层51或第二层52镀于晶片的最上层，以一实施例而言是晶片20的最上层是透明导体氧化层15，例如氧化铟锡ITO，再一实施例，则是例如p型磊晶层，二元或四元的磊晶层。

另一较低折射率的氧化物材料如SiO₂做为第二层或第一层镀于第一层上。一高、一低折射率的两层镀膜交替沉积。晶片的最上层的折射率将影响第一层镀膜的厚度，而第一层镀膜的厚度及折射率影响对第二层镀膜的入射角。依据本发明的方法，边界条件的设定是必要的，它可以包括(1)设定多层膜的最外层出光的中心波长，并选定一层数后，以多层膜的总层数或(2)该中心波长下的穿透率下限，例如穿透率下限定为95％、或(3)穿透率为50％时是中心波长的±1％或2％或3％的波宽做为边界条件。另外，也可以(4)以LED晶片出光进入第一透明膜的入射角做为边界条件，这个入射角不可小于±45度。再依最外层的折射率及厚度，向第二外层推算其应有的厚度及折射角，依第二外层的折射率、入射角及厚度推算第三外层其应有的厚度，依此类推，直到LED晶片的最上层为止。

上述的演算，以数学式表示如下所示。依据本发明的一实施例出光的中心波长愈纯化将需要愈多的膜层，以一实施例而言，将达百层，因此，计算时，则是将以下的数学式以计算机程式表示，只要输入最终目标出光的中心波长、允许的波宽最外层预定厚度，第一种材料膜层折射率、第二种材料膜层折射率、晶片基板的折射率做为参数，即可计算出每一膜层的预定厚度。

因此，待最外层520、第二外层510、第三外层....晶片最上层，每一层的预定厚度都已知后，再进行离子束辅助电子枪蒸镀法进行多层膜50沉积。

将基材与膜层的数学关系式以矩阵的形式表示，将如下：

1.基板的特性矩阵：

$M_s=\left[\begin{array}{c}1\\ n_s\end{array}\right]$

2.膜层的特性矩阵：

$M=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \frac{i}{\mathrm{\η}}\sin \mathrm{\δ}\\ \mathrm{i\η}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]$

其中

λ波长，n为镀膜材料的折射率，d为膜层的厚度。

因此单膜层介面的电磁场关系为：

$\left[\begin{array}{c}E\\ H\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]={\mathrm{MM}}_s=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \frac{i}{\mathrm{\η}}\sin \mathrm{\δ}\\ \mathrm{i\η}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ n_s\end{array}\right]$

其中，i为虚数，η镀膜材料的折射率

令Y为等效导纳

$Y=\frac{C}{B}$

而反射系数即为

$R=\frac{n_0-Y}{n_0+Y}$

其中n₀为最外层外界的折射率，例如空气。

当镀上多层膜时，则介面的电磁场关系即可写为

$\left[\begin{array}{c}E\\ H\end{array}\right]=.........M_{22}{M}_{12}{M}_{21}{M}_{11}{M}_s$

其中M_ij，i为镀膜材料1或2，j为镀膜厚度

依据本发明的一较佳实施例，

电浆清洁晶片时，离子源：氩气流率45sccm，氧气的流率8sccm，而在电子枪蒸镀时，

离子源

其它条件如下表

其中，中和器作用是放电中和离子源的电荷，因此有匹配的比例。假如离子源的电流值为900mA，中和器匹配的比例为150％，则中和器所放的电流值为1350Ma。

图3示依据本发明的方法，对蓝光LED晶片、绿光LED晶片及红光LED晶片分别镀上95层、105层及120层的滤光膜后的中心波长的模拟结果，它是在50％透光率下波宽为中心波长2％的条件下作为边界条件模拟的。

图4A、图4B则示多层滤光膜绿光在105层时交替的两层的每层膜厚。图3的结果是依据图4A、图4B及图5A、图5B的条件所模拟的。

上述的演算法中，膜层与膜层之间的结合性，膜层晶片基板的最外层的结合性都是必须要加以考虑的。

本发明的优点：

1)本发明将LED晶片级色彩纯化，换言之出光的中心波长都调到相同值，配色使用时将非常方便。

2)本发明提供的LED晶片级色彩纯化将可减少品管成本，品管人员只要将只需以透光率做为品管通过与否的标准。相较习知LED晶片未进行色彩纯后，必须就每一晶片的中心波长判定是否合格，显然，本发明的优势立现。

3)本发明可以广泛应用于蓝光、红光、及绿光的色彩纯化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，不应用于局限本发明的可实施范围，凡熟知此类技艺人士皆能明了，适当而作些微的改变及调整，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的权利要求范围，皆应属本发明的范围。

Claims (8)

1.一种发光二极管芯片级色彩纯化的方法，其特征在于，所述的方法，至少包含：

提供一LED芯片，所述LED芯片已布局多个LED晶粒，所述的LED芯片已完成n型半导体磊晶层、活化层、p型半导体磊晶层的工艺；

设定预定的中心波长值；

选取由二氧化硅、氧化锆及MgF₂所组成的群组的其中一种为多层膜的其中第一种透明膜的材质；

选取一折射率高于所述的二氧化硅膜的金属氧化膜为第二种透明膜的材质；

进行所述的第一种透明膜、所述的第二种透明膜交替沉积下的厚度预定值计算，所述的厚度预定值依所述的中心波长、所述的第一种透明膜、第二种透明膜、所述的LED芯片的最外层膜的折射率计算出所述的第一种透明膜、所述的第二种透明膜交替沉积下进行每一层的厚度预定值计算，上述的折射率是以相对所述的中心波长时的折射率；及

沉积所述的第一种透明膜、第二种透明膜并依据所述的膜厚度预定值依序交替沉积于所述LED芯片上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包含在沉积上述的第一种透明膜于LED芯片前先施以惰性离子电浆束清洁所述的LED芯片的最外层膜。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厚度预定值计算更包含以总膜层厚度或所述的中心波长下出光的穿透率做为边界条件。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的厚度预定值计算是在所述的边界条件由预定的多层透明膜的最后一层向内推算至所述的LED芯片的最外层膜。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二种透明膜是选自TiO₂、Ti₂O₅其中的一种。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的沉积方法是以离子电浆辅助电子枪沉积。

7.一种发光二极管芯片级色彩纯化结构，其特征在于，所述的结构至少包含：

第一种透明膜及第二种透明膜交替沉积90层以上于LED芯片的所有LED晶粒上，以使所述的LED芯片出光的中心波长的波宽在预设值的±1%之内或80层以上，使所述的LED芯片出光的中心波长的波宽的预设值的±3%以内，其中所述的第一种透明膜是低折射率材料膜层，所述的第二种透明膜是高折射率材料膜层。

8.一种发光二极管芯片级色彩纯化结构，其特征在于，所述的结构至少包含：

第一种透明膜及第二种透明膜交替沉积总数达数十层以上于LED芯片的所有LED晶粒上，以使所述的LED芯片出光的中心波长的波宽在预设值的±3%之内，且所述沉积总数的下限是指由该些交替的多层膜的最上层出光时在所述波宽范围内，穿透率至少50%以上；

LED芯片出光的其中所述的第一种透明膜是低折射率材料膜层，所述的第二种透明膜是高折射率材料膜层。

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