CN1763979A - 均匀白光发光二极管及其制作方法 - Google Patents

均匀白光发光二极管及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种均匀白光发光二极管及其制作方法，所述白光发光二极管装置，其至少包含一承载座、一上窄下宽的发光二极管晶粒及一荧光粉层，其特征在于该发光二极管晶粒具有至少一非垂直的切割面，且该切割面是具有至少一止动区，使后续涂覆于切割面上的荧光粉层可平稳的附着于其上，以避免荧光粉层脱落及增加荧光粉层厚度的均匀性，如此一来，不但可利用侧部光增加二极管外部的发光效率，且大幅改善侧部光波长的均匀性，产生优于传统白光二极管结构的效能。

Description

均匀白光发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明是有关于一种发光二极管及其制作方法，特别是有关于一种具有均匀侧部光的白光发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种固态的半导体元件，利用电流通过时二极管内产生的二个载子(分别为带负电的电子与带正电的空穴)的相互结合，将能量以光的形式释放。由于只要在发光二极管元件两端通入极小电流便可发光，且属于冷光发光，不同于传统钨丝灯泡的热发光原理，具有亮度高、体积小、耗电量小、发热量少和寿命长等优点。
传统发光二极管的发光特性皆以单一主波峰(signle peakwavelength)及狭窄半高宽(full width of half maximum，FWHM)为诉求，所以发光二极管所发射的光线皆是很纯的单一颜色光，例如砷化铝镓发光二极管发红色光、磷化镓发光二极管发绿色光。另外，透过使用不同的材料系统，或同一材料系统但不同组成比例，可制作出不同颜色不同亮度的发光二极管，例如调变磷砷化镓材料中的磷和砷的组成比，或磷化铝镓铟中的铝、镓和铟的组成比，皆可制作涵盖红、黄、绿三色的高亮度发光二极管。上述各种材料所组成及选用的结构和制作方法所做出的发光二极管均只发出很纯(半高宽很窄)的单色光(单一主波峰)。
自从发光二极管发明迄今以来，人们一直在努力实现以发光二极管作为照明光源，随着发光二极管制作技术的不断进步和新型材料的开发及应用，尤其是白光发光二极管的出现，使得发光二极管应用领域逐渐跨足至高效率照明光源市场。与白炽钨丝灯泡及萤光灯相比，白光发光二极管具有体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热幅射)、耗电量小(低电压、低电流起动)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染，有“绿色照明光源”之称)、可平面封装且易开发成轻薄短小产品等优点，以及没有白炽灯泡的缺点(高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染)，是被业界看好在未来10年内，成为替代传统照明器具的一大潜力商品。
在白光发光二极管的制作技术中，主要是利用颜色的混合来达到形成白光的效果，以人类眼睛所能见的白光形式至少需两种光的混合，例如组合单色的黄光和蓝光，透过调整发光强度的比例，混合此二种色光达到形成白光的效果；也可由组合红光、绿光和蓝光，透过调整发光强度的比例，混合此三种色光达到白光的效果。
在一传统白光发光二极管的制作技术中，是在蓝光晶粒上涂一层乙铝石榴石萤光粉(yttrium aluminum garnet，YAG)，利用蓝光发光二极管激发乙铝石榴石萤光粉，以产生与蓝光互补的黄光，再利用透镜原理，将互补的黄光和蓝光予以混合，得到所需的白光。请参照图1，是显示此白光发光二极管10的结构剖面图，一YAG萤光材料14是形成于该蓝色发光二极管晶粒12上，该发光二极管晶粒12具有一阴极及一阳极在其表面，发光二极管晶粒12置于导线架13上的凹槽(cavity)17中，并将发光二极管晶粒12的二表面电极利用导线11分别连接至导线架13及金属接脚15，再以萤光材料14覆盖填充导线架13上的凹槽17中。其中，为使该白光发光二极管装置10的侧部光同样为白光，该萤光材料14会同时形成于该发光二极管晶粒12的侧面18(切割面)上。
然而，请参照图2，是显图1所示的白光发光二极管装置其发光二极管晶粒12与萤光材料14的放大示意图。由于重力及垂直侧面的关系，形成于该发光二极管晶粒侧面18的底部24萤光材料14其厚度L1，是形成于该侧面18的顶部22萤光材料其厚度L2的3倍以上。当氮化镓发光二极管晶粒12所发出的蓝光通过萤光材料14至外部时，由于该萤光材料14的厚度差异的关系，所得的侧部光波长非常的散乱，无法获致均匀的白光，导致该白光发光二极管产生色偏的现象。
因此，发展出新的白光发光二极管结构与制程，以得到具有单一波长的侧部光，是目前主动式有机电激发光元件制程技术上亟需研究的重点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一白光发光二极管装置，其至少包含一承载座、一上窄下宽的发光二极管晶粒及一萤光粉层，特征在于该发光二极管晶粒具有至少一非垂直的切割面，且该切割面其是具有至少一止动区，以使形成于该切割面的该萤光粉层的最小厚度与形成于最大厚度的比值是介于0.6至0.999之间。当二极管内所产生的光由切割面输出至外部时，由于该均匀厚度的萤光粉层，大幅改善侧部光波长的均匀性，获致具有单色性白光的发光二极管装置。
本发明的另一目的，是提供一种发光二极管的制作方法，以获致本发明所述的白光发光二极管装置。
为获致上述的目的，本发明所述的白光发光二极管装置，至少包括一承载座、一发光二极管晶粒及一萤光粉层，该承载座具有一固晶面；而该发光二极管晶粒是形成于该承载座上，且该发光二极管晶粒底部具有一第一表面，于该第一表面相反侧是一第二表面，且该发光二极管晶粒具有至少一切割面，其中该发光二极管晶粒是以该第一表面与该固晶面接触；且该萤光粉层是形成于该第二表面及该切割面上；此外，该第一表面的面积是大于该第二表面的面积，且该切割面是具有至少一止动区。
本发明所述白光发光二极管装置的发光二极管晶粒可为一上窄下宽的圆柱体、一上窄下宽的角柱体、一六面体、一由圆柱体及角柱体所组成上窄下宽的形体或一由圆柱体及六面体所组成上窄下宽的形体。
本发明所述的发光二极管其可具有一个或一个以上的切割面，该切割面的形状是择自平面、曲面、弧面及其结合所组成的族群，而该切割面亦可为粗糙、具有波纹或具有凹槽的壁面。
在本发明中，所述的“止动区”是位于切割面上，且该止动区是包含两相邻转折角(不包含发光二极管晶粒第一表面与切割面相交的底角及第二表面与切割面相交顶的顶角)，而在该相邻转折角之间的区域是被定义为该止动区的剖面宽度，其中该止动区的剖面宽度是不小于0.1μm，较佳是介于0.1μm至0.1mm，更佳是介于0.2μm至500μm。此外，该止动区可为一平面，亦可为一曲面或一弧面。其中，本发明所述第一表面与所述固晶面完全接触。
基于本发明的另一目，本发明是关于提供一种发光二极管的制作方法，其步骤至少包提供一承载座，其中该承载座具有一固晶面；形成一发光二极管晶粒于该固晶面上，而该发光二极管晶粒是具有一第一表面与该固晶面接触、一第二表面位于该第一表面相反侧、及至少一切割面，其中该切割面至少具有一止动区；以及形成一萤光粉层于该第二表面及该切割面上，其中形成于该切割面的该萤光粉层的最小厚度与形成于最大厚度的比值是介于0.6至0.999之间。
根据上述的发光二极管的制作方法，该发光二极管晶粒是由切裂(sawing)一发光二极管晶片复合物所得，而该发光二极管晶片复合物是由一基底及多个半导体层所构成的叠层，可更包含多个第一电极及第二电极。
本发明的特征在于本发明所述的发光二极管，其对于基底及半导体膜层的选用、半导体膜层的形成方式或是导电性电极的形成皆可承习既有的技术，只需在切裂(sawing)发光二极管晶片复合物的步骤(也就是裂晶步骤)时，更换铣切工具(切锯工具)或是利用可预设路径的镭射切割制程，当该铣切工具或镭射光切裂上述发光二极管晶片复合物时，可得到一上窄下宽的发光晶粒，且其切割面是具有至少一止动区，以利形成于一厚度差异不大的萤光粉层于晶粒的切割面上。此外，由于所形成的切割面是为非垂直基板底部的平面、弧面或是曲面，当二极管内所产生的光通过切割面输出至外部时，更可缩小切割面法线与出射光的夹角，使光不因折射率的关系而被局限于发光二极管内。
为使本发明的上述目的、特征能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1是显示已知的发光二极管结构剖面图；
图2是显示图1所示的发光二极管晶粒的局部放大图；
图3a至图3c是显示根据本发明所述的发光二极管晶片复合物的制程剖面图；
图4是显示已知切割方式所得的发光二极管晶粒的结构剖面图；
图5a及图5b是显示本发明所述的发光二极管晶粒的结构剖面图；
图6a及图6c是显示本发明所述的白光发光二极管装置的制作流程图；
图7是显示根据本发明的一较佳实施所述的形成萤光材料层的方法；
图8是显示根据本发明所述的白光发光二极管装置的局部放大图。
具体实施方式
以下将配合图式详细说明本发明的较佳实施例：
涉及发光二极管晶片复合物的制作：
请参照图3a，提供一基底120，在此，基底一词是指任何适用的二极管基板，包括一复晶(Polycrystal)基板或非晶(Amorphous)基板，在此可以是磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌硫(ZnSSe)、硅(Si)或碳化硅(SiC)基板，其上可已形成所需的膜层，例如是一布拉格反射层。该基底120可为多层结构，不过此处为了简化图式，仅以一层平整的基底表示之。接着，形成多个的半导体膜层所构成的外延层140于该基底。该构成外延层140的多个半导体层，可以包含一个或个一以上的束缚层、缓冲层、主动层或是接触层，其形成的方法可由液相外延法(LPE)、气相外延法(VPE)或是有机金属气相外延法(MO CVD)所形成。
请参照图3b，若所使用的基底120是为一导电基底，则形成一第一导电性电极170于该基底底部，并形成多个第二导电性电极172于部分的外延层140表面，至此，完成发光二极管晶片复合物100的制作。
此外，请参照图3c，若该基底120是为一不导电基底，则去除部分的该外延层140以露出多个接触区190，且形成第一导电性电极170于该接触区190上，并形成多个第二导电性电极172于部分的该外延层140表面，已完成发光二极管晶片复合物100的制作。作为电极的材质，可择自由铂(Pt)、钴(Co)、金(Au)、钯(P d)、镍(Ni)、镁(Mg)、银(Ag)、铝(Al)、钒(v)、锰(Mn)、铋(Bi)、铼(Re)、铜(Cu)、锡(Sn)、铑(Rh)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、锌(Zn)、铬(Cr)、铌(Nb)、铪(Hf)及其合金所组成的族群中。
涉及白光发光二极管装置的制作：
本发明所述的形成发光二极管晶片复合物100的方法可承袭既有的技术，而本发明的发光二极管制作方式与已知技术最大的差别在于发光二极管的晶粒形状，取决于发光二极管晶片复合物100切割的方式。已知发光二极管的切割方式，其是利用具有几近垂直刃面的铣切工具(切锯工具)或固定式镭射光来切割发光二极管晶片复合物，请参照图4，所得到的发光二极管晶粒是为一立方结构，其切割面190几近垂直于该基底的第一表面131。
反观本发明，请参照图5a及图5b所示，该二极管晶片复合物100可使用一具有至少一非垂直刃面的铣切工具(切锯工具)来切割，亦可使用一可预设切割路径(非固定点切割)的镭射切割制程来切割。经切割后所得的发光二极管晶粒200的切割面190是与该第一表面131(晶粒的底部)形成一锐角，该切割面190可为粗糙、具有波纹或具有凹槽的壁面，可为一平面、曲面或弧面，且该切割面190是具有至少一止动区210，其中该止动区210的剖面宽度是不小于0.1μm，较佳是介于0.1μm至0.1mm，更佳是介于0.2μm至500μm。切割后所得的晶粒，其形状是可为一上窄下宽的圆柱体、一上窄下宽的角柱体、一六面体、一由圆柱体及角柱体所组成上窄下宽的形体或一由圆柱体及六面体所组成上窄下宽的形体。
由于切割后所得的晶粒具有斜坡状(倾斜)的切割面，依据斯奈尔定律(Snell’s law)，此二极管所产生的光线其出射角较具垂直侧壁二极管来的小，故更易由将光输出至外部，且亦根据朗伯定律(Lamber law)，考虑光吸收的问题，由倾斜的切割面引出的光强度高于由侧壁所引出的光。
以下是为本发明所述的白光发光二极管装置的制作方法的一较佳实施例，兹配合附图详细说明如下：
首先请参照图6a，提供一承载座310，而该承载座310具有一固晶面320。接着，请参照图6b，将如图5b所示的发光二极管晶粒200以基板120侧固合于晶粒承载座310的固晶面320上。晶粒200固合于晶粒承载座310上的固晶面320的方法可以是利用一透明黏接层来固合晶粒200，例如BCB与环氧树脂(epoxy)；亦可使用低温焊料以电阻加热焊接、超音波焊接、电弧焊接、镭射焊接或高周波焊接等方式固合晶粒。
最后，请参照图6c，均匀涂覆一萤光材料层330于该发光二极管晶粒200的切割面190及外延层140的上表面，并露出该第一导电性电极170及该第二导电性电极172。形成该萤光材料层330的方法可为涂抹法、电着法、电化学沉积法或物理沉积法。此外，一形成该萤光材料层的较佳方法是将萤光粉置于酒精中并搅拌以形成一混合液，接着将该发光二极管晶粒200置于该混合液中以使萤光粉沉积于该发光二极管晶粒200上，最后使用一制具420，压合该发光二极管晶粒200及萤光粉，以形成一均匀厚度的萤光粉层330，请参照图7。值得注意的是，在形成该萤光材料层时，可先形成一疏水性膜层于该发光二极管晶粒200的电极172上，以避免萤光粉沉积于其上。
在本发明中该萤光材料层330的材质并无限制，可为任何搭配该发光二极管晶粒200使的发出白光的材料，此外，该萤光材料层330所包含的萤光粉体的粒径可介于0.1～100μm，较佳是介于6～45μm，以利于堆积于切割面上的。再者该萤光材料层330之外可更包含一固合层或一黏附层，以进一步防止该萤光材料层330脱落。
值得注意的是，由于该发光二极管晶粒200其切割面190是为一斜面且具有至少一个的止动区210，倾斜的切割面190及平缓的止动区210可进一步缓合该萤光材料层330受重力影响所造成的向下集中的现象，避免位于切割面190上的该萤光材料层330膜厚不均匀的问题。请参照图8，形成于该发光二极管晶粒200切割面190底部340的萤光材料330其厚度L3，几乎等于形成于该切割面190顶部350的萤光材料330其厚度L4。
在本发明的较佳实施例中，位于该切割面的该萤光粉层其最小厚度与其最大厚度的比值是介于0.6至0.999之间，较佳是介于0.7至0.999之间。
综上所述，本发明的发光二极管，是通过改变发光二极管晶粒的切割面，使其不与基底底部垂直及具有至少一止动点，且在切割后所得的晶粒呈上窄下宽的立体结构。由于该倾斜的切割面及平缓的止动区，可使形成于该切割面的该萤光粉层的最小厚度与形成于最大厚度的比值是介于0.6至0.999之间。当二极管内所产生的光由切割面输出至外部时，由于该均匀(uniformity)厚度的萤光粉层，大幅改善侧部光波长的均匀性，获致具有单色性白光的发光二极管装置。
此外，由于切割面是为非垂直基板底部的平面、弧面或是曲面，当二极管内所产生的光通过切割面输出至外部时，更可缩小切割面法线与出射光的夹角，使光不因二极管材质与外部介质折射率相差甚大的关系而被局限于发光二极管内，如此一来，可增加光输出至二极管外部的效率，使发光二极管发光效率提升。且依本发明所述的制作方法，形成发光二极管的步骤皆可承习既有的技术，仅需通过预先设计合用的铣切工具或可预设切割路径的镭射制程，进行切割(裂晶)即可，使得本发明所揭示的制作方法易于实施且适于大量生产。

Claims (21)

1、一种均匀白光发光二极管，其特征在于所述均匀白光发光二极管至少包括：
一承载座，其上具有一固晶面；
一发光二极管晶粒是形成于该承载座上，该发光二极管晶粒底部具有一第一表面，于该第一表面相反侧是为一第二表面，且该发光二极管晶粒具有至少一切割面，其中该发光二极管晶粒是以该第一表面与该固晶面接触；以及
一萤光粉层形成于该第二表面及该切割面上，
其中该第一表面的面积是大于该第二表面的面积，且该切割面是具有至少一止动区，以使形成于该切割面的该萤光粉层的最小厚度与最大厚度的比值是介于0.6至0.999之间。
2、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该切割面是为平面、曲面、弧面或其结合。
3、根据权利要求2所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该切割面是为粗糙、具有波纹或具有凹槽的壁面。
4、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该止动区的剖面宽度是不小于0.1μm。
5、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该止动区的剖面宽度是介于0.1μm至0.1mm。
6、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该止动区的剖面宽度是介于0.2μm至500μm。
7、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该发光二极管晶粒是形成一上窄下宽的圆柱体、一上窄下宽的角柱体、一六面体、一由圆柱体及角柱体所组成上窄下宽的形体或一由圆柱体及六面体所组成上窄下宽的形体。
8、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该止动区是为平面、曲面、弧面或其结合。
9、根据权利要求1所述的均匀白光发光二极管，其特征在于：该第一表面是与该固晶面完全接触。
10、一种均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于所述均匀白光发光二极管的制作方法包括：
提供一承载座，其中该承载座具有一固晶面；
形成一发光二极管晶粒于该固晶面上，而该发光二极管晶粒是具有一第一表面与该固晶面接触、一第二表面位于该第一表面相反侧、及至少一切割面，其中该切割面至少具有一止动区；以及
形成一萤光粉层于该第二表面及该切割面上，其中形成于该切割面的该萤光粉层其最小厚度与其最大厚度的比值是介于0.6至0.999之间。
11、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该切割面是为平面、曲面、弧面或其结合。
12、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该切割面是为粗糙、具有波纹或具有凹槽的壁面。
13、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该止动区的剖面宽度是不小于0.1μm。
14、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该止动区的剖面宽度是介于0.1μm至0.1mm。
15、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该止动区的剖面宽度是介于0.2μm至500μm。
16、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该发光二极管晶粒是形成一上窄下宽的圆柱体、一上窄下宽的角柱体、一六面体、一由圆柱体及角柱体所组成上窄下宽的形体或一由圆柱体及六面体所组成上窄下宽的形体。
17、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该止动区是为平面、曲面、弧面或其结合。
18、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该第一表面是与该固晶面完全接触。
19、根据权利要求10所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：该发光二极管晶粒是由切裂一发光二极管晶片复合物所得。
20、根据权利要求19所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：切裂该发光二极管晶片复合物是利用一铣切工具或切锯工具，而上述铣切工具或切锯工具是具有至少一非垂直刃面。
21、根据权利要求19所述的发光均匀白光发光二极管的制作方法，其特征在于：切裂该发光二极管晶片复合物是利用一镭射切割制程。
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