TW200845426A - Light emitting device including a filter - Google Patents

Description

200845426 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 此發明係關於包括一濾光器的半導體發光裝置。 【先前技術】 諸如發光二極體（LED)之類的半導體發光裝置係目前可 曹 用的最有效光源。目前，在製造高亮度的LED中能夠穿過 I» 可見光譜而運作的重要的材料系統包括III-V族半導體，尤 其是鎵、鋁、銦及氮的二元、三元及四元合金，也稱為 ❿ 族氮化物材料；以及鎵、鋁、銦、砷與硼的二元、三元及 四元合金。通常，藉由有機金屬化學汽相沈積法 (MOCVD)、分子束蠢晶法（MBE)或其他的蠢晶技術，在藍 寶石、碳化矽或III族氮化物基板上磊晶生長ΠΙ族氮化物裝 置，及在砷化鎵上磊晶生長III族氮化物裝置。通常，在該 基板上沈積一 η型區域，接著在該η型區域上沈積一作用區 域，隨後在該作用區域上沈積一 ρ型區域。可將該等層之 _ 次序顛倒以使該ρ型區域鄰近基板。 從半導體發光裝置晶片（例如發光二極體）發出的光的顏 色可藉由在光離開晶片之路徑中放置一波長轉換材料加以 、 改變。該波長轉換材料可為（例如）磷光體。磷光體屬於冷 光材料，其可吸收一激發能量（通常為輻射能量）並將此能 量儲存-段時間。隨後發射該儲存能量，其輕射出與該初 始激發能量之-不同能量。例#，”降頻轉換"係指所發出 之輻射的量子能量比初始激發輻射少的情形。隨著能量波 長有效地增加，光的顏色向紅色偏移。 127221.doc 200845426 製造發白光的發光裝置的一般方法係將發黃光的磷光體 (例如Y3A15012:Ce3+)與發藍光的藍色發光二極體晶片組 合在一起。黃色磷光體轉換光與透過該磷光體層洩漏之未 轉換的藍光之組合呈現白色。該組合光的顏色特性係藉由 ‘ 僅選擇發射一特定波長之藍光的發光二極體，並藉由變化 〜 該磷光體層厚度以控制藍光洩漏量與磷光體轉換量加以控 制。此方法效率低下，其中，在所需範圍外之一波長下發 0 射藍光的大置發光二極體不可用，並導致光的相關色温 (CCT)產生較大變化，此係由於難以精確控制洩漏藍光與 磷光體轉換的量。現今出售的磷光體轉換發光二極體的相 關色溫可從5500 K變化至8500 K。可識別之色彩差異取決 於組合光的相關色溫。在6500 K下，小至300 K的差異對 於觀察者將顯而易見。零件間相關色溫的較大變化對於許 多應用而言均無法接受。 【發明内容】 φ 根據本發明之具體實施例，提供一種半導體結構，其包 括佈置於一 η型區域與一 p型區域之間的一發光區域。該發 光區域經組態用以發射第一束光，在某些具體實施例中為 藍光。經組態用以吸收該第一束光之一部分並發射第二束 • 光（在某些具體實施例中為黃光）的波長轉換材料係佈置於 該第一束光之一路徑中。一濾光器係佈置在該第一與第二 束光之一路徑中。在某些具體實施例中，該濾光器吸收或 反射具有大於一預定強度之一強度的第一束光之一部分。 在某些具體實施例中，該濾光器吸收或反射該第二束光之 127221.doc 200845426 邛刀。在某些具體實施例中，將一數量之濾光器材料佈 置在該第一與第二束光之該路徑中，然後偵測穿過該濾光 器的該第一與第二束光的相關色溫。可添加更多濾光器材 料或移除濾光器材料以將偵測之相關色溫修正為一預定相 關色溫。 根據本發明具體實施例的濾光器可用於修正藉由組合發 藍光的半導體發光裝置與發黃光的麟光體所形成之白光的 相關色溫。 【實施方式】 根據本發明的具體實施例，一發光裝置包括一濾光器， 其用於過濾、來自該裝置發射之光譜的任何不需要的光。濾、 光器的使用可提供對藉由一填光體轉換之半導體發光裝置 發射之組合光的相關色溫之改良的控制。 可藉由改變該裝置發射之藍光的波長、組合光中的藍光 量以及組合光中的黃光量來改變藉由與發黃光的鱗光體組 合的發藍光之發光裝置發射的組合光之相關色溫。 在某些具體實施例中，濾光器材料藉由限制組合光中的 藍光量上限來改變組合光的相關色溫。本發明人已觀察 到，磷光體發射的光之強度隨磷光體厚度呈線性變化，而 透過該磷光體洩漏的未轉換光之強度隨磷光體厚度以指數 方式變化。圖1係與用於磷光體轉換發光裝置中的藍光（圖 1中以菱形表示）與黃光（圖1中以正方形表示）之磷光體層厚 度成一函數關係之強度與相關色溫的曲線圖。三角形表示 組合光的相關色溫。如圖1所示，當麟光體厚度增加，組 127221.doc 200845426 合光中的黃光強度隨之呈線性下降。當磷光體厚度增加， 組合光中的藍光強度隨之呈指數下降。磷光體厚度與藍光 強度之間的非線性關係使得獲得所需強度的藍光尤其困 難。 圖2說明能夠限制藍光強度上限之一濾光器材料之行 為。圖2係與用於一濾光器材料之輸入通量成一函數關係 之輸出通量的曲線圖。圖2所示之濾光器材料在一給定輪 入強度臨界值以下係透明的。一旦達到該輸入強度臨界 值，則該渡光器材料對超過強度臨界值的任何光變成不透 月因此’；慮光器材料通常藉由稱作反向可飽和吸收之一 方法使從該裝置發射之藍光的強度限制在臨界位準以下。 能夠將藍光強度限制在一給定臨界位準以下的適當濾光 裔材料可為有機或無機且包括富勒烯（fullerenes)、水熱氧 化鋅晶體以及枝狀裝飾卟啉。 應用能夠將藍光強度限制在一給定臨界位準以下的濾光 器材料之一裝置的波長轉換層可設計成使該波長轉換層在 峰值效率下操作，而不考慮透過該波長轉換層洩漏的藍光 1 ° 一般而言，當透過磷光體層洩漏之藍光量增加，磷光 體轉換發光裝置的效率（以每單位供應電力所擷取光之流 明表不）亦隨之增加，此既由於磷光體在較低吸收下產生 光的效率較高’亦因為該磷光體層較薄使得因反向散射以 及被磷光體層或半導體裝置較遲吸收而損失的光較少。在 允許藍光大置戌漏之具有薄的磷光層的此一裝置中，可使 用旎夠將籃光強度限制在一給定臨界位準以下的濾光器材 127221.doc 200845426 料以從光譜移除過量不需要的藍光，從而使藉由該濾光器 材料發射的組合光具有所需的相關色溫。 能夠將藍光強度限制在一給定臨界位準以下的濾光器材 料亦可用於使圖1所示的磷光體層厚度與透過該磷光體洩 漏之藍光強度之間的關係線性化。當使用此一濾光器材料 時’藉由磷光體層之厚度可更易於控制組合光之相關色 溫’此係由於當磷光體層厚度與藍光強度之間的關係呈線 性而非指數關係時，藍光強度與因此之相關色溫對磷光層 厚度中的較小變化較不敏感。 在某些具體實施例中，該濾光器材料藉由改變藍光之波 長或藉由改變組合光中藍與黃光的相對量來改變組合光的 相關色溫。在此等具體實施例中，該濾光器材料可為佈置 於一透明材料中的一或多種染料或顏料。在某些範例中， 該濾、光器材料包括一或多種無機顏料，其在發光裝置中的 高溫與高通率情形下一般較穩定。適合的顏料可包括

Lanxess所售的Bayferrox㊣或氧化鉻顏料，或Heubach所售 的Heucodur®顏科。濾光器材料層之厚度與該層中的染料 或顏料之濃度決定被吸收的光之量。在某些具體實施例 中’該濾光器層經組態用以限制濾光器的吸收。例如，該 渡光器可經組態用以透射入射在該濾光器上之光的至少 50% ’更佳透射入射在該濾光器上之光的至少7〇%。相 反，經設計以分離一 RGB顯示器中紅、綠或藍光的典型濾 光器通常透射入射在該濾光器上之光的僅3〇0/。。 在一範例中，一旦將波長轉換材料佈置於裝置上方，則 127221.doc -10- 200845426 測量自該裝置的波長轉換光與未轉換光之組合的相關色 溫’隨後計算所需的顏料類型與數量。隨後（例如）藉由喷 墨列印形成具有所需數量與類型之顏料的濾光器層。可在 個別裝置中實行此一程序，但批次實行該程序將提高產 量。例如，可在單一化一晶圓中的個別半導體裝置之前， 或在單一化其上佈置個別半導體裝置的架座之一晶圓之 前’可測量相關色温並形成濾光器層。

在另一範例中，初始形成足夠厚的濾光器層以產生所需 相關色溫。在形成濾光器層後，對裝置的相關色溫進行第 一次測量，隨後以一受控的方式移除濾光器材料以產生所 需的相關色溫。或者，可初始形成足夠薄的濾光器層以產 生所需的相關色溫’隨後測量色溫，接著以一受控的方式 再添加濾光器材料以產生所需的相關色溫。 曰在上述任一範例中’可多次測量相關色溫，並在每次測 里後添加或移除濾光器材料直至達到所需的相關色溫。 可使用電腦控制的雷射修整程序來剝㈣光器材料以產 生所需的相關色溫。其中批次測試該等裝置時，受電腦控 制的雷射根據用於該裝置的個別相關色溫可將每一裝置： 濾光器層剝蝕針對該裝置具體定製之數量。 曰y測《式每$置並以一迭代程序移除遽光器材料，或一 =了系統，即已知為產生一特定相關色溫變化必須移 除的濾光器材料量，可测量 裝置次並移除適當量之 m w ㈣之材#里’可能需要使用多次剝 餘’慮光器材料，苴中备^ 人移除〉、量材料。若使用雷射移 127221.doc 200845426 矛、則夕人傳遞之使用降低承載渡光器材料中樹脂的風 險。 田射職可包括移除—系列線或點的濾光器材料，使得 剝餘後的濾光器材料層之厚度在某些區域變薄而在某些區 ° 4义厚’而不疋在濾光器材料的整個範圍上均勻降低。在 •-項具體實施例中，對應於-單-裝置在—位置厚度降低 而在另-位置厚度增加。儘管渡光器材料的厚度在某些區 :、’m l在局部區域可部分或全部移除濾、光器材料 以降低濾光器材料的平均厚度。可使用圖案而不是線或點 來改變波長轉換部件的厚度。 田測里每I置的相關色溫，可產生相關色溫的空間映 射可將相關色溫的該空間映射提供給電腦控制並可剝钱 濾光器材料上的高點，如此不僅獲得所需相關色溫，亦使 該相關色溫在空間上更均句。 雷射剝蝕以外的其他程序可用於移除濾光器材料。例 φ 如，可使用（例如）機械及/或化學蝕刻、離子束或電子束剝 蝕技術移除濾光器材料。 上述濾光器可用於任何適當組態的發光裝置或任何適當 •組態的波長轉換層。應理解，本發明並未限制於以下範例 中所述的材料、裝置方位或其他細節。例如，可將本發明 之具體實施例應用於任何合適的發光裝置材料系統，例如 包括III-V族材料、爪族氮化物材料、m族磷化物材料及 II-VI族材料。本發明之具體實施例可應用於任何裝置幾何 體，包括生長基板已自其中移除之薄膜裝置，接點在半導 127221.doc -12· 200845426 體層之相對側上的裝置以及接點在半導體層相同側上的裝 置，例如其中透過一基板擷取光之覆晶，以及其中透過該 等接點擷取光之向上磊晶結構。本發明之具體實施例可應 用於任何類型的波長轉換層，包括如美國專利第6,351，〇69 號所述的佈置於樹脂中的波長轉換材料；如美國專利第 M30,691號所述的於其上生長發光裝置層的單晶冷光基 板；如美國專利第6,696,703號所述的薄膜磷光體層；及藉 由如美國專利第6,576,488號所述的電泳沈積之等形層或如 美國專利第6,650,044號所述的模板印刷；以及如美國公開 專利申凊案第2005-0269582號所述的冷光陶瓷層。美國專 利第 6,630,691、6,696,703、6,576,488 與 6,650,〇44 號以及 美國公開專利申請案第2005_0269582號皆以提及方式併入 本文中。 此外，濾光器材料的特定組態未限定於以下所述具體實 施例中所示的的波長轉換材料或半導體發光裝置的特定組 態。根據本發明之具體實施例，可組合任何適當的濾光器 組態、波長轉換層組態以及裝置組態。 圖3至6況明半導體發光裝置、波長轉換層及遽光器層的 適合組態的範例。圖3說明已移除基板的一覆晶安裝式m 族氮化物發光裝置，其包括-等形波長轉換層與形攄 光器層。IIU矢氮化物半導體結構1〇包括佈置於一 η型區域 與-Ρ型區域之間的-發光區域12。η型區域、發光區域以 及P5L區域之每一個均可包含不同組成物及摻雜物濃度之 多層。例如’該等η型與Ρ型區域可包括相反導電率類型之 127221.doc -13 - 200845426 層或未有意摻雜之層、製備層，諸如缓衝層或孕核層，設 計成促進在基板移除後生長基板的較遲鬆弛或半導體結構 薄化之釋放層以及設計用於使發光區域有效發光所需要的 特定光學或電性質之裝置層。該發光區域可為一單一厚或 薄的發光層，或由不同組成物的阻障層分離的多個薄量子 井層。 在於生長基板上生長半導體結構1 〇後，钱刻掉最後生 長的導電率類型區域（通常為p型區域）與發光區域之一部分 以揭露出首次生長的導電率類型區域，通常為η型區域。 j該等η型與ρ型區域之曝露部分上形成金屬接點13與14。 猎由η與ρ互連15及16將半導體結構電性及實體連接至一架 座18。在架座18上安裝後，可藉由適用於該生長基板材料 私序例如適用於藍寶石基板的雷射溶化或研磨，或 適用於SiC或複合基板之蝕刻或研磨來移除生長基板（圖3 中未,、肩示）。在將半導體結構丨〇連接至架座丨$之前、期間 或之後，可在半導體結構1〇與架座18之間的任何開放空間 中佈置一側填滿，其用於支撐半導體結構1〇以防止或減少 移除生長基板期間的破裂。在圖3所示方位中藉由移除生 長基板曝露的半導體結構1〇之頂部表面可（例如）藉由光電 子蝕刻進行薄化，及以諸如光子晶體之特徵進行粗糙化 或紋理化以增強自半導體結構10之光擷取。 在半V體結構10之頂部與側上方形成一等形波長轉換層 20。波長轉換層20可為（例如）藉由電泳沈積或模板印刷形 成的科光體層。在波長轉換層2〇上方形成一等形濾光器層 127221.doc -14· 200845426 22，其可包括上述一或多種濾光器材料。濾光器層2 由（例如）贺墨列印或模板印刷佈置於一透明載體（例如 樹脂或聚矽氧）中的濾光器材料來形成。 又 圖4說明已移除基板的—覆晶安裝式職氮化物發光裝 置，其包括-陶兗波長轉換層與一滤光器層。如上參考圖 3所述，I導體結構1〇係安裝於架座18上的一薄膜裝置覆 晶。波長轉換層24係佈置於半導體結構1Q之曝露頂部表面 亡方的陶瓷磷光體。藉由(例如)一有機黏合劑(例如環氧樹 月曰或聚石夕氧）、-或多種南指數無機黏合劑或凝膠玻璃可 將陶㈣光體層24附著於半導體結構1〇。在波長轉換_ 上方形成-濾光器層26，其可包括上述一或多種濾光器材 料。渡光器層26可藉由（例如）嘴墨列#來形成，或可為一 分離製造的部件，例如佈置於玻璃、聚⑨氧或其他透明固 體中的渡光器材料，將其藉由（例如）_有機黏合劑（例如環 氧知Μ曰或聚石夕氧）、一或多種高指數無機黏合劑或凝膠玻 璃附著於陶瓷磷光體層24。 圖5說明在佈置於一波長轉換發光半導體結構上方的一 透鏡上形成的一濾光器。將任何合適的半導體結構1〇與波 長轉換層27封裝於包括透鏡3〇的一封裝中。可將一透明材 料28(例如聚矽氧）佈置於透錄3〇與半導體結構1〇及波長轉 換層27之間的空間中。如圖5所示，在透，鏡3〇(其可為玻 璃、塑膠或任何其他合適的透明材料）的外表面上可塗布 慮光器層32 ’該濾'光器層可包括上述一或多種濾光器材 料。或者’可在透鏡3〇的内表面上形成濾光器層32，或者 127221.doc •15- 200845426 可在用於形成透鏡3 0的材料中混合濾光器材料之微粒。 圖6說明與塗布一波長轉換發光半導體結構的透明材料 混合的濾光器。將任何合適的半導體結構1〇與波長轉換層 27置放於一封裝結構36(例如一反射器杯狀物或引線框'架θ) 中。濾光器層34包括上述與一透明材料混合並在半導體結 構1 〇與波長轉換層2 7上方塗布的一或多種濾光器材料。 如上所述，圖3至6所示範例中所示的濾光器層可藉由添 加額外材料或藉由剝蝕移除材料加以調整。在某些具體實 施例中，可將在不同組態中形成的不同波長轉換材料以^ 在不同組態中形成的不同濾光器材料組合於一單一裝置 中。 ’ 本發明既經詳細說明，熟習此項技術人士應明白，依提 供的本揭不内容，可不脫離本文中所說明之本發明概念的 精神來對本發明進行修改。因此並不期望本發明之範疇限 於所解釋及說明的特定具體實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係強度與相關色溫的曲線圖，其與用於在組合一發 藍光的發光一極體與發黃光的磷光體之裝i中發射的藍光 與黃光之磷光體厚度成一函數關係。 圖2係根據本發明之具體實施例，與用於一濾、光器材料 的輸入通量成一函數關係之輸出通量的曲線圖。 圖3說明佈置於一覆晶安裝式薄膜半導體發光裝置上方 的一等形波長轉換層與一等形濾光器層。 圖4.兒明佈置於一覆晶安裂式薄膜半導體發光裝置上方 127221.doc • 16 - 200845426 的一陶瓷波長轉換層與一濾光器層。 圖5說明在佈置於一鱗光辦4 上方的 上方& ’尤鱧轉換半導體發光裝j 一透鏡上方佈置的一濾光器層。 圖6說明在佈置於一碟井辨 Μ尤體轉換半導體發光裝 一囊封物中佈置的一濾光器材料。 【主要元件符號說明】

10 半導體結構 12 發光區域 13 金屬接點 14 金屬接點 15 η互連 16 ρ互連 18 架座 20 波長轉換材料/波長轉換層 22 濾光器（層） 24 波長轉換材料/陶瓷磷光體層 26 濾光器（層） 27 波長轉換材料/波長轉換層 28 透明材料 30 透鏡 32 渡光器（層） 34 濾、光器（層） 3 6 封裝結構 127221.doc -17-

Claims (1)

1. 200845426 十、申請專利範圍： 1· 一種裝置，其包括：一半導體結構10，其包括佈置於一 η型區域與一 p型區域之間的一發光區域12，該發光區域 經組態用以發射第一束光，·一波長轉換材料20、24、 27 ’其係佈置於該第一束光之一路徑中，該波長轉換材 料經組態用以吸收該第一束光之一部分並發射第二束 光；以及一濾光器22、26、32、34，其係佈置於該第一 束光之一路徑中，該濾光器經組態用以吸收或反射具有 大於一預定強度之一強度的第一束光部分。 2·如請求之裝置，其中該半導體結構1〇包括複數個ΙΠ 族氮化物層。 3·如請求項1之裝置，其中該第一束光包括藍光且該第二 束光包括黃光。 4·如請求項1之裝置，其中該波長轉換材料20、24、27包 括一璘光體。 5·如請求項1之裝置，其進一步包括佈置於該半導體結構 10上方的一透鏡3〇，其中該濾光器32塗布在該透鏡之一 表面〇 6. 一種裝置，其包括：一半導體結構10,其包括佈置於一 n型區域與一 p型區域之間的一發光區域12，該發光區域 經組態用以發射第一束光；一波長轉換材料20、24、 27 ’其係佈置於該第一束光之一路徑中，該波長轉換材 料經組態用以吸收該第一束光之一部分並發射第二束 光，以及一濾光器22、、32、34，其係佈置於該第_ 127221.doc 200845426 束光及該第二束光之一路徑中，其中該濾光器經組態用 以吸收或反射第二束光之一部分，其中該濾光器經組態 用以透射入射至該濾光器上之光的至少50〇/〇。 7·如請求項6之裝置，其中該濾光器係一第一濾光器，該 裝置進一步包括一佈置於該第一束光與該第二束光之一 路控中的第二濾光器，其中該第二濾光器經組態用以吸 收或反射該第一束光之一部分。

   8·如請求項6之裝置，其中該第一束光包括藍光且該第二 束光包括黃光。 9·如請求項6之裝置，其中包括第一束光與第二束光的複 合光在穿過該濾光器後呈現白色。 10· —種方法，其包括：提供一半導體發光裝置，其經組態 用以發射第一束光，以及提供一波長轉換材料2〇、24、 27，其係佈置於該第一束光之一路徑中，並經組態用以 吸收該第-束光之-部分並發射第二束光；㈣組合之 第一與第二束光的一相關色溫（CC；T);以及在該第一與 第二束光之一路徑中佈置一濾光器22、26、32、34,其 中該濾光器經組態用以吸收或反射該第—束光之一部分 與該第二束光之-部分其中—者，且其中根據該债測之 相關色溫決定佈置的濾光器材料之數量或類型 11·如請求項10之方法， 中佈置一濾光器22、 上方噴墨列印該數量之濾光器材料。 其中在該第一與第二束光之一路徑 26、32、34包括在該波長轉換材料 12·如請求項1〇之方法 其中在該第一與第二束光之一路徑 127221.doc -2- 200845426 中佈置'^渡光益32包括在一透鏡3 0之'一表面上喷墨列印 該數ϊ:之濾、光材料，該方法進一步包括在該波長轉換材 料27上方佈置該透鏡。 13·如請求項1〇之方法，其進一步包括；在將一濾光器22、 26、32、34佈置於該第一與第二束光之一路徑中後，第 二次偵測組合之第一與第二束光的一相關色溫；以及根 據该第二次偵測之相關色溫，移除濾光器材料或添加額 外濾光器材料。 14·如請求項13之方法，其中移除濾光器材料包括移除經選 擇之一數量的濾光器材料以將該偵測之相關色溫修正為 一預定相關色溫。 ㈢求項13之方法，其中移除渡光器材料包括藉由雷射 剝蝕進行移除。

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