TW201301570A - 多光色發光二極體及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種多光色發光二極體，包含一具有一表面的磊晶基板、一發光單元，及一電極單元，該發光單元具有一與該表面連接的第一半導體層，及至少二個設置於該第一半導體層表面並彼此間隔的磊晶層，該每一磊晶層分別與該第一半導體層共同界定出一發光源，該電極單元具有一設置於該第一半導體層表面的底電極，及對應設置於該每一磊晶層頂面的頂電極，用以提供電能至該些發光源，且該些發光源於接收電能時會向外發出至少二種光色。此外，本發明還提供一種多光色發光二極體的製作方法。
Description
本發明是有關於一種發光二極體及其製作方法，特別是指一種多光色發光二極體及其製造方法。
發光二極體(以下簡稱LED)由於具有低耗電、元件壽命長、應答速度快的優點，再加上體積小，容易配合應用元件的設計，因此，已普遍使用於通訊、資訊、消費性電子產品、照明與顯示裝置，而成為應用日趨廣泛的電子元件。其中，白光LED無論在照明或顯示應用方面，由於其具有省電的優點，因此，在近年來的節能議題下，白光LED的發展也愈趨重要。
目前白光LED的製作法大致有三種，第一種是以發出藍光或紫外光的晶粒加上螢光粉，利用藍光或紫外光激發螢光粉發光後混色以產生白光；第二種是將分別發出紅、綠或藍光的晶粒封裝在一起，使其混色而產生白光；而第三種則是在單一晶粒上形成可發出不同光色的發光層，利用該些發光層發出的不同光色混色後產生白光。
前述第一種製法是利用單一晶片搭配不同顏色的螢光粉製成，目前多數廠商大多以可發出藍光的LED混合黃色螢光體的技術為主，不過此類型的白光LED現階段仍有亮度和色度不佳兩個問題亟需突破。第二種製法，目前則是將可發出不同光色之LED晶粒(例如雙晶粒、三晶粒，或四晶粒等)封裝而得，然而，以雙晶粒封裝方式(例如可由藍光LED+黃光LED、藍光LED+黃綠光LED，或是由藍綠光LED+黃光LED)製得的白光LED，由於是利用兩種顏色的LED形成白光，因此，顯色性較差，只能應用在顯色性能要求不高的場合；以封裝三晶粒或四晶粒而得的白光LED，雖然具有較佳的工作效率和演色性(Color rendering)，但是由於不同光色的LED晶粒會有驅動電壓、發光輸出、溫度特性，及壽命等差異性，因此不容易控制，而且由於是以多晶粒進行封裝，因此組裝空間和成本的增加也使其應用受到局限；而經由前述多晶粒混光方式產生的白光應用在顯示器時，當光經過濾光片後，大多數會變成不必要的光，也會使得光利用率降低。第三種製法，則是在單一晶粒上形成可發出不同光色的發光層，雖然可具有較高的演色性，且可減少一般以多晶粒封裝方式所造成的組裝空間較大的問題，然而，因為此種製法是在單一發光層上形成可發出不同光色的發光材料，因此會產生多重量子井(quantum well)，而容易導致LED晶粒的導通電壓(Vf)增加，且會降低LED晶粒的發光效率。
因此，本發明之目的，即在提供一種可降低導通電壓並提升光利用率的多光色發光二極體。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種多光色發光二極體的製作方法。
於是，本發明的多光色發光二極體，包含一磊晶基板、一個發光單元，及一電極單元。
該磊晶基板具有一表面。
該發光單元具有一與該表面連接的第一半導體層，及至少二個設置於該第一半導體層表面並彼此間隔的磊晶層，該每一磊晶層分別與該第一半導體層共同界定出一發光源，且該些發光源於接收電能時會向外發出至少二種光色。
該電極單元具有一設置於該第一半導體層表面的底電極，及對應設置於該每一磊晶層頂面的頂電極，用以提供電能至該些發光源。
此外，本發明多光色發光二極體的製作方法，包含一第一半導體層形成步驟、一發光單元形成步驟，及一電極單元形成步驟。
該第一半導體層形成步驟是準備一具有一表面的磊晶基板，並於該表面形成一第一半導體層。
該發光單元形成步驟是於該第一半導體層的部份表面向上形成一第一發光膜，及一形成於該第一發光膜表面，電性與該第一半導體層相反的第一半導體膜，接著自該第一半導體膜的部份表面向下蝕刻至使該第一半導體層露出，形成一第一磊晶層，接著將該第一磊晶層表面覆蓋一層保護層，並於該第一半導體層與該第一磊晶層間隔的表面向上形成一第二發光膜，及一形成於該第二發光膜表面，電性與該第一半導體層相反的第二半導體膜，接著自該第二半導體膜的部份表面向下蝕刻至使該第一半導體層露出，形成一第二磊晶層，該第一、二磊晶層分別與該第一半導體層共同界定出一第一、二發光源，且該第一、二發光源於接收電能時會向外發出不同光色。
該電極單元形成步驟是將該保護層移除，於該第一半導體層表面沉積形成一底電極，並分別於該第一、二磊晶層頂面形成一頂電極，製得一用以提供電能至該些發光源的電極單元。
本發明之功效在於：利用多次沉積方式於基材上形成具有多數個可發出不同光色的發光磊晶層的發光單元，而製得多光色發光二極體，而該製得的多光色發光二極體不僅可減小組裝空間，且可降低該多光色發光二極體的導通電壓並進一步提升其光利用率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明多光色發光二極體的製作方法是可用以製作具有多數個發光源的多光色發光二極體，於本較佳實施例中是以製作具有兩個發光源的多光色發光二極體為例作說明。
參閱圖1，本發明該多光色發光二極體的製作方法的較佳實施例是可製作如圖1所示的多光色發光二極體，該多光色發光二極體包含一磊晶基板2、一發光單元3，及一電極單元4。
該磊晶基板2具有一表面21，可選自矽、氧化鋁，及碳化矽等材料構成。
該發光單元3具有一與該表面21連接的第一半導體層31及二個設置於該第一半導體層31表面且彼此呈一間隙相隔的第一、二磊晶層32、33，且該第一、二磊晶層32、33別與該第一半導體層31共同界定出一第一、二發光源34、35。該第一磊晶層32具有依序自該第一半導體層31部分表面向上形成的第一發光膜321，與一形成於該第一發光膜321表面的第一半導體膜322，該第二磊晶層33具有依序自該第一半導體層31部分表面向上形成的第二發光膜331，與一形成於該第二發光膜331表面的第二半導體膜332。
要說明的是，該第一半導體層31可選自n型摻雜或p型摻雜的半導體材料所構成，該n型摻雜或p型摻雜的選擇是與該第一、二半導體膜322、332是相對應的，也就是說，當該第一半導體層31是選自n型摻雜的半導體材料構成時，第一、二半導體膜322、332則是由p型半導體材料構成，反之亦然；該些第一、二發光膜321、331為分別選自不同的發光材料構成，例如該第一發光膜321可選自會發出藍光的發光材料，例如InxGa1-xN；而該第二發光膜331則可選自會發出綠光的發光材料，例如InyGa1-yN，其中調整In適當組成使x>y；此外，該第一、二半導體膜322、332的構成材料還可分別依據其對應之該第一、二發光膜321、331的材料搭配選擇，而分別由相同或不同的半導體材料構成。如此，該第一、二發光源34、35於接收電能時會向外發出兩種不同的光色，而該發光單元3則可利用該第一、二發光源34、35發出的不同光色混色後，向外發出預定之光色。
該電極單元4具有一形成在該第一半導體層31表面，並位在該第一、二磊晶層32、33相鄰之間隙的底電極41，及二個分別形成於該第一、二磊晶層32、33頂面的頂電極42，且該底、頂電極41、42可依需求設計成以並聯或分開串聯方式電連接，而可控制該至該第一、二發光源34、35接收電能時可單獨發光或同時發光；例如，可將該些頂電極42利用打線製程分別與外界電連接，而與該底電極41以分開串聯方式提供電能至該第一、二發光源34、35，或是將該些頂電極42經由打線製程彼此連接後，再自其中一頂電極42向外延伸與外界電連接，而與該底電極41以並聯方式提供電能至該第一、二發光源34、35，此外，要說明的是，當該些頂電極42是以並聯方式連接時，該第一、二發光源34、35與該第一半導體層31的表面可視需求進一步形成一絕緣保護層(圖未示)以防止短路，由於該些頂電極42與該底電極41以並聯或串聯與外界電連接的方式為本技術領域者週知，且非為本技術重點，因此不再多加詳述。
參閱圖2，本發明該多光色發光二極體的製作方法的較佳實施例包含一第一半導體層形成步驟51、一發光單元形成步驟52，及一電極單元形成步驟53。
該第一半導體層形成步驟51是準備一具有一表面21的磊晶基板2，並於該表面21形成一第一半導體層31。
詳細的說，該步驟51是以化學氣相沉積方式於該表面21形成一由n型摻雜的半導體材料構成的該第一半導體層31。
該發光單元形成步驟52是於該第一半導體層31的表面形成彼此間隔設置的第一、二發光層32、33。
詳細的說，該步驟52是先於該第一半導體層31的部份表面沉積形成一第一發光膜321，及一形成於該第一發光膜321表面，電性與該第一半導體層31相反的第一半導體膜322，接著自該第一半導體膜322的部份表面向下蝕刻至使該第一半導體層31露出，形成一第一磊晶層32，且該第一磊晶層32與該第一半導體層31共同界定出一第一發光源34；接著，將該第一磊晶層32表面覆蓋一層由二氧化矽構成的保護層(圖未示)，再於該第一半導體層31與該第一磊晶層32間隔的表面依序形成一第二發光膜331，及一形成於該第二發光膜331表面，電性與該第一半導體層31相反的第二半導體膜332，接著再自該第二半導體膜332的部份表面向下蝕刻至使該第一半導體層31露出，形成一第二磊晶層33，且該第二磊晶層33與該第一半導體層31共同界定出一第二發光源35，即可得到該發光單元3。
要說明的是，該第一、二發光膜321、331為分別選自發出不同光色之發光材料構成，該第一、二半導體膜322、332則可選自相同或不同之半導體材料構成，由於該發光單元3的製程控制參數及相關材料選擇為本技術領域者所知悉，因此不再贅述。
該電極單元形成步驟53是將該保護層移除，並於該第一半導體層31介於該第一、二發光層32、33之間的表面沉積形成一底電極41，並分別於該第一、二磊晶層32、33的頂面形成一頂電極42，得到一用以提供電能至該第一、二發光源34、35的電極單元4，即可製得如圖1所示之多光色發光二極體。
參閱圖3，值得一提的是，本發明該較佳實施例還可包含一封裝層形成步驟，該步驟是於該發光單元3表面覆蓋一層由環氧樹脂等可透光材料構成的封裝層36，可用以保護該發光單元3，而該封裝層36還可具有可被該第一、二發光源34、35所發出之光激發而發出不同光色的螢光粉361，藉由該封裝層36的設置不僅可保護該多光色發光二極體，此外，還可經由該螢光粉361進一步調整該多光色發光二極體向外發出之光色。例如當該第一、二發光源34、35為可發出藍光及黃綠光，經混光後雖然可以產出白光，但是發出的光帶有一些綠色，而且幾乎沒有紅色，因此，可在該封裝層36中加入可被該第一、二發光源34、35其中任一激發而發出紅光的螢光粉361，如此，即可經由混光後得到暖白光的LED，而較適用於一般起居的照明光源。
參閱圖4，要再說明的是，該發光單元3也可進一步形成一具有第三發光膜371及第三半導體膜372的第三磊晶層37，令該第三磊晶層37與該第一半導體層31再界定出一第三發光源38，而得到同時具有三個發光源34、35、38之多光色發光二極體，由於該第三磊晶層37的製作方式與該第二磊晶層33大致相同，因此不再詳述。
由於該第一、二、三發光源34、35、38為各別形成，所以該發光單元3的發光光色可藉由該第一、二、三發光膜321、331、371的材料選擇而加以調控，此外，還可藉由該第一、二、三磊晶層32、33、37的面積調整而控制該第一、二、三發光源34、35、38光色的強度比例，進而調控該發光單元3所發出之光色。
綜上所述，本發明以多次沉積方式，於同一磊晶基板2上形成可獨立發出不同光色之第一、二、三發光源34、35、38，而可製得多光色發光二極體，且所得到的多光色發光二極體可有效減少習知以多晶粒封裝時的組裝空間較大的問題；此外，因為該多光色發光二極體的每一發光源34、35、38為獨立發光，不會相互影響，具有較低的導通電壓(Vf)，可解決習知為了要使發光層於接收電能時向外發出白光，而需在同一發光層上形成多重量子井，而使得發光二極體具有較高之導通電壓(Vf)的缺點；此外，還可再藉由該第一、二、三發光源34、35、38的面積調配控制亮度，及所發出之光色強度比例，而令該發光單元3發出之光色可更適用於不同照明用途之光色需求，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2．．．磊晶基板
21．．．表面
3．．．發光單元
31．．．第一半導體層
32．．．第一磊晶層
321．．．第一發光膜
322．．．第一半導體膜
33．．．第二磊晶層
331．．．第二發光膜
332．．．第二半導體膜
34．．．第一發光源
35．．．第二發光源
36．．．封裝層
361．．．螢光粉
37．．．第三磊晶層
371．．．第三發光膜
372．．．第三半導體膜
38．．．第三發光源
4．．．電極單元
41．．．底電極
42．．．頂電極
51．．．步驟
52．．．步驟
53．．．步驟
圖1是一示意圖，說明由本發明較佳實施例製得之多光色發光二極體；
圖2是一流程圖，說明本發明多光色發光二極體製作方法的較佳實施例；
圖3是一示意圖，說明具有封裝層之多光色發光二極體；及
圖4是一示意圖，說明具有三個發光源的多光色發光二極體。
2．．．磊晶基板
21．．．表面
3．．．發光單元
31．．．第一半導體層
32．．．第一磊晶層
321．．．第一發光膜
322．．．第一半導體膜
33．．．第二磊晶層
331．．．第二發光膜
332．．．第二半導體膜
34．．．第一發光源
35．．．第二發光源
4．．．電極單元
41．．．底電極
42．．．頂電極
Claims (12)
- 一種多光色發光二極體，包含：一磊晶基板，具有一表面；一發光單元，具有一與該表面連接的第一半導體層，及至少二個設置於該第一半導體層表面並彼此間隔的磊晶層，該每一磊晶層分別與該第一半導體層共同界定出一發光源，且該些發光源於接收電能時會向外發出至少二種光色；及一電極單元，具有一設置於該第一半導體層表面的底電極，及對應設置於該每一磊晶層頂面的頂電極，用以提供電能至該些發光源。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多光色發光二極體，其中，該些頂電極為以分開串聯方式與該底電極電連接。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多光色發光二極體，其中，該些頂電極為以並聯方式與該底電極電連接。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多光色發光二極體，其中，該發光單元具有三個磊晶層，該些磊晶層與該第一半導體層共同界定出三個發光源，且該些發光源於接收電能時會向外發出三種不同光色。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多光色發光二極體，該多光色發光二極體還包括一覆蓋該發光單元，且由可透光材料構成的封裝層。
- 依據申請專利範圍第5項所述之多光色發光二極體，其中，該封裝層具有可被至少一發光源所發出之光激發而發出不同光色的螢光粉。
- 一種多光色發光二極體的製作方法，包含：一第一半導體層形成步驟，準備一具有一表面的磊晶基板，並於該表面形成一第一半導體層；一發光單元形成步驟，於該第一半導體層的部分表面形成一第一發光膜，及一形成於該第一發光膜表面，電性與該第一半導體層相反的第一半導體膜，接著自該第一半導體膜的部份表面向下蝕刻至使該第一半導體層露出，形成一第一磊晶層，接著將該第一磊晶層表面覆蓋一保護層，並於該第一半導體層與該第一磊晶層間隔的表面依序形成一第二發光膜，及一形成於該第二發光膜表面，電性與該第一半導體層相反的第二半導體膜，接著自該第二半導體膜的部份表面向下蝕刻至使該第一半導體層露出，形成一第二磊晶層，該第一、二磊晶層分別與該第一半導體層共同界定出一第一、二發光源，且該第一、二發光源於接收電能時會向外發出不同光色；及一電極單元形成步驟，將該保護層移除，於該第一半導體層表面沉積形成一底電極，並分別於該第一、二磊晶層頂面形成一頂電極，製得一用以提供電能至該第一、二發光源的電極單元。
- 依據申請專利範圍第7項所述之多光色發光二極體的製作方法，其中，該發光單元形成步驟還包括形成一第三磊晶層，是將該第二磊晶層表面覆蓋一保護層，並於該第一半導體層與該第一、二磊晶層呈一間隙的表面依序形成一第三發光膜，及一形成於該第三發光膜表面，電性與該第一半導體層相反的第三半導體膜，接著自該第三半導體膜的部分表面向下蝕刻至使該第一半導體層露出，形成一第三磊晶層，該第三磊晶層與該第一半導體層共同界定出一第三發光源，該電極單元形成步驟是將形成於該第二、三磊晶層的保護層移除，並分別於該第一、二、三磊晶層頂面形成一頂電極。
- 依據申請專利範圍第7項所述之多光色發光二極體的製作方法，其中，該些頂電極為以分開串聯方式與該底電極電連接。
- 依據申請專利範圍第7項所述之多光色發光二極體的製作方法，其中，該些頂電極為以並聯方式與該底電極電連接。
- 依據申請專利範圍第7項所述之多光色發光二極體的製作方法，還包含一封裝層形成步驟，於該發光單元表面覆蓋一層由可透光材料構成的封裝層。
- 依據申請專利範圍第10項所述之多光色發光二極體的製作方法，其中，該封裝層具有可被至少一發光源所發出之光激發而發出不同光色的螢光粉。
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