TWI334231B - Semiconductor light emitting device, light emitting module, and lighting apparatus - Google Patents

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TWI334231B TW093122529A TW93122529A TWI334231B TW I334231 B TWI334231 B TW I334231B TW 093122529 A TW093122529 A TW 093122529A TW 93122529 A TW93122529 A TW 93122529A TW I334231 B TWI334231 B TW I334231B
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Nagai Hideo
Mukai Kenji
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Description

1334231 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 技術領域 本發明係有關於一種半導體光發射元件、一種光發射模 組，以及一種發光裝置。本發明特別是有關於一種組合發射 不同色光之光發射構件的半導體光發射元件，以藉由光之色 彩的混合而發射所欲色彩之光，以及特別是有關一種光發射 模組與包括此半導體光發射元件的發光裝置。 【先前技術】 背景技術 在作為一種半導體光發射元件之型態的發光二極體 (LEDs)領域中，各種積極的研究近來著重於使用白色LEDs 來發光，此乃因已發展出具有較高亮度之白色LEDS的緣 故。由於具有點光源的特性，因此係特別期望使用LEDs來 取代習知在商店、博物館以及展覽室使用作為聚光的鹵素燈 與其等類似物。 目前廣泛使用之白色LED係包括以下之組合：一發射藍 光的藍色LED晶片以及一藉由藍光而激發以發射黃光之磷 (例如 Ce : YAG)。 由於紅色組份的儲存，此白色LED之色彩溫度最低為 4000K。因此，該白色LED並不適宜作為具有3000K之色 彩溫度之鹵素登的替換光源。 以下列出具有足夠紅色組份且已知足以實現3000K或 更低色彩溫度之白色LEDs。 5 1334231 (1) 一白色LED，其包括下列組合：―紫色LED晶片（波 長：38〇 nm至410 nm)以及藍、綠與紅磷（例如曰本未審 查專利申请公開案第2〇〇2·ι88〇84號所揭示者）。 (2) —白色LED，其包括下列組合：_紫外光LED晶片 . (波長：低於380 nm)以及藍、綠與紅碟。 (3) —白色LED，其包括下列組合：一藍色lED晶片以 及綠與紅磷（例如曰本未審查專利申請公開案第 2002-60747號所揭示者）。 ⑷一白色LED ’其包括下列级合：一藍色、綠色與红籲 色LED 片（例如曰本未審查專利申請公開案第H〇9_6442〇 號所揭示者）。 (5) —白色LED，其包括下列組合：一藍色與紅色 晶片以及綠磷（例如日本未審查專利申請公開案第 2000-223745號所揭示者）。 在上述白色LEDs(l)至（5)中，白色LEDs⑴至（3) 各包括一紅磷。由於紅磷僅具有低色彩轉換效率，因此，此 等LEDs尚未在任何技術領域中被實際使用。 · 白色LEDs (4)與（5)係包括發射不同色光之LED晶片 的組合。由於以下原因所造成之色彩大幅的不均勻，此等白 色LEDS尚未被實際用於發光使用。在該白色leds中，led - 晶片一般係安裝於一印刷佈線板上。在該印刷佈線板上，由 . 於以蝕刻形成佈線圖案之技術限制，LED晶片係不可避免地 以大間隔加以設置。其結果，自LED晶片發射之光的色彩係 無法良好地混合在一起。 6 1334231 為了解決此一問題，可以諸如具有在晶圓製造方法中所 形成之佈線圖案且可獲得高密度安裝的sic基材來取代印刷 佈線板。然而，即使使用諸如sic基材，仍需要安裝所有 · LED晶片的步驟。 · 不僅僅是白色LEDs具有上述色彩不均勻的問題。此問 題亦普遍存在於所有其他型態之藉由組合發射不同色光之光 發射構件，以發射所欲色彩之光的半導體光發射元件。 有鑑於此問題，本發明之第一目的在於提供一種半導體 光發射元件，其包括發射不同色光之光發射構件的組合且可 · 同時獲得較少的色彩不均勻度以及較高的生產率。 本發明之第二目的在於提供一種光發射模組以及一種 使用上述半導體光發射元件之發光裝置。 【發明内容】 發明之揭露内容 本發明之第一目的可藉由一種半導體光發射元件而達 成，其包含一基材；一第一光發射構件，其係以晶圓製造方 法之外延生長步驟而形成於該基材上；一導電性圖案，其係 馨 以晶圓製造方法之佈線步驟而形成在該基材上；以及一第二 光發射構件，其係分別地形成而後安裝在該導電性圖案上。 =此’該第二統射構件係發射與該第—光發射構件不同色 彩之光。⑽此構造，該第二光發射構件係絲在佈線步驟 中所形成之導電性㈣L此使得該第三光發射構件以及在 外延义長步驟中所形成之第一光發射構件於基材上之高精確 度（同雄度）設置。其結果，自第一與第二光發射構件所發射 7 1334231 之光的色彩可較佳地混合在一起，因此可降低色彩的不均勻 度。在此同時，可省略將第一光發射構件安裝至基材上的步 驟，其可增進製造半導體光發射元件之方法的生產率。 本發明之第二目的可藉由使用上述半導體光發射元件 而達成。如上述相同的理由，可獲得較少的色彩不均勻度同 時具有較高生產率。 【圖式簡單說明】 第1A圖係例示說明一 LED陣列晶片的透視圖； 第1B圖係例示說明該LED陣列晶片的平面圖； 第2A圖係例示說明該LED陣列晶片之一部分的截面 圖； 第2B圖係例示說明在該LED陣列晶片内，LEDs如何 相互連接； 第3圖係例示說明該LED陣列晶片之製造方法的一部 分； 第4圖係例示說明該LED陣列晶片之製造方法的一部 分； 第5圖係例示說明該LED陣列晶片之製造方法的一部 分； 第6圖係例示說明包括於該LED陣列晶片内之紅色LED 之製造方法的一部分； 第7圖係例示說明包括於該LED陣列晶片内之紅色LED 之製造方法的一部分； 第8圖係例示說明一 LED模組的透視圖； 8 第9A圖係例示說明該LED模組的平面圖； 第9B圖係例示說明沿第9A圖中之線BB的截面圖； 第9C圖係例示說明第9B圖之部分C的放大圖； 第10A圖係例示說明在移除鏡片與其等類似物後之該 LED模組； 第10B圖係例示說明形成在包括於該LED模組内之陶 瓷基材上的襯墊圖案； 第11A圖係例示說明一發光裝置的透視圖； 第11B圖係例示說明該發光裝置的底面圖； 第12圖係例示說明該發光裝置之各組件的透視圖； 第13圖係例示說明該發光裝置之發射光譜；以及 第14A至14E圖係描繪以對藍LED之各不同峰值發射 波長，紅色LED與綠-黃磷之各峰值發射波長為基礎，在 3000K之色彩溫度下之一般色彩透視指數Ra。 【實施方式】 實施本發明之最佳模式 以下將參照附圖描述本發明之實施例。 第1A圖係例示說明作為一種半導體光發射元件型態之 LED陣列晶片2之構造的外部透視圖。第1B圖係例示說明 該LED陣列晶片2的平面圖。第1A圖主要顯示藍色LEDs 6 與紅色LEDs 8如何被設置，且因此並未顯示出在該LED陣 列晶片2中之藍色LEDs 6與紅色LEDs 8表面上之微細凹 部與凸部。必須注意的是，在包括第1A與1B圖之各圖式中， 對各組件之減少的刻度並不一致。 1334231 如第1A與1B圖所示，LED陣列晶片2係以下列方式 形成：光發射構件（LEDs 6與8)係以N列與Μ欄之矩陣（在 本實施例中，為7列5欄之矩陣，總合為3 5 LEDs)而設置 在一為半導體基材之未摻雜的（高阻抗性）SiC基材4上（其 後簡稱為''一 SiC基材4〃）。
在第1A圖中，比其他LEDs 6梢高之LEDs 8為紅色 LEDs。該LED陣列晶片2係包括14個紅色LEDs 8。其他 的LEDs 6為藍色LEDs。該LED陣列晶片2包括21個藍 色LEDs 6。如後所詳細描述者，該藍色LEDs 6係藉由外 延生長而形成在該SiC基材4上。該紅色LEDs 8係首先分 別製造成為裸晶片，而後安裝在該SiC基材4上。尺寸LI X W1之各藍色LED為285 μτη χ 400 μτη。尺寸L2 x W2之 LED陣列晶片2為2 mm x 2 mm。尺寸L3 x W3之各紅色 LED 8 為 250 μτη χ 3 5 0 μιη。
以下參照第2Α圖之戴面圖描述各藍色LED 6與紅色 LED 8之構造。 第2 A圖係例示說明沿第1B圖中之線AA的截面圖。
藍色LED 6係由下列所構成：一 n-AlGaN緩衝層12 (具有30 nm之厚度）、一 n-GaN包覆層14(具有3xl018 cm-3之石夕換雜量以及2 μπι之厚度）、一由六段（six periods)InGaN(具有2 nm之厚度）/GaN(具有8 nm之厚 度）所構成之InGaN/GaN多量子井（multiple quantum well) (MQW)光發射層16 、一 p-GaN包覆層18(具有 3xl019 cm-3之鎂摻雜量以及2 00 nm之厚度），以及一 p-GaN 10 1334231 接觸層2〇(具有3xl〇19 cnT3之錢掺雜量以及2〇〇 nm之厚 度）。此等層12、14、16、18以及20係以所述順序形成在 該SiC基材4上。 一 Ni/Au薄膜22與一 ITO透明電極24係以此順序形 成在該p-GaN接觸層20上。一 Ti/Au電極26係形成在該 n-GaN包覆層14上。 當電力經由該ITO透明電極24與該Ti/AU電極26 而施加至此藍色LED 6時’光發射層16係發射具有460 nm 波長之藍光。在本實施例中使用Ni/Au薄膜22與ITO透明 電極24的原因為要增進自該光發射層16發射之光的透射。 紅色LED 8為安裝在該s i C基材4上之倒裝晶片。紅 色LED 8係由下所構成：一 p_GaInP接觸層3〇(具有1χΐ〇18 cm·3之鋅摻雜量以及2〇〇 nm之厚度）、一 ρ_Α1。5ln。sp 包覆層32(具有lxl〇18 cm_3之鋅摻雜量以及6〇〇 nm之厚 度）' 一由五段（fiveperi〇ds)之 A1〇 〇3Ga〇 47ln〇 sP (具 有3 nm之厚度）/A1。iGa。4ln。5p (具有5 nm之厚度）所 構成之 AlQ.t^Gamin。5p/A1。iGa。4ln。sP mqW 光發射 層 34、一 η-Α10·5ιη〇 5p 包覆層 36 (具有 1χ1〇18 cm_3 之矽 摻雜a：以及1 . s μιη之厚度），以及一 n-GalnP接觸層38 (具 有1x10 cm3之*夕摻雜量以及2〇〇 nrn之厚度）。此等層 30、32、34、36以及38係以所述的順序形成在一 Inp基 材2 8上。 一 Nl/A1電極40係形成在該n-GalnP接觸層38上， 而一 Ni/Au電極42係形成在該p_GaInp接觸層3〇上。 11 1334231 當電力經由該Ni/Al電極40與該Ni/Au電極42而施 加至此红色LED 8時，該光發射層34係發射具有625 nm 波長之紅光。該Ni/Al電極40係將自該光發射層34發射 之光朝向該InP基材28反射。此增進光發射效率。 在各紅色LED 8欲被安裝於該SiC基材4之位置上， 一對結合襯墊46與48係設置在一作為一絕緣薄膜（層）的 Si3N4薄膜44上。為了安裝該紅色LED 8，該Ni/Al電極 4 0係藉由一 Au突起物5 0而與該結合襯墊4 6相連接，而該
Ni/Au電極42係藉由一 Au突起物52而與該結合襯墊48 相連接。由於該紅色LED 8為倒裝晶片安裝，該光發射層 34係位在靠近該SiC基材4。此使其較容易將自光發射層 34產生之熱逸散至該SiC基材4。由於具有比金屬更高的熱 傳導性，該SiC基材4可有效地將產生於該藍色LEDs 6與 該紅色LEDs 8内之熱傳導至一陶瓷基材202(後述），以將 該熱加以逸散。
一自該結合襯墊4 6延伸之橋接佈線54係連接至該藍 色LED 6之ITO透明電極24。一自該結合襯墊48延伸之 橋接佈線56係連接至鄰接於該紅色LED 8 (於第2A圖未示 出）之另一藍色LED的Ti/Au電極。藉由使用橋接佈線54 與56，所有的35個LEDs 6與8係以如第2B圖所示之串 聯方式相連接。在第2B圖中，藍色LEDs 6係以黑色二極 符號表示，而紅色LEDs 8係以白色二極符號表示。當二藍 色LEDs 6水平地相互鄰接時（例如顯示於第1A圖中之藍色 LEDs 6A與6B)，該藍色LED 6A之一 ITO透明電極24係 12 1334231 藉由一橋接佈線58(參見第2A圖）而連接至該藍色LED 6B 之一 Ti/Au電極26。 橋接佈線54、56與58以及結合襯墊46與48係於後 述之晶圓製造方法中形成。因此，相較於藉由諸如蝕刻於一 印刷佈線板之技術而形成組件的例子，本發明可精確地形成 橋接佈線54、56與58以及結合襯墊46與48。此允許欲 被形成之相鄰藍色與紅色LEDS 6與8相互靠近。其結果， 由於自該藍色LEDS 8發射之藍光可與自該紅色LEDs 6發
射之紅光混合更好，因而可降低色彩的不均勻度。
在該LED陣列晶片2中，以串聯相連接之該藍色LEDs 6與紅色LEDS 8之間，一藍色LED 6C (參見第1A與1B 圖）係一在該LED陣列晶片2之下方位置端的LED。因此， 該藍色LED 6C之一 Ti/Au電極係該LED陣列晶片2的陰 極電極。一藍色LED 6D (參見第1A與1B圖）係在一較高位 置端上的LED。因此，形成於該藍色LED 6D之部分ITO透 明電極24上之一 Ti/Au結合襯墊59 (參見第1B圖）係該 LED陣列晶片2之一陽極電極。並非是該藍色LED 6D之該 ITO透明電極24為陽極電極。此乃由於該ITO透明電極24 無法適宜地連接至用於安裝該LED陣列晶片2之結合佈線的 緣故。 一 Ti/Pt/Au薄膜60係形成在該SiC基材4之整個下 表面上。 當50 Ma之電流經由具有確保熱逸散之陽極電極與陰 極電極而施加至具有上述構造之該LED陣列晶片2時，係觀 13 察到1QG V之操作電壓。 以下部分係參昭第 之副陣列日曰片2_皮 述使用資晶圓製造方法 睡片2的製造方法。在第3至5圖中，用以形成 錄數^晶片2之各構件的材_以其第—位數為一之三 =表示。該三位數數字之末二位數係表示識別該_ 2之對應構件的參考標號。該晶圓製造方法係包括 形成-多層半導體薄膜之外延生長步驟以及—形成一電 極、一襯墊、—佈線及其等類也物之佈線步驟。
首先，如第3圖所示，一 n_AlGaN緩衝層ιι2、一 n_GaN 匕覆層114、一由InGaN/GaN、一 包覆層山以及 一 P AN接觸層12Q所構成之六段卿紐射層ιΐ6係在 所述之順序下使用金屬有機化學蒸汽沈積（Μ。。则而形成 在-未摻雜的SiC基材1Q4上（步驟A1)。於此，該未推雜 的sic基材104係具有二英时的直徑以及3〇〇㈣的厚度。 在此之後’係形成一罩模62,以在由層12〇、118、116、 114以及112所製成之層合上掩蓋一區域，該區域係比欲形 成各藍色LED 6之Ni/Au薄膜22 (以及該IT0透明電極μ) 之區域稍為來得大。一該層合之未掩蓋區域係藉由蝕刻至一 約該n-GaN包覆層II4之一半厚度的深度而去除（步驟 B1)。因此，係形成一用以連接該Ti /All電極26( 一電極形 成表面）之表面64。該罩模62係於下一個步驟前被去除。 隨後形成一罩模（未顯示於第3中），以掩蓋一欲形成各 藍色LED 6之區域。一該層m與層II2之殘留厚度的未 掩蓋區域係藉由蝕刻至該SiC基材1〇4之一表面曝露出來的 1334231 深度而加以去除（步驟C1)。因此，由該n_A1GaN緩衝層ιΐ2 至該p-GaN接觸層uo所構成之層合係分割成個別的藍色 LEDS6，並產生用於安裝該紅色LEDs 8之區域（空間）66。 於此’一預定的間隔係提供在水平與垂直相互鄰接之藍色 LEDs 6之間。該罩模係於下一個步驟前被去除。 一為絕緣薄膜之薄膜68係藉由濺鍍或其類似之 技術而形成（步驟D1)。該sisN4薄膜68係設置用以保護該 LED陣列晶片2之一表面並使該橋接佈線54、56與58以 及結合襯墊46與48與不需要的構件相絕緣。 41 在此之後，係形成一罩模7〇，以掩蓋除了一欲形成各 藍色LED 6之Ni/Au薄膜22(以及該ITO透明電極24)之 區域外的該ShN4薄膜68。一該Si3N4薄膜68之未掩蓋區 域係藉由蝕刻加以去除。在此之後，一 Ni/Au薄膜122以 及一 ITO薄膜；ι_24係藉由沈積、濺鍍或其類似之技術而形 成。因此’係形成用於各藍色LEE) 6之該Ni/Au薄膜22 以及1T〇透明電極24。形成在該罩模7〇上之該Ni/Au薄 膜122以及ITO薄膜ία之層合的一部分（未顯示於第4圖）_ 係在下一個步驟前連同該罩模70 —起被去除。 執行與步驟E1相同的程序，以形成各藍色LED 6之該 Ti /Au電極2 6。特定而言，係形成一罩模72，以在該步驟 - E1後掩蓋所得之表面，除了 一在該si3N4薄膜68上之用於 _ 欲形成各藍色LED 6之Ti/Au電極26的區域外。在藉由蝕 刻去除一該S^N4薄膜68之未掩蓋區域後，藉由沈積而提. 供一薄金屬薄膜之Ti/Au薄膜，以形成該Ti/All電極 15 1334231 26 (步驟F1卜該Ti/Au薄膜I%形成在該罩模72之一部 分（未顯示於第4圖）係在下一個步驟前連同該罩模72 一起 被去除。 在隨後的步驟中’該橋接佈線54、56與58以及該結 合襯墊46與48係以下列方式形成。形成一罩模82，以掩 蓋在該步驟F1後之所得表面，除了欲形成該橋接佈線M、 56與58以及結合襯墊46與48之區域外。在此之後，藉由 沈積而形成-薄金屬薄膜之Ti/pt/Au薄膜，以形成該橋接 佈線4、56與58以及該結合襯墊46與48(步驟G1)。形 成在省罩模82上之該Tl/pt/Au薄膜的一部分（未顯示於第 5圖)係在下-個步驟前連同該罩模82 —起被去除。 β在此之後，該Sic基材1〇4之一下表面係被抛光，使 得》〆SiC基材104之厚度變成15〇 口爪。一以薄膜 160係藉由沈積而接著形成在該下表面上（步驟叫。 在隨後步驟中，該紅色LED 8係藉由毛細作用（未示於 第5圖）的方式而倒裝晶片安裝於該批基材ι〇4上。詳言 之’該紅色LED 8係藉由突起部5〇與52而分別與該批 2材104上之結合襯墊46與48相連接。（步驟⑴。要注 〜的疋°亥紅色LED 8係以後述之方式而分別獨立地製得。 ^第5圖所示’該紅色咖8係比該藍色LED 6高-約相 等；/ Sic基材1〇4之厚度的長度。由第工八與工丑圖可見， 於列與欄方向相鄰於該紅色励8之各副係一藍色刷 1因此’该紅色LEDs 8可在未有毛細干擾相鄰LEDs下被 今易地安裝。由於該紅色LEDs 8係、設置於該7列與5欄之 16 1334231 最外面的欄與列内，因此，該紅色LEDS 8可在該Μ。基材 104上之二相鄰LED陣列晶片2之間，垂直地與水平地相互 鄰接。於此，於該相鄰的LED陣列晶片2之間，係提供一預 疋的間隔’作為一切割邊緣（dicing贴郎⑴。此可解決 上述在相鄰紅色LEDs 8間之毛細干擾的問題。 最後，該SiC基材1〇4係藉由切割而被分割成個別的 LED陣列晶片2。因此，製得顯示於第Μ與1B圖中之led 陣列晶片2。 另有一可獲得與上述製造方法相當之高安裝密度的製 造方法。詳言之，包括於一導電性圖案内之一佈線圖案與一 結合襯墊係首先於一晶圓製造方法中形成在一 sic基材上。 分別獨立地製得之藍色LEDs (LED晶片）與紅色leds (LED 明片）係接著被安裝在該S i C基材上。在此情況下，藍色與 紅色LEDs兩者必須被逐一地（OI1e by one)安裝。然而， 根據本實施例’由於該藍色LEDs 6係藉由外延生長而形成 在該SiC基材ι〇4上’因此，可省略安裝該藍色LEDs之步 驟。由於毛細傳送（capillary shuttles)的次數可降低 21次（相當於對各LED陣列晶片2之藍色LEDs 6的數目）， 因此’此可達成製造花費的降低。 再者，本實施例可比安裝藍色LEDs之方法，獲得於相 鄰藍色LEDs 6間之顯著較高相對位置準確度。因此，當與 安裝藍色與紅色LEDs兩者之製造方法比較時，本實施例可 達成2倍之該藍色LEDs 6與8間的相對位置準確度 (relative location accuracy) ’藉此可獲得色彩不均 17 勻度的降低。 以下將參照第6與7圖描述用於紅色LEDs 8之製造方 法。 在第6與7圖中，一用以形成該紅色LED 8之各構件 的材料係以其第一位數為一之三位數數字表示。該三位數數 子之末二位數係表示識別該紅色LED 8之對應構件的參考標 號。 該紅色LED 8係以諸如揭露於日本未審查專利申請案 第2〇01-57441號之方法而製造。首先，一 ^㈤⑽接觸 ♦ 層 138、一 η-ΑΙΙηΡ 包覆層 136、一 AlGalnP MQW 光發 射層134、一 ρ-AlInP包覆層132以及一 p_Gainp接觸層 13〇係藉由使用MOCVD法而以所述之順序形成在一 n_GaAs 基材84上。該n-GaAS基材84係用於容易地獲得晶格匹配 (lattice matching)。一傳送紅色光之 p_Inp 基材 128 係黏著至該p-GalnP接觸層wo之一表面上。該吸收紅色 先之n-GaAs基材84係被移除（步驟Μ)。於此，該p_Inp 基材128之厚度為250 μπι。 參 在此之後，一罩模86係形成在該n_GaInp接觸層138 之一表面上，以掩蓋一區域，該區域係比欲形成各紅色LED 8 之Ni/Al電極40之區域稍為來得大。一由層138至132 - 所構成之層合之未掩盍區域係藉由姓刻至一該p_GaInp接 ， 觸層i3〇之一表面曝露出來的深度而去除（步驟Β2)β因此， 係形成一用以連接該Τι/Α1電極4〇( 一電極形成表面）之表 面。該罩模86係於下一個步驟前被去除。 18 一為絕緣薄膜之Si3^薄膜88係藉由濺鍍或其類似之 技術而形成在所得之表面上，以用於絕緣與表面保護（步驟 C2) 〇 形成一罩模90，以掩蓋除了一欲形成各紅色led 8之 Ni/Al電極4〇之區域外的該以3^薄膜8卜一該si3N4薄 膜88之未掩蓋區域係藉由蝕刻加以去除。一 Ni/A1薄膜14〇 係接著藉由沈積而施加。因此，係形成該Ni/A1電極4〇 (步 驟D2)。形成在該罩模9Q上之該Ni/A1薄膜i4Q之一部分 (未顯示於第7圖）係在下一個步驟前連同該罩模9〇 一起被 去除。 執订與步驟D2相同的程序，以形成用於各紅色lEd 8 k Ni /Au電極4 2。特定而言，係形成一罩模9 2，以在該 步驟D2後掩蓋所得之表面，除了 -在該Si3N4薄膜88上之 用於奴形成各紅色LED 8之Ni/Au電極42的區域外。該 以3^薄膜88之未掩蓋區域係藉由蝕刻加以去除。藉由沈積 而把加為薄金屬薄膜之Ni/Au賴Μ2,以形成該犯細 電極42 (步驟E2)。該Ni/Au薄臈I42形成在該罩模92上 之。卩刀（未顯不於第7圖）係在下一個步驟前連同該罩模 92 一起被去除。 該Ρ-Ιηρ基材工28之—下表面係被拋光，使得該 基材128之厚度變成100叩。最後，該ρ-ΐηρ基材128 係藉由切割而分割成個別的紅色LEM 8。因此係製得該 紅色LEDs s (步驟F2)。
第8圖係一外部透視圖’其例示說明一包括上述LED 19 1334231 陣列晶片2之白色LED模組200(其後簡稱為''一 LED模組 200”）。該LED模組200係附接至一發光單元24〇(顯示於 第11A與11B圖中並於其後描述）。 LED模組2〇係包括陶瓷基材2〇2，其係為具有5 cm 直徑之圓形且係由氮化鋁（A1N)以及三玻璃透鏡2〇4、2〇6 以及208所製成。一用以將該LED模組2〇〇附接至該發光 單凡24〇與端子212與214A，以接收自該發光單元24〇之 電力供應的導引凹槽210係設置在該陶瓷基材2〇2内。除了 A1N，該陶究基材2〇2可由Al2〇3、抓、购〇、Zn〇、sic 或鑽石製成。 第9A圖係例示說明該[ED模組2 0 0的平面圖，第9B 圖係例示說明沿第9A圖中之線BB之該LED模組2 〇 〇的截 面圖，而第9C圖係例示說明第9B圖之部分^的放大圖。 如第9Ά與9B圖示，一導引孔（一穿孔）216係設置在 "亥陶瓷基材2 02之中央，以將該LEC)模組2 〇 〇附接至該發 光單元24〇。如第9C圖所示，一金電鍍217係被施加至該 陶瓷基材2〇2之一下表面，以增進熱逸散。 该LED陣列晶片2係安裝在一位置，即，在該陶瓷基 材2〇2之一上表面，且對應於具有如第9丸圖所示之圓形之 各透鏡2 04 ' 2 〇 6以及2 〇 8的中央。總而言之，三LED陣列 晶片2係安裝在該陶究基材202上。 一用於晶片安裝218之陰極襯墊（其後簡稱為'、一陰極 概塾21S〃）以及一陽極椒墊22〇 (如第1〇B圖所示）係設置 在位置上，即，在該在該陶瓷基材2〇2之上表面，其中各 20 1334231 LED陣列晶片2欲被安裝處。各陰極襯墊218與陽極襯墊 220係由鎳（Ni)電鍍製成，而後金（Au)電鍍係施加在銅（Cu) 上。該LED陣列晶片2係使用焊料而以該SiC基材4係黏 著至該陰極襯墊218的方式而安裝至該陰極襯墊218。於 此，可使用一金突起物或銀槳料來取代該焊料。 在以上述方式安裝該LED陣列晶片2後，該LED陣列 晶片2之陽極電極與陰極電極係分別藉由一結合佈線222與 結合佈線224而連接至陽極襯墊220與陰極襯墊218,如第 9 C圖所示。 鋁板228係黏接至一形成在該陶瓷基材202之上表面 上的絕緣樹脂層230。該鋁板厚度為0.5 mm，並具有與該 等透鏡204、206以及208相同直徑之圓形的形狀。於此， 各鋁板228係具有一圓錐反射孔226，其係被設置以對應於 安裝該LED陣列晶片2之位置。該反射孔226係設置在該 圓形鋁板228之中心内，並在其較低側具有3 mm之直徑而 在其較高側具有4 mm之直徑。該向下圓錐反射孔226之斜 面（壁）係一類鏡子（mirror - 1 ike)表面，以作為反射鏡的 功能。
各LED陣列晶片2係具有磷分散的構件232，其係在 LED陣列晶片2安裝於該陶瓷基材202之上表面上後被設 置。該磷分散的構件232係由分散有綠-黃磷（Sr, Ba)2Si04:Eu2 +粒子以及極微小粒子Si02之聚矽氧樹脂而 製成。該磷分散的構件232係藉由將該反射孔226充填該聚 矽氧樹脂而形成。該磷分散的構件232係將部分自該LED 21 1334231 陣列晶片2發射之藍光轉換成綠-黃光。該綠-黃光、該駐光 以及紅光係擴散並一起混合，以產生白光。當與—YAG碟相 比較時，該磷（Sr, Ba)2Si〇4:Eu2 +係具有一在聚石夕氧樹脂 . 内較高的分散度，且因此可均勻地分散在該聚矽氧樹脂内。 . 因此，不僅藍光與紅光係較佳地混合在一起，綠-黃光與藍光 以及紅光亦較佳地混合在一起。結果，可產生低色彩不均句 地之白光。 各透鏡204、206以及208係使用一黏著劑234而黏 著至該鋁板22 8。舉例而言，該黏著劑2 34可為聚矽氧樹脂 鲁 或環氧樹脂。 該三LED陣列晶片2係藉由一形成在該陶瓷基材2 〇2 之上表面上的佈線圖案而平行地連接。 第1 0 A圖係例示說明在移除鏡片2 0 4、2 〇 6與2 0 8、該 三銘板228以及該絕緣樹脂層23〇後，該LED模組200的 平面圖。在第10A圖中，該三LED陣列晶片2係藉由加上 額外的A、B以及C符號而相互區別。 如上所述，該陽極襯墊22〇與陰極襯墊218(第10B圖） ® 係被印製（printed)在一位置上，即，該陶瓷基材202之上 表面，其中各LED陣列晶片2A、2B以及2C被安裝處。 分別連接至該等LED陣列晶片2A、2B以及2C之陽極 襯塾22〇係藉由一佈線圖案而相互電氣連接。該佈線圖 案236係在其端點處連接至正（positive)端子212。分別 連接至該等LED陣列晶片2A、2B以及2C之陰極襯墊218 係藉由一佈線圖案238而相互電氣連接。該佈線圖案238 22 1334231 係在其端點處連接至負（negative)端子214。易言之，該 等LED陣列晶片2 A、2B以及2 C係藉由佈線圖案2 3 6與2 3 8 而平行地連接。 具有上述構造之LED模組200係附接至該發光單元 24〇。該LED模組200與發光單元24〇係構成一發光裝置 2 4 2 (後述）。 第11A圖係例示說明一該發光裝置242的立體透視圖 而第11B圖係例示說明該發光裝置2 42的底面圖。 舉例而言’該發光單元24〇係固定在一房間的天花板 上。該發光單元24〇包括一電力供應電路（未示於第11A與 11B圖中），其係將供應自一般電力源之交流電（例如1〇〇 v, 50/6〇Hz)轉換成用於驅動該LED模組200之直流電。 以下參照第12圖描述一將該LED模組2 0 0附接至該發 光單元240的構造。 該發光單元24〇具有一用以裝配該LED模組2 0 0之圓 形凹槽244。該圓形凹槽244之底表面係平坦的。於該圓形 凹槽244之一開口端的附近（vicinity)，該圓形凹槽244 之内側壁上產生一内部紋路（internal thread)(未示於 第12圖中）。彈性的電力供應端子246與248以及一導引 突出部250係自該圓形凹槽244之内側壁突出於該圓形凹槽 244之内部紋路與該底表面之間。該電力供應端子246與 248係分別為正極與負極。一導引銷252係設置在該圓形凹 槽244之成表面的 中心内。 一由二氧化矽橡膠製成之0形環254以及一環形螺旋 23 1334231 256係用於將該LED模組200附接至該發光單元24〇。該環 形螺旋256具有大體矩形截面的形狀…内部紋路（未示於 第12圖中）係產生於該環形螺旋2SG之外表面上且一凹槽 258係被設置。 以下描述將該LED模組200附接至該發光單元24〇之 程序的部分。 首先，該LED模組200係以下述方式裝配在該圓形凹 槽244内。該LED模組2〇〇之陶究基材2〇2係設置在該圓 形凹槽244之底表面與該電力供應端子us與248之間。籲 該導引銷252係裝配在該導引孔216内，以將該模組 2〇〇之中心與該圓形凹槽244之中心對齊。再者，該導引突 出部25〇係裝配在該導引凹槽21〇内，以將該正與負端子 2工2以及214分別與該電力供應端子ms與248對齊。 在該LED模組200裝配於該圓形凹槽2以内後，已附 接〇形環254之環形螺旋256係被旋入該圓形凹槽244内 並加以固定》因此，該正與負端子212與214係分別連接至 該電力供應端子246與248，使得端子21：2與214係可靠 _ 地電氣連接至端子246與248。再者，該陶瓷基材2〇2之大 體上整個下表面係連接至該圓形凹槽244之平坦的底表面。 此使得產生於該LED模組2〇〇内之熱被有效地傳導至該發光 . 單7C 24〇，藉此增進該LED模組2〇〇之冷卻效率。於此，可 . 將聚矽氧潤滑劑（S1llcone grease)施加至該陶瓷基材 2〇2之下表面以及該圓形凹槽244之底表面，以進一步增進 自該LED模組200至該發光單元24〇的熱傳導效率。 24 1334231 當電力由一般電力源施加至此發光裝置242時，在各 LED陣列晶片2中，該藍色LEDs 6係發射藍光，而該紅色 LEDs 8係發射紅光。於此，部分藍光如上述係藉由在填分 散構件232内之磷而轉換成綠-黃光。此藍光、紅光與綠-黃光係於該磷分散構件2 32内擴散並混合在一起，以產生白 光。白光係發射穿透該等透鏡204、206以及208。
當一 150 Ma之電流施加至該LED模組200時，係觀 察到如第13圖所示之800 lm之總光通量、1600 cd之軸 (on - axi s)發光強度，以及一發射光譜。本實施例之發光裝 置242係獲得3000K之色彩溫度、（0.435, 0.400)之色 座標（X, y)，以及95之一般色彩透視指數（color rendering index) Ra °因此，該發光裝置242係獲得一 無法由習知白色LEDs所達成之低色彩溫度以及絕佳的色彩 供應。 於此，該一般色彩透視指數Ra係由各藍色LED 6、紅 色LED 8以及綠-黃構之峰值發射波長而決定。因此，該一 般色彩透視指數Ra可藉由改變各藍色LED 6、紅色LED 8 以及綠-黃鱗之峰值發射波長而加以調整。該藍色與紅色 LEDs 6與8之峰值發射波長可藉由改變該MQW光發射層16 與3 4之厚度與組成比率而加以變化。該綠-黃鱗之峰值發射 波長可藉由改變其組成比率而加以變化。 第14A至14E圖係描繪當藍色LED6 (B)之峰值發射 波長為 450 ' 455 ' 460、465 或 470 nm 時’以紅色 LED 8 (R) LED之峰值發射波長與綠-黃磷（G-Y)之峰值發射波長 25 1334231 為基礎，在300OK之色彩溫度下之一般色彩透視指數Ra 。 在各第14A、14B、14C、14D以及14E圖中，一在實 線圓形内之區域係獲得約90或更高之一般色彩透視指數 Ra。特定言之，當藍光之峰值發射波長在455 nm與465 nm 之範圍内、紅光之峰值發射波長在620 nm與630 nm之範 圍内，且綠-黃磷光之峰值發射波長在545 nm與555 nm 之範圍内時，可獲得90或更高之一般色彩透視指數Ra。
在各第14A、14B、14C、14D以及14E圖中，一在虛 線圓形内之區域係獲得約80或更高之一般色彩透視指數 Ra。特定言之，當藍光之峰值發射波長在450 nm與470 nm 之範圍内、紅光之峰值發射波長在615 nm與635 nm之範 圍内，且綠-黃磷光之峰值發射波長在540 nm與560 nm 之範圍内時，可獲得80或更高之一般色彩透視指數Ra。
此等峰值發射波長之範圍可在不降低用於該紅色與藍 色LEDs 6與8以及該綠-黃磷之製造方法的生產率下而獲 得。又，當使用一 YAG磷來取代用於該綠-黃磷之矽酸鹽磷 時，可應用此等範圍。 必須注意的是，本發明並非限制於上述實施例。本發明 係包括下列改良實例。 (1)根據本發明之實施例，藍色LEDs 6係藉由外延生 長而形成在該基材1 04上。紅色LEDs 8係獨立地藉由外延 生長而製造於該基材128上（其係與該基材104不同），而 後安裝至該基材104上。於此，反之亦可。易言之，紅色 LEDs 8可藉由外延生長而形成在該基材104上。藍色LEDs 26 1334231 6可獨立地製造，而後安裝至該基材104上。 (2) 根據本發明之實施例，僅一種型態之LEDs(紅色 LEDs 8)係安裝至該基材104上。然而，可亦安裝發射不同 色彩之另一種型態的LEDs，例如綠色LEDs。更特定言之， 在第1A與1B圖LED陣列晶片2中之第二、第四以及第六 列紅色LEDs 8可被綠色LEDs所取代。設若如此，可實現 一不使用磷之白色LED。當使用綠色LEDs時，較佳該磷分 散構件232可以一光擴散構件來取代，使得該三種光之色彩 較佳地混合在一起且色彩的不均勻度係進一步降低。該光擴 散構件可藉由將一鋁粉或其類似物與聚矽氧樹脂混合而形 成。 (3) 根據本發明之實施例，該LED陣列晶片2係包括 3 5 LEDs 6與8。然而，本發明並非限制於此。本發明亦可 應用至一 LED陣列晶片，其係一包括二或更多種（型態）之 LEDs的半導體光發射元件。 根據本發明之實施例，多數個LEDs 6與8係以矩陣設 置，但本發明並非限制於此。 (4) 根據本發明之實施例，在LED陣列晶片2中之所有 的LEDs 6與8係以串聯而連接，然而其等可以平行或串聯 -平行（series-parallel)而連接。為了獲得串聯-平行連 接，LEDs 6與8係分成數組。接著，在各組中之LEDS係 以串聯連接，而後該等組係以平行連接。 (5) 根據本發明之實施例，藍色LEDs 6係形成在該未 摻雜的SiC基材104上，其係為一高阻抗半導體基材。然而， 27 1334231 本發明並非限制於此。該藍色LEDs 6可形成在一為絕緣基 材型態之藍寶石（sapphire)基材上、一 A1N基材上，或一 具有高阻抗AlGaN層或其類似物之導電性基材上。此導電性 基材可為一 SiC、GaN或Si基材。 (6)根據本發明之實施例，透鏡204、206以及208係 由玻璃製成，但其等可由諸如環氧樹脂之樹脂所製成。 產業利用性 本發明可應用至一半導體光發射元件，舉例而言，一需 要低色彩不均勻度之發光裝置。 【圓式簡單說明】 第1A圖係例示說明一 LED陣列晶片的透視圖； 第1B圖係例示說明該LED陣列晶片的平面圖； 第2A圖係例示說明該LED陣列晶片之一部分的截面 圖； 第2B圖係例示說明在該LED陣列晶片内，LEDs如何 相互連接； 第3圖係例示說明該LED陣列晶片之製造方法的一部 分； 第4圖係例示說明該LED陣列晶片之製造方法的一部 分； 第5圖係例示說明該LED陣列晶片之製造方法的一部 分；
第6圖係例示說明包括於該LED陣列晶片内之紅色LED 28 1334231 之製造方法的一部分； 第7圖係例示說明包括於該LED陣列晶片内之紅色LED 之製造方法的一部分； 第8圖係例示說明一 LED模組的透視圖； 第9A圖係例示說明該LED模組的平面圖； 第9B圖係例示說明沿第9A圖中之線BB的戴面圖； 第9C圖係例示說明第9B圖之部分C的放大圖； 第10A圖係例示說明在移除鏡片與其等類似物後之該
LED模組； 第10B圖係例示說明形成在包括於該LED模組内之陶 兗基材上的襯塾圖案； 第11A圖係例示說明一發光裝置的透視圖； 第11B圖係例示說明該發光裝置的底面圖； 第12圖係例示說明該發光裝置之各組件的透視圖； 第13圖係例示說明該發光裝置之發射光譜；以及 第14A至14E圖係描繪以對藍LED之各不同峰值發射 波長，紅色LED與綠-黃磷之各峰值發射波長為基礎，在 300 0K之色彩溫度下之一般色彩透視指數Ra。 【主要元件符號說明】 2 LED陣列晶片 6A 藍色LED 2A LED陣列晶片 6B 藍色LED 2B LED陣列晶片 6C 藍色LED 2C LED陣列晶片 6D 藍色LED 4 SiC基材 8 紅色LED 6 藍色LED 12 n-AlGaN緩衝層 29 n-GaN包覆層 70 罩模 MQW光發射層 72 罩模 p-GaN包覆層 82 罩模 p-GaN接觸層 84 n-GaAs基材 Ni/Au薄膜 86 罩模 ITO透明電極 88 Si3N4薄膜 Ti/Au電極 90 罩模 InP基材 92 罩模 p-GalnP接觸層 104 未摻雜的SiC基材 p-Alo.sIn。.# 包覆層 112 n-AlGaN緩衝層 MQW光發射層 114 n-GaN包覆層 n-AlQ.5InQ.5P 包覆層 116 MQW光發射層 n-GalnP接觸層 118 p-GaN包覆層 Ni/Al電極 120 p-GaN接觸層 Ni/Au電極 122 Ni/Au薄膜 Si3N4薄膜 124 ITO薄膜 結合襯墊 126 Ti/Au薄膜 結合襯墊 128 p- InP基材 Au突起物 130 p-GalnP接觸層 Au突起物 132 ρ-Α1ΙηΡ包覆層 橋接佈線 134 AlGalnP MQW光發射層 橋接佈線 136 η-Α1ΙηΡ包覆層 橋接佈線 138 n-GalnP接觸層 Ti/Au結合襯墊 140 Ni/Al薄膜 Ti/Pt/Au 薄膜 142 Ni/Au薄膜 罩模 160 Ti/Pt/Au 薄膜 表面 200 白色LED模組 區域（空間） 202 陶瓷基材 Si3N4薄膜 204 透鏡 30 1334231 206 透鏡 232 構分散構件 208 透鏡 234 黏著劑 210 導引凹槽 236 佈線圖案 212 端子 238 佈線圖案 214 端子 240 發光單元 216 導引孔 242 發光裝置 217 金電鍍 244 圓形凹槽 218 陰極襯墊 246 電力供應端子 220 陽極襯墊 248 電力供應端子 222 結合佈線 250 導引突出部 224 結合佈線 252 導引銷 226 反射孔 254 0形環 228 鋁板 256 環形螺旋 230 絕緣樹脂層 258 凹槽
31

Claims (1)

1334231 第93Π2529號專利申請案申請專利範圍修正本修正日期：99年〇8月13日 ??年r月/3曰修正本 十、申請專利範圍： 1. 一種半導體光發射元件，其包含： 一基材； 多數半導體藍-光發射構件，其等於該基材上各具有一外 延結構， 多數半導體紅-光發射構件，其等係被安裝於一被設置在 該基材上之導電性圖案上；以及 一磷光體(phosphor) 係覆蓋該等半導體藍_光發射構 件與該等半導體紅-光發射構件，其中 各半導體紅-光發射構件經由至少一突起物被以倒裝晶 片安裝， β 各半導體紅-光發射構件從該基材的一主要表面之垂直 高度係大於各半導體藍-光發射構件從該基材的該主要表面之 垂直高度，且 該等半導體紅-光發射構件與該等半導體藍_光發射構件 係以一方式排列在一矩陣中，該方式使得除了-些位在該基材 角落之半導體藍-光發射構件以外，各半導體紅_光發射構件 在列與攔方向上皆相鄰至各半導體藍一光發射構件。 2·如申請專利範圍第1項之半導體光發射元件，其中， 各半導體藍-光發射構件包含一藍色LED 色-光發射構件包含—紅色咖，且 Μ導體紅 光。ι >光體係將由β亥等藍&LEDs發射之藍光轉換成綠、黃 3.如申D月專利範圍第2項之半導體光發射元件，其申， 32 1334231 由該等紅色LEDs發射之紅光具有一在615 nm與635 nm 範圍内之峰值發射波長， 該藍光具有一在450 nm與470 nm範圍内之峰值發射波 長，以及 該綠-黃光具有一在540 nm與560 nm範圍内之峰值發射 波長。 4. 如申請專利範圍第3項之半導體光發射元件，其中， 該紅光具有一在620 nm與630 nm範圍内之峰值發射波 長， 該藍光具有一在455 nm與465 nm範圍内之峰值發射波 長，以及 該綠-黃光具有一在545 nm與555 nm範圍内之峰值發射 波長。 5. 如申請專利範圍第2項之半導體光發射元件，其中， 該磷光體為矽酸磷光體（Ba, Sr)2Si04:Eu2+。 6. 如申請專利範圍第2項之半導體光發射元件，其中， 該基材係由SiC與A1N材料中之一者所製成。 7. 如申請專利範圍第2項之半導體光發射元件，其進一步包含： 一佈線圖案，其係將該等藍色LEDs與該等紅色LEDs電 氣連接在一起。 8. 如申請專利範圍第7項之半導體光發射元件，其_， 該佈線圖案係將該等藍色LEDs與該等紅色LEDs以串 聯連接在一起。 9. 一種光發射模組，其包含： 33 1334231 一印刷佈線板；以及 一半導體光發射元件，其包括· 一基材； 多數半導體藍，光發射構件，其等於該基材上各具有一 外延結構； 多數半導H光發射構件，其料被安裝於—被設置 在該基材上之導電性圖案上；以及 -鱗光體’其係覆蓋料铸體藍_紐射構件與該等 半導體紅-光發射構件，其中 各半導體紅-光發射構件經由至少一突起物被以倒裝晶 片安裝， 谷牛導體紅-光發射構件從該基材的—主要表面之垂直 高度係大於各㈣體藍-光發射構件從該基材的該主要表面 之垂直高度，且 /該等半導體紅-光發射構件與料半導魅-光發射構 件係以一方式排列在一矩陣中， ίο 該方式使付除了—些位在該 "洛之半導體藍—光發射構件以外，各半導體紅-光發射 構件在列與襴方向上皆相鄰至各半導體藍-光發射構件。 .如申：專利範圍第9項之光發射模組，其進一步包含： 一包括一封閉結構之發光裝 置在該封_射。 ，、中料發射核組係配 .如申請專利_第9項之光發射模組，其中， 各半導體藍-光發射構件包含一藍色哪， 色-光發射構件包含一紅色LED，且 切體紅 34 11 1334231 該磷光體係將由該等藍色LEDs發射之藍光轉換成綠-黃 光。 12. 如申請專利範圍第11項之光發射模組，其中， 由該等紅色LEDs發射之紅光具有一在615 nm與635 nm 範圍内之峰值發射波長， 該藍光具有一在450 nm與470 nm範圍内之峰值發射波 長，以及 該綠-黃光具有一在540 nm與560 nm範圍内之峰值發射 波長。 13. 如申請專利範圍第11項之光發射模組，其中， 該紅光具有一在620 nm與630 nm範圍内之峰值發射波 長， 該藍光具有一在455 nm與465 nm範圍内之峰值發射波 長，以及 該綠-黃光具有一在545 nm與555 nm範圍内之峰值發射 波長。 14. 如申請專利範圍第11項之光發射模組，其中， 該磷光體為矽酸磷光體(Ba, Sr)2Si04:Eu2+。 15. 如申請專利範圍第9項之光發射模組，其中， 該基材係由SiC與A1N材料中之一者所製成。 16. 如申請專利範圍第9項之光發射模組，其進一步包含： 一佈線圖案，其係將該等藍色LEDs與該等紅色LEDs電 氣連接在一起。 17. 如申請專利範圍第16項之光發射模組，其中， 35 1334231 該佈線圖案係將該等藍色LEDs與該等紅色leds 連接在一起。 ^ 18. -種用於製造-半導體光發射元件之方法，其包含： 設置一基材： 設置一基材； 上； 以-外延結構生長多數半導體藍光發射構件於該基材 «又置夕數半導體红_光發射構件於—被設置在該基 之導電性圖案上；以及 設置-碌光體，其覆蓋該等半導體藍_光發射構件與 半導體紅-光發射構件，其中 各半導體紅-光發射構件經由至少一突起物 片安裝， 日曰 各半導體紅-光發射構件從該基材的—主要表面之 m半導體藍-光發射構件從該基材的該主要表面之 該等半導體紅-光發射構件與該等半導體藍_光發射 係以方式排列在—矩陣中，該方式使得除了— 角落之半導體藍-光發射構件以外，各半導體紅1材 在列與棚方向上皆相鄰至各半導體藍·光發射構件。件 19·如申請專利範圍第則之方法，苴中， 光。叫先體係將由該等藍色咖8發射之藍光轉換成綠黃 36 1334231 20 .如申請專利範圍第18項之方法，其進一步包含： 形成一佈線圖案，其係將該等藍色LEDs與該等紅色 LEDs電氣連接在一起。 37
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