TWI383515B - 包含有光子能帶隙材料及發光材料之半導體發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體發光裝置，其帶有安置於該裝置與一發光材料層之間之光子能帶隙材料。
諸如發光二極體(LED)之半導體發光裝置為現今可用之最有效光源之一。現今製造可在可見光譜範圍內運作之高亮度LED所相關之材料系統包括：第III－V族半導體，尤其係鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金(亦稱為第III族氮化物材料)；及鎵、鋁、銦及磷之二元、三元及四元合金(亦稱為第III族磷化物材料)。第III族氮化物裝置常於藍寶石、碳化矽上磊晶生長，或第III族氮化物基板及第III族磷化物裝置於砷化鎵或磷化鎵上藉由金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD)、分子束磊晶技術(MBE)或其他磊晶技術磊晶生長。該等裝置包括夾於n型區與p型區之間之發光作用區。於n型區及p型區上提供電接點。
自半導體發光裝置所發射之光之顏色可藉由在離開晶片之光路中放置一波長轉換材料加以改變。舉例而言，該波長轉換材料可為一磷光體。磷光體為可吸收激發能(通常為輻射能)並在短時間內儲存此能量之發光材料。然後該儲存之能量以具有不同於初始激發能能量之光子形式發射。舉例而言，"向下轉換(down－conversion)"意謂發射光子具有低於激發光子能能量之情形。光子波長增加(因為E＝hc/λ)，光之顏色向紅色移動。
圖1說明如Miller等人的美國專利案第6,155,699號所詳述之先前技術中基於氮化鎵(GaN)之磷光體轉換LED 10。該LED 10包括當經激發時可產生藍色一級光(primary light)之GaN晶粒12。該GaN晶粒12安置於反射杯引線框14上並與引線16及18電耦合。引線16及18為GaN晶粒12提供電功率。GaN晶粒12係由磷光材料之區域20覆蓋。用以形成區域20之磷光材料之類型可視由區域20所產生之二級光之所需顏色而改變。藉由透鏡22密封GaN晶粒12及磷光區域20。透鏡22一般由透明的環氧樹脂製成。
在運作中，對GaN晶粒12施加電流以激發GaN晶粒12。GaN晶粒12經激發發射一級光(意即藍光)遠離其上表面。該發射之一級光係由磷光區域20吸收。然後隨一級光之吸收，磷光區域20發射二級光(意即具有更長峰值波長之經轉換之光)。該二級光係由磷光區域20隨機以不同方向發射。一些二級光係經發射遠離GaN晶粒12，經透鏡22傳播並作為輸出光離開LED 10。透鏡22以箭頭24所指之方向引導輸出光。
但一些二級光自磷光區域20向GaN晶粒12發射。發射至GaN晶粒12之二級光之量可能為所產生之二級光之一半的量。然後大量該二級光由半導體層吸收並與GaN晶粒12中之金屬接觸。因此，最終作為輸出光脫離LED 10之二級光之量顯著減少。據估計，典型先前技術中如LED 10之LED之最大外部轉換效率為約60%。該最大外部轉換效率係輸出光相對於所發射之一級光之百分比。
Singer等人的美國專利案第5,813,752號描述了一種包括一用以減少上述低效原因之"短波通(short wave pass)"(SWP)濾波器之磷光體轉換LED。Singer等人之LED實際上與LED 10相同，只是該SWP濾波器安置於GaN晶粒12之上表面並夾與GaN晶粒12與磷光區域20之間。該SWP濾波器透射來自GaN晶粒12之一級光，但反射部分自磷光區域20發射之二級光。因此，該自磷光區域20發射至GaN晶粒12之部分二級光由SWP濾波器反射並透過透鏡22，從而提供總輸出光。設計經SWP濾波器之二級光之反射以提高外部轉換效率。
對Singer等人之LED而言所關注的是SWP濾波器不具有性能良好之透射及反射特性以分別有效透射並反射各角度範圍內之一級光及二級光。理論上該SWP濾波器應將所有自GaN晶粒12之一級光透射至磷光區域20並將所有自磷光區域20發射之二級光反射至GaN晶粒12。該關注基於所發射之一級光以大範圍之入射角衝擊至SWP濾波器上之事實。入射角為自入射光之傳播方向至法線(SWP濾波器表面之垂直線)量測之角度。該SWP濾波器呈現強烈之角度依賴性，且大範圍之入射角將導致不合需要之透射及反射特性。詳言之，該SWP濾波器將自GaN晶粒中產生並以大入射角向SWP濾波器發射之大部分一級光反射回GaN晶粒12中。因此，該部分發射之一級光將無法透過SWP濾波器達至磷光區域20。因而透過SWP濾波器之一級光之量的減少將減少可藉由磷光區域20轉換之一級光之量。因此，由磷光區域20產生之二級光之量亦減少。總的結果為自Singer等人LED之輸出光之量因SWP濾波器之透射率低於最佳透射率而減少。
如圖2所示，Miller等人提出一種解決Singer等人存在之問題之方法。GaN晶粒12用由透明材料製成之密封層28覆蓋。該透明材料可為透明環氧樹脂或玻璃。密封層28為包圍晶粒12之圓頂形結構。在Miller等人之較佳實施例中，該圓頂形結構為半徑為A至C之距離之半球形結構。A至C至距離等於或大於A至B距離之三倍。分佈布喇格反射鏡(distributed Bragg reflector)(DBR)鏡30與密封層28相鄰。由於DBR鏡30形成於密封層28之上表面之上，因此DBR鏡30為一圓頂形殼體。磷光材料層36位於DBR鏡30之上。DBR鏡30允許大量一級光透過DBR鏡達至磷光層。透過DBR鏡之一級光之量取決於DBR鏡之透射特性。移動DBR鏡遠離GaN晶粒一段距離將減小入射角之範圍。小範圍入射角增加一級光之透射。
Miller等人提出之設計存在若干問題。首先，儘管將DBR鏡30與晶粒12隔開會減小入射角範圍，但Miller的DBR 30仍僅能透射有限入射角範圍內之一級光。其次，Miller之DBR 30僅能反射由Miller的磷光材料層36發射之有限入射角範圍內之二級光。由於光係由磷光材料層36以任意方向發射，因此大部分該二級光可由DBR 30透射至晶粒12並被吸收。第三，Miller的DBR 30層厚度必須加以精確控制以得到所想要之反射及透射特性。由於DBR 30形成與曲面上，因此需控制厚度之DBR 30之製造可能較困難且較昂資。第四，由於Miller的DBR 30與晶粒12隔開，因此Miller裝置之源尺寸非想要地大於無DBR 30之裝置，其限制了Miller裝置實際應用之範圍。
根據本發明之實施例，發光結構包括：一可發射具有第一峰值波長之第一光之半導體發光裝置、一安置於該半導體發光裝置上之可發射具有第二峰值波長之第二光之發光材料，以及一安置於該發光裝置與該發光材料之間之三維光子能帶隙材料。該光子能帶隙材料可透射該第一光並反射該第二光，而無需顧慮該第一光及該第二光之入射角。
圖3說明根據本發明實施例之發光結構。覆晶半導體發光裝置包括基板40、n型區42及發光作用區44及p型區45。接觸器46分別與p型區及n型區連接，且藉由互連元件47將該裝置與安裝台48電連接並實體連接。
發光材料層49安置於該發光裝置上。該發光材料層49為任何可吸收作用區44之發光且可將該光轉換為一不同波長光之適合的材料。儘管可能使用諸如有機染料之其他發光材料，但發光材料層49通常包括一磷光材料作為發光材料。發光材料層49可能包括一種以上之發光材料及其他非發光材料。發光材料層49可能包括一或多種磷光體，該或該等磷光體：作為漿料沈積在樹脂或其他透明材料中；藉由如電子束蒸鍍法、熱蒸鍍法、射頻磁控濺鍍法、化學氣相沈積法或原子層磊晶生長技術作為薄膜沈積；或藉由如絲網印刷、如美國專利案第6,650,044號中所述之模板印刷(stenciling)或藉由如美國專利案第6,576,488號中所述之電泳沈積作為等形層沈積於LED 1上。薄膜在美國專利案第6,696,703號中有更詳細描述。美國專利案第6,696,703號、美國專利案第6,650,044號及美國專利案第6,576,488號各以引用的方式併入本文中。
光子能帶隙(PBG)材料50，例如二維或三維PBG，安置於該發光裝置與發光材料層49之間。光子能帶隙材料50包括於二維或三維上折射率之週期性變化。該週期性變化會影響光傳播穿過該光子能帶隙材料之路徑，從而產生該光子能帶隙材料中之容許能量範圍，其通常表示為包括藉由能帶隙分隔之能帶或光子能帶之能帶圖。具有光子能帶中能量之光子可在該光子能帶隙材料中傳播，而具有能帶隙中能量之光子則不能。此等光子被反射。選擇並形成該光子能帶隙材料50，使得由作用區發射之光波長在光子能帶中，且由發光材料發射之光波長在光子能帶隙中。因此，光子能帶隙材料50透射由作用區44發射之光波長，而反射由發光材料層49發射之光波長。適合之光波長被透射及反射，而無需顧慮光之入射角。
舉例而言，光子能帶隙材料可為晶格排列之聚苯乙烯球，以使得折射率在聚苯乙烯球之折射率至空氣或各球間其他材料之折射率之間週期性變化。聚苯乙烯球可沈積於發光裝置於溶液外之表面上。在其他實例中，光子能帶隙材料為形成於諸如晶體、玻璃或介電材料之非吸光材料之多層中之填充有空氣或另一材料之週期性孔洞陣列，使得折射率在主材料之折射率至填充孔洞之空氣或其他材料之折射率之間週期性變化。各層中孔洞之週期性陣列可偏移，以產生折射率之三維變化。晶態光子能帶隙材料可使用習知技術磊晶生長且在多層中圖案化。可使用習知技術，在多層中沈積並接著圖案化玻璃或介電光子能帶隙材料。舉例而言，在某些實施例中，可用聚苯乙烯球在層內沈積玻璃或介電材料，然後經蝕刻以移除聚苯乙烯球，從而形成週期孔洞陣列。例如，藉由改變球或孔洞之尺寸或週期性而改變週期性變化將引入新能級。因此可藉由適當選擇折射率週期性變化之晶格常數來設計容許及禁阻波長。舉例而言，適合之光子能帶隙材料可包括具有週期孔洞陣列之球之單層或晶體、介電或玻璃單層(對二維光子能帶隙材料)或具有週期孔洞陣列之球之多層或晶體、介電或玻璃多層(對三維光子能帶隙材料)。光子能帶隙材料之週期性為約λ/4，其中λ為光子能帶隙材料中二級光之有效波長。在某些實施例中，二維或三維光子能帶隙材料可能呈現立方或六方對稱。
選擇光子能帶隙材料以高度地透射由作用區發射之一級光，且至少部分地反射由發光材料發射之二級光。若光子能帶隙材料恰好適當反射二級光，則該裝置之效率可能較缺少光子能帶隙材料之裝置有很大改良。在某些實施例中，光子能帶隙材料透射一級光之至少90%，且反射二級光之至少50%。更佳地，光子能帶隙材料反射二級光之至少90%。
圖4說明在圖3中所示之裝置中四束光線之行為。圖4中之實線說明來自裝置作用區之未轉換光，而虛線說明由發光材料層49轉換之光。光線A由作用區發射，透射穿過光子能帶隙材料50，經發光材料層49中之粒子散射而未經轉換，直至其再次入射於光子能帶隙材料50上。由於光線A未經轉換，因此其透射穿過光子能帶隙材料50而返回裝置中，可能由裝置予以吸收。光線B由作用區發射並透射穿過光子能帶隙材料50，於其中入射至發光材料層49之粒子上，該發光材料層49吸收光線B並將其作為經轉換之光發射。經轉換之光線B經發光材料層49散射，直至其入射於光子能帶隙材料50上。由於光線B已得以轉換，因此其具有經光子能帶隙材料50以任一入射角反射之波長。因此阻止光線B重新進入裝置並可能由裝置吸收。光線C及D由作用區發射並透射穿過光子能帶隙材料50，於其中入射至發光材料層49之粒子上，該發光材料層49之粒子吸收光線C及D並將其作為經轉換之光發射。隨後光線C及D直接(D)或在額外散射後(C)離開發光材料。如圖4所示，當使用一光子能帶隙結構時，未轉換之光仍可散射回至裝置中。但向裝置散射之經轉換之光受到反射，可能會減少光損失並提高裝置之總效率。
在某些實施例中，光子能帶隙材料可運用在發射單色光之波長轉換裝置中，如將發射紫外光(UV)之作用區與發射紅、綠或藍光之單一磷光體組合之裝置，或將發射藍光之作用區與發射紅或綠光之單一磷光體組合之裝置。在發射單色光之裝置中，發光材料層通常被組態成促使由作用區發射之光之低於10%未經發光材料轉換而脫離該裝置。
在某些實施例中，光子能帶隙材料可運用在發射白光之波長轉換裝置中，如將發射紫外光之作用區與兩個或三個或三個以上磷光體(如在二磷光體系統中發藍光及綠光之磷光體及在三磷光體系統中發藍光或綠光及紅光之磷光體)組合之裝置。在具有發射紫外光之作用區之白光裝置中，發光材料被組態成促使由作用區發射之光之低於10%未經發光材料轉換而脫離該裝置。在具有發射藍光之作用區之白光裝置中，發光材料被組態成促使由作用區發射之光之一部分(如低於50%)未經發光材料轉換而脫離該裝置，以致於由作用區發射之未經轉換之光部分與由發光材料層發射之光組合使得該組合光呈白色。
在具有多磷光層之實施例中，可如2004年2月23日申請之申請案第10/785,616號中所述將磷光體混合或形成於離散層中，其中該案以引用的方式併入本文中。各磷光體可由作用區發射之光激發或由其他磷光層發射之光激發。選擇光子能帶隙材料之性質以反射由各磷光體發射之光。在某些實施例中，額外的光子能帶隙材料可安置於單獨的磷光層之間。
適合之發射黃光或綠光之磷光體之實例包括(Lu1 － x － y － a － b
Yx
Gdy
)3
(Al1 － z
Gaz
)5
O1 2
：Cea 3 ＋
Prb 3 ＋
，其中0<x<1，0<y<1，0<z0.1，0<a0.2且0<b0.1，其包括如Lu3
Al5
O1 2
：Ce3 ＋
及Y3
Al5
O1 2
：Ce3 ＋
；(Sr1 － a － b
Cab
Bac
)Six
Ny
Oz
：Eua 2 ＋
(a＝0.002－0.2，b＝0.0－0.25，c＝0.0－0.25，x＝1.5－2.5，y＝1.5－2.5，z＝1.5－2.5)，其包括如SrSi2
N2
O2
：Eu2 ＋
；(Sr1 － u － v － x
Mgu
Cav
Bax
)(Ga2 － y － z
Aly
Inz
S4
)：Eu2 ＋
，其包括如SrGa2
S4
：Eu2 ＋
；及Sr1 － x
Bax
SiO4
：Eu2 ＋
。適當之發射紅光之磷光體之實例包括(Ca1 － x
Srx
)S：Eu2 ＋
，其中0<x1，其包括如CaS：Eu2 ＋
及SrS：Eu2 ＋
；及(Sr1 － x － y
Bax
Cay
)2 － z
Si5 － a
Ala
N8 － a
Oa
：Euz 2 ＋
，其中0a<5，0<x1，0y1，且0<z1，其包括如Sr2
Si5
N8
：Eu2 ＋
。適合之發射藍光之磷光體之實例包括如MgSrSiO4
。
圖5說明一本發明之實施例，其中圖案化發光材料層49以允許未轉換之光脫離該裝置。可選擇該發光材料之特徵及經覆蓋表面對未經覆蓋表面之比率以控制脫離裝置之未轉換光之量。在圖5之一實例中，作用區44發射藍光，且發光材料層49包括兩個磷光體，一磷光體吸收藍光並發射綠光，而另一磷光體吸收藍光或綠光並發射紅光。經轉換之光與未轉換之光混合產生呈白色之複合光。
在圖3及圖5中說明之實施例中，光子能帶隙材料50沈積於覆晶發光裝置表面，經該表面自裝置提取光。在某些實施例中，光子能帶隙材料可與裝置隔開，且發光材料層可與光子能帶隙材料隔開。儘管圖3及圖5中說明之裝置顯示光子能帶隙材料及發光材料遍佈裝置之側面，但在其他實施例中光子能帶隙材料及/或發光材料可僅覆蓋裝置之上表面。該等實施例可藉由在將發光裝置之晶圓分割成單個裝置之前沈積光子能帶隙材料及發光材料材料，從而簡化此等材料之塗覆。
光子能帶隙結構防止經轉換之光重新進入發光裝置之用途尤其適用於需要轉換大部分由作用區發射之光之裝置。實例包括紫外或藍色一級光之磷光轉換以產生主要發射綠光、黃光或紅光之裝置，或使用發射綠光、黃光及/或紅光之磷光體轉換藍色一級光以產生色溫(CCT)低於5500 K之白光LED。高轉換率一般可藉由以發光材料大量"裝填(loading)"裝置而達成，使得低於10%之由作用區發射之光未經發光材料轉換而脫離該裝置。該大量裝填會增加經轉換及未轉換光子反射回至晶片中之可能性，從而降低該裝置之總效率。
圖6為已封裝之發光裝置之分解圖。散熱金屬塊100置於插入成型之引線框106中。舉例而言，該插入成型之引線框106為成型於金屬框105周圍之填充塑料材料，該金屬框105可提供至該裝置之電通路。金屬塊100可視情況包括反射杯102。或者，金屬塊100可提供無反射杯之底座。可為上述裝置中任一裝置之發光裝置晶粒104藉由導熱基板103直接或間接安裝於金屬塊100上。可加入光學透鏡108。
吾人已詳細描述本發明，熟習此項技術者應瞭解若給定本發明之揭示內容，則可在不脫離本文所述之發明性概念之精神的前提下修改本發明。舉例而言，儘管圖3及圖5說明覆晶裝置，但亦可使用其他裝置構造。此外，儘管上述實例涉及第III族氮化物裝置，但亦可使用包括其他第III－V族材料系統及第II－VI族材料系統之其他材料系統之裝置。另外，儘管上述實例涉及三維光子能帶隙材料，但亦可使用二維光子能帶隙材料。因此，不希望本發明之範疇受限於已說明及描述之特定實施例。
10．．．磷光體轉換LED
12．．．GaN晶粒
14．．．反射杯引線框
16．．．引線
18．．．引線
20．．．磷光材料區域
22．．．透鏡
24．．．箭頭
26,52．．．發光裝置
28．．．密封層
30．．．分佈布喇格反射(DBR)鏡
36．．．磷光材料層
40．．．基板
42‧‧‧n型區
44‧‧‧發光作用區
45‧‧‧p型區
46‧‧‧接觸器
47‧‧‧互連元件
48‧‧‧安裝台
49‧‧‧發光材料層
50‧‧‧光子能帶隙材料
100‧‧‧散熱金屬塊
102‧‧‧反射杯
103‧‧‧導熱基板
104‧‧‧發光裝置晶粒
105‧‧‧金屬框
106‧‧‧插入成型之引線框
108‧‧‧光學透鏡
圖1及圖2說明先前技術中磷光體轉換發光裝置。
圖3為根據本發明實施例之發光裝置之橫截面圖。
圖4為圖3中說明之裝置之一部分之橫截面圖。
圖5為根據本發明實施例之發光裝置之橫截面圖。
圖6為已封裝之發光裝置之分解圖。
40‧‧‧基板
42‧‧‧n型區
44‧‧‧發光作用區
45‧‧‧p型區
46‧‧‧接觸器
47‧‧‧互連元件
48‧‧‧安裝台
49‧‧‧發光材料層
50‧‧‧光子能帶隙材料
Claims (29)
- 一種結構，其包括：一半導體發光裝置，其包括一可發射具有第一峰值波長之第一光之作用區；一發光材料，安置於該第一光之至少一部分路徑中，其中該發光材料可發射具有第二峰值波長之第二光；及一光子能帶隙材料，安置於該發光裝置與該發光材料之間，其中該光子能帶隙材料包括在至少二維上折射率之一週期性變化，且其中該光子能帶隙材料可透射該第一光並反射該第二光。
- 如請求項1之結構，其中該半導體發光裝置包括至少一第III族氮化物層。
- 如請求項1之結構，其中該第一光包括具有一低於490 nm峰值波長之光。
- 如請求項1之結構，其中該發光材料為一磷光體。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料與該半導體發光裝置之表面接觸。
- 如請求項1之結構，其中該發光材料與該光子能帶隙材料之表面接觸。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料與該半導體發光裝置隔開。
- 如請求項1之結構，其中該發光材料與該光子能帶隙材料隔開。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料包括在三維 上之折射率之週期性變化。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料包括複數個球。
- 如請求項10之結構，其中該等球為聚苯乙烯。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料包括複數個材料層，各材料層包括週期性孔洞陣列。
- 如請求項12之結構，其中該等孔洞填充有空氣。
- 如請求項12之結構，其中該等材料層為晶體、玻璃及介電材料中之一種。
- 如請求項12之結構，其中各材料層中之該週期性孔洞陣列偏移於上層或下層之該等材料層中之該週期性孔洞陣列。
- 如請求項1之結構，其中該第一光為藍光，且該第二光為紅光或綠光。
- 如請求項1之結構，其中該第一光為紫外光(UV)，且該第二光為藍光、綠光及紅光中之一種。
- 如請求項1之結構，其中該第一光為藍光且該第二光為黃光。
- 如請求項1之結構，其中：該發光材料吸收該第一光之一部分；及該發光材料被組態成促使該第一光之至少90%係由該發光材料吸收。
- 如請求項1之結構，其中：該發光材料吸收該第一光之一部分；且 該發光材料被組態成促使該第一光之至少50%係由該發光材料吸收。
- 如請求項1之結構，其中該發光材料為第一發光材料，該結構進一步包括一可發射具有一第三峰值波長之第三光之第二發光材料。
- 如請求項21之結構，其中該第一光為藍光，該第二光為黃光或綠光，且該第三光為紅光。
- 如請求項21之結構，其中該第一光為紫外光，該第二光為藍光，且該第三光為黃光。
- 如請求項21之結構，其進一步包括一可發射具有一第四峰值波長之第四光之第三發光材料，其中該第一光為紫外光，該第二光為藍光，該第三光為綠光，且該第四光為紅光。
- 如請求項1之結構，其中該發光材料被組態成促使該第一光之一部分未入射至該發光材料而脫離該結構。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料可透射該第一光並反射該第二光，而無需顧慮該第一光及該第二光入射至該光子能帶隙材料之角度。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料被組態成促使該第一光之至少90%入射至該光子能帶隙材料上。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料被組態成反射該入射至該光子能帶隙材料上之二級光之至少50%。
- 如請求項1之結構，其中該光子能帶隙材料被組態成反射該入射至該光子能帶隙材料上之二級光之至少90%。
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