TWI390765B - 具有波長轉換材料之光電半導體晶片、具有該晶片之光電半導體元件、以及該光電半導體晶片之製造方法 - Google Patents

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Description

具有波長轉換材料之光電半導體晶片、具有該晶片之光電半導體元件、以及該光電半導體晶片之製造方法
本發明涉及一種具有波長轉換材料之光電半導體晶片，具有此半導體晶片之光電半導體組件以及此光電半導體晶片之製造方法。
具有波長轉換材料之光電半導體晶片例如已描述在文件WO 97/50132中。此文件中建議在發出輻射之半導體本體上施加一種例如以整面形成之層的形式之波長轉換材料。此層之波長轉換材料將該半導體本體所發出的輻射之一部份轉換成另一波長之輻射，使半導體晶片發出混合彩色之輻射，例如，可見之白色光。此外，本發明中不只使用一種波長轉換材料，而且亦可使用二種波長轉換材料，以便可對該半導體本體所發出的輻射之彩色位置作較佳的調整。
然而，在使用二種或更多種波長轉換材料來與光電半導體本體相結合時，會產生互相吸收的現象。例如，若半導體本體發出藍色光譜區之輻射，其一部份由第一波長轉換材料轉換成紅色光譜區之輻射，且一部份由第二波長轉換材料轉換成綠色光譜區之輻射，則由第二波長轉換材料轉換成綠色光譜區之輻射後所得的輻射可由發出紅光之第一波長轉換材料所吸收。這樣會使光電半導體晶片之內部損耗增加而使效率下降。此外，波長轉換材料對電磁輻射之吸收性通常具有波長選擇性，於是，在上述之效應下通常會造成半導體晶片之發射光譜之不期望的偏移。
若只使用波長轉換材料，則通常會由於劑量之準確性受限而造成波長轉換層之厚度發生變動。然而，波長轉換層之厚度偏離數微米時會使光電半導體晶片所發出的輻射之彩色位置大大地改變。為了在整個晶片面上形成可再生的層厚度，則另外需要一種高的製程費用。
本發明之目的是提供一種具有波長轉換層之光電半導體晶片，其彩色位置能簡易地以可再生的方式來調整。本發明之另一目的是提供一種具有上述半導體晶片之光電半導體組件以及光電半導體晶片之製造方法。
本發明的光電半導體晶片特別包括：-半導體本體，其包括半導體層序列，此半導體層序列適合用來由前側發出第一波長區域的電磁輻射，-第一波長轉換層，其位於半導體本體之前側之至少一第一部份區域上且具有第一波長轉換材料，此第一波長轉換材料使第一波長區域之輻射轉換成一種與第一波長區域不同的第二波長區域之輻射，其中該前側之至少一第二部份區域未具備第一波長轉換層。
第一部份區域之平面量相對於第二部份區域之平面量較佳是一種介於10：1(含)和1：10(含)之間的值。前側之第二部份區域相對於前側之總面積之比值特別有利的是大約30%。
在一種較佳的實施形式中，在半導體本體之前側的第二部份區域上或在至少一與第一部份區域不同之第三部份區 域上施加一種具有第二波長轉換材料之第二波長轉換層，第二波長轉換材料將第一波長區域之輻射轉換成第三波長區域(其與第一和第二波長區域不同)之輻射。本實施形式中，二種不同之波長轉換材料配置在半導體本體之發出輻射的前側之相隔開的不同的部份區域中。藉由二種不同之波長轉換材料在空間中相隔開，則已轉換的輻射之吸收性可有利地藉由另一波長轉換材料而大大地下降。本實施形式中，第一部份區域和第三部份區域直接相鄰，即，具有至少一共用的界面。另一方式是，第一部份區域和第三部份區域之間配置著至少另一部份區域，其未具備波長轉換層。
在半導體晶片之另一較佳之實施形式中，第一波長轉換層將第一波長區域之輻射(其由第一部份區域中的半導體本體所發出)完全轉換成第二波長區域(以下亦稱為飽和層)之輻射。
就飽和層形式的波長轉換層而言，在波長轉換層內部中對波長轉換材料之過剩進行調整，使波長轉換層的厚度在小於或等於一種由製程容許度所預設的範圍中總是可使波長轉換層形成一種飽和層。
飽和層較佳是使由半導體本體在前側之區域中所發出的輻射的透過率不大於5%，特別是不大於1%。波長轉換層施加在前側上。
未考慮波長轉換層之邊緣區，其由於製程容許度而具有一種較其餘之波長轉換層還小的厚度且因此亦可透過該半 導體本體所產生的輻射之大部份。此種邊緣區(其中該波長轉換層之厚度不同於其內部中的厚度)的寬度通常小於或等於波長轉換層之厚度。
由於半導體本體之發射通常不是對準前側來進行而是使所發出的輻射對該前側形成不同的角度，於是會在該波長轉換層之邊緣上形成一些區域，其中由前側所發出的輻射不會經由該波長轉換層之全部的厚度而是經由一較短的路徑。由於此一原因，在以飽和層之形式而存在著的該波長轉換層之邊緣上，經由該波長轉換層之未轉換的輻射較經由該波長轉換層之內部區域中者還多。
同樣，由半導體本體之前側的與該波長轉換層所在的區域相鄰接的區域所發出的輻射經由該波長轉換層之邊緣。此輻射亦可使該波長轉換層之邊緣所具有的發射特性不同於該波長轉換層之內部區域中者。
上述之邊緣效應在描述該波長轉換層及其形式(例如，飽和層)時亦未被考慮在內。
若使用第二波長轉換層，則在一種實施形式中須形成第二波長轉換層，使第一波長區域所發出的由半導體本體之前側至該部份區域(其由第二波長轉換層所覆蓋)之輻射完全轉換成第三波長區域的輻射。第二波長轉換層較佳是亦為一種飽和層。
若只使用一種飽和層形式的波長轉換層，則由半導體晶片所發出的輻射之彩色位置可藉由半導體本體之前側之已塗層的平面量相對於未塗層之平面量之比來調整。在半導 體本體之發出輻射的前側之分離的部份區域上若使用多個(例如，二個)飽和層形式的不同之波長轉換層，則由半導體晶片所發出的輻射之彩色位置可藉由不同之波長轉換層之間相對的平面量以及對該前側之未塗層的平面量之比來調整。
在光電半導體晶片之另一實施形式中，在半導體本體之前側上較佳是直接在第一波長轉換層上且亦可依據情況而在第二波長轉換層上施加一種具有第三波長轉換材料之第三波長轉換層，其將第一波長區域之輻射轉換成一種與第一、第二或第三波長區域不同的第四波長區域之輻射。第三波長轉換層在一實施形式中整面配置在光電半導體晶片之前側之上方，較佳是直接配置在第一或第二波長轉換層上。
在另一實施形式中，第三波長轉換層只配置在該前側之至少一部份區域上。於此，該部份區域是第一、第二或第三部份區域或中間區或上述各個部份區域之切面組合。
須分別形成上述之第一、第二或第三波長轉換層，使各別之波長轉換材料之微粒埋入至一種結合介質中。此結合介質例如可由以下的材料所形成的組中來選取：熱塑性材料，聚苯乙烯，膠液，透明之各種橡膠，玻璃，聚碳酸鹽，亞克力，鐵氟龍，矽酸鹽，水玻璃，聚乙烯，矽樹脂，環氧樹脂，PMMA或由矽樹脂，環氧樹脂，PMMA所構成的混合材料。
另一方式是，各別的波長轉換層亦可未包含該結合介質 而是只具有各別的波長轉換材料。
在另一較佳的實施形式中，至少一第一、第二或第三波長轉換層須形成預製膜或由預製膜所包含著，預製膜中含有各別的波長轉換材料。若各別的波長轉換層只施加在該半導體本體之前側上或前側之至少一部份區域上，則該預製膜亦可只施加在半導體本體之前側之各別的部份區域上或預先結構化，使只有該預製膜之一部份區域設有波長轉換材料。在最後的一種實施形式中，預製膜片區(其大於該即將設有波長轉換層之部份區域)或半導體本體之整個前側亦能以預製膜來覆蓋，以便在該半導體本體之前側上只有一部份區域設有波長轉換層。
此外，一預製膜片區亦可分別在分開之不同的部份區域中具有二種不同的波長轉換材料，使第一波長轉換層配置在該預製膜之第一部份區域中且第二波長轉換層配置在該預製膜之第二部份區域中。此實施形式的優點是，第一和第二波長轉換層可藉由一種製程以施加在該半導體本體之前側上。
上述之預製膜之厚度例如可介於10μm(含)和100μm(含)之間。
上述之預製膜例如可藉由黏合以固定在半導體本體之前側上。
此處須指出，各別的波長轉換層不只施加在半導體本體之前側之唯一的部份區域上且亦可施加在多個部份區域上。
在一種實施形式中，以條片形式來形成第一及/或第三部份區域。第一波長轉換層例如以唯一的條片而施加在前側 上或例如以多條互相平行而延伸的條片施加在前側上。
若使用第二波長轉換層，其同樣配置在該前側之條形的部份區域上，則第一條形的部份區域可與第三條形的部份區域交替地配置著。即，在具有第一波長轉換層之第一部份區域上跟隨著具有第二波長轉換層之第三區域，使交替之條形的波長轉換層總是相鄰而存在著。於此，第一部份區域和第三部份區域之間的第二條形之部份區域可未設有波長轉換層，或各別直接相鄰的部份區域可形成共同的界面。
在另一實施形式中，第一及/或第二部份區域可以是圓形、橢圓形或卵形者。
以統計方式而言，圓形的部份區域可較條形的部份區域更容易地配置在半導體本體的前側上。一種統計的圖樣(其例如包含圓形的部份區域)有助於半導體晶片之散射式發射特性。一種規則的圖樣(例如，規則地配置的條形之部份區域，亦可以是規則地配置的圓形之部份區域)可作用在半導體晶片之發射特性上，使晶片像繞射透鏡一樣。
第一、第二及/或第三波長轉換材料例如可由以下之材料所形成的組中選取：以稀土之金屬來摻雜的石榴石，以稀土之金屬來摻雜的鹼土硫化物、-硒化物、-硫硒化物，以稀土之金屬來摻雜的硫鎵酸鹽或硫金屬，以稀土之金屬來摻雜的鋁酸鹽，含鋇之鋁酸鹽，以稀土之金屬來摻雜的正矽酸鹽，以稀土之金屬來摻雜的氯矽酸鹽，以稀土之金屬來摻雜的氮矽酸鹽，以稀土之金屬來摻雜的氧氮化物，以稀 土之金屬來摻雜的鋁氧氮化物以及以稀土之金屬來摻雜的鹵磷酸鹽。
特別有利的是使用一種以硒來摻雜的YAG波長轉換材料(YAG：Ce)來作為第一、第二或第三波長轉換材料。
此外，上述之半導體晶片可由光電半導體組件所包含著，此時一種具有第四波長轉換材料之澆注材料在預設的發射方向中配置在半導體晶片之後，第一波長區域之輻射轉換成一種與第一、第二、第三、第四波長區域不同的第五波長區域之輻射。半導體晶片例如可配置在組件外殼之一凹口中，此時該澆注材料將該半導體組件外殼之凹口完全填滿或只填滿一部份。
本發明中一種光電半導體晶片之製造方法特別是包含以下各步驟：-製備一種具有半導體層序列之半導體本體，其用來發出第一波長區域之電磁輻射，以及-在該半導體本體之前側之至少一第一部份區域上施加第一波長轉換層，其包含第一波長轉換材料，其將第一波長區域之輻射轉換成與第一波長區域不同的第二波長區域的輻射，其中該前側之至少一第二部份區域未具備第一波長轉換層。
在上述方法之一較佳的實施形式中，在該前側之至少一與第一部份區域不同的第三部份區域上施加一種具有第二波長轉換材料之第二波長轉換層，其將第一波長區域之輻射轉換成一種與第一和第二波長區域不同之第三波長區 域。
第一、第二或第三波長轉換層例如可藉由一種印刷法(例如，絲網印刷法，噴墨印刷法，凸版印刷法或凹版印刷法)施加而成。絲網印刷法所具有的解析度通常是70μm。因此，此種印刷法可特別有利地達成一種尺寸介於10μm和1mm之間的部份區域。此種印刷法的優點是，一方面是技術上較簡單、具有可再生性且另一方面是可有利地進行。
第一及/或第二及/或第三波長轉換層可另外藉由微影方法施加而成。於此，半導體本體之發出輻射的前側首先塗佈一種光阻，其能以小於或等於100nm之解析度而被結構化。此光阻層藉由曝光步驟而以所期望的圖樣來結構化且在隨後的步驟中以各別的波長轉換層來覆蓋表面。波長轉換層是一種具有結合介質之層，波長轉換材料因此可設置於該結合介質中，且層中的混合物施加在該光阻層上，這例如藉由旋轉離心法來達成。然後，將仍殘留之光阻剝除，使波長轉換層形成該光阻層之反圖樣。藉由微影方法，通常可達成很高的解析度，例如，小於或等於100nm。
藉由一種印刷方法，各波長轉換層可有利地在一步驟中以結構化的方式施加而成。相對於微影方法而言，上述印刷方法不需光阻遮罩。然而，微影方法通常可提供一種較印刷法還高的解析度。
此外，第一及/或第二及/或第三波長轉換層亦可使用電泳方法施加而成。於此，半導體本體之一部份例如藉由上述之微影方法來塗佈一種絕緣之光阻。然後，藉由電場的影 響使流體相位構成的波長轉換材料在未塗佈著光阻的部份區域中直接沈積在半導體之前側上。以此方式，則不需該結合介質即可產生一種波長轉換層。
此外，亦可施加一種導電層以作為電極，以取代在該前側之待塗層之部份區域上之光阻層，在電泳期間各別的波長轉換材料在該導電層上被結構化。該導電層較佳是可透過該半導體本體所發出的輻射。該導電層例如可以是一種具有透明之導電氧化物(TCO)之層或由該透明之導電氧化物所構成。透明之導電氧化物(簡稱為TCO)是透明的導電材料，通常包括金屬氧化物，例如，氧化鋅，氧化錫，氧化鎘，氧化鈦，氧化銦或氧化銦錫(ITO)。除了二元金屬氧化合物(例如，ZnO,SnO2,In2O3)之外，三元金屬氧化合物(例如，Zn2SnO4,CdSnO3,ZnSnO3,MgIn2O4,GaInO3,Zn2In2O5或In4Sn3O12)或不同的透明之導電氧化物之混合物等都屬於此組TCOs。此外，各TCOs未必對應於一種化學計量上的組成而是亦可予以p摻雜或n摻雜。
如上所述，第一及/或第二及/或第三波長轉換層亦可以預製膜施加而成。這較佳是藉由黏合方式來達成。此方法所具有的優點是其價格特別有利。
預製膜材料例如可由以下的材料所形成的組中來選取：熱塑性材料，聚苯乙烯，膠液，透明之各種橡膠，聚碳酸鹽，亞克力，鐵氟龍，聚乙烯，矽樹脂，環氧樹脂，PMMA或由矽樹脂，環氧樹脂，PMMA所構成的混合材料。
較佳是使用一種薄膜半導體本體作為半導體本體。
薄膜半導體本體之特徵特別是以下各特性中的至少一種：-在產生輻射之作為半導體層序列用的磊晶層序列之面向一載體元件之第一主面上施加一種反射層，其使該磊晶層序列中所產生的電磁輻射之至少一部份反射回到該磊晶層序列中；-該薄膜半導體本體包括一載體元件，其不是一種生長基板而是一種各別的載體元件，其事後固定在該磊晶層序列上，而磊晶層序列是以磊晶方式生長在生長基板上，-磊晶層序列之生長基板由該磊晶層序列中去除或薄化，使磊晶層序列不是單獨地被自由地承載著，或-該磊晶層序列所具有的厚度是在20μm或更小的範圍中，特別是在10μm的範圍中。
該載體元件較佳是可透過該半導體晶片所發出的輻射。
此外，該磊晶層序列較佳是具有至少一種半導體層，其包括至少一面，此面包括一混合結構，其在理想情況下可使光在該磊晶層序列中達成一種近似遍壢(ergodic)的分佈，即，其具有一種儘可能遍壢之隨機雜散分佈。
薄膜發光二極體晶片之基本原理例如已描述在文件I.Schnitzer et al.,Appl.Phys.Lett.63(16),18.October 1993,page 2174-2176中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。
薄膜半導體本體可很近似於一種藍伯德(Lambertian)表面輻射器且特別適用於探照燈中。
使用薄膜半導體本體的優點是，其通常具有一種發出輻 射的平坦的前側，該前側可簡易地藉由上述技術(例如，絲網印刷法)而設有波長轉換層。
本發明以下將依據第1A至5B圖中所示的實施例來詳述。
各實施例和圖式中相同或作用相同之元件設有相同之參考符號。所示的各元件未依大小之比例繪出。反之，各別的元件，例如，層厚度或微粒大小，為了更容易了解及/或可更佳地顯示之故，各別的元件可以放大的方式來顯示。
第1A圖之半導體本體1在其發出輻射的前側2上具有一電性接觸用的結合墊3和多條導電軌4，其使電流較佳地輸入至半導體本體1中。半導體本體1例如是一種發光二極體。
此外，半導體本體1之半導體層序列具有一產生輻射的活性區，其例如包括pn接面，雙異質結構，單一量子井結構或多重式量子井結構以產生輻射。半導體層序列例如可以磊晶方式生長在一種生長基板上。量子井結構例如已描述在文件WO 01/39282，WO 98/31055，US 5,831,277，EP 1 017 113以及US 5,684,309中，其已揭示的內容藉由參考而收納於此處。
半導體本體1例如以III-V-化合物半導體材料為主，這些材料例如可以是砷化物、磷化物或氮化物化合物半導體材料，即，其包含半導體層序列之至少一層，半導體層序列較佳是包括活性區，氮化物、磷化物或砷化物化合物半導體材料或由這些材料所構成。
氮化物化合物半導體材料是含有氮之化合物半導體材料，其例如是由系統InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1所構成的材料。磷化物化合物半導體材料是含有磷之化合物半導體材料，其例如是由系統InxAlyGa1-x-yP，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1所構成的材料。砷化物化合物半導體材料是含有砷之化合物半導體材料，其例如是由系統InxAlyGa1-x-yAs，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1所構成的材料。
為了由第1A圖之半導體本體1開始以製成第1C和1D圖之實施例(以下將再詳述)之半導體晶片18，則在該半導體本體1之發出輻射的前側2之第一部份區域5上須施加一種具有第一波長轉換材料7之第一波長轉換層6，此時發出輻射的前側2之第二部份區域8未具備第一波長轉換層6(請參閱第1B圖)。第一波長轉換層6除了第一波長轉換材料7之微粒之外另具有一種結合介質。此外，半導體本體1之前側2之第一和第二部份區域5、8在本實施例中以條形方式來形成。
在下一步驟中，在該發出輻射的前側2之第三部份區域9中(其目前是與發出輻射的前側2之第二部份區域8相同)施加第二波長轉換層10，其就像第一波長轉換層6一樣除了第二波長轉換材料11之微粒之外另具有一種結合介質(第1C和1D圖)。
施加該波長轉換層6、10時例如可藉助於印刷法(例如，絲網印刷法或噴墨印刷法)來達成。
藉由絲網印刷法，則例如可施加波長轉換材料/結合介質懸浮液以作為波長轉換層6、10，其具有石榴石，氧化氮化物或氮化物矽酸鹽以作為波長轉換材料7、11(其固體成份介於50 Vol%和70 Vol%之間)。所使用的波長轉換材料7、11較佳是具有一種小於或等於15μm之d50值(平均)。
另一方式是，該二個波長轉換層6、10之一(例如，波長轉換層6)可藉由微影方法而施加在該半導體本體1之發出輻射之前側2上。於此，在半導體本體1之前側2上施加一種光阻層，其藉由曝光步驟而劃分成第一和第二部份區域5、8。藉助於一種顯影步驟，將該半導體本體1之前側2之第一部份區域5上的光阻剝除，使該前側2之第二部份區域8不具備該光阻層。在下一步驟中，第一波長轉換層6以整面方式施加在該半導體本體1之已預結構化的前側2上且將該光阻剝除。藉由該前側2之第二部份區域8中之光阻的去除，則此處同樣可將該光阻上的第一波長轉換層6去除，以便只在該前側2之第一部份區域5中形成第一波長轉換層6，且使該前側2之第二部份區域8不具有第一波長轉換層6。
如上所述，若第一波長轉換層6除了第一波長轉換材料7之微粒之外另外包含一種結合介質，則可藉由一種旋塗(Spin Coating)方法，橡皮刮板或藉由噴塗將該結合介質-波長轉換材料混合物例如施加在該已預結構化之光阻層上。
若應施加一波長轉換層6、10，其只由各別的波長轉換材料7、11之微粒所構成，則該層例如可施加在半導體本體1 之前側2上之一導電性電極上，該層可透過該半導體本體1所發出的輻射。該電極於此處是施加在前側之應由該波長轉換層來覆蓋之部份區域上。該電極例如可以是一種TCO層。然後，已以該電極來預結構化的半導體本體1放置於一種懸浮液中，該懸浮液具有即將施加的波長轉換層之波長轉換材料且施加一種例如50 V至200 V之電壓至該懸浮液，使該波長轉換材料之微粒沈積在該半導體本體1之前側2上。
此外，亦可將一個或二個波長轉換層6、10以預製膜的形式施加在該半導體本體1之發出輻射的前側2上，這例如藉由黏合方式來達成。於此，預製膜片區(其具有即將施加之各個部份區域之尺寸)配置在各別的部份區域上，或一已預結構化的預製膜(其只在第一部份區域5中具有第一波長轉換材料7)例如以平面覆蓋的方式施加在該前側2上。在第一和第三部份區域5、9上若應施加二個不同的波長轉換層6、10，則例如可使用一已預結構化的預製膜，其在第一部份區域5中具有第一波長轉換材料7且在第三部份區域9中具有第二波長轉換材料11。
已預結構化之預製膜例如可以下述方式來製成：在一種例如由鐵氟龍所構成的工作表面上藉由印刷法來施加所期望的波長轉換材料且予以結構化。在下一步驟中，對該預製膜材料進行澆注且在第三步驟中予以鏈結。預製膜材料例如可以是矽樹脂。然後，由該工作表面中又將該預製膜去除。
此外，選取以下多種材料中的一種作為預製膜材料：熱塑性 材料，聚苯乙烯，膠液，透明之各種橡膠，聚碳酸鹽，亞克力，鐵氟龍，聚乙烯，矽樹脂，環氧樹脂，PMMA或由矽樹脂，環氧樹脂，PMMA所構成的混合材料。
在第1C和1D圖之實施例之半導體晶片18中，須配置第一和第二波長轉換層6、10，以便以相鄰的層來形成共同的界面。目前使用一種以氮化物為主之半導體本體1，其在操作時發出一種由藍色光譜區所構成之第一波長區域之電磁輻射。由半導體本體1所發出的輻射之一部份由第一波長轉換層6之第一波長轉換材料7轉換成一與第一波長區域不同的第二波長區域(目前是綠色之光譜區域)之輻射。由半導體本體1所發出的藍色輻射之另一部份穿過該第一波長轉換層6而未被轉換。第1B至1D圖之實施例之第一波長轉換層6不是一種飽和層。第二波長轉換層10目前亦不是飽和層。由半導體本體1所發出的藍色光譜區的輻射之一部份亦穿過該第二波長轉換層10而未被轉換，由半導體本體1所發出的藍色輻射之另一部份由第二波長轉換層10之第二波長轉換材料11轉換成紅色的輻射。適合作為第一或第二波長轉換材料用之波長轉換材料列表於表I。第1C和1D圖之半導體本體1發出第一、第二和第三光譜區之輻射所構成的混合彩色的輻射，其彩色位置例如位於CIE正規彩色表之白色區域中。
第1E圖之實施例之半導體晶片18中，與第1C和1D圖之半導體晶片18不同之處是，第三波長轉換層12以第三波長轉換材料13施加而成。第三波長轉換材料13適合用來使半導體本體1所發出的第一波長區域之輻射的一部份轉換成一與第一和第二波長區域不同的第三波長區域的輻射。在第1E圖的實施例中，第三波長轉換層12以平面覆蓋的方式施加在半導體本體1之前側2上且直接與第一和第二波長轉換層6，10相接觸。第三波長轉換層12例如可藉由 旋塗法或橡皮刮板施加而成。此外，亦可只在已結構化的部份區域上施加第三波長轉換層12。於此，例如，上述與第一和第二波長轉換層6、10相關的方法適用於此處。
上述之波長轉換層12特別適合用來與發出第一波長區域的輻射(其包括紫外線輻射)之半導體本體1相結合。第一波長轉換層6例如可具有第一波長轉換材料7，其適合將第一波長區域之輻射之一部份轉換成紅色光譜區之第二波長區域之輻射，且第二波長轉換層10可具有第二波長轉換材料11，其適合將第一波長區域之輻射之一部份轉換成綠色光譜區之第三波長區域之輻射。第三波長轉換層12較佳是具有第三波長轉換材料13，其適合將第一波長區域之紫外線輻射轉換成藍色光譜區之第四波長區域之輻射。半導體晶片18在此種情況下發出混合彩色之輻射，其包括紅色、綠色和藍色光譜區之輻射。適合將紫外線光譜區之輻射轉換成藍色光譜區之輻射用的波長轉換材料目前是用作第三波長轉換材料，其例如已表列在表II中。
例如，若第三波長轉換層12結合半導體本體1來一起使用，半導體本體1發出藍色光譜區之第一波長區域的輻射，則第三波長轉換層12之第三波長轉換材料13較佳是用來將藍色第一波長區域之輻射轉換成藍-綠色光譜區之之第四波長區域之輻射。如上所述，同樣亦可選取第二和第三波長區域，使第二波長區域來自紅色光譜區且第三波長區域來自綠色光譜區。在此種情況下，半導體晶片18發出混合彩色的輻射，其具有紅色、藍色和綠色之輻射且其彩色位置較佳是位於CIE正規彩色表之白色區域中。
在第2A和2B圖之實施例之半導體晶片18中，與第1C和1D圖之實施例中的半導體晶片18不同之處是，在半導體本體1之發出輻射之前側2之條形的第一部份區域5上只施加第一波長轉換層6且未使用第二波長轉換層10。該前側之第二部份區域8因此完全未具備任何波長轉換層。與第1C和1D圖之實施例之波長轉換層6不同之處是，本實施例之第一波長轉換層6是一種飽和層的形式。即，半導體本體1之由前側之第一部份區域所發出的輻射完全轉換成第二波長區域的輻射。目前該半導體本體1發出藍色光譜區之第一波長區域的輻射且第一波長轉換材料7將此第一波長區域之藍色輻射轉換成第二波長區域之輻射(目前屬黃色光譜區)。例如，YAG：Ce適合用作第一波長轉換材料。須選取將塗層之面積與未塗層的面積之比(即，第一部份區域5對第二部份區域8之比)，使半導體晶片18發出混合彩色之輻射，其彩色位置位於CIE正規彩色表之白色區 域中。
當第一波長轉換材料所具有的結合介質之濃度大約是75GeW%且第一波長轉換層所具有的厚度大約是50μm時，則以YAG：Ce作為第一波長轉換材料之第一波長轉換層例如是一種飽和層之形式。若第一波長轉換層之厚度及/或濃度較小，則第一波長轉換層不是飽和層的形式。
不同於第2A和2B圖之半導體晶片18之處是，第3A和3B圖之實施例之半導體晶片18在發出輻射之半導體本體1之前側2上具有第一波長轉換層6，其施加在圓形之第一部份區域5上。半導體本體1亦發出藍色光譜區之第一波長區域之電磁輻射，其由第一波長轉換層6轉換成黃色光譜區之第二波長區域之輻射。於此，波長轉換材料YAG：Ce適合用於此處。如第2A和2B圖之實施例所示，第一波長轉換層6是一種飽和層，即，由半導體本體發出而至第一部份區域5中的輻射由第一波長轉換層6完全轉換成第二波長區域之輻射(目前屬黃色光譜區)。例如，須對已塗層之前側的面積對未塗層的前側之面積進行調整，使半導體晶片18發出CIE正規彩色表之白色區域中的混合彩色之輻射。
與第3A圖之半導體晶片18不同之處是，在第4A和4B圖之實施例之半導體本體中，除了在半導體本體1之發出輻射的前側2之第一部份區域5上的飽和層形式的第一波長轉換層6之外，同樣使用一種飽和層形式的第二波長轉換層10，其施加在發出輻射的前側2之第三部份區域9上。第三部份區域9位於第二部份區域8之內部且像第一部份 區域5一樣形成圓形的形式但所具有的半徑較第一部份區域5的半徑還小。第二部份區域8未具備第一波長轉換層6。本實施例中該半導體本體1亦發出藍色光譜區之第一波長區域之輻射。由第一部份區域發出之第一波長區域之藍色輻射由第一波長轉換層6之第一波長轉換材料7完全轉換成黃色光譜區之第二波長區域之輻射，由半導體本體之前側之施加有第二波長轉換層之部份區域發出的第一波長區域之藍色輻射完全轉換成綠色光譜區之第三波長區域之輻射。適當的波長轉換材料如表I所示。半導體晶片18因此發出混合彩色的輻射，其包括未轉換的藍色輻射和已轉換的黃色和綠色輻射。已塗層的第一和第三部份區域5，9之平面部份、以及發出輻射之前側之未塗層的部份相對於已塗層的部份又決定了該輻射之由半導體本體18所發出的彩色位置，其目前是位於CIE正規彩色表之白色區域中。
與先前之實施例不同的是，第5A圖之實施例的半導體本體中第一波長轉換層6只配置在半導體本體1之發出輻射的前側2之唯一的第一部份區域5上。半導體本體1以圓形的形式而形成。第一波長轉換層6以飽和層的形式而存在著，其將藍色光譜區中由半導體本體1所發出的第一波長區域之輻射轉換成紅色光譜區之第二波長區域之輻射。
就像上述之半導體晶片18一樣，第5A圖之半導體本體例如可用在一種組件中。第5B圖之實施例之組件中，對應於第5A圖之半導體晶片18安裝在組件外殼14之凹口15中。組件外殼14之凹口15中填入一種澆注物質16，其包 括第四波長轉換材料17。第四波長轉換材料17目前埋置於一種原質材料(例如，矽樹脂或環氧樹脂)中。第四波長轉換材料17適合用來將半導體晶片18所發出的第一波長區域的藍色輻射轉換成第四波長區域之輻射(目前屬黃色光譜區)。已轉換的黃色輻射目前只有一小部份由發出紅色輻射之第一波長轉換材料6所吸收，此乃因以發出紅色輻射之第一波長轉換材料6來塗層之相對的面積部份很小，較佳是小於30%。
表I和II是以表格來顯示之各種不同的波長轉換材料，其例如已使用在上述之實施例中。表I之波長轉換材料整體上至少藉由藍色光譜區之輻射來激發，表II之波長轉換材料則至少可藉由紫外線光譜區之輻射來激發。括號中所設定的化學元素可在廣泛的範圍中相混合以便使用，其中原子總數須設定成等於括號上的數目。若括號上未設定數目，則原子的總數須設為1。
此處須指出，所謂”第二部份區域未具備第一波長轉換層”之意義是：該前側之至少第二部份區域的大部份未被該波長轉換層所覆蓋。因此，由半導體本體發射至該部份區域中的輻射的主要成份不是由第一波長轉換層來進行轉換且可與已轉換的輻射相混合以發出混合彩色的輻射，或藉由另一種波長轉換材料使該輻射的至少一部份被轉換，以便同樣發出混合彩色的輻射。所謂”第二部份區域未具備第一波長轉換層”之意義特別是指未具備一些部份區域，其例如在製造時會產生副效應且對該半導體晶片之功能無助 益。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦同。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2006 024 165.7之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
1‧‧‧半導體本體
2‧‧‧前側
3‧‧‧結合墊
4‧‧‧導電軌
5‧‧‧第一部份區域
6‧‧‧波長轉換層
7‧‧‧第一波長轉換材料
8‧‧‧第二部份區域
9‧‧‧第三部份區域
10‧‧‧第二波長轉換層
11‧‧‧第二波長轉換材料
12‧‧‧第三波長轉換層
13‧‧‧第三波長轉換材料
14‧‧‧組件外殼
15‧‧‧凹口
16‧‧‧澆注物質
17‧‧‧第四波長轉換材料
18‧‧‧半導體晶片
第1A至1C圖 本發明之方法之不同的製造步驟中該半導體晶片之圖解。
第1D圖 是半導體晶片於第1C圖中沿著線AA’之切面圖。
第1E圖 第二實施例之半導體晶片之切面圖。
第2A圖 第三實施例之半導體晶片之切面圖。
第2B圖 是半導體晶片於第2A圖中沿著線BB’之切面圖。
第3A圖 第四實施例之半導體晶片之切面圖。
第3B圖 是半導體晶片於第3A圖中沿著線CC’之切面圖。
第4A圖 第五實施例之半導體晶片之切面圖。
第4B圖 是半導體晶片於第4A圖中沿著線DD’之切面圖。
第5A圖 第六實施例之半導體晶片之切面圖。
第5B圖 是第一實施例之組件之切面圖，其具有第5A圖所示的半導體晶片。
3‧‧‧結合墊
6‧‧‧波長轉換層
7‧‧‧第一波長轉換材料
10‧‧‧第二波長轉換層
11‧‧‧第二波長轉換材料

Claims (26)

  1. 一種光電半導體晶片(18)，包括：-半導體本體(1)，其包括半導體層序列，此半導體層序列適合用來由前側(2)發出第一波長區域的電磁輻射，-第一波長轉換層(6)，其位於半導體本體(1)之前側(2)之至少一第一部份區域(5)上且具有第一波長轉換材料(7)，此第一波長轉換材料(7)使第一波長區域之輻射轉換成一種與第一波長區域不同的第二波長區域之輻射，其中該前側(2)之至少一第二部份區域(8)未具備第一波長轉換層(6)及第一波長轉換層(6)以預製膜來形成或包含一種預製膜，該預製膜中含有第一波長轉換材料(7)。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(18)，其中在該前側(2)之第二部份區域上或至少一與第一部份區域(5)不同的第三部份區域(9)上施加一種具有第二波長轉換材料(11)之第二波長轉換層(10)，其將第一波長區域之輻射轉換成一種與第一和第二波長區域不同的第三波長區域之輻射。
  3. 如申請專利範圍第2項之光電半導體晶片(18)，其中第一波長轉換層(6)將第一部份區域所發出的第一波長區域之輻射完全轉換成第二波長區域之輻射。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之光電半導體晶片(18)，其中 第二波長轉換層(10)使由該半導體本體之前側發出至該部份區域(其上施加有第二波長轉換層(10))之第一波長區域的輻射完全轉換成第三波長區域的輻射。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之光電半導體晶片(18)，其中在該半導體本體(1)之前側(2)上施加一種具有第三波長轉換材料(12)之第三波長轉換層(13)，其將第一波長區域之輻射轉換成一種與第一、第二和第三波長區域不同的第四波長區域。
  6. 如申請專利範圍第2或3項之光電半導體晶片(18)，其中第二波長轉換層(10)具有一種結合介質，其中埋置著第二波長轉換材料(11)之微粒。
  7. 如申請專利範圍第5項之光電半導體晶片(18)，其中第三波長轉換層(12)具有一種結合介質，其中埋置著第三波長轉換材料(13)之微粒。
  8. 如申請專利範圍第6項之光電半導體晶片(18)，其中該結合介質可由以下的材料所形成的組中來選取：熱塑性材料，聚苯乙烯，膠液，透明之各種橡膠，玻璃，聚碳酸鹽，亞克力，鐵氟龍，矽酸鹽，水玻璃，聚乙烯，矽樹脂，環氧樹脂，PMMA或由矽樹脂，環氧樹脂，PMMA所構成的混合材料。
  9. 如申請專利範圍第7項之光電半導體晶片(18)，其中該結合介質可由以下的材料所形成的組中來選取：熱塑性材料，聚苯乙烯，膠液，透明之各種橡膠，玻璃，聚碳酸鹽，亞克力，鐵氟龍，矽酸鹽，水玻璃，聚乙烯，矽樹脂，環 氧樹脂，PMMA或由矽樹脂，環氧樹脂，PMMA所構成的混合材料。
  10. 如申請專利範圍第2或3項之光電半導體晶片(18)，其中第二波長轉換層(10)以預製膜來形成或包含一種預製膜，該預製膜中含有第二波長轉換材料(11)。
  11. 如申請專利範圍第5項之光電半導體晶片(18)，其中第三波長轉換層(12)以預製膜來形成或包含一種預製膜，該預製膜中含有第三波長轉換材料(13)。
  12. 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(18)，其中該預製膜或至少一預製膜黏合在該前側(2)上。
  13. 如申請專利範圍第11項之光電半導體晶片(18)，其中該預製膜或至少一預製膜黏合在該前側(2)上。
  14. 如申請專利範圍第10項之光電半導體晶片(18)，其中至少一預製膜黏合在該前側(2)上。
  15. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體晶片(18)，其中該第一部份區域(5)形成條形的形式。
  16. 如申請專利範圍第2或3項之光電半導體晶片(18)，其中該第三部份區域(9)形成條形的形式。
  17. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體晶片(18)，其中該第一部份區域(5)形成圓形的形式。
  18. 如申請專利範圍第2或3項之光電半導體晶片(18)，其中該第三部份區域(9)形成圓形的形式。
  19. 一種光電半導體組件，其具有如申請專利範圍第1至18項中任一項之光電半導體晶片(18)，在此組件之發射方向 中一種具有第四波長轉換材料(17)之澆注材料(16)配置在該晶片(18)之後，第四波長轉換材料(17)將第一波長區域的輻射轉換成一種與第一、第二、第三和第四波長區域不同的第五波長區域之輻射。
  20. 一種光電半導體晶片(18)之製造方法，包括以下之步驟：-製備一種具有半導體層序列之半導體本體(1)，其用來發出第一波長區域之電磁輻射，以及-在該半導體本體(1)之前側(2)之至少一第一部份區域(5)上施加第一波長轉換層(6)，其包含第一波長轉換材料(7)，其將第一波長區域之輻射轉換成與第一波長區域不同的第二波長區域的輻射，其中該前側(2)之至少一第二部份區域(8)未具備第一波長轉換層(6)及其中第一波長轉換層(6)以預製膜來形成或包含一種預製膜，該預製膜中含有第一波長轉換材料(7)。
  21. 如申請專利範圍第20項之光電半導體晶片(18)之製造方法，其中在該前側(2)之至少一與第一部份區域(5)不同的第三部份區域(9)上施加一種具有第二波長轉換材料(11)之第二波長轉換層(10)，其將第一波長區域之輻射轉換成一種與第一和第二波長區域不同的第三波長區域之輻射。
  22. 如申請專利範圍第21項之光電半導體晶片(18)之製造方法，其中第二波長轉換層(10)藉由一種印刷方法施加而成。
  23. 如申請專利範圍第22項之光電半導體晶片(18)之製造方 法，其中該印刷方法是絲網印刷法，噴墨印刷法，凸版印刷法或凹版印刷法。
  24. 如申請專利範圍第20至23項中任一項之光電半導體晶片(18)之製造方法，其中第二波長轉換層(10)藉由一種微影方法施加而成。
  25. 如申請專利範圍第20至23項中任一項之光電半導體晶片(18)之製造方法，其中第二波長轉換層(10)施加成預製膜的形式。
  26. 如申請專利範圍第20至23項中任一項之光電半導體晶片(18)之製造方法，其中第二波長轉換層(10)藉由一種電泳方法施加而成。
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