TWI404238B - 混光式正面發光之發光二極體晶粒 - Google Patents

Description

混光式正面發光之發光二極體晶粒

本發明係有關於一種光發射之半導體裝置，特別係有關於一種混光式正面發光之發光二極體晶粒(LED die)。

按，發光二極體晶粒是由一晶圓切割形成的微小光源，能以晶圓製程的沉積技術實作。發光二極體晶粒具有小尺寸與高發光效率之優點，然其缺點為受限於使用的半導體材料導致所發射的光線波長為固定且狹隘，有色相單調的問題。例如，一種高亮度的發光二極體晶粒是以藍寶石基板作為長晶襯底，只能發射藍光。當需要混光處理時，即是擴大光線波長範圍可形成白光或接近白光的效果，已知的技術是進行半導體封裝作業，將單色的發光二極體晶粒黏設於一基板並在基板上塗施一能包覆晶粒之波長轉換樹脂，以製作為一混光式封裝構造。相關的習知技術可見於本國專利公告編號497275號「複合發光元件、半導體發光裝置及半導體發光裝置之製造方法」與本國專利證書號數I292228「高光取出率發光二極體封裝結構」。

因此，習知發光二極體光源模組若需要有混光效果，應是使用混光式封裝構造安裝在導線架或高導熱基板上，而無法直接使用單色的發光二極體晶粒，故有三道以上的製程(包含晶圓製程、封裝製程與模組製程)。與單色光源模組比較下，習知混光型光源模組成本較高、尺寸較大並且散熱性也較差。此外，習知技術另有混光效果不均勻與無法正面發光的問題，詳列於後。

第1圖為習知混光式封裝構造之截面示意圖。第2圖為習知混光式封裝構造所使用的單色發光二極體晶粒之截面示意圖。如第2圖所示，習知發光二極體晶粒100是利用晶圓製程在一長晶襯底130之一處理表面131上沉積形成一發光結構130，並在該發光結構130之一平面131設置一凸塊狀之第一電極151，在相對凹陷於該平面131之一平台133設置一凸塊狀之第二電極152。由於習知發光二極體晶粒100是運用於混光式封裝構造，若是以正面發光則必須以打線形成之銲線連接到封裝基板，波長轉換樹脂還要包覆銲線的延伸長度，這會影響波長轉換樹脂的形成困難度並增加混光式封裝構造的尺寸或厚度。因此，如第1圖所示，習知的混光式封裝構造常見是將發光二極體晶粒100覆晶接合到封裝基板20，第一電極151接合到基板20之第一導電層21，第二電極152接合到基板20之第一導電層22，可省去打線連接之銲線，並以形成在基板20之一局部表面上的波長轉換樹脂10密封該發光二極體晶粒100，而為背面發光。在一發光模組中，是將如第1圖所示的混光式封裝構造設置在一導線架，並以銲線電性連接基板20之導電層21與22至導線架之引腳。因此，該長晶襯底130應具有高透光性。然而，該長晶襯底130仍具有一厚度，並且發光二極體晶粒100在覆晶接合之後並無法控制到與該基板20為完全平行，導致波長轉換樹脂10覆蓋在晶粒上的厚度T無法控制在一固定值。故而，由該發光結構130之有效發光區134發射的光線在不同角度會穿過在封裝製程無法控制的厚度變化的波長轉換樹脂10，產生不均勻的混光效果。此外，為達到穩定的覆晶接合，第一電極151與第二電極152需要佔據該發光結構130相當大的表面面積，同樣使得第二電極152下的凹陷平台133擴大，然此處為無效發光區，相對壓縮了在該發光結構130之平面131處之有效發光區134的面積，使得發光效率變差，並且不均勻的混光效果更為明顯。

為了解決上述之問題，本發明之主要目的係在於提供一種混光式正面發光之發光二極體晶粒，能在晶圓製程完成混光處理，故可跳過封裝製程直接進行模組製程，以製成更小尺寸之混光式光源模組，徹底解決習知混光式封裝構造的混光效果不均勻與無法正面發光的問題，並能降低製程成本。

本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。本發明揭示一種混光式正面發光之發光二極體晶粒主要包含一長晶襯底、一反射層、一發光結構以及波長轉換樹脂。該反射層係覆蓋該長晶襯底之一處理表面。該發光結構係形成於該反射層上，該發光結構係具有一發光面，並且該發光面之周緣係形成為一蝕刻環，以顯露該反射層之周緣。該波長轉換樹脂係形成於該蝕刻環以及該發光結構之該發光面上。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。

在前述的發光二極體晶粒中，該波長轉換樹脂由該發光結構至該長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度係可大致相同於該波長轉換樹脂在該發光結構上的厚度。

在前述的發光二極體晶粒中，可另包含有一第一電極，係設置於該發光結構之該發光面上。

在前述的發光二極體晶粒中，該發光結構更具有一由該發光面往下沉之平台，該發光二極體晶粒另包含有一第二電極，係可形成於該發光結構之該平台上。

在前述的發光二極體晶粒中，該平台係可不大於該發光面之二分之一。

在前述的發光二極體晶粒中，該第一電極與該第二電極係可為不等長的導電柱體，以致使該第一電極與該第二電極具有顯露在該波長轉換樹脂之外的共平面表面。

在前述的發光二極體晶粒中，該反射層是全面覆蓋該長晶襯底之該處理表面，並且該波長轉換樹脂係可結合於該反射層之周緣。

在前述的發光二極體晶粒中，該反射層係可為一凹凸圖案，其係一體形成於該長晶襯底。

在前述的發光二極體晶粒中，該長晶襯底與該反射層的組合係可為一藍寶石圖案化基板(pattern sapphire substrate,PSS)。

在前述的發光二極體晶粒中，該波長轉換樹脂由該發光結構至該長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度係可為等距。

由以上技術方案可以看出，本發明之免用基板之多晶片堆疊封裝構造，具有以下優點與功效：

一、主要是利用發光結構之發光面之周緣形成為一蝕刻環以及波長轉換樹脂形成於該蝕刻環與發光面上，故可以直接在晶圓製程形成混光的封裝效果，不需要在封裝製程製作混光處理，藉以達成混光式正面發光的微小化模組，並具有良好的混光均勻度並能省略封裝製程直接進行發光二極體的模組作業。

二、由於波長轉換樹脂是包覆在長晶襯底上的發光結構，相對於習知形成於封裝基板上，更易於控制波長轉換樹脂在該發光結構上的厚度。特別是在發光結構至該長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度大致相同於該波長轉換樹脂在該發光結構上的厚度，能有效避免形成光暈色差。

三、藉由反射層全面覆蓋於長晶襯底以及波長轉換樹脂結合於反射層之周緣，避免光線由長晶襯底之周緣逸出，經反射層反射之二次光仍會穿過波長轉換樹脂，達到較佳的光反射效果與二次光混光效果。

四、利用該反射層係為凹凸圖案與一體結合於長晶襯底的結構，能增進與波長轉換樹脂的結合力，避免樹脂剝離。

以下將配合所附圖示詳細說明本發明之實施例，然應注意的是，該些圖示均為簡化之示意圖，僅以示意方法來說明本發明之基本架構或實施方法，故僅顯示與本案有關之元件與組合關係，圖中所顯示之元件並非以實際實施之數目、形狀、尺寸做等比例繪製，某些尺寸比例與其他相關尺寸比例或已誇張或是簡化處理，以提供更清楚的描述。實際實施之數目、形狀及尺寸比例為一種選置性之設計，詳細之元件佈局可能更為複雜。

依據本發明之具體實施例，一種混光式正面發光之發光二極體晶粒舉例說明於第3圖之截面示意圖與第4圖之俯視圖。該發光二極體晶粒200主要包含一長晶襯底210、一反射層220、一發光結構230以及波長轉換樹脂240。

該長晶襯底210可係為一藍寶石基板(sapphire substrate)或其它可晶圓製程施作之載板。該長晶襯底210之材質係可為氧化鋁(Al₂ O₃ )，如藍寶石基板。該長晶襯底210係具有一處理表面211，利用晶圓製程之沉積或/與顯影蝕刻技術能在該處理表面211上形成該反射層220與該發光結構230。

該反射層220係覆蓋該長晶襯底210之該處理表面211。該反射層220可有效反射百分之六十以上的入射光。該反射層220的厚度可介於0.1μm~5μm之間。在本實施例中，如第3圖中局部放大圖與第5圖所示，該反射層220係可為一凹凸圖案，其係一體形成於該長晶襯底210，用以增進該波長轉換樹脂240的結合。該長晶襯底210與該反射層220的組合係可為一藍寶石圖案化基板(pattern sapphire substrate,PSS)。換言之，在一實施例中，該反射層220係由晶圓製程之顯影蝕刻技術所形成，與該長晶襯底210為相同材質，能減少沉積厚度與增加對生長晶層的結合力。再如第5圖所示，該反射層220係為晶格狀的凹陷，更能使生長在該反射層220上的結晶層在凹陷晶格內為單晶、多晶結構或是非晶結構，以增加不透光性。

該發光結構230係形成於該反射層220上，該發光結構230係具有一發光面231，並且該發光面231之周緣係形成為一蝕刻環232，以顯露該反射層220之周緣。在一具體結構中，一第一電極251係可設置於該發光結構230之該發光面231上，該發光結構230係更具有一由該發光面231往下沉之平台(mesa)233，用以設置一第二電極252。該第一電極251與該第二電極252之材質係可為鉻金(Cr/Au)。該發光結構230在被兩電極251與252導電層連接的部位則形成為一有效發光區，故與該發光面231為面積對應關係。更具體地，該發光結構230係包含一第一N型氮化鎵234(n-GaN)、一第二N型氮化鎵235、一多重量子井結構236(MQWs,multiple quantum wells)以及一P型氮化鎵237(P-GaN)。其中，該第二N型氮化鎵235係小於該第一N型氮化鎵234，以形成該平台233。故上述有效發光區係可由該第二N型氮化鎵235、該多重量子井結構236與該P型氮化鎵237所組成。該第一N型氮化鎵234與該第二N型氮化鎵235之厚度總合係可介於4~8μm或可更薄。較佳地，該P型氮化鎵237上係可形成有一透明導電層238，藉以提高該發光面231之光發射均勻度。該透明導電層238係可為氧化銦錫(ITO,Indium tin oxide)。在本實施例中，該透明導電層238之形成方式係可採用沉積技術。

該波長轉換樹脂240係形成於該蝕刻環232以及該發光結構230之該發光面231上。該波長轉換樹脂240通常是一種混合物，包含熱固性樹脂與可以將該發光結構230發射出光線波長轉換成另一種波長的螢光材料。或者，更可以包含吸收一部份由該發光結構230發射出光線的過濾材料。例如，該發光結構230可發射藍光，利用該波長轉換樹脂240可以將藍光之至少一部份轉換成橘光或其它色光，並混合成白光或其它混合光。在本實施例中，該波長轉換樹脂240係可由環氧化合物(Epoxy)與螢光粉混合而成，並可藉由調配的濃度來決定該波長轉換樹脂240之厚度。具體而言，該波長轉換樹脂240之厚度係可介於10~40μm。在此所指的厚度係為該波長轉換樹脂240在該反射層220至頂面的厚度。

較佳地，如第3及4圖所示，該波長轉換樹脂240由該發光結構230至該長晶襯底210之鄰近側邊之水平向寬度W1係可大致相同於該波長轉換樹脂240在該發光結構230上的厚度T。因此，該發光結構230發射的光線，無論是一次光或是二次光在不同角度下都會通過該波長轉換樹脂240大致相同的厚度，故能避免形成正面與側面之間的光暈色差。在如第4圖所示之俯視圖中，該波長轉換樹脂240由該發光結構230至該長晶襯底210之鄰近側邊之水平向寬度W1係為等距，以使該波長轉換樹脂240周邊側面之間發射的光線具有一致化的色相。在本實施例中，該波長轉換樹脂240由該發光結構230至該長晶襯底210之鄰近側邊之水平向寬度W1係可大於該波長轉換樹脂240由該發光結構230之該平台233至該長晶襯底210之鄰近側邊之水平向寬度W2，以使發光色相較為均勻。具體而言，該波長轉換樹脂240由該發光結構230之無效發光區至該長晶襯底210之鄰近側邊之水平向寬度W2係可介於1~30μm。而該波長轉換樹脂240由該發光結構230至該長晶襯底210之鄰近側邊之水平向寬度W1與該波長轉換樹脂240在該發光結構230上的厚度T則略大於上述水平向寬度W2。(如第3及4圖所示)

如第6圖所示，一種混光式正面發光的微小化發光模組是將該發光二極體晶粒200經由一黏著材料40直接設置於一第一導線架31或是基板上，該第一導線架31可具有一光反射杯33，再以打線形成之銲線51連接該第一電極251與該第一導線架31，另一銲線52連接該第二電極252與該第二導線架32。並以一密封樹脂34密封該發光二極體晶粒200與銲線51、52並結合該些導線架31與32。因此，如第6圖所示之微小化發光模組具有微小化、正面發光與縮小色差的混光效果。此外，該些導線架31與32可以線路基板取代之(圖中未繪出)，以使其尺寸更加的微小化。

縱上所述，本發明的發光二極體晶粒200至少包含下列特徵，該發光結構230之該發光面231之周緣形成為該蝕刻環232，以使該發光結構230的尺寸小於該長晶襯底210，並且該波長轉換樹脂240形成於該蝕刻環232與該發光面231上。因此，可以直接在晶圓製程形成混光的封裝效果，不需要在封裝製程製作混光處理，藉以達成混光式正面發光的微小化發光模組，並具有良好的混光均勻度並能省略封裝製程直接進行發光二極體的模組作業。

較佳地，由於該第一電極251設置於該發光面231上以及該第二電極252設置於該凹陷之平台233上，該第一電極251與該第二電極252係可為不等長的導電柱體，以致使該第一電極251與該第二電極252具有顯露在該波長轉換樹脂240之外的共平面表面，以便於進行正面發光模組作業之打線接合，並且在形成該波長轉換樹脂240之過程，該第二電極252不會被覆蓋。更具體地，因採用正面發光，該平台233係可不大於該發光面231之二分之一，以維持有效發光區之大小。

較佳地，再如第3圖所示，該反射層220是全面覆蓋該長晶襯底210之該處理表面211，並且該波長轉換樹脂240係可結合於該反射層220之周緣，藉以達到較佳的光反射效果。尤佳地，如前述般，由於該反射層220係可為一體形成於該長晶襯底210之凹凸圖案，當該波長轉換樹脂240結合於該反射層220之周緣，可以增進該波長轉換樹脂240的結合。

本發明進一步揭示該發光二極體晶粒之製造方法，該製造方法例舉說明於第7A至7F圖之製程中元件截面示意圖。

首先，請參閱第7A圖所示，提供該長晶襯底210，該長晶襯底210係具有該處理表面211。請同時參閱第8圖所示，如方塊晶粒般的複數個長晶襯底210係可一體形成於半導體晶圓，以使該發光二極體晶粒可採用晶圓級製造技術之方式製成。通常該長晶襯底210的周邊係具有複數個呈十字交錯之切割道212，以供定義出每一長晶襯底210。

接著，請參閱第7B圖所示，使該反射層220覆蓋於該長晶襯底210之該處理表面211。該反射層220係可以微影蝕刻技術方式形成。

接著，請參閱第7C圖所示，形成該發光結構230於該反射層220上。具體而言，該發光結構230係依序由該第一N型氮化鎵234、該第二N型氮化鎵235、該多重量子井結構236以及該P型氮化鎵237所組成。該發光結構230係更具有一透明導電層238，該透明導電層238係形成於該P型氮化鎵237上，以提供尚未定義之發光面231。

接著，請參閱第7D圖所示，利用蝕刻或半切割技術使該發光結構230之該發光面231之周緣形成該蝕刻環232，以顯露該反射層220之周緣。另以利用曝光顯影與蝕刻方式決定該透明導電層238、該P型氮化鎵237、該多重量子井結構236以及該第二N型氮化鎵235之尺寸，以在該第一N型氮化鎵234上形成該平台233。因此，在每一長晶襯底210的反射層220上可形成一個發光結構230。

接著，請參閱第7E圖所示，可利用電鍍方式形成該第一電極251與該第二電極252於該發光結構230上，其中該第一電極251係形成於該發光面231上，該第二電極252係形成於該平台233上。在本實施例中，該第一電極251之長度係可小於該第二電極252之長度，以使該第一電極251與該第二電極252之外表面為共平面。較佳地，在電鍍之後可執行一電極研磨步驟，以達到上述之共平面。

之後，請參閱第7F圖所示，藉由模封技術或印刷技術形成該波長轉換樹脂240於該反射層220上並密封上述之發光結構230。另可藉由該反射層220係可為凹凸圖案，以增進與該波長轉換樹脂240的結合。其中，該波長轉換樹脂240更形成於該蝕刻環232以及該發光結構230之該發光面231上。該波長轉換樹脂240之頂面係與該第一電極251與該第二電極252之表面為共平面，以顯露該第一電極251與該第二電極252之外表面，以便於進行正面發光模組作業之打線接合。在形成該波長轉換樹脂240之後，利用切割刀具60沿著該長晶襯底210之該些切割道212切割，並同時切割該長晶襯底210、該反射層220與該波長轉換樹脂240，以分離出多個混光式正面發光之發光二極體晶粒。

因此，可以直接在晶圓製程形成混光的封裝效果，藉以達成混光式正面發光的微小化發光模組，並能省略封裝製程直接進行發光二極體的模組作業。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本項技術者，在不脫離本發明之技術範圍內，所作的任何簡單修改、等效性變化與修飾，均仍屬於本發明的技術範圍內。

W1．．．波長轉換樹脂由發光結構至長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度

W2．．．波長轉換樹脂由發光結構之平台至長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度

T．．．波長轉換樹脂覆蓋在晶粒上的厚度

T1．．．習知波長轉換樹脂在發光結構上的厚度

10．．．波長轉換樹脂

20．．．基板

21．．．第一導電層

22．．．第二導電層

31．．．第一導線架

32．．．第二導線架

33．．．光反射杯

34．．．密封用樹脂

40．．．黏著材料

51．．．第一金屬線

52．．．第二金屬線

60．．．切割刀具

100．．．發光二極體晶粒

110．．．長晶襯底

111．．．處理表面

130．．．發光結構

131．．．平面

133．．．平台

134．．．有效發光區

151．．．第一電極

152．．．第二電極

200．．．發光二極體晶粒

210．．．長晶襯底

211．．．處理表面

212．．．切割道

220．．．反射層

230．．．發光結構

231．．．發光面

232．．．蝕刻環

233．．．平台

234．．．第一N型氮化鎵

235．．．第二N型氮化鎵

236．．．多重量子井結構

237．．．P型氮化鎵

238．．．透明導電層

240．．．波長轉換樹脂

251．．．第一電極

252．．．第二電極

第1圖：為習知混光式封裝構造之截面示意圖。

第2圖：為習知混光式封裝構造所使用的單色發光二極體晶粒之截面示意圖。

第3圖：為依據本發明之一具體實施例的一種混光式正面發光之發光二極體晶粒之截面示意圖。

第4圖：為依據本發明之一具體實施例的發光二極體晶粒之俯視圖。

第5圖：為依據本發明之一具體實施例的發光二極體晶粒中反射層之俯視圖。

第6圖：為依據本發明之一具體實施例的發光二極體晶粒應用於光源模組之截面示意圖。

第7A至7F圖：為依據本發明之一具體實施例的發光二極體晶粒在製程中之元件截面示意圖。

第8圖：為依據本發明之一具體實施例的多個發光二極體晶粒之長晶襯底一體形成於半導體晶圓之表面示意圖。

W1．．．波長轉換樹脂由發光結構至長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度

W2．．．波長轉換樹脂由發光結構之平台至長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度

T．．．波長轉換樹脂在發光結構上的厚度

200．．．發光二極體晶粒

210．．．長晶襯底

211．．．處理表面

220．．．反射層

230．．．發光結構

231．．．發光面

232．．．蝕刻環

233．．．平台

234．．．第一N型氮化鎵

235．．．第二N型氮化鎵

236．．．多重量子井結構

237．．．P型氮化鎵

238．．．透明導電層

240．．．波長轉換樹脂

251．．．第一電極

252．．．第二電極

Claims (7)

1. 一種混光式正面發光之發光二極體晶粒，包含：一長晶襯底；一反射層，係覆蓋該長晶襯底之一處理表面；一發光結構，係形成於該反射層上，該發光結構係具有一發光面，並且該發光結構之側面周緣係形成為一蝕刻環，以顯露該反射層之周緣；以及波長轉換樹脂，其係形成於該蝕刻環以及該發光結構之該發光面上；其中，該波長轉換樹脂由該發光結構之側面周緣至該長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度係大致相同於該波長轉換樹脂在該發光結構上的厚度，並且該反射層是全面覆蓋該長晶襯底之該處理表面，並且該波長轉換樹脂結合於該反射層之周緣；其中，在一俯視圖中，該波長轉換樹脂由該發光結構之側面周緣至該長晶襯底之鄰近側邊之水平向寬度係為等距。
2. 根據申請專利範圍第1項之混光式正面發光之發光二極體晶粒，另包含有一第一電極，係設置於該發光結構之該發光面上。
3. 根據申請專利範圍第2項之混光式正面發光之發光二極體晶粒，其中該發光結構更具有一由該發光面往下沉之平台，該發光二極體晶粒另包含有一第二電極，係設置於該發光結構之該平台上。
4. 根據申請專利範圍第3項之混光式正面發光之發光二極體晶粒，其中該平台係不大於該發光面之二分之一。
5. 根據申請專利範圍第3項之混光式正面發光之發光二極體晶粒，其中該第一電極與該第二電極係為不等長的導電柱體，以致使該第一電極與該第二電極具有顯露在該波長轉換樹脂之外的共平面表面。
6. 根據申請專利範圍第1項之混光式正面發光之發光二極體晶粒，其中該反射層係為一凹凸圖案，其係一體形成於該長晶襯底。
7. 根據申請專利範圍第6項之混光式正面發光之發光二極體晶粒，其中該長晶襯底與該反射層的組合係為一藍寶石圖案化基板(pattern sapphire substrate,PSS)。