TWI425665B - Led基板之製造方法、led基板及白光led構造 - Google Patents

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Description

LED基板之製造方法、LED基板及白光LED構造
本發明係關於一種LED基板之製造方法、LED基板及白光LED構造，特別是指於LED基板上作凸起顆粒之尺寸及形狀之最佳化，並選用特定波長之紫外光，而可散射出演色性佳之高亮度白光者。
西元1993年，當時在日本日亞化學工業(Nichia Corporation)工作的中村修二(Shuji Nakamura)發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵(GaN)和銦氮化鎵(InGaN)產生的藍光LED，因為藍光是三原色之一，而早期只有紅光LED及綠光LED，藉由藍光LED之開發，使得經由三原色之混色產生各色光之LED得以發展，特別是可使用於照明之白光LED，因此開啟了今後LED照明產業之蓬勃發展，而為了進一步提高LED之亮度，中華民國發明專利公開第200840096號「III族氮化物半導體層之製造方法，及III族氮化物半導體發光元件，以及燈」案，係為提供：可得到對於可適合使用於對內部量子效率及光取出效率優越之發光元件的形成之結晶性優越之III族氮化物半導體層的製造方法，如屬於形成單結晶之III族氮化物半導體層於基板上之III族氮化物化合物半導體層之製造方法，其中，具備經由於基板之C面上，形成由非平形之表面而成之複數凸部於前述C面之情況，形成由前述C面而成之平面與由前述凸部而成之上面於前述基板上之基板加工工程，和 於前述上面上，使前述III族氮化物半導體層磊晶，由III族氮化物半導體層埋入前述凸部之磊晶工程的III族氮化物化合物半導體層之製浩方法，然而： 凸部之形狀及尺寸將影響光線於上述基板上面之亂反射效果，其結果則會表現於光線由封裝樹脂散射出之亮度，故許多研究者則致力發展凸部形狀及尺寸之最佳化。
另外，目前白光LED主要的商品化作法是日亞化學公司(Nichia)以InGaN藍光晶粒塗上一層YAG螢光物質，利用460nm波長的藍光照射此一螢光物質產生與藍光互補的555nm波長黃光，再將互補的黃光、藍光予以混合，而產生白光，但其演色性不佳，故有使用演色性較佳之InGaN紫外光產生白光之LED，但封裝層之環氧樹脂被波長太短之紫外光照射會產生劣化變質，故，紫外光波長及配合該波長紫外光之螢光物質之選用，是決定使用紫外光產生白光之LED壽命關鍵。
爰此，本發明之一目的在於開發前案所述凸部之外型及尺寸之最佳化，進而提供產生高亮度白光之白光LED構造。
本發明之另一目的在於藉由特定波長之紫外光激發螢光物質產生紫外光之互補色光，並於混光後產生演色性佳之白光，同時並能降低封裝體之環氧樹脂劣化，進而增加白光LED之壽命。
根據本發明上述目的，而經由不斷創新研發，發展出 一種LED基板之製造方法，該基板係具有一反射面，其方法為：於該反射面上成型複數凸起顆粒，該些凸起顆粒頂部並形成曲面，且該些凸起顆粒之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒之間距則為0.6微米至3微米。
上述凸起顆粒係以蝕刻方式達成。
上述凸起顆粒之外表面以雷射雕刻等方式成型至少一彎折段。
進一步根據本發明上述目的，係提供一種LED基板，該基板係具有一反射面，該反射面上則具有複數凸起顆粒，該些凸起顆粒頂部係呈曲面，且該些凸起顆粒之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒之間距則為0.6微米至3微米。
上述凸起顆粒係呈圓錐狀、角錐狀或半球狀之任一種。
上述凸起顆粒之外表面係具有至少一彎折段。
上述基板係為藍寶石。
再進一步根據本發明上述目的，係提供一種白光LED構造，包括：一磊晶晶片，包括一基板及一氮化銦鎵磊晶層，該基板具有一反射面，該反射面上係具有複數凸起顆粒，該些凸起顆粒頂部係呈曲面，且該些凸起顆粒之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒之間距則為0.6微米至3微米，而該氮化銦鎵磊晶層係披覆該反射面上，並於通電後發出波長為380至410奈米 範圍內之紫外光；一導電體，係設置二導線座，該二導線座分別設置一導線，該磊晶晶片係固晶於該任一導線座上，該二導線則連接該氮化銦鎵磊晶層；一螢光物質，覆蓋於該磊晶晶片之氮化銦鎵磊晶層上，且該螢光物質至少包括氧化鋅及釔鋁石榴石；一封裝體，係封裝上述磊晶晶片、導電體及螢光物質，且該導電體之二導線座並穿設於該封裝體外。
藉由將該基板導入白光LED中，該些凸起顆粒可提高紫外光於該氮化銦鎵磊晶層內之亂反射，而有效提高發光效率，同時利用380至410奈米範圍內之紫外光可減少封裝體之環氧樹脂產生劣化，提高使用壽命，且利用紫外光激發螢光物質產生紫外光之互補色光，並於混光後產生之白光具有較佳之演色性，更利於發展為照明設備。
進一步，該些凸起顆粒係呈圓錐狀、角錐狀或半球狀之任一種。
進一步，該些凸起顆粒之外表面係具有至少一彎折段，可再次提高紫外光於該氮化銦鎵磊晶層內之亂反射，使光取出效率再次提升。
進一步，該螢光物質中，氧化鋅之重量百分比為5%至15%，而氧化鋅是二-六族半導體材料，能隙為3.3電子伏特，與包括氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)或硒化鋅(ZnSe)等大能隙半導體同級，而利用混入重量百分比為5%至15%之氧化鋅可具有活化釔鋁石榴石之功效，進而激發釔鋁石榴石產生亮度更高的紫外光之互補色光。
進一步，該螢光物質係以沈積方式沈積於該磊晶晶片之氮化銦鎵磊晶層上，藉此可具有純度極高之氧化鋅及釔鋁石榴石，同時並可精準控制該螢光物質之厚度，且紫外光亦不會洩漏，而單獨從封裝體散射出。
進一步，該螢光物質係混合於該封裝體中，而具有製造容易，不會增加製程成本之優點。
上述基板係為藍寶石，而封裝體係為環氧樹脂。
綜合上述技術特徵，本發明之一較佳實施例請參閱第一圖至第三圖所示，係以白光LED構造為例，包括一磊晶晶片(1)、一導電體(2)、一螢光物質(3)及一封裝體(4)，其中：該磊晶晶片(1)包括一基板(11)及一氮化銦鎵磊晶層(12)，該基板(11)具有一反射面(111)，該反射面(111)上係具有複數凸起顆粒(112)，該些凸起顆粒(112)係呈圓錐狀、角錐狀或半球狀之任一種，而該基板(11)係為藍寶石，由於藍寶石係為三氧化二鋁(Al2 O3 )之結晶，其晶格常數與氮化鎵或氮化銦鎵有良好匹配性，是取代傳統矽基材極優秀之材料，該些凸起顆粒(112)則可由半導體蝕刻方式製成，而由於半導體蝕刻技術發展已極為成熟，且蝕刻之等向性良好，並可將光罩圖形完整轉印於該基板(11)上，是製作該些凸起顆粒(112)極為方便之方式，又該些凸起顆粒(112)頂部係呈曲面，且該些凸起顆粒(112)之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至 1.8微米，相鄰凸起顆粒(112)之間距則為0.6微米至3微米，本實施例中，係以下述尺寸進行測量，其中該些凸起顆粒(112)係略呈圓錐狀，其位於基板(11)上之底部寬度為2.4微米，高度為1.5微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒(112)之間距則為0.6微米，另外，該氮化銦鎵磊晶層(12)係披覆該反射面(111)上，並於通電後發出波長為380至410奈米範圍內之紫外光，實施時，該些凸起顆粒(112)可提高紫外光於該氮化銦鎵磊晶層(12)內之亂反射，而有效提高發光亮度，並具有較佳之演色性，更利於發展為照明設備，同時利用380至410奈米範圍內之紫外光可減少後述封裝體(4)之環氧樹脂劣化，進而提高使用壽命。
該導電體(2)係設置二導線座(21)，該二導線座(21)分別設置一導線(211)，該磊晶晶片(1)係固晶於該任一導線座(21)上，該二導線(211)則連接該氮化銦鎵磊晶層(12)，藉以導通電流至該氮化銦鎵磊晶層(12)。
該螢光物質(3)係覆蓋於該磊晶晶片(1)之氮化銦鎵磊晶層(12)上，且該螢光物質(3)至少包括氧化鋅及釔鋁石榴石，其中氧化鋅之重量百分比為5%至15%，而由於氧化鋅是二-六族半導體材料，能隙為3.3電子伏特，與包括氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)或硒化鋅(ZnSe)等大能隙半導體同級，而利用混入重量百分比為5%至15%之氧化鋅可具有活化釔鋁石榴石之功效，進而可於實施時激發釔鋁石榴石產生亮度更高的紫外光之互補色光。
該封裝體(4)係為環氧樹脂，其封裝上述磊晶晶片(1)、導電體(2)及螢光物質(3)，且該導電體(2)之二導線座(21)並穿設於該封裝體(4)外，形成導電插腳，藉由此封裝程序，而可使用於後續發光設備之組裝，其中，該螢光物質(3)係可混合於該封裝體(4)中，而具有製造容易，不會增加製程成本之優點，但該螢光物質(3)並不限於上述設置方式，請參閱第四圖，該螢光物質(3)亦可以沈積方式沈積於該磊晶晶片(1)之氮化銦鎵磊晶層(12)上，藉此可具有純度極高之氧化鋅及釔鋁石榴石，同時並可精準控制該螢光物質(3)之厚度，且實施時，由於該螢光物質(3)直接披覆於該氮化銦鎵磊晶層(12)上，故紫外光不會洩漏，而單獨從封裝體散射出。
另外，本發明白光LED並不限於上述封裝方式，亦可如第五圖所示，將磊晶晶片(1)固晶於導線座(21)上，並以封裝體(4)封裝後，設置於筒狀容納件(51)之一末端，筒狀容納件(51)之另一末端係以透光罩(52)密封。當通電時，電流流至氮化銦鎵磊晶層(12)，發出波長為380至410奈米範圍內之紫外光，該些凸起顆粒(112)可提高紫外光於氮化銦鎵磊晶層(12)內之亂反射，提高發光亮度及演色性，所發出的紫外光係經由磊晶晶片(1)之反射面(111)反射後藉由封裝體(4)內之螢光物質(3)產生互補色光而通過筒狀容納件(51)另一端之透光罩(52)散射出。
筒狀容納件(51)係為金屬材質以解決習知白光LED發光時產生之熱量難以溢散之問題，同時筒狀容納件中之容 納空間(54)係有助於將熱量排出，避免熱量密封於封裝體(4)內造成劣化，進而提高使用壽命。散熱孔(53)係設置於筒狀容納件(51)之側表面或環繞筒狀容納件(51)之側表面設置，且較佳為依LED發光方向向外部呈放射狀設置。
透光罩(52)係以樹脂、玻璃、塑膠等可透光材質製成，較佳為包含一弧面，更加為包含一彎折段，使光線易於向外散射。
請參閱下表一及表二所示，分別為基板(11)呈平板狀[表一]及設置凸起顆粒(112)[表二]，並經由磊晶成為磊晶晶片(1)後，未經過封裝之裸晶測試：
其中，VF：為順向偏壓；IR：逆向電流；WP：峰值波長；Φe：光通量，而經由上述表一及表二以相同條件之VF值，IR值及WP值進行測試，可看出本發明之磊晶晶片(1)所產生之光通量(Φe)，比基板(11)呈平板狀之磊晶晶片(1)約高出62%，而前述中華民國發明專利公開第200840096號「III族氮化物半導體層之製造方法，及III族氮化物半導體發光元件，以及燈」案之凸部僅能增加約20%左右之亮度[請參照其實施方式之表六]，而大幅提升約40%左右，且本發明之磊晶晶片(1)經過封裝體(4)之封裝後將可進一步提昇其發光亮度。
另外，請參閱第六圖所示，係由初始為2吋之藍寶石基板(11)，經設置該些凸起顆粒(112)並經磊晶上述氮化銦鎵磊晶層(12)後，切割為13mil尺寸之磊晶晶片(1)約10000片，由第六圖中可得知，經統計後本發明之磊晶晶片(1)所產生之輻射通量(Po)約比未設置凸起顆粒(112)之磊經晶片(1)提高約71%，故此，本發明將可有效提昇白光LED之亮度。
另外，請參閱下表三並配合參閱第七圖所示，係由初始為2吋之藍寶石基板(11)，經設置該些凸起顆粒(112)，並經磊晶上述氮化銦鎵磊晶層(12)後，切割為40mil尺寸之磊晶晶片(1)約1000片，分別以波長為400nm至415nm之紫外光探針顯微鏡探測時之輻射通量(Po)，並以相同參 數條件下探測基板(11)呈平板狀之磊晶晶片(1)其輻射通量(Po)之比較。
其中，Wp為紫外光波長，Flat為基板(11)呈平板狀之磊晶晶片(1)，PSS則為本發明40mil之磊晶晶片(1)， 結果顯示本發明之磊晶晶片(1)產生之輻射通量(Po)比基板(11)呈平板狀之磊晶晶片(1)高出約86%，故本發明不論在尺寸為13mil之小晶粒或尺寸為40mil之大晶粒，皆能大幅提昇磊晶晶片(1)之輻射通量(Po)，而有效提昇白光LED之亮度。
本發明另一較佳實施例請參閱第八圖及第九圖所示，係於該基板(11)之凸起顆粒(112)之外表面以雷射雕刻等方式成型至少一彎折段(112A)[其製作為LED構造及發光方式皆如上述實施例所述，故僅繪出該基板(11)之剖視圖]，藉此，可再次提高紫外光於該氮化銦鎵磊晶層(12)[圖中未示]內之亂反射，使光取出效率再次提升。
(1)‧‧‧磊晶晶片
(11)‧‧‧基板
(111)‧‧‧反射面
(112)‧‧‧凸起顆粒
(112A)‧‧‧彎折段
(12)‧‧‧氮化銦鎵磊晶層
(2)‧‧‧導電體
(21)‧‧‧導線座
(211)‧‧‧導線
(3)‧‧‧螢光物質
(4)‧‧‧封裝體
(51)‧‧‧筒狀容納件
(52)‧‧‧透光罩
(53)‧‧‧散熱孔
(54)‧‧‧容納空間
第一圖係為本發明磊晶晶片之基板上形成凸起顆粒之示意圖。
第二圖係為本發明磊晶晶片之示意圖。
第三圖係為將螢光物質混入封裝體中構成本發明白光LED構造之示意圖。
第四圖係為將螢光物質披覆於氮化銦鎵磊晶層上構成本發明白光LED構造之示意圖。
第五圖係為本發明白光LED之另一構造示意圖。
第六圖係為本發明將2吋藍寶石晶圓切割為13mil之磊晶晶片而統計其輻射通量(Po)增益比較示意圖。
第七圖係為本發明將2吋藍寶石晶圓切割為40mil之磊晶晶片而統計其輻射通量(Po)增益比較示意圖。
第八圖係為本發明基板之凸起顆粒外表面形成一個彎折段之示意圖。
第九圖係為本發明基板之凸起顆粒外表面形成二個彎折段之示意圖。
(1)‧‧‧磊晶晶片
(11)‧‧‧基板
(111)‧‧‧反射面
(112)‧‧‧凸起顆粒
(12)‧‧‧氮化銦鎵磊晶層
(2)‧‧‧導電體
(21)‧‧‧導線座
(211)‧‧‧導線
(3)‧‧‧螢光物質
(4)‧‧‧封裝體

Claims (16)

  1. 一種LED基板之製造方法，該基板係具有一反射面，其方法為：於該反射面上成型複數凸起顆粒，該些凸起顆粒頂部並形成曲面，且該些凸起顆粒之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒之間距則為0.6微米至3微米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之LED基板之製造方法，係以蝕刻方式成型該些凸起顆粒。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之LED基板之製造方法，係於該些凸起顆粒之外表面成型至少一彎折段。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之LED基板之製造方法，係以雷射雕刻方式成型該些凸起顆粒之彎折段。
  5. 一種LED基板，該基板係具有一反射面，該反射面上則具有複數凸起顆粒，該些凸起顆粒頂部係呈曲面，且該些凸起顆粒之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒之間距則為0.6微米至3微米。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之LED基板，其中該些凸起顆粒係呈圓錐狀、角錐狀或半球狀之任一種。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之LED基板，該些凸起顆粒之外表面係具有至少一彎折段。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之LED基板，該基板係為藍寶石。
  9. 一種白光LED構造，包括： 一磊晶晶片，包括一基板及一氮化銦鎵磊晶層，該基板具有一反射面，該反射面上係具有複數凸起顆粒，該些凸起顆粒頂部係呈曲面，且該些凸起顆粒之底部寬度為2微米至4微米，高度為1.2微米至1.8微米，相鄰凸起顆粒之間距則為0.6微米至3微米，而該氮化銦鎵磊晶層係披覆該反射面上，並於通電後發出波長為380至410奈米範圍內之紫外光；一導電體，係設置二導線座，該二導線座分別設置一導線，該磊晶晶片係固晶於該任一導線座上，該二導線則連接該氮化銦鎵磊晶層；一螢光物質，覆蓋於該磊晶晶片之氮化銦鎵磊晶層上，且該螢光物質至少包括氧化鋅及此鋁石榴石；一封裝體，係封裝上述磊晶晶片、導電體及螢光物質，且該導電體之二導線座並穿設於該封裝體外。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之白光LED構造，其中該些凸起顆粒係呈圓錐狀、角錐狀或半球狀之任一種。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之白光LED構造，其中該些凸起顆粒之外表面係具有至少一彎折段。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之白光LED構造，其中該螢光物質中，氧化鋅之重量百分比為5%至15%。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之白光LED構造，其中該螢光物質係以沈積方式沈積於該磊晶晶片之氮化銦鎵磊晶層上。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之白光LED構造，其 中該螢光物質係混合於該封裝體中。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之白光LED構造，其中該磊晶晶片之基板係為藍寶石。
  16. 如申請專利範圍第9至15項所述之白光LED構造，其中該封裝體材料係為環氧樹脂。
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