TWI464921B - 主波長分佈收斂之發光元件及其製造方法 - Google Patents

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Description

主波長分佈收斂之發光元件及其製造方法
本發明係揭示一種晶圓級發光元件及其製造方法，特別是關於一種其上包含主波長(dominant wavelength)呈收斂分佈之發光二極體晶圓以及一種使發光二極體晶圓之發射光主波長呈收斂分佈之方法。
發光二極體(light-emitting diode,LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具。
第1A圖至第1E圖係習知之發光元件之製造流程示意圖。
首先，如第1A圖所示，提供一基板10；再如第1B圖所示，形成複數磊晶層12於基板10上；接著，如第1C圖所示，利用微影蝕刻技術針對複數磊晶層12進行蝕刻，以於基板10上製作出複數發光疊層14；隨後，如第1D圖所示，於發光疊層14上形成電極16，以形成一發光二極體晶圓(wafer)100；最後，如第1E圖所示，對此發光二極體晶圓100進行切割，以形成發光二極體晶粒18。
然而，實際上發光二極體晶圓100上眾多發光疊層16所發出光線主波長(dominant wavelength)分佈並不均勻，其差距可達15nm至20nm或者更大，因此上述發光疊層16形成發光二極體晶粒18後所發出光線主波長差異亦大。此發光二極體晶粒18發射光主波長不均勻的問題進一步地影響了使用發光二極體晶粒之產品其產品特性之一致性。以習知之主波長460nm藍光發光二極體晶片搭配黃色螢光粉體混合成白光為例，若同一發光二極體晶圓上之藍色發光二極體晶粒之主波長分佈達20nm，即其主波長分佈由450nm至470nm，其搭配激發光波長為570nm之黃色波長轉換物質所激發之光線所混合成的白光色溫分佈亦受到影響。
如第2圖所示，由於發光二極體晶圓上各個發光疊層之主波長分佈差異，其所形成之晶粒搭配轉換物質後所混合成的白光其色溫(color temperature)分佈於6500K至9500K之間，具有約3000K左右的色溫變異，對產品品質之一致性造成很大的影響。
為解決上述同一發光二極體晶圓上發光疊層16主波長分佈不均勻之問題，習知的發光二極體晶粒18製造過程中，往往如第3圖所示，加入點測、分類(Sorting)與篩選(Binning)之程序，針對眾多發光二極體晶粒18進行篩選，以挑選出主波長分佈相近的發光二極體晶粒18，以因應不同波長特性需求的應用。
雖然點測、分類與篩選之程序可減少主波長(dominant wavelength)分佈不均勻對應用產品品質表現一致性的影響，但是當發光二極體晶粒18應用於對主波長分佈均勻要求嚴苛之產品時，例如大尺寸顯示器之發光二極體背光源元件，發光二極體晶圓100上可使用的發光二極體晶粒18比率偏低。此外，分類與篩選的工序費時費力，亦增加了生產發光二極體晶粒的成本及所需時間。
本發明之目的在提供一種主波長分佈收斂之發光二極體晶圓，包含一基板、複數發光疊層位於基板上，以及一波長轉換收斂層，位於複數發光疊層上，用以收斂並轉換發光疊層所發出之主波長。
本發明之另一目的在於揭露一種收斂發光二極體晶圓主波長分佈之方法，其步驟包含提供一基板、形成複數發光疊層於基板上，以及形成一波長轉換收斂層於複數發光疊層上，使發光二極體晶圓上每一發光疊層發出光線之主波長呈現收斂分布。
本發明之又一目的在於提供一發光元件製造方法，藉由形成一波長轉換收斂層，以收斂發光疊層所發出光線之波長變異，藉此提高發光二極體晶粒之使用率。
本發明之再一目的在於提供一發光元件製造方法，藉由形成一波長轉換收斂層，以收斂發光疊層所發出光線之主波長變異，藉此減少發光二極體晶粒製作程序中分類(Sorting)與篩選(Binning)之工序。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
以下配合圖式說明本發明之實施例。
第4A圖至第4F圖為本發明實施例之製造流程示意圖，如第4A圖所示，提供一基板20，其中基板20可以是導電基板，並且如第4B圖所示，於基板20上形成複數磊晶層22，其中複數磊晶層22由上而下至少包含一第一導電型半導體層220、一活性層222以及一第二導電型半導體層224，且複數磊晶層22之材質可以選自包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或砷(As)之半導體物質，例如氮化鎵(GaN)系列材料或磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列材料，以下本實施例係以氮化鎵系列材料為例進行說明。
隨後，再如第4C圖所示，利用微影蝕刻技術蝕刻複數磊晶層22以形成複數發光疊層24於基板20上；如第4D圖所示，利用蒸鍍技術分別於複數發光疊層24上形成一電極26，以獲得一發光二極體晶圓(wafer)200。
此發光疊層24會發出第一光束210，且第一光束之主波長(dominant wavelength)可介於390nm至430nm之間，其中任選二第一光束210之間具有一第一主波長差異，於此發光二極體晶圓200中，第一主波長差異之最大值係為第一主波長變異值V1 。
接著，於形成電極26之步驟後，如第4E圖所示，進一步地於發光疊層24之表面覆蓋一波長轉換收斂層28，其材質可以是螢光物質或磷光物質，在本實施例中波長轉換收斂層28係由螢光粉體所構成，其材質可以選自Si3 MgSi2 O8 :Eu、BaMgAl10 O17 :Eu、(SrBaCa)5 (PO4 )3 Cl:Eu、Sr3 (Al2 O5 )Cl2 :Eu2+ 以及Sr4 Al14 O25 :Eu等藍色螢光粉體所構成群組之任意一種或一種以上之材料，且上述螢光粉體係均勻地或部分地塗佈於發光疊層24之表面；其中，此波長轉換收斂層28大致上完全吸收發光疊層24所發出的第一光束210並轉換為第二光束220。
於本實施例中，此第二光束220係主波長係介於450nm至470nm之長波長藍光，其中任選二第二光束220之間具有一第二主波長差異，於此發光二極體晶圓200中，第二主波長差異之最大值係第二主波長變異值V2 。最後，如第4F圖所示將發光二極體晶圓200上之複數發光疊層24進行切割，以形成複數發光二極體晶粒30。
於上述實施例中，第一主波長變異值V1 係介於15nm至20nm之間，而第二主波長變異值V2 則小於10nm，較佳者為小於5nm；藉由於發光疊層24上形成一波長轉換收斂層28，以減少發光二極體晶圓200中任選二發光疊層24發出光線之主波長差異，使同一發光二極體晶圓200所形成之發光二極體晶粒30之主波長分佈呈收斂分佈，提高發光二極體晶圓200上發光疊層24之可使用率；不僅如此，上述實施例更可省略習知發光二極體晶粒製造過程中分類與篩選之工序，進一步地降低生產成本。
此外，本發明亦可如第5圖所示，於形成波長轉換收斂層28之步驟後，形成一波長轉換層32於波長轉換收斂層28上，其中，波長轉換層32包含一種或一種以上之螢光粉體，其材質可以選自釔鋁石榴石、鹼土鹵鋁酸鹽等黃色螢光粉體、BaMgAl10 O17 :Eu、MnBa2 SiO4 :Eu、(Sr,Ca)SiO4 :Eu、CaSc2 O4 :Eu、Ca8 Mg(SiO4 )4 Cl2 :Eu,Mn、SrSi2 O2 N2 :Eu、LaPO4 :Tb,Ce、Zn2SiO4 :Mn、ZnS:Cu、YBO3 :Ce,Tb、(Ca,Sr,Ba)Al2 O4 :Eu、Sr2 P2 O7 :Eu,Mn、SrAl2 S4 :Eu、BaAl2 S4 :Eu、Sr2 Ga2 S5 :Eu、SiAlON:Eu、KSrPO4 :Tb、Na2 Gd2 B2 O7 :Ce,Tb等綠色螢光粉體，與Y2 O3 :Eu、YVO4 :Eu、CaSiAlN3:Eu、(Sr,Ca)SiAlN3:Eu、Sr2 Si5 N8 :Eu、CaSiN2 :Eu、(Y,Gd)BO3 :Eu、(La,Y)2 O2 S:Eu、La2 TeO6 :Eu、SrS:Eu、Gd2 MoO6 :Eu、Y2 WO6 :Eu,Bi、Lu2 WO6 :Eu,Bi、(Ca,Sr,Ba)MgSi2 O6:Eu,Mn、Sr3 SiO5 :Eu、SrY2 S4 :Eu、CaSiO3 :Eu、Ca8 MgLa(PO4 )7 :Eu、Ca8 MgGd(PO4 )7 :Eu、Ca8 MgY(PO4 )7 :Eu、CaLa2 S4 :Ce等紅色螢光粉體所構成群組中之至少一種材料，其中上述螢光粉體係均勻地或部分地塗佈於波長收斂轉換層28上。
於本實施例中，波長轉換層32包含至少一種黃色螢光粉體，此波長轉換層32會吸收部分第二光束220，並且轉換為黃色之第三光束230，其中上述第三光束230之主波長係570nm；隨後，上述黃色第三光束230與未被波長轉換層32吸收之第二光束220混合產生白色之第四光束240。
由於第二光束之主波長係460nm，而第二主波長最大差值小於10nm，較佳者為小於5nm，因此於本實施例中第二光束主波長分佈範圍介於455nm至465nm之間；第6圖為本發明實施例第四光束之CIE 1931色度座標圖，如第6圖所示，上述第二光束220與第三光束230混合所得第四光束240，其色溫大約分佈於6500K至8500K之間(圖中黑體曲線與實線之交點)，其色溫差小於2000K，較佳者為小於1000K。
相較於習知技術中直接運用主波長分佈15nm至20nm之藍光發光二極體晶片搭配黃色螢光粉體混合成具有3000K色溫差(圖中黑體曲線與虛線之交點)之白光，本發明實施例中明顯地提升了一發光二極體晶圓上各發光疊層所發出光線之均勻性。
再者，於上述實施例中，雖然係以垂直結構發光二極體晶粒作說明，但不意味著本發明之範圍侷限於垂直結構之發光二極體；第7圖為本發明之另一實施例結構示意圖，如第7圖所示，一發光二極體晶圓500包含一基板50、複數位於基板50上之發光疊層52、第一電極54與第二電極56，以及一波長轉換收斂層58，其中發光疊層52由上而下至少包含一第一導電型半導體層520、一活性層522，以及一第二導電型半導體層524，每一個發光疊層52上皆具有一裸露第二導電型半導體層524之平面，而第一電極54與第二電極56則分別位於第一導電型半導體層520與第二導電型半導體層524上，波長轉換收斂層58則覆蓋於複數發光疊層52上。
除此之外，第8A圖與第8B圖為本發明又一實施例結構示意圖，如圖所示本發明更可包含一電性連接結構60，用以串聯相鄰之發光疊層52/52’；如第8A圖所示，本實施例之電性連接結構60為一金屬線，利用打線(wire bonding)技術使得一發光疊層52上之第二電極56與相鄰的另一發光疊層52’之第一電極54產生電性連接，讓相異的發光疊層52/52’間形成一串聯電路；亦可如第8B圖所示，其電性連結結構60包含一絕緣層62與金屬層64，先形成一絕緣層62於發光疊層52與相鄰的發光疊層52’之間，接著再形成一金屬層64，使得一發光疊層52上之第二電極56與相鄰的另一發光疊層52’之第一電極54產生電性連接，使相異的發光疊層52/52’間形成一串聯電路。
不僅如此，於切割發光二極體晶圓之步驟中，如第9圖所示，除了可以如切割線A進行裁切，將各個發光疊層52切割成為發光二極體晶粒外，亦可按照切割線B進行切割，將複數利用電性連接結構60形成串聯之發光疊層52/52’切割為一晶片級發光二極體陣列70。於一般狀況下，單一個發光疊層52/52’之壓降約為3.5V，因此將十四個串聯的發光疊層52/52’切割為一發光二極體陣列晶片(light-emitting diode array chip)70，便可直接應用於48V的車用交流電供電；亦可將三十個串聯之發光疊層52/52’切割為一發光二極體陣列晶片70，使之可直接應用於100V家用交流電中；其中，上述之發光二極體陣列晶片70中，由於各個發光疊層52/52’上皆具有波長轉換收斂層，因此各個發光疊層52/52’所發出光線之主波長較為一致，藉此省略習知發光二極體陣列晶粒製造過程中先依照主波長分佈分類與篩選再排列之工序，以降低生產成本。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10．．．基板
12．．．磊晶層
14．．．發光疊層
16．．．電極
18．．．發光二極體晶粒
100．．．發光二極體晶圓
20．．．基板
22．．．磊晶層
220．．．第一導電型半導體層
222．．．活性層
224．．．第二導電型半導體層
24．．．發光疊層
26．．．電極
200．．．發光二極體晶圓
210．．．第一光束
28．．．波長轉換收斂層
220．．．第二光束
30．．．發光二極體晶粒
32．．．波長轉換層
230．．．第三光束
240．．．第四光束
500．．．發光二極體晶圓
50．．．基板
52、52’．．．發光疊層
520．．．第一導電型半導體層
522．．．發光層
524．．．第二導電型半導體層
54．．．第一電極
56．．．第二電極
58．．．波長轉換收斂層
60．．．電性連接結構
62．．．絕緣層
64．．．金屬層
70．．．發光二極體陣列晶片
第1A至1E圖為習知之發光二極體晶粒製造流程示意圖。
第2圖為習知藍色發光二極體晶粒搭配黃色螢光粉體之CIE 1931色彩座標圖。
第3圖為習知之發光二極體晶粒點測示意圖。
第4A至4F圖為本發明實施例之製造流程示意圖。
第5圖為本發明另一實施力之結構示意圖。
第6圖為本發明實施例之CIE 1931色彩座標圖。
第7圖為本發明又一實施例之結構示意圖。
第8A至8B圖為本發明再一實施例結構示意圖。
第9圖為本發明切割步驟之結構示意圖。
20．．．基板
24．．．發光疊層
26．．．電極
28．．．波長轉換收斂層
200．．．發光二極體晶圓
220．．．第二光束

Claims (24)

  1. 一種主波長分佈收斂之發光元件製造方法，至少包括下列步驟：提供一基板；形成複數發光疊層於該基板上，其中該複數發光疊層發出一第一光束，且該第一光束具有一第一主波長變異值；形成一波長轉換收斂層於該複數發光疊層上，該波長轉換收斂層吸收該第一光束並發出一第二光束，且該第二光束具有一第二主波長變異值，其中該第一主波長變異值大於該第二光束主波長變異值；以及形成至少一波長轉換層於該波長轉換收斂層上，該波長轉換層吸收部分該第二光束且發出第三光束，其中該第二光束波長小於該第三光束波長，且該第二光束與該第三光束混合產生一第四光束。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該複數發光疊層之材質選自包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或砷(As)之半導體物質。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該第一光束之主波長介於390nm至430nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該第一光束完全被該波長轉換收斂層所吸收。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該波長轉換收斂層至少包含一磷光粉體或一螢光粉體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該波長轉換收斂層之螢光粉體可以選自Si3 MgSi2 O8 ：Eu、BaMgAl10 O17 ：Eu、(SrBaCa)5 (PO4 )3 Cl：Eu、Sr3 (Al2 O5 )Cl2 ：Eu2+ 以及Sr4 Al14 O25 ：Eu所構成群組中至少一種 材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該波長轉換層之材質係選自釔鋁石榴石、鹼土鹵鋁酸鹽等黃色螢光粉體、BaMgAl10 O17 ：Eu、MnBa2 SiO4 ：Eu、(Sr,Ca)SiO4 ：Eu、CaSc2 O4 ：Eu、Ca8 Mg(SiO4 )4 Cl2 ：Eu,Mn、SrSi2 O2 N2 ：Eu、LaPO4 ：Tb,Ce、Zn2SiO4 ：Mn、ZnS：Cu、YBO3 ：Ce,Tb、(Ca,Sr,Ba)Al2 O4 ：Eu、Sr2 P2 O7 ：Eu,Mn、SrAl2 S4 ：Eu、BaAl2 S4 ：Eu、Sr2 Ga2 S5 ：Eu、SiAlON：Eu、KSrPO4 ：Tb、Na2 Gd2 B2 O7 ：Ce,Tb等綠色螢光粉體，與Y2 O3 ：Eu、YVO4 ：Eu、CaSiAlN3：Eu、(Sr,Ca)SiAlN3：Eu、Sr2 Si5 N8 ：Eu、CaSiN2 ：Eu、(Y,Gd)BO3 ：Eu、(La,Y)2 O2 S：Eu、La2 TeO6 ：Eu、SrS：Eu、Gd2 MoO6 ：Eu、Y2 WO6 ：Eu,Bi、Lu2 WO6 ：Eu,Bi、(Ca,Sr,Ba)MgSi2 O6 ：Eu,Mn、Sr3 SiO5 ：Eu、SrY2 S4 ：Eu、CaSiO3 ：Eu、Ca8 MgLa(PO4 )7 ：Eu、Ca8 MgGd(PO4 )7 ：Eu、Ca8 MgY(PO4 )7 ：Eu、CaLa2 S4 ：Ce等紅色螢光粉所構成群組中之至少一種材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該第四光束之色溫分佈小於2000K。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，更包含形成複數電極於該複數發光疊層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，更包含於該電極間形成一電性連接結構，以串聯該複數發光疊層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該電性連接結構係為一金屬線。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之主波長分佈收斂之發光元件製造方法，其中該電性連接結構包含一位於該發光疊層間之絕緣層，以及一與該複數電極連接之金屬層，位於該絕緣層上。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之主波長分佈收斂之發光元件 製造方法，更包含切割該基板之步驟。
  14. 一種主波長分佈收斂之發光元件，至少包含：一基板；複數發光疊層，位於該基板上，其中該發光疊層發出一第一光束，且該第一光束具有一第一主波長變異值；複數電極，分別位於該複數發光疊層上，與該發光疊層形成電性連接；複數波長轉換收斂層，分別覆蓋於該複數發光疊層上，吸收該第一光束並轉換為一第二光束，且該第二光束具有一第二主波長變異值，其中該第一主波長變異值大於該第二主波長變異值；以及一波長轉換層位於該波長轉換收斂層上，該波長轉換物質吸收部分該第二光束，並發射一第三光束，其中該第二光束波長小於該第三光束波長，且該第三光束與該第二光束混合產生一第四光束。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該第一光束完全被該波長轉換收斂層所吸收。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該第一光束之主波長可介於390nm至430nm之間。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該波長轉換收斂層至少包含一磷光粉體或一螢光粉體。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該波長轉換收斂層之材質可以選自Si3 MgSi2 O8 ：Eu、BaMgAl10 O17 ：Eu、(SrBaCa)5 (PO4 )3 Cl：Eu、Sr3 (Al2 O5 )Cl2 ：Eu2+ 以及Sr4 Al14 O25 ：Eu所構成群組中至少一種材料。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該發光疊層係選自包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或砷(As)之半導體物質。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該第四光束之色溫分佈小於2000K。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該波長轉換物質係選自釔鋁石榴石、鹼土鹵鋁酸鹽等黃色螢光粉體、BaMgAl10 O17 ：Eu、MnBa2 SiO4 ：Eu、(Sr,Ca)SiO4 ：Eu、CaSc2 O4 ：Eu、Ca8 Mg(SiO4 )4 Cl2 ：Eu,Mn、SrSi2 O2 N2 ：Eu、LaPO4 ：Tb,Ce、Zn2SiO4 ：Mn、ZnS：Cu、YBO3 ：Ce,Tb、(Ca,Sr,Ba)Al2 O4 ：Eu、Sr2 P2 O7 ：Eu,Mn、SrAl2 S4 ：Eu、BaAl2 S4 ：Eu、Sr2 Ga2 S5 ：Eu、SiAlON：Eu、KSrPO4 ：Tb、Na2 Gd2 B2 O7 ：Ce,Tb等綠色螢光粉體，與Y2 O3 ：Eu、YVO4 ：Eu、CaSiAlN3：Eu、(Sr,Ca)SiAlN3：Eu、Sr2 Si5 N8 ：Eu、CaSiN2 ：Eu、(Y,Gd)BO3 ：Eu、(La,Y)2 O2 S：Eu、La2 TeO6 ：Eu、SrS：Eu、Gd2 MoO6 ：Eu、Y2 WO6 ：Eu,Bi、Lu2 WO6 ：Eu,Bi、(Ca,Sr,Ba)MgSi2 O6 ：Eu,Mn、Sr3 SiO5 ：Eu、SrY2 S4：Eu、CaSiO3 ：Eu、Ca8 MgLa(PO4 )7 ：Eu、Ca8 MgGd(PO4 )7 ：Eu、Ca8 MgY(PO4 )7 ：Eu、CaLa2 S4 ：Ce等紅色螢光粉所構成群組中之至少一種材料。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之主波長分佈收斂之發光元件，更包含複數電性連接結構，電性連接該複數電極並且使該複數發光疊層形成一串聯電路。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該電性連接結構係一金屬線。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之主波長分佈收斂之發光元件，其中該電性連接結構包含一位於該發光疊層間之絕緣層，以及一與該複數電極相連接之金屬層，位於該絕緣層上。
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