TWI476956B - 半導體發光元件及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係概括有關半導體發光元件之製作，本發明特別係有關增進發光效率之發光二極體。
一般應用於照明與顯示之白光發光二極體封裝，其氮化鎵發光二極體晶粒係鍵結於導線架上，再密封於含螢光粉顆粒之樹脂內。螢光粉顆粒吸收從晶粒釋放的藍光，而發出黃綠光與紅光。以人眼觀之，此封裝整體光輸出呈現白光。此構裝存有幾箇問題，例如，活化層出光大部份侷限於晶粒內部，在傳越出晶粒前已先損耗。此因晶粒內反射引起之導光效應，使侷限的光反射穿過活化層而被再吸收，導致發光二極體之發光効率降低。此即目前發光二極體所謂之光侷限，進而造成封裝體螢光粉顆粒之光轉換不均勻，導致封裝體輸出光形不對稱，常須藉由複雜之透鏡加以修飾光形分佈。
光侷限之問題，可藉施作一散射表面，以降低導光效應而獲得緩解。此可在發光二極體長晶完成後，由表面化學刻蝕刻，使晶粒表面粗化而達成。於低溫及低V/III比等非最佳條件下沉積頂層，亦可用以形成粗化表面。此外，亦可於基板上形成光散射表面結構。但此等技術製程複雜，使成本偏高。非最佳條件下沉積頂層，對發光二極體品質會產生不良影響。於發光二極體長成之後，將其表面蝕刻會造成部份材料損失。用有機金屬化學氣
相沉積(MOCVD)貴重製程生長之發光二極體，有一大部份材料被蝕除而浪費掉，甚而犧牲出光之活化面積，致使元件光輸出功率降低。且粗化表面係於長完發光二極體之後才形成，因此對於處理不匹配缺陷及裂隙形成的問題並無助益。
現今發光二極體封裝尚有其他問題，一般發光二極體封裝，其螢光粉顆粒係懸浮於樹脂中，或沉底於導線架上。簡言之，螢光粉顆粒與樹脂膠先箇別秤重並混合均勻，將微劑量之混合物定量滴入封裝體，以密封發光二極體晶粒，再把封好的導線架送入定溫定濕之烘箱，等待螢光粉顆粒沉降，之後昇高溫度使樹脂聚合成固體。其中每一步驟都會衍生製程變異，導致封裝元件出光色度分佈過寬，此即一般所指在CIE色座標圖上標示之色格分佈。欲得到狹窄光色分格之均勻出光，須憑藉特殊技術以不同方式加入螢光粉，然此等技術會使得白光發光二極體之製作更加複雜。
本發明之發光元件可克服前述缺點。本發明可包含有下列優點，本發明之發光元件允許侷限的光快捷取出，因而提昇發光效率，因光侷限在較大發光元件更嚴重，本發明最適於其製作，本發明揭露之元件允許在發光二極體結構內部即當場進行混光，因而有效緩解在材料界面之光損耗，所以本發明之元件最適於以較低的封裝成本來有效產生白光。
本發明之一般層面，係泛指由一發光結構組成之發光元件，包含第一導電型之下層，活性層，第二導電型之上層，連接第一導電型下層之第一電極，連接第二導電型上層之第二電極，植入發光結構內之光學部件，該光學部件包含複數個實質透明，折射率小於發光結構之顆粒，於發光結構內，在與該光學部件界面處，形成複數個間斷面。
本系統可包含如下一或多種方式施作。光學部件可經由下層植入發光結構，複數個間斷面(discontinuity)可於發光結構沉積時即當場產生。發光結構材料可包含由III-V族，II-VI族選取之半導體材料。光學部件可包含大小，形狀，間隔不均之實心或空心顆粒。部份光學部件可突出發光結構外面，可加以拋光使得發光結構表面平坦。發光元件進而可包含具有第一表面之基板，該發光結構配置於該基板第一表面上。基板可自包含III-V族，IV族，II-VI族元素及化合物，氧化鋅，尖晶石，藍寶石系列等材料選取。發光元件進而可包含定義於基板第一表面之圖形區域，包含複數個溝槽，諸如凹穴，溝渠，小丘，平臺，高原，生長樁柱等形狀及其組合，光學部件空間上可與該圖形區域耦合。發光元件進而可包含配置於基板第一表面之第一層，具有因該層內不匹配差排缺陷而形成之複數個表面坑陷，而光學部件空間上與該複數個表面坑陷耦合。光學部件可包含發光結構內之空穴，此空穴可填充以氣體，螢光材料，樹脂，金屬材料，反光材料，半導體材料，陶瓷材料，導電材料，散熱材料等。本發光元件可以打線，覆晶，表面粘著，功率封裝等方式，包含於光電系統中作為照明與顯示器之用。
本發明之另外一般層面，係泛指包含由一發光結構組成之發光元件，包含第一導電型之下層，活性層，第二導電型之上層，連接第一導電型下層之電極，連接第二導電型上層之電極，植入發光結構內之光學部件，該光學部件包含可吸收一部份從活性層所發出在第一光譜範圍之光幅射，並放出在第二光譜範圍之光幅射的顆粒，於發光結構內，在與該光學部件界面處，形成複數個間斷面。
本系統可包含如下一或多種方式施作。光學部件可包含螢光粉，光學部件可由下層植入發光結構，該光學部件放出在第二光譜範圍之光
幅射，與從活性層所發出在第一光譜範圍之光幅射可光色混合，以人眼觀之呈現白光。部份光學部件可突出發光結構外面，發光結構可加以拋光使得發光結構表面平坦。發光元件亦可包含具有第一表面之基板，而發光結構配置於該基板第一表面上。發光元件進而亦可包含於基板第一表面之圖形區域，而發光結構配置於其上，圖形區域可包含複數個溝槽，諸如凹穴，溝渠，小丘，平臺，高原，生長樁柱等形狀及其組合，而光學部件於空間上可與該圖形區域耦合。光學部件亦可在空間上與複數個溝槽耦合。發光元件進而亦可包含配置於基板第一表面之第一層，具有因該層內不匹配差排缺陷所形成之複數個表面坑陷，而光學部件於空間上與該複數個表面坑陷耦合。本發光元件可以打線，覆晶，表面粘著，功率封裝等方式，包含於光電系統中作為照明與顯示器之用。本發明最好參考隨附圖例加以詳細說明，如下所述。
5‧‧‧發光結構
10‧‧‧基板
11‧‧‧光學部件
12‧‧‧第一導電型之下層
13‧‧‧溝槽
14‧‧‧活性層
15‧‧‧空穴
16‧‧‧第二導電型之上層
17‧‧‧穿孔
18‧‧‧接觸電極
19‧‧‧異種物質
111‧‧‧諸如螢光粉顆粒的光學部件
910‧‧‧第一層
911‧‧‧不匹配差排缺陷
913‧‧‧表面坑陷
〔第1圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，具有植入發光結構內諸如透明顆粒之光學部件；〔第2圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，具有一平坦表面；〔第3圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其基板已經移除；〔第4圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其光學部件一部份外露至表面；〔第5圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其發光二極體結構內含有空穴；
〔第6圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其空穴有異種物質填入；〔第7A-7C圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其內含有與圖形區域於空間上耦合之光學部件。其圖形區域可具有各種形狀諸如長方形，梯形，蜂巢狀等；〔第8A-8D圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其內含有與圓滑形狀圖形區域於空間上耦合之光學部件。隨後依次移除基板與光學部件，再填入外物；〔第9A-9B圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其內含有與第一層之表面坑陷於空間上耦合之光學部件，隨後移除基板與第一層；〔第10A-10C圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其發光二極體結構內含有諸如螢光粉顆粒之光學部件。隨後拋平表面，或移除基板；〔第11A-11C圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其內含有諸如螢光粉顆粒之光學部件，與圖形區域於空間上耦合。隨後移除基板，拋平表面；及〔第12A-12B圖〕描述依據本發明體現之發光二極體之截面示意圖，其內含有諸如螢光粉顆粒之光學部件，與表面坑陷於空間上耦合，隨後移除基板與第一層。
參考第1圖，於基板10上成長發光結構5包含第一導電型之下層12，活性層14，第二導電型之上層16。本元件可利用有機金屬氣相磊晶(MOVPE)與氫化物氣相磊晶(HVPE)等常用的方法製作。熟悉此領域者皆習
知其晶層生長之過程。例如，製作氮化鎵發光二極體結構，可先在藍寶石基板10上生長n型氮化鎵層12，其間可嵌入一緩衝層(圖略)以改良晶層品質，於n型氮化鎵層12上生長氮化銦鎵活性層14，其上再生長p型氮化鎵晶層16以完成發光結構5。發光結構5可用各種材料製作，諸如III-V族，IV族，II-VI族等材料。適宜的基板可包含III-V族，IV族，II-VI族元素及化合物，氧化物如氧化鋅，尖晶石，藍寶石等材料。本發明之元件中，光學部件11係由基板側植入發光結構5內，該光學部件包含複數個對於元件發光實質透明的顆粒，此類材料包含諸如二氧化矽(SiO2)，氧化鋁(Al2O3)，氮化矽(SiNx)，氧化鋯(ZrO2)，或氧化鋅(ZnO)等。該光學部件之折射率最好小於發光結構5之材料的折射率，光學部件11可包含如實心顆粒，微米球，奈米球，空心球等形式，光學部件可大約由數奈米至50微米大小，而以0.1微米至10微米更佳。可將其膠體溶液以常用之配施方法，諸如旋塗法輕易的塗佈於基板表面，再把加工好的晶片乾燥後，裝入MOCVD長晶爐中開始沉積晶層。在成長半導體結構之高溫下，可使鄰近顆粒因表面熔合而部份相連結，為清晰起見，本應用之圖例僅以單一顆粒來描繪光學部件11，亦可瞭解，本發明之光學部件11亦可兼容由一種或不同材料混合，而形成聚集之顆粒，及聚結之顆粒。本發明所揭露之器件，可兼容不同的顆粒大小及其分佈。例如，其顆粒大小之分佈可略舉一二，諸如高斯分佈(Gaussian)，非高斯分佈(non-Gaussian)，對數常態分布(lognormal)，歪斜常態分布(skew normal)，單模分布(single modal)，雙模分布(bimodal)，多模分布(multi-modal)等。顆粒大小之中位值(median)，及分佈幅寬(spread of the distribution)亦可相同或不同。亦可理解，該光學部件分佈於發光二極體結構內之方式，可依顆粒大小，顆粒形狀，顆粒種類，顆粒間距等，作規則或不規則之分佈。晶層生長完成後，把長好的晶片從長晶爐中取出進一步加工，並形成連接至各導電型晶層之箇別接觸電極18，即可藉
外接電源供應器，經由電極傳送電流使本發明之元件通電操作。
本發明元件之光學部件，其顆粒可具有各種形狀，而以實質上呈圓鈍之形狀更佳，有利於促進平滑生長發光結構5之晶層。如第1圖所描繪，光學部件11可具有均勻或不均勻之大小，形狀，間距。從光學部件表面遷離的吸附原子，其供給不一，而局部的晶層生長速度亦可因之改變，因此發光結構5之發光波峰波長亦可依位置而異。如第1圖所示，光學部件可由基板側植入發光結構5，可以理解，亦可任意加入其它晶層(圖略)，並輕易的將光學部件經由該晶層而非由基板界面植入發光結構5內。所加入之晶層可與第一導電型之下晶層為相同或不同的材料，二者皆可在發光結構內，於該光學部件交界處產成複數個間斷面，如此間斷面作用如同局部終端面，允許光由那裡從發光結構5幅射出去。發光結構5具有眾多這種終端面，使侷限光在被光導至晶粒尾端之前，就已先逸出的機率大增，因晶粒內反射所導致活化層再吸收所造成的光損耗，因而大為降低，本發明之元件因此具有改良之發光效率，本元件亦可有效克服先前技藝元件之缺點。
上述發光結構內，在光學部件交界處的間斷面，可於發光結構沉積生長時即當場產生。於此例中，晶層圍繞著光學部件沉積生長，可促進側向生長晶層，大部份由於晶層生長初期，因不匹配而形成之差排缺陷，被導引至發光二極體結構與光學部件相交之邊界處而終結，這也說明了使用本元件之另一利益。此光學部件進而可供發光二極體結構吸收應力之用，熱應力可在達到產生裂隙的臨界點之前，就已均勻的傳過晶片而消散掉，這也說明了使用本元件更優於先前技藝元件之另一利益。
本元件中，發光二極體結構的光學部件可任意配置於單層內，貫穿不同層，貫穿整箇發光二極體結構，或可有一部份會突出於發光二極結構表面。如果想要平整表面以方便晶粒製程，可將光學部件超出發光二極結
構表面之部份拋平，使得本元件表面平整，本發明此一體現元件之截面示意圖，如第2圖所描述。
本發明某些體現中，其它晶層可任意加入本元件(為保持清晰起見而未逐一圖例顯示)，以得到所要的特性。例如，於佈置接觸電極之前，可先在晶層表面加上電流擴散層，如鎳/金(Ni/Au)等透明金屬膜，或氧化銦錫(ITO)等透明導電氧化物薄膜，因此，本元件可促進均勻電流注射與均勻出光。當使用實質上不導電之光學部件，例如二氧化矽顆粒，或螢光粉顆粒時更為有利。此例中之光學部件亦可作電流阻隔部件之用，進而減小電流壅塞引起的不良影響，使用本元件可大為降低先前技藝元件因電流壅塞造成局部過熱的機率。又例如，在晶層表面可任意加上常用之反射層，諸如銀，金，鋁等金屬膜，SiO2/TiO2等介電鏡層，四分波長層板，或Ag/SiO2/TiO2等高反射率複層鍍膜，或作為接觸電極之一部份。如此光可從鍵結面彈回晶粒表面而釋出，因此可促進本元件之高出光效率。
於某些體現中，可利用暫時基板來促進發光二極結構晶層之平滑生長，發光二極結構長完之後，可用一般常用的方法將之移除，諸如研磨，化蝕，化學機械拋光(CMP)，或雷射剝離(LLO)等。基板移除前，亦可將晶片先鍵結至一載片上(為保持清晰起見而未圖例顯示)以利晶片處理，本發明此一體現元件之截面示意圖，如第3圖所描述。因藍寶石及螢光粉的吸光係數與氮化鎵大不相同，可用雷射剝離(LLO)法，以氟化氪(KrF)激態原子激光248nm之雷射，將晶層結構從基板剝離。此幅射穿過藍寶石被氮化鎵吸收，使緊鄰基板界面之氮化鎵分解成金屬鎵及氮氣，用LLO製程剝離基板詳見Cheung等人於US patent 6,071,795所述。移除基板之後，進而可將晶片加以例如浮拋(Kiss polishing)等製程，把一薄層材料從發光二極體結構任一表面移除，如此非由基板界面，而係原植於發光二極體結構內部晶層之部份光學部
件，亦可提至新生的表面而外露，本發明此一體現元件之截面示意圖，如第4圖所描述。從外露處進行腐蝕，可任意將光學部件從發光二極體結構中移除。例如，將晶片浸泡於緩衝氧化物蝕刻(BOE)溶液中，可從外露處輕易將二氧化矽顆粒從發光二極體結構中蝕除，光學部件從發光二極體結構中移除後，會在發光二極體結構中留下空穴15與穿孔17，本發明此一體現元件之截面示意圖，如第5圖所描述。此特例中，本元件貌似端士乳酪或海綿之外觀，此元件有眾多的這種開孔，可讓侷限光容易逸出。本發明的另一體現，可任意將異種物質19填入空穴，依據此發明元件之簡易截面示意圖，如第6圖所描述。可用以填入空穴之異種物質，其材料種類並無實際限制，各種物質諸如空氣，氣體，螢光粉，樹脂，金屬，反射材料，半導體，陶瓷，導電材料，散熱材料，皆可如此加入本發明此一體現之元件，以進而改良元件之性能。
於本發明某些體現中，光學部件在空間上與一圖形表面區域耦合，因而留置於發光二極體結構中的指定位置。這可以在形成發光二極體結構之前，先在基板表面形成圖形區域而達成。圖形區域可用習知的曝光蝕刻法而定義成所要的圖案，光學部件諸如二氧化矽顆粒，可分散於適宜溶劑中，並旋轉塗佈於圖案基板晶片上。將乾燥後的基板晶片移入MOCVD生長腔，開始生長發光二極體結構，第7A圖係描述此發明元件之簡易截面示意圖。圖形區域可包含例如複數個溝槽13，其形狀可如凹穴，溝槽，小丘，平臺，高原，生長樁柱及其組合。然後將顆粒配置在溝槽13內，再接著生長發光二極體結構。光學部件11如此在空間上與圖形區域耦合，較小的顆粒易沉降於溝槽內，較大的顆粒則易跨架於溝槽上，此一發明體現中，溝槽可以均勻或不均勻，亦可有各種大小，形狀，間距。例如，其截面形狀實質上可具有長方形，梯形，或總體上呈蜂巢結構，如第7(A-C)圖所各別描述。亦可實
質上具有方形，線形，折線，曲線，曲直線，斜角，錐狀及其組合，僅舉數例。最好實質上圓滑，以利發光二極結構晶層之平滑生長，依據此發明元件之簡易截面示意圖，如第8A圖所描述。發光二極結構長晶完成後，亦可任意將基板從此發明之元件中移除，如第8B圖所描述。部分顆粒可於高溫生長晶層時，表面熔融互相接合，亦可於基板移除後，仍附著於發光二極體結構上。如此亦可將離散的螢光粉團，留置於發光二極體結構中。習知元件的螢光粉係從外塗佈，反之，此發明之元件中螢光粉成份係發光二極體結構內之一部份。亦可任意將光學部件移除，而在此發明元件之發光二極體結構中留下空穴15與穿孔17，如第8C圖所描述。亦可類似先前所述，進而將異種物質19填入空穴，依據此發明元件之簡易截面示意圖，如第8D圖所描述。
本發明另一體現之元件，光學部件可與長在基板上之第一層的多數箇表面坑陷913於空間上耦合，如第9A圖所描述。表面坑陷大致關聯於長在基板表面上之第一層910的不匹配差排缺陷911，這些缺陷於晶層生長時即產生，可能源自晶層與基板間晶格係數及熱膨脹係數之差異。侵蝕坑陷之形成，如Stocker等人於Applied Physics Letters 73(18)1998 pg.2654-2656中所述。簡言之，利用諸如有機金屬氣相磊晶(MOVPE)，與氫化物氣相磊晶(HVPE)等常用的方法，在基板10表面上生長第一層910。將晶片從長晶腔取出後，可任意將其於H3PO4溶液或KOH溶液中進行腐蝕，形成多數箇大小不一，對應於於晶層內不匹配差排缺陷911之表面坑陷913。增長腐蝕時間，可進一步將坑陷擴大至所要的大小。光學部件先分散於溶液中，再用習知的旋塗法(spin coating)或斜提法(taper cell)將其佈置於第一晶層表面。如此光學部件於空間上與表面坑陷913之位置耦合，較小的顆粒易沉降於坑陷之內，而較大的顆粒則易跨架於坑陷之上，將清洗並乾燥後的晶片重新置入生長腔內，生長發光二極體結構，包含第一導電型之晶層12，活性層14，第二導電型之晶層16。
發光二極體結構完成後，把長好的晶片從長晶爐中取出，並形成分別連接至各導電型晶層表面之接觸電極18。此一發明體現中，基板10可僅為暫時性，亦可任意將基板從結構中移除，對於會吸光的起始基板，如此較為有利。晶片製作過程中，可任意將第一層910從發光二極體結構中移除，以避免含有缺陷之晶層可能造成的光損。此可用習知的方法將之移除，諸如拋光，化蝕，雷射剝離(LLO)，浮拋(kiss polish)等。依據此發明元件之簡易截面示意圖，如第9B圖所描述。
當本發明之元件使用吸光顆粒作為光學部件，將會產生不同的情況。特別是當該光學部件包含至少一種可吸收一部份從活性層所發出在第一光譜範圍之光，並放出在第二光譜範圍之光的顆粒，依據此發明元件之簡易截面示意圖，如第10A圖所描述。此發明元件可用類似先前所述之方式製作，簡言之，在基板10上生長一發光二極結構，包含第一導電型之下層12，活性層14，第二導電型之上層16，並形成分別連接至各導電型晶層之接觸電極18。生長發光二極體結構之前，先在基板表面塗佈光學部件111諸如螢光材料，例如螢光粉等。此實施例中之光學部件111係由基板側植入發光結構，此發明元件之發光結構內，與光學部件111交界處形成有複數個間斷面，這些間斷面可作用如同局部終端面而讓光逸出。不同於透明顆粒的情況，此發明元件之發光二極體結構中，從間斷面附近幅射出去之侷限光，幾乎可立即被就近的光學部件吸收。使光學部件有效的被激發，並有效的放出在第二光譜範圍之光幅射，本發明元件因此具有高的光轉換效率。經過轉換後的光，對於活性區實質上呈透明，所以不會被活性區吸收，本發光二極體因再吸收而導致之光損因而可大幅減少，對於熟悉使用習知發光二極體領域的人，這些益處是顯著，新穎，未預期的。
此發明元件之光學部件，舉例可為諸如螢光粉之典型光轉換材
料，例如石榴石螢光粉(gamet phosphor)，矽酸鹽螢光粉(silicate phosphor)，氮化物螢光粉(nitride phosphor)，硫化物螢光粉(sulfide phosphor)等及其組合。螢光粉顆粒可為各種種類，大小，形狀之固體或殼包核(core-shell)顆粒，而最好實質上呈圓滑狀，以利於發光二極體結構晶層之平滑生長。螢光粉顆粒大小可為數奈米至50微米，最好0.1微米至10微米大小。螢光粉顆粒可利用減積式(top-down scheme)例如燒結，碾磨，或用增積式(bottom-up scheme)例如噴霧熱解(spray pyrolysis)，溶膠凝膠製程(sol-gel process)來合成。螢光粉顆粒的製造，如Hafiz等人於US Publication No.20100200808，Kamiyama等人於J.Electrochemical Society 157(5)2010 pg.J149-J154，Jia等人於J.Electrochemical Society 154(1)2007 pg.J1-J4，Purwanto等人於J.Electrochemical Society 154(3)2007 pg.J91-J96文獻中所描述。
為清晰起見，此發明體現元件之顆粒可代表單一光轉換顆粒，聚集之光轉換顆粒，或聚結之光轉換顆粒。亦可代表由至少一種光轉換材料，或不同光轉換材料之混合物。光轉換顆粒可有多種大小及分佈，例如，其大小分佈略舉一二可如高斯分佈(Gaussian)，非高斯分佈(non-Gaussian)，對數常態分布(lognormal)，歪斜常態分布(skew normal)，單模分布(single modal)，雙模分布(bimodal)，多模分布(multi-modal)等。顆粒大小之中位值(median)及分佈幅寬(spread of the distribution)亦可相同或不同。利用氮化鎵發光二極體結構所放出450nm至460nm之藍光，則吸收藍光而激發放出黃綠光的螢光粉，皆可用作此發明元件之光學部件以產生白光。螢光粉舉例可包含石榴石螢光粉例如摻鈰釔鋁石榴石(Y3Al5O12)，矽酸鹽螢光粉例如摻銪矽酸鍶鋇((Ba,Sr)SiO4)，磷酸鹽螢光粉，與含硫螢光粉等，亦可添加氮化物螢光粉，諸如矽鋁氧氮(SiAlON)螢光粉，鈣鋁矽氮(CaAlSiN3)螢光粉等，以提昇穩定性與色彩真實度。選取螢光粉種類與比重，作為本發明之元件之光學部
件，從光學部件所放出在第二光譜範圍之光輻射，與從活性層所發出在第一光譜範圍之光輻射，經光色混合而對裸眼呈現白光。於某些用來產生白光的習知發光二極體封裝體，氮化鎵材料做成的發光二極體晶粒密封於例如矽膠之封膠樹脂內，螢光粉顆粒懸浮於樹脂中，並吸收從氮化鎵發光二極體發出之藍光。從活性層所發出之藍光，必須先逸出晶粒，穿過樹脂再碰到螢光粉顆粒，才能啟動光轉換程序。如此費力的過程中，每次光穿越多重的界面時，都會遭受不想要的損耗，致使元件之光轉換效率降低。使用本發明之元件，則狀況迴然不同。特別是此發明發光二極體元件，係發光二極體結構與螢光粉兩者之複合物，意思是說，螢光粉顆粒成為晶粒本身之一部份。不同於習知元件，本發明元件允許在發光二極體結構內即當場進行混光，界面光損耗的問題因而得以有效解決，結果本發明元件最適宜以降低封裝成本來有效產生白光。對於熟悉使用習知發光二極體設計領域的人，這些益處是顯著，獨特，未預期的。
如第10A圖所描述，諸如螢光粉顆粒的光學部件，此處可能有一部份會突出於發光二極體結構表面。為了方便晶粒製程，可任意將發光結構拋平，使得發光二極體結構之表面平整，如第10B圖所描述。為了改良散熱及減少基板吸光的損耗，本發明元件之基板10可為暫時性的，並可用習知的方法將之移除，諸如拋光，化蝕，或雷射剝離(LLO)等，使本發明元件之特性得以更進一步改良，如此依據此發明另一體現之元件之簡易截面示意圖，如第10C圖所描述。在生長發光二極體結構之前，先在基板10表面定義所要圖案的圖形區域，諸如螢光粉之光學部件111可配置於其上，且在空間上與該圖形區域之預定位置耦合，如第11A圖所描述。圖形區域可包含例如複數個溝槽13，其形狀可為凹穴，溝槽，小丘，平臺，高原，生長樁柱及其組合。選取顆粒的大小，可將不同種類與大小諸如螢光粉顆粒的光學部
件111，在空間上分配到不同的平面而與溝槽對位耦合。例如，較小的螢光粉顆粒易陷入溝槽內，而顆粒較大的那種螢光粉則比較可能跨架於溝槽上，結果使螢光粉在空間上位居於不同的平面上，本發明元件因此提供一新的自由度，利用準確分層的螢光粉，來微調出光的色平衡。
此處所述的發光二極體製作方法，其基板10可任意為暫時性質。可用習知的方法將基板10從結構中移除，諸如拋光，化蝕，雷射剝離(LLO)等，如第11B圖所描述。在成長發光二極體結構之高溫環境下，鄰近的顆粒很可能表面融熔而集結成團。諸如螢光粉顆粒的光學部件111，可能有一部份會突出發光二極體結構表面，可任意利用習知方法，諸如浮拋(kiss polishing)等將發光二極體結構拋平，使發光二極體結構具有一平整之表面，依據此發明此另一體現元件之簡易截面示意圖，如第11C圖所描述。此外，諸如螢光粉顆粒之光學部件，與長在基板10上第一層之多數箇表面坑陷913，可於空間上耦合，如第12A圖所描述。表面坑陷關聯於第一層910的不匹配差排缺陷911，例如，將螢光粉顆粒分散於溶液中，再用習知的旋塗法(spin coating)，或斜提法(taper cell)佈置於第一層腐蝕過的表面，如此光學部件111可於空間上耦合至表面坑陷913之部位。晶片製作過程中，可任意用習知的方法諸如研拋，化蝕，浮拋(kiss polish)等，將基板10與第一層910從發光二極體結構中移除，依據此發明元件之簡易截面示意圖，如第12B圖所描述。
本發明元件可容易用以製作各種常見之發光二極體封裝體，模組，與系統。本發明的另一體現，本元件進而可以諸如打線，覆晶，薄膜鍵結，表面貼裝，及功率型封裝結構等各種形式封裝。可與控制系統包含控制積體電路，電控，電源供應器，燈具等與模組組裝在一起，將散熱裝置與二次光學加入組裝體，形成完整之照明系統。本發明元件可嵌入背光板中，作
光電系統的顯示器之應用，諸如發光二極體電視，監視器，行動電話等。本發明元件亦適用作一般照明應用之光源，略舉一二諸如燈泡，車燈，街燈等。
本發明諸體現中所描述之元件特徵，尚有其它的利益。例如，本發明發光二極體結構中，具有眾多的局部終端面，可允許侷限的光快捷取出，因侷限光損耗在大尺寸晶粒更形嚴重，所以本發明之元件最有利於大尺寸晶粒之製作。
對於熟悉此技藝領域的人，從本發明諸如文字敘述與圖例描述中所教授之內容，無論是蘊含的或提示的，顯然皆可進而加以變化及修飾。因此，本發明僅以下列權利主張所有涵蓋之範圍所及為極限。
5‧‧‧發光結構
10‧‧‧基板
11‧‧‧光學部件
12‧‧‧第一導電型之下層
14‧‧‧活性層
16‧‧‧第二導電型之上層
18‧‧‧接觸電極
Claims (23)
- 一發光元件，包含：一發光結構，包含第一導電型下層，活性層，第二導電型上層，其中該發光結構係用以發射光線；連接至該第一導電型下層之第一電極；連接至該第二導電型上層之第二電極；以及一光學部件，其中該光學部件之至少一部分設置於該發光結構內之該活性層，且該光學部件包含複數個顆粒，該複數個顆粒對於該發光結構發射之光線為實質透明，且折射率小於該發光結構之該第一導電型下層、該活性層、以及該第二導電型上層，該發光結構內與該光學部件界面處形成複數個間斷面。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中所述光學部件之不同部份係經由該第一導電型下層設置於該發光結構內。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中所述發光結構包含選自111-V族，1V族，11-V1族之材料。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中所述光學部件可包含大小，形狀，間隔不均之實心或空心顆粒。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中所述光學部件一部份可突出發光結構外面。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中所述發光結構包含一平整之上表面。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，進而包含一含有第一表面之基板，其中所述發光結構係配置於該基板之第一表面上。
- 如申請專利範圍第7項之發光元件，其中所述基板係選自包 含111-V族材料，1V族材料，11-V1族材料與合金，氧化鋅，尖晶石(spinel)，藍寶石(sapphire)。
- 如申請專利範圍第7項之發光元件，進而包含定義於該基板第一表面之圖形區域，包含複數個溝槽，如凹穴，溝渠，小丘，平臺，高原，生長樁柱等形狀及其組合，該光學部件於空間上與該圖形區域耦合。
- 如申請專利範圍第7項之發光元件，進而包含配置於該基板第一表面上之第一層，具有複數個由於該第一層的不匹配差排缺陷造成之表面坑陷，其中所述之光學部件於空間上與該複數個表面坑陷耦合。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中所述之光學部件包含發光結構中之空穴。
- 如申請專利範圍第11項之發光元件，其中所述之空穴包含氣體，螢光粉材料，樹脂，金屬材料，反射材料，半導體材料，陶瓷材料，導電材料，散熱材料等物質其中之一或其組合。
- 如申請專利範圍第1項之發光元件，包含有用打線鍵結，覆晶鍵結，表面貼裝，及功率型封裝等方式，所組裝成之可作為照明及顯示器應用的光電系統。
- 一發光元件，包含：一發光結構，包含第一導電型下層，活性層，第二導電型上層；連接至該第一導電型下層之第一電極；連接至該第二導電型上層之第二電極；以及發光結構內之光學部件，該光學部件包含可吸收一部份從活性層所發出在第一光譜範圍之輻射光，並放出在第二光譜範圍之輻射光的顆粒，在發光結構內與該光學部件界面處，形成複數個間斷面；其中該光學部件一部份可突出發光結構外面。
- 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中所述之光學部件包含螢光粉。
- 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中所述之光學部件係經由該第一導電型下層植入該發光結構內。
- 如申請專利範圍第14項之發光元件，該光學部件所放出在第二光譜範圍之光輻射，與從該活性層所發出在第一光譜範圍之光輻射，光色混合而對裸眼呈現白光。
- 如申請專利範圍第14項之發光元件，該發光結構包含一平整之上表面。
- 如申請專利範圍第14項之發光元件，進而包含一含有第一表面之基板，該發光結構配置於該基板之第一表面上。
- 如申請專利範圍第19項之發光元件，進而包含於該基板第一表面之圖形區域，該發光結構配置於其上，該圖形區域包含複數個溝槽，如凹穴，溝渠，小丘，平臺，高原，生長樁柱等形狀及其組合，該光學部件於空間上與該圖案區域耦合。
- 如申請專利範圍第19項之發光元件，進而包含配置於該基板第一表面上之第一層，具有複數個由於該第一層的不匹配差排缺陷所造成之表面坑陷，該光學部件於空間上與該複數個表面坑陷耦合。
- 如申請專利範圍第14項之發光元件，包含有用打線鍵結，覆晶鍵結，表面貼裝，及功率型封裝等方式，組裝成可作為照明及顯示器應用的光電系統。
- 一發光元件，包含：一發光結構，包含第一導電型下層，活性層，第二導電型上層； 連接至該第一導電型下層之第一電極；連接至該第二導電型上層之第二電極；以及一光學部件，該光學部件包含複數箇實質透明，折射率小於發光結構之顆粒，該發光結構內，在與該光學部件界面處形成複數個間斷面；其中所述光學部件一部份可突出發光結構外面。
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