TWI478370B - 一具有波長轉換結構之半導體發光裝置及其封裝結構 - Google Patents

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Description

一具有波長轉換結構之半導體發光裝置及其封裝結構
本發明係關於一種半導體發光裝置及其封裝結構，尤其關於一種具有波長轉換結構及一透明膠材之半導體發光裝置及其封裝結構。
發光二極體(Light-emitting Diode；LED)係一種半導體固態元件，至少包含一p-n接面(p-n junction)，此p-n接面係形成於p型與n型半導體層之間。當於p-n接面上施加一定程度之偏壓時，p型半導體層中之電洞與n型半導體層中之電子將會結合而釋放出光。此光產生之區域一般又稱為發光區(active region)。
LED的主要特徵在於尺寸小、發光效率高、壽命長、反應快速、可靠度高和色度良好，目前已經廣泛使用在電器、汽車、招牌和交通號誌上。隨著全彩LED的問世，LED已逐漸取代如螢光燈和白熱燈泡等傳統照明設備。
一般是以LED晶粒搭配波長轉換材料(如螢光粉)來產生白光，波長轉換材料在被LED晶粒所發出之藍光照射後會激發黃光、綠光或紅光，將藍光和黃光、綠光或紅光混合之後即可產生白光。為了確使LED晶粒所發出之光可以通過波長轉換材料並於混合後產生所需之光，波長轉換材料必須完全地覆蓋在LED晶粒可能出光之處。然而光所射出的方向沒有特定方向，若波長轉換材料沒有完全地覆蓋在LED晶粒可能出光之處，使部分光線未能通過波長轉換材料，如邊射的光，會導致光的波長轉換效率降低。另一方面，若波長轉換材料完全地包覆LED晶粒，雖可提高波長轉換的效率，但是卻容易造成散熱不易等問題。
將波長轉換材料均勻地覆蓋在LED晶粒上並不容易。當覆蓋 在LED晶粒上的波長轉換材料厚度不均勻時，由於較厚的波長轉換材料會比較薄的波長轉換材料吸收較多之光，射向不同方向之光經過厚度相異之波長轉換材料所激發出來的色光會因此有所差異。
本發明提供一種半導體發光裝置，包含一導電基板、一半導體發光疊層、一透明膠材及一波長轉換結構。半導體發光疊層所發之原色光透過透明膠材由波長轉換結構轉換後產生與原色光波長相異之變色光。此外，導電基板與半導體發光疊層之間更至少包含一反射層。
本發明提供一種半導體發光裝置，包含一導電基板、一半導體發光疊層、一透明膠材、與一波長轉換材料均勻分布於透明膠材中。半導體發光疊層所發之原色光經過波長轉換材料產生與原色光波長相異之變色光。此外，導電基板與半導體發光疊層之間更至少包含一反射層。
本發明提供一種半導體發光裝置，包含一導電基板、一半導體發光疊層、一透明膠材、一波長轉換結構存在於透明膠材中。半導體發光疊層所發之原色光經過透明膠材後由波長轉換結構轉換產生與原色光波長相異之變色光。此外，導電基板與半導體發光疊層之間更至少包含一反射層。
本發明提供一種半導體發光裝置封裝結構，包含一半導體發光裝置、一碗杯、一封裝支架、一透明膠材及一波長轉換結構。其中半導體發光裝置置於碗杯中，將透明膠材充填於碗杯，其高度至少大於半導體發光裝置高度，再將波長轉換結構設置於透明 膠材之上。此外，透明膠材與波長轉換結構之間更至少包含一波長選擇薄膜(wavelength selection film,WSF)。最後於半導體發光裝置與封裝支架間形成電性連結。
第5圖為半導體發光裝置結構100之剖面圖，其製作程序如第1圖至第5圖所示。第1圖所示以一發光二極體為例，包含一成長基板21，其材料可為砷化鎵、矽、碳化矽、藍寶石、磷化銦、磷化鎵、氮化鋁或氮化鎵等。接著，於成長基板21上形成磊晶結構22。磊晶結構22係藉由一磊晶製程所形成，例如有機金屬氣相沉積磊晶法(MOCVD)、液相磊晶法(LPE)或分子束磊晶法(MBE)等磊晶製程。此磊晶結構22至少包含一第一電性半導體層23，例如為一n型磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP層或一n型氮化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yN層；一活性層24，例如為磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP或氮化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yN所形成的多重量子井結構；以及一第二電性半導體層25，例如為一p型磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP層或一p型氮化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yN層。另外，本實施例之活性層24可由例如同質結構、單異質結構、雙異質結構、或是多重量子 井結構所堆疊而成。
接著，於磊晶結構22上形成一第二電性接觸層26及一反射層27。第二電性接觸層26的材料可為氧化銦錫(Indium Tin Oxide)、氧化銦(Indium Oxide)、氧化錫(Tin Oxide)、氧化鎘錫(Cadmium Tin Oxide)、氧化鋅(Zinc Oxide)、氧化鎂(Magnesium Oxide)或氮化鈦(Titanium Nitride)等導電氧化物材料。反射層27可為金屬材料，例如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫等金屬或其合金；也可由金屬和氧化物組合而成，例如氧化銦錫/銀(ITO/Ag)、氧化銦錫/氧化鋁/銀(ITO/AlOx/Ag)、氧化銦錫/氧化鈦/氧化矽(ITO/TiOx/SiOx)、氧化鈦/氧化矽/鋁(TiOx/SiOx/Al)、氧化銦錫/氮化矽/鋁(ITO/SiNx/Al)、氧化銦錫/氮化矽/銀(ITO/SiNx/Ag)、氧化銦錫/氮化矽/氧化鋁/鋁(ITO/SiNx/Al2O3/Al)、或氧化銦錫/氮化矽/氧化鋁/銀(ITO/SiNx/Al2O3/Ag)等。
如第2圖所示，包含一導電基板11，其上具有一接合層12。接著，如第1圖所示將具有反射層27的磊晶結構22接合於如第2圖所示的接合層12之上，並移除成長基板21(圖未示)，如第3圖所示。接合層12之材料可為金屬，例如錫化金(AuSn)、銀化銦(InAg)、金化銦(InAu)、銦(In)、金(Au)、鋁(Al)與銀(Ag)等或上述金屬之合金。
分別於第一電性半導體層23之上及導電基板11背面形成電極13、14(如第4圖所示)。再於第一電性半導體層23之上電極以外之區域塗佈一層厚度至少為0.3mm的透明膠材15，此透明膠 材可為環氧樹脂(Epoxy)，且透明膠材塗佈面積不大於磊晶結構面積。再於透明膠材側邊形成一反射壁17，此反射壁17與磊晶結構22相接觸。將波長轉換結構16覆蓋整個透明膠材之上表面，其中波長轉換結構16至少由一種波長轉換材料所組成。即形成一半導體發光裝置結構100(如第5圖所示)。其中上述透明膠材側邊之反射壁17的材料係選自金屬、氧化物、上述材料之組合及其他可反射之材料所構成之群組，例如係選自由銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鍺(Ge)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈹化金(AuBe)、鍺化金(AuGe)、鋅化金(AuZn)、錫化鉛(PbSn)、氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鎂(MgO)、上述材料之組合所構成之群組。
當磊晶結構22被注入電流後，可激發出一原色光，此原色光經過透明膠材15後，因透明膠材穿透率接近99-100%，且側向發光會被側邊之反射壁17把光反射回來，所以光取出效率不會降低。此原色光再進入波長轉換結構16，會被波長轉換結構內之波長轉換材料吸收，產生一波長與原色光波長相異之變色光。因波長轉換材料不限於一種，因此變色光可能含有多種顏色。
在本實施例中，波長轉換材料係為螢光粉，例如Y3Al5O12。除此之外，波長轉換材料亦包含但不限於Gd3Ga5O12：Ce、(Lu,Y)3Al5O12：Ce、SrS：Eu、SrGa2S4：Eu、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4：Eu、(Ca,Sr)S：Eu,Mn、(Ca,Sr)S：Ce、(Sr,Ba,Ca)2Si5N8：Eu、(Ba,Sr,Ca)2SiO4：Eu、(Ca,Sr,Ba)Si2O2N2：Eu；較佳地係為非電絕緣性 材料，如CdZnSe。
第6圖為另一實施例半導體發光裝置結構200之剖面圖。其前段製作程序與前一實施例相同，如第1圖至第4圖所示。接著於第一電性半導體層23之上電極以外之區域塗佈一層厚度至少為0.3mm的透明膠材15，此透明膠材可為環氧樹脂(Epoxy)，且透明膠材塗佈面積不大於磊晶結構面積。再於透明膠材側邊形成一反射壁17，此反射壁17與磊晶結構22相接觸，將至少一種波長轉換材料均勻分布於透明膠材內，即形成一半導體發光裝置結構200，如第6圖所示。當磊晶結構22被注入電流後，可激發出一原色光，此原色光經過具有波長轉換材料均勻分布的透明膠材後，該原色光被波長轉換材料吸收，產生一波長與原色光波長相異之變色光。因波長轉換材料不限於一種，因此變色光可能含有多種顏色。
第7圖為再一實施例半導體發光裝置結構300之剖面圖。其前段製作程序與前一實施例相同，如第1圖至第4圖所示。接著於第一電性半導體層23之上電極以外之區域塗佈一層厚度至少為0.3mm的透明膠材15，此透明膠材15可為環氧樹脂(Epoxy)，且透明膠材15塗佈面積不大於磊晶結構面積。再於透明膠材15側邊形成一反射壁17，此反射壁17與磊晶結構22相接觸，另形成一層波長轉換結構16於透明膠材15中，其中波長轉換結構16至少包含一種波長轉換材料，即形成一半導體發光裝置結構300，如第7圖所示。當磊晶結構22被注入電流後，可激發出一原色光，此原色光經過透明膠材15後，因透明膠材15穿透率接近99-100%，且側向發光會被側邊之反射壁17把光反射回來，所以光取出效率不會降低。此原色光 再進入波長轉換結構16，會被波長轉換材料吸收，產生一波長與原色光波長相異之變色光。因波長轉換材料不限於一種，因此變色光可能含有多種顏色。最後經過上方之透明膠材而出光。
第8A圖為半導體發光裝置結構400之上視圖，第8B圖為依沿a’a’虛線切開，由箭號a方向看去所得之結構剖面圖，第8C圖為沿b’b’虛線切開，由依箭號b方向看去所得之結構剖面圖。其前段製作程序與前一實施例相同，如第1圖至第3圖所示。當移除成長基板21後(圖未示)，於磊晶結構22側面自第一電性半導體層23、活性層24、第二電性半導體層25、第二電性接觸層26、反射層27、至接合層12依序由上至下蝕刻至導電基板11上表面後，再分別於第一電性半導體層23之上及導電基板11背面形成電極13、14。接下來，於第一電性半導體層23之上電極以外之區域塗佈一層厚度至少為0.3mm的透明膠材15，此透明膠材可為環氧樹脂(Epoxy)，且透明膠材塗佈面積不大於磊晶結構面積。將波長轉換結構16覆蓋整個透明膠材之上表面，其中波長轉換結構16至少由一種波長轉換材料所組成。為避免發光二極體側向發光逸失，更於透明膠材15側邊及自第一電性半導體層23、活性層24、第二電性半導體層25、第二電性接觸層26、反射層27、至接合層12等以上各層側邊形成一反射壁17，此反射壁17與磊晶結構22相接觸，即形成一半導體發光裝置結構400，如第8C圖所示。當磊晶結構22被注入電流後，可激發出一原色光，此原色光經過透明膠材15後，因透明膠材穿透率接近99-100%，且側向發光會被側邊反射壁17把光反射回來，所以光取出效率不會降低。此原色光再進入波長 轉換結構16，會被波長轉換材料吸收，產生一波長與原色光波長相異之變色光。因波長轉換材料不限於一種，因此變色光可能含有多種顏色。
相同設計概念也可以應用於半導體發光裝置封裝結構1，如第9圖所示。一半導體發光裝置500固定於一支架31上，藉由電性連結將此發光裝置電性連結於支架上之電路。支架之上有一碗杯32，碗杯內側有一反射壁33，且反射壁部份區域與支架間夾角約45度。充填一透明膠材15於碗杯內，且透明膠材高度至少大於半導體發光裝置500的高度，此透明膠材可為環氧樹脂(Epoxy)；且透明膠材塗佈面積不大於磊晶結構面積。再形成一波長轉換結構16於透明膠材之上，即形成半導體發光裝置封裝結構1。半導體發光裝置500所產生之原色光經過透明膠材15後，因透明膠材穿透率接近99-100%，且側向發光會被反射壁33把光反射回來，所以光取出效率不會降低。此原色光再進入波長轉換結構16，會被波長轉換結構內之波長轉換材料吸收，產生一波長與原色光波長相異之變色光。因波長轉換材料不限於一種，因此變色光可能含有多種顏色。
第10圖為半導體發光裝置封裝結構2之剖面圖。其大部份製作程序與半導體發光裝置封裝結構1相似，但更包含一波長選擇薄膜(wavelength selection film，WSF)18形成於透明膠材15與波長轉換結構16之間，其功能為使可見光通過往波長轉換結構方向前進，但被波長轉換結構反射回之可見光則無法通過此薄膜。
碗杯內側之反射壁33設計可以如第11圖所示，其反射效果比第10圖更佳。
惟上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非 用於限制本發明。任何熟於此項技藝之人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
1、2、3‧‧‧半導體發光裝置封裝設計
11‧‧‧導電基板
12‧‧‧接合層
13、14‧‧‧電極
15‧‧‧透明膠材
16‧‧‧波長轉換結構
17、33‧‧‧反射壁
18‧‧‧波長選擇薄膜
21‧‧‧成長基板
22‧‧‧磊晶結構
23‧‧‧第一電性半導體層
24‧‧‧活性層
25‧‧‧第二電性半導體層
26‧‧‧第二電性接觸層
27‧‧‧反射層
31‧‧‧支架
32‧‧‧碗杯
100、200、300、400、500‧‧‧半導體發光裝置
第1-5圖係顯示依據本發明一實施例之半導體發光裝置100之剖面圖。
第6圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置200之剖面圖。
第7圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置300之剖面圖。
第8A至8C圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置400之剖面圖。
第9圖係顯示依據本發明一實施例之半導體發光裝置封裝結構1之剖面圖。
第10圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置封裝結構2之剖面圖。
第11圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置封裝結構3之剖面圖。
11‧‧‧導電基板
12‧‧‧接合層
13、14‧‧‧電極
15‧‧‧透明膠材
16‧‧‧波長轉換結構
17‧‧‧反射壁
22‧‧‧磊晶結構
23‧‧‧第一電性半導體層
24‧‧‧活性層
25‧‧‧第二電性半導體層
26‧‧‧第二電性接觸層
27‧‧‧反射層
100‧‧‧發光裝置

Claims (10)

  1. 一種半導體發光裝置，包含：一基板；一半導體發光疊層，位於該基板上；一反射層，位於該基板與該半導體發光疊層之間；一透明膠材，只位於該半導體發光疊層之上；一反射壁，位於該透明膠材之側邊；及一波長轉換材料，位於該透明膠材之上或之中。
  2. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該透明膠材為環氧樹脂(Epoxy)。
  3. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該透明膠材塗佈面積不大於該半導體發光疊層面積。
  4. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該透明膠材厚度至少為0.3mm。
  5. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該反射壁之材料係選自金屬、氧化物、及上述材料之組合所構成之群組。
  6. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該反射層之材料係選自金屬、氧化物、上述材料之組合及其他可反射之材料所構成之群組。
  7. 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含一波長轉換結構包含該波長轉換材料，且該波長轉換結構位於該透明膠材之上。
  8. 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含一波長轉換結構包含該波長轉換材料，且該波長轉換結構介於該透明膠材之中。
  9. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該反射壁與該半導體發光疊層相接觸。
  10. 如請求項1所述之半導體發光裝置，其中該波長轉換材料係均勻分散於該透明膠材之間。
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