TWI497774B - 發光元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光元件及其製造方法。
發光元件(Light Emitting Device,LED)通常是指能將電流轉換成光能量的半導體發光元件。近年來，發光元件因其技術的持續提升，而已逐漸應用於顯示器光源、汽車用光源、及照明光源。
高功率的發光元件的技術發展亦趨於成熟，可藉由產生短波長的光，例如：藍光或綠光，而實現全色彩。至此，不同色光的發光元件可有效的進行組合；藉由吸收發光晶粒的部份光能量，而激發螢光體(phosphor)發出不同波長的光，並進一步與該發光晶粒的其他光能量混合，而實現白光的發光元件。
根據本發明實施例的一方面，提供一種發光元件及其製造方法，其可容易且正確地調控螢光體於該發光元件上的分布位置及分布程度，以避免螢光體材料在製作程序中可能的浪費。
根據本發明實施例的另一方面，提供一種發光元件及其製造方法，可以提升發光元件晶片表面的發光效率，並免除空氣層對全反射的阻礙。
本發明的一實施例揭示一發光元件，其包括：一第一導電半導體層；一主動層，其係形成於該第一導電半導體層之上；一第二導電半導體層，其係形成於該主動層之上；及一螢光體層，其係形成於該第二導電半導體層之上；其中，該螢光體層包含一螢光體容置構件，其具有複數個孔洞於該第二導電半導體層之上；且複數個螢光體微粒係分別設置於該螢光體容置構件的該等孔洞中。
本發明的另一實施例揭示一種發光元件的製造方法，其包括：形成一第一導電半導體層於一基板之上；形成一主動層於該第一導電半導體層之上；形成一第二導電半導體層於該主動層之上；形成一螢光體容置構件該第二導電半導體層之上，該螢光體容置構件具有複數個孔洞；及藉由將複數個螢光體微粒分別固定於該螢光體容置構件的各該等孔洞中而形成一螢光體層。
根據上述之實施例，本實施例之發光元件及其製造方法可容易且正確地調控螢光體於該發光元件上的分布位置及分布程度，以避免螢光體材料在製作程序中可能的浪費；此外，本實施例之發光元件及其製造方法，亦可以提升發光元件晶片表面的發光效率，及免除空氣層對全反射的阻礙。
以下將參照相關的圖示，詳述本發明實施例之發光元件及其製造方法。在該等實施例的說明中，各層(膜)、區域、圖案或結構形成於基板、各層(膜)、區域、墊片或圖案之「上(on)」或「下(under)」的描述，該「上」及「下」係包括所有直接(directly)或間接(indirectly)被形成物。另外，對於各層之上或下，將以圖式為基準來進行說明。而為了說明上的便利和明確，圖式中各層的厚度或尺寸，係以概略的、誇張的、或簡要的方式表示，且各構成要素的尺寸並未完全為其實際尺寸。
圖1為根據本發明一實施例的發光元件之結構示意圖。如圖1所示，一發光元件100包含：一基板110、形成於該基板110之上的一第一導電半導體層120、形成於該第一導電半導體層120之上的一主動層130、形成於該主動層130之上的一第二導電半導體層140、及形成於該第二導電半導體層140之上的一螢光體層150。
該基板110的成分可能包括：氧化鋁(Al2
O3
)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、及鍺(Ge)中的至少一種材料，且可能具有導電(conductive)性。此外，該基板110亦可藉由磊晶成長(Epi growth)後移除該基板，而應用於垂直式晶片(vertical chip)；其中移除基板的方式包括：物理研磨(Physical Grinding)、雷射剥離(Laser Lift Off)、化學溼式蝕刻、及其類似製程。
該第一導電半導體層120可以是包含至少一層摻雜有第一導電摻雜物的n型半導體層。該第一導電半導體層120的成分可能是由氮化鎵、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵銦(InGaN)、氮化鎵鋁(AlGaN)、氮化鎵鋁銦(InAlGaN)、氮化銦鋁(AlInN),砷化鎵鋁(AlGaAs)、砷化鎵銦(InGaAs)、砷化鎵銦鋁(AlInGaAs)、磷化鎵、磷化鎵鋁(AlGaP)、磷化鎵銦(InGaP)、磷化鎵銦鋁(AlInGaP)、及磷化銦中的至少一種材料所組成。當以該第一導電半導體層120作為電子注入層，則該第一導電摻雜物可以是n型的摻雜物，例如：矽、鍺、錫(Sn)、硒(Se)、及碲(Te)等。該第一導電摻雜物功能上可以作為後續元件的電極接觸層。
該主動層130係以單一或多重量子井(quantum well)的結構形成於該第一導電半導體層120之上。該主動層130能發出單色光(例如：藍光、綠光、紅光等)或紫外光。該主動層130的成分或材料結構可能是由InGaN/GaN、AlGaN/GaN、InAlGaN/GaN、GaAs/AlGaAs(InGaAs)、GaP/AlGaP(InGaP)、或其類似物所組成，且可以依據井層(well layer)或障礙層(barrier layer)組成材料的能帶間隙來調整發光的波長。以發出波長460至470nm的藍光為例，InGaN井層/GaN障礙層可作為一個週期。
該第二導電半導體層140可以一摻雜有第二導電摻雜物的p型半導體來實現，而形成於該主動層130之上。該第二導電半導體層140的成分可能包含任何一種複合式半導體，例如：氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鎵鋁、氮化鎵鋁銦、氮化銦鋁、砷化鎵鋁、砷化鎵銦、砷化鎵銦鋁、磷化鎵、磷化鎵鋁、磷化鎵銦、磷化鎵銦鋁、磷化銦、及其類似物。p型摻雜物，例如：鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)等，可摻入該第二導電半導體層140。
該螢光體層150可形成於該第二導電半導體層140之上，可為均勻分布的螢光體微粒固定於該螢光體層150中。該螢光體層150包含：具有複數個孔洞(cavity) 155的螢光體容置構件152以固定該螢光體、及固定於該等孔洞155中的螢光體微粒200。
該等螢光體微粒200與該等孔洞155的形狀是相對應的。該等螢光體微粒200注入並固定於該螢光體容置構件152的該等孔洞155中，藉此形成該螢光體層150。因此，螢光體可被均勻分布，且當形成該等孔洞155時，發光效率可藉由形成光子晶體(photonic crystal)的形式而得到提升。此外，藉由將該螢光體層150堆疊形成於作為發光區的該第二導電半導體層140之上，這也有將具不同折射率的空氣層移去的效果，而能減少全反射，使得發光的色彩分佈可進一步的窄化。在根據本發明的實施例中，該主動層130所發出的光將經過該第二導電半導體層140及該螢光體層150。因此，該主動層130所發出的光可以在該螢光體層150被轉換成具有不同波長的光，最後的輸出光可以是單色光或是具固定顏色的白光，使得光萃取(light extraction)效率可藉由光子晶體形式的螢光體層150而得到改善。。
以上的描述同時亦表示：具有量子井結構的主動層130係設置於第一導電半導體層120與第二導電半導體層140之間；在此實施例中，該第一導電半導體層120基本上是n型氮化鎵材料，作為電子注入層，而該第二導電半導體層140則為p型氮化鎵，作為電洞注入層。然而，各層的順序亦可以是：以該第一導電半導體層120為p型半導體，而以該第二導電半導體層140為n型半導體。
以下請參照圖2至圖4，為根據本發明實施例的發光元件及螢光體層150的製造程序示意圖。圖2將螢光體320的液態混合物注入一類似螢光體微粒200形狀的鑄模中，以形成該螢光體微粒200。在該鑄模300中的螢光體微粒200形狀為凹曲面310，以便於容置該螢光體320液態混合物。該凹曲面310的形狀亦可為：類似球形、多角形、圓錐形、截角錐形、矩形、及圓柱形等，端視該螢光體微粒200的形狀而定。此外，該凹曲面310亦可以是由數μm到至少1mm的各種尺寸，端視該螢光體微粒200的尺寸而定。在本實施例中，該鑄模300可儘可能依據螢光體微粒200的形狀，並藉由相互匹配而建構或完成該螢光體微粒200。
該螢光體320液態混合物可以是螢光體與樹酯材料的混合物。各種類的紅/綠/藍色螢光體，例如：矽酸鹽(silicate)系、硫化物(sulfide)系、石榴石(garnet)系、氮化物(nitride)系、釔(yttrium)、鋁(aluminum)等，都可以於本實施例中使用。而用以混合及硬化的樹酯材料可以是矽膠、透明的環氧樹酯、或其他的樹酯材料。特定的溶劑可以添加入該螢光體與樹酯材料的液態混合物中，以調控其黏稠性。
圖3為將螢光體微粒200分離的示意圖。根據該凹曲面的螢光體顆粒200，將螢光體320液態混合物裝填並硬化於該鑄模300的凹曲面310內，再將該螢光體微粒200自鑄模300中分離出，即可完成具規則形狀的螢光體微粒200。因此，螢光體320在使用前可能發生的外洩或硬化，可藉由螢光體320液態混合物的製備而予以防範。
圖4為本實施例發光元件的螢光體層150的製造方法示意圖。具有複數個孔洞155的該螢光體容置構件152形成於該第二導電半導體層140上，用以固定該螢光體微粒200。藉由施加並硬化該螢光體微粒200於該螢光體容置構件152內，該螢光體層150可形成於該第二導電半導體層140上。容置於該孔洞155內的螢光體微粒200可藉由樹酯材料或硬化程序而固定於該孔洞155中。在本實施例中，該螢光體微粒200會繼續留在所容置的孔洞155中，使得該螢光體容置構件152可以再次使用，以避免螢光材料的浪費。
孔洞155的製作可藉由在該螢光體容置構件152上使用搭配光阻劑、奈米壓印(Nano Imprinting)、或膠帶黏貼法(Tape adhesive way)等技術的反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)而形成。在本實施例中，該孔洞155的形狀可與該螢光體微粒200的形狀相匹配；且發光元件的發光特性可藉由控制預定的路徑、距離、或其他類似參數來調整。該螢光體微粒200係藉由其施加於具有孔洞155的螢光體容置構件152而容置於該孔洞155中。由於每一個孔洞155中各置有一個螢光體微粒200，使得通過的光將可均勻的分布。但是每一個孔洞155中亦可能容納超過一個的螢光體微粒200，端視該孔洞155及該螢光體微粒200的尺寸和形狀而定。
圖5繪示本發明實施例之發光元件的螢光體微粒的形狀示意圖。藉由螢光體微粒200尺寸和形狀的調整，可達到調控該發光元件100光特性的效果，例如：色彩(chromaticity)、發光性、及發光效率。因此，不同尺寸和形狀的螢光體微粒200可以依據所採用的螢光體特性、發光元件的設計需求、或其他的因素而施用於實施例中。
圖5a示意圖示一橫截面形狀為等邊三角形的螢光體微粒，圖5b示意圖示一正六面體的螢光體微粒，圖5c示意圖示一橫截面形狀為正八邊形的螢光體微粒，圖5d示意圖示一橫截面形狀為菱形的螢光體微粒，圖5e示意圖示一橫截面形狀為梯形的螢光體微粒，圖5f示意圖示一形狀為圓柱體的螢光體微粒，圖5g示意圖示一橫截面形狀為直角三角形的螢光體微粒，圖5h示意圖示一橫截面形狀為平行四邊形的螢光體微粒。
如圖5a至5h所示，該螢光體微粒的形狀可以是各種的多邊形，例如：多面體、角形、或柱型等，但並不限於此，其亦可以是其他的形狀，例如：截角錐形、球形、或其他類似的形狀。
圖6為根據本發明之另一實施例的發光元件結構示意圖。該發光元件500包含：一金屬層510，形成於該金屬層510之上的一第一導電半導體層520、形成於該第一導電半導體層520之上的一主動層530、形成於該主動層530之上的一第二導電半導體層540、及形成於該第二導電半導體層540之上的一螢光體層550。
該金屬層510的成分可以是鋁、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鉑(Pt)、及其類似物中的其中一種，或上述金屬的合金。
該第一導電半導體層520可以是一n型的半導體層，其係摻雜第一導電摻雜物。該第二導電半導體層540的成分可以是任何一種複合式半導體，例如：氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鎵鋁、氮化鎵鋁銦、氮化銦鋁、砷化鎵鋁、砷化鎵銦、砷化鎵銦鋁、磷化鎵、磷化鎵鋁、磷化鎵銦、磷化鎵銦鋁、磷化銦、及其類似物，其係摻雜第二導電摻雜物，包含p型摻雜物，例如：鎂、鋅、鈣、鍶、鋇、及其類似物。
該主動層530係以單一或多重量子井(quantum well)的結構形成於該第一導電半導體層520之上。該主動層530能發出單色光(例如：藍光、綠光、紅光等)或紫外光。該主動層530的材料結構可以是InGaN/GaN、AlGaN/GaN、InAlGaN/GaN、GaAs/AlGaAs(InGaAs),GaP/AlGaP(InGaP)、或其類似物，且可以藉由井層或障礙層組成材料的能帶間隙來調整發光的波長。以發出波長460nm至470nm的藍光為例，可以InGaN井層/GaN障礙層的週期製作量子井。
該第二導電半導體層540可以摻雜第二導電摻雜物而形成p型半導體於該主動層530上。該第一導電半導體層520的成分可以是任何一種複合式半導體，例如：氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鎵鋁、氮化鎵鋁銦、氮化銦鋁、砷化鎵鋁、砷化鎵銦、砷化鎵銦鋁、磷化鎵、磷化鎵鋁、磷化鎵銦、磷化鎵銦鋁、磷化銦、及其類似物。當以該第一導電半導體層520作為電子注入層，則該第一導電摻雜物可以是n型的摻雜物，例如：矽、鍺、錫、硒、及碲等。
該螢光體層550係形成於該第二導電半導體層540上。該螢光體層550中含有分布均勻且位置固定的螢光體微粒。複數個孔洞555形成於該第二導電半導體層540上，用以固定該螢光體。該螢光體微粒250與該等孔洞555的形狀是相對應的，並注入並固定該等孔洞155中，以形成該螢光體層550。
圖7為本發明另一實施例的發光元件500製造方法示意圖，用以描述如圖6所示的螢光體層550製作階段。
如圖7所示，螢光體容置構件552具有複數個孔洞555的該係形成於該第二導電半導體層540上。各該孔洞555橫截面形狀為八邊形，且互相保持著一定距離而成週期性的陣列排列；其製作方法可以是反應式離子蝕刻(RIE)、溼蝕刻、奈米壓印、或其他類似技術。
該螢光體微粒250為八邊形橫截面的多面體，其可以是樹酯材料與螢光體備製且硬化而成。藉由將該螢光體微粒250施置於具有孔洞555的螢光體容置構件552內，每一個孔洞555各分別容置該螢光體微粒250。在本實施例中，未容置於孔洞中的多餘螢光體微粒200將收集起來，並可以再次使用。當將該螢光體微粒250置入該孔洞555中，可藉由樹酯材料的硬化而形成該螢光體層550可形成於該第二導電半導體層540上。
根據上述的實施例，該螢光體微粒的尺寸與間距是可以調控的，使得發光的色彩可以容易且正確的調整，色彩分布也可以更窄。此外，製作過程中因為採用螢光體微粒250，有效的避免螢光體材料的浪費。當該等孔洞555形成光子晶體的形式，則其發光效率將可進一步提升。
唯以上所述者，包含：特徵、結構、及其它類似的效果，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。此外，上述各實施例所展示的特徵、結構、及其它類似的效果，亦可為該領域所屬的技藝人士在依本發明申請專利範圍進行均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
此外，上述各實施例所描述者只能算是實施範例，並不能因此限制本發明的範圍。例如，各實施例所使用的元件或單元，可為該領域所屬的技藝人士進行修改及實現，仍將不失本發明之要義。
100．．．發光元件
110．．．基板
120．．．第一導電半導體層
130．．．主動層
140．．．第二導電半導體層
150．．．螢光體層
152．．．螢光體容置構件
155．．．孔洞
200．．．螢光體微粒
300．．．鑄模
310．．．凹曲面
320．．．螢光體
500．．．發光元件
510．．．金屬層
520．．．第一導電半導體層
530．．．主動層
540．．．第二導電半導體層
550．．．螢光體層
552．．．螢光體容置構件
555．．．孔洞
250．．．螢光體微粒
圖1根據本發明一實施例的發光元件之結構示意圖。
圖2至圖4根據本發明實施例的發光元件的製造程序示意圖。
圖5a至圖5h本發明較佳實施例之發光元件的螢光體微粒的形狀示意圖。
圖6根據本發明另一實施例的發光元件結構示意圖。
圖7本發明另一實施例的發光元件製造程序示意圖。
100．．．發光元件
110．．．基板
120．．．第一導電半導體層
130．．．主動層
140．．．第二導電半導體層
150．．．螢光體層
200．．．螢光體微粒
Claims (15)
- 一種發光元件，其包括：一第一導電半導體層；一主動層，其係形成於該第一導電半導體層之上；一第二導電半導體層，其係形成於該主動層之上；及一螢光體層，其係形成於該第二導電半導體層之上；其中，該螢光體層包含複數個孔洞及複數個螢光體微粒，該等螢光體微粒中的各螢光體微粒對應地設置於該等孔洞中的其中一個孔洞，該孔洞包含一半球形的凹曲面且其形狀對應於該螢光體微粒的形狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該螢光體層包含一具有該等孔洞的螢光體容置構件。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該螢光體層係直接形成於該第二導電半導體層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該等螢光體微粒中的各螢光體微粒係對應地固定於該等孔洞中的其中一個孔洞。
- 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中該等螢光體微粒係為一樹酯材料所覆蓋。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該等螢光體微粒中的各螢光體微粒皆為球形。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該等孔洞係設置為彼此間距以一致的距離。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該等孔洞中的各孔洞寬度大於10μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該等孔洞中的各孔洞及該等螢光體微粒中的各螢光體微粒的形狀為類似球形、多角形、圓錐形、截角錐形、矩形、及圓柱形中的其中一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該等螢光體微粒的成分包含一螢光體材料及一樹酯材料。
- 一種發光元件的製造方法，其包括：形成一第一導電半導體層於一基板之上；形成一主動層於該第一導電半導體層之上；形成一第二導電半導體層於該主動層之上；及形成一螢光體層於該第二導電半導體層之上；其中，該螢光體層包含複數個孔洞及複數個螢光體微粒，該等螢光體微粒中的各螢光體微粒係對應地設置於該等孔洞中的其中一個孔洞，該孔洞包含一半球形的凹曲面且其形狀對應於該螢光體微粒的形狀。
- 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中形成該螢光體層的步驟包括：對應地固定該等螢光體微粒中的各螢光體微粒於該等孔洞中的其中一個孔洞。
- 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中形成該螢光體層的步驟更包括：覆蓋一樹酯材料於該等螢光體微粒上。
- 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中形成該螢光體層的步驟包括：以反應式離子蝕刻、溼式蝕刻、奈 米壓印、及膠帶黏貼法中的至少一種製程，形成該等孔洞。
- 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包括形成該等螢光體微粒的步驟，其包括：混合一螢光體材料及一樹酯材料；將該螢光體及樹酯的混合物注入一模具中，以形成該等螢光體微粒，其中各該螢光體微粒具其預定的形狀；使該螢光體及樹酯材料的混合物於該模具中硬化；及將上述已硬化的螢光體微粒自該模具中分離出。
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