TWI553916B - 具有波長轉換層之發光二極體晶粒及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係為美國發明專利申請序號13/229,824之延續案，其申請日為2011年09月12日，係可與其合併參考。
本發明係關於發光二極體晶粒，特別是關於具有波長轉換層的發光二極體晶粒，以及用於製造具有波長轉換層之發光二極體晶粒的一方法。
發光二極體(light emitting diode，LED)晶粒(dice)係以發展來產生白光。為了產生白光，一藍光發光二極體晶粒係可使用來與一波長轉換層進行組合，例如形成在晶粒(die(之表面上的一螢光層(phosphor layer)。由藍光二極體晶粒所發射出的電磁輻射係激發波長轉換層的原子(atoms)，其係將在藍色波長光譜範圍(blue wavelength spectral region)的某些電磁輻射轉換到黃色波長光譜範圍(yellow wavelength spectral region)。藍色對黃色的比率係由波長轉換層的構成(composition)以及幾何(geometry)所操控，以使發光二極體的輸出出現白光。
在此型態的發光二極體晶粒中，白光的特性係由從藍光發光二極體晶粒所發射之電磁輻射技及波長轉換層之波長轉換特性所決定。舉例來說，組成白光的色彩係取決於由藍光發光二極體晶粒及波長轉換層所產生之電磁輻射的頻譜分布。在這些頻譜分布中的任何變異係可改變由發光二極體裝置所產生之組成白光的色彩。因為在藍光發光二極體晶粒及波長轉換層之架構中的變異，所以白光係可具有一不想要的色彩平衡(undesirable color balance)並缺乏真實色彩還原(true color rendition)的特性。
因為在製造期間對於波長轉換層的任何損壞係可改變晶粒
的輸出，因此難以製造出具有始終如一之色彩平衡(color balance)的一白光發光二極體晶粒。本發明係提出用於製造具有波長轉換層之發光二極體晶粒的方法。
一種發光二極體晶粒，係包括一波長轉換層，該波長轉換層係包括具有一選定厚度的一基底材料以及具有一選定尺寸與濃度並嵌入在該基底材料中的複數個粒子。該等粒子係可包括若干波長轉換粒子以及若干反射粒子，該等波長轉換粒子係在該基底材料中具有一第一半徑及重量百分比，該等反射粒子係在該基底材料中具有一第二半徑及重量百分比。該等波長轉換粒子係亦可包括不同型態的粒子，此等粒子係由在該基底材料中具有若干選定半徑及濃度之不同材料所組成。該發光二極體晶粒係亦可構成如一直下式發光二極體(vertical light emitting diode，VLED)晶粒或者是如一平面式發光二極體(planar light emitting diode，PLED)晶粒。
一種用於製造發光二極體晶粒的方法，係包括下列步驟：提供具有一所欲架構(desired configuration)的一發光二極體晶粒；提供黏滯狀(viscous form)的一基底材料；提供具有一的一半徑的複數個波長轉換粒子；以及提供具有一第二半徑的複數個反射粒子。該方法係亦包括下列步驟：將在該基底材料中的該等波長轉換粒子混合成一第一重量百分比；將在該基底材料中的該等反射粒子混合成一第二重量百分比；以及將該基底材料固化成一選定厚度已形成一波長轉換層。該方法係亦包括下列步驟：將該波長轉換層附著到該晶粒；以及在該波長轉換層形成若干開孔(openings)並與在晶粒上的一或更多電極相校準。
30‧‧‧發光二極體晶粒
32‧‧‧導電基板
34‧‧‧n型侷限層
36‧‧‧多量子井層
38‧‧‧p型侷限層
40‧‧‧磊晶堆疊
42‧‧‧波長轉換層
44‧‧‧n電極
46‧‧‧p電極
48‧‧‧基底材料
50‧‧‧波長轉換粒子
52‧‧‧反射粒子
54‧‧‧開孔
60‧‧‧平面式發光二極體晶粒
62‧‧‧透明基板
64‧‧‧磊晶堆疊
66‧‧‧n型侷限層
68‧‧‧多量子井層
70‧‧‧p型侷限層
72‧‧‧透明導電層
74‧‧‧p電極
76‧‧‧n電極
78‧‧‧波長轉換層
80‧‧‧第一開孔
82‧‧‧第二開孔
42A‧‧‧波長轉換層
48A‧‧‧基底材料
50A‧‧‧第一波長轉換粒子
50B‧‧‧第二波長轉換粒子
52A‧‧‧反射粒子
T‧‧‧厚度
第1圖係表示具有一波長轉換層之一發光二極體晶粒的截面示意圖。
第2圖係表示在第1圖沿線段2-2所視之一波長轉換層的放大截面示意圖。
第3圖係表示在第1圖沿線段2-2所視之另一波長轉換層的放大截面示意圖。
第4圖係表示本發明具有一波長轉換層之一第二發光二極體晶粒的截面示意圖。
第5圖係分別表示本發明如第1圖用於製造發光二極體晶粒之一方法步驟的流程圖。
要瞭解的是，當一元件說明為在另一元件「之上(on)」時，其係可直接在另一元件之上或者是係可存在插入元件(intervening elements)。然而，術語為「直接地(directly)」係意謂沒有插入元件。再者，雖然術語為「第一(first)」、「第二(second)」、「第三(third)」係使用來描述不同元件，但是這些元件不應被這些術語所限制。而且，除非不同樣地定義，否則所有術語係傾向於具有如孰悉此技術領域者所瞭解的相同意思。
請參考第1圖，係繪示一發光二極體晶粒30。發光二極體晶粒30係為一直下式發光二極體(vertical light emitting diode)型態。為了簡化，係不會繪示出發光二極體晶粒30的不同元件。然而，發光二極體晶粒30的此型態係在美國專利號US7,615,789有進一步的描述，其係可在文中合併參考。雖然發光二極體晶粒30係描述成一直下式發光二極體，但其係可被瞭解的是，文中所描述的概念係亦可應用在其他型態的發光二極體晶粒，例如具有平面電極架構(planar electrode configurations)的發光二極體晶粒。
發光二極體晶粒30係包括一導電基板32以及在導電基板32上的一磊晶堆疊(epitaxial stack)40。磊晶堆疊40係包括一n型侷限層(confinement layer)34、一多量子井(multiple quantum well，MQW)層36以及一p型侷限層38，多量子井層36係與n型侷限層34相接觸並架構來發射出電磁輻射，p型侷限層38係與多量子井層36相接觸。
較佳地，n型侷限層34係包括n-GaN。對於n型侷限層34而言，其他適合的材料包括n-AlGaN、n-InGaN、n-AlInGaN、以及n-AlN。較佳地，多量子井層36係包括一或更多個量子井，各量子井係包括一或更多層的InGaN/GaN、AlGaInN、AlGaN、AlInN以及AlN。多量子井層36係係可架構來從可見光頻譜範圍(即400~770nm)、紫藍光頻譜範圍(即400~450nm)、藍光頻譜範圍(即450~490nm)、綠光頻譜範圍(即490~560nm)、
黃光頻譜範圍(即560~590nm)、橙光頻譜範圍(即590~635nm)、或者是紅光頻譜範圍(即635~700nm)發射電磁輻射。較佳地，p型侷限層38係包括p-GaN。對於p型侷限層38而言，其他適合的材料包括p-AlGaN、p-InGaN、p-AlInGaN、p-AlInN、以及n-AlN。
請仍參考第1圖，發光二極體晶粒30係亦包括一n電極44以及一p電極46，其中，n電極44係在n型侷限層34之上，p電極46係在導電基板32的背側(backside)之上。n電極44及p電極46係可包括一導電材料，例如一金屬、一金屬合金或者是一金屬堆疊的一單一層，所述的金屬例如：W、Ti、Mo、Al、Cu、Ni、Ag、Au或者是Co，所述的金屬合金例如：Cu-Co或者是Cu-Mo，所述的金屬堆疊例如Ni/Cu或者是Ni/Cu-Mo。
發光二極體晶粒30係亦包括一波長轉換層42，波長轉換層42係形成在磊晶堆疊40之上並與n型侷限層34相接觸。波長轉換層42係在n型侷限層34之上具有一厚度T，並包括一開孔(opening)54，開孔54係與n電極44相校準，以提供進入到n電極44。較佳地，波長轉換層42的厚度T係小於100μm，且再更佳地，其係小於50μm。
波長轉換層42係架構來將至少某些由多量子井層36所發射的電磁輻射轉換到具有一不同波長範圍的電磁輻射，例如一較高波長範圍。舉例來說，假若多量子井層36發射在一藍光頻譜範圍的電磁輻射的話，則波長轉換層42係可架構來將至少某些此輻射轉換到一黃光頻譜範圍，以使發光二極體晶粒30的輸出出現白光。因為波長轉換層42具有小於100μm的厚度T，因此，係可降低或是消除在黃光頻譜範圍之輻射同時產生的一黃光環(yellow ring)。
如第2圖所示，波長轉換層42係可包括一基底材料48、嵌入在基底材料48中的複數個波長轉換粒子50、以及嵌入在基底材料48中的複數個反射粒子52。
基底材料48係可包括可固化聚合物(curable polymer)，例如矽樹脂(silicone)及環氧樹脂(epoxy)。波長轉換粒子50係可包括一材料，此材料係架構來轉換由如前述之多量子井層36所產生的電磁輻射。用於波長轉換粒子50之適當材料係包括螢光混合物(phosphor compounds)，例如
YAG：Ce、TAG：Ce、摻雜Eu的鹼土矽氮化合物(alkaline earth silicon nitride)、摻雜Eu的鹼土矽酸鹽(alkaline earth silicate)或者是摻雜Ce的銃化鈣(calcium scandate)。再者，波長轉換粒子50係在基底材料48中具有一選定半徑及濃度。舉例來說，波長轉換粒子50係可具有從8μm到40μm的一半徑，且其一平均粒子尺寸(median particle size)係指定為D50。在基底材料48中之波長轉換粒子50的一重量百分比(wt.%)係可從10wt%到85wt%。
反射粒子52係可包括一材料，此材料係架構來反射由多量子井層36所產生之電磁輻射。用於反射粒子52的適當材料係包括TiO2、Al2O3、SiO2或者是其他白色粉末(white powder)。再者，反射粒子52係在基底材料48中具有一選定半徑及濃度。舉例來說，反射粒子52係可具有從10nm到500nm的一半徑，且其一平均粒子尺寸係指定為D50。在基底材料48中之反射粒子52的一重量百分比(wt.%)係可為從0.1wt%到10wt%。
如表1所示，用於波長轉換粒子50的粒子尺寸係同時影響相對亮度(%)以及由發光二極體晶粒30所產生之電磁輻射的色彩均勻度(color uniformity)。一般而言，一平均粒子尺寸指定為D50之較小粒子尺寸，係產生較差的相對亮度，但卻具有較佳的色彩均勻度。相反地，較大粒子尺寸係產生較佳的相對亮度，卻具有較差的色彩均勻度。
如第3圖所示，另一波長轉換層42A係可包括一基底材料48A、嵌入在基底材料48A中的複數個第一波長轉換粒子50A、嵌入在基底材料48A中的複數個第二波長轉換粒子50B、以及嵌入在基底材料48A中的複數個反射粒子52A。這些所有元件係可等效於前述的元件。然而，第一波長轉換粒子50A係可包括一第一營光混合物，例如YAG：Ce、TAG：Ce、摻雜Eu的鹼土矽氮化合物(alkaline earth silicon nitride)、摻雜Ce的銃化鈣
(calcium scandate)，切的二波長轉換粒子50B係可包括一第二螢光混合物，例如摻雜Eu的鹼土矽酸鹽(alkaline earth silicate)。第一波長轉換粒子50A及第二波長轉換粒子50B係亦可在基底材料中具有不同尺寸及濃度。
請參考第4圖，係繪示一平面式發光二極體晶粒60。發光二極體晶粒60係包括一透明基板62以及在透明基板62之上的一磊晶堆疊64。磊晶堆疊64係包括一n型侷限層66、一多量子井層68以及一p型侷限層70，其中，多量子井層68係與n型侷限層66電性相接觸並架構來發射電磁輻射，且p型侷限層70係與多量子井層68電性相接觸。平面式發光二極體晶粒60係亦包括一透明導電層72以及在p型侷限層70之上的p電極74。平面式發光二極體晶粒60係亦包括在n型侷限層66之上的一n電極76。平面式發光二極體晶粒60係亦包括一波長轉換層78，波長轉換層78係具有一第一開孔80以及一第二開孔82，第一開孔80係與n電極76相校準，第二開孔82係與p電極74相校準。波長轉換層78係大致地可架構如上所述的具有波長轉換粒子及反射粒子之波長轉換層42(如第2圖所示)，或者是如上所述的具有多個波長轉換粒子50A、50B及反射粒子52A之波長轉換層(如第3圖所示)。
請參考第5圖，係繪示用於製造發光二極體晶粒30之一方法的步驟。此方法之步驟係包括：在一晶圓(wafer)上形成(或提供)具有一選定架構的複數個發光二極體晶粒之步驟。舉例來說，每一發光二極體晶粒係可包括一直下式發光二極體(VLED)晶粒或者是一平面式發光二極體(PLED)晶粒，其大致上係如前述。再者，此方法係可在晶圓級使用包含在一晶圓上之複數個分離晶粒(dice)來實現。舉例來說，直下式發光二極體晶粒係可在晶圓級使用習知技術的製程製造，例如已揭露在美國專利US7,195,944 B2(Tran et al.)以及美國專利US7,615,789 B2(Tran)，此兩件專利係在本文中合併參考。發光二極體晶粒係亦可由一製造業者所提供，例如Semile Corporation of Boise ID and Hsingchu County Taiwan。
此方法係亦包括：提供一黏滯狀的一基底材料的步驟。此基底材料係可包括一可固化聚合物(curable polymer)，例如具有一所欲化學組成的矽樹脂(silicone)及環氧樹脂(epoxy)。
此方法係亦包括：提供具有一第一半徑之複數個波長轉換粒子以及具有一第二半徑之複數個反射粒子的步驟。舉例來說，波長轉換粒子係可具有從8μm到40μm的一半徑，其平均粒子尺寸係指定為D50，且反射粒子係可具有從10nm到500nm的一半徑，其平均粒子尺寸係指定為D50。
此方法係亦包括：將在基底材料中的波長轉換粒子混合成一第一重量百分比、將在基底材料中的反射粒子混合成一第二重量百分比、以及將基底材料固化成選定厚度以形成具有一選定厚度T的複數個波長轉換層之步驟。在基底材料中之波長轉換粒子的一重量百分比(wt.%)係可為從10wt%到85wt%。在基底材料中之反射粒子的一重量百分比(wt.%)係可為從0.1wt%到10wt%。波長轉換層的一厚度T係可為從20μm到100μm是否有揭露。為了執行這些步驟，波長轉換粒子及反射粒子係可使用一混合製成而混合到黏滯狀的基底材料中，以形成一黏滯混合物(viscous mixture)，之後，其係可e固化成固體狀(solid form)。此混合物之後係可應用到使用一塗佈製程(coating process)的一剝離膜(release film)，塗佈製程係例如dip coating、rod coating、blade coating、knife coating、air knife coating、Gravure coating、roll coating、或者是slot and extrusion coating。再者，波長轉換層係可包括一單一層或者是使用多個塗佈製程(multiple coating processes)的多層(multiple layers)。所例示的塗佈製程係進一步描述在Modern Coating And Drying Technology的第1章(第1~20頁)，作者為Edward D.Cohen，名稱為「Choosing The Coating Method」，其係可自本文中合併參考。一例示的剝離膜係包括由AGC Chemical Americas,Inc.在商標FLUON下所製造的一氟聚合物樹脂(fluoropolymer resin)。接在將混合物固體化的一固化製程之後，固體狀的波長轉換層係可使用如peeling的一適當製程將剝離膜分離。
此方法係亦包括：將波長轉換層附著到晶粒的步驟。為了執行此步驟，包含複數個波長轉換層的一薄片(sheet)係可裁切(cut)，以使每一波長轉換層具有一所欲尺寸及圓周形狀。每一波長轉換層之後係可使用一適當製程進行處理並置放在發光二極體晶粒上，此適當製程係例如vacuum wand。再者，如一黏著聚合物(adhesive polymer)的一黏膠(adhesive)係可使用
來附著(黏貼)波長轉換層。
此方法係亦包括：在波長轉換層形成與在晶粒上之一或更多電極相校準的若干開孔之步驟。此步驟係可使用如一光阻光罩(photoresist mask)的一光罩(mask)來實現，以及使用一適當蝕刻液(etchant)以形成在一所欲型態中具有一所欲尺寸的開孔。此步驟係亦可在將波長轉換層附著到發光二極體晶粒的步驟之前執行。
此方法係亦可包括：將晶圓切割(singulating)成發光二極體晶粒的步驟。此切割步驟係可使用如sawing、jetting或者是etching的一適當製程來實現。
因此，本發明係描述用於製造具有波長轉換層之發光二極體裝置的一改善方法。當前述係針對本發明之各實施例時，本發明之其他或進一步的實施例係可被設計出而無須違反其基本範圍，且其基本範圍係由下列的申請專利範圍所界定。雖然本發明以相關的較佳實施例進行解釋，但是這並不構成對本發明的限制。應說明的是，本領域的技術人員根據本發明的思想能夠構造出很多其他類似實施例，這些均在本發明的保護範圍之中。
30‧‧‧發光二極體晶粒
32‧‧‧導電基板
34‧‧‧n型侷限層
36‧‧‧多量子井層
38‧‧‧p型侷限層
40‧‧‧磊晶堆疊
42‧‧‧波長轉換層
44‧‧‧n電極
46‧‧‧p電極
T‧‧‧厚度
Claims (20)
- 一種直下式發光二極體晶粒，係包括：一基板，係包括一磊晶堆疊，該磊晶堆疊係包括一n型侷限層一多量子井層以及一p型侷限層，該多量子井層係與該n型侷限層相接觸並架構來發射電磁輻射，該p型侷限層係與該多量子井層相接觸；一波長轉換層，係位在該基板之上，並架構來將至少某些由該多量子井層所發射的電磁輻射轉換到具有一不同波長範圍的電磁輻射，該波長轉換層係包括具有一選定厚度的一基底材料以及嵌入在該基底材料並具有一選定尺寸與濃度的複數個粒子，該等粒子係包括在該基底材料中之具有一第一半徑與一第一重量百分比的複數個波長轉換粒子以及在該基底材料中之具有一第二半徑與一第二重量百分比的複數個反射粒子，該些波長轉換粒子係包含第一波長轉換粒子與第二波長轉換粒子，該第一波長轉換粒子包含一第一螢光混合物，該第一螢光混合物包含YAG：Ce、TAG：Ce及/或摻雜Eu的鹼土矽氮化合物，而第二波長轉換粒子包括一第二螢光混合物，該第二螢光混合物包含摻雜Eu的鹼土矽酸鹽。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該等波長轉換粒子係包括不同型態的粒子，該等不同型態的粒子係由在該基底材料中具有選定半徑及濃度的不同材料所組成。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該發光二極體晶粒係在該n型侷限層之上具有該波長轉換層。
- 根據申請專利範圍第3項之發光二極體晶粒，其中，該波長轉換層係包括一開孔，該開孔係噢在該n型侷限層之上的一n電極相校準。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該發光二極體晶粒係在該p型侷限層之上具有該波長轉換層。
- 根據申請專利範圍第5項之發光二極體晶粒，其中，該波長轉換層係包括一第一開孔以及一第二開孔，該第一開孔係與在該n型侷限層之上的一n電極相校準，該第二開孔係與在該p型侷限層之上的一p電極相校準。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該波長轉換層係具有小於100μm的一厚度。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該等基底材料係包括一材料，該材料係選自下列群組：矽樹脂(silicone)及環氧樹脂(epoxy)。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該反射粒子係包括一材料，該材料係選自下列群組：TiO2、Al2O3、以及SiO2。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該等波長轉換粒子的該第一半徑係為從8μm到40μm，其一平均粒子尺寸係指定為D50。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該等反射粒子的該第二半徑係為從10nm到500nm，其一平均粒子尺寸係指定為D50。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，在該基底材料中之該等波長轉換粒子的該第一重量百分比，係為從10wt%到85wt%。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，在該基底材料中之該等反射粒子的該第二重量百分比，係為從0.1wt%到10wt%。
- 根據申請專利範圍第1項之發光二極體晶粒，其中，該n型侷限層係架構來發射在一藍光頻譜範圍中的電磁輻射，且在該基板之上的該波長轉換層係架構來將至少某些在該藍光頻譜範圍中之電磁輻射轉換成在一黃光頻譜範圍中之電磁輻射。
- 一種用於製造直下式發光二極體晶粒的方法，係包括：提供具有一所欲架構的一發光二極體晶粒；提供在黏滯狀的一基底材料；提供複數個波長轉換粒子及複數個反射粒子，該等波長轉換粒子係具 有一第一半徑，該等反射粒子係具有一第二半徑；將在該基底材料中的該等波長轉換粒子混合成一第一重量百分比，並將在該基底材料中的該等反射粒子混合成一第二重量百分比，該些波長轉換粒子係包含第一波長轉換粒子與第二波長轉換粒子，該第一波長轉換粒子包含一第一螢光混合物，該第一螢光混合物包含YAG：Ce、TAG：Ce及/或摻雜Eu的鹼土矽氮化合物，而第二波長轉換粒子包括一第二螢光混合物，該第二螢光混合物包含摻雜Eu的鹼土矽酸鹽；將該基底材料固化成一選定厚度，以形成一波長轉換層；以及將該波長轉換層附著到該晶粒。
- 根據申請專利範圍第15項之方法，更進一步包括在該波長轉換層中形成複數個開孔，該等開孔係與在該發光二極體晶粒之上的一或更多電極相校準。
- 根據申請專利範圍第15項之方法，其中，該波長轉換層的該選定厚度係小於100μm。
- 根據申請專利範圍第1項之方法，其中，該等基底材料係包括一材料，該材料係選自下列群組：矽樹脂(silicone)及環氧樹脂(epoxy)。
- 根據申請專利範圍第15項之方法，其中，該反射粒子係包括一材料，該材料係選自下列群組：TiO2、Al2O3、以及SiO2。
- 根據申請專利範圍第15項之方法，其中且該附著步驟係包括將該波長轉換層附著到一n型侷限層。
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