TWI574432B - 白光二極體晶粒及其相關的封裝元件 - Google Patents

Description

白光二極體晶粒及其相關的封裝元件

本發明係有關於一種白光二極體晶粒及其相關的封裝元件，且特別是有關於一種包括金屬氧化物層及/或金屬氮化物層及/或金屬氮氧化物層所組成穿隧結構的白光二極體晶粒及其相關封裝元件。

眾所周知，自從白光二極體(簡稱白光LED)問世且隨著綠色節能的趨勢逐漸抬頭，現今的照明光源已經逐漸由白光LED取代傳統的日光燈管。

一般來說，現今的白光LED皆需要使用到螢光粉。以YAG：Ce黃色螢光粉為例，它會吸收中心波長在450~470nm波長(藍光光譜範圍)的藍光之後，產生中心波長在550~560nm以及幅射波長(450~700nm)波長的光。而在混色原理上，藍光加上黃光後即可產生白光。

請參照第1圖，其所繪示為習知藍光LED加上YAG黃色螢光粉製做而成之白光LED之光譜示意圖。如圖所示，利用波長445~450nm的高亮度藍光二極體(簡稱藍光LED)激發YAG黃色螢光粉，由於藍光與黃光是互補色光的原理，因此可以混合成高亮度白光，並完成白光LED。

當然，除了上述上述方式製作白光LED之外，還有利用波長430~350nm的紫外光來激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光，並完成白光LED。

本發明提出一種白光二極體晶粒，包括：一P型層；一穿隧結構，覆蓋於該P型層上，該穿隧結構包括一第一能障層、一主動層、一第二能障層，其中該第一能障層包括一第一材料層，該主動層包括一第二材料層，該第二能障層包括一第三材料層；一N型層，覆蓋於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；其中，該第二材料層的能隙低於該第一材料層的能隙，且該第二材料層的能隙低於該第三材料層的能隙；以及該第一材料層係為一金屬氧化物層、一金屬氮化物層或者一金屬氮氧化物層；該第二材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層；且該第三材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。

本發明提出一種白光二極體封裝元件，包括：一白光二極體晶粒，包括：一基板；一P型層，覆蓋於該基板的一第一表面；一穿隧結構，覆蓋於該P型層上，該穿隧結構包括一第一能障層、一主動層、一第二能障層，其中該第一能障層包括一第一材料層，該主動層包括一第二材料層，該第二能障層包括一第三材料層；一N型層，覆蓋於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；以及一覆晶封裝結構，包括：一次黏著基板；一第一連接墊，電性連接至該P型電極；以及一第二連接墊，電性連接至該N型電極；其中，該第二材料層的能隙低於該第一材料層的能隙，且該第二材料層的能隙低於該第三材料層的能隙；以及，該第一材料層係為一金屬氧化物層、一金屬氮化物層或者一金屬氮氧化物層；該第二材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層；且該第三材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。

本發明提出一種白光二極體晶粒，包括：一P型層；一穿隧結構，覆蓋於該P型層上，該穿隧結構中包括複數個材料層；一N型層，覆蓋於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；其中，該些材料層中的一第一材料層係為一金屬氧化物層、一金屬氮化物層或者一金屬氮氧化物層。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

200‧‧‧白光LED晶粒

202‧‧‧基板

204‧‧‧P型層

220‧‧‧穿隧結構

230‧‧‧N型層

240‧‧‧P型電極

250‧‧‧N型電極

260‧‧‧次黏著基板

270‧‧‧第一連接墊

280‧‧‧第二連接墊

282‧‧‧第一導電連接層

284‧‧‧第二導電連接層

290‧‧‧覆晶封裝結構

292‧‧‧凸起的透鏡陣列

294‧‧‧鈍化層

402、412‧‧‧第一材料層

404、414‧‧‧第二材料層

406、416‧‧‧第三材料層

418‧‧‧第四材料層

420‧‧‧第五材料層

432‧‧‧第一能障層

432a、436b‧‧‧二氧化鉿(HfO₂)層

432b、436a‧‧‧氮化鉿(HfN)層

434‧‧‧主動層

434a、434c‧‧‧氧化鋅(ZnO)層

434b‧‧‧氮化鋅(ZnN)層

436‧‧‧第二能障層

第1圖所示為習知藍光LED加上YAG黃色螢光粉所製做而成之白光LED光譜。

第2圖所繪示為本發明白光LED晶粒示意圖。

第3A圖所繪示為白光LED晶粒利用覆晶封裝後所形成之白光LED封裝元件的一實施例。

第3B圖所繪示為白光LED晶粒利用覆晶封裝後所形成之白光LED封裝元件的另一實施例。

第4A圖至第4C圖為各種穿隧結構的構造。

第5圖所繪示為不同製程條件下的中心波長偏移示意圖。

本發明係為一種全新結構的白光LED，此白光LED不需要任何螢光粉即可以發出白光。再者，白光LED中穿隧結構(tunneling structure)中的材質可以改變白光的中心波長，用以控制白光LED產生冷白光(cool white)或者暖白光(warm white)。

請參照第2圖，其所繪示為本發明白光LED晶粒示意圖。白光LED晶粒200包括一基板202、一P型層204、一穿隧結構(tunneling structure)220、一N型層230、一P型電極240 與一N型電極250，其中，基板202係為一透明基板，例如(銦錫氧化物(ITO)基板；而N型層230可為N型的ITO層。

請參照第3A圖，其所繪示為白光LED晶粒利用覆晶封裝後所形成之白光LED封裝元件的一實施例。基本上，白光LED晶粒200相同於第2圖，此處不再贅述。另外，覆晶封裝結構290包括一次黏著基板(submount)260、一第一連接墊(bonding pad)270與一第二連接墊280。

如第3A圖所示，第一導電連接層(conductive bonding layer)282電性連接於P型電極240與第一連接墊270之間，且第二導電連接層284電性連接於N型電極250與第二連接墊280之間。因此，形成白光LED封裝元件的一實施例。

請參照第3B圖，其所繪示為白光LED晶粒利用覆晶封裝後所形成之白光LED封裝元件的另一實施例。基本上，白光LED晶粒200與覆晶封裝結構290相同於第3A圖，此處不再贅述。另外，於一基板202的另一側更形成凸起的透鏡陣列(nipple lens array)292。之後，於凸起的透鏡陣列292上覆蓋鈍化層(passivation layer)294，並形成白光LED封裝元件的另一實施例。基本上，凸起的透鏡陣列292可以集中白光LED晶粒所產生的光線，且凸起的透鏡陣列292與鈍化層294的材料可為二氧化矽SiO₂。

以下詳細介紹P型層204以及穿隧結構220的材質。P型層204可區分為寬能隙(wide bandgap)材料的P型層或者窄能隙(narrow bandgap)材料的P型層。

窄能隙材料的P型層，例如矽(Si)材料的P型層，會吸收可見光的波長，因此窄能隙材料的P型層需要控制其厚度。一般來說，如果窄能隙材料係為非直接能隙(indirect bandgap)材料時，其厚度需低於50nm；如果窄能隙材料係為直接能隙(direct bandgap)材料時，更需要將其厚度控制到低於30nm。

再者，寬能隙材料的P型層，例如氮化鎵(GaN)與 氮化銦鎵(InGaN)材料的P型層，不會吸收可見光的波長，因此可以不需要考慮其厚度。

穿隧結構220包括複數個堆疊的材料層，每一個材料層係為金屬氧化物層、金屬氮化物層、或者金屬氮氧化物層。以下詳細說明各種穿隧結構的構造，白光LED封裝元件的其他部分不再贅述。

請參照第4A圖，其所繪示為第一種穿隧結構的構造。在P型層204與N型層230之間的穿隧結構220中包括一第一材料層402、第二材料層404與第三材料層406。其中，第二材料層404的能隙(energy gap)低於第一材料層402與第三材料層406的能隙。換言之，第一材料層402與第三材料層406為能障層(barrier layer)，而第二材料層404為主動層(active layer)或者井區(well region)。

舉例來說，第一材料層402、第二材料層404、與第三材料層406皆為金屬氧化物層。其中，第一材料層402與第三材料層406為二氧化鉿(HfO₂，Hafnium Oxide)層，第二材料層404為氧化鋅(ZnO，Zinc Oxide)層。

當P型層204為矽材料的<111>結構P型層時，白光LED封裝元件可發出中心波長約為550nm的冷白光(cool white)。再者，當P型層204為矽材料的<100>結構P型層時，白光LED封裝元件可發出中心波長約為575nm係屬於暖白光(warm white)。換言之，根據P型層的結構，可以改變白光LED封裝元件的中心波長。

另外，第一材料層402、第二材料層404、與第三材料層406也可以為金屬氮化物層。例如，第一材料層402與第三材料層406為氮化鉿(HfN，Hafnium Nitride)層，第二材料層404為氮化鋅(ZnN，Zinc Nitride)層。在相同條件下，金屬氮化物層所組成的穿隧結構，其白光LED封裝元件之中心波長會異於由金屬氧化物所組成的白光LED封裝元件之中心波長。

當然，第一材料層402、第二材料層404、與第三材料層406也可以為金屬氧化物層與金屬氮化物層的組合。例如，第一材料層402與第三材料層406為二氧化鉿(HfO₂)層，第二材料層404為氮化鋅(ZnN)層。

再者，除了金屬氧化物與金屬氮化物之外，第二材料層也可以是金屬氮氧化物，例如氮氧化鋅(ZnON)層。亦即，調整第二材料層404的成分也可以用來調整白光LED封裝元件之中心波長。

請參照第4B圖，其所繪示為第二種穿隧結構的構造。在P型層204與N型層230之間的穿隧結構220，包括第一材料層412、第二材料層414、第三材料層416、第四材料層418、與第五材料層420堆疊而成。其中，第二材料層414與第四材料層418的能隙低於第一材料層412、第三材料層416與第五材料層420的能隙。換言之，第一材料層412、第三材料層416與第五材料層420為能障層，而第二材料層414與第四材料層418為主動層或者井區。

舉例來說，第一材料層412、第三材料層416與第五材料層420為二氧化鉿(HfO₂)層，第二材料層223與第四材料層727為氧化鋅(ZnO)層。

當P型層204為矽材料的<111>結構P型層時，白光LED封裝元件可發出中心波長約為580nm。再者，當P型層204為矽材料的<100>結構P型層時，白光LED封裝元件可發出中心波長約為610nm。

另外，第一材料層412、第二材料層414、第三材料層416、第四材料層418、與第五材料層420也可以為金屬氮化物層。例如，第一材料層412、第三材料層416與第五材料層420為氮化鉿(HfN)層，第二材料層414與第四材料層418為氮化鋅(ZnN)層。

再者，第一材料層412、第二材料層414、第三材料 層416、第四材料層418、與第五材料層420也可以為金屬氧化物層與金屬氮化物層的組合。例如，第一材料層412與第三材料層416與第五材料層420為二氧化鉿(HfO₂)層，第二材料層414為氧化鋅(ZnO)層，且第四材料層418為氮化鋅(ZnN)層。

再者，除了金屬氧化物與金屬氮化物之外，第二材料層也可以是金屬氮氧化物，例如氮氧化鋅(ZnON)層。

請參照第4C圖，其所繪示為第三種穿隧結構的構造。在P型層204與N型層230之間的穿隧結構220，包括：第一能障層432、主動層434、與一第二能障層436堆疊而成。其中，主動層434的能隙小於第一能障層432與第二能障層436的能隙。

再者，第一能障層432、主動層434、與一第二能障層436也可以由不同的材料層所組成。舉例來說，第一能障層432中包括二氧化鉿(HfO₂)層432a與氮化鉿(HfN)層432b二種材料層；第二能障層436中包括二氧化鉿(HfO₂)層436b與氮化鉿(HfN)層436a二種材料層；以及主動層434包括氧化鋅(ZnO)層434a與氮化鋅(ZnN)層434b與氧化鋅(ZnO)層434c三種材料層。

除了上述提到的材料層之外，以下的材料皆具備較高能隙，可用來作為障壁層。例如，二氧化鉿(HfO₂)、氮化鉿(HfN)、氮氧化鉿(HfON)、氧化鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(A1N)、氮氧化鋁(AlON)、氧化鎵(Ga₂O₃)、氮化鎵(GaN)、氮氧化鎵(GaON)。

再者，以下的材料皆具備較低能隙，可用來作為主動層。例如，氧化鋅(ZnO)、氮化鋅(ZnN)、氮氧化鋅(ZnON)、氧化銦(InO)、氮化銦(InN)、氮氧化銦(InON)、氧化銦鎵(InGaO)、氮化銦鎵(InGaN)、氮氧化銦鎵(InGaON)。

由以上的說明可知，本發明的穿隧結構220中，多個材料層可為全金屬氧化物層，全金屬氮化物層，或者全金屬氮氧化物層。或者，多個材料層係為金屬氧化物層、金屬氮化物層與金屬氮氧化物層的混合組合。或者，多個材料層中至少有一材 料層為金屬氮化物層或者金屬氮氧化物層。

再者，本發明除了可利用穿隧結構200中的不同材料層來調整白光LED封裝元件中心波長，更可以改變材料層的製程條件來調整白光LED封裝元件中心波長。以下說明之： 如第5圖所示，於矽材料的<100>結構P型層上堆疊的穿隧結構220係由2nm的二氧化鉿(HfO₂)、6nm的氧化鋅(ZnO)以及2nm的二氧化鉿(HfO₂)所組成。

當穿隧結構220的三個材料層係利用電漿輔助式原子沉積製程(plasma-enhanced atomic layer deposition，簡稱PE-ALD)所完成時，白光LED封裝元件可發出約560nm的中心波長。

再者，當穿隧結構220的三個材料層係利用熱原子沉積製程(thermal atomic layer deposition，簡稱thermal-ALD)所完成時，白光LED封裝元件可發出約610nm的中心波長。

換句話說，改變穿隧結構220中材料層的製程條件，也可以用來調整白光LED封裝元件中心波長。

另外，本發明的P形層204並不限定於P型矽層。當然，P型層204也可以是P型氮化鎵(P-GaN)層或者P型砷化鎵(P-GaAs)層或者P型碳化矽(P-SiC)層等等。

由以上的說明可知，本發明係提出一種全新材料的白光LED晶粒及其相關封裝元件，利用金屬氧化物層、金屬氮化物層、或者金屬氮氧化物層之組合形成穿隧結構，即可在主動層中發出白光，並且調整中心波長。再者，上述實施例可以利用各種封裝方式來完成最終的白光LED封裝元件，例如覆晶封裝結構。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者 為準。

200‧‧‧白光LED晶粒

202‧‧‧基板

204‧‧‧P型層

220‧‧‧穿隧結構

230‧‧‧N型層

240‧‧‧P型電極

250‧‧‧N型電極

Claims (23)

1. 一種白光二極體晶粒，包括：一P型層；一穿隧結構，覆蓋於該P型層上，該穿隧結構包括一第一能障層、一主動層、一第二能障層，其中該第一能障層包括一第一材料層，該主動層包括一第二材料層，該第二能障層包括一第三材料層；一N型層，覆蓋於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；其中，該第二材料層的能隙低於該第一材料層的能隙，且該第二材料層的能隙低於該第三材料層的能隙；以及其中，該第一材料層係為一金屬氧化物層、一金屬氮化物層或者一金屬氮氧化物層；該第二材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層；且該第三材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體晶粒，其中該第二材料層是一氧化鋅層、一氮化鋅層、一氮氧化鋅層、一氧化銦層、一氮化銦層、一氮氧化銦層、一氧化銦鎵層、一氮化銦鎵層、或一氮氧化銦鎵層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體晶粒，其中該第一材料層是一二氧化鉿層、一氮化鉿層、一氮氧化鉿層、一氧化鋁層、一氮化鋁層、一氮氧化鋁層、一氧化鎵層、一氮化鎵層、或一氮氧化鎵層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體晶粒，更包括一基板接觸於該P型層。
5. 如申請專利範圍第4項所述之白光二極體晶粒，其中該基板為一銦錫氧化物基板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體晶粒，其中該穿隧結構包括堆疊的該第一材料層、該第二材料層、該第三材料層、一第四材料層、與一第五材料層，其中，該第二材料層的能隙低於該第一材料層層的能隙，該第二材料層的能隙低於該第三材料層的能隙，該第四材料層的能隙低於該第三材料層的能隙，以及該第四材料層的能隙低於該第五材料層的能隙。
7. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體晶粒，其中該P型層係為一P型矽層、一P型氮化鎵層、一P型砷化鎵層或者一P型碳化矽層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體晶粒，其中該第一材料層、該第二材料層與該第三材料層其中之一至少為該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。
9. 一種白光二極體封裝元件，包括：一白光二極體晶粒，包括：一基板；一P型層，覆蓋於該基板的一第一表面；一穿隧結構，覆蓋於該P型層上，該穿隧結構包括一第一能障層、一主動層、一第二能障層，其中該第一能障層包括一第一材料層，該主動層包括一第二材料層，該第二能障層包括一第三材料層；一N型層，覆蓋於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；以及一覆晶封裝結構，包括： 一次黏著基板；一第一連接墊，電性連接至該P型電極；以及一第二連接墊，電性連接至該N型電極；其中，該第二材料層的能隙低於該第一材料層的能隙，且該第二材料層的能隙低於該第三材料層的能隙；以及其中，該第一材料層係為一金屬氧化物層、一金屬氮化物層或者一金屬氮氧化物層；該第二材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層；且該第三材料層係為該金屬氧化物層、該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體封裝元件，其中該第二材料層是一氧化鋅層、一氮化鋅層、一氮氧化鋅層、一氧化銦層、一氮化銦層、一氮氧化銦層、一氧化銦鎵層、一氮化銦鎵層、或一氮氧化銦鎵層。
11. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體封裝元件，其中該第一材料層是一二氧化鉿層、一氮化鉿層、一氮氧化鉿層、一氧化鋁層、一氮化鋁層、一氮氧化鋁層、一氧化鎵層、一氮化鎵層、或一氮氧化鎵層。
12. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體封裝元件，其中該基板為一銦錫氧化物基板。
13. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體封裝元件，更包括：一凸起的透鏡陣列，形成於該基板的一第二表面；以及一鈍化層覆蓋於該凸起的透鏡陣列。
14. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體封裝元件，其中該穿隧結構包括堆疊的該第一材料層、該第二材料層、該第三 材料層、一第四材料層、與一第五材料層，其中，該第二材料層的能隙低於該第一材料層層的能隙，該第二材料層的能隙低於該第三材料層的能隙，該第四材料層的能隙低於該第三材料層的能隙，以及該第四材料層的能隙低於該第五材料層的能隙。
15. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體封裝元件，其中該P型層係為一P型矽層、一P型氮化鎵層、一P型砷化鎵層或者一P型碳化矽層。
16. 如申請專利範圍第9項所述之白光二極體晶粒，其中該第一材料層、該第二材料層與該第三材料層其中之一至少為該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。
17. 一種白光二極體晶粒，包括：一P型層；一穿隧結構，覆蓋於該P型層上，該穿隧結構中包括複數個材料層；一N型層，覆蓋於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；其中，該些材料層中的一第一材料層係為一金屬氧化物層、一金屬氮化物層或者一金屬氮氧化物層。
18. 如申請專利範圍第17項所述之白光二極體晶粒，其中該些材料層中包括一主動層，該主動層是一氧化鋅層、一氮化鋅層、一氮氧化鋅層、一氧化銦層、一氮化銦層、一氮氧化銦層、一氧化銦鎵層、一氮化銦鎵層、或一氮氧化銦鎵層。
19. 如申請專利範圍第17項所述之白光二極體晶粒，其中該些材料層中包括一障壁，該障壁層是一二氧化鉿層、一氮化鉿 層、一氮氧化鉿層、一氧化鋁層、一氮化鋁層、一氮氧化鋁層、一氧化鎵層、一氮化鎵層、或一氮氧化鎵層。
20. 如申請專利範圍第17項所述之白光二極體晶粒，更包括一基板接觸於該P型層。
21. 如申請專利範圍第17項所述之白光二極體晶粒，其中該基板為一銦錫氧化物基板。
22. 如申請專利範圍第17項所述之白光二極體晶粒，其中該P型層係為一P型矽層、一P型氮化鎵層、一P型砷化鎵層或者一P型碳化矽層。
23. 如申請專利範圍第17項所述之白光二極體晶粒，其中該些材料層其中之一至少為該金屬氮化物層或者該金屬氮氧化物層。