TWI596799B - 控制發光裝置之方法 - Google Patents

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Description

控制發光裝置之方法
本發明係關於發光元件(LED)之領域，且特定言之係一種具有可經改質以增強裝置的光提取效率之光發射表面的發光元件。
利用粗化的發射表面係通常在LED設計中用以增強LED提取效率之數種技術之一。粗化可應用於不同種類的LED結構，包括InGaN、AlInGaP系統、晶片倒裝接合及垂直薄膜裝置架構，及其他結構。
USP 7,875,533,John Epler,Paul Martin及Michael Krames於2011年1月25日發表的「封裝集成薄膜LED及裝置(PACKAGE INTEGRATED THIN FILM LED,AND DEVICES)」(且其併入本文供參考)揭示LED之GaN光發射表面之粗化用以增強光提取效率，其使用KOH溶液進行光-電化學蝕刻製程。使用一蝕刻終止層控制蝕刻之深度，該蝕刻終止層係於光發射裝置形成期間生長。類似方式中，USPA 2010/0025717、USPA 2009/0146170、USPA 2008/0113463及USP 7,749782亦揭示藉由粗化光發射表面用於改良光提取效率之技術，且其併入本文供參考。
各上述的參考方法產生一實質上均勻的粗化表面從而得到最大光提取效率，粗化經常得到比原有未粗化表面多兩倍之光提取效率。隨著光發射效率的持續增加，在某些應用中並不需要獲得兩倍的光提 取效率。例如：可能希望將總光輸出限制於客製化最大通量規格，以符合特定標準，或用於達到特定發光效率。
例如：考慮提供LED燈作為汽車前燈或尾燈，其主要包含多個光發光元件。存在之標準係設定某種最小及最大發光輸出。特定燈之設計，包括發光元件數量、反射鏡及透鏡元件形狀等，達成所需發光輸出基本上係與各發光元件提供的光量(通量)有關。習知上，當改良技術對各發光元件提供更多光時，「下一世代」燈的設計利用這些增加光輸出之優點以達到成本效益同時仍維持所需最小及最大限制間之總光輸出。
儘管每一個下一世代燈可能對成本或其他效率最佳化，但這些效率在更全球化認知上可能係次佳。例如：考慮圖1A中顯示之技術進展。隨時間流逝，預期每LED元件可達成之通量可能以基於與LED設計及製造相關之技術進展之某種方式增加。在任何特定的時間點，選擇一種既定技術進行燈的設計，圖1A中顯示當使用在對每一LED元件111-114提供可達成量之通量時可獲取之技術設計四種不同的燈L1-L4或燈的四種不同模式時之T1-T4四個時間點。例如：在時間T2，該技術將會發展使得用於L2燈之每一元件112可達到之光通量多於使用於燈L1之較早時間T1可達成之每一元件111的通量。例如：這些燈L1-L4可為例如用於不同年份之一個或多種汽車模型的燈。
圖1B顯示對這些燈L1-L4經時需求之設置實例。例如：燈L1可用於Y1年生產之汽車模型。對燈L1之需求在該模型製造期間將會到達顛峰，接著在模型不再生產時減少，然後基於對該等模型置換該些燈之需求而到達年平均量。用於隨後汽車之製造模型之燈L2-L4將會展現相似的需求模式。
如上所述，各燈L1-L4將使用可獲得的LED技術以達到成本-效益設計。然而，因為各燈L1-L4係使用可對每LED元件111-114提供特定 量通量程度之技術，故該等燈L1-L4的供應者必須維持各該等LED製造技術。即，在Y4年，因為對各L1-L4燈之需求，且各燈L1-L4之設計係基於對各LED元件111-114提供對應通量之技術，故對於製造每一LED元件111-114具有所需通量之LED元件之各該等技術必須予以維持。
對於維持各種技術除了產生製造複雜度以外，製造各LED元件的成本可能低於最佳狀況，當較舊技術的需求減少時尤其顯著，且無法達到大量生產的經濟性。此外，隨著時間推移，對於以較低成本提供更高通量之LED元件預期可能有更新技術。因此，儘管燈L4中使用的LED元件對每元件114提供顯著較高之通量，但製造使用於燈L4中之LED元件的成本可能低於製造燈L1中使用的LED元件的成本。
然而，儘管使用在燈L4中之使用LED技術的每單元成本之潛在通量可能顯著低於使用在燈L1中之使用LED技術之成本，但如果含有具有通量114的LED元件之燈L1之發光輸出超過使用燈L1之某些特定最大發光輸出，則在燈L4中使用之具有通量114的LED元件在經設計用於每元件111為較低通量之燈L1中可能無法使用。
能夠可靠地及/或便宜地控制光發射元件的光通量使得對於不同光通量程度而設計之應用中可使用共通LED技術係有利的。能夠控制光發射元件通量而實質上不改變用以製造光發射元件之製程同樣有利。
為更好解決一個或多個這些問題，本發明之一實施例中，使用習知技術以改質光發射裝置的表面，例如粗化該表面，以增強光提取效率，但表面改質程度係藉由控制一或多個與改質技術相關之參數而控制。一種既有LED技術於未改質時將具有些許最小通量及於最佳改質時具有某些最大通量。藉由特徵化改質製程的參數及所得通量間的 關係，可控制改質製程參數而達到藉由既有LED技術可達成之最小及最大通之間之所需通量。
111‧‧‧LED元件
112‧‧‧LED元件
113‧‧‧LED元件
114‧‧‧LED元件
210‧‧‧n-層
215‧‧‧「頂」表面
217‧‧‧邊緣表面
220‧‧‧光發射層
230‧‧‧p-層
260‧‧‧墊片
270‧‧‧墊片
280‧‧‧邊界材料
L1‧‧‧燈
L2‧‧‧燈
L3‧‧‧燈
L4‧‧‧燈
本發明將藉由實例以及參考附圖更詳細加以說明。
圖1A說明關於每LED元件可達到通量之LED技術經時發展之實例。
圖1B說明燈中使用之LED技術經時進展之實例。
圖2說明LED元件之實例。
圖3A說明在粗化製程期間表面粗化之進展實例。
圖3B說明以粗化製程之參數(時間)為函數之通量增加間之關係。
圖4說明用以控制粗化製程參以達到在最小及最大通量程度間之所需通量之製程實例。
整個圖式中，相同參考編號顯示相似或對應特徵或功能。該等圖式係用於說明目的且不欲限制發明之範圍。
在以下描述中，基於說明而非限制之目的，描述具體細節，例如：特定架構、介面、技術等，以提供對於本發明概念的徹底理解。然而，熟悉此項技術者將了解，本發明可在不脫離該等特定細節內以其他實施例實施。同樣地，此描述的內容係有關如圖式中所說明之例舉實施例，且不用以限制超出包括在申請專利範圍中明白限制外的所請發明。為簡化及清晰之目的，省略悉知設備、電路及方法的細節描述，以至於不因非必要的細節而模糊本發明之描述。
如上所述，可使用各種技術以改質光發射裝置之光發射表面，當前使用的最普遍技術為光-電化學蝕刻製程。因此，為方便描述及理解，本發明係使用此蝕刻製程的範例呈現。
圖2說明先前技術薄膜倒裝晶片(TFFC)InGaN光發射裝置(LED)元件的一實例。在此例舉裝置中，光發射層220形成於n-層210及p-層230之間。一外部電源(未顯示)經由與墊片260及270之連接對裝置提供能量。p-墊片260與p-層230耦合且n-墊片層270與n-層210耦合。邊界材料280使n-墊片層270及n-層210與p-層230及p-墊片260隔離。
如上所述，為提高光提取效率，且因此增加由LED元件提供的通量，可使用(例如)利用KOH溶液之光-電化學蝕刻製程將n-層210之「頂」表面215粗化。一般而言，相較於未粗化表面可達成多達100%之通量增加。
2012年1月12日申請之共同待審之美國專利申請案61/585,673，「改良光提取之LED晶粒的側壁蝕刻(SIDEWALL ETCHING OF LED DIE TO IMPROVE LIGHT EXTRACTION)」，Tiang Chuan Hng及Tomonari Ishikawa，代理人編號2011P002295US中，揭示藉由粗化LED晶粒側壁而改良光提取效率之光電化學蝕刻技術，且其以引用的方式併入本文中。在該申請案中，各LED被置於在多方向光源與鏡子之間的KOH及K2S2O8的溶液中，且經照明約45分鐘的持續時間，以達成與具未粗化邊緣之LED相比約30%之額外通量增加。
基於本揭示及隨附申請專利範圍之目的，「表面粗化」包括粗化LED元件之任何及所有表面，包括邊緣表面217。
圖3A說明粗化製程期間表面粗化進展之實例。在該實例中，藉由使該表面進行粗化製程歷時逐漸延長的持續時間，而產生改變程度之表面粗化。在粗化之前，該表面未經粗化，如藉由表面300上之缺乏特徵所說明。於暴露至粗化製程第一持續時間D1後，該表面310呈現一些粗化特徵，於該處自表面移除些許材料，產生裂縫狀特徵。於暴露至粗化製程第二總持續時間D2後，表面320呈現增加的粗化特 徵，因在表面330-350中粗化特徵隨暴露於粗化製程時間的增加而增加。此粗化特徵的增加可能包括粗化特徵密度增加，或者粗化特徵之強度(深度梯度)增加，或兩者的組合。
儘管圖3A中已說明暴露於粗化製程之持續時間之結果，但熟知本項技術者將了解其他參數也可能會產生改變的粗化程度。例如：在化學蝕刻製程中，藉由改變蝕刻材料之化學濃度而可產生改變程度之表面粗化310-350。在光微影製程中，藉由改變微影圖型的粗糙度可產生改變程度的表面粗化310-350。在雷射蝕刻製程中，可改變雷射強度。
同樣地，如同Mac Benedict、Paul Martin及Dave Kharas在2012年1月10日申請之未審定美國專利申請案61/584,836，「藉由選擇性區域粗化控制LED光輸出(CONTROLLED LED LIGHT OUTPUT BY SELECTIVE AREA ROUGHENING)」中揭示(且其併入本文供參考)，控制經粗化區域的比例。經粗化區域會增強光提取效率而未粗化區域則不增強光提取效率，粗化區域及非粗化區域的比例決定光提取效率的總體增加量。熟知本項技術者將了解，複數表面製程參數可經控制以達成所需量之光提取效率。
圖3B說明以粗化製程參數為函數在通量增加間的關係380。接續圖3A的實例，繪製線380說明隨表面進行粗化製程的時間為函數可達到之通量增加。如所說明，如果表面未進行粗化製程(持續時間=0)，其通量382增加最小(零)，且在粗化製程之某些參數的最佳值時，通量384增加最大。在粗化參數之零與最佳值之間，通量將介於最小及最大通量程度之間。
熟悉本項技術者將了解在圖3B中說明的關係可能並非如繪製線380所示般明確。即，繪製線380可代表多數LED元件進行既定時間之粗化製程間之平均增加值，且很可能這些值有某程度的變異。然而， 一旦對既定粗化參數特徵化該變異，則可使用習知製造品質控制技術以確保可估算在既定參數值下可達到通量增加之界限。
如上所述，可控制多種粗化參數，且假定與控制各參數相關之成本係相當，則通常以可呈現最小變異之參數或參數的設定較佳。
圖4說明用以控制粗化製程參數以在最小及最大通量程度間達到所需通量之一製程實例。在步驟410，對特定應用決定每LED元件之所需通量，例如：基於每LED元件之所需通量而適用於特定燈中。
在步驟420，選擇特定的LED技術。例如：具有每單位成本最大通量之技術可能係較佳選擇，但條件為其適用於現有用途。
為決定已選擇技術之適用性，在步驟430，基於粗化程度之控制而決定每元件之最小及最大可達到通量。如果在步驟440使用該技術使所需通量不在可達到的最小及最大通量之間，則對若可行之不同技術類似地在步驟420-440進行評估。
當確定適宜技術時，在步驟440，決定超過最小通量之通量增加所需程度，在步驟450，決定對應的粗化參數值，在步驟460，使用在粗化參數及於未粗化表面上增加之通量之間的先前決定的相互關係。繪製線380為粗化/通量關係的一個實例。
特定粗化參數值可基於上述的變異及所需通量要求進行選擇。例如，若該應用需要通量不超過特定值，則選擇參數值使得基於在所選擇參數值下每元件通量之預期分佈，大多數(例如95%)所製得元件將低於所需通量。亦使用每元件之預期通量分佈以確保在所選擇參數值下，所製得元件的可接受數量可達到所需最小通量。
在步驟470，製造LED元件，接著在步驟480使用所決定的粗化參數值使該表面粗化。例如，若表面進行粗化製程的時間係用於控制粗化程度的參數，則使LED元件進行粗化製程歷時所決定之粗化時間。若蝕刻溶液濃度係用於控制粗化程度的參數，則使LED元件進行該經 決定濃度之粗化製程。熟悉本項技術亦將了解可控制參數之組合以達到所需粗化程度，例如同時控制蝕刻溶液濃度及蝕刻時間。
如所見，藉由確定LED元件之通量與粗化參數間的關係，可藉由控制粗化參數值而控制LED元件之通量。依此方式，例如參見圖1B，Y4年及超過該年份之所有燈L1-L4之需求可使用燈L4之LED所用技術來滿足，而免除維持燈L1-L3之LED所用技術之需求。即，為了製造用於燈L1的LED元件，係如製造燈L4般製造燈L4之LED元件，但控制隨後的粗化製程以提供適用於燈L1之每元件111之所需流明。同樣地，用於燈L2及L3之LED元件將以類似方式製造，但經粗化以提供每元件112及113之各別所需流明。
雖然本發明已於圖式及前述描述中加以說明及描述，但此等說明及描述應被視為說明性或例舉性而不具限制性；本發明不受限於該揭示之實施例。
例如，本發明可以如下實施例般操作，即LED元件之不同表面經粗化成與其他表面為不同程度，因而達到所需光輸出分佈，且於各方向具有受控制的通量。熟悉本項技術者將了解控制程度可能取決於應用該控制時之製造階段。如本揭示中的實例，若對LED裝置邊緣施加經控制之蝕刻，則該LED裝置在施加邊緣蝕刻前將需要經單片化。在其他應用中，在單片化之前，以晶圓等級應用及控制該表面粗化可能即足以達成光輸出效率之所需控制。
熟知本技藝者在實施所請發明中，從圖式、前述揭示及隨附申請專利範圍之研究當可了解及執行所揭示實施例之其他變化。在申請專利範圍中，詞語“包含”並未排除其他元件或步驟，且不定冠詞"一"並未排除複數。事實上，在互為不同之附屬項中述及某些量值(measures)並不表示這些量值的組合無法有利地使用。申請專利範圍中之任何參考符號不應解釋為限制該範圍。
210‧‧‧n-層
215‧‧‧「頂」表面
217‧‧‧邊緣表面
220‧‧‧光發射層
230‧‧‧p-層
260‧‧‧墊片
270‧‧‧墊片
280‧‧‧邊界材料

Claims (12)

  1. 一種控制多個發光裝置(LED)之通量以允許對於不同通量程度而設計之應用可使用共通LED技術之方法，包含：確定一製程參數與藉由使用該製程參數修改由該LED技術所製造之一LED之表面可達到之通量間的關係；針對一第一應用以判定一第一所需通量；基於該關係確定將可達成該第一所需通量之該製程參數的一第一值；以該LED技術製造一第一複數個LED，其包含使用該製程參數之該第一值修改該等第一複數個LED之表面；針對一第二應用以判定一第二所需通量，該第二所需通量與該第一所需通量不同；基於該關係確定將可達成該第二所需通量之該製程參數的一第二值，該第二值與該第一值不同；及以該LED技術製造一第二複數個LED，其包含使用該製程參數之該第二值修改該等第二複數個LED之表面。
  2. 如請求項1之方法，其中該製程參數影響該發光元件表面之粗化(roughening)。
  3. 如請求項1之方法，其包括在修改該等第一複數個LED之表面之前使該等第一複數個LED單片化(singulating)。
  4. 如請求項1之方法，其包括在一晶圓上提供該等第一複數個LED，其中當該等第一複數個LED為該晶圓之一部分且在自該晶圓單片化該等第一複數個LED之前，修改該等第一複數個LED之該等表面。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一所需通量係相對於與該製程參數 之該第一值相關之通量值分佈之上限值。
  6. 如請求項1之方法，其中修改該等第一複數個LED之該等表面包括光-電化學蝕刻製程。
  7. 如請求項1之方法，其中該製程參數包括使該LED接受該表面修改之持續時間。
  8. 如請求項1之方法，其中該製程參數包括用以進行該LED之該表面修改之蝕刻溶液濃度。
  9. 如請求項1之方法，其中該製程參數包括用以進行該LED之該表面修改之光強度。
  10. 如請求項1之方法，其中該等第一複數個LED之該等表面係相對於該複數個LED之各者之一或多個表面。
  11. 如請求項10之方法，其中該一或多個表面係相對於該複數個LED之各者之邊緣表面。
  12. 如請求項1之方法，其中該第一應用為一新的應用且該第二應用為先前使用以舊LED技術生產之LED之一舊的應用。
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