TWI745820B - 超光滑側壁畫素陣列led - Google Patents
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Abstract
畫素陣列光發射器形成有具有超光滑側壁之緊密間隔開的像素。在用於製作此等畫素陣列光發射器之方法中，將分散於一黏結劑中之磷光體粒子之一轉換體層安置於一載體上，並且然後藉由鋸切或類似方法將該轉換體層單體化以形成一磷光體像素陣列。在將該轉換體層單體化之前使該黏結劑完全固化。此外，該載體係剛性的而非撓性的。由於使該黏結劑完全固化且使用一剛性載體來支撐該轉換體層，因此單體化產生具有光滑側壁之磷光體像素。隨後用一黏合劑層將該磷光體像素陣列附接至一對應LED陣列，該黏合劑層與用於形成該轉換體層之該黏結劑分開。該等像素側壁可形成有受控形態，例如相對於該載體成銳角或鈍角。
Description
本發明一般而言係關於磷光體轉換發光二極體。
半導體發光二極體及雷射二極體(本文中共同被稱為「LED」)係目前可用的最高效光源之一。一LED之發射光譜通常在一波長下展現一單一窄峰，該波長由裝置之結構且由該裝置由其構造之半導體材料之組成來判定。藉由選擇適合裝置結構及材料系統，LED可經設計以在紫外線波長、可見光波長或紅外線波長下操作。
LED可與一或多種波長轉換材料(本文中通常被稱為「磷光體」)組合，該一或多種波長轉換材料吸收由LED發射之光且作為回應而發射一較長波長之光。對於此等磷光體轉換LED(「pcLED」)，被磷光體吸收之由LED發射之光之分率取決於由LED發射之光之光學路徑中之磷光體材料量，例如取決於安置於LED上或周圍之一磷光體層中之磷光體材料之濃度以及該層之厚度。
磷光體轉換LED可經設計使得由LED發射之全部光被一或多個磷光體吸收，在此情形中來自pcLED之發射係完全來自磷光體。在此等情形中，舉例而言，磷光體可經選擇以發射一窄光譜區中之不直接由一LED高效產生之光。
另一選擇係，pcLED可經設計使得由LED發射之光之僅一部分被磷光體吸收，在此情形中來自pcLED之發射係由LED發射之光與由磷光體發射之光之一混合。藉由選擇適合LED、磷光體及磷光體組成，此一pcLED可經設計以發射例如具有一期望色彩溫度及期望現色性質之白光。
本說明書揭示具有緊密間隔開的像素及超光滑側壁之畫素陣列光發射器，以及製作此等陣列之方法。在所揭示方法中，將分散於一黏結劑中之磷光體粒子之一轉換體層安置於一載體之一表面上，且然後藉由鋸切或類似方法將該轉換體層單體化以形成一磷光體像素陣列。在將該轉換體層單體化之前使該黏結劑完全固化。此外，該載體係剛性的而非撓性的。由於使該黏結劑完全固化且使用一剛性載體來支撐該轉換體層，因此單體化產生具有光滑側壁之磷光體像素。隨後用一黏合劑層將該磷光體像素陣列附接至一對應LED陣列，該黏合劑層與用於形成該轉換體層之該黏結劑分開。
該等像素側壁可經形成有受控形態。舉例而言，可在該單體化步驟中使用一漸縮式鋸片來形成具有相對於該載體表面以銳角或鈍角定向之側壁之磷光體像素。
舉例而言，本說明書中所揭示之畫素陣列光發射器可供用於照明、相機閃光燈、汽車燈光照明及微型LED顯示器應用。
熟習此項技術者在結合首先簡略闡述之附圖參考對本發明之以下更詳細的說明時將更明瞭本發明之其他實施例、特徵及優點。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2019年3月19日提出申請之美國專利申請案第16/358,092號以及2018年12月31日提出申請之美國臨時專利申請案第62/787,053號之優先權之權益，該等專利申請案中之每一者以其全文引用的方式併入本文中。
應參考圖式閱讀以下詳細說明，在圖式中貫穿不同圖，相同元件符號指代相似元件。未必按比例之圖式繪示選擇性實施例且並不意欲限制本發明之範疇。詳細說明以實例方式而非限制方式圖解說明本發明之原理。
圖1展示一個別pcLED 100之一實例，該個別pcLED包括：一半導體二極體結構102，其安置於一基板104上，在本文中一起被視為一「LED」；及一磷光體層106，其安置於該LED上。半導體二極體結構102通常包括安置於n型層與p型層之間的一作用區。跨越二極體結構施加一適合正向偏壓會導致自作用區發射光。所發射之光之波長由作用區之組成及結構判定。
舉例而言，該LED可係發射藍光、紫光或紫外光之一III族氮化物LED。亦可使用由任何其他適合材料系統形成且發射任何其他適合波長之光之LED。舉例而言，其他適合材料系統可包含III族磷化物材料、III族砷化物材料及II-VI族材料。
可使用任何適合磷光體材料，此取決於來自pcLED之所期望光輸出。
圖2A至圖2B分別展示安置於一基板202上之包含磷光體像素106之pcLED 100之一陣列200之剖視圖及俯視圖。此一陣列可包含以任何適合方式配置之任何適合數目之pcLED。在所圖解說明實例中，該陣列經繪示為單片地形成於一共用基板上，而另一選擇係一pcLED陣列可由分開的個別pcLED形成。視情況，基板202可包括用於驅動LED之CMOS電路，並且可由任何適合材料形成。
如圖3A至圖3B中所展示，一pcLED陣列200可安裝於包括一電源與控制模組302、一感測器模組304及一LED附接區306之一電子板300上。電源與控制模組302可基於哪個電源與控制模組302控制LED之操作而接收來自外部源之電源與控制信號以及來自感測器模組304之信號。感測器模組304可接收來自任何適合感測器(舉例而言，來自溫度感測器或光感測器)之信號。另一選擇係，pcLED陣列200可安裝於和電源與控制模組及感測器模組分開的一板(未展示)上。
視情況，個別pcLED可併入有一透鏡或其他光學元件或者與一透鏡或其他光學元件組合地配置，該透鏡或其他光學元件定位成毗鄰於磷光體層或安置於磷光體層上。此一光學元件(各圖中未展示)可被稱為一「主要光學元件」。另外，如圖4A至圖4B中所展示，一pcLED陣列200(舉例而言，安裝於一電子板300上)可與輔助光學元件(諸如供在一既定應用中使用之波導、透鏡或其兩者)組合地配置。在圖4A中，由pcLED 100發射之光被波導402收集且經引導至投影透鏡404。舉例而言，此配置可適合用於汽車前燈中。在圖4B中，在不使用介入波導之情況下，由pcLED 100發射之光直接被投影透鏡404收集。此配置可在pcLED可彼此充分緊密地間隔開時係特別適合的，並且亦可用於汽車前燈中以及相機閃光燈應用中。舉例而言，一微型LED顯示器應用可使用與圖4A至圖4B中所繪示之彼等光學配置類似之光學配置。通常，取決於所期望應用，光學元件之任何適合配置可與本文中所闡述之pcLED組合地使用。
可將包括分散於一聚矽氧黏結劑中之磷光體粒子之轉換體層層壓至一半導體LED表面上以製作發射白光或一所期望色彩之光之一磷光體轉換LED。聚矽氧黏結劑之本質允許在聚矽氧黏結劑在交聯期間硬化的同時，在黏結劑固化期間黏合至半導體表面。然而，使黏結劑固化會導致轉換體層之總體積之收縮(約1%至約3%)。對於大型LED，該收縮係不重要的。然而，對於例如微型LED中之緊密間隔開的像素陣列，此收縮可導致像素之間的非受控分開及不良側壁結構(諸如粗糙表形或者傾斜壁或傾塌壁)。
如以上所概述，本說明書中所揭示之方法將使聚矽氧或其他黏結劑交聯以形成用於磷光體粒子之一固體黏結劑之步驟與將磷光體像素附接至半導體LED表面之步驟分開，並且亦在將轉換體層單體化以形成磷光體像素期間將轉換體層支撐於一剛性載體上。此得到經大大改良之側壁表面品質及角度。此外，像素可利用一漸縮式鋸片形成為具有在附接轉換體層之後不自經鋸切形狀改變之成角度側壁。可將以此方式形成且由一載體支撐之一磷光體像素陣列附接至一對應LED陣列。亦即，LED可藉由一單一步驟中個別LED或磷光體像素之平行放置而非藉由個別LED或磷光體像素之拾取及放置而附接。所得pcLED畫素陣列中之像素可具有例如約5微米至約200微米、例如小於或等於約20微米之一間距，在像素間距及側壁角度中具有良好均勻性。
圖5A至圖5G之部分剖視圖示意地展示用於製作具有緊密間隔開的像素及超光滑側壁的光發射器之一畫素陣列的一實例方法中之各階段。在圖5A中，將一磷光體層500沈積於一磷光體載體基板505上。舉例而言，磷光體層500包括分散於一黏結劑(諸如一聚矽氧黏結劑)中之磷光體粒子。可使用任何適合磷光體材料。舉例而言，適合磷光體材料可包含YAG、LuAG、矽酸鹽、BOSE、β-SiAlON、SCASN、BSSN、KSiF：Mn、SLA，以及量子點。磷光體層500可具有垂直於載體基板505之例如約20微米至約500微米之一厚度。
舉例而言，慣常地，可將一磷光體層500沈積於一撓性支撐物(諸如一帶條)上。在此等情形中，在如以下所闡述之一單體化步驟期間，撓性支撐物可撓曲、拉伸或以其他方式充分變形而使藉由磷光體層之單體化形成之磷光體像素側壁之形狀及光滑度降級。
相比而言，在本說明書中所揭示之方法中，磷光體載體505係剛性的。所謂剛性，本說明書意指載體505在單體化步驟期間不撓曲、拉伸或以其他方式顯著地變形。舉例而言，磷光體載體505可由一玻璃或由任何其他適合剛性材料形成。舉例而言，磷光體載體505可由一硼矽酸鹽玻璃形成。磷光體載體505可具有例如約50微米至約200微米、例如約100微米之一厚度。可使用磷光體載體505之任何適合厚度。
在將磷光體層500沈積於磷光體載體505上之後，舉例而言，藉由熱固化而使磷光體層500中之黏結劑完全固化。在此步驟處發生自固化所得之磷光體層500之全部收縮或基本上全部收縮。
隨後，如圖5B中所展示，將一黏合劑層510沈積於待附接至LED的磷光體層500之一頂部表面上。舉例而言，黏合劑層510可藉由旋塗或薄膜塗佈而沈積。舉例而言，黏合劑層510可係一聚矽氧膠層。此一聚矽氧膠可與用作磷光體層500中之黏結劑之一聚矽氧材料相同。然而，可將黏合劑層510特別用於將磷光體層500附接至LED。
黏合劑層510可具有例如約100奈米至約5微米之一厚度。較佳地，黏合劑層厚度約係使得能夠將由磷光體層形成之磷光體像素附接至半導體裝置上之一LED像素陣列所需之最小值。黏合劑層510可經受熱或UV光(B階段)以去除大部分溶劑以便形成一乾膜而不完全使黏合劑層固化。
隨後，如圖5C中所展示，藉由穿過黏合劑層510及磷光體層500形成溝渠520而界定(單體化)個別磷光體像素以形成磷光體像素515之一陣列。舉例而言，此可藉由鋸切完成，但可使用任何適合單體化方法。舉例而言，磷光體像素可藉由分隔形成於磷光體層500中之溝渠而形成為一矩形陣列。視情況，如所展示，溝渠520可穿入至磷光體載體基板505中而非完全穿過磷光體載體基板505。
由於磷光體層500已被完全固化且由於磷光體載體505係剛性的而非一撓性帶條(舉例而言)，因此單體化步驟界定磷光體像素之側壁之最終形狀且側壁可係非常光滑的。磷光體像素之側壁可具有例如小於或等於約10奈米、小於或等於約100奈米或者小於或等於約200奈米之一粗糙度參數Ra。
在一剛性支撐物上鋸切一完全固化磷光體層亦幫助使鋸片保持乾淨。
此外，鋸片之角度可用於控制磷光體像素側壁相對於磷光體像素之頂部光輸出表面之角度。舉例而言，一漸縮式鋸片可用於形成成角度磷光體像素側壁，例如圖5C中所展示。此等成角度磷光體像素側壁可有利地幫助自磷光體像素提取光或將光自磷光體像素引導出。
溝渠520可具有例如約5微米至約200微米之一寬度。具有漸縮式側之溝渠(圖5C)可具有例如約5微米至約200微米之一最窄寬度，以及例如約5微米至約200微米之一最大寬度。溝渠520可彼此間隔開例如約5微米至約200微米。
隨後，如圖5D中所展示，將磷光體像素陣列中之每一磷光體像素515與一半導體LED陣列中之一對應LED 525對準且附接至該對應LED 525。LED 525可由一基板530支撐，舉例而言，基板530可由任何適合材料形成。LED藉由黏合劑層510而附接至磷光體像素，黏合劑層510在附接步驟中完全固化以將LED與磷光體像素彼此接合。
隨後，如圖5E中所展示，將磷光體載體505之一充足厚度移除使得磷光體像素515不再藉由磷光體載體互連，並且磷光體像素及LED之側壁535被曝露出以進行接下來闡述之側塗佈。視情況，每一個別磷光體像素將載體505之一部分537保留於其上部光輸出表面上，如圖5E中所展示。另一選擇係，在此步驟處將全部磷光體載體505移除。
隨後，如圖5F中示意地所展示，將一反射材料或散射材料540沈積於磷光體像素之頂部及各側上以及LED之各側上。舉例而言，反射材料或散射材料540可係或包括一光散射材料(諸如嵌入於聚矽氧中之TiO2
粒子)、一或多個反射金屬層，或由高折射率材料與低折射率材料之交替層之一堆疊形成之一或多個分佈式布拉格(Bragg)反射體(DBR)結構。舉例而言，反射金屬層可藉由汽相沈積或濺鍍而沈積。舉例而言，DBR結構可藉由原子層沈積而沈積。
隨後，如圖5G中所展示，藉由任何適合方法(舉例而言，藉由機械研磨或拋光)將多餘反射材料或散射材料540自磷光體像素之上部光輸出表面移除。若已將載體505之部分537保留於磷光體像素之頂部表面上，則在此步驟處可將其完全移除。另一選擇係，亦可透過此步驟將載體505之一部分保留於每一磷光體像素之頂部光輸出表面上。反射材料或散射材料540之剩餘部分在磷光體像素、膠層上及視情況在LED上形成側壁550，從而將個別pcLED像素彼此光學隔離。
有利地，藉由本說明書中所揭示之方法形成之光滑磷光體像素側壁促成高度反射性DBR結構之形成。
取決於針對pcLED及其尺寸之既定應用，圖5G中所展示之所得畫素陣列可基本上保持完整，作為一陣列轉移至另一基板，或被分成分開的pcLED。
由本說明書中所揭示之方法所得之磷光體像素側壁光滑度中之改良藉由在兩個比較實例上進行之量測而證明。在一項實例中，藉由鋸切支撐於一撓性帶條上之一部分固化的磷光體層而製備之磷光體像素之側壁經量測為具有約300奈米之一粗糙度參數Ra。相比而言，在其中磷光體層被完全固化且支撐於一剛性載體上之在其他方面類似之一實例中，像素之側壁經量測為具有約100奈米之一粗糙度參數Ra。
本發明係說明性而非限制性的。熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭進一步修改且該等進一步修改意欲歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內。
100:磷光體轉換發光二極體
102:半導體二極體結構
104:基板
106:磷光體層/磷光體像素
200:陣列/磷光體轉換發光二極體陣列
202:基板
300:電子板
302:電源與控制模組
304:感測器模組
306:發光二極體附接區
402:波導
404:投影透鏡
500:磷光體層
505:磷光體載體基板/載體基板/磷光體載體/載體
510:黏合劑層
515:磷光體像素
520:溝渠
525:發光二極體
530:基板
537:部分
540:反射材料或散射材料
550:側壁
圖1展示一實例pcLED之一示意性剖視圖。
圖2A及圖2B分別展示一pcLED陣列之剖視圖及俯視示意圖。
圖3A展示一pcLED陣列可安裝於上面之一電子板之一示意性俯視圖，並且圖3B類似地展示安裝於圖3A之電子板上之一pcLED陣列。
圖4A展示相對於波導及一投影透鏡配置之一pcLED陣列之一示意性剖視圖。圖4B展示在無波導之情況下類似於圖4A之彼配置之一配置。
圖5A、圖5B、圖5C、圖5D、圖5E、圖5F及圖5G係示意地展示用於製作具有緊密間隔開的像素及超光滑側壁的光發射器之一畫素陣列之一實例方法中之各階段之部分剖視圖。
505:磷光體載體基板/載體基板/磷光體載體/載體
510:黏合劑層
515:磷光體像素
525:發光二極體
530:基板
Claims (20)
- 一種製作一磷光體轉換LED陣列之方法，該方法包括： 將包括分散於一黏結劑中之磷光體粒子之一轉換體層沈積於一載體基板之一第一表面上； 在將該轉換體層沈積於該載體基板之該第一表面上之後使該黏結劑完全固化； 在使該黏結劑完全固化之後將一黏合劑層沈積於該轉換體層上； 完全穿過該黏合劑層及該轉換體層而形成溝渠以界定各自包括該黏合劑層之一部分之複數個間隔開之磷光體像素；及 使用每一磷光體像素上之黏合劑層之該部分以將一對應LED附接至該等磷光體像素中之每一者。
- 如請求項1之方法，其中該載體基板係由一玻璃形成。
- 如請求項1之方法，其中該黏結劑係或包括一聚矽氧，且使該黏結劑完全固化包括使該聚矽氧熱固化。
- 如請求項1之方法，其中該黏合劑係或包括一聚矽氧。
- 如請求項1之方法，其中該等溝渠界定具有小於或等於約100奈米之一粗糙度參數Ra之磷光體像素側壁。
- 如請求項5之方法，其中該粗糙度參數Ra小於或等於約10奈米。
- 如請求項1之方法，其中該等溝渠界定相對於該載體基板之該第一表面以銳角或鈍角定向之磷光體像素側壁。
- 如請求項1之方法，其中形成該等溝渠包括用一鋸切穿該黏合劑層及該轉換體層。
- 如請求項8之方法，其中該鋸包括一漸縮式葉片，該漸縮式葉片切割該等溝渠以界定相對於該載體基板之該第一表面以銳角或鈍角定向之磷光體像素側壁。
- 如請求項1之方法，其包括： 將該載體基板之一充足部分自該載體基板之與該第一表面相對之一第二表面移除，以到達且開通該等溝渠並且藉此曝露由該等溝渠界定之磷光體像素側壁；及 用一反射材料或散射材料塗佈該等經曝露磷光體像素側壁。
- 如請求項10之方法，其中該反射材料或該散射材料包括DBR結構。
- 如請求項1之方法，其中： 形成該等溝渠包括用一鋸切穿該黏合劑層及該轉換體層； 該鋸包括一漸縮式葉片，該漸縮式葉片切割該等溝渠以界定相對於該載體基板之該第一表面以銳角或鈍角定向之磷光體像素側壁；且 該等磷光體像素側壁具有小於或等於約100奈米之一粗糙度參數Ra。
- 如請求項12之方法，其包括： 將該載體基板之一充足部分自該載體基板之與該第一表面相對之一第二表面移除，以到達且開通該等溝渠並且藉此曝露由該等溝渠界定之磷光體像素側壁；及 將DBR結構沈積於該等經曝露磷光體像素側壁上。
- 如請求項13之方法，其中： 該載體基板係由一玻璃形成； 該黏結劑係或包括一聚矽氧，且使該黏結劑完全固化包括使該聚矽氧熱固化；且 該黏合劑係或包括一聚矽氧。
- 一種波長轉換體結構，其包括： 一載體基板； 一轉換體層，其安置於該載體基板之一表面上且包括分散於一完全固化之黏結劑中之磷光體粒子； 一黏合劑層，其與該轉換體層中之該黏結劑分開，沈積於該轉換體層上；及 溝渠，其穿過該黏合劑層及該轉換體層而形成以界定各自包括該黏合劑層之一部分之複數個間隔開之磷光體像素，該等溝渠界定該等磷光體像素之具有小於或等於約100奈米之一粗糙度參數Ra之側壁。
- 如請求項15之波長轉換體結構，其中該等磷光體像素之該等側壁相對於該載體基板之該表面以銳角或鈍角定向。
- 如請求項15之波長轉換體結構，其中該黏結劑係或包括一聚矽氧。
- 如請求項15之波長轉換體結構，其包括各自藉由一對應磷光體像素上之該黏合劑層之該部分附接至該磷光體像素之複數個LED。
- 如請求項15之波長轉換體結構，其中該粗糙度參數Ra小於或等於約10奈米。
- 如請求項15之波長轉換體結構，其中： 該等磷光體像素之該等側壁相對於該載體基板之該表面以銳角或鈍角定向； 該黏結劑係或包括一聚矽氧；且 該黏合劑係或包括一聚矽氧。
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