主波長分布收斂的發光元件及其製造方法
2023-05-30 18:57:01
專利名稱：主波長分布收斂的發光元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種晶片級發光元件及其製造方法，特別是涉及一種其上包含主波長 (dominant wavelength)呈收斂分布的發光二極體晶片以及一種使發光二極體晶片的發射 光主波長呈收斂分布的方法。
背景技術：
發光二極體(light-emitting diode, LED)的發光原理是利用電子在n型半導體 與P型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理有別於白熾燈發 熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕 巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照 明工具。圖1A至圖1E為已知的發光元件的製造流程示意圖。首先，如圖1A所示，提供基板10 ；再如圖1B所示，形成多個外延層12於基板10 上；接著，如圖1C所示，利用光刻蝕刻技術針對多個外延層12進行蝕刻，以於基板10上制 作多個發光疊層14 ；隨後，如圖1D所示，在發光疊層14上形成電極16，以形成發光二極體 晶片(waferUOO ；最後，如圖1E所示，對發光二極體晶片100進行切割，以形成發光二極體 管芯18。然而，實際上發光二極體晶片100上眾多發光疊層16所發出光線主波長分布並 不均勻，其差距可達15nm至20nm或者更大，因此上述發光疊層16形成發光二極體管芯18 後所發出光線主波長差異亦大。此發光二極體管芯18發射光主波長不均勻的問題進一步 地影響了使用發光二極體管芯的產品其產品特性的一致性。以已知的主波長460nm藍光發 光二極體晶片搭配黃色螢光粉體混合成白光為例，若同一發光二極體晶片上的藍色發光二 極管管芯的主波長分布達20nm，即其主波長分布由450nm至470nm，其搭配激發光波長為 570nm的黃色波長轉換物質所激發的光線所混合成的白光色溫分布亦受到影響。如圖2所示，由於發光二極體晶片上各個發光疊層的主波長分布差異，其所形成 的管芯搭配轉換物質後所混合成的白光其色溫(color temperature)分布於6500K至 9500K之間，具有約3000K左右的色溫變異，對產品品質的一致性造成很大的影響。為解決上述同一發光二極體晶片上發光疊層16主波長分布不均勻的問題，已知 的發光二極體管芯18製造過程中，往往如圖3所示，加入點測、分類(Sorting)與篩選 (Binning)的程序，針對眾多發光二極體管芯18進行篩選，以挑選出主波長分布相近的發 光二極體管芯18，以因應不同波長特性需求的應用。雖然點測、分類與篩選的程序可減少主波長分布不均勻對應用產品品質表現一致 性的影響，但是當發光二極體管芯18應用於對主波長分布均勻要求嚴苛的產品時，例如大 尺寸顯示器的發光二極體背光源元件，發光二極體晶片100上可使用的發光二極體管芯18 比率偏低。此外，分類與篩選的工序費時費力，亦增加了生產發光二極體管芯的成本及所需 時間。
發明內容
本發明的目的在提供一種主波長分布收斂的發光二極體晶片，包含基板、多個發 光疊層位於基板上，以及波長轉換收斂層，位於多個發光疊層上，用以收斂並轉換發光疊層 所發出的主波長。本發明的另一目的在於披露一種收斂發光二極體晶片主波長分布的方法，其步驟 包含提供基板、形成多個發光疊層於基板上，以及形成波長轉換收斂層於多個發光疊層上， 使發光二極體晶片上每一發光疊層發出光線的主波長呈現收斂分布。本發明的又一目的在於提供發光元件製造方法，通過形成波長轉換收斂層，以收 斂發光疊層所發出光線的波長變異，由此提高發光二極體管芯的使用率。本發明的再一目的在於提供發光元件製造方法，通過形成波長轉換收斂層，以收 斂發光疊層所發出光線的主波長變異，由此減少發光二極體管芯製作程序中分類與篩選的 工序。底下通過具體實施例配合所附的附圖詳加說明，當更容易了解本發明的目的、技 術內容、特點及其所達成的功效。
圖1A至圖1E為已知的發光二極體管芯製造流程示意圖。圖2為已知藍色發光二極體管芯搭配黃色螢光粉體的CIE 1931色彩坐標圖。圖3為已知的發光二極體管芯點測示意圖。圖4A至圖4F為本發明實施例的製造流程示意圖。圖5為本發明另一實施例的結構示意圖。圖6為本發明實施例的CIE 1931色彩坐標圖。圖7為本發明又一實施例的結構示意圖。圖8A和圖8B為本發明再一實施例結構示意圖。圖9為本發明切割步驟的結構示意圖。附圖標記說明10 -基板12 -外延層
14 -發光疊層16 -電極
18 -發光二極體管芯100 發光二極體晶片
20 -基板22 -外延層
220 第一導電型半導體層222 有源層
224第二導電型半導體層24 〃發光疊層
26 -電極200 發光二極體晶片
210 第一光束28 〃波長轉換收斂層
220 第二光束30 -發光二極體管芯
32 -波長轉換層230 第三光束
240 第四光束500 發光二極體晶片
50 -基板52,52' 發光疊層
520 第一導電型半導體層524 第二導電型半導體層56 第二電極60 電性連接結構64 金屬層
58 波長轉換收斂層 62 絕緣層
70 發光二極體陣列晶片
522 發光層 54 第一電極
具體實施例方式以下配合
本發明的實施例。圖4A至圖4F為本發明實施例的製造流程示意圖，如圖4A所示，提供基板20，其 中基板20可以是導電基板，並且如圖4B所示，在基板20上形成多個外延層22，其中多個 外延層22由上而下至少包含第一導電型半導體層220、有源層222以及第二導電型半導體 層224，且多個外延層22的材料可以選自包含鋁(A1)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或 砷(As)的半導體物質，例如氮化鎵(GaN)系列材料或磷化鋁鎵銦(AlGalnP)系列材料，以 下本實施例以氮化鎵系列材料為例進行說明。隨後，再如圖4C所示，利用光刻蝕刻技術蝕刻多個外延層22以形成多個發光疊層 24於基板20上；如圖4D所示，利用蒸鍍技術分別於多個發光疊層24上形成電極26，以獲 得發光二極體晶片(wafer) 200。此發光疊層24會發出第一光束210，且第一光束的主波長可介於390nm至430nm 之間，其中任選二第一光束210之間具有第一主波長差異，在此發光二極體晶片200中，第 一主波長差異的最大值為第一主波長變異值義。接著，在形成電極26的步驟後，如圖4E所示，進一步地於發光疊層24的表面覆蓋 波長轉換收斂層28，其材料可以是螢光物質或磷光物質，在本實施例中波長轉換收斂層28 由螢光粉體所構成，其材料可以選自 Si3MgSi208 Eu、BaMgAl1Q017 Eu、(SrBaCa) 5 (P04) 3C1: Eu、 Sr3 (A1205) Cl2: Eu2+以及Sr4Al14025: Eu等藍色螢光粉體所構成群組的任意一種或一種以上的 材料，且上述螢光粉體均勻地或部分地塗布於發光疊層24的表面；其中，此波長轉換收斂 層28大致上完全吸收發光疊層24所發出的第一光束210並轉換為第二光束220。於本實施例中，此第二光束220主波長介於450nm至470nm的長波長藍光，其中任 選二第二光束220之間具有第二主波長差異，在此發光二極體晶片200中，第二主波長差異 的最大值為第二主波長變異值V2。最後，如圖4F所示將發光二極體晶片200上的多個發光 疊層24進行切割，以形成多個發光二極體管芯30。於上述實施例中，第一主波長變異值V1介於15nm至20nm之間，而第二主波長變 異值V1則小於lOnm，優選者為小於5nm ；通過於發光疊層24上形成波長轉換收斂層28，以 減少發光二極體晶片200中任選二發光疊層24發出光線的主波長差異，使同一發光二極體 晶片200所形成的發光二極體管芯30的主波長分布呈收斂分布，提高發光二極體晶片200 上發光疊層24的可使用率；不僅如此，上述實施例更可省略已知發光二極體管芯製造過程 中分類與篩選的工序，進一步地降低生產成本。此外，本發明亦可如圖5所示，在形成波長轉換收斂層28的步驟後，形成波長轉換 層32于波長轉換收斂層28上，其中，波長轉換層32包含一種或一種以上的螢光粉體，其 材料可以選自釔鋁石榴石、鹼土滷鋁酸鹽等黃色螢光粉體、BaMgAl10017:Eu, MnBa2Si04:Eu,(Sr, Ca)Si04:Eu、CaSc204:Eu、Ca8Mg (Si04) 4C12: Eu, Mn、SrSi202N2: Eu、LaP04: Tb, Ce、 Zn2Si04:Mn、ZnS:Cu、YB03: Ce, Tb、(Ca, Sr, Ba)Al204:Eu、Sr2P207:Eu, Mn、SrAl2S4:Eu、 BaAl2S4:Eu、Sr2Ga2S5:Eu、SiA10N:Eu、KSrP04:Tb、Na2Gd2B207:Ce，Tb 等綠色螢光粉體，與 Y203:Eu、YV04:Eu、CaSiAlN3:Eu、(Sr, Ca) SiAlN3:Eu、Sr2Si5N8:Eu、CaSiN2:Eu、(Y, Gd)B03:Eu、 (La, Y)202S:Eu、La2Te06:Eu、SrS:Eu> Gd2Mo06:Eu> Y2W06:Eu, Bi、Lu2W06:Eu, Bi、(Ca, Sr, Ba) MgSi206:Eu, Mn、 Sr3Si05:Eu> SrY2S4:Eu> CaSi03:Eu> Ca8MgLa (P04)7:Eu> Ca8MgGd (P04)7:Eu> Ca8MgY(P04)7:Eu,CaLa2S4:Ce等紅色螢光粉體所構成群組中的至少一種材料，其中上述螢光 粉體均勻地或部分地塗布于波長收斂轉換層28上。於本實施例中，波長轉換層32包含至少一種黃色螢光粉體，此波長轉換層32會吸 收部分第二光束220，並且轉換為黃色的第三光束230，其中上述第三光束230的主波長為 570nm ；隨後，上述黃色第三光束230與未被波長轉換層32吸收的第二光束220混合產生白 色的第四光束240。由於第二光束的主波長為460nm，而第二主波長最大差值小於lOnm，優選者為小 於5nm，因此於本實施例中第二光束主波長分布範圍介於455nm至465nm之間；圖6為本發 明實施例第四光束的CIE 1931色度坐標圖，如圖6所示，上述第二光束220與第三光束230 混合所得第四光束240，其色溫大約分布於6500K至8500K之間(圖中黑體曲線與實線的交 點)，其色溫差小於2000K，優選者為小於1000K。相較於已知技術中直接運用主波長分布15nm至20nm的藍光發光二極體晶片搭配 黃色螢光粉體混合成具有3000K色溫差(圖中黑體曲線與虛線的交點)的白光，本發明實 施例中明顯地提升了發光二極體晶片上各發光疊層所發出光線的均勻性。再者，在上述實施例中，雖然以垂直結構發光二極體管芯作說明，但不意味著本發 明的範圍局限於垂直結構的發光二極體；圖7為本發明的另一實施例結構示意圖，如圖7所 示，發光二極體晶片500包含基板50、多個置於基板50上的發光疊層52、第一電極54與第 二電極56，以及波長轉換收斂層58，其中發光疊層52由上而下至少包含第一導電型半導體 層520、有源層522，以及第二導電型半導體層524，每一個發光疊層52上皆具有裸露第二導 電型半導體層524的平面，而第一電極54與第二電極56則分別位於第一導電型半導體層 520與第二導電型半導體層524上，波長轉換收斂層58則覆蓋於多個發光疊層52上。除此之外，圖8A與圖8B為本發明又一實施例結構示意圖，如圖所示本發明還可包 含電性連接結構60，用以串聯相鄰的發光疊層52/52』 ；如圖8A所示，本實施例的電性連接 結構60為金屬線，利用引線(wire bonding)技術使得發光疊層52上的第二電極56與相 鄰的另一發光疊層52』的第一電極54產生電性連接，讓相異的發光疊層52/52』間形成串 聯電路；亦可如圖8B所示，其電性連結結構60包含絕緣層62與金屬層64，先形成絕緣層 62於發光疊層52與相鄰的發光疊層52』之間，接著再形成金屬層64，使得發光疊層52上 的第二電極56與相鄰的另一發光疊層52』的第一電極54產生電性連接，使相異的發光疊 層52/52』間形成串聯電路。不僅如此，在切割發光二極體晶片的步驟中，如圖9所示，除了可以如切割線A進 行裁切，將各個發光疊層52切割成為發光二極體管芯外，亦可按照切割線B進行切割，將多 個利用電性連接結構60形成串聯的發光疊層52/52』切割為晶片級發光二極體陣列70。一 般狀況下，單一個發光疊層52/52』的壓降約為3. 5V，因此將十四個串聯的發光疊層52/52』切割為發光二極體陣列晶片(chip)70，便可直接應用於48V的車用交流電供電；亦可將 三十個串聯的發光疊層52/52，切割為發光二極體陣列晶片70，使之可直接應用於100V家 用交流電中；其中，上述的發光二極體陣列晶片70中，由於各個發光疊層52/52』上皆具有 波長轉換收斂層，因此各個發光疊層52/52』所發出光線的主波長較為一致，由此省略已知 發光二極體陣列管芯製造過程中先依照主波長分布分類與篩選再排列的工序，以降低生產 成本。 上述實施例僅為說明本發明的技術思想及特點，其目的在使本領域技術人員能夠 了解本發明內容並據以實施，當不能以之限定本發明範圍，即大凡依本發明所揭示的精神 所作的等同變化或修飾，仍應涵蓋在本發明範圍內。
權利要求
一種主波長分布收斂的發光元件製造方法，至少包括下列步驟提供基板；形成多個發光疊層於該基板上，其中該多個發光疊層發出第一光束，且該第一光束具有第一主波長變異值；以及形成波長轉換收斂層於該多個發光疊層上，該波長轉換收斂層吸收該第一光束並發出第二光束，且該第二光束具有第二主波長變異值，其中該第一主波長變異值大於該第二光束主波長變異值。
2.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，其中該多個發光疊層的 材料選自包含鋁、鎵、銦、氮、磷或砷的半導體物質。
3.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，其中該第一光束的主波 長介於390nm至430nm之間。
4.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，其中該第一光束完全被 該波長轉換收斂層所吸收。
5.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，該波長轉換收斂層 至少包含磷光粉體或螢光粉體，其中該波長轉換收斂層的螢光粉體選自Si3MgSi208:Eu、 BaMgAllo017:Eu, (SrBaCa) 5 (P04) 3C1 :Eu、Sr3 (A1205) Cl2 :Eu2+ 以及 Sr4Al14025:Eu 所構成群組中 至少一種材料。
6.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，還包含形成至少一波長 轉換層於該波長轉換收斂層上，該波長轉換層吸收部分該第二光束且發出第三光束，且該 第二光束與該第三光束混合產生第四光束，其中該波長轉換層的材料選自釔鋁石榴石、鹼 土滷鋁酸鹽等黃色螢光粉體、BaMgAl1Q017:Eu、MnBa2Si04:Eu、(Sr, Ca)Si04:Eu、CaSc204:Eu、 Ca8Mg(Si04)4Cl2:Eu，Mn、SrSi202N2:Eu、LaP04:Tb, Ce、Zn2Si04:Mn、ZnS:Cu、YB03:Ce, Tb、 (Ca, Sr, Ba)Al204:Eu、Sr2P207:Eu, Mn、SrAl2S4:Eu、BaAl2S4:Eu、Sr2Ga2S5:Eu、SiAlON:Eu> KSrP04:Tb、Na2Gd2B207:Ce，Tb 等綠色螢光粉體，與 Y203:Eu、YV04:Eu、CaSiAlN3:Eu、(Sr, Ca) SiAlN3:Eu、Sr2Si5N8:Eu、CaSiN2:Eu、(Y, Gd)B03:Eu、(La, Y) 202S:Eu、La2Te06:Eu、SrS:Eu、 Gd2Mo06: Eu、Y2W06: Eu，Bi、Lu2W06: Eu，Bi、(Ca，S r，Ba) MgSi206: Eu，Mn、Sr3Si05: Eu、SrY2S4: Eu、 CaSi03: Eu、Ca8MgLa (P04) 7: Eu、Ca8MgGd (P04) 7: Eu、Ca8MgY (P04) 7: Eu、CaLa2S4: Ce 等紅色螢光粉 所構成群組中的至少一種材料。
7.如權利要求6所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，其中該第四光束的色溫 分布小於2000K。
8.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，還包含形成多個電性連 接結構，以串聯該多個發光疊層。
9.如權利要求1所述的主波長分布收斂的發光元件製造方法，還包含切割該基板的步驟。
10.一種主波長分布收斂的發光元件，至少包含基板；多個發光疊層，位於該基板上，其中該發光疊層發出第一光束，且該第一光束具有第一 主波長變異值；多個電極，分別位於該多個發光疊層上，與該發光疊層形成電性連接；以及多個波長轉換收斂層，分別覆蓋於該多個發光疊層上，吸收該第一光束並轉換為第二 光束，且該第二光束具有第二主波長變異值，其中該第一主波長變異值大於該第二主波長 變異值。
11.如權利要求10所述的主波長分布收斂的發光元件，其中該第一光束完全被該波長 轉換收斂層所吸收。
12.如權利要求10所述的主波長分布收斂的發光元件，其中該第一光束的主波長可介 於390nm至430nm之間。
13.如權利要求10所述的主波長分布收斂的發光元件，該波長轉換收斂層至少包含 磷光粉體或螢光粉體，其中該波長轉換收斂層的螢光粉體材料可以選自Si3MgSi2O8 = Eiu BaMgAl10O17:Eu> (SrBaCa) 5 (PO4) 3C1 Eu、Sr3 (Al2O5) Cl2 Eu2+ 以及 Sr4Al14O25 = Eu 所構成群組中 至少一種材料。
14.如權利要求10所述的主波長分布收斂的發光元件，其中該發光疊層選自包含鋁、 鎵、銦、氮、磷或砷的半導體物質。
15.如權利要求10所述的主波長分布收斂的發光元件，還包含波長轉換層位於該波長 轉換收斂層上，該波長轉換物質吸收部分該第二光束，並發射第三光束，且該第三光束與該 第二光束混合產生第四光束，其中該波長轉換物質選自釔鋁石榴石、鹼土商鋁酸鹽等黃色 焚光粉體、BaMgAl10O17 Eu、MnBa2SiO4 Eu、(Sr, Ca) SiO4 Eu、CaSc2O4 Eu、Ca8Mg (SiO4) 4C12 Eu, Mn、 SrSi2O2N2:Eu> LaPO4:Tb, Ce、 Zn2SiO4:Mn> ZnS:Cu> YBO3:Ce, Tb、 (Ca, Sr, Ba)Al2O4:Eu> Sr2P2O7Eu，Mn、SrAl2S4Eu、BaAl2S4Eu、Sr2Ga2S5Eu、SiAlON:Eu、KSrPO4 Tb、Na2Gd2B2O7 Ce, Tb 等綠色螢光粉體，與 Y2O3:Eu, YVO4:Eu, CaSiAlN3:Eu, (Sr, Ca) SiAlN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, CaSiN2:Eu、(Y, Gd)BO3:Eu、(La, Y) 202S:Eu、La2TeO6:Eu、SrS:Eu、Gd2MoO6:Eu、Y2WO6:Eu, Bi、Lu2WO6:Eu, Bi、(Ca, Sr, Ba)MgSi2O6Eu, Mn、Sr3SiO5Eu> SrY2S4Eu> CaSiO3Eu> Ca8MgLa(PO4)7IEu, Ca8MgGd (PO4)7:Eu, Ca8MgY (PO4)7:Eu、CaLa2S4: Ce 等紅色螢光粉所構成群 組中的至少一種材料。
16.如權利要求15所述的主波長分布收斂的發光元件，其中該第四光束的色溫分布小 於 2000K。
17.如權利要求10所述的主波長分布收斂的發光元件，還包含多個電性連接結構，電 性連接該多個電極並且使該多個發光疊層形成串聯電路。
18.如權利要求17所述的主波長分布收斂的發光元件，其中該電性連接結構包含位於 該發光疊層間的絕緣層，以及與該多個電極相連接的金屬層，位於該絕緣層上。
全文摘要
本發明揭示一種主波長分布收斂的發光元件及其製造方法。上述發光元件至少包含基板；多個置於基板上的發光疊層，其中上述多個發光疊層發出具有第一主波長變異值的第一光束；以及，位於發光疊層上的波長轉換收斂層，其中此波長轉換收斂層吸收第一光束並發出第二光束，且第二光束具有第二主波長變異值。在上述發光元件中，第一主波長變異值大於第二光束主波長變異值。
文檔編號H01L21/82GK101872741SQ20091013688
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者劉如熹, 呂志強, 徐舒婷, 王健源, 謝明勳, 郭政達, 陳彥文 申請人:晶元光電股份有限公司