CN101140967A

CN101140967A - 高效率荧光体转换发光装置及其制造方法

Info

Publication number: CN101140967A
Application number: CNA2006101517379A
Authority: CN
Inventors: 王健源; 吕志强; 谢明勋
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: CN101140967B

Abstract

本发明揭示一种发光装置结构及其制造方法，此发光装置具有基板，此基板上有半导体结构具有发光层，此半导体结构上方有光学过滤层，此光学过滤层上方有荧光转换层。本发明发光装置的制造方法包括在基板上形成具有发光层的半导体结构、形成光学过滤层在半导体结构上方以及形成荧光转换层在光学过滤层上方。

Description

高效率荧光体转换发光装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光装置及其制造方法，尤其是涉及一种具有光学过滤层和荧光转换层的发光装置及其制造方法。

背景技术

目前白光发光二极管(Light-emitting diode，LED)的制作技术主要可分为单芯片(chip)型及多芯片型。多芯片型使用红、蓝、绿三色的LED将各自发出的光线混成白光，此方式的优点为可视需求调整所需要的光色，但因同时使用多个LED，成本较高，且因制造三色LED的材料不同，其输入电压(Vf)有所差异，需要三组电路控制电流。此外，三种LED芯片的衰减速率、温度特性及寿命均不相同，导致混合的白光光色随时间产生变化。

在单芯片型方面，目前已商品化的白光LED所使用的制作技术主要有三：1.蓝光LED配合黄色荧光粉：所使用的荧光粉主要为钇铝石榴石结构的YAG荧光粉，粉体发出的黄光与未被吸收的蓝光混合即可产生白光；2.蓝光LED配合红色与绿色荧光粉：所使用的荧光粉主要以含硫的荧光粉为主，粉体发出的红、绿光与未被吸收的蓝光混合即可产生白光；3.紫外光LED配合红色、蓝色和绿色三色荧光粉：利用LED所产生的紫外光同时激发三种或三种以上可分别发出红、蓝、绿光的荧光粉，粉体发出三色光再混合成白光。以上技术将荧光粉与硅胶(silicone)混合后填入置有发光二极管芯片的凹穴内，但因粉体和胶难以均匀分布，容易造成色温不均。并且，当发光二极管的激发光进入荧光粉胶层时，有相当高比例(例如大于30％)的激发光会再被荧光粉背向散射回芯片内部反射数次后被吸收，导致激发光的利用效率大幅降低。

美国专利第6,642,652号揭示一种具有荧光材料结构的倒装芯片式(Flip-Chip)半导体发光装置，以电泳法(electrophoresis)形成荧光粉体堆积层。然而此方法在芯片规模上不易通过控制电场分布与无机粉体电荷状态来达到粉体均匀分布的结果，尤其在芯片侧边的控制更属不易。

本发明提出一种发光装置及其制造方法，可以在芯片封装前，在芯片上形成荧光材料层，以避免上述现有技术的缺点。本发明的另一目的在利用置于LED与荧光转换层间的光学过滤层以减少因LED与荧光材料搭配上所造成的光能损失，进而提高发光装置的总体发光效率。

发明内容

本发明的发光装置包括具有发光层的半导体结构，该半导体结构位于基板上，并可产生具有第一波长的光、荧光转换层，该荧光转换层位于半导体结构上，可吸收半导体结构的发光层所产生具第一波长的光并转换成具第二波长的光、及光学过滤层，该光学过滤层设置在半导体结构与荧光转换层之间，其对该第一波长的光具有50％以上的穿透率，对该第二波长的光则具有50％以上的反射率。如此，可减少由发光层所发出的第一波长光转换成第二波长光后，经背向散射回芯片再被吸收所造成的光能损失。

本发明的发光装置中的光学过滤层由特定一层或一层以上的材料堆栈或混合而成，具有波段选择性，对紫外光有较低的反射率且穿透率达90％以上，或对可见光具有较高的反射率且仅有5％以下的穿透率。

附图说明

图1是本发明第一实施例的示意图；

图2是显示依本发明第一实施例由TiO₂与SiO₂组合而成的光学过滤材料的反射率光谱；

图3是本发明第二实施例的示意图；

简单符号说明

10、20～发光装置；11～基板；12～半导体结构；1201～电接点；1202～沟槽；13～光学过滤层；1301～第一光学过滤层；1302～第二光学过滤层；及14～荧光转换层。

具体实施方式

图1是显示本发明优选实施例中发光装置的结构示意图。本发明所揭示的发光装置10包括有基板11、具发光层的半导体结构12、光学过滤层13和荧光转换层14。其中基板11可为不透光基板，例如，半导体基板、金属基板、上述材料的组合或其它不透光材料，不透光基板的材料例如为Si、GaN/Si、GaAs或其组合。基板11也可为透光基板的材料，如：玻璃、蓝宝石、SiC、GaP、GaAsP、ZnSe、ZnS或ZnSSe。具发光层的半导体结构12例如为垂直结构(电接点位于相异侧)或水平结构(电接点位于同一侧)，并可以产生具第一波长的光。当第一波长光穿过光学过滤层13至荧光转换层14时，荧光转换层14会吸收具第一波长的光并转换为具第二波长的光。第一波长的光与转换后的第二波长的光混合后可以产生白光。

此外，如图1所示，基板11上可以形成沟槽1202以分隔出二个以上的半导体结构12，再进行芯片切割以形成多个芯片。半导体结构12可以在光学过滤层13和荧光转换层14形成后再进行芯片切割(chip dicing)的步骤。

光学过滤层13由二种或更多种具不同折射率的材料堆栈组合而成，以蒸镀方式形成在半导体结构12之上，对可见光(波长为400～700nm)的平均反射率可达到90％以上。其中二种具不同折射率的材料组合优选选择为折射率n值介于2.1-2.6的高折射率物质，例如：TiO₂、Nb₂O₅或Ta₂O₅等，与n值介于1.2-1.6的低折射率物质，例如：SiO₂或MgF₂等。其厚度依材料特性可为约数十埃()至数十微米之间。同时，光学过滤层13对紫外光而言可几乎完全穿透。由TiO₂和SiO₂二种材料组合的光学过滤层其反射率光谱如图2所示。

光学过滤层13上具有荧光转换层14，荧光转换层13的形成方法包括下列步骤：

荧光转换材料的表面特性改质(surface modification)：将0.3克的钇铝石榴石型荧光粉体与5毫升的γ-环氧丙醇丙基二甲基甲基硅烷(3-glycidoxypropyldimethoxymethylsilane)混合在30毫升的95％(vol.)的酒***溶液中，将混合溶液以70℃加热并持续搅拌2小时后，过滤出此混合液中的粉状物并以乙醇加以清洗，再在85℃的温度下干燥后，即可得到表面改质的钇铝石榴石型荧光粉体。

荧光转换材料的成型：将表面改质后的钇铝石榴石型荧光粉体混于醇类(例如：异丙醇)，倒入置有平放晶片(wafer)的容器中，等待钇铝石榴石型荧光粉体因重力而自然沉积在晶片表面后，吸汲大部分的上层澄清液，再将此置有平放晶片的容器放入120℃烘箱中，使钇铝石榴石型荧光粉体烤干形成荧光转换层。

荧光转换层的保护：为配合后续的发光装置制造工艺，均匀沉积在晶片表面的荧光粉体层须耐液体浸蚀并具有高度附着力。利用低粘度的高渗透性紫外光硬化树脂充填在钇铝石榴石型荧光转换层表面，经硬化成膜后，即可达到保护荧光转换层的功效。

接下来，将基板11与半导体结构12电连接，再进行芯片切割，即可得到具有光学过滤层和荧光转换层的发光二极管芯片。

图3是显示依本发明另一优选实施例发光装置的结构示意图，与第一实施例相同的元件将使用相同的标号且不再赘述。发光装置20的结构及其制造方法如上例所述，在形成具发光层的半导体结构12后，可用蒸镀方式形成第一光学过滤层1301于其上，再沉积荧光转换层14在第一光学过滤层1301之上，最后蒸镀第二光学过滤层1302在荧光转换层14之上。

该第一光学过滤层1301对该具第一波长的光具有50％以上的穿透率，对该具第二波长的光则具有50％以上的反射率。该第二光学过滤层1302对该具第一波长的光具有50％以上的反射率，对该具第二波长的光则具有50％以上的穿透率。

第一光学过滤层1301由二种或更多种具不同折射率的材料堆栈组合而成，对可见光(波长为400～700nm)的平均反射率可达到90％以上，且对紫外光而言可几乎完全可穿透。第二光学过滤层1302由二种或更多种具不同折射率的材料堆栈组合而成，使产生对紫外光有接近100％的反射率，而对可见光的反射率极低(＜1％)。其中二种具不同折射率的材料组合优选的选择为折射率n值介于2.1-2.6的高折射率物质，例如：TiO₂、Nb₂O₅或Ta₂O₅等，与n值介于1.2-1.6的低折射率物质，例如：SiO₂或MgF₂等。其厚度依材料特性可为约数十埃()至数十微米之间。

虽然本发明已以具体实施例说明如上，然而其并非用以限制本发明的范围。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims

1.一种发光装置，包括：

半导体结构，包括发光层，该发光层可发出具第一波长的光；

荧光转换层，位于该半导体结构上方，可吸收该具第一波长的光并转换成具第二波长的光；和

第一光学过滤层，位于该半导体结构与该荧光转换层之间。

2.如权利要求1所述的发光装置，其中该第一光学过滤层由对不同波长的光具有选择性反射率或穿透率的材料所组成。

3.如权利要求2所述的发光装置，其中该第一光学过滤层由特定材料或二种以上材料堆栈或混合而成。

4.如权利要求1所述的发光装置，其中该荧光转换层由一种以上有机或无机发光材料所组成。

5.如权利要求1所述的发光装置，其中该光学过滤层对该第一波长光具有50％以上的穿透率，且该第二波长光具有50％以上的反射率。

6.如权利要求1所述的发光装置，其中该第一光学过滤层由至少二种具不同折射率的材料堆栈组合而成，且该第一光学过滤层的厚度依该材料特性约为数十埃至数十微米之间。

7.如权利要求6所述的发光装置，其中该第一光学过滤层的一种材料具高折射率，其折射率介于2.1-2.6之间，另一种材料具低折射率，其折射率介于1.2-1.6之间。

8.如权利要求7所述的发光装置，其中该第一光学过滤层中的高折射率材料为二氧化钛(TiO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)或五氧化二钽(Ta₂O₅)。

9.如权利要求7所述的发光装置，其中该第一光学过滤层中的低折射率材料为二氧化硅(SiO₂)或二氟化镁(MgF₂)。

10.如权利要求1所述的发光装置，其中该荧光转换层之上还包括第二光学过滤层。

11.一种发光装置，包括：

荧光转换层，位于该半导体结构上方，可吸收该具第一波长的光并转换成具第二波长的光；

第一光学过滤层，位于该半导体结构与该荧光转换层间；和

第二光学过滤层，位于该荧光转换层上方。

12.如权利要求11所述的发光装置，其中该第一光学过滤层对该具第一波长的光具有50％以上的穿透率且对该具第二波长的光具有50％以上的反射率。

13.如权利要求11所述的发光装置，其中该第二光学过滤层对该具第一波长的光具有50％以上的反射率且对该具第二波长的光具有50％以上的穿透率。

14.如权利要求11所述的发光装置，其中该第一光学过滤层的材料和该第二光学过滤层的材料各自由二种具不同折射率的材料堆栈组合而成。

15.如权利要求14所述的发光装置，其中该第一光学过滤层的材料和该第二光学过滤层的材料的厚度依材料特性约为数十埃至数十微米之间。

16.如权利要求14所述的发光装置，其中该第一光学过滤层和该第二光学过滤层的材料中的一种材料具高折射率，其折射率介于2.1-2.6之间，另一种材料具低折射率，其折射率介于1.2-1.6之间。

17.如权利要求14所述的发光装置，其中该第一光学过滤层和该第二光学过滤层的材料的高折射率材料为二氧化钛(TiO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)或五氧化二钽(Ta₂O₅)。

18.如权利要求14所述的发光装置，其中该第一光学过滤层和该第二光学过滤层的材料中的低折射率材料为二氧化硅(SiO₂)或二氟化镁(MgF₂)。

19.一种发光装置，其制作方法包括：

提供基板；

形成半导体结构在该基板上，该半导体结构可产生具第一波长的光；

形成荧光转换层在半导体结构上，该荧光转换层可吸收该半导体结构所产生的该具第一波长的光并转换成具第二波长的光；并且

形成光学过滤层在该半导体结构与该荧光转换层之间，该光学过滤层由对不同波长的光有选择性反射率或穿透率的材料所组成。

20.如权利要求19所述的制作方法，其中该半导体结构以晶片形式或芯片形式进行后续制作步骤。

21.如权利要求19所述的制作方法，其中该荧光转换层的形成是利用外力将分散于有机介质的荧光粉体沉积在载体表面，以达成均匀涂布的效果。

22.如权利要求21所述的制作方法，其中该外力为自然重力。

23.如权利要求21所述的制作方法，其中该荧光转换层的形成还包括使用界面活性剂对其中的荧光粉体表面进行化学改质，以增加在该有机介质中的分散度。

24.如权利要求21所述的制作方法，其中该荧光转换层的形成还包括在该荧光转换层上形成保护层，该保护层由有机聚合物所组成，以发挥保护与黏着晶片或芯片的功效。