TW201301586A - 平面型發光二極體及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種平面型發光二極體，包含永久基板、發光單元、絕緣牆、透明導電膜，及集光環，永久基板包括絕緣的板體，及相間隔設置在板體中而與外部電路電連接的第一、第二導電層，發光單元設置在第一導電層上並在供電時發光，絕緣牆圍覆於發光單元側周面，透明導電膜形成在發光單元頂面並延伸至第二導電層，而使發光單元、第一、二導電層藉透明導電膜形成電通路，集光環圍繞於發光單元外並可反光、集中光線射出方向，本發明無會遮光的電極，封裝後也無影響出光的導線，而使得出光面完整、提升出光效率，本發明還提供平面型發光二極體的製作方法。
Description
本發明是有關於一種發光二極體(Light Emitting Diode;LED)及其製造方法，特別是指一種具有完整出光面的平面型發光二極體及其製造方法。
發光二極體技術因具有體積小、低耗電以及結構簡單易安裝的優點，在近幾年的發光元件發展上甚受重視，而提高單位面積的發光亮度與光取出率也成為主要研究課題之一。
參閱圖1，現有的發光二極體晶粒12是由晶圓切割得到，包括一磊晶基板121、一磊晶於該磊晶基板121上且接受電能時可發光的磊晶膜122，及二分別形成在該磊晶膜122上的電極123。
基於一般使用氮化鎵系(Gallium Nitride-based;GaN-based)半導體磊晶的品質考量，該磊晶基板121材質是以藍寶石(Sapphire)構成，而該磊晶膜122則是由氮化鎵系半導體材料於該磊晶基板121上磊晶形成，包括例如披覆層、量子井結構等而可利用光電效應將電能轉換為光能釋出；此外，目前的發光二極體晶粒12的磊晶膜122通常還會具有一層主要由金屬氧化物構成而讓進入該磊晶膜122的電流更為均勻分散的電流擴散層(current-spreading layer)，由於該電流擴散層的構成已為業界所周知，且與本發明重點無關，故略過不述。
該二電極123分別設置在該磊晶膜122上並與該磊晶膜122形成電連接，供後續封裝時以導線和導線架連接，進而與外部電路電連通，而可自外部提供電能至該磊晶膜122使其發光。
參閱圖2，上述的發光二極體晶粒12所成的封裝結構1還包括一封裝杯11、二導線13，及封裝膠材14。
該封裝杯11具有反光特性且包括一具有朝上開口的封裝槽110，以及一具有彼此間隔的一第一接腳111和一第二接腳112而用於與外界電路(圖未示)電連接的導線架113。
該二導線13是以可導電的材料例如金(Ag)所製成，亦稱為金線，是在該發光二極體晶粒12固晶於該封裝杯11的封裝槽110後，分別電連接該二電極123與該第一接腳111、第二接腳112，而使得外部電路的電能可經由該導線架113的第一、第二接腳111、112和該二導線13，而提供至該發光二極體晶粒12使其發光。
該封裝膠材14是以例如點膠的方式將裝填於該封裝杯11的封裝槽110中，用以封閉該封裝槽110的開口，並在不遮蔽光射出的前提下隔離該發光二極體晶粒12不受外界環境破壞，例如濕氣的影響等，以延長該發光二極體晶粒12的壽命；另外，該封裝膠材14中通常也會摻雜有螢光粉，而使該磊晶膜122發出的光再激發而發出其他預定波長範圍的光，進而使封裝結構發出所需的混光。
目前的發光二極體晶粒12以及其利用上述的封裝杯11等結構所成的封裝結構1，確實可達到在供電發光的功效。但是，一來該發光二極體晶粒12本身具有的電極並不透光，所以會遮蔽部分由該發光二極體晶粒12的磊晶膜122所發出的光，同時，因應此等電極123結構的發光二極體晶粒12所採用的導線13本身也會影響光線向外射出，降低整體發光的均勻度；二來，這樣結構的發光二極體晶粒12以及所成的封裝結構1，會受限於預製成型的封裝杯11的機械加工限制，有整體厚度較厚、體積較大的問題，而無法滿足現今電子產品往輕薄、微型化發展的趨勢所需。
所以，現有的發光二極體晶粒及其所成的封裝結構，除了仍須朝減少遮光，提高整體發光亮度的出光表現來改進之外，還需要在體積尺寸上突破，以配合各項電子技術的發展。
因此，本發明之目的，即在提供一種可以增加發光面積以增強出光亮度的平面型發光二極體。
因此，本發明之另一目的，即在提供一種可以增加發光面積以增強出光亮度的平面型發光二極體的製造方法。
於是，本發明平面型發光二極體，包含一永久基板、一發光單元、一絕緣牆、一透明導電膜，及一集光環。
該永久基板包括一絕緣的板體，及相間隔地形成在該板體表面而用於與外部電路電連接的一第一導電層和一第二導電層。
該發光單元設置在該永久基板的第一導電層上並在供電時發光。
該絕緣牆自該永久基板向上延伸，並圍覆於該發光單元側周面，而使該第二導電層不與該發光單元相接觸。
該透明導電膜，以透明且可導電的材料構成，形成在該發光單元、絕緣牆的頂面並延伸至第二導電層使該發光單元與該第二導電層之間構成電連接，藉該絕緣牆的隔離使該第一導電層、發光單元、透明導電膜，及第二導電層形成電通路。
該集光環可反光且自該永久基板向上形成並環圍於該發光單元、絕緣牆和透明導電膜外側。
此外，本發明一種平面型發光二極體的製造方法包含以下六個步驟。
(a)於一磊晶基板上形成一供電時可發光的發光單元。
(b)準備一永久基板，該永久基板包括一絕緣的板體，和相間隔地形成在該板體表面而用於與外部電路電連接的一第一導電層和一第二導電層。
(c)將該發光單元相反於該磊晶基板的表面接觸該永久基板的第一導電層地固著在該磊晶基板上，之後移除該磊晶基板。
(d)自該永久基板向上形成一圍覆該發光單元側周面而使該第二導電層不與該發光單元接觸的絕緣牆。
(e)然後用透明且可導電的材料自該發光單元移除該磊晶基板後裸露的頂面形成一自該發光單元頂面經過該絕緣牆而延伸至該第二導電層的透明導電膜，且該透明導電膜藉該絕緣壁的隔離使該發光單元、第一導電層、透明導電膜，及第二導電層形成電通路。
(f)自該永久基板向上形成一可反光且環圍該發光單
本發明之功效在於：提供一種利用透明導電膜形成電連接以及直接具有集光環的新型態平面型發光二極體，除了可大幅降低體積尺寸外，因為無傳統會遮光的電極形成在該發光的磊晶膜上，同時也去除封裝時會阻擋光行進的導線影響，而能以完整無遮蔽的出光面積來發光，提升整體的發光亮度。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖3，本發明平面型發光二極體之一較佳實施例是用半導體技術與微機電技術以晶圓方式批次產製(此部分請容後詳述)，包含一永久基板2、一固著於該永久基板2上的發光單元3、一設置於該發光單元3外側的絕緣牆4、一電連接該永久基板2與發光單元3的透明導電膜5、一設置於該永久基板上的集光環6，及一裝填於該集光環6中且透光的封裝膠材7。
該永久基板2包括一絕緣的板體21，及彼此間隔設置在該板體21表面並分別與外部電路(圖未示)電連接的一第一導電層22與一第二導電層23。
該發光單元3位於該永久基板2上，且包括一固著且電連接於該永久基板2的第一導電層22上的電極層31，及一形成於該電極層31上且能將電能轉換成光能而釋出的磊晶膜32，該電極層31以合金材料構成並可與該磊晶膜32形成良好的歐姆接觸使外部電能傳送功率更佳、更穩定，另外，該電極層31也對該磊晶膜32發出的光具有高反射性，而可將光線經由反射增加朝外射出的光量。
該絕緣牆4由該永久基板2向上延伸並包覆於該發光單元3的側周面，而使該發光單元3不會直接接觸到該第二導電層23。較佳地，該絕緣牆4的材料是一種透光絕緣的物質，如氧化矽、氮氧化矽或氟化鎂等，既可提供良好的絕緣作用也不會遮蔽由該發光單元3側面向外界發出的光。
該透明導電膜5則可利用蒸鍍或物理氣相沉積等業界所習知的技術形成在該發光單元3相反於該永久基板2的頂面，並由該發光單元3頂面延伸藉該絕緣牆4的隔離而連接該永久基板2的第二導電層23，使已經電連接於該第一導電層22的該發光單元3藉由該透明導電膜5與該第二導電層23形成電通路。
較佳地，該透明導電膜5的厚度要不小於200 nm以達到較好的電流傳送效率，避免厚度太薄而使得電導率不足、電阻過高以至於降低該發光單元3的發光功率，甚至影響通過該發光單元3的電流分佈，使發光均勻度不佳；更佳地，該透明導電膜5的厚度不小於300 nm；另外，該透明導電膜5可選自目前一般常用的氧化銦錫、氧化銦、氧化錫、氧化鎳、氧化鋅，或氧化鎂等透明且導電的金屬氧化物為材料，不僅透光，也可使電流分布較均勻而有利於提升出光效果。
該集光環6包括一由該永久基板2向上延伸並與該永久基板2絕緣的杯體61，與一形成於該杯體61內表面並具高反光特性的反射層62，其中，該杯體61在本實施例中是以環形直立壁態樣為說明，而將上述發光單元3、絕緣牆4，與該透明導電膜5包圍於其中，因此，供電時由該發光單元3側面所發出的光線可經由該杯體61內表面的反射層62反射至少一次後，朝外射出至外界以進一步提高光取出率、加強整體發光二極體發光亮度。
該透光的封裝膠材7是以例如點膠的方式裝填在該集光環6中，包括透光的膠體，和摻雜於該膠體中可讓該發光單元發出的光再激發而發出預定波長範圍的光的螢光粉，該封裝膠材7固化後封閉該集光環6所圍繞界定出的空間，一方面可隔絕該發光單元3、透明導電膜5等電性元件與外界環境接觸，例如濕氣的滲透，而受影響，使發光效能與發光壽命縮減，另一方面也可利用摻雜其中的螢光粉發出各種混光而供後續不同的運用。
外部電路(圖未示)提供電流時，藉由該包覆於該發光單元3側周面之絕緣壁4的隔離，而使該第一導電層22、發光單元3、透明導電層5，及第二導電層23間形成供電流單向通過且導電良好的電通路，而將電能傳送至該發光單元3，由該發光單元3將電能轉換成光能並朝四面八方發光。
由於本發明平面型發光二極體在產生光的發光單元3和外界之間僅有透光的封裝膠材7，而無任何會遮蔽光行進的構件，因此，由該發光單元3頂面發出的光，可不受遮蔽地以完整無遮蔽的出光面積接朝外界前進射出；而該發光單元3非頂面(即側周面)發出的光，則可再藉由該集光環6的反射層62反射而改變行進方向而出光至外界，進而達到集光增亮的效果，改善現有的發光二極體的出光時會被不透光的電極遮蔽、出光面積不完整的問題。
參閱圖4、5，由於本發明平面型發光二極體幾乎已是完整的封裝結構，因此可以如圖4所示直接固著於現有的導線架901上並以導線13連接而成類似於現有的發光二極體的封裝結構，再進行後續應用；或是如圖5所示，用覆晶技術(flip chip)概念直接固著並電連接於電路板902上進行後續運用，而無論何者使用，皆不會於封裝時在發光單元3上出現會影響光行進的導線與不透光的電極，而可以確保整體封裝結構的光取出率與發光亮度。
上述本發明平面型發光二極體晶粒的較佳實施例，在透過以下製造方法的說明後，當可更加清楚的明白。另外，以下的製作方法是以單顆平面型發光二極體作說明，但實際生產製作亦可以採批次晶圓進行，再利用晶圓切割為獨立分離的發光二極體。
參閱圖6，製作如上述平面型發光二極體，是先在一磊晶基板8例如藍寶石(Sapphire)上磊晶形成該可將電能轉換為光能的磊晶膜32，之後在於該磊晶膜32相反於該磊晶基板8的表面形成該電極層31而構成完整的發光單元3，其中，該電極層31與該磊晶膜32連接面是形成歐姆接觸以構成良好的電流傳導。
參閱圖7，此時可同步準備該永久基板2，如前述，該永久基板2包括一絕緣的板體21，及相間隔地形成在該絕緣板體21表面的第一導電層22和第二導電層23。
接著將該磊晶基板8上的發光單元3以電極層31那一面接觸、電連接於該永久基板2的第一導電層22，而將該發光單元3固著於該永久基板2上。
參閱圖8，接著再以例如雷射剝離(Laser Lift Off)等方式將該磊晶基板8移除，使該發光單元3的磊晶膜32原本連接於該磊晶基板8的一面裸露出來。
參閱圖9，再自該永久基板2向上形成包覆環繞該發光單元3側周面的絕緣牆4。
參閱圖10，然後以透明且可導電的材料自該發光單元3的磊晶膜32相反於該永久基板2的表面形成該透明導電膜5，並藉著該絕緣牆4的隔離使該透明導電膜5使該發光單元3、第一導電層22、透明導電膜5，及第二導電層23之間形成完整單向的電通路。
參閱圖11，再來是集光環6的製作，自該永久基板2向上用例如光阻定義形成杯體61，再於該杯體61的表面以例如蒸鍍或濺鍍形成該可反光的反射層62，而最後電鍍成型製備得到該集光環6。
參閱圖3，最後將透光且摻雜螢光粉的封裝膠材7以例如點膠的方式裝填於該集光環6中，再令其固化以隔絕該等元件與外界環境，完成本發明平面型發光二極體的製作。
由上述製造方法可知，本發明平面型發光二極體是完全用製程能力精準的半導體製程技術和微機電技術製作的，所以不但將發光二極體的生產技術直接提昇至單一晶圓生產、無需後段封裝的層級，同時，就製得完成的平面型發光二極體與現有的發光二極體封裝結構相比較，即可輕易得知光是本發明的集光環，就不會和傳統上有類似功效的封裝杯一樣，會受限於用例如模塑(molding)射出成型時的線寬能力，而具有大幅微型化、平面化的優勢，進而擁有供各式電子產品導入使用的發展潛力。
綜上所述，本發明主要是提供一種新型態、且不會產生光遮蔽、同時幾乎無需再進行封裝的平面型發光二極體，進而改善現有發光二極體本身會被電極遮蔽出光，乃至於封裝後仍會被導線干擾出光效果的問題，同時，本發明的平面型發光二極體幾乎完全以製程精準的半導體製程技術和微機電技術製作，所以可以徹底的微型化、扁平化，進而大幅提高後續應用的多樣性，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2．．．永久基板
21．．．板體
22．．．第一導電層
23．．．第二導電層
3．．．發光單元
31．．．電極層
32．．．磊晶膜
4．．．絕緣牆
5．．．透明導電層
6．．．集光環
61．．．杯體
62．．．反射層
7．．．封裝膠材
8．．．磊晶基板
901．．．導線架
902．．．電路板
13．．．導線
圖1是一剖視示意圖，說明習知一發光二極體；
圖2是一剖視示意圖，說明習知一發光二極體之封裝結構；
圖3是一剖視示意圖，說明本發明平面型發光二極體之一較佳實施例；
圖4是一剖視示意圖，說明本發明平面型發光二極體之較佳實施例封裝於一導線架；
圖5是一剖視示意圖，說明本發明平面型發光二極體之較佳實施例以覆晶型態封裝於一電路板；
圖6是一剖視示意圖，說明製作本發明平面型發光二極體之較佳實施例時，於磊晶基板磊晶形成發光單元的步驟；
圖7是一剖視示意圖，說明製作本發明平面型發光二極體之較佳實施例時，將形成於磊晶基板上的發光單元固著於永久基板的步驟；
圖8是一剖視示意圖，說明製作本發明平面型發光二極體之較佳實施例時，將磊晶基板自發光單元移除的步驟；
圖9是一剖視示意圖，說明製作本發明平面型發光二極體之較佳實施例時，在固著於永久基板上的發光單元側周面形成絕緣牆的步驟；
圖10是一剖視示意圖，說明製作本發明平面型發光二極體之較佳實施例時，形成連接發光單元和永久基板的第二導電層的步驟；及
圖11是一剖視示意圖，說明製作本發明平面型發光二極體之較佳實施例時，在永久基板上形成集光環的步驟。
2．．．永久基板
21．．．板體
22．．．第一電極層
23．．．第二電極層
3．．．發光單元
31．．．電極層
32．．．磊晶膜
4．．．絕緣牆
5．．．透明導電層
6．．．集光環
61．．．杯體
62．．．反射層
7．．．封裝膠材
Claims (16)
- 一種平面型發光二極體，包含：一永久基板，包括一絕緣的板體，及相間隔地形成在該板體表面而用於與外部電路電連接的一第一導電層和一第二導電層；一發光單元，設置於該第一導電層上並在供電時產生光；一絕緣牆，自該永久基板向上並圍覆該發光單元側周面而使該第二導電層不與該發光單元接觸；一透明導電膜，以透明且可導電的材料構成，自該發光單元頂面經過該絕緣牆周面而延伸至該第二導電層，藉該絕緣壁的隔離使該發光單元、第一導電層、透明導電膜，及第二導電層形成電通路；及一集光環，可反光並自該永久基板向上且環圍該發光單元、絕緣牆和該透明導電膜。
- 根據申請專利範圍第1項所述之平面型發光二極體，其中，該透明導電膜的厚度不小於200 nm。
- 根據申請專利範圍第2項所述之平面型發光二極體，其中，該透明導電膜的厚度不小於300 nm。
- 根據申請專利範圍第3項所述之平面型發光二極體，其中，該絕緣牆是選自以下所成的群組：氧化矽、氮氧化矽，及氟化鎂。
- 根據申請專利範圍第4項所述之平面型發光二極體，其中，該透明導電膜之材料是選自以下所成的群組：氧化銦錫、氧化銦、氧化錫、氧化鎳、氧化鋅，及氧化鎂。
- 根據申請專利範圍第5項所述之平面型發光二極體，還包含一透光的封裝膠材，填置於該集光環中並與該集光環共同將該發光單元、絕緣牆和該透明導電膜與外界相隔絕。
- 根據申請專利範圍第6項所述之平面型發光二極體，該封裝膠材包括一透光的膠體，和摻雜於該膠體中可被該發光單元發出的光再激發而發出預定波長範圍的光的螢光粉。
- 根據申請專利範圍第7項所述之平面型發光二極體，其中，該集光環包括一杯體，和一形成於該杯體表面而可反光的反射層。
- 根據申請專利範圍第8項所述之平面型發光二極體，其中，該集光環的杯體是由光阻為材料所構成，該反射層是用具有高反射係數的金屬，及/或合金濺鍍形成。
- 根據申請專利範圍第9項所述之平面型發光二極體，其中，該發光單元包括一電連接於該第一導電層的電極層，及一位於該電極層上的可利用光電效應發光的磊晶膜。
- 一種平面型發光二極體的製造方法，包含：(a) 於一磊晶基板上形成一供電時發光的發光單元；(b) 準備一永久基板，該永久基板包括一絕緣的板體，和相間隔地形成在該板體表面而用於與外部電路電連接的一第一導電層和一第二導電層；(c) 將該發光單元相反於該磊晶基板的表面接觸該永久基板的第一導電層地固著在該磊晶基板上，之後移除該磊晶基板；(d) 自該永久基板向上形成一圍覆該發光單元側周面而使該第二導電層不與該發光單元接觸的絕緣牆；(e) 用透明且可導電的材料自該發光單元移除該磊晶基板後裸露的頂面形成一自該發光單元頂面經過該絕緣牆周面而延伸至該第二導電層的透明導電膜，且該透明導電膜藉該絕緣壁的隔離使該發光單元、第一導電層、透明導電膜，及第二導電層形成電通路；及(f) 自該永久基板向上形成一可反光且環圍該發光單元、絕緣牆和該透明導電膜的集光環。
- 根據申請專利範圍第11項所述之平面型發光二極體的製造方法，其中，該步驟(e)形成的該透明導電膜厚度不小於200 nm。
- 根據申請專利範圍第12項所述之平面型發光二極體的製造方法，其中，該步驟(e)形成的該透明導電膜厚度不小於300 nm。
- 根據申請專利範圍第13項所述之平面型發光二極體的製造方法，其中，該步驟(f)先以光阻形成一杯體後，再於該杯體內周面鍍膜形成一可反射光的反射層而構成該集光環。
- 根據申請專利範圍第14項所述之平面型發光二極體的製造方法，還包含一步驟(g)，在該集光環中裝填一透光的封裝膠材，而使該發光單元、絕緣牆和該透明導電膜與外界相隔絕。
- 根據申請專利範圍第15項所述之平面型發光二極體的製造方法，其中，該步驟(a)中的發光單元包括一先以磊晶方式形成於該磊晶基板上的磊晶膜，及一在形成於該磊晶膜相反於該磊晶基板的表面的電極層。
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