TW200903868A - Light-emitting device - Google Patents

Description

200903868 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一發光元件，尤其是一具有波長轉換層之 發光二極體元件。 胃 【先前技術】 發光二極體與傳統的白熾燈泡與冷陰極燈管相較，具有 省電以及使用壽命更長的優越特性’所以被廣泛應用於各種領 域之中，例如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備與通 訊儲存裝置等產業。 隨著藍光與紫外光等短波長之發光二極體的發光效率不 斷提升’使得利用波長轉換機制來產生白光之設計，已成為重 要的技術領域。例如，利用發光二極體所發出來的第一波長 光、，一部份被螢光粉吸收，並轉換成波長較第一波長光長的第 =波長光’另一部份未進行波長轉換的第一波長光與第二波長 光，進行絲*域自光。上祕第-波長絲触波長較長 的第二波長光的現象，即所謂的「頻譜下轉換(d〇wn -conversion )」。 上述習知技術衍生出許多利用藍光或紫外光發光二極體 生白光的運用。例如H波長為39Gnm之紫外光發 $—極，來激發紅、藍、綠三種顏色的螢光粉，可以產生紅^ 綠種顏色的光，再經過混絲便可以產生白S。上述利 #人外光與螢光粉搭配產生白光的作法，其主要的缺點是元件 卩不長。另一作法為利用一波長為45〇〜47〇nm之藍 -極體搭崎激活的她石權石(YAG:Ce)系列的螢光粉產生 200903868 白^^該作法所產生的白光，其色溫分布在6_〜8_ κ， 且角色性係數（col〇r ren(jering in(jex )大約介於7〇〜75之間。 f而此做法仍然有色溫變異範圍過大，以及在高電流密度驅 會導致發光二極體的量子效率不穩定的縣。由於在同 曰曰圓所產生的複數發光二極體元件，其色溫的變異範圍太 大所以通$舄要在晶圓完成切割後，增加一篩檢的步驟，才 可以得到—色溫變異相對穩定的自光二極體元件，但如此一來 =加了製造成本。還有另—作法，將紅、藍、綠三種顏色的 發，二極體晶粒彻魏_旨雜麵泡，其最少需要四 條導線來?輸電流；這種多晶粒封裝的作法，結構相對複雜， ^成本也高於其他作法。綜上所述，如何改善目前—般白光發 光讀的魏效率與色彩品f，便成為—婦要的課題。 【發明内容】 本發明之一實施例係提供一發光元件，尤其是一具有波 J轉換機制之發光元件’其包含一發光結構可發出第一波長 光，以及一波長轉換層位於發光結構之上方，用以吸收第一 ^長光而發出第二波長光，其中第—波長光之波長小於 幻0mT 1且驅動發光結構的驅動電流密度大於200mA/cm2。 較佳是第一波長光之波長介於410〜425nm之 密度大於350mA/Cm2。 本，明之另一實施例係提供一晶圓，包含一發光疊層， 可發出弟一波長光，以及—波長轉換層位於發光疊層的上 方’用以吸收第-波長光而翻第二縣光，其中第一波長 光之波長小於430nm。較佳是第一波長光之波長介於 410〜425nm之間。 200903868 本發明之再一實施例是提供一晶圓，包含一發光疊層， 以及一波長轉換層位於發光疊層之上方，且晶圓可被切割成 許多晶粒，其中該些晶粒之色溫的差異小於300K。 本發明更提出一螢光粉直接塗佈製程之方法，包含於晶 圓上形成一波長為410〜425nm之發光疊層；沉積一波長轉換 層（如螢光粉）於上述發光疊層之上方，以形成一螢光粉塗佈 晶圓；將上述螢光粉塗佈晶圓，切割成複數個晶粒；以樹脂將 上述之晶粒封裝成發光元件。 【實施方式】 第1圖顯示具不同波長之發光二極體在不同驅動電流密 $下之相對發光效率關係圖。橫軸代表發光二極體的驅動電流 密度，縱軸代表發光二極體外部量子效率(EQE)的相對發光效 率。如圖所示’曲線Wdl是代表波長為460nm之發光二極體， 由Wdl的曲線變化，可以發現當橫軸的驅動流密度增加時， 其縱軸的相對發光效率會迅速下降；另一曲線wd2則代表波 長為425nm的發光二極體。比較Wdl(46〇nm)與Wd2(425nm ) 的曲線變化’可以發現當電流密度大於2〇〇mA/cm2時，曲線 Wd2(425nm)隨著驅動電流密度增加，其相對發光效率的下降 速度較Wdl(460mn)緩慢；而且Wd2(425mn)的相對發光效率 皆高於Wdl(460nm)。換言之，發光二極體於高驅動電流密度 (大於200mA/cm2)下’短波長之外部量子效率(Eqe)高於長波 長’尤其當波長小於430nm則更明顯。由於發光二極體是由 兩電性相反的半導體層，中間夾著一主動層所形成的發光疊層 所組成。因此可以藉由控制主動層之組成，來調整發光二極體 之發光波長，將其波長從460nm改變成425nm ;而且當主動 層之組成變為425nm時，其磊晶品質也會更好，更適合於高 200903868 驅動電流密度下的操作。 mA/r第2 圖^不發光二極體元件於驅動電流密度於350 ° -ah , _ 表^光一極體的相對發光效率。如圖戶彳 =當發先f極體元件之波長介於4〇〇nm〜44〇nm日夺，其= $率(WPE)%t大’域佳齡於41()nm〜425nm。帛3圖顯 ^極體之波長與魏_、列之$^(Ba2Si〇4:Eu)之相& 度關係圖。如圖所*，當發光二極體之波長愈短，石夕 I鋇系列之螢光粉(BajiC^Eu)之相對激發強度愈強。但是第2 圖也顯示當發光二極體的波長小於41〇nm時’其發 (WPE)卻隨著波長變短而大幅滑落。 所以根據上述實驗的結果，本實施例提出一白光發光二 極體’係採用一波長介於41〇nm〜425nm之氮化銦鎵(inGaN) 系列發光二極體’並使用混合矽酸鎖系列之螢光粉(Ba2Si〇4:Eu) 之環氧樹脂進行封裴。一般螢光粉是以粉末狀與環氧樹脂先進 行混合後，填入一具有發光二極體之反射杯中，此時螢光粉會 散佈在發光二極體之上方，然後進行樹脂硬化反應’即可完成 一白光發光二極體之製作。當驅動電流密度為350 mA/cm2 時’本實施例所採用波長為410〜425nm之發光二極體，較一 般傳統採用波長為450〜465nm所製成的白光發光二極體之發 光效率更高。如第1〜3圖所示，當於高驅動電流密度時，本實 施例之外部量子效率(EQE)、發光功率(WPE)與激發強度 (excitation intensity)都比傳統採用長波長(450〜465nm)的激發 光源來的高。 本發明之另一實施例是關於利用螢光粉直接塗佈製程 (phosphor-on-chip process)來製作一具有波長轉換機制之發光 200903868 ΐϋ’η ζί圖所示。其詳細流程包含··於晶圓上形成一波 私〇〜425llm之發光疊層；並沉積一波長轉換層（如螢光 ^ )於上述發光疊層之上方，以形成—螢綠塗佈晶圓。其 中沉積螢紐層包含以下幾法，如電子束麟邮_η earn evaporation)、熱蒸鍍法(thefmal evap〇rati〇n)、射頻濺鍍 ’^(RF sputtering)、化學氣相沉積法(chemicai vap〇r dep〇siti〇n) ，原子，磊晶法(atomic layer epitaxy)。至於應該選擇何種沉積 方式，是取決於發光疊層所產生的光，是否會被螢光粉層全部 吸收與否。織將上鑛光驗佈晶®，切誠複數個晶粒 後，使用樹脂將上述之晶粒封裝成發光元件。 ^上述製程中，同一晶圓上所形成的發光疊層，其波長 有特疋的分佈’並不會完全相同’大約有5〜丨〇nm之差異。第 5圖是白光發光二極體元件於不同波長下之色溫分布關係圖。 如圖所示，本實施例所發出的白光，其色溫幾乎一致，大約 6500K。而一般以相同製程步驟，但選用發光疊層之波長為 450〜465nm所製成的發光元件’其色溫是介於5800〜7300K之 間。由於其色溫的差異太大，所以通常需要多一道篩檢步驟， 才可以解決其色溫差異過大的問題。但是本實施例採用波長為 410〜425nm搭配矽酸鋇系列之螢光粉(Ba2Si〇4:Eu)，於同一晶 圓所得到的晶粒’其色溫變異可控制在300κ以内，所以可以 省去篩檢步驟’以節省成本’並提高生產效率。 由於螢光粉之組成，可以決定被激發光的波長，所以本 發明之其他實施例，更包含選擇可以產生白光、綠光、紅光、 橘光或黃光之螢光粉，且上述之螢光粉可以是選自石夕酸鋇(锶) 系列之螢光粉、氮氧化物系列之螢光粉、氮化物系列之螢光粉 或上述之組合。 200903868 _ 日月之背光模組結構。其中背光模組裝置 一光财述任意實施例之發光元件611所構成的 徑上㈣光源裝置_之出光路 供上出光；以及一電源供應系統㈣’提 ^迷光源裝置610所需之電源。 ，7圖顯不本發明之照明裝置結構。上述照明裝置 可以疋車燈、街燈、手電筒、路燈、指示燈料。1中昭明裝 置包含：一光源裝置710，係由本發明上述之任意實施例 的發光 =件711所構成；一電源供應系、统72〇，提供光源裝置 710所需之電源；以及一控制元件73〇控制電源輸入光源裝置 710。 雖然發明已藉各實施例說明如上，然其並非用以限制本 發明之範圍。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發 明之精神與範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係不同波長之發光二極體在不同驅動電流密度下之 相對發光效率關係圖。 第2圖係發光二極體元件於驅動電流密度35〇 下其 相對發光效率與波長之關係圖。 第3圖係螢光粉Ba2Si04:Eu相對激發強度與發光二極體元 件的發光波長之關係圖。 第4圖係螢光粉直接塗怖製程⑽OSph〇r-〇n-chip process)之 流程圖。 第5圖係白光發光二極體元件於不同波長下之色溫分布關 係圖。 10 200903868 第6圖係利用本發明之背光模組結構圖。 第7圖係利用本發明之照明裝置結構圖。 【主要元件符號說明】 610光源裝置 620光學裝置 700照明裝置 711發光元件 730控制元件 600背光模組裝置 611發光元件 630電源供應系統 710光源裝置 720電源供應系統 11

Claims (1)

1. 200903868 申請專利範圍 1. •發光元件，包含： 一發光結構可發出一第一波長光，以及 換層f於該發光結構之上方，用以吸收該第一波長 41〇 bh長光，其找第_波長光之波長小於 n^1，且5亥發光結構的驅動電流密度大於200mA/cm2。 2. 如申請專利範圍第丨項所述之發光元件，其巾該第 之波長是介於41 〇nm〜425nm之間。 3. ΐίΐί利範®第1項所述之發光元件，其中該第—波長光 波長光進行混光，而生成白光、、縣、紅光、橘 4. 專利_第1項所述之發光元件，其中該波長轉換層 魏鋇⑽系狀榮光粉、氮氧化齡列之螢光粉、 氣化物糸列之螢光粉或其組合等材料。 其中該驅動電流密 其中該第一波長光 其中該發光結構可 第一波長光，以及 5·如申請專利範圍第1項所述之發光元件 度大於 35〇mA/cm2。 6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件 部份被轉換成該第二波長光。 7. 如申凊專利範圍第1項所述之發光元件 以是一發光二極體。 8·—晶圓，包含： ―，光疊層形成於該晶圓上，可發出一第一波長光，以及 換層位於該發光4層之上方，用以魏該第一波長 43〇nnf。出一第二波長光’其中該第—波長光之波長小於 9. 專概㈣8項所述之晶圓，射該第-波長光之波 长疋介於41〇nm〜425nm之間。 10. 如申請專利範圍第8項所述之晶圓，其中該第一波長光會 12 200903868 f2一波長光進行混光，而生成白光、綠光、紅光、橘光 或育尤。 第8項所述之晶®，其巾該波長轉換層是 ί物列之榮光粉、氮氧化物系列之螢光粉、氮 化物糸列之螢光粉或其組合等材料。 12.上11專:範辟8項所狀晶《，其巾該晶®可被切割 成稷數個晶粒。 專利範圍第12項所述之晶圓，其中該晶粒之驅動電 流密度大於200mA/em2。 ΐ4.—ϋ=專利範圍第12項所述之晶®，其巾該些晶粒之色溫 貫貨上相同。 15.aaH胃專她圍第12項所述之晶圓，其巾該些晶粒之色溫 的差異小於300IC。 16·如^專利範_ 8餐述之晶圓，其巾該波長轉換層是 由一薄膜製程所形成，如電子束蒸鍍法(dectr〇n以啦 evaporation)、熱蒸鍍法(thermai evap〇rati〇n)、射頻濺鑛法 (RF sputtering)、化學氣相沉積法(chemicai vap〇r 抑〇5出〇11) 或原子層遙晶法(atomic layer epitaxy)。 17. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中該第一波長 光部份被轉換成該第二波長光。 18. —晶圓，包含： 複數個晶粒構成該晶圓，且任一該些晶粒包含一發光疊層以 及一波長轉換層位於該發光疊層之上方，其中該些晶粒之色 溫差異小於300K。 19. 如申請專利範圍第18項所述之晶圓，其中該發光疊層所發 出的一第一波長光，其波長小於430nm。 20. 如申，專利範圍第18項所述之晶圓，其中該發光疊層所發 出的第波長光’其波長介於410nm〜425nm之間。 21. 如申請專利範圍第18項所述之晶圓，其中驅動該些晶粒之 (S ) 13 200903868 驅動電流密度大於200mA/cm2。 22.如申請專利範圍第18項所述之晶圓，其中驅動該些晶粒之 驅動電流密度大於350mA/cm2。 23·如申請專利範圍第18項所述之晶圓，其中該波長轉換層會 吸收該第一波長光而發出一第二波長光。 24.如^請專利範圍第23項所述之晶圓，其中該第一波長光會 與該第二波長光進行混光，而生成白光、綠光、紅光、橘光 或黃光。 25. —種背光模組裝置包含： 1〜7項所述之發光元件所 一光源裝置，係由申請專利範圍第 組成； 置於該光源裝置之出光路徑上；以及 供辦職麵需之電源。 一光源裴置，係由申請專利範圍 組成； 第1〜7項所述之發光元件所

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