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TWI441351B - 白色發光二極體晶片及其製造方法 - Google Patents

白色發光二極體晶片及其製造方法 Download PDF

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TWI441351B
TWI441351B TW97144453A TW97144453A TWI441351B TW I441351 B TWI441351 B TW I441351B TW 97144453 A TW97144453 A TW 97144453A TW 97144453 A TW97144453 A TW 97144453A TW I441351 B TWI441351 B TW I441351B
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白色發光二極體晶片及其製造方法
本發明關於一種白色發光二極體晶片及其製造方法。更詳細地，本發明關於一種製造在藍色發光二極體晶片內部形成螢光體層而發出白色光的白色發光二極體晶片的製造方法及由此製造的白色發光二極體晶片。
發光二極體元件是將電信號轉換為光信號的器件，若施加電信號，則發光二極體元件發出光。一般，發光二極體元件是在包括電極引腳的引腳框安裝發光二極體晶片形成。根據發光二極體晶片的種類，發光二極體元件發出發光波長相當於藍色、紅色、綠色的光。
發光二極體元件具有優良的單色峰值波長，並具有光效率優良且可小型化的優點，因此，發光二極體元件廣泛使用於多種顯示裝置及光源。特別是，白色發光二極體元件作為可取代照明裝置或顯示裝置的背光源的高功率及高效率的光源受注目。
作為實現這種白色發光二極體元件的方法，過去主要使用在藍色發光二極體晶片的外部包敷螢光體而轉換為白色光的方法。
作為一例，有形成覆蓋藍色發光二極體晶片的周圍及上部的螢光體樹脂層而實現發出白色光的白色發光二極體元件的方法。這時，螢光體樹脂層由混合YAG(Y-Al-Ga類)螢光體和環氧樹脂或矽樹脂的螢光體形成。在由包圍藍色發光二極體晶片的注射反射板形成的空間中填充螢光體樹脂層，從而可以形成覆蓋藍色發光二極體晶片的周圍及上部的螢光體樹脂層。由藍色發光二極體晶片發出的藍色光中的一部分通過包含在樹脂層中的YAG螢光體被激發為峰值波長為555nm的黃綠色光，該黃綠色光和由藍色發光二極體晶片直接發出的藍色光被合成而發出希望的白色光。
但是，通過這種方式製造的白色發光二極體元件存在具有低的量子效率及低的顯色指數的問題。並且，這種白色發光二極體元件具有顯色指數隨著電流密度變化的缺點，而具有難以發出接近太陽光的白色光的缺點。
此外，這種過去的製造方法需要在發光二極體晶片的上部包覆螢光體的製程，所以有製造成本上升的問題。
此外，根據過去的白色發光二極體元件製造方法，對填充在注射反射板內部的樹脂的量、時間及黏度的變化敏感，可能做出根據工作時的條件發出其他顔色的光的二極體元件，降低製程的合格率。
另外，在藍色發光二極體晶片的上部形成螢光體層，從而具有白色發光二極體晶片的整體厚度增大的問題。
本發明是為解決如上述的問題而做出的，本發明所要解決的課題是：最大限度地利用藍色發光二極體晶片的效率的同時，以簡單的製程提供一種具有高顯色指數的高效率的白色發光二極體晶片及其製造方法。
本發明要實現的另一課題是：將藍色發光二極體晶片變換為發出白色光的二極體晶片，可以大幅減小應用該晶片的白色發光二極體元件的厚度的白色發光二極體晶片及其製造方法。
為實現上述課題的根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片製造方法包括：在包括絕緣體基板、形成在上述絕緣體基板上的緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極的藍色發光二極體晶片中，除去上述絕緣體基板的步驟；以及在上述緩衝層下和上述第2披覆層上中的一個以上形成螢光體層的步驟。
在形成上述螢光體層的步驟中，僅在上述緩衝層下和上述第2披覆層上中的某一個形成螢光體層，上述螢光體層為紅色螢光體層或綠色螢光體層。
根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片製造方法，還可以包括形成反射層的步驟。在上述緩衝層下形成上述螢光體層時，上述反射層可以形成在上述螢光體層下；在上述緩衝層下未形成上述螢光體層時，上述反射層可以形成在上述緩衝層下。
形成上述螢光體層的步驟可以包括：在上述緩衝層下形成第1螢光體層的步驟；及在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分形成第2螢光體層的步驟。
上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
根據本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片製造方法，利用包括絕緣體基板、形成在上述絕緣體基板上的緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極的藍色發光二極體晶片製造白色發光二極體晶片。白色發光二極體晶片製造方法包括在上述絕緣體基板下和上述第2披覆層上中的一個以上形成螢光體層的步驟。
在形成上述螢光體層的步驟中，僅在上述絕緣體基板下和上述第2披覆層上中的某一個形成螢光體層，上述螢光體層為紅色螢光體層或綠色螢光體層。
根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片製造方法還可以包括形成反射層的步驟。在上述絕緣體基板下形成上述螢光體層時，上述反射層形成在上述螢光體層下；在上述絕緣體基板下未形成上述螢光體層時，上述反射層可以形成在上述絕緣體基板下。
形成上述螢光體層的步驟可以包括：在上述絕緣體基板下形成第1螢光體層的步驟；及在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分形成第2螢光體層的步驟。
上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
上述紅色螢光體層由對CaAlSiN3 將銪用作活性劑的紅色激發螢光體形成，上述綠色螢光體層由對CaSc2 O4 將鈰用作活性劑的綠色激發螢光體或對BaSrSiO4 將銪用作活性劑的綠色激發螢光體形成。
根據本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片製造方法還可以包括在上述第1螢光體層下形成反射層的步驟。
根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片，可以通過上述的根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片製造方法中的任一種製造方法製造。
根據本發明的一實施例的白色發光二極體晶片包括藍色發光二極體晶片和螢光體層。藍色發光二極體晶片包括緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極。螢光體層形成在上述緩衝層下和上述第2披覆層上中的一個以上。
上述螢光體層可以僅形成在上述緩衝層下和上述第2披覆層上中的某一個；上述螢光體層可以是紅色螢光體層或綠色螢光體層。
根據本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片還可以包括反射層。在上述緩衝層下形成上述螢光體層時，上述反射層可以形成在上述螢光體層下；在上述緩衝層下未形成上述螢光體層時，上述反射層可以形成在上述緩衝層下。
上述螢光體層可以包括：第1螢光體層，形成在上述緩衝層下；及第2螢光體層，形成在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分。
上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個可以是綠色螢光體層。
根據本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片包括藍色發光二極體晶片和螢光體層。藍色發光二極體晶片包括絕緣體基板、形成在上述絕緣體基板上的緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極。
螢光體層形成在上述絕緣體基板下和上述第2披覆層上中的一個以上。
上述螢光體層可以僅形成在上述絕緣體基板下和上述第2披覆層上中的某一個；上述螢光體層為紅色螢光體層或綠色螢光體層。
根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片還可以包括反射層。在上述絕緣體基板下形成上述螢光體層時，上述反射層形成在上述螢光體層下；在上述絕緣體基板下未形成上述螢光體層時，上述反射層形成在上述絕緣體基板下。
上述螢光體層可以包括：第1螢光體層，形成在上述絕緣體基板下；及第2螢光體層，形成在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分。
上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
上述紅色螢光體層由對CaAlSiN3 將銪用作活性劑的紅色激發螢光體形成，上述綠色螢光體層由對CaSc2 O4 將鈰用作活性劑的綠色激發螢光體或對BaSrSiO4 將銪用作活性劑的綠色激發螢光體形成。
根據本發明的再一實施例的白色發光二極體晶片還可以包括形成在上述第1螢光體層下的反射層。
本發明的有益效果如下：根據本發明，白色發光二極體晶片本身可以發出藍色光子、紅色光子、及綠色光子的全部的、具有高顯色指數的高亮度的白色光，並且可以具有使用過去的YAG類螢光體做成的白色發光二極體元件不具備的90以上的高顯色指數。
另外，在晶片本身形成螢光體層，從而可以省略過去在發光二極體晶片上配設螢光環氧樹脂的製程，可以削減製造成本，並且可以減少製程投資費用。
以下參照附圖詳細說明本發明的實施例。
在圖中，為了清楚地表現各層及區域，放大厚度而表示。在整個說明書，對類似的部分附加相同的附圖符號。在說層或膜等的部分位於其他部分“上”或“下”時，這不僅包括就在其他部分“上”或“下”的情況，還包括在其中間有其他部分的情況。相反，某個部分就在其他部分“上”或“下”時，表示其中間沒有其他部分。
首先，參照圖1詳細說明根據本發明一實施例的白色發光二極體晶片及其製造方法。
圖1是根據本發明的一實施例的白色發光二極體晶片的立體圖。
根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片可以在過去的藍色發光二極體晶片的上端和下端中的任一個以上形成螢光體層來實現。
第1圖所示的根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片包括去除位於過去的藍色發光二極體晶片的最下端的絕緣體基板(第1圖未示出)之後分別形成在晶片的下端及上端的紅色螢光體層1171和綠色螢光體層1131。
首先，對用於根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片的製造的過去的藍色發光二極體晶片進行說明。
藍色發光二極體晶片在其最下端包括絕緣體基板。絕緣體基板可以用如藍寶石(Al2 O3 )的絕緣體形成。
在絕緣體基板上依次形成緩衝層115、第1披覆層114、活性層1137、1136、1135、1134、以及第2披覆層1133、113。利用如MOCVD(Metal Oxide Chemical Vapor Deposition：金屬氧化物化學氣相沈積)依次生長緩衝層115、第1披覆層114、活性層1137、1136、1135、1134、以及第2披覆層1133、113之後，利用如反應離子蝕刻的方法蝕刻第2披覆層1133、113和活性層1137、1136、1135、1134的預定的部分，從而可以做出如第1圖所示的形態的層狀結構。例如，緩衝層115可以生長AlGaN類、GaN類、或AlInN類形成，在圖中示出緩衝層115由三個層構成的情況，但緩衝層115的數量不限於此。第1披覆層114可以由摻雜矽(Si)的GaN類形成。活性層1137、1136、1135、1134可以由GaN類或InGaN類的雙異質結構形成。第2披覆層1133、113可以由摻雜鎂(Mg)的AlGaN類和GaN類形成。
並且，陰極電極(N型電極)112和陽極電極(P型電極)111分別形成在第1披覆層114和第2披覆層1133、113。陰極電極112形成在第1披覆層114的上表面中的露出的部分，形成為與活性層1137、1136、1135、1134隔開。
另一方面，在圖中雖未圖示，藍色發光二極體晶片還可以包括形成在第2披覆層113上的、用於在靜電放電中保護晶片的ESD(electrostatic discharge靜電放電)層。這時，形成于藍色發光二極體晶片的上端的螢光體層(在第1圖中用1131指示的層)可以形成在ESD層上，這時當然也屬於本發明的保護範圍。
首先，如上所述，去除位於藍色發光二極體晶片的最下端的絕緣體基板(在第1圖中未圖示)。例如，絕緣體基板可以通過研磨去除。通過去除絕緣體基板，露出位於其上的緩衝層115的下表面。絕緣體基板的材質的特性上降低光的亮度，但是，通過去除絕緣體基板，可以改善從白色發光二極體晶片發出的光的亮度。
根據本發明的實施例，在緩衝層115下或第2披覆層1133、113上中的一個以上形成螢光體層。
紅色螢光體層1171形成在露出的緩衝層115的下表面。紅色螢光體層1171可以蒸鍍或鍍敷紅色激發螢光體(CaAlSiN3 ：Eu)而形成。
另外，綠色螢光體層1131形成在藍色發光二極體晶片的上表面即第2披覆層1133、113的上表面。綠色螢光體層1131可以蒸鍍或鍍敷綠色激發螢光體(CaSc2 O4 ：Ce)
由此，如第1圖所示，實現在緩衝層115下形成紅色螢光體層1171並在第2螢光體層1133、113形成綠色螢光體層1131的白色發光二極體晶片。
另外，如第1圖所示，反射層118還可以形成在紅色螢光體層1171下。反射層118可以蒸鍍如鋁那樣的可反射光的任意的材料形成。通過設置反射層118，向下方前進的光向上方反射而可以改善發光二極體晶片的光效率。
在第1圖中，示出在緩衝層115下和第2披覆層1133、113上均形成螢光體層1171、1131的情況，但是，可以省略這兩個螢光體層1171、1131中的任意一個。此外，在第1圖中，示出在緩衝層115下形成紅色螢光體層1171，在第2披覆層1133、113上形成綠色螢光體層1131的情況，但是也可以在緩衝層115下形成綠色螢光體層，在第2披覆層1133、113上形成紅色螢光體層。
未在緩衝層115下形成螢光體層時，反射層118可以就在緩衝層115下形成。
下面，參照第2圖對本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片及其製造方法進行說明。
第2圖是根據本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片的立體圖。
根據本實施例的白色發光二極體晶片在未除去過去的藍色發光二極體晶片的絕緣體基板的狀態下包括分別形成在晶片下端及上端的紅色螢光體層1171和綠色螢光體層1131。
不同於參照第1圖說明的實施例，藍色發光二極體晶片的絕緣體基板116未被去除的狀態下紅色螢光體層1171形成在絕緣體基板116的下表面。
另外，如第2圖所示，反射層118還可以形成在紅色螢光體層1171下。
在第2圖中，示出在絕緣體基板116下和第2披覆層1133、113上均形成螢光體層1171、1131的情況，但是可以省略這兩個螢光體層1171、1131中的任意一個。此外，在第2圖中，示出在絕緣體基板116下形成紅色螢光體層1171，在第2披覆層1133、113上形成綠色螢光體層1131的情況，但是，在本發明的再一實施例中，可以在絕緣體基板116下形成綠色螢光體層，在第2披覆層1133、113上形成紅色螢光體層。
在絕緣體基板116下未形成螢光體層時，反射層118可以就在絕緣體基板116下形成。
在上述的實施例中，紅色螢光體層1171可以由對CaAlSiN3 將銪用作活性劑的紅色激發螢光體(CaAlSiN3 ：Eu)形成，綠色螢光體層1131可以由對CaSc2 O4 將鈰用作活性劑的綠色激發螢光體(CaSc2 O4 ：Ce)或對(BaSr)SiO4 將銪用作活性劑的綠色激發螢光體((BaSr)SiO4 ：Eu)形成。
根據本發明的實施例，活性層1137、1136、1135、1134發出430至465nm波帶的藍色光子，該藍色光子通過紅色螢光體層1171的同時，由紅色激發螢光體激發為620至650nm波帶的光譜峰值波長，該藍色光子通過綠色螢光體層1131的同時，由綠色激發螢光體激發為500至580nm波帶的波長。由此，同時發出紫色光(430至650nm波帶的光)和藍綠色(cyan)光(430至580nm波帶的波長的光)，發出整個可見光區域(400至800nm波長)。由此，根據本發明的實施例，可以實現發出高顯色指數的高亮度的光的白色發光二極體晶片。
此外，僅形成紅色螢光體層和綠色螢光體層中的任意一個時，可以實現發出紫色光(430至650nm波帶的波長的光)和藍綠色光(430至580nm波帶的波長的光)中的任意一個區域的可見光區域的白色發光二極體晶片。
以上，說明了本發明的實施例，但是本發明的權利要求範圍不限於此，包括本發明所屬技術領域的普通技術人員容易根據本發明的實施例變更而被認為等同的範圍的所有變更及修改。
111．．．陽極電極
112．．．陰極電極
113、1133．．．第2披覆層
114．．．第1披覆層
115．．．緩衝層
116．．．絕緣體基板
118．．．反射層
1131．．．綠色螢光體層
1134、1135、1136、1137．．．活性層
1171．．．紅色螢光體層
第1圖是根據本發明的實施例的白色發光二極體晶片的立體圖。
第2圖是根據本發明的另一實施例的白色發光二極體晶片的立體圖。
111．．．陽極電極
112．．．陰極電極
113、1133．．．第2披覆層
114．．．第1披覆層
115．．．緩衝層
118．．．反射層
1131．．．綠色螢光體層
1134、1135、1136、1137．．．活性層
1171．．．紅色螢光體層

Claims (14)

  1. 一種白色發光二極體晶片製造方法，其特徵在於，包括：在包括絕緣體基板、形成在上述絕緣體基板上的緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極的藍色發光二極體晶片中，除去上述絕緣體基板的步驟；在上述緩衝層下形成第1螢光體層的步驟；以及在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分形成第2螢光體層的步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項的白色發光二極體晶片製造方法，復包括在上述第1螢光體層下形成反射層的步驟。
  3. 如申請專利範圍第1項的白色發光二極體晶片製造方法，其中，上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
  4. 一種白色發光二極體晶片製造方法，其特徵在於，利用包括絕緣體基板、形成在上述絕緣體基板上的緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別 形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極的藍色發光二極體晶片製造白色發光二極體晶片；在上述絕緣體基板下形成第1螢光體層的步驟；以及在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分形成第2螢光體層的步驟。
  5. 如申請專利範圍第4項的白色發光二極體晶片製造方法，復包括在上述第1螢光體層下形成反射層的步驟。
  6. 如申請專利範圍第4項的白色發光二極體晶片製造方法，其中，上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
  7. 如申請專利範圍第3或6項所述的白色發光二極體晶片製造方法，其中，上述紅色螢光體層由對CaAlSiN3 將銪用作活性劑的紅色激發螢光體形成，上述綠色螢光體層由對CaSc2 O4 將鈰用作活性劑的綠色激發螢光體或對BaSrSiO4 將銪用作活性劑的綠色激發螢光體形成。
  8. 一種白色發光二極體晶片，其特徵在於，包括：藍色發光二極體晶片，其包括緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使 上述第1披覆層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極；第1螢光體層，形成在上述緩衝層下；以及第2螢光體層，形成在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分。
  9. 如申請專利範圍第8項的白色發光二極體晶片，復包括在上述第1螢光體層下形成的反射層。
  10. 如申請專利範圍第8項的白色發光二極體晶片，其中，上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
  11. 一種白色發光二極體晶片，其特徵在於，包括：藍色發光二極體晶片，其包括絕緣體基板、形成在上述絕緣體基板上的緩衝層、形成在上述緩衝層上的第1披覆層、形成在上述第1披覆層上而使上述第1包層的上表面中的一部分露出的活性層、形成在上述活性層上的第2披覆層、及分別形成在上述第2披覆層和上述第1披覆層的陽極電極和陰極電極；第1螢光體層，形成在上述絕緣體基板下；以及第2螢光體層，形成在上述第2披覆層上中的除上述陽極電極以外的部分。
  12. 如申請專利範圍第11項的白色發光二極體晶片，復包括在上述第1螢光體層下形成的反射層。
  13. 如申請專利範圍第11項的白色發光二極體晶片，其中， 上述第1螢光體層和上述第2螢光體層中的任一個是紅色螢光體層，剩餘的一個是綠色螢光體層。
  14. 如申請專利範圍第10或13項所述的白色發光二極體晶片，其中，上述紅色螢光體層由對CaAlSiN3 將銪用作活性劑的紅色激發螢光體形成，上述綠色螢光體層由對CaSc2 O4 將鈰用作活性劑的綠色激發螢光體或對BaSrSiO4 將銪用作活性劑的綠色激發螢光體形成。
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