TWI452671B - Production Method and Device of Stereo Stacked Light Emitting Diode - Google Patents

Description

立體堆疊發光二極體的製作方式及裝置

本發明係有關一種發光二極體及其製作方法，特別是指一種立體堆疊發光二極體及其製作方法。

發光二極體(LED)是1960年代所發展的一種特殊的半導體二極體形式。最簡單的發光二極體型態包括由p-型半導體與n-型半導體之間所形成的pn接面(pn junction)。當電流通過上述pn接面時，便產生電荷載子，即電子與電洞。於此過程中，電子與電洞結合而以光子(photon)形式釋放出能量。現今之高效能發光二極體(LED)更包括有一或多層之發光層，其係夾置於p－型與n－型半導體區域之間，以改善發光效能。上述的一或多層之發光層係用以獲致所欲之發光波長。發光二極體之基本結構包括小塊的上述材料疊層，通稱做晶粒(die)。晶粒可置於框架(frame)或基板(baseboard)上，供電性接觸或機械性承載，並且膠封以保護。

就發光二極體而言，發光波長決定於發光材料層的能隙(band－gap)的能量差。適合做為發光層材料的化合物半導體具有相對應於近紅外線、可見光、或近紫外光的能隙。銦磷化鋁鎵(AlGaInP)係典型用於發光二極體的材料之一，因其具有高量子發光效能，即高亮度，與可調變顏色的特性。(Al_x Ga_1-x )_1-y In_y P合金系統的能隙變化，隨著化合物中x與y值而定。AlGaInP發光二極體的顏色範圍介於綠光至紅光之間。AlGaInP發光二極體必須製作於晶格匹配之砷化鎵(GaAs)基板上，利用磊晶成長製程，例如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)形成。

於1990年代，氮化鎵(GaN)系的紫光、藍光及綠光LED相繼被研發出。氮化鎵系直接能隙半導體，其能隙之能階差值大抵為3.4電子伏特(eV)。於氮化鎵中電子一電洞再結合所發出光子的波長為360nm，亦即於紫外光的範圍。可見光波長(綠光、藍光、與紫光)的LED可使用由In_z Ga_1-z N做為發光層，且夾置於p-型GaN層與n-型GaN層之間。In_z Ga_1-z N LED系統的發光波長λ變化，隨著化合物中z值而定。例如，對純藍光(波長λ=470nm)而言，z值等於0.2。同樣地，氮化鎵發光二極體必須製作於晶格匹配之藍寶石(sapphire)或碳化矽(SiC)基板上，利用磊晶成長製程，例如有機金屬化學氣相沉積法形成。

許多習知技藝致力研發於以白光LED取代傳統的光源。目前白光LED可由以下各種方式達成：

(1).設置分離獨立的紅光、綠光、及藍光LED於一“光源”中，並且藉由各種光學元件混合上述分離獨立LED所發出的紅光、綠光、及藍光。然而，由於不同顏色的LED所需的操作電壓不同，因而需要多重控制電路。再者，不同顏色的LED的壽命亦彼此不同。長時間使用後，當有LED退化或失效，其混合的光也會明顯的改變。

(2).藉由磷光材料將部分短波長的光轉換成長波長的光。最常使用的方法之一是將黃色磷光粉設置於藍光InGaN LED晶片的周圍。黃色磷光粉的材質係銫(Ce)摻雜於釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet)晶體中，即YAG：Ce。部分的InGaN LED晶片所發出的藍光被YAG：Ce轉換成黃光。然而，上述方法所產生的白光僅包含兩種顏色：藍光與黃光。此種光源適用於指示燈。

(3).為產生白光，利用極短波長LED所產生的UV光以激發多磷光材料產生不同顏色的光混合。此方法的缺點係UV LED的壽命相對其他LED短。尤有甚者，LED所發出UV光對人體有害，目前大部分的封裝材料仍無法完全有效的阻隔UV輻射。

習知技術中已經發展出許多具高效能及色度佳的白光LED光源。舉例來說，Guo等人於“Photon－Recycling for High Brightness LEDs”，compound semiconductor 6(4) May/June,2000中揭露光子再利用的概念以產生高亮度的白光LED。光子再利用係一種短波長的光子被一種發射材料吸收的過程，上述發射材料能再釋放出長波長的光子。基本上，光子再利用半導體(photon recycling semiconductor，PRS)發光二極體可有效的發出白光亮度至330 lumen/watt。然而，PRS－LED的缺點係其極低的色彩轉換指數(color－rendering index)。

Guo等人所提供的雙色PRS－LED包括一第一色光源及一第二色光源。該第二色光源具有一第二發光層。該第一色光源係用以產生藍光。產生的藍光指向該第二發光層，致使部分的藍光被吸收且在再發光(re－emitting)的過程中產生黃光。基本上，PRS－LED所產生的雙色光子類似於磷光材料塗佈之LED。然而，不同於磷光材料塗佈的LED是該第二發光源包括磷光半導體材料(AlGaInP)，直接鍵結於第一發光源晶圓上。因此，於晶圓上直接製作雙色PRS－LED得以實現。

第1圖是習知技術之PRS－LED結構的剖面示意圖。於第1圖中，PRS－LED結構10包括一透明的基板12，例如藍寶石基板。第一色光源及第二色光源位於基板12的相對面上。第一色光源包括一p－型GaN層14、一由InGaN所構成的主動層16、及一n－型GaN層18，上述各層係利用磊晶成長於基板12上。第二色光源包括AlGaInP層22。該AlGaInP層22係磊晶成長於一GaAs基板(圖中未示)上，然後藉由黏結材料24黏結於基板12上。GaAs基板後續藉化學輔助研磨(chemical－assisted polishing)法及選擇性濕蝕刻法移除。接著，圖案化該第一色光源，並由鋁材構成的n－型接觸26與p－型接觸28。n－型接觸26是沉積於n－型GaN層18區域上。p－型接觸28是沉積於p－型GaN層14區域上。

第一色光源之輸出係由電流注入主動層16所產生，第一色光源的波長大約為470nm(藍光)。於操作時，部分的第一色光源所發出的光子被AlGaInP層22吸收，並且再發光(或再利用)成具有較長波長的光子型態。而該AlGaInP層22的組成係可選用能使“再發光”光子型態的波長大約為570nm(黃光)。由於第一色光源與第二色光源的發光顏色為互補，因此結合後的光輸出對人的肉眼而言為白光。但就上述PRS－LED的結構而論，所發出的白光包括470nm的藍光及570nm的黃光，其中並不包含650nm紅光，導致演色性較差。

有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種展新的立體堆疊發光二極體及其製作方法，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種立體堆疊發光二極體及其製作方法，其利用能隙較高，波長較短的材料可以被能隙較低，波長較長的材料所發出的光穿透並混合一起發出之特性，再搭配三度空間的堆疊的形式，來構成一種嶄新的混光的發光裝置，以發出所需要的光。

本發明之另一目的在提供一種立體堆疊發光二極體及其製作方法，其能有效提高單位面積密集度。

本發明之再一目的在提供一種立體堆疊發光二極體及其製作方法，其結構與製作較為簡單，整體成本也較低。

為達上述之目的，本發明提供一種立體堆疊發光二極體，其包含有一基板；至少一堆疊於基板上的第一發光二極體；以及至少一堆疊於第一發光二極體上的第二發光二極體，第一發光二極體之能隙小於第二發光二極體之能隙。

本發明尚提出一種製作上述之立體堆疊發光二極體的方法，其步驟包含有：先提供一基板；於基板上堆疊至少一第一發光二極體；提供一第一可透光材，於第一可透光材上堆疊至少一第二發光二極體；以及將第一可透光材接合於第一發光二極體上，其中第一發光二極體之能隙小於第二發光二極體之能隙。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明之立體堆疊發光二極體及其製作方法是利用能隙較高，波長較短的材料可以被能隙較低，波長較長的材料所發出的光穿透並且混合一起發出，以及空間上三度空間的堆疊的形式，來形成一種混光的發光裝置，以發出所需要的光，因此不同於一般的平面上混光的發光二極體。

因本發明之立體堆疊發光二極體的結構須按照一定的順序來排列，需考慮上層之發光二極體，是否會對下層之發光二極體造成光線之抯擋與吸收，而平面型則無此顧慮，因此本發明之立體堆疊發光二極體需按一定的排列組合，愈上方之發光二極體的能隙必需愈寬，假設最上層的發光二集體的能隙為Eg1，其次為Eg2，Eg3，Eg4...等等，而本發明的結構之所需條件為Eg1>Eg2>Eg3>Eg4....等，按照這種發光方式，根據物理學裡的定理，能隙越大的發光二極體波長較短，換言之說愈上方之發光二極體的能隙愈大，被其吸收光的能量愈高，而對於波長較長的光因為其能量不高，故較不易被吸收，因此對於能量較低也就是波長較長之光源，對於能隙較大的短波長發光二極體來說是透明的，因為透明便可以使能量較低也就是波長較長之光源直接穿透。

實施方式

舉例來說，將二種以上之發光二極體加以組合後就可以發出各種不同的光色，這種方式雖然與平面式的封裝方式相同，但是本案可以使其更為密集，就單位面積可產生各種不同波長，如此一來就可作到面積較小，就現今目前科技進步中，體積小型化是非常重要的關鍵，輕薄短小更是各種電子產品未來發展的方向，本案所揭示之堆疊式發光二極體即符合以上特點。

下列實施例中所提到的堆疊之方式可以選擇性的利用晶圓接合(waver bonding)或覆晶技術(Flip-Chip)來完成。

請參閱第2(a)圖，其係本發明之立體堆疊發光二極體的一實施例示意圖。如圖所示，本發明之立體堆疊發光二極體30包含有一基板32，其表面上設有一反射層34，例如金屬層；至少一堆疊於基板32之反射層34上的第一發光二極體36；一第一可透光材38，其係堆疊於第一發光二極體36上，第一可透光材38之表面上堆疊有至少一第二發光二極體模組40，其中第一發光二極體36之能隙小於第二發光二極體40之能隙。

再者，第一可透光材38頂面設置有一第一導電層42，以與第二發光二極體40形成電性連接。此達成電性連接之接合方式可如圖所示於第二發光二極體40底面設置有至少一凸塊44，以覆晶方式接合於第一導電層42上。

在第一發光二極體36與第二發光二極體40的選用上，舉例來說，當第一發光二極體36為紅光發光二極體時，第二發光二極體40為黃光發光二極體，如此將可以發出暖白光。當第一發光二極體36為綠光發光二極體時，第二發光二極體40為藍光發光二極體，如此將可以發出冷白光。當第一發光二極體36為紅光發光二極體或琥珀色發光二極體時，第二發光二極體40為藍光發光二極體，如此將可以發出冷白光。

以第2(a)圖之實施例為範例時，其製程步驟如第2(b)圖所示，先步驟S1所述，提供一基板32；如步驟S2所述，於基板上成長一反射層34；如步驟S3所述，於基板32之反射層34上堆疊至少一第一發光二極體36；如步驟S4所述，提供一第一可透光材38，並於第一可透光材38上堆疊至少一第二發光二極體40，此處的堆疊方式可以利用覆晶技術，也就是於第二發光二極體40底面設置有第一凸塊44，第一可透光材38表面設有第一導電層42，利用第一凸塊44與第一導電層42形成電性接合；最後，如步驟S5所述，將第一可透光材38底面接合於第一發光二極體36上。

請參閱第3(a)圖，其係本發明之立體堆疊發光二極體的另一實施例示意圖。此實施例與第2(a)圖的差異在於更包含有一第二可透光材46，且第二可透光材46上設有至少一第三發光二極體48，第二可透光材46係堆疊於第二發光二極體40上，第二發光二極體40之能隙小於第三發光二極體48之能隙。上述之第二可透光材46頂面設置有一第二導電層50，第二發光二極體40底面設置有至少一凸塊52，以形成覆晶接合。

製作第3(a)圖之步驟則如第3(b)圖所示，其與第2(b)圖之步驟差異在於更包含有一步驟S6與一步驟S7。步驟S6係提供一第二可透光材46，於第二可透光材46上堆疊至少一第三發光二極體48。隨後，步驟S7所述，將第二可透光材46之堆疊於第二發光二極體40上。

在此實施例中，當第一發光二極體36為紅光發光二極體，第二發光二極體40為綠光發光二極體，第三發光二極體48為藍光，如此將可以發出正白光、暖白光或冷白光。

當第一發光二極體36為混合色發光二極體，第二發光二極體40為綠光發光二極體，第三發光二極體48為藍光發光二極體，如此將可以混出冷白發光元件。

請參閱第4圖，其係本發明之立體堆疊發光二極體的另一實施例示意圖。此實施例與第2(a)圖的差異在於第一發光二極體36之表面上更塗佈有一螢光粉層54。

舉例來說，第一發光二極體36為藍光發光二極體，螢光粉層54為黃光螢光粉層，第二發光二極體40為紅光或琥珀色發光二極體，如此將可以發出冷白光。

請參閱第5圖，其係本發明之立體堆疊發光二極體的另一實施例示意圖。此實施例係用以說明除了採單一發光二極體晶粒封裝以外，更可以使用多晶粒組合以符合目前的固態照明的需求。例如圖示中，第一發光二極體36、第二發光二極體40與第三發光二極體48皆採三個晶粒組合。

此外，利用覆晶技術來堆疊時，是利用凸塊結合晶片，相較於習知發光二極體利用打線接合的方式，較方便結合晶片、導電亦較容易，且因為利用覆晶技術是將發光二極體晶片倒裝，因此被電極擋住出光的面積減少，因此出光效率也會增加。

綜上所述，本發明是一種嶄新的立體堆疊發光二極體及其製作方法，其係利用光子傳輸結構(photon transmission structure)，有別於利用”光子再利用半導體(photon recycling semiconductor，PRS)”的立體封裝結構。本發明之光子傳輸結構是利用能隙較高，波長較短的材料所發出的光可以被能隙較低，波長較長的材料穿透並且混合一起發出。此外本發明不只可以使用兩種光源混合發出白光，並且可以利用三原色紅，綠，藍來混出演色性較佳的白光。

本發明可藉由調整所搭配之發光二極體，以產生所需的各種波長光線，且相較於傳統平面配置多種顏色發光二極體面積小，在單位面積上也能配置更多發光二極體，因此可有效提升整體的經濟效益、導電性以及亮度較佳，電子電洞對配較為容易，使得本發明之結構在製造上較為簡單，整體成本也較低。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10．．．PRS－LED結構

12．．．基板

14．．．p－型GaN層

16．．．主動層

18．．．n－型GaN層

22．．．AlGaInP層

24．．．黏結材料

26．．．n－型接觸

28．．．p－型接觸

30．．．立體堆疊發光二極體

32．．．基板

34．．．反射層

36．．．第一發光二極體

38．．．第一可透光材

40．．．第二發光二極體

42．．．第一導電層

44．．．第一凸塊

46．．．第二可透光材

48．．．第三發光二極體

50．．．第二導電層

52．．．凸塊

54．．．螢光粉層

第1圖是習知技術之PRS－LED結構的剖面示意圖。

第2(a)圖是本發明之立體堆疊發光二極體的一實施例示意圖。

第2(b)圖是製作第2(a)圖之立體堆疊發光二極體的步驟流程圖。

第3(a)圖是本發明之立體堆疊發光二極體的一實施例示意圖。

第3(b)圖是製作第3(a)圖之立體堆疊發光二極體的步驟流程圖。

第4圖是本發明之立體堆疊發光二極體的另一實施例示意圖。

第5圖是本發明之立體堆疊發光二極體的另一實施例示意圖。

30．．．立體堆疊發光二極體

32．．．基板

34．．．反射層

36．．．第一發光二極體

38．．．第一可透光材

40．．．第二發光二極體

42．．．第一導電層

44．．．第一凸塊

Claims (12)

1. 一種立體堆疊發光二極體，其包含有：一基板；至少一第一發光二極體，其係堆疊該基板上；以及至少一第二發光二極體，其係堆疊於該第一發光二極體上，該第一發光二極體之能隙小於該第二發光二極體之能隙，該第一發光二極體與該第二發光二極體間設有一第一可透光材，該第一可透光材頂面設置有一第一導電層，以與該第二發光二極體電性連接，且沒有設置濾光片。
2. 如請求項1所述之立體堆疊發光二極體，其中該基板設有一反射層。
3. 如請求項1所述之立體堆疊發光二極體，其中該第二發光二極體底面設置有至少一凸塊，以接合於該第一導電層上。
4. 如請求項1所述之立體堆疊發光二極體，更包含有一第二可透光材，該第二可透光材上設有至少一第三發光二極體，該第二可透光材係堆疊於該第二發光二極體上，該第二發光二極體之能隙小於該第三發光二極體之能隙。
5. 如請求項4所述之立體堆疊發光二極體，其中該第二可透光材頂面設置有一第二導電層，以與該第三發光二極體電性連接。
6. 如請求項5所述之立體堆疊發光二極體，其中該第三發光二極體底面設置有至少一第二凸塊，以接合於該第二導電層上。
7. 如請求項1所述之立體堆疊發光二極體，其中該第一或第二發光二極體之最上側塗佈有一螢光粉層。
8. 一種立體堆疊發光二極體的製作方法，其包含有下列步驟： a.提供一基板；b.於該基板上堆疊至少一第一發光二極體；c.提供一第一可透光材，該第一可透光材上形成一第一導電層，其上堆疊至少一第二發光二極體，該第一導電層與該第二發光二極體電性連接；以及d.將該第一可透光材接合於該第一發光二極體上，其中該第一發光二極體之能隙小於該第二發光二極體之能隙。
9. 如請求項8所述之立體堆疊發光二極體的製作方法，其中於該步驟b前，先於該基板一側形成一反射層。
10. 如請求項8所述之立體堆疊發光二極體的製作方法，更包含有一步驟e，該步驟e係包含有：提供一第二可透光材，於該第二可透光材上堆疊至少一第三發光二極體；以及將該第二可透光材接合於該第二發光二極體上，其中該第二發光二極體之能隙小於該第三發光二極體之能隙。
11. 如請求項10所述之立體堆疊發光二極體的製作方法，更包含有於該第二可透光材上形成一第二導電層，以與該第三發光二極體電性連接。
12. 如請求項8所述之立體堆疊發光二極體的製作方法，其中於該步驟b後更包含於該第一或第二發光二極體之最上側上塗佈一螢光粉層。