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TWI389341B - 發光元件 - Google Patents

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TWI389341B
TWI389341B TW097119328A TW97119328A TWI389341B TW I389341 B TWI389341 B TW I389341B TW 097119328 A TW097119328 A TW 097119328A TW 97119328 A TW97119328 A TW 97119328A TW I389341 B TWI389341 B TW I389341B
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Min Hsun Shieh
Chien Yuan Wang
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Description

發光元件
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。
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二波長光，另一部份未進行波長轉換的第一波長光與第二波長光會進行混光而生成白光。上述將第一波長光轉換成波長較長的第二波長光的現象，即所謂的「頻譜下轉換(down-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來產生白光的運用。例如，使用一波長為390nm之紫外光發光二極體，來激發紅、藍、綠三種顏色的螢光粉，可以產生紅、藍、綠三種顏色的光，再經過混光後便可以產生白光。上述利用紫外光與螢光粉搭配產生白光的作法，其主要的缺點是元件壽命不長。另一作法為利用一波長為450~470nm之藍色發光二極體搭配鈰激活的釔鋁石榴石(YAG：Ce)系列的螢光粉產生 白光。該作法所產生的白光，其色溫分布在6000~8000 K，且其演色性係數(color rendering index)大約介於70~75之間。然而，此做法仍然有色溫變異範圍過大，以及在高電流密度驅動下，會導致發光二極體的量子效率不穩定的現象。由於在同一晶圓所產生的複數發光二極體元件，其色溫的變異範圍太大，所以通常需要在晶圓完成切割後，增加一篩檢的步驟，才可以得到一色溫變異相對穩定的白光二極體元件，但如此一來便增加了製造成本。還有另一作法，將紅、藍、綠三種顏色的發光二極體晶粒利用環氧樹脂封裝成一個燈泡，其最少需要四條導線來傳輸電流；這種多晶粒封裝的作法，結構相對複雜，且成本也高於其他作法。綜上所述，如何改善目前一般白光發光元件的發光效率與色彩品質，便成為一個重要的課題。
本發明之一實施例係提供一發光元件，尤其是一具有波長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，用以吸收第一波長光而發出第二波長光，其中第一波長光之波長小於430nm，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之間，且驅動電流密度大於350mA/cm2。
本發明之另一實施例係提供一晶圓，包含一發光疊層，可發出第一波長光，以及一波長轉換層位於發光疊層的上方，用以吸收第一波長光而發出第二波長光，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。
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。
第1圖顯示具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。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Wd1是代表波長為460nm之發光二極體，由Wd1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Wd1(460nm)與Wd2(425nm)的曲線變化，可以發現當電流密度大於200mA/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Wd1(460nm)緩慢；而且Wd2(425nm)的相對發光效率皆高於Wd1(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 驅動電流密度下的操作。
第2圖顯示發光二極體元件於驅動電流密度於350 mA/cm2下，其相對發光效率與波長之關係圖。橫軸代表發光二極體的波長，縱軸代表發光二極體的相對發光效率。如圖所示，當發光二極體元件之波長介於400nm~440nm時，其發光功率(WPE)較大，且較佳為介於410nm~425nm。第3圖顯示發光二極體之波長與矽酸鋇系列之螢光粉(Ba2SiO4：Eu)之相對激發強度的關係圖。如圖所示，當發光二極體之波長愈短，矽酸鋇系列之螢光粉(Ba2SiO4：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410nm時，其發光功率(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410nm~425nm之氮化銦鎵(InGaN)系列發光二極體，並使用混合矽酸鋇系列之螢光粉(Ba2SiO4：Eu)之環氧樹脂進行封裝。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 二極體，如第4圖所示。其詳細流程包含：於晶圓上形成一波長為410~425nm之發光疊層；並沉積一波長轉換層(如螢光粉層)於上述發光疊層之上方，以形成一螢光粉塗佈晶圓。其中沉積螢光粉層包含以下幾種方法，如電子束蒸鍍法(electron beam evaporation)、熱蒸鍍法(thermal evaporation)、射頻濺鍍法(RF-sputtering)、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)或原子層磊晶法(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。然後將上述螢光粉塗佈晶圓，切割成複數個晶粒後，使用樹脂將上述之晶粒封裝成發光元件。
於上述製程中，同一晶圓上所形成的發光疊層，其波長有特定的分佈，並不會完全相同，大約有5~10nm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(Ba2SiO4：Eu)，於同一晶圓所得到的晶粒，其色溫變異可控制在300K以內，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矽酸鋇(鍶)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。
第6圖顯示本發明之背光模組結構。其中背光模組裝置600包含：由本發明上述任意實施例之發光元件611所構成的一光源裝置610；一光學裝置620置於光源裝置610之出光路徑上，將光做適當處理後出光；以及一電源供應系統630，提供上述光源裝置610所需之電源。
第7圖顯示本發明之照明裝置結構。上述照明裝置700可以是車燈、街燈、手電筒、路燈、指示燈等等。其中照明裝置700包含：一光源裝置710，係由本發明上述之任意實施例的發光元件711所構成；一電源供應系統720，提供光源裝置710所需之電源；以及一控制元件730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。
600‧‧‧背光模組裝置
610‧‧‧光源裝置
611‧‧‧發光元件
620‧‧‧光學裝置
630‧‧‧電源供應系統
700‧‧‧照明裝置
710‧‧‧光源裝置
711‧‧‧發光元件
720‧‧‧電源供應系統
730‧‧‧控制元件
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350 mA/cm2下其相對發光效率與波長之關係圖。
第3圖 係螢光粉Ba2SiO4：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 係螢光粉直接塗佈製程(phosphor-on-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。
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。

Claims (25)

  1. 一發光元件，包含：一發光結構可發出一第一波長光，以及一波長轉換層位於該發光結構之上方，用以吸收該第一波長光而發出一第二波長光，其中該第一波長光之波長介於400nm與440nm，且該發光結構的驅動電流密度大於350mA/cm2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一波長光之波長是介於410nm~425nm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，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。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該波長轉換層是選自矽酸鋇(鍶)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其組合等材料。
  5. 如申請專利範圍第1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。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光結構可以是一發光二極體。
  7. 一晶圓，包含：一發光疊層形成於該晶圓上，可發出一第一波長光，以及一波長轉換層位於該發光疊層之上方，用以吸收該第一波長光而發出一第二波長光，其中該第一波長光之波長小於430nm。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之晶圓，其中該第一波長光之波長是介於410nm~425nm之間。
  9. 如申請專利範圍第7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。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之晶圓，其中該波長轉換層是選自矽酸鋇(鍶)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其組合等材料。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之晶圓，其中該晶圓可被切割成複數個晶粒。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之晶圓，其中該晶粒之驅動電流密度大於200mA/cm2。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之晶圓，其中該些晶粒之色溫實質上相同。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之晶圓，其中該些晶粒之色溫的差異小於300K。
  15. 如申請專利範圍第7項所述之晶圓，其中該波長轉換層是由一薄膜製程所形成，如電子束蒸鍍法(electron beam evaporation)、熱蒸鍍法(thermal evaporation)、射頻濺鍍法(RF-sputtering)、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)或原子層磊晶法(atomic layer epitaxy)。
  16. 如申請專利範圍第7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。
  17. 一晶圓，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。
  18. 如申請專利範圍第17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。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之晶圓，其中該發光疊層所發出的一第一波長光，其波長介於410nm~425nm之間。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之晶圓，其中驅動該些晶粒之驅動電流密度大於200mA/cm2。
  21. 如申請專利範圍第17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。
  22. 如申請專利範圍第17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。
  23. 如申請專利範圍第22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。
  24. 一種背光模組裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~6項所述之發光元件所組成；一光學裝置，置於該光源裝置之出光路徑上；以及一電源供應系統，提供該光源裝置所需之電源。
  25. 一種照明裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~6項所述之發光元件所組成；一電源供應系統，係提供該光源裝置所需之電源；以及一控制元件，係控制該電源輸入該光源裝置。
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