專利名稱：發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于發(fā)光元件，尤其是具有波長轉(zhuǎn)換層的發(fā)光二極管元件。
技術(shù)背景發(fā)光二極管與傳統(tǒng)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(yōu)越特性，所以被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域之中，例如交通標(biāo)志、背光 模塊、路燈照明、醫(yī)療設(shè)備與通訊儲存裝置等產(chǎn)業(yè)。隨著藍(lán)光與紫外光等短波長的發(fā)光二極管的發(fā)光效率不斷提升，使得利 用波長轉(zhuǎn)換機(jī)制來產(chǎn)生白光的設(shè)計，已成為重要的技術(shù)領(lǐng)域。例如，利用發(fā) 光二極管所發(fā)出來的第一波長光， 一部份被熒光粉吸收，并轉(zhuǎn)換成波長較第 一波長光長的第二波長光，另一部份未進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的第一波長光與第二波 長光會進(jìn)行混光而生成白光。上述將第一波長光轉(zhuǎn)換成波長較長的第二波長光的現(xiàn)象，即所謂的「頻譜下轉(zhuǎn)換(down-conversion ) J。上述已知技術(shù)衍生出許多利用藍(lán)光或紫外光發(fā)光二極管來產(chǎn)生白光的 運(yùn)用。例如，使用波長為390nm的紫外光發(fā)光二極管，來激發(fā)紅、藍(lán)、綠三 種顏色的熒光粉，可以產(chǎn)生紅、藍(lán)、綠三種顏色的光，再經(jīng)過混光后便可以 產(chǎn)生白光。上述利用紫外光與熒光粉搭配產(chǎn)生白光的作法，其主要的缺點(diǎn)是 元件壽命不長。另一作法為利用波長為450~470nm的藍(lán)色發(fā)光二極管搭配 鈰激活的釔鋁石榴石(YAG:Ce)系列的熒光粉產(chǎn)生白光。該作法所產(chǎn)生的白 光，其色溫分布在6000 8000 K，且其演色性系數(shù)(color rendering index ) 大約介于70 75之間。然而，此做法仍然有色溫變異范圍過大，以及在高電 流密度驅(qū)動下，會導(dǎo)致發(fā)光二極管的量子效率不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于在同一晶 片所產(chǎn)生多個發(fā)光二極管元件，其色溫的變異范圍太大，所以通常需要在晶 片完成切割后，增加一篩檢的步驟，才可以得到色溫變異相對穩(wěn)定的白光二 極管元件，但如此一來便增加了制造成本。還有另一作法，將紅、藍(lán)、綠三 種顏色的發(fā)光二極管管芯利用環(huán)氧樹脂封裝成一個燈泡，其最少需要四條導(dǎo) 線來傳輸電流；這種多管芯封裝的作法，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且成本也高于其他作法。綜上所述，如何改善目前一般白光發(fā)光元件的發(fā)光效率與色彩品質(zhì)， 便成為一個重要的課題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的 一 實施例提供一種發(fā)光元件，尤其是具有波長轉(zhuǎn)換機(jī)制的發(fā)光 元件，其包含可發(fā)出第一波長光的發(fā)光結(jié)構(gòu)，以及位于發(fā)光結(jié)構(gòu)的上方的波 長轉(zhuǎn)換層，用以吸收第一波長光而發(fā)出第二波長光，其中第一波長光的波長小于430nm，且驅(qū)動發(fā)光結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電流密度大于200mA/cm2。優(yōu)選是第一 波長光的波長介于410 425nm之間，且驅(qū)動電流密度大于350mA/cm2。本發(fā)明的另一實施例提供一種晶片，包含一發(fā)光疊層，可發(fā)出第一波長 光，以及一波長轉(zhuǎn)換層，位于發(fā)光疊層之上方，用以吸收第一波長光而發(fā)出 第二波長光，其中第一波長光的波長小于430nm。優(yōu)選是第一波長光的波長 介于410 425nm之間。本發(fā)明的再一實施例是提供一種晶片，包含發(fā)光疊層，以及位于發(fā)光疊 層之上方的波長轉(zhuǎn)換層，且晶片可被切割成許多管芯，其中這些管芯的色溫 的差異小于300K。本發(fā)明更提出 一種熒光粉直接涂布工藝的方法，包含于晶片上形成波長 為410~425nm的發(fā)光疊層；沉積波長轉(zhuǎn)換層(如熒光粉)于上述發(fā)光疊層 的上方，以形成熒光粉涂布晶片；將上述熒光粉涂布晶片，切割成多個管芯； 以樹脂將上述的管芯封裝成發(fā)光元件。


圖1是不同波長的發(fā)光二極管在不同驅(qū)動電流密度下的相對發(fā)光效率關(guān) 系圖。圖2是發(fā)光二極管元件于驅(qū)動電流密度350 mA/cn^下其相對發(fā)光效率 與波長的關(guān)系圖。圖3是熒光粉Ba2Si04:Eu相對激發(fā)強(qiáng)度與發(fā)光二極管元件的發(fā)光波長的 關(guān)系圖。圖4是熒光粉直4妻涂布工藝(phosphor-on-chip process)的流程圖。 圖5是白光發(fā)光二極管元件于不同波長下的色溫分布關(guān)系圖。 圖6是利用本發(fā)明的背光模塊結(jié)構(gòu)圖。5圖7是利用本發(fā)明的照明裝置結(jié)構(gòu)圖主要元件符號說明600背光模塊裝置 610光源裝置611發(fā)光元件 630電源供應(yīng)系統(tǒng) 710光源裝置 720電源供應(yīng)系統(tǒng)620光學(xué)裝置 700照明裝置 711發(fā)光元件 730控制元件具體實施方式
圖1顯示具不同波長的發(fā)光二極管在不同驅(qū)動電流密度下的相對發(fā)光效 率關(guān)系圖。橫軸代表發(fā)光二極管的驅(qū)動電流密度，縱軸代表發(fā)光二極管外部 量子效率(EQE)的相對發(fā)光效率。如圖所示，曲線Wdl是代表波長為460nm 的發(fā)光二極管，由Wdl的曲線變化，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)橫軸的驅(qū)動流密度增加時， 其縱軸的相對發(fā)光效率會迅速下降；另一曲線Wd2則代表波長為425nm的 發(fā)光二極管。比較Wdl(460nm)與Wd2(425nm )的曲線變化，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電 流密度大于200mA/cm2時，曲線Wd2(425nm)隨著驅(qū)動電流密度增加，其相 對發(fā)光效率的下降速度較Wdl(460nm)緩慢；而且Wd2(425nm )的相對發(fā)光 效率皆高于Wdl(460nm)。換言之，發(fā)光二極管于高驅(qū)動電流密度(大于 200mA/cm勺下，短波長之外部量子效率(EQE)高于長波長，尤其當(dāng)波長小于 430nm則更明顯。由于發(fā)光二極管是由兩電性相反的半導(dǎo)體層，中間夾著一 有源層所形成的發(fā)光疊層所組成。因此可以通過控制有源層的組成，來調(diào)整 發(fā)光二才及管的發(fā)光波長，將其波長從460nm改變成425nm;而且當(dāng)有源層 的組成變?yōu)?25nm時，其外延品質(zhì)也會更好，更適合于高驅(qū)動電流密度下的 操作。圖2顯示發(fā)光二極管元件于驅(qū)動電流密度為350 mA7cm^下，其相對發(fā) 光效率與波長的關(guān)系圖。橫軸代表發(fā)光二極管的波長，縱軸代表發(fā)光二極管 的相對發(fā)光效率。如圖所示，當(dāng)發(fā)光二極管元件的波長介于400nm 440nm 時，其發(fā)光功率(WPE)較大，且優(yōu)選為介于410nm 425nm。圖3顯示發(fā)光二 極管的波長與硅酸鋇系列的熒光粉(Ba2SK)4:Eu)的相對激發(fā)強(qiáng)度的關(guān)系圖。 如圖所示，當(dāng)發(fā)光二極管的波長愈短，硅酸鋇系列的熒光粉(Ba2Si04:Eu)的 相對激發(fā)強(qiáng)度愈強(qiáng)。但是圖2也顯示當(dāng)發(fā)光二極管的波長小于410nm時，其發(fā)光功率(WPE)卻隨著波長變短而大幅滑落。所以根據(jù)上述實驗的結(jié)果，本實施例提出一白光發(fā)光二極管，采用一波長介于410nm 425nm的氮化銦鎵(InGaN)系列發(fā)光二極管，并使用混合硅 酸鋇系列的熒光粉(Ba2Si04:Eu)的環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。 一般焚光粉是以粉末 狀與環(huán)氧樹脂先進(jìn)行混合后，填入具有發(fā)光二極管的反射杯中，此時萸光粉 會散布在發(fā)光二極管的上方，然后進(jìn)行樹脂硬化反應(yīng)，即可完成白光發(fā)光二 極管的制作。當(dāng)驅(qū)動電流密度為350mA/cn^時，本實施例所采用波長為 410 425nm的發(fā)光二極管，較一般傳統(tǒng)采用波長為450 465nm所制成的白 光發(fā)光二極管的發(fā)光效率更高。如圖1 3所示，當(dāng)于高驅(qū)動電流密度時，本 實施例的外部量子效率(EQE)、發(fā)光功率(WPE)與激發(fā)強(qiáng)度(excitation intensity)都比傳統(tǒng)采用長波長(450 465nm)的激發(fā)光源來得高。本發(fā)明的另 一 實施例是關(guān)于利用熒光粉直接涂布工藝(phosphor-on-chip process)來制作具有波長轉(zhuǎn)換機(jī)制的發(fā)光二極管，如圖4所示。其詳細(xì)流程 包含于晶片上形成波長為410 425nm的發(fā)光疊層；并沉積波長轉(zhuǎn)換層(如 熒光粉層)于上述發(fā)光疊層的上方，以形成熒光粉涂布晶片。其中沉積熒光 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(xué)氣相沉積法 (chemical vapor deposition)或原子層夕卜延法(atomic layer epitaxy)。至于應(yīng)該選 擇何種沉積方式，是取決于發(fā)光疊層所產(chǎn)生的光，是否會被熒光粉層全部吸 收與否。然后將上述熒光粉涂布晶片，切割成多個管芯后，使用樹脂將上述 的管芯封裝成發(fā)光元件。于上述工藝中，同一晶片上所形成的發(fā)光疊層，其波長有特定的分布， 并不會完全相同，大約有5 10nm的差異。圖5是白光發(fā)光二極管元件于不 同波長下的色溫分布關(guān)系圖。如圖所示，本實施例所發(fā)出的白光，其色溫幾 乎一致，大約6500K。而一般以相同工藝步驟，j旦選用發(fā)光疊層的波長為 450 465nm所制成的發(fā)光元件，其色溫是介于5800-7300K之間。由于其色 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。但是本實施例采用波長為410~425nm搭配硅酸鋇系列的熒光粉 (Ba2Si04:Eu)，在同一晶片所得到的管芯，其色溫變異可控制在300K以內(nèi)， 所以可以省去篩卩險步驟，以節(jié)省成本，并^l是高生產(chǎn)步支率。由于熒光粉的組成，可以決定被激發(fā)光的波長，所以本發(fā)明的其他實施例，還包含選擇可以產(chǎn)生白光、綠光、紅光、橘光或黃光的熒光粉，且上述 的熒光粉可以是選自硅酸鋇(鍶)系列的熒光粉、氮氧化物系列的熒光粉、氮 化物系列的熒光粉或上述的組合。圖6顯示本發(fā)明的背光模塊結(jié)構(gòu)。其中背光模塊裝置600包含由本發(fā) 明上述任意實施例的發(fā)光元件611所構(gòu)成的光源裝置610;光學(xué)裝置620置 于光源裝置610的出光路徑上，將光做適當(dāng)處理后出光；以及一電源供應(yīng)系 統(tǒng)630，提供上述光源裝置610所需的電源。圖7顯示本發(fā)明的照明裝置結(jié)構(gòu)。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包含光源裝置710,由本 發(fā)明上述的任意實施例的發(fā)光元件711所構(gòu)成；電源供應(yīng)系統(tǒng)720,提供光 源裝置710所需的電源；以及一控制元件730控制電源輸入光源裝置710。雖然發(fā)明已通過各個實施例說明如上，然而其并非用以限制本發(fā)明的范 圍。對于本發(fā)明所作的各種修飾與變更，皆不脫本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件，包含發(fā)光結(jié)構(gòu)，可發(fā)出第一波長光，以及波長轉(zhuǎn)換層，位于該發(fā)光結(jié)構(gòu)的上方，用以吸收該第一波長光而發(fā)出第二波長光，其中該第一波長光的波長小于430nm，且該發(fā)光結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電流密度大于200mA/cm2。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該第一波長光的波長是介于 楊腿 425誰之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該驅(qū)動電流密度大于350mA/cm2。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該第一波長光部份^L轉(zhuǎn)換成該第 二波長光。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光結(jié)構(gòu)可以是發(fā)光二極管。
6. —種晶片，包含發(fā)光疊層，形成于該晶片上，可發(fā)出第一波長光，以及 波長轉(zhuǎn)換層，位于該發(fā)光疊層的上方，用以吸收該第一波長光而發(fā)出第 二波長光，其中該第一波長光的波長小于430nm。
7. 如權(quán)利要求6所述的晶片，其中該第一波長光的波長是介于 410nm 425nm之間。
8. 如權(quán)利要求6所述的晶片，其中該晶片可^C切割成多個管芯。
9. 如權(quán)利要求8所述的晶片，其中該管芯的驅(qū)動電流密度大于 200mA/cm2，且優(yōu)選為大于350mA/cm2。。
10. —種晶片，包含多個管芯構(gòu)成該晶片，且任一這些管芯包含發(fā)光疊層以及位于該發(fā)光疊 層的上方的波長轉(zhuǎn)換層，其中這些管芯的色溫差異小于300K。
11. 如權(quán)利要求10所述的晶片，其中該發(fā)光疊層所發(fā)出的第 一波長光， 其波長小于430nm，且優(yōu)選為介于410nm 425nm之間。
12. 如權(quán)利要求IO所述的晶片，其中驅(qū)動這些管芯的驅(qū)動電流密度大 于200mA/cm2,且優(yōu)選為大于350mA/cm2。
13. —種背光模塊裝置，包含光源裝置，由權(quán)利要求1 5所述的發(fā)光元件所組成；光學(xué)裝置，置于該光源裝置的出光路徑上；以及電源供應(yīng)系統(tǒng)，提供該光源裝置所需的電源。
14.一種照明裝置，包含光源裝置，由權(quán)利要求1 5所述的發(fā)光元件所組成; 電源供應(yīng)系統(tǒng)，提供該光源裝置所需的電源；以及 控制元件，控制該電源輸入該光源裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光元件，包含可發(fā)出第一波長光的發(fā)光二極管，以及位于發(fā)光二極管上方的熒光粉，用以吸收第一波長光而發(fā)出第二波長光。其中當(dāng)?shù)谝徊ㄩL光的波長小于430nm，且驅(qū)動發(fā)光二極管的驅(qū)動電流密度大于200mA/cm²時，其具有較高的發(fā)光效率與相對穩(wěn)定的色溫分布。其中，上述的發(fā)光元件是經(jīng)由熒光粉直接涂布工藝(phosphor-on-chip process)所形成的熒光粉涂布晶片，再進(jìn)行切割所制作而成。
文檔編號F21Y101/02GK101324320SQ200810109878
公開日2008年12月17日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者沈豫俊, 王健源, 謝明勛 申請人:晶元光電股份有限公司