發(fā)光元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種發(fā)光元件，包括：一光源本體、一導(dǎo)線架、一LED晶粒、一齊納二極管、一透光層、一光子晶體薄膜。該導(dǎo)線架置于該光源本體底部、該LED晶粒置于該導(dǎo)線架上方、該透光層置于該光源本體的上方、至少一導(dǎo)線與該LED晶粒及該齊納二極管作電性連接、該光子晶體薄膜置于該LED晶粒的表面和該光源本體的內(nèi)表面，并利用該光子晶體薄膜的特性以增加發(fā)光效率。
【專利說明】發(fā)光元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明關(guān)于一種復(fù)合型白光發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，尤指一種在光源本體內(nèi)部涂布光子晶體薄膜的發(fā)光元件。

【背景技術(shù)】
[0002]全球LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以白光LED為發(fā)展主軸，白光LED的壽命較傳統(tǒng)燈具提高10倍以上，另外在亮度方面也更為提升，而白光LED更可以解決廢棄燈管所含汞的環(huán)保問題，因此，白光LED被視為是未來將取代所有日光燈與白熾燈泡的重要照明設(shè)備。目前白光LED較傳統(tǒng)白熾燈泡發(fā)光效率高出一倍以上，其大部分是由藍(lán)光LED晶粒所發(fā)射的藍(lán)光與黃色突光粉(yttrium aluminum garnet, YAG)組合而成，當(dāng)藍(lán)光LED晶粒由發(fā)光層發(fā)出藍(lán)光后，即可將黃色熒光粉激發(fā)而發(fā)出白光。
[0003]一般而言，發(fā)光二極管主要包含一基底、一發(fā)光層以及至少一個電極，其中發(fā)光層是由P型半導(dǎo)體、主動層以及N型半導(dǎo)體依序堆疊而成。當(dāng)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間因電位不同而形成一電位差時，N型半導(dǎo)體中的電子與P型半導(dǎo)體中的電洞則會在主動層結(jié)合而發(fā)出光線。
[0004]上述的發(fā)光二極管的發(fā)光效率主要取決于主動層的量子效率(光生電子-空穴對數(shù)/入射光子數(shù)，即發(fā)光元件對光敏感性的精確測量)，以及發(fā)光二極管的光引出效率(extract1n efficiency)。其中，量子效率的提升主要取決于主動層的半導(dǎo)體材料質(zhì)量及其結(jié)構(gòu)的組合，而光引出效率的提升則取決于從主動層發(fā)出的光線的有效利用率。
[0005]目前提升發(fā)光裝置的光引出效率可通過不同的制程技術(shù)與晶粒設(shè)計來達(dá)到改善發(fā)光效率的目的，其主要的發(fā)展方向有強(qiáng)化電流分布、芯片粘貼(Wafer bonding)、覆晶結(jié)構(gòu)(Flip Chip)、高轉(zhuǎn)換效率熒光粉、高散熱封裝材料與封裝光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)。依目前技術(shù)，熒光粉轉(zhuǎn)換光能的效率仍低于60 %，且無法有效避免熒光粉受激發(fā)后所發(fā)射出的光再次被整體發(fā)光裝置吸收而降低光引出效率的問題，而導(dǎo)致白光LED發(fā)光效率無法突破1501m/W。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)中所提及白光LED發(fā)光效率無法突破1501m/W的缺憾，本發(fā)明提出一種發(fā)光元件，其包含一光源本體、一導(dǎo)線架、一 LED晶粒、一齊納二極管、一光子晶體薄膜和一透光層，其相對位置為該導(dǎo)線架置于該光源本體底部、該導(dǎo)線架與該齊納二極管連接、該LED晶粒置于該導(dǎo)線架上方、該光子晶體薄膜置于該LED晶粒至少一部分的表面和該光源本體至少一部分的內(nèi)表面、該透光層置于該光源本體的上方。
[0007]本發(fā)明的另一發(fā)光元件，其包含該光源本體、該導(dǎo)線架、該LED晶粒、該齊納二極管、該透光層、該熒光層與該光子晶體薄膜，其相對位置為將該導(dǎo)線架置于該光源本體底部、該導(dǎo)線架與該齊納二極管連接、該透光層置于該光源本體上方、該LED晶粒置于該導(dǎo)線架上方、該熒光層包覆該LED晶粒、該光子晶體薄膜涂布于該熒光層至少一部分的表面和該光源本體至少一部分的內(nèi)表面。
[0008]本發(fā)明是在該光源本體內(nèi)部涂布該光子晶體薄膜，依該光子晶體薄膜相對位置不同的發(fā)光元件，分別為可有效提高該LED晶粒的光引出效率和可調(diào)變整體發(fā)光元件的色溫及演色性，該方法制程簡單，并可形成具有高幾何穩(wěn)定性的該光子晶體薄膜。其中，該光子晶體薄膜的粒子間的空隙具有高度的可微調(diào)性，可通過調(diào)整粒子的材質(zhì)、粒子的大小、混合溶液的種類以及粒子相對混合溶液的濃度等不同因素，微調(diào)整該光子晶體薄膜的折射率及粒子間堆積的緊密度，微調(diào)制得的該光子晶體薄膜的特性而改變反射黃光和紅光波長，即可避免光線被該LED晶粒再次吸收，有效提升該發(fā)光元件的發(fā)光效率，也可進(jìn)行色溫及演色性的調(diào)變。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1繪示本發(fā)明的發(fā)光元件的實(shí)施例。
[0010]圖2為光子晶體薄膜的粒子大小分布在190納米的型態(tài)。
[0011]圖3為光子晶體薄膜的粒子大小分布在230納米的型態(tài)。
[0012]圖4為光子晶體薄膜的粒子排列緊密型態(tài)。
[0013]圖5為光子晶體薄膜的粒子排列松散型態(tài)。
[0014]圖6為光子晶體薄膜所反射黃色熒光粉激發(fā)光的頻譜圖。
[0015]圖7為具有光子晶體薄膜的白光LED與不具有光子晶體薄膜的白光LED的波長-相對強(qiáng)度比較圖。
[0016]圖8為本發(fā)明的發(fā)光元件的另一實(shí)施例。
[0017]【符號說明】
[0018]101導(dǎo)線架
[0019]102 LED 晶粒
[0020]103 導(dǎo)線
[0021]104透光層
[0022]105光源本體
[0023]106光子晶體薄膜
[0024]107齊納二極管
[0025]108熒光層

【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明提供一種發(fā)光元件，包含一光源本體105、一導(dǎo)線架101、至少一導(dǎo)線103、一 LED晶粒102、一齊納二極管107、一光子晶體薄膜106與一透光層104，其相對位置為將該導(dǎo)線架101置于該光源本體105底部、該LED晶粒102置于該導(dǎo)線架101上方、該光子晶體薄膜106涂布于該LED晶粒102至少一部分的表面和該光源本體105至少一部分的內(nèi)表面、該導(dǎo)線架101包含該至少一導(dǎo)線103與該LED晶粒102和該齊納二極管107作電性連接。
[0027]該導(dǎo)線架101的制作材料需要考慮其導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度、焊接性與抗腐蝕性，常使用的材質(zhì)為銅合金、42合金(鎳:42%，鐵:58% )、科瓦合金(鎳:29%，鈷:17%，鐵:54% )與鐵鎳合金(鐵:42%，鎳:58% )。
[0028]該至少一導(dǎo)線103材料為金、銀與銅，其金屬材料為導(dǎo)電速率最快的前三名，金的穩(wěn)定性最好導(dǎo)電速率也最快，但其成本較為高，銅的單價最便宜，其耐離子遷移率性質(zhì)佳。
[0029]該LED晶粒102制程步驟可分為上游、中游及下游，上游包括形成基板(藍(lán)寶石，陶瓷，金屬)一單晶棒(GaN，GaAs, GaP)—單芯片一結(jié)構(gòu)設(shè)計一磊芯片，中游包括金屬蒸鍍一光照蝕刻一熱處理一切割，下游封裝則包括覆晶式(Flip-chip)、芯片粘著式(SMD，surface mount device)與芯片封裝式(COB, chip on board)。
[0030]該光子晶體薄膜106的粒子可以為三維膠體粒子，其堆疊結(jié)構(gòu)可以為體心立方式(Body-Centered Cubic Crystal Structure)、面心立方式(Face-Centered CubicCrystal Structure)和簡單立方式(Simple cubic lattice)的晶體結(jié)構(gòu)，并且粒子與粒子間的排列可以為四角和六角的松散式(non-close-packed crystal structure)或緊密式(close-packed crystal structure)晶格結(jié)構(gòu)。每一個體心立方單位里含有2個粒子，有8個角落粒子，角落每一個粒子是八分之一個粒子，在中心的單一粒子，則全部包含于此單位中，體心立方式的粒子堆積密度為68% ;每一面心立方式單位共有4個粒子，內(nèi)含有8個角落粒子和6個面心粒子，面心粒子為二分之一個粒子，加總共有4個完整粒子被分配于一單位，其粒子堆積密度為74% ;簡單立方在每個單位內(nèi)含有8個角落粒子，共有1個完整粒子被分配于一單位，粒子堆積密度為52%。
[0031]該光子晶體薄膜的粒子大小可以為100?800納米(nm)，膜厚為1?500微米(μ m)，其材質(zhì)可選自于有機(jī)高分子、無機(jī)高分子、有機(jī)化合物、無機(jī)化合物、金屬或其組合，其中有機(jī)高分子如聚苯乙烯系列、聚甲基丙烯酸甲酯系列、聚馬來酸系列、聚乳酸系列、聚胺基酸系列的高分子或其組合，無機(jī)化合物如Ag20、Cu0、Zn0、Cd0、Ni0、Pd0、Co0、Mg0、Si02、Sn02、Ti02、Zr02> Hf02> Th02、Ce02、Co02、Mn02、Ir02> V02> W03> Mo03、A1203、Y203、Yb203、Dy203>B203、Cr203> Fe203、Fe304、V205、Nb205、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、FeS、FeSe、FeTe、CoS、CoSe、CoTe、NiS、NiSe、NiTe、PbS、PbSe、PbTe、MnS、MnSe、MnTe、SnS、SnSe、SnTe、MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、Bi2S3、Bi2Se3、Bi2Te3、SiC、TiC、ZrC、WC、NbC、TaC、Mo2C、BN、AIN、TiN、ZrN、VN、NbN、TaN、Si3N4、Zr3N4 或其組合，金屬如 Au、kg、Cu、Fe、Co、N1、Pd、Pt、Al、S1、T1、Zr、V、Nb、Mo、W、Mn 或其組合。
[0032]以該光子晶體薄膜106涂布于該LED晶粒102方式包括噴墨式(ink-jet)、噴灑式(spray)、噴嘴式(nozzle)、刮刀式(blade)、旋轉(zhuǎn)式(spin)或狹縫式(slit)。噴墨式、噴灑式與噴嘴式的工作原理是利用計算機(jī)程序控制步進(jìn)馬達(dá)帶動噴嘴前后左右移動，從噴墨頭中噴出的墨水依序噴布于組件上，完成著色的工作；刮刀式是將涂布著料儲存于墨斗內(nèi)，由滾墨輪滾動涂布將著料帶出，經(jīng)由刮刀控制厚度，將著料涂布至組件上；旋轉(zhuǎn)式多應(yīng)用于光電與半導(dǎo)體制程，在旋轉(zhuǎn)涂布過程中，光阻劑會均勻地涂覆在基板上，用于涂布的液體(具感旋光性的光阻劑)，則會滴至芯片中央；狹縫式為利用一模具擠出一液膜，涂布于移動的基材上。
[0033]該透光層104是置該光源本體105是上方,該透光層104為一突光材料,該突光材料由主晶體、助活化劑(敏感劑)與活化劑組成。該熒光材料可以為黃色、藍(lán)色、綠色、橙色、紅色或其組合，如黃橙色和紅黃色的氮化物熒光粉，該熒光材料的材質(zhì)是選自于有機(jī)熒光粉、熒光顏料、無機(jī)熒光粉、放射性元素或其組合。
[0034]圖2至圖5是由場效發(fā)射式電子顯微鏡(Field-emiss1n scanning electronmicroscope, FESEM)所拍攝，由圖2可見三維膠體光子晶體粒子呈現(xiàn)粒徑均一分布于190納米(nm),圖3則分布在230納米(nm),因此其粒徑分布系數(shù)(Polydispersity index,PDI)范圍皆在0.001?0.1。圖4為三維膠體光子晶體粒子排列緊密式(close-packed)，圖5為三維膠體光子晶體粒子排列松散式(non-close-packed)。圖6為利用紫外-可見光光譜儀(UV-Vis Spectrophotometer)所測得該光子晶體薄膜106所反射黃色突光粉激發(fā)光的頻譜圖，其反射光峰值為單一分布于550納米(nm)，符合黃光在頻譜圖520?560納米(nm)的波段范圍，其可有效避免黃色熒光粉受激發(fā)后所發(fā)射出的光再次被該發(fā)光元件吸收而降低光引出效率的問題。圖7為本發(fā)明的白光LED設(shè)有該光子晶體薄膜106(粒徑:230納米，膜厚:10微米)結(jié)構(gòu)與白光LED未設(shè)有該光子晶體薄膜106結(jié)構(gòu)的波長-相對強(qiáng)度的比較圖，從圖7可明顯表示具有該光子晶體薄膜106 (粒徑:230納米，膜厚:10微米)的白光LED其相對強(qiáng)度高于不具有該光子晶體薄膜106的白光LED，由此可證，該光子晶體薄膜106可反射白光LED以增加其相對強(qiáng)度，使具有該光子晶體薄膜106的白光LED有效提高其發(fā)光效率。
[0035]如圖8所示，為本發(fā)明的該發(fā)光元件的另一實(shí)施例，包含該光源本體105、該導(dǎo)線架101、該至少一導(dǎo)線103、該LED晶粒102、該齊納二極管107、該透光層104、該光子晶體薄膜106與一突光層108,其相對位置為將該導(dǎo)線架101置于該光源本體105底部、該透光層104置于該光源本體105上方、該LED晶粒102置于該導(dǎo)線架101上方、該熒光層108包覆該LED晶粒102、該光子晶體薄膜106涂布于該熒光層108至少一部分的表面和該光源本體105至少一部分的內(nèi)表面、該導(dǎo)線架101包含該至少一導(dǎo)線103與該LED晶粒102和該齊納二極管107作電性連接。該透光層104為一硅膠材料，該硅膠材料具有抗紫外光與抗氧化的功能，如今LED照明市場朝向更高功率且高亮度的發(fā)展，該硅膠材料則愈來愈廣為使用，該硅膠材料不僅可耐高溫程度承受較傳統(tǒng)習(xí)用的環(huán)氧樹脂為高，且具有更好的透光率。該熒光層108為該熒光材料所組成，該熒光材料由主晶體、助活化劑(敏感劑)與活化劑組成，該熒光材料可以為黃色、藍(lán)色、綠色、橙色、紅色或其組合，如黃橙色和紅黃色的氮化物熒光粉，該熒光材料的材質(zhì)是選自于有機(jī)熒光粉、熒光顏料、無機(jī)熒光粉、放射性元素或其組合。該光子晶體薄膜106具有調(diào)節(jié)該發(fā)光元件的色溫與演色性的功能，也具有反射因該透光層104所反射的白光LED功能，其也能有效增強(qiáng)光引出效率的效果。
[0036]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不能以此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，SP依本發(fā)明權(quán)利要求及說明內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光元件，其包含: 一光源本體； 一導(dǎo)線架，置于該光源本體底部，該導(dǎo)線架與一齊納二極管連接； 一 LED晶粒，置于該導(dǎo)線架上方； 一光子晶體薄膜，置于該LED晶粒至少一部分的表面和該光源本體至少一部分的內(nèi)表面；以及 一透光層，置于該光源本體的上方。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光兀件，其特征在于:該透光層為一突光材料。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件，其特征在于:該熒光材料為黃色、藍(lán)色、綠色、橙色、紅色或其組合。
4.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件，其特征在于:該熒光材料的材質(zhì)是選自于有機(jī)熒光粉、熒光顏料、無機(jī)熒光粉、放射性元素或其組合。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于:該導(dǎo)線架的材質(zhì)為銅合金、科瓦(Kovar)合金或鐵鎳合金。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于:該導(dǎo)線架包含至少一導(dǎo)線，該至少一導(dǎo)線與該LED晶粒和該齊納二極管作電性連接。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)光元件，其特征在于:該至少一導(dǎo)線為金線、銅線或銀線。
8.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于:該LED晶粒為紅光LED、藍(lán)光LED、綠光LED或紫外光LED。
9.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于:該光子晶體薄膜的涂布方式為噴墨式、噴灑式、噴嘴式、刮刀式、旋轉(zhuǎn)式或狹縫式，涂布于該LED晶粒至少一部分的表面和該光源本體至少一部分的內(nèi)表面。
10.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于:該光子晶體薄膜為三維膠體粒子所排列而成。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件，其特征在于:該光子晶體薄膜的粒子平均粒徑為10nm ?800nm。
12.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件，其特征在于:該光子晶體薄膜的厚度為Iμ m?500 μ m0
13.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件，其特征在于:該光子晶體薄膜的粒子堆疊方式為體心立方式、面心立方式、簡單立方式的晶體結(jié)構(gòu)，而粒子與粒子間的排列為四角或六角的緊密式和松散式晶格結(jié)構(gòu)，且堆疊于該LED晶粒至少一部分的表面和該光源本體至少一部分的內(nèi)表面。
14.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件，其特征在于:該光子晶體薄膜的粒子的材質(zhì)選自于有機(jī)高分子、無機(jī)高分子、有機(jī)化合物、無機(jī)化合物、金屬或其組合。
15.如權(quán)利要求14所述的發(fā)光元件，其特征在于:有機(jī)高分子為聚苯乙烯系列、聚甲基丙烯酸甲酯系列、聚馬來酸系列、聚乳酸系列、聚胺基酸系列的高分子或其組合。
16.如權(quán)利要求14所述的發(fā)光元件，其特征在于:無機(jī)化合物為Ag20、CuO、ZnO,CdO,N1、PdO、CoO、MgO, S12, SnO2, T12, ZrO2, HfO2, ThO2, CeO2, Co02、MnO2' IrO2, V02、W03、Mo03、A1203、Y203、Yb2O3'Dy2O3、B203、Cr2O3、Fe2O3'Fe3O4'V205、Nb2O5'ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、FeS、FeSe、FeTe、CoS、CoSe、CoTe, NiS、NiSe、NiTe、PbS、PbSe、PbTe、MnS、MnSe、MnTe、SnS,SnSe、SnTe、MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、Bi2S3、Bi2Se3、Bi2Te3、SiC、TiC、ZrC, WC、NbC, TaC, Mo2C' BN、AIN、TiN、ZrN、VN、NbN、TaN、Si3N4' Zr3N4 或其組合。
17.如權(quán)利要求14所述的發(fā)光元件，其特征在于:金屬為Au、Ag、Cu、Fe、Co、N1、Pd、Pt、Al、S1、T1、Zr、V、Nb、Mo、W、Mn 或其組合。
18.一種發(fā)光元件，其包含: 一光源本體； 一導(dǎo)線架，置于該光源本體底部，該導(dǎo)線架與一齊納二極管連接； 一 LED晶粒，置于該導(dǎo)線架上方； 一熒光層，包覆該LED晶粒； 一光子晶體薄膜，置于該熒光層至少一部分的表面和該光源本體至少一部分的內(nèi)表面；以及 一透光層，置于該光源本體的上方。
19.如權(quán)利要求18所述的發(fā)光兀件,其特征在于:該透光層為一娃膠材料。
【文檔編號】H01L33/48GK104253192SQ201410299070
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】賴俊峰 申請人:逢甲大學(xué)