TWI627767B - 具有分佈式布拉格反射鏡的發光二極體以及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之示範性實施例揭露一種發光二極體以及其製造方法。發光二極體經設置以發出第一波長範圍的光與第二波長範圍的光。發光二極體包括：基底；發光結構，配置在基底的第一表面上，發光結構包括主動層，主動層配置在第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間，發光結構經設置以發出第一波長範圍的光；第一分佈式布拉格反射鏡與第二分佈式布拉格反射鏡，配置在基底的第二表面上；以及磷光體，配置在發光結構上，其中：第一分佈式布拉格反射鏡配置為較第二分佈式布拉格反射鏡靠近基底；第一波長範圍包括藍色波長範圍；第二波長範圍的光藉由磷光體轉換；第一分佈式布拉格反射鏡包括對於第二波長範圍的光比對於第一波長範圍的光更高的反射率；第二分佈式布拉格反射鏡包括對於第一波長範圍的光比對於第二波長範圍的光更高的反射率。

Description

具有分佈式布拉格反射鏡的發光二極體以及其製造方法
本發明的示範性實施例是有關於一種發光二極體及其製造方法，且特別是有關於一種具有分佈式布拉格反射鏡的發光二極體以及其製造方法。
發出藍光或紫外光波長的光的氮化鎵類（gallium nitride-based）發光二極體晶片可用在各種不同的應用。特別地是，在市面上已有銷售發出混合色光（mixed color light）（例如背光源裝置、一般照明或其他類似照明所需的白色光）的各種不同類型發光二極體封裝體（light emitting diode package）。
因為由發光二極體封裝體所輸出的光可依發光二極體晶片的發光效率而決定，故用以改良發光二極體晶片的發光效率的研究持續進行著。特別地是，改良發光二極體晶片的發光效率的嘗試已在進行中。舉例而言，已研究在透明基底（例如藍寶石基底（sapphire substrate））的底部表面上形成金屬反射鏡或分佈式布拉格反射鏡（distributed Bragg reflector，DBR）的技術。
圖1所示為根據相關技術藉著在藍寶石基底底部表面上形成鋁層而測得的反射率（reflectivity）。
由圖1可知，在藍寶石基底上未形成鋁層時，顯示的反射率約為20%，但當在藍寶石基底上形成鋁層時，在可見波長範圍內顯示的反射率約為80%，。
圖2所示為根據相關技術藉定期施加TiO2 /SiO2 至藍寶石基底的底部表面以形成DBR而測得的反射率。
如圖2所示，當形成DBR以反射從發光二極體晶片所發出的光時，例如發出具有峰值波長（peak wavelength）為460 nm的光。圖2顯示使用DBR的發光二極體中的反射率在藍光波長範圍中（例如400 nm至500 nm的波長範圍）可達到大約100%。
然而，DBR僅能增加可見光範圍中一部分的反射率。因此，對其他範圍的反射率比圖2所示的對波長範圍400 nm至500 nm的反射率低非常多。即，如圖2所示，在大部份反射率在波長550 nm或更大的波長下小於50%時，在約520 nm或更大波長的反射率突然減小。
因此，將使用DBR的發光二極體晶片裝設在發光二極體封裝體中以發出白光時，對於從發光二極體晶片所發出的藍色波長範圍的光，DBR顯示高反射率，但對於在綠色及/或紅色波長範圍中發出的光，DBR並未顯示有效反射特性。因此，改良發光二極體的發光效率有其限制。
本發明之示範性實施例提供一種可增加提供混合色光（例如白光）的發光二極體封裝體的發光效率的發光二極體及其製造方法。
本發明之示範性實施例亦提供一種在廣大波長範圍內具有高反射率的DBR以及具有此DBR的發光二極體。
本發明附加的特徵將於以下說明中提出，且由說明中部分將顯而易知，或者可藉著實行本發明而領會。
本發明之示範性實施例揭露一種發光二極體，其經設置以發出第一波長範圍的光與第二波長範圍的光，發光二極體包括：基底；發光結構，配置在基底的第一表面上，發光結構包括主動層，主動層配置在第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間，發光結構經設置以發出第一波長範圍的光；第一分佈式布拉格反射鏡與第二分佈式布拉格反射鏡，配置在基底的第二表面上；以及磷光體，配置在發光結構上，其中：第一分佈式布拉格反射鏡配置為較第二分佈式布拉格反射鏡靠近基底；第一波長範圍包括藍色波長範圍；第二波長範圍的光藉由磷光體轉換；第一分佈式布拉格反射鏡包括對於第二波長範圍的光比對於第一波長範圍的光更高的反射率；第二分佈式布拉格反射鏡包括對於第一波長範圍的光比對於第二波長範圍的光更高的反射率。
本發明之示範性實施例亦揭露一種製造發光二極體的方法，此所述發光二極體經設置以發出第一波長範圍的光與第二波長範圍的光，所述製造發光二極體的方法包括：在基底的第一表面上形成發光結構，所述發光結構包括主動層，所述主動層配置在第一導電型半導體層與第二導電型半導體層之間，所述發光結構經設置以發出所述第一波長範圍的光；控制所述基底的第二表面的表面粗糙度；在所述發光結構上形成磷光體層，所述磷光體層經設置以發出紅色波長範圍的光；在所述基底的所述第二表面上形成第一分佈式布拉格反射鏡與第二分佈式布拉格反射鏡，其中：所述第一分佈式布拉格反射鏡配置為較所述第二分佈式布拉格反射鏡靠近所述基底；所述第一波長範圍包括藍色波長範圍；所述第一分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第二波長範圍的光比對於所述第一波長範圍的光更高的反射率；以及所述第二分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第一波長範圍的光比對於所述第二波長範圍的光更高的反射率。
應理解的是，前述一般性說明及後述詳細說明均為示範性及解釋性的，且意為提供本發明的進一步解釋，如所主張之權利範圍。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下將參照所附圖式，對本發明進行更完整的說明，
所附圖式中繪示本發明的示範性實施例。然而，本發明可具體表現於許多不同形式中，而不應被理解為限制於此處提出之示範性實施例中。更確切而言，提供此些實施例以使揭露內容完整，且能完全傳達本發明的範圍予所屬技術領域中具通常知識者。在此些圖式中，可能會誇大層及區域的尺寸以使圖式清楚。圖式中類似的標號表示類似的元件。
圖3為根據本發明的示範性實施例所繪示具有分佈式布拉格反射鏡45的發光二極體20的剖面圖，而圖4為圖3的分佈式布拉格反射鏡45的放大剖面圖。
參照圖3，發光二極體晶片20包括基底21、發光結構30及分佈式布拉格反射鏡45。此外，此發光二極體晶片20可包括緩衝層23、透明電極31、p電極墊33、n電極墊35、反射金屬層51及保護層53。
基底21為透明基底，例如為藍寶石或碳化矽（SiC），但不特別限定於此。上部表面（即，基底21的前表面）可具有預定的圖案，如圖案化的藍寶石基底（patterned sapphire substrate，PSS）。同時，基底21的範圍決定整體晶片區域。在本發明的示範性實施例中，當發光二極體晶片的晶片區域相對增加時，反射效果增加。因此，基底21的範圍可為90,000 μm2 或者更大。在一些實施例中，其可為1 mm2或者更大。
在基底21上放置發光結構30。此發光結構30包括第一導電型半導體層25、第二導電型半導體層29及配置在第一導電型半導體層25和第二導電型半導體層29之間的主動層27。在此配置中，第一導電型半導體層25和第二導電型半導體層29具有彼此相反的導電型。第一導電型可為n型，而第二導電型可為p型，反之亦然。
第一導電型半導體層25、主動層27及第二導電型半導體層29可由氮化鎵類化合物（即，(Al, In,Ga)N）材料製成。決定主動層27的構成元素和組成以發出所需波長的光，例如紫外光或藍光。第一導電型半導體層25及/或第二導電型半導體層29可如圖中所示以單層結構形成，或者可以多層結構形成。此外，主動層27可形成為單一量子井結構或多重量子井結構。另外，緩衝層23可介在基底21和第一導電型半導體層25之間。
半導體層25、27及29可使用金屬-有機化學氣相沈積（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）技術或分子束磊晶（molecular beam epitaxy，MBE）技術而形成，且可藉微影及蝕刻製程圖案化第一導電型半導體層25的區域使其部分暴露。
同時，透明電極層31可由例如氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）或鎳/金（Ni/Au）而形成在第二導電型半導體層29上。由於具有比第二導電型半導體層29低的比電阻值（specific resistance），透明電極層31用以散佈電流。在透明電極層31上形成p電極墊33，而在第一導電型半導體層25上形成n電極墊35。如圖所示，p電極墊33可透過透明電極層31而電性連接至第二導電型半導體層29。
同時，在下部（即，基底21的背面）放置分佈式布拉格反射鏡45。分佈式布拉格反射鏡45包括第一分佈式布拉格反射鏡40及第二分佈式布拉格反射鏡50。
參照圖4，第一分佈式布拉格反射鏡40藉著重複多對第一材料層40a與第二材料層40b而形成，而第二分佈式布拉格反射鏡50藉著重複多對第三材料層50a與第四材料層50b而形成。多對第一材料層40a與第二材料層40b對於在紅色波長範圍的光（例如550 nm或630 nm）比對於在藍光波長範圍的光具有相對較高的反射率，而第二分佈式布拉格反射鏡50對於在藍色波長範圍的光（例如460 nm的光）比對於在紅色或綠色波長範圍的光具有相對較高的反射率。在此情況下，於第一分佈式布拉格反射鏡40中的材料層40a與材料層40b的光學厚度比第二分佈式布拉格反射鏡50中的材料層50a與材料層50b的光學厚度厚，或反之亦然，但不限於此。
第一材料層40a可和第三材料層50a為相同材料，即，具有相同的折射係數(n)（refractive index (n)），而第二材料層40b可和第四材料層50b為相同材料，即，具有相同的折射係數(n)。舉例而言，第一材料層40a和第三材料層50a可由二氧化鈦（TiO2 ）製成（n約等於2.5），而第二材料層40b和第四材料層50b可由二氧化矽（SiO2 ）製成（n約等於1.5）。
同時，第一材料層40a的光學厚度（折射率´厚度）可實質上與第二材料層40b的光學厚度具有整數的倍數關係，而其光學厚度可實質上彼此相同。此外，第三材料層50a的光學厚度可實質上與第四材料層50b的光學厚度具有整數的倍數關係，而其光學厚度可實質上彼此相同。
此外，第一材料層40a的光學厚度可比第三材料層50a的光學厚度厚，而第二材料層40b的光學厚度可比第四材料層50b的光學厚度厚。第一材料層40a、第二材料層40b、第三材料層50a及第四材料層50b的光學厚度可藉著控制每一個材料層的反射係數及/或厚度來控制。
參照回圖3，由鋁（Al）、銀（Ag）或銠（Rh）或類似物製成的反射金屬層51可在布拉格反射鏡45的下部部分上形成，而用以保護布拉格反射鏡45的保護層53可形成於其上。保護層53可由任何金屬層（例如鈦（Ti）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉑（Pt）、鉭（Ta）和金（Au）或其合金）製成。反射金屬層51或保護層53保護布拉格反射鏡45避免外來衝擊或污染。舉例而言，當發光二極體晶片被裝設在發光二極體封裝中時，反射金屬層51或保護層53防止分佈式布拉格反射鏡45自例如黏著劑的材料變形。此外，反射金屬層51可反射透過分佈式布拉格反射鏡45所傳遞的光。因此，分佈式布拉格反射鏡45的厚度可相對地減少。分佈式布拉格反射鏡45顯示相對高的反射率，但可傳遞具有大的入射角度的長波長範圍的可見光。因此，反射金屬層51可配置在分佈式布拉格反射鏡45的下部部分以反射透過分佈式布拉格反射鏡45的光，藉此增進發光效率。
根據本示範性實施例，提供包括對相對長波長的可見光具有高反射率的第一分佈式布拉格反射鏡40及對相對短波長的可見光具有高反射率的第二分佈式布拉格反射鏡50的分佈式布拉格反射鏡45，其中第一分佈式布拉格反射鏡40及第二分佈式布拉格反射鏡50堆疊而形成分佈式布拉格反射鏡45。透過結合第一分佈式布拉格反射鏡40及第二分佈式布拉格反射鏡50，分佈式布拉格反射鏡45可增加在大部分可見光範圍內的光的反射率。
根據相關技術的分佈式布拉格反射鏡對特定波長範圍的光具有高反射率，但對於不同波長範圍的光具有相對低的反射率，使得改良在發白光的發光二極體封裝體中的發光效率有其限制。然而，根據本示範性實施例，分佈式布拉格反射鏡45對藍色波長範圍的光可具有高反射率，而對於在綠色波長範圍的光和在紅色波長範圍的光一樣具有高反射率，藉此使得改善發光二極體封裝體的發光效率能實現。
此外，與第二分佈式布拉格反射鏡50的配置比第一分佈式布拉格反射鏡40更靠近基底21的情況相較，在第一分佈式布拉格反射鏡40的配置比第二分佈式布拉格反射鏡50更靠近基底的情況下，分佈式布拉格反射鏡45中光的散失可進一步減低。
雖然本示範性實施例說明兩種反射鏡，即，第一分佈式布拉格反射鏡40與第二分佈式布拉格反射鏡50，但可使用更多種反射鏡。此情況下，對於長波長具有相對高反射率的反射鏡可相對較靠近發光結構30而置放。
此外，在本示範性實施例中，於第一分佈式布拉格反射鏡40中的第一材料層40a的厚度彼此可不相同。再者，第二材料層40b的厚度彼此可不相同。另外，於第二分佈式布拉格反射鏡50中的第三材料層50a的厚度彼此可不相同。此外，第四材料層40b的厚度彼此可不相同。
本示範性實施例說明材料層40a、材料層40b、材料層50a與材料層50b為由二氧化矽（SiO2 ）或二氧化鈦（TiO2 ）製成，但不限於此。因此，它們可由其他材料（例如氮化矽（Si3 N4 ）、化合物半導體或其類似物）製成。然而，在第一材料層40a與第二材料層40b之間的折射率差異以及在第三材料層50a與第四材料層50b之間的折射率差異可至少為0.5。
此外，在第一分佈式布拉格反射鏡40中的第一材料層40a和第二材料層40b的對數愈多且在第二分佈式布拉格反射鏡50中的第三材料層50a和第四材料層50b的對數愈多，反射率會變得愈高。全部的對數共可為20或者更多。
可在形成分佈式布拉格反射鏡45之前控制基底21的背面之表面粗糙度。當基底21的背面之表面粗糙度相對大時，其可能難以在廣大波長範圍中藉分佈式布拉格反射鏡45而獲得高反射率。當分佈式布拉格反射鏡45和基底21間的界面有缺陷，分佈式布拉格反射鏡45會易於變形。即使在將發光二極體晶片裝設至例如發光二極體封裝體中時施加輕微的熱處理（thermal process），此變形仍可能造成分佈式布拉格反射鏡45折射率減小的問題。可控制基底21的背面的表面粗糙度使其具有3 nm或更小的均方根（root-mean-square，RMS）值。或者，基底21的背面的表面粗糙度可具有2 nm或更小的RMS值。在一些實施例中，其可具有1 nm或更小的RMS值。
現在將說明製造分佈式布拉格反射鏡45及發光二極體晶片的方法。
首先，在形成分佈式布拉格反射鏡45前控制基底21的表面粗糙度。舉例而言，其上形成有發光結構的基底21的背面最先被研磨，以移除一部分基底21。在此情況下，基底21的背面藉著研磨（grinding）而被刮劃（scratch），使其相對地非常粗糙。其後，以具有小顆粒的研磨漿對基底21的表面進行磨光（lapping）。在磨光製程中，溝槽（groove）（如基底21的表面中的刮痕等）的深度被減少，藉此減少了表面粗糙度。在此情況下，基底21的背面的表面粗糙度可藉著控制磨光製程中使用的鑽石研磨漿的顆粒尺寸以及表面平板（surface plate）而控制在3 μm者更小。然而，一般而言，難以僅使用利用表面平板和研磨漿顆粒的磨光製程來控制表面粗糙度。因此，在藉著磨光製程來減少表面粗糙度之後，基底21的背面可藉著化學機械研磨（chemical mechanical polishing，CMP）製程進行拋光。基底21的背面的表面粗糙度可藉著CMP製程控制而達到1 nm或者更小。
然後，具有不同折射率的材料層（如TiO2 、SiO2 與Si3 N4 或其類似物）交替地沈積在基底21的表面上。這些材料層的沈積可藉不同的方法進行，如濺鍍（sputtering）、電子束沈積（electron beam deposition）、電漿輔助化學氣相沈積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）法等。特別的是，可使用離子輔助沈積（ion assisted deposition）。離子輔助沈積藉著測量沈積在基底21上的材料層的反射率而形成具有適當厚度的材料層，使其適於形成分佈式布拉格反射鏡的材料層。
在形成分佈式布拉格反射鏡之後，金屬層可在分佈式布拉格反射鏡上形成。其後，基底被切塊，從而完成個別的發光二極體晶片。
圖5所示為根據本發明的另一示範性實施例的分佈式布拉格反射鏡55的剖面圖。根據本示範性實施例的發光二極體晶片實質上與參照圖3及圖4說明的發光二極體晶片類似。圖3及圖4顯示並說明分佈式布拉格反射鏡45具有第一分佈式布拉格反射鏡40與第二分佈式布拉格反射鏡50的堆疊結構。另一方面，在根據本示範性實施例的分佈式布拉格反射鏡55中，混合多對第一材料層40a和第二材料層40b與多對第三材料層50a和第四材料層50b。換句話說，至少一對第三材料層50a和第四材料層50b置放在多對第一材料層40a和第二材料層40b之間。此外，至少一對第一材料層40a和第一材料層40b置放在多對第三材料層50a和第四材料層50b之間。在此種配置中，第一材料層40a、第二材料層40b、第三材料層50a和第四材料層50b的光學厚度被控制，以對於在廣大可見光範圍內的光具有高反射率。因此，每個構成分佈式布拉格反射鏡的材料層的光學厚度彼此可不相同。
圖6為根據本發明的另一示範性實施例所示的具有多個發光單元的發光二極體晶片20a的剖面圖。
參照圖6，發光二極體晶片20a包括在基底21上的多個發光單元。此外，發光二極體晶片20a可包括分佈式布拉格反射鏡45和金屬層51及/或保護層53。
基底21和分佈式布拉格反射鏡45類似於參照圖3、圖4及圖5而說明的分佈式布拉格反射鏡，因此將省略其詳細說明。然而，基底21可為與多個發光單元電絕緣的絕緣體。舉例而言，基底21可為圖案化的藍寶石基底。
同時，置放多個相互隔離的發光單元30。多個發光單元30的每一個與參照圖3的發光結構30相同，因此將省略其中的詳細說明。此外，緩衝層23可介在發光單元30與基底21間，且緩衝層23亦可彼此相互隔離。
第一絕緣層37覆蓋發光單元30的前表面。第一絕緣層37具有在第一導電型半導體層25上的開口及在第二導電型半導體層29上的開口。發光單元30的側壁被第一絕緣層37所覆蓋。第一絕緣層37亦覆蓋在發光單元30之間區域的基底21。第一絕緣層37可由二氧化矽（SiO2 ）層或氮化矽（silicon nitride）層形成，且可為在200°C至300 °C的溫度範圍中使用電漿化學氣相沈積法所形成的層。在此情況中，可形成第一絕緣層37而具有4500 Å至1 μm的厚度。當形成第一絕緣層而具有小於4500 Å的厚度時，由於在發光單元底部側的階梯覆蓋特性（step coverage characteristic）而會形成具有相對小的厚度的第一絕緣層，且可能在接線（wiring）與形成在第一絕緣層上的發光單元之間發生電性短路（electrical short circuit）。同時，當第一絕緣層的厚度變得較大時，可預防電性短路，但光的透射率（transmittance）可能劣化而減少了發光效率。因此，較佳為形成厚度不超過1 μm的第一絕緣層。
同時，在第一絕緣層37上形成接線39。接線39透過開口而電性連接至第一導電型半導體層25和第二導電型半導體層29。透明電極層31可配置於第二導電型半導體層29上，且接線可連接至透明電極層31。此外，接線39分別電性連接相鄰的發光單元30的第一導電型半導體層25至第二導電型半導體層29，使得發光單元30的串聯陣列可形成。可形成多個串聯陣列，並各自反向並聯，使得它們可連接至交流電（alternating current，AC）電源。此外，連接至發光單元的串聯陣列的橋接整流器（未繪示）可被連接，且發光單元可在交流電電源下以此橋接整流器而驅動。此橋接整流器可藉連接具有相同結構的發光單元（如使用接線29的發光單元30）。
另一方面，接線可將相鄰發光單元的第一導電型半導體層25相互連接，或者將鄰發光單元的第二導電型半導體層29相互連接。因此，可提供以串聯及並聯方式連接的多個發光單元。
接線39可由導體材料（例如摻雜的半導體材料(如多晶矽）或金屬）所製成。特別地是，可以多層結構形成接線39，例如鉻或鈦的下層及鉻或鈦的上層。此外，金、金/鎳或金/鋁的金屬層可介在下層與上層之間。
第二絕緣層41可覆蓋接線39與第一絕緣層37。第二絕緣層41防止接線39被溼氣或其他類似物污染，並防止了接線39與發光單元30因外部衝擊而被損壞。
第二絕緣層41可以與第一絕緣層37及氧化矽層相同的材料或氮化矽層形成。第二絕緣層41可為在200°C至300°C的溫度範圍中使用電漿化學氣相沈積法（PECVD）所形成的層，與第一絕緣層類似。此外，當第一絕緣層藉著使用PECVD法形成時，第二絕緣層可在第一絕緣層的沈積溫度（deposition temperature）的-20%至+20%之溫度範圍中沈積，或者可在相同沈積溫度下沈積。
同時，當與第一絕緣層37相比，第二絕緣層41可相對地薄，並可具有500 Å或更大的厚度。第二絕緣層41相對比第一絕緣層37薄，可防止第二絕緣層自第一絕緣層剝落。此外，當第二絕緣層較2500 Å薄時，其可能難以保護接線與發光單元免受外界衝擊或濕氣的滲透。
同時，磷光體層43可置放在發光二極體晶片20a上。磷光體層43可為樹脂分散在磷光體中的層或藉著電泳方法沈積的層。磷光體層43覆蓋第二絕緣層41，藉此轉換自發光單元30所發出的光之波長。
圖7為用以說明根據本發明另一示範性實施例的具有多個發光單元的發光二極體晶片20b的剖面圖。
參照圖7，根據本示範性實施例的發光二極體晶片20b實質上與前面提及的發光二極體晶片20a類似，但它們在發光單元30的形狀及接線39連接的第一導電型半導體層25的部分的方面並不相同。
意即，發光二極體晶片20a的發光單元30具有第一導電型半導體層25的暴露的上表面，而接線39連接至第一導電型半導體層25的上表面。與發光二極體晶片20a不同，根據本示範性實施例的發光二極體晶片20b的發光單元30被形成而具有傾斜的側表面以暴露第一導電型半導體層25的傾斜的側表面，而接線39連接至第一導電型半導體層25的傾斜的側表面。
因此，根據本示範性實施例，除了分離發光單元的製程外，不需要進行暴露第一導電型半導體層25上部表面的單獨製程，藉此可簡化製程。另外，不需暴露第一導電型半導體層25的上部表面，藉此可避免主動層27的面積減少。此外，由於接線39沿著第一導電型半導體層25的傾斜的側表面連接，因此可改善發光單元30的電流散佈表現，且因此，可減少正向電壓（forward voltage），並可改善發光二極體晶片20b的可靠度。
實驗例
圖8為顯示根據入射角的分佈式布拉格反射鏡的反射率變化之模擬圖。在此情況中，分佈式布拉格反射鏡藉著交替地在玻璃基底上堆疊40層的SiO2 與TiO2 而製成。個別控制每一個層的厚度而使得入射角度為0°的400 nm至700 nm的整個區域具有99%或更大的反射率。因此，分佈式布拉格反射鏡整體厚度為2.908 μm。同時，在實質上使用的發光二極體晶片的情況中，入射角約為60°或者更大角度的光入射會全部被反射，這是由於在藍寶石基底（n約等於1.78）與SiO2 （n約等於1.48）之間的折射率差異所致，而因此，省略入射角為60°或者更大角度的模擬。同時，圖8的圖顯示在反射率100%的部分的整個可見區域（其類似於圖9中所示的圖）。
如由圖8的圖所能理解的，40層的分佈式布拉格反射鏡關於在整個可見區域中0°的入射角度而顯示99%或者更高的超高反射率。然而，當入射至分佈式布拉格反射鏡的光的入射角度增加，可理解長波長的可見光的反射率衰減。當入射角度超過30°，對於700 nm波長的光的反射率降至99%或者更低。
圖9A與圖9B分別顯示藉著增加分佈式布拉格反射鏡的堆疊數來改善對於入射角度在50°及60°的長波長入射光的反射率的實例。
參照圖9A及圖9B，如圖8中所說明，在分佈式布拉格反射鏡具有40層（40L）而總厚度為2.908 μm的情況中，對於入射角度50°的反射率（40L-50°）及對於入射角度60°的反射率（40L-60°）比在長波長的可見區域中對於入射角度0°的反射率（40L-0°）減少許多。此外，在可見區域的中間區域（例如是在鄰近510 nm至520 nm）的部分發生折射率衰減。
然而，當分佈式布拉格反射鏡的層的數目增加到48層（總厚度：3.829 μm）或52層（總厚度：4.367 μm）時，即使入射角大，亦可能獲得實質上在廣大波長區域內均勻的高反射率。
因此，增加分佈式布拉格反射鏡的堆疊數目可以改善反射率，並對於大入射角度的入射光維持高反射率。然而，增加分佈式布拉格反射鏡的堆疊數目導致製程時間的增加，且可能在分佈式布拉格反射鏡中會造成裂痕。
圖10A與圖10B分別為顯示在進行切割製程（dicing process）後的分佈式布拉格反射鏡的平面圖。在此情況中，圖10A所示的情況為以離子輔助沈積方法堆疊40層的分佈式布拉格反射鏡，而圖10B所示為以離子輔助沈積方法堆疊48層的分佈式布拉格反射鏡。
當堆疊了40層時（圖10A），在分佈式布拉格反射鏡中不會出現裂痕，而當堆疊了48層時（圖10B），在佈式布拉格反射鏡中出現裂痕。當堆疊了52層時（未繪示），同樣會出現裂痕。
在分佈式布拉格反射鏡中出現裂痕的原因並不清楚，但被認為與離子輔助沈積法有關。即，由於高密度的層藉著離子對撞而沈積，壓力累積在分佈式布拉格反射鏡中，而因此在切割基底期間，於分佈式布拉格反射鏡中會出現裂痕。因此，可能不適合僅藉由增加堆疊數目來大量製造發光二極體晶片。
與此理解有關，如圖3中所說明的，可在分佈式布拉格反射鏡中形成反射金屬層，使得對於具有大入射角度的光的相對高的反射率可以維持。
表1中顯示根據施加反射金屬層（Al）與否在白色發光二極體封裝體狀態中分佈式布拉格反射鏡的堆疊數目、一種環氧化物及相對的發光效率。在這些實驗例中，除了分佈式布拉格反射鏡、反射金屬層及環氧化物的類型之外，其他條件（例如發光二極體的類型與封裝體的類型）均相同。分佈式布拉格反射鏡的層的堆疊數目為40，而有關未施加Al反射金屬層（以"X"表示）的發光二極體晶片的發光二極體封裝體（樣品1號）之發光效率以百分比（%）表示。 表1
比較樣品1與樣品2及樣品5與樣品6，當未施加Al反射金屬層時，可知在發光效率依據所使用作為黏著劑的環氧化物的種類而有所不同。即，使用透明環氧樹脂的樣品顯示出比使用銀膠的樣品高的發光效率。這顯示分佈式布拉格反射鏡的反射率在沒有Al反射金屬層存在時會受到黏著劑的影響。
同時，當使用同一種類的黏著劑時，施加有Al反射金屬層的樣品（以" O "表示）顯示較其他樣品高的發光效率。例如，比較樣品1與樣品3、樣品2與樣品4及樣品5與樣品7，可知當施加Al反射金屬層時，發光效率改善。
同時，比較樣品1與樣品5及樣品2與樣品6，當使用相同的黏著劑而未施加Al反射金屬層時，可知根據堆疊數目的增加，發光效率改善。可理解分佈式布拉格反射鏡堆疊數目的增加可改善在廣大入射角度範圍中分佈式布拉格反射鏡的反射率，藉此造成發光效率的改善。
然而，比較樣品3與樣品7，當施加Al反射金屬層和銀膠時，儘管堆疊數目增加，發光效率卻沒有差異。藉著Al反射金屬層而對於具有大入射角度的長波長可見光維持相對高的反射率。因此，當施加分佈式布拉格反射鏡和反射金屬層時，可知當減少分佈式布拉格反射鏡的堆疊數目時，在封裝體等級（package level）可達到良好的發光效率。此外，分佈式布拉格反射鏡的堆疊數目減少可防止在分佈式布拉格反射鏡中出現裂痕。
同時，當施加Al反射金屬層至分佈式布拉格反射鏡時，可觀察到在晶片等級（chip level）的分佈式布拉格反射鏡的反射率減少。此現象被認為與基底的表面粗糙度密切相關。以下，將說明基底的表面粗糙度在晶片等級對於分佈式布拉格反射鏡的反射率之影響。
圖11為顯示在使用銅表面平板的藍寶石基底磨光製程後，根據是否進行CMP的分佈式布拉格反射鏡的反射率之圖。
首先，在藍寶石基底的背面研磨之後，藉著使用具有3 μm的顆粒之鑽石研磨漿而進行使用銅表面平板的磨光製程。在進行使用銅表面平板的磨光製程後，藍寶石基底的背面之表面粗糙度顯示均方根值（RMS）在5 μm × 5 μm的區域中約為5.12 nm。
其後，在藍寶石基底的背面經受CMP製程後，藉由控制TiO2與SiO2的厚度來形成前面所提及的第一分佈式布拉格反射鏡和第二分佈式布拉格反射鏡以製造樣品（實例1）。另一方面，比較例與實例1類似，直接形成分佈式布拉格反射鏡而不進行CMP製程以製造樣品。使用20 kg的量的SiO2 研磨漿進行CMP製程，而在CMP製程後，藍寶石基底的表面粗糙度於5 μm × 5 μm的區域中顯示約0.25 nm 的RMS值。
在比較例的情況下，如圖10所示，在可見光範圍中分佈式布拉格反射鏡顯示約90%或更大的反射率，但依據波長的反射率不規則，且在鄰近550 nm處顯示90%或較小的值。另一方面，在實例1中的情況，在可見光的廣大波長範圍中，分佈式布拉格反射鏡大部分的反射率顯示接近100%的值。
圖12為顯示約500 nm的鋁層沈積在與圖11中的實例與比較例以相同方法製造的樣品上之後的反射率的圖。
在比較例的情況中，已確認在Al沈積之後，反射率減少相當多。另一方面，在實例的情況中，即使在沈積Al之後仍維持高反射率，而無反射率減少的情況。
在比較例中，被認為在Al沈積後才顯示出反射率減少的現象，這是因為在使用電子束沈積技術來沈積Al時，根據比較例所形成在藍寶石基底上而具有粗糙表面的分佈式布拉格反射鏡因界面缺陷而變形。在實例1的情況中，因為藍寶石基底的表面粗糙度佳，已確認當Al沈積時，分佈式布拉格反射鏡不變形而反射率維持。
圖13、圖14與圖15為顯示根據在使用錫表面平台的磨光製程期間依研磨漿顆粒的尺寸的反射率圖。
在此種配置中，包含在鑽石顆粒中的研磨漿的尺寸與鑽石顆粒分別為3 μm、4 μm與6 μm。在使用錫表面平台進行磨光製程後，根據鑽石顆粒尺寸，藍寶石基底的表面粗糙度顯示的RMS值約2.40 nm、3.35 nm與4.18 nm。
在藉著錫表面平台進行磨光製程及沈積如圖8的實例中500 nm的Al之後，形成與實例1相同的分佈式布拉格反射鏡。
如由圖式中可理解的，在使用3 μm的研磨漿與錫表面平台進行磨光製程之後，在可見光範圍的廣大波長範圍中，分佈式布拉格反射鏡的反射率為90%或更大。然而，當沈積Al時，在鄰近550 nm處的反射率稍微地減少。
相對地，如圖14與圖15所示，在使用4 μm或6 μm的研磨漿及錫表面平台進行磨光製程之後，在鄰近550 nm處分佈式布拉格反射鏡的反射率並未達到90%，且在沈積Al之後，反射率降至80%或更低。
可由上述實驗例中理解，在分佈式布拉格反射鏡形成之前，藍寶石基底的表面粗糙度對於分佈式布拉格反射鏡的反射率有影響。此外，當控制藍寶石基底的表面粗糙度使具有3 nm或更小的RMS值時，相對地改善了反射特性。此外，當藍寶石基底的表面粗糙度為1 nm或更小時，可預期即使在沈積Al之後，反射率不會減少。
如由以上說明中顯而易知的，根據本發明的示範性實施例，可提供在廣大波長範圍內具有高反射率的分佈式布拉格反射鏡，以改善實施混合色光（如白光）的發光二極體封裝體的發光效率。此外，亦可藉由控制其上形成有分佈式布拉格反射鏡的基底的表面粗糙度確保分佈式布拉格反射鏡的反射率。
對所屬技術領域中具有通常知識者而言，在不脫離本發明的精神與範疇內，對本發明可進行不同的修正或更動。因此，意為若本發明之修正或更動落在所附申請專利範圍及其等效範圍內，本發明涵蓋之。
20、20a、20b‧‧‧發光二極體晶片
21‧‧‧基底
23‧‧‧緩衝層
25‧‧‧半導體層
27‧‧‧主動層
29‧‧‧半導體層
30‧‧‧發光結構（發光單元）
31‧‧‧透明電極層
33、35‧‧‧電極墊
37‧‧‧第一絕緣層
39‧‧‧接線
40‧‧‧第一分佈式布拉格反射鏡
40a‧‧‧第一材料層
40b‧‧‧第二材料層
41‧‧‧第二絕緣層
43‧‧‧磷光體層
45、55‧‧‧分佈式布拉格反射鏡
50‧‧‧第二分佈式布拉格反射鏡
50a‧‧‧第三材料層
50b‧‧‧第四材料層
51‧‧‧金屬層
53‧‧‧保護層
為提供本發明進一步的理解而包含所附圖式，其併入並構成此說明書的一部分，繪示本發明之實施例，並與說明一併用以解釋本發明之原理。 圖1為根據相關技術在藍寶石基底上形成鋁的反射率圖。 圖2為根據相關技術在藍寶石基底上的分佈式布拉格反射鏡的反射率圖。 圖3為根據本發明一示範性實施例的具有分佈式布拉格反射鏡的發光二極體晶片的剖面圖。 圖4為圖3之分佈式布拉格反射鏡的放大剖面圖。 圖5為根據本發明另一示範性實施例的分佈式布拉格反射鏡的剖面圖。 圖6為根據本發明另一示範性實施例的具有多個發光單元的發光二極體晶片的剖面圖。 圖7為根據本發明另一示範性實施例的具有多個發光單元的發光二極體晶片的剖面圖。 圖8為根據入射角的分佈式布拉格反射鏡的反射率變化之模擬圖。 圖9A與圖9B分別為顯示藉著增加分佈式布拉格反射鏡的堆疊數來改善對於入射角度在50°及60°的長波長入射光的反射率的實例。 圖10A與圖10B分別為顯示在進行切割製程後的分佈式布拉格反射鏡的平面圖。 圖11為顯示在使用銅表面平板的藍寶石基底磨光製程後，根據化學機械研磨（CMP）的存在與否的分佈式布拉格反射鏡的反射率圖。 圖12為顯示在以類似圖11的方法所製造的分佈式布拉格反射鏡上沈積鋁反射金屬層後的反射率圖。 圖13、圖14與圖15為顯示在使用錫表面平台的磨光製程期間根據研磨漿顆粒尺寸的反射率圖。

Claims (17)

  1. 一種發光二極體，經設置以發出第一波長範圍的光與第二波長範圍的光，所述發光二極體包括：基底；發光結構，配置在所述基底的第一表面上，所述發光結構包括主動層，所述主動層配置在第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間，所述發光結構經設置以發出所述第一波長範圍的光；第一分佈式布拉格反射鏡與第二分佈式布拉格反射鏡，配置在所述基底的第二表面上；反射金屬層，所述第一分佈式布拉格反射鏡與所述第二分佈式布拉格反射鏡配置在所述反射金屬層與所述基底之間；保護層，所述反射金屬層配置在所述第二分佈式布拉格反射鏡與所述保護層之間；以及磷光體，配置在所述發光結構上，其中：所述第一分佈式布拉格反射鏡配置為較所述第二分佈式布拉格反射鏡靠近所述基底；所述第一波長範圍包括藍色波長範圍；所述第二波長範圍的光藉由所述磷光體轉換；所述第一分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第二波長範圍的光比對於所述第一波長範圍的光更高的反射率；以及所述第二分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第一波長範圍的光比對於所述第二波長範圍的光更高的反射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中所述第二波長範圍包括紅色波長範圍。
  3. 如申請專利範圍第1所述之發光二極體，其中所述第二波長範圍包括綠色波長範圍。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中所述第一分佈式布拉格反射鏡接觸所述基底的所述第二表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中所述基底的所述第二表面的表面粗糙度為3μm或更小。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中所述基底的所述第一表面包括圖案化表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中所述基底的面積為至少90,000μm2。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體，更包括發光單元，配置在所述基底上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，更包括至少一個發光單元陣列，其中所述發光單元以串聯方式連接。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中：所述反射金屬層包括Al、Ag或Rh；以及所述保護層包括Ti、Cr、Ni、Pt、Ta與Au中的至少一者。
  11. 一種發光二極體，經設置以發出第一波長範圍的光與第二波長範圍的光，所述發光二極體包括：基底；發光結構，配置在所述基底的第一表面上，所述發光結構包括主動層，所述主動層配置在第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間，所述發光結構經設置以發出所述第一波長範圍的光；第一分佈式布拉格反射鏡與第二分佈式布拉格反射鏡，配置在所述基底的第二表面上；以及磷光體，配置在所述發光結構上，其中：所述第一分佈式布拉格反射鏡配置為較所述第二分佈式布拉格反射鏡靠近所述基底；所述第一波長範圍包括藍色波長範圍；所述第二波長範圍的光藉由所述磷光體轉換；所述第一分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第二波長範圍的光比對於所述第一波長範圍的光更高的反射率；所述第二分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第一波長範圍的光比對於所述第二波長範圍的光更高的反射率；所述第一分佈式布拉格反射鏡包括多對第一材料層與第二材料層，所述第一材料層包括第一光學厚度，所述第二材料層包括第二光學厚度；所述第二分佈式布拉格反射鏡包括多對第三材料層與第四材料層，所述第三材料層包括第三光學厚度，所述第四材料層包括第四光學厚度，其中所述第一光學厚度大於所述第三光學厚度，且所述第二光學厚度大於所述第四光學厚度；以及所述第一材料層的折射率與所述第二材料層的折射率不同，且所述第三材料層的折射率與所述第四材料層的折射率不同。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中所述第一材料層與所述第二材料層包括分別與所述第三材料層與所述第四材料層相同的折射率。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中所述第一光學厚度與所述第二光學厚度相同，且所述第三光學厚度與所述第四光學厚度相同。
  14. 一種製造發光二極體的方法，所述發光二極體經設置以發出第一波長範圍的光與第二波長範圍的光，所述製造發光二極體的方法包括：在基底的第一表面上形成發光結構，所述發光結構包括主動層，所述主動層配置在第一導電型半導體層與第二導電型半導體層之間，所述發光結構經設置以發出所述第一波長範圍的光；控制所述基底的第二表面的表面粗糙度；在所述發光結構上形成磷光體層，所述磷光體層經設置以發出紅色波長範圍的光；在所述基底的所述第二表面上形成第一分佈式布拉格反射鏡與第二分佈式布拉格反射鏡；在所述第一分佈式布拉格反射鏡與所述第二分佈式布拉格反射鏡的下部部分上形成反射金屬層；以及在所述反射金屬層上形成保護層，其中：所述第一分佈式布拉格反射鏡配置為較所述第二分佈式布拉格反射鏡靠近所述基底；所述第一波長範圍包括藍色波長範圍；所述第一分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第二波長範圍的光比對於所述第一波長範圍的光更高的反射率；以及所述第二分佈式布拉格反射鏡包括對於所述第一波長範圍的光比對於所述第二波長範圍的光更高的反射率。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之製造發光二極體的方法，其中控制所述基底的所述第二表面的表面粗糙度包括：藉著研磨所述基底的所述第二表面而移除一部分所述基底；以及藉著磨光所述基底而減少所述基底的所述第二表面的表面粗糙度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之製造發光二極體的方法，其中控制所述基底的所述第二表面的表面粗糙度更包括在進行所述磨光之後使用化學物來表面處理所述基底的所述第二表面。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之製造發光二極體的方法，其中在所述基底的所述第二表面上形成所述第一分佈式布拉格反射鏡與所述第二分佈式布拉格反射鏡包括交替沈積SiO2與TiO2於所述基底的經表面粗糙度控制的所述第二表面上，且其中所述第一分佈式布拉格反射鏡的最接近所述基底的層包括TiO2。
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