專利名稱：一種優(yōu)化的led圖形化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及LED芯片，特別涉及一種優(yōu)化的LED圖形化襯底及LED芯片。
背景技術：
LED的出光效率取決于內量子效率和外量子效率。一方面，由于GaN與藍寶石襯底的晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)存在較大差異，GaN薄膜的晶體內產生了密度為IO9-1O12cnT2的穿越位錯，這對GaN基LED的內量子效率產生了不利的影響。然而，隨著GaN外延生長技術的不斷優(yōu)化，GaN的磊晶質量有所提高，目前LED的內量子效率已達到90%以上。另一方面，GaN具有較高的折射系數(shù)(η=2· 45)，光線出射的臨界角[Θ c=sin^ (nair/nGaN)]僅為24. 6°，導致LED芯片與空氣之間存在嚴重的全反射現(xiàn)象，外量子效率難以提高。后來針對這一問題提出的改善方案，如引入布拉格反射層、光子晶體、表面粗化等，都在一定程度上提高了LED的外量子效率。而近年發(fā)展起來`的圖形化襯底技術不僅能通過圖案傾斜面改變光線射入方向，使光在界面出射的入射角變小(小于全反射臨界角)，更多光線能透射而出，從而使外量子效率得以提高；還能使GaN在外延生長時產生橫向磊晶效果，從而減小晶體缺陷密度，提高LED的內量子效率。為滿足器件性能的要求，圖形襯底的設計已幾番更新，從最初的槽形到六角形、錐形、棱臺型等，圖形化襯底技術的應用效果已受到認可。襯底的圖案是圖形化襯底技術的關鍵，襯底圖案演變至今，對LED光提取效果和外延質量改善顯著，已成為提高LED性能的重要途徑，對LED的出光效率起著決定性作用。作為影響光路的直接因素，圖案的參數(shù)(包括邊長、高度和間距等)在選擇上勢必會影響LED的性能。J. H. Cheng等人利用濕法刻蝕技術在藍寶石襯底上刻蝕出具有不同傾斜角的錐形圖案，發(fā)現(xiàn)錐形圖案的傾斜角對GaN的磊晶質量、缺陷密度、內量子效率等產生較大影響。為了減少位錯，應該采取較小的側面傾斜角，但是小傾角會削弱圖形對光的反射或散射效應，因此需要尋求一個平衡點。D. S. Wuu等人利用濕法刻蝕技術在藍寶石襯底上制備邊長為3 μ m，深度為1. 5 μ m的三棱錐圖形，采用MOCVD法生長GaN并制成芯片，對其進行光學測試，發(fā)現(xiàn)圖形藍寶石襯底GaN基LED的外量子效率因圖案密度的改變而有所不同，圖形化襯底LED的輸出功率比普通LED的輸出功率提升25%。另外，R. Hsueh等人用納米壓印技術在藍寶石襯底上制備納米級的襯底圖案，該襯底制造出的LED芯片的光強和出光率都高于普通藍寶石襯底LED，分別提高了 67%和38%，也優(yōu)于微米級圖形襯底LED。但并非圖形尺寸越小，LED的性能就越好，圖形尺寸和LED性能間的關系仍然需要權衡。研究表明隨著圖案間距的減小，在GaN和藍寶石界面易出現(xiàn)由于GaN生長來不及愈合而產生的空洞，并造成外延層更多的位錯，即便光提取效率有所提升，但外延層位錯的增加會降低其內量子效率及LED芯片壽命。另外，納米級圖案制造成本高，產業(yè)化比較困難，也大大限制了其推廣應用。由此可見，圖形尺寸和LED性能的優(yōu)化還需要進一步研究。即便圖形化襯底已大幅度提高LED的出光效率，但目前關于正六棱錐圖形的研究仍然少見，對于以正六棱錐為基本圖案的圖形襯底，仍未有研究成果能明確指出其最佳圖案傾角、邊長、圖案密度等參數(shù)，正六棱錐圖形襯底圖案的應用缺乏一套系統(tǒng)的設計指標。此外，在圖案尺寸的優(yōu)化問題上，解決尺寸縮小與其對GaN生長質量造成破壞間的權衡，在提高出光效率的前提下保證更好的磊晶質量，做到真正意義上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，確定正六棱錐圖形化襯底圖案的最優(yōu)化參數(shù)亟待解決。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化的LED圖形化襯底，具有出光效率高的優(yōu)點。本發(fā)明的另一目的在于提供包括上述優(yōu)化的LED圖形化襯底的LED芯片。本發(fā)明的目的通過以下方案實現(xiàn)一種優(yōu)化的LED圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的正六棱錐組成，正六棱錐的傾角α為55°飛0° ;相鄰正六棱錐的邊距d為1. (Tl. 2 μ m。所述多個形狀相同的正六棱錐采用矩形排列方式。所述多個形狀相同的正六棱錐采用六角排列方式。一種LED芯片，包括上述的優(yōu)化的LED圖形化襯底。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果(I)本發(fā)明通過優(yōu)化正六棱錐圖形化襯底的圖案參數(shù)，大大提高了反射光子到達LED芯片頂部及底部的能力，從而使更多光線反射至芯片頂、底部，大大增加了可被完全利用的有效光線，增強圖形化藍寶石襯底GaN基LED的出光效率，從而提高LED的外量子效率。相比普通的無圖案襯底LED，總光通量增大到2. 49倍，頂部光通量增大到3. 29倍，底部光通量增大到3. 02倍。

(2)本發(fā)明具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，而且正六棱錐圖形符合GaN晶體的晶格結構，有利于外延生長聞質量GaN晶體。(3)本發(fā)明采用優(yōu)化的圖案參數(shù)，避免邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，進一步改善了嘉晶質量，從而提聞了 LED的內量子效率。


圖1為實施例1的LED芯片的示意圖。圖2為實施例1的LED芯片的圖形化襯底的不意圖。圖3為實施例1的LED芯片的圖形化襯底采用的正六棱錐圖形的單體示意圖，正六棱錐圖案的參數(shù)包括傾角α，高h以及正六棱錐邊長a。圖4為實施例1的LED芯片的圖形化襯底采用的排列方式示意圖。圖5為LED芯片的總光通量隨正六棱錐的傾角α的變化趨勢圖。圖6為LED芯片的總光通量隨正六棱錐的邊長a的變化趨勢圖。圖7為LED芯片的總光通量隨正六棱錐邊距d的變化趨勢圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1
圖1為本實施例的LED芯片的示意圖，如圖1所示，由依次排列的藍寶石圖形化襯底11、N型GaN層12，MQW量子阱層13，P型GaN層14組成。如圖2 4所示，本實施例的LED芯片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的正六棱錐15組成，每個正六棱錐的傾角α為60° ;相鄰正六棱錐的邊距d為1.0 μ m，相鄰正六棱錐的邊距定義為相鄰錐體底面頂點的距離；本實施例中正六棱錐的邊長a為1. 6 μ m ;所述多個形狀相同的正六棱錐采用如圖4所示的矩形排列方式。實施例2本實施例的LED芯片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的正六棱錐組成，每個六棱錐的傾角α為55° ;本實施例中正六棱錐的邊長a為2 μ m ;相鄰正六棱錐的邊距d為1. 2 μ m ;所述多個形狀相同的正六棱錐采用六角排列方式。測試例采用光學分析軟件TracePiO對本發(fā)明的LED芯片的圖形化襯底做模擬測試，模擬測試過程如下(I)襯底構建采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)襯底的制作，襯底尺寸為600 μ mX 250 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。(2)正六棱錐圖案制作采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)正六棱錐圖案的制作，其特征在于正六棱錐的傾角α為55° 60° ;相鄰正六棱錐的邊距d為1. (Tl. 2 μ m，呈矩形排布。

(3)外延層構建采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)N型GaN層、MQW量子阱層、P型GaN層的制作，N型GaN層尺寸為600 μ mX 250 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為600 μ mX 250 μ mX50nm, P 型 GaN 層尺寸為 600 μ mX 250 μ mX 3 μ m，均呈長方體狀。(4)靶面構建采用TracePiO自帶的建模功能實現(xiàn)六層靶面的制作，六層靶面分別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸為600μπιΧ250μπιΧ3μπι，前、后靶面(相對芯片的長邊)尺寸為600 μ mX 104. 41 μ mX 3 μ m，左、右靶面(相對芯片的短邊)尺寸為 250 μ mX 104. 41 μ mX 3 μ m。(5) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應圖案構建插入Solidworks建立的圖案層于襯底層之上，采用TracePiO的差減功能實現(xiàn)N-GaN層相應圖案構建。(6)各材料層的參數(shù)設定藍寶石襯底的折射率為1. 67，N型GaN、MQff量子講、P型GaN材質折射率均為2. 45，四者均針對450nm的光，溫度設置為300K，不考慮吸收與消光系數(shù)的影響。(7)量子阱層表面光源設定量子阱層上下表面各設置一個表面光源屬性，發(fā)射形式為光通量，場角分布為Lambertian發(fā)光場型，光通量為5000a. u.，總光線數(shù)3000條，最少光線數(shù)10條。(8)光線追蹤利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構建的LED芯片模型進行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側面的光通量數(shù)據(jù)。測試結果如圖5 7所示。圖5是LED芯片(正六棱錐邊長a為2 μ m,邊距為6 μ m ;邊長為2 μ m,邊距為4 μ m ;邊長為1.5μπι，邊距為4μπι)的總光通隨正六棱錐的傾角α變化趨勢圖。圖中曲線走勢表明正六棱錐圖案襯底LED的總光通量隨傾角的增大，總體呈上升趨勢，并且在傾角為55 60°時出現(xiàn)極大值。圖6為LED芯片(正六棱錐傾角為60°，邊距為1. O μ m)的總光通量隨正六棱錐邊長a的變化趨勢圖，表明隨著正六棱錐邊長的增大，正六棱錐圖形襯底LED的總光通量先增大，后總體呈減小趨勢，并且在邊長為1. 6 μ m時，總光通量有最大值7399a. u.。圖7為LED芯片(正六棱錐邊長為2.0 μ m，傾角為60° )的總光通量隨正六棱錐邊距d的變化趨勢圖，隨著邊距的增大，LED芯片的總光通量不斷下降，正六棱錐圖案間的邊距越小，其總光通量越大，且當圖案邊距在1. (Tl. 2μπι內，LED芯片的總光通量達到穩(wěn)定，說明小邊距有利于提聞LED芯片的出光效率。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種優(yōu)化的LED圖形化襯底，其特征在于，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的正六棱錐組成，正六棱錐的傾角α為55° 60° ;相鄰正六棱錐的邊距d為1. O 1. 2 μ m。
2.根據(jù)權利要求1所述的優(yōu)化的LED圖形化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的正六棱錐采用矩形排列方式。
3.根據(jù)權利要求1所述的優(yōu)化的LED圖形化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的正六棱錐采用六角排列方式。
4.一種LED芯片，其特征在于，包括如權利要求f 3任一項所述的優(yōu)化的LED圖形化襯 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種優(yōu)化的LED芯片圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的正六棱錐組成，正六棱錐的傾角α為55°~60°；相鄰正六棱錐的邊距d為1.0~1.2μm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，大大增加了可利用的有效光線，提高LED芯片的外量子效率；正六棱錐圖形符合GaN的晶格結構，有助于外延生長高質量GaN晶體，進一步改善了磊晶質量，從而提高了LED的內量子效率。
文檔編號H01L33/10GK103035792SQ20121054610
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權日2012年12月15日
發(fā)明者李國強, 王海燕, 何攀貴, 喬田, 周仕忠, 林志霆 申請人:華南理工大學