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(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及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(shù)：
LED的出光效率取決于內(nèi)量子效率和外量子效率。一方面，由于GaN與藍(lán)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(nèi)產(chǎn)生了密度為109-1012cnT2的穿越位錯(cuò)，這對GaN基LED的內(nèi)量子效率產(chǎn)生了不利的影響。然而，隨著GaN外延生長技術(shù)的不斷優(yōu)化，GaN的磊晶質(zhì)量有所提高，目前LED的內(nèi)量子效率已達(dá)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-1 (nair/nGaN)]僅為24.6°，導(dǎo)致LED芯片與空氣之間存在嚴(yán)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(shù)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(shí)產(chǎn)生橫向磊晶效果，從而減小晶體缺陷密度，提高LED的內(nèi)量子效率。為滿足器件性能的要求，圖形襯底的設(shè)計(jì)已幾番更新，從最初的槽形到六角形、錐形、棱臺(tái)型等，圖形化襯底技術(shù)的應(yīng)用效果已受到認(rèn)可。襯底的圖案是圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵，襯底圖案演變至今，對LED光提取效果和外延質(zhì)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(huì)影響LED的性能。J.H.Cheng等人利用濕法刻蝕技術(shù)在藍(lán)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(zhì)量、缺陷密度、內(nèi)量子效率等產(chǎn)生較大影響。為了減少位錯(cuò)，應(yīng)該采取較小的側(cè)面傾斜角，但是小傾角會(huì)削弱圖形對光的反射或散射效應(yīng)，因此需要尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。D.S.Wuu等人利用濕法刻蝕技術(shù)在藍(lán)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(jìn)行光學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)圖形藍(lán)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(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備納米級(jí)的襯底圖案，該襯底制造出的LED芯片的光強(qiáng)和出光率都高于普通藍(lán)寶石襯底LED，分別提高了 67%和38%，也優(yōu)于微米級(jí)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(guān)系仍然需要權(quán)衡。研究表明:隨著圖案間距的減小，在GaN和藍(lán)寶石界面易出現(xiàn)由于GaN生長來不及愈合而產(chǎn)生的空洞，并造成外延層更多的位錯(cuò)，即便光提取效率有所提升，但外延層位錯(cuò)的增加會(huì)降低其內(nèi)量子效率及LED芯片壽命。另外，納米級(jí)圖案制造成本高，產(chǎn)業(yè)化比較困難，也大大限制了其推廣應(yīng)用。由此可見，圖形尺寸和LED性能的優(yōu)化還需要進(jìn)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(guān)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(yīng)用缺乏一套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。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(zhì)量造成破壞間的權(quán)衡，在提高出光效率的前提下保證更好的磊晶質(zhì)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。

實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型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(diǎn)。本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型的目的通過以下方案實(shí)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(gè)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1.0 1.2 μ m。所述多個(gè)形狀相同的正六棱錐采用矩形排列方式。所述多個(gè)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(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:(I)本實(shí)用新型通過優(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(dá)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(qiáng)圖形化藍(lán)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)本實(shí)用新型具有比普通襯底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(jié)構(gòu)，有利于外延生長聞質(zhì)量GaN晶體。(3)本實(shí)用新型采用優(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(jìn)一步改善了磊晶質(zhì)量，從而提高了 LED的內(nèi)量子效率。

圖1為實(shí)施例1的LED芯片的示意圖。圖2為實(shí)施例1的LED芯片的圖形化襯底的不意圖。圖3為實(shí)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(yuǎn)以及正六棱錐邊長a。圖4為實(shí)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(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1[0024]圖1為本實(shí)施例的LED芯片的示意圖，如圖1所示，由依次排列的藍(lán)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(shí)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(gè)形狀相同的正六棱錐15組成，每個(gè)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(diǎn)的距離；本實(shí)施例中正六棱錐的邊長a為1.6 μ m ;所述多個(gè)形狀相同的正六棱錐采用如圖4所示的矩形排列方式。實(shí)施例2本實(shí)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(gè)形狀相同的正六棱錐組成，每個(gè)六棱錐的傾角α為55° ;本實(shí)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(gè)形狀相同的正六棱錐采用六角排列方式。測試?yán)?采用光學(xué)分析軟件TracePiO對本實(shí)用新型的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(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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(shí)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°飛0° ;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(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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(gòu)建:采用TracePiO自帶的建模功能實(shí)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 m0(5) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)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(shí)現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。(6)各材料層的參數(shù)設(shè)定:藍(lán)寶石襯底的折射率為1.67，N型GaN、MQff量子講、P型GaN材質(zhì)折射率均為2.45，四者均針對450nm的光，溫度設(shè)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(shè)定:量子阱層上下表面各設(shè)置一個(gè)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(gòu)建的LED芯片模型進(jìn)行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側(cè)面的光通量數(shù)據(jù)。測試結(jié)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(shí)出現(xiàn)極大值。圖6為LED芯片(正六棱錐傾角為60°，邊距為1.0 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(shí)，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(dāng)圖案邊距在1.(Tl.2μπι內(nèi)，LED芯片的總光通量達(dá)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(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)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(gè)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 1.2 μ m。
2.根據(jù)權(quán)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(gè)形狀相同的正六棱錐采用矩形排列方式。
3.根據(jù)權(quán)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(gè)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(quán)利要求f 3任一項(xiàng)所述的優(yōu)化的LED圖形化襯底。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種優(yōu)化的LED芯片圖形化襯底及LED芯片，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)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。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)，有助于外延生長高質(zhì)量GaN晶體，進(jìn)一步改善了磊晶質(zhì)量，從而提高了LED的內(nèi)量子效率。
文檔編號(hào)H01L33/22GK202996889SQ201220696530
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者李國強(qiáng), 王海燕, 何攀貴, 喬田, 周仕忠, 林志霆 申請人:華南理工大學(xué)