一種優(yōu)化的led圖形化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種優(yōu)化的LED圖形化襯底及LED芯片，其中一種優(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火山口圖案組成；火山口圖案為中心具有倒圓臺凹坑的凸圓臺圖案；倒圓臺凹坑的傾角α為30°～38°；倒圓臺凹坑的深度h為對應倒圓錐圖案深度H的85%～94%；倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93%～95%。所述LED芯片，包括上述優(yōu)化的LED圖形化襯底。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，充分利用了圓臺上表面的平面區(qū)域，增加有效光散射的斜面面積，具有比同高度、同底部寬度的其他圖案圖形化襯底更優(yōu)的光提取效率。
【專利說明】—種優(yōu)化的LED圖形化襯底及LED芯片
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及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】
[0002]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薄膜內產生了 IO9~IO12CnT2的高位錯密度，這會對GaN基LED的內量子效率產生不利的影響。然而，隨著GaN外延生長技術的不斷優(yōu)化，GaN的磊晶質量顯著提高，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/nGJ ]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，從而降低晶體缺陷密度，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。
[0003]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)(包括傾角、深度和寬度等)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。
[0004]即便圖形化襯底已大幅度提高LED的出光效率，但目前尚未提出更有利于出光的新型圖案，圖形化襯底的發(fā)展出現(xiàn)瓶頸。為滿足未來高功率照明市場的需求，設計出更具出光優(yōu)勢的新型圖案亟待解決。實用新型內容
[0005]為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種優(yōu)化的LED新型圖形化襯底，具有光提取效率高的優(yōu)點。本實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。
[0006]本實用新型的目的通過以下方案實現(xiàn):
[0007]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火山口圖案組成；所述火山口圖案為中心具有倒圓臺凹坑的凸圓臺圖案。
[0008]所述倒圓臺凹坑的傾角a為30°?38° ;倒圓臺凹坑的深度h為其對應的倒圓錐的深度H的85%?94% ;倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93%?95%。
[0009]所述多個形狀相同的火山口圖案采用六角排列方式。
[0010]一種LED芯片，包括上述優(yōu)化的LED圖形化襯底。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0012](I)本實用新型基于圓臺圖案設計的火山口圖案,充分利用了圓臺上表面的平面區(qū)域，增加有效光散射的斜面面積，從而提高圖形化藍寶石襯底GaN基LED的出光效率。相比普通的無圖案襯底LED，頂部光通量增大到3.2倍，底部光通量增大到2.8倍。
[0013](2)本實用新型具有比同高度、同底部寬度的其他圖案圖形化襯底更優(yōu)的光提取效率:頂部光通量比圓錐形圖形化襯底提升23%、比半球形圖形化襯底提升20%、比圓臺形圖形化襯底提升5% ;底部光通量比圓錐形圖形化襯底提升11%、比半球形圖形化襯底提升10%、比圓臺形圖形化襯底提升3%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的實施例的LED芯片的示意圖。
[0015]圖2為本實用新型的實施例的LED芯片的圖形化襯底的示意圖，火山口圖案的參數(shù)包括傾角a，深度h以及寬度a。
[0016]圖3為本實用新型的實施例的LED芯片的圖形化襯底采用的排列方式示意圖。
[0017]圖4為本實用新型的實施例的LED芯片的光通量隨倒圓錐凹坑傾角a變化趨勢圖。
[0018]圖5為本實用新型的實施例LED芯片的光通量隨倒圓臺深度h變化趨勢圖。
[0019]圖6為本實用新型的實施例LED芯片的光通量隨倒圓臺寬度a變化趨勢圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0021]實施例1
[0022]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。
[0023]如圖2?3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火山口圖案15組成；倒圓臺凹坑的傾角a為30° ;倒圓臺凹坑的深度h為其對應的倒圓錐的深度H的85% ;倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的95% ；本實施例中凸圓臺的傾角Θ為60。，下表面寬度B為3μπι，上表面寬度A為1.268μπι，高度L為1.5 μ m，邊緣間距d為1.5μπι;所述多個形狀相同的火山口圖案采用如圖3所示的六角排列方式。
[0024]實施例2
[0025]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火山口圖案組成；倒圓臺凹坑的傾角α為34。;倒圓臺凹坑的深度h為對應其對應的倒圓錐的深度H的94% ;倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的94% ;本實施例中凸圓臺的傾角Θ為60°，下表面寬度B為3μπι，上表面寬度A為1.268μπι，高度L為1.5μπι，邊緣間距d為1.5 μ m ;所述多個形狀相同的火山口圖案采用六角排列方式。
[0026]實施例3
[0027]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火山口圖案組成；倒圓臺凹坑的傾角α為38。;倒圓臺凹坑的深度h為其對應的倒圓錐的深度H的88% ;倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93% ;本實施例中凸圓臺的傾角Θ為60°，下表面寬度B為4μπι，上表面寬度A為2.268 μ m，高度L為1.5 μ m，邊緣間距d為1.5 μ m ;所述多個形狀相同的火山口圖案采用六角排列方式。
[0028]測試例:
[0029]采用光學分析軟件TracePiO對本實用新型的LED芯片的圖形化襯底做模擬測試，模擬測試過程如下:
[0030](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120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0031](2)火山口圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)火山口圖案的制作，其特征在于:火山口圖案為中心具有倒圓臺凹坑的凸圓臺圖案；倒圓臺凹坑的傾角α為30°?38° ;倒圓臺凹坑的深度h為對應倒圓錐圖案深度H的85%?94% ;倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93%?95% ;呈六角排布。
[0032](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#型GaN層尺寸為120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為120 μ mX 120 μ mX75nm, P 型 GaN 層尺寸為 120 μ mX 120 μ mX200nm,均呈長方體狀。
[0033](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、下革巴面尺寸為120μπιΧ120μπιΧ3μπι，前、后靶面(相對芯片的長邊)尺寸為120 μ mX 104.275 μ mX 3 μ m，左、右靶面(相對芯片的短邊)尺寸為 120 μ mX 104.275 μ mX3 μ m。
[0034](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。
[0035](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。
[0036](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。
[0037](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)。
[0038]測試結果如圖5?7所示。
[0039]圖4是LED芯片(火山口凸圓臺傾角0為60°，下表面寬度B為3 ii m，上表面寬度A為1.268 iim，高度L為1.5 iim，邊緣間距d為1.5 iim;倒圓錐凹坑寬度a為1.1iim)的頂部、底部、總光通量隨倒圓錐凹坑傾角a變化趨勢圖。
[0040]圖中曲線走勢表明:火山口圖案圖形化襯底LED的總光通量隨傾角的增大，變化幅度不大，但頂部及底部光通量下降趨勢，并且均在傾角a為30°?38°時取得極大值。
[0041]圖5為LED芯片(火山口凸圓臺傾角0為60°，下表面寬度B為3 y m，上表面寬度A為1.268iim，高度L為1.5 y m，邊緣間距d為1.5 y m ;倒圓錐凹坑傾角a為38°，寬度a為1.1 Pm)的頂部、底部、總光通量隨倒圓臺深度h變化趨勢圖，表明在某一范圍內，倒圓臺具有比倒圓錐更佳的光提取效果。隨著倒圓臺深度的增加，總光通量變化不明顯，但頂部及底部光通量均先增大，后減小，并且在深度h為對應倒圓錐圖案深度H的85%處取得最大值，頂部光通量為2210a.u.，底部光通量為2462a.u.。
[0042]圖6為LED芯片(火山口凸圓臺傾角0為60°，下表面寬度B為4 ii m，上表面寬度A為2.268 iim，高度L為1.5 iim，邊緣間距d為1.5 iim;倒圓錐凹坑傾角a為38°，深度h為對應倒圓錐圖案深度H的88%)的頂部、底部、總光通量隨倒圓臺寬度a變化趨勢圖。圖中曲線走勢表明:隨寬度a增大，總光通量緩慢增大，而頂部、底部光通量則增大明顯，且當寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93%，頂部光通量取得最大值2220a.u.。
[0043]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型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實用新型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，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【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火山口圖案組成；所述火山口圖案為中心具有倒圓臺凹坑的凸圓臺圖案。
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，所述倒圓臺凹坑的傾角a為30°?38° ;倒圓臺凹坑的深度h為其對應的倒圓錐的深度H的85%?94% ;倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93%?95%。
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火山口圖案采用六角排列方式。
4.一種LED芯片，其特征在于，包括如權利要求1?3任一項所述的優(yōu)化的LED圖形化襯底。
【文檔編號】H01L33/22GK203434183SQ201320445718
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權日:2013年7月24日
【發(fā)明者】李國強, 周仕忠, 何攀貴, 喬田, 王海燕, 林志霆 申請人:華南理工大學