一種用于led正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于LED正裝結(jié)構(gòu)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穹頂型圖案組成；所述穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑為0.8～1.2μm的圓形，椎體的高為1.3～1.6μm；椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形；所述圓弧對應的圓心角為5°～15°。本實用新型還公開了包括上述圖形化襯底的LED芯片。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有更優(yōu)的出光效率，提高LED芯片的外量子效率，有效地抑制螺型位錯的產(chǎn)生，進一步改善了磊晶質(zhì)量，從而提高了LED的內(nèi)量子效率。
【專利說明】—種用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底及LED芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及LED芯片，特別涉及一種用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底及LED
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【背景技術(shù)】
[0002]LED作為一種新型固態(tài)照明光源，以其發(fā)熱量低、耗電量少、反應速度快、壽命長、體積小等優(yōu)點，被認為是21世紀的綠色照明光源。面對未來大功率照明的市場需求，LED的發(fā)光效率有待提高。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IO9-1O12CnT2的穿越位錯，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。針對這一問題，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(shù)的應用效果已受到認可。
[0003]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)在選擇上勢必會影響LED的性能。J.H.Cheng等人利用濕法刻蝕技術(shù)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(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，應該采取較小的側(cè)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(shù)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(shù)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(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，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(nèi)量子效率及LED芯片壽命。另外，納米級圖案制造成本高，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。實用新型內(nèi)容
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，具有更優(yōu)的出光效率，提高了 LED芯片的外量子效率，有效地抑制螺型位錯的產(chǎn)生，進一步改善了磊晶質(zhì)量，從而提高了 LED的內(nèi)量子效率。
[0005]本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]一種用于LED正裝結(jié)構(gòu)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穹頂型圖案組成。
[0007]所述穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑為0.8?1.2μπι的圓形，椎體的高為1.3?1.6 μ m ;椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形；所述圓弧對應的圓心角為5°?15°。
[0008]相鄰椎體的間距為2.0?4.0 μ m。
[0009]一種LED芯片，包括上述的用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底。
[0010]本實用新型在圓錐型圖形化襯底的基礎(chǔ)上，對襯底圖案進行優(yōu)化，將母線變?yōu)榍€，得到穹頂型圖案；由于將母線變?yōu)榍€后，光線在LED芯片內(nèi)部的反射次數(shù)與反射路徑也會相應變化，從而對LED出光效率產(chǎn)生不同的影響，并且，錐型側(cè)面弧度的變化會增大刻蝕襯底工藝的難度，刻蝕工藝的精確度會對襯底圖案質(zhì)量和光學性能產(chǎn)生很大的影響。因此，可以對穹頂型圖案的參數(shù)進行進一步的優(yōu)化，在圖案尺寸的優(yōu)化問題上，需要在尺寸變化與其對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。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0012](I)本實用新型通過采用穹頂型圖案，并通過優(yōu)化圖案參數(shù)，大大提高了反射光子到達LED芯片頂部的能力，使更多光線反射至芯片頂部，同時底部和側(cè)面光通量也有所增力口，圖形化藍寶石襯底GaN基LED的外量子效率有所提升。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3.0倍，底部光通量增大到2.5倍。
[0013](2)本實用新型具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，而且穹頂型圖案為錐型，與目前商用的圖形化襯底圖案相符，可延用原有的襯底刻蝕技術(shù)，節(jié)省開發(fā)成本。
[0014](3)本實用新型在圓錐型圖形襯底的基礎(chǔ)上優(yōu)化，改變圖案的形狀及參數(shù)，避免邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，有效地抑制螺型位錯的產(chǎn)生，進一步改善了磊晶質(zhì)量，從而提高了 LED的內(nèi)量子效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的實施例的LED芯片的示意圖。
[0016]圖2為本實用新型的實施例的LED圖形化襯底的截面示意圖。
[0017]圖3為本實用新型的實施例的LED圖形化襯底的俯視圖。
[0018]圖4為本實用新型的實施例的穹頂型圖案沿對稱軸的截面示意圖。
[0019]圖5為穹頂型(D-LED)和圓錐型圖案襯底的LED (T-LED)芯片(0002)面的XRD測試圖。
[0020]圖6為穹頂型(D-LED)和圓錐型圖案襯底的LED (T-LED)芯片(10-12)面的XRD測試圖。[0021]圖7穹頂型(D-LED)和圓錐型圖案襯底的LED (T-LED)芯片PL光譜圖。
[0022]圖8為本實用新型的實施例的LED芯片各面光通量隨圓弧對應的圓心角α變化的變化趨勢圖。
[0023]圖9為本實用新型的實施例的LED芯片總光通量隨圓弧對應的圓心角α變化的變化趨勢圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合實施例，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。
[0025]實施例1
[0026]圖1為本實施例的LED芯片的示意圖，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。
[0027]如圖2所示，本實施例用于LED正裝結(jié)構(gòu)的藍寶石圖形化襯底11，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的穹頂型圖案15組成。
[0028]如圖3?4所示，所述穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑R為1.2 μ m的圓形，椎體的高h為1.5μπι。如圖4所示，椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形，圖中O點為圓弧AB對應的圓的圓心，圓弧AB對應的圓心角α為10° ;如圖3所示，相鄰椎體的間距d為3.0 μ m。
[0029]圖5?6為本實施例的LED芯片與襯底圖案為圓錐(底面半徑為1.2μ m，高為1.5 μ m)的LED芯片的XRD測試結(jié)果對比圖。與本實施例的穹頂型圖形襯底的LED對比，圓錐型圖形襯底的LED的(0002)具有更寬的衍射峰，表明圓錐型圖形襯底LED中與螺型位錯相關(guān)的缺陷密度更大。穹頂型圖案襯底LED和圓錐型圖案襯底LED( 10-12)的半峰寬相近，表明穹頂型、圓錐型圖案襯底的LED中，與刃型位錯相關(guān)的缺陷密度相近，刃型位錯對兩種LED芯片的影響基本一致。
[0030]圖7為本實施例的LED芯片與襯底圖案為圓錐(底面半徑為1.2 μ m，高為1.5μπι)的LED芯片的PL光譜對比圖。穹頂型圖案襯底的LED與圓錐型圖案襯底的LED具有相似的發(fā)光峰型，且穹頂型圖案襯底的LED具有更強的PL發(fā)光亮度，兩者峰值接近。
[0031]實施例2
[0032]本實施例除下述特征外，其余特征與實施例1同:
[0033]穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑為0.8μπι的圓形，椎體的高為1.3μπι。椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形；所述圓弧對應的圓心角為5° ;相鄰椎體的間距為2.0 μ m。
[0034]本實施例的測試結(jié)果與實施例1相近。
[0035]實施例3
[0036]本實施例除下述特征外，其余特征與實施例1同:
[0037]穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑為1.2μπι的圓形，椎體的高為1.6μπι。椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形；所述圓弧對應的圓心角為15° ;相鄰椎體的間距為4.0 μ m。
[0038]本實施例的測試結(jié)果與實施例1相近。[0039]模擬測試例
[0040]采用光學分析軟件TracePro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:
[0041](I)襯底構(gòu)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。
[0042](2)穹頂型圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)穹頂型圖案的制作:穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑為0.8?1.2μπι的圓形，椎體的高為1.3?
1.6μπι;椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形；圓弧對應的圓心角為O。?90°。
[0043](3)外延層構(gòu)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。
[0044](4)祀面構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)六層祀面的制作,六層祀面分別置于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 mX3 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
[0045](5) N型GaN層與圖形化襯底接觸面相應圖案構(gòu)建:插入Solidworks建立的圖案層于襯底層之上，采用TracePiO的差減功能實現(xiàn)N-GaN層相應圖案構(gòu)建。
[0046](6)各材料層的參數(shù)設(shè)定:藍寶石襯底的折射率為1.67，N型GaN、MQff量子阱、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。
[0047](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。
[0048](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芯片模型進行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側(cè)面的光通量數(shù)據(jù)。
[0049]圖8為LED芯片(襯底圖案底面半徑為1.0 μ m，高為1.5 μ m，相鄰圖案的間距d為
3.0 μ m)的各面光通量隨圓弧對應的圓心角α變化的趨勢圖。LED芯片的頂部、底部光通量隨圓弧對應的圓心角α變化的趨勢相同。在O?10°范圍內(nèi)，LED頂部、底部光通量隨圓心角的增大而呈現(xiàn)輕微的增長趨勢，變化值分別僅為100a.u.和61a.u.。兩者均在圓心角為10°時取得最大值，分別為2191a.u.和2473a.u.。而當圓心角大于10°后，隨著圓心角的增大，LED頂部、底部光通量持續(xù)減小，但底部光通量變化比較平緩，頂部光通量的降幅較大，達到367a.u.，說明圓心角的變化對頂部出射光線的影響較大。隨著圓心角的增大，側(cè)面光通量變化趨勢與頂部、底部光通量相反:在O?10°范圍內(nèi)，LED芯片側(cè)面光通量呈現(xiàn)下降趨勢，降幅為179a.u.;當圓心角大于10°，隨著圓心角增大，側(cè)面光通量變化平緩，總體呈增長趨勢，增幅僅為134a.u.。
[0050]圖9為LED芯片(襯底圖案底面半徑為L O μ m，高為L 5 μ m，相鄰圖案的間距d為
3.0 μ m)的總光通量隨圓弧對應的圓心角α變化的趨勢圖。隨著α的增大，總光通量變化趨勢與頂部光通量相似，呈現(xiàn)下降趨勢。當α為O?40°時，總光通量的變化較為平緩，變化值為91.3a.u.;當圓心角大于40°后，隨著圓心角增大，總光通量急劇減小，變化值為405.8a.u.。當圓心角為0°，即圖案為圓錐型時，LED芯片的總光通量達到最大值7448a.U.0
[0051]綜上的測試結(jié)果，優(yōu)選的圓弧對應的圓心角為5°?15°。
[0052]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(zhì)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(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，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穹頂型圖案組成，所述穹頂型圖案為軸對稱的椎體，椎體的底面為半徑為0.8?1.2 μ m的圓形,椎體的高為1.3?1.6 μ m ;椎體沿對稱軸的截面為由兩段對稱的圓弧及一段直線段組成的類三角形；所述圓弧對應的圓心角為5°?15°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，其特征在于，相鄰椎體的間距為2.0?4.0 μ m。
3.一種LED芯片，其特征在于，包括權(quán)利要求1?2任一項所述的用于LED正裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底。
【文檔編號】H01L33/22GK203589068SQ201320608988
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】李國強, 王海燕, 周仕忠, 何攀貴, 喬田, 林志霆 申請人:華南理工大學