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(shí)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(gè)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(tái)凹坑的凸圓臺(tái)圖案；倒圓臺(tái)凹坑的傾角α為30°～38°；倒圓臺(tái)凹坑的深度h為對(duì)應(yīng)倒圓錐圖案深度H的85%～94%；倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)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(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，充分利用了圓臺(tái)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]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薄膜內(nèi)產(chǎn)生了 IO9~IO12CnT2的高位錯(cuò)密度，這會(huì)對(duì)GaN基LED的內(nèi)量子效率產(chǎn)生不利的影響。然而，隨著GaN外延生長(zhǎng)技術(shù)的不斷優(yōu)化，GaN的磊晶質(zhì)量顯著提高，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^ (nair/nGJ ]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(duì)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(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生橫向磊晶效果，從而降低晶體缺陷密度，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。
[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(duì)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(duì)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(shì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)為3 μ m，深度為1.5 μ m的三棱錐圖形，采用MOCVD法生長(zhǎng)GaN并制成芯片，對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)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(zhǎng)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。
[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(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)出更具出光優(yōu)勢(shì)的新型圖案亟待解決。實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]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新型圖形化襯底，具有光提取效率高的優(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。
[0006]本實(shí)用新型的目的通過以下方案實(shí)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(gè)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(tái)凹坑的凸圓臺(tái)圖案。
[0008]所述倒圓臺(tái)凹坑的傾角a為30°?38° ;倒圓臺(tái)凹坑的深度h為其對(duì)應(yīng)的倒圓錐的深度H的85%?94% ;倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的93%?95%。
[0009]所述多個(gè)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(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0012](I)本實(shí)用新型基于圓臺(tái)圖案設(shè)計(jì)的火山口圖案,充分利用了圓臺(tái)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(lán)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(shí)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(tái)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(tái)形圖形化襯底提升3%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例的LED芯片的示意圖。
[0015]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)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(shí)用新型的實(shí)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(shí)用新型的實(shí)施例的LED芯片的光通量隨倒圓錐凹坑傾角a變化趨勢(shì)圖。
[0018]圖5為本實(shí)用新型的實(shí)施例LED芯片的光通量隨倒圓臺(tái)深度h變化趨勢(shì)圖。
[0019]圖6為本實(shí)用新型的實(shí)施例LED芯片的光通量隨倒圓臺(tái)寬度a變化趨勢(shì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)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。
[0021]實(shí)施例1
[0022]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。
[0023]如圖2?3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)形狀相同的火山口圖案15組成；倒圓臺(tái)凹坑的傾角a為30° ;倒圓臺(tái)凹坑的深度h為其對(duì)應(yīng)的倒圓錐的深度H的85% ;倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的95% ；本實(shí)施例中凸圓臺(tái)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(gè)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(shí)施例2
[0025]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)形狀相同的火山口圖案組成；倒圓臺(tái)凹坑的傾角α為34。;倒圓臺(tái)凹坑的深度h為對(duì)應(yīng)其對(duì)應(yīng)的倒圓錐的深度H的94% ;倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的94% ;本實(shí)施例中凸圓臺(tái)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(gè)形狀相同的火山口圖案采用六角排列方式。
[0026]實(shí)施例3
[0027]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)形狀相同的火山口圖案組成；倒圓臺(tái)凹坑的傾角α為38。;倒圓臺(tái)凹坑的深度h為其對(duì)應(yīng)的倒圓錐的深度H的88% ;倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的93% ;本實(shí)施例中凸圓臺(tái)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(gè)形狀相同的火山口圖案采用六角排列方式。
[0028]測(cè)試?yán)?
[0029]采用光學(xué)分析軟件TracePiO對(duì)本實(shí)用新型的LED芯片的圖形化襯底做模擬測(cè)試，模擬測(cè)試過程如下:
[0030](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120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長(zhǎng)方體狀。
[0031](2)火山口圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實(shí)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(tái)凹坑的凸圓臺(tái)圖案；倒圓臺(tái)凹坑的傾角α為30°?38° ;倒圓臺(tái)凹坑的深度h為對(duì)應(yīng)倒圓錐圖案深度H的85%?94% ;倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的93%?95% ;呈六角排布。
[0032](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#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(zhǎng)方體狀。
[0033](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、下革巴面尺寸為120μπιΧ120μπιΧ3μπι，前、后靶面(相對(duì)芯片的長(zhǎng)邊)尺寸為120 μ mX 104.275 μ mX 3 μ m，左、右靶面(相對(duì)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(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。
[0035](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(duì)450nm的光，溫度設(shè)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(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(chǎng)角分布為L(zhǎng)ambertian發(fā)光場(chǎng)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(duì)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)。
[0038]測(cè)試結(jié)果如圖5?7所示。
[0039]圖4是LED芯片(火山口凸圓臺(tái)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(shì)圖。
[0040]圖中曲線走勢(shì)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(shì)，并且均在傾角a為30°?38°時(shí)取得極大值。
[0041]圖5為L(zhǎng)ED芯片(火山口凸圓臺(tái)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(tái)深度h變化趨勢(shì)圖，表明在某一范圍內(nèi)，倒圓臺(tái)具有比倒圓錐更佳的光提取效果。隨著倒圓臺(tái)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(duì)應(yīng)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L(zhǎng)ED芯片(火山口凸圓臺(tái)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(duì)應(yīng)倒圓錐圖案深度H的88%)的頂部、底部、總光通量隨倒圓臺(tái)寬度a變化趨勢(shì)圖。圖中曲線走勢(shì)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(dāng)寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的93%，頂部光通量取得最大值2220a.u.。
[0043]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(jiǎn)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)形狀相同的火山口圖案組成；所述火山口圖案為中心具有倒圓臺(tái)凹坑的凸圓臺(tái)圖案。
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，所述倒圓臺(tái)凹坑的傾角a為30°?38° ;倒圓臺(tái)凹坑的深度h為其對(duì)應(yīng)的倒圓錐的深度H的85%?94% ;倒圓臺(tái)凹坑的寬度a為凸圓臺(tái)上表面寬度A的93%?95%。
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(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的優(yōu)化的LED圖形化襯底。
【文檔編號(hào)】H01L33/22GK203434183SQ201320445718
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】李國(guó)強(qiáng), 周仕忠, 何攀貴, 喬田, 王海燕, 林志霆 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)