專利名稱:一種花瓣型類圓錐圖案的led圖形優(yōu)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花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底,襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；所述花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由多個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成封閉的圖形。本實用新型還公開了包含上述LED圖形優(yōu)化襯的LED芯片。本實用新型底增加了折射反射面，提高了光強和出光效率。
【專利說明】一種花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及LED圖形襯底，特別涉及一種花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片。

【背景技術】
[0002]目前，為了提高GaN基LED的內(nèi)量子效率和出光效率，諸多新技術被應用，其中包括側向外延生長技術、表面粗化、圖形化襯底技術以及金屬鏡面反射層技術等。近年來，如何利用圖形化襯底技術來有效地提高藍寶石襯底GaN基LED的出光效率，逐漸成為了目前藍寶石襯底GaN基LED領域研宄的熱點。作為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。
[0003]襯底圖案對LED光學性能的提高體現(xiàn)為兩方面:一方面，圖案通過散射/反射改變光的軌跡，使光在空氣界面出射的入射角變小(小于全反射臨界角)，從而透射而出，提高光的提取率；另一方面，圖案還可以使得后續(xù)的GaN生長出現(xiàn)側向磊晶的效果，減少晶體缺陷，提高內(nèi)量子效率。為滿足器件性能的要求，圖案的設計已幾番更新，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。
[0004]襯底的圖案是圖形化襯底技術的關鍵，對LED的出光效率起著決定性作用。對此，科學家和專業(yè)技術人員已經(jīng)有了多番研宄。S.Suihkonen等人的實驗證明:具有較大高度的六角形圖案不僅增強了對光線的反射、散射作用，而且相對復雜的圖形分布更有利于側向外延，提高磊晶質量。具有尖錐狀凸起結構的錐形圖案也是如此，圖案高度一般為I?2 μ m，間隔為2?3 μ m，底寬為2?3 μ m，其斜角對LED的出光有較大的影響。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芯片的光強和發(fā)光效率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。然而，根據(jù)實際使用的情況來看圖形尺寸并非越小越好，圖形尺寸和LED性能間的關系仍然需要權衡。研宄表明: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，即使光提取效率有所提升，但外延層位錯的增加會降低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。
[0005]目前，圖形化襯底圖案僅限于單種圖案的簡單線陣排列或六角排列。這雖然能夠使得出光率得到一定程度的提高，但是隨著科技的進步和人們對照明工具要求的不斷提高，它們已經(jīng)不能夠完全滿足人們的需要。
實用新型內(nèi)容
[0006]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花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，增加了折射反射面，提高了光強和出光效率。
[0007]本實用新型的另一目的在于提供包含上述LED圖形優(yōu)化襯底的LED芯片。
[0008]本實用新型的目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0009]—種花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；所述花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由多個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成的封閉圖形。
[0010]所述圓弧的個數(shù)為3?30。
[0011]所述花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離為0.5?3 μπι ;所述花瓣型類圓錐體的高度h為0.5?2 μ m。
[0012]所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用矩形排列方式。
[0013]所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用六角排列方式。
[0014]所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用菱形排列方式。
[0015]所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用圓形排列方式。
[0016]一種LED芯片，包括上述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底。
[0017]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:
[0018]本實用新型提供了一種新型的復合構型的塔狀LED圖形化襯底，襯底由圓錐經(jīng)過相當大變形而形成花瓣型類圓錐，突破了原有的普通圓錐型圖形化襯底圖案的思維局限，增加了折射反射面，與無圖案的圖形化襯底相比，頂部光通可提高2.67倍左右，底部光通可提高2.96倍左右，側面光通可提高3.11倍左右，總光通量可提高2.71倍左右。與相同尺寸的簡單圓錐型圖形化襯底相比，頂部光通量可提高1.15倍左右，底部光通量提高了 1.12倍左右。

【附圖說明】

[0019]圖1為本實用新型的實施例1的LED芯片的示意圖。
[0020]圖2為本實用新型的實施例1的花瓣型類圓錐體的示意圖。
[0021]圖3為本實用新型的實施例1的花瓣型類圓錐體的排列示意圖。
[0022]圖4為本實用新型的實施例2的花瓣型類圓錐體的排列示意圖。
[0023]圖5為本實用新型的實施例3的花瓣型類圓錐體的排列示意圖。
[0024]圖6為本實用新型的實施例4的花瓣型類圓錐體的排列示意圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例，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。
[0026]實施例1
[0027]圖1為本實施例的LED芯片的示意圖，由依次排列的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底11，N型GaN層12，MQff量子阱層13，P型GaN層14組成。
[0028]襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；如圖2所示，本實施例的花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由12個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成的封閉圖形。所述花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離R為3.0 μ m ;所述花瓣型類圓錐體的高度h為2 μ m。
[0029]本實施例的形狀相同的花瓣型類圓錐體采用如圖3所示的六角排列方式。相鄰兩花瓣型類圓錐體中心間距d為8.3 μπι。
[0030]實施例2
[0031]本實施例的LED芯片由依次排列的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，N型GaN層，MQff量子阱層，P型GaN層組成。
[0032]襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；本實施例的花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由15個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成的封閉圖形。所述花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離R為1.7 μ m ;所述花瓣型類圓錐體的高度h為2 μ m。
[0033]本實施例的形狀相同的花瓣型類圓錐體采用如圖4所示的矩形排列方式。相鄰兩花瓣型類圓錐體中心間距d為6 μπι。
[0034]實施例3
[0035]本實施例的LED芯片由依次排列的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，N型GaN層，MQff量子阱層，P型GaN層組成。
[0036]襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；本實施例的花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由15個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成的封閉圖形。所述花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離R為2.3 μ m ;所述花瓣型類圓錐體的高度h為2 μ m。
[0037]本實施例的形狀相同的花瓣型類圓錐體采用如圖5所示的矩形排列方式。相鄰兩花瓣型類圓錐體中心間距d為6.5 μπι。
[0038]實施例4
[0039]本實施例的LED芯片由依次排列的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，N型GaN層，MQff量子阱層，P型GaN層組成。
[0040]襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；本實施例的花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由3個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成的封閉圖形。所述花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離R為0.5 μ m ;所述花瓣型類圓錐體的高度h為0.5 μ m。
[0041]本實施例的形狀相同的花瓣型類圓錐體采用如圖6所示的圓形排列方式。相鄰兩花瓣型類圓錐體中心間距d為1.5 μπι。
[0042]測試例:
[0043]采用光學分析軟件TraceP1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:
[0044](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 ymX 120 ymX 100 μm，呈長方體狀。
[0045](2)花瓣型類圓錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)花瓣型類圓錐圖案的制作:花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；花瓣狀的圖形為由18個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成封閉的圖形花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離R為3.0 μ m ;所述花瓣型類圓錐體的高度h為2 μ m ;
[0046](3)圖案的排列:將圖案按照圖3的六角方式排列，中心間距為9 μπι。
[0047](4)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120 μmX 120 μmX4 μm，MQW量子阱層尺寸為120 μ mX 120 μ mX 75nm，P 型 GaN 層尺寸為 120 μ mX 120 μ mX 0.2 μ m，均呈長方體狀。
[0048](5)革E面構建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)六層革E面的制作，六層革E面分別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸為120 μπιΧ 120 μπιΧΟ.01 μπι,前、后、左、右靶面尺寸為 10ymX 104.275 μπιΧΟ.01 μπι。
[0049](6) 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TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應圖案構建。
[0050](7)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量子阱、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。
[0051](8)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。
[0052](9)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)。
[0053]測試結果如下:
[0054]測試例中，頂部光通1844a.u.，底部光通1894.5a.u.，側面光通3963.77a.u.，總光通7702.27a.u.。與無圖案的圖形化襯底相比，頂部光通提高了 2.67倍，底部光通提高了 2.96倍，側面光通提高了 3.11倍，總光通量提高了 2.71倍。與相同尺寸的簡單圓錐型圖形化襯底相比，頂部光通量提高了 1.15倍，底部光通量提高了 1.12倍。
[0055]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(nèi)。
【權利要求】
1.一種花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的花瓣型類圓錐體組成；所述花瓣型類圓錐體的任意水平截面為花瓣狀的圖形；所述花瓣狀的圖形為由多個形狀相同的圓弧首尾順次相接形成的封閉圖形。2.根據(jù)權利要求1所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述圓弧的個數(shù)為3?30。3.根據(jù)權利要求1所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述花瓣型類圓錐體的底面的每個圓弧的端點與底面中心的距離為0.5?3 μπι;所述花瓣型類圓錐體的高度h為0.5?2 μ m。4.根據(jù)權利要求1所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用矩形排列方式。5.根據(jù)權利要求1所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用六角排列方式。6.根據(jù)權利要求1所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用菱形排列方式。7.根據(jù)權利要求1所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的花瓣型類圓錐體采用圓形排列方式。8.—種LED芯片，其特征在于，包括權利要求1?7任一項所述的花瓣型類圓錐圖案的LED圖形優(yōu)化襯底。
【文檔編號】H01L33-20GK204289498SQ201420738766
【發(fā)明者】李國強, 林志霆, 喬田, 周仕忠, 王海燕, 王凱誠, 鐘立義 [申請人]華南理工大學