專利名稱：一種led圖形優(yōu)化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及LED芯片襯底，特別涉及一種LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片。
背景技術(shù)：
為了提高GaN基LED的內(nèi)量子效率和出光效率，目前已有多項技術(shù)被應(yīng)用在LED研究當(dāng)中，如側(cè)向外延生長技術(shù)、表面粗化、納米壓印技術(shù)以及金屬鏡面反射層技術(shù)等。而近年來提出的圖形化襯底技術(shù)能有效地提高藍寶石襯底GaN基LED的出光效率，成為了目前藍寶石襯底GaN基LED領(lǐng)域研究的熱點。作為圖形化襯底技術(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。襯底圖案對LED光學(xué)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(cè)向嘉晶的效果，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(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(yīng)用效果已受到認可。襯底的圖案是圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵，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。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(fù)雜的圖形分布更有利于側(cè)向外延，提高磊晶質(zhì)量。具有尖錐狀凸起結(jié)構(gòu)的錐形圖案也是如此，圖案高度一般為1 2μπι，間隔為2 3μπι，底寬為2 3μπι，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(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(yīng)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。即便圖形化襯底已大幅度提聞LED的出光效率，但對于以圓維為基本圖案的圖形襯底，目前仍未有研究能準確指出其最佳圖案高度、底面半徑、圖案密度等，圓錐圖形襯底圖案的應(yīng)用缺乏一套系統(tǒng)的設(shè)計指標。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，確定圓錐圖形化襯底圖案的最優(yōu)化參數(shù)亟待解決。

實用新型內(nèi)容為了克服現(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LED圖形優(yōu)化襯底，具有出光率高的優(yōu)點。本實用新型的另一目的在于提供包括上述LED圖形優(yōu)化襯底的LED芯片。本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):—種LED圖形優(yōu)化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓錐組成，每個圓錐的傾角α為55° 65° ;相鄰圓錐的邊距d為0.4 0.6 μ m。所述多個形狀相同的圓錐采用矩形排列方式。所述多個形狀相同的圓錐采用六角排列方式。一種LED芯片，包括上述的LED圖形優(yōu)化襯底。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:(I)本實用新型通過優(yōu)化圓錐圖形化襯底的圖案參數(shù)，大大提高了反射光子到達LED芯片頂部的能力，從而使更多光線反射至芯片頂部，增強圖形化襯底GaN基LED的出光效率，相比普通的無圖案襯底LED，總光通量增大到2.67倍，頂部光通量增大到3.23倍，底部光通量增大到2.81倍。(2)本實用新型具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，圓錐圖案是目前芯片生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的圖形，更加利于推廣應(yīng)用。(3)本實用新型采用優(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為實施例1的LED芯片的圖形化襯底的示意圖。圖2為實施例1的LED芯片的圖形化襯底的不意圖。圖3為實施例1采用的圓錐圖形的單體示意圖。圖4為實施例1的襯底的圓錐圖案采用的排列方式示意圖。圖5為實施例2的襯底的圓錐圖案采用的排列方式示意圖。圖6為LED芯片的總光通隨圓錐的傾角α的變化趨勢圖。圖7為LED芯片的總光通量隨圓錐的邊距d的變化趨勢圖。圖8為本實用新型LED芯片的總光通量隨圓錐底面圓半徑R的變化趨勢圖。
具體實施方式
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。實施例1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。如圖2 4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圓錐15組成,每個圓錐的傾角α為60° ;相鄰圓錐的邊距d為0.6 μ m ;本實施例中圓錐對應(yīng)的底面半徑R為3.4 μ m ;所述多個形狀相同的圓錐采用如圖4所示的矩形排列方式。實施例2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圓錐組成，每個圓錐的傾角α為65° ;相鄰圓錐的邊距d為0.4μπι;本實施例中圓錐對應(yīng)的底面圓半徑R為3.0y m ;所述多個形狀相同的圓錐采用如圖5所示的六角排列方式。測試例:采用光學(xué)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:(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。(2)圓錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)圓錐圖案的制作:圓錐的傾角α為20° 70° ;相鄰圓錐的邊距d為Ο.Γ .Ομπι;所述圓錐的底面圓半徑R為1.4 3.4 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 m X 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600μπιΧ250μπι X3ym,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 mX3 μ m。(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6 8所示。圖6是LED芯片(圖案底面圓半徑R為I μ m，邊距d為2 μ m)的總光通隨圓錐的傾角α變化趨勢圖。圖中曲線走勢表明:圓錐圖案襯底LED的總光通量隨傾角的增大，先增大后緩慢最后減小，在傾角為60°時出現(xiàn)極大值。圖7為LED芯片(圓錐底面圓半徑R為3.4 μ m，傾角為60° )的總光通量隨圓錐間距d的變化趨勢圖，表明隨著圓錐圖案間距的減小，圓錐圖形化襯底LED的總光通量總體呈增大趨勢。圓錐型襯底LED芯片的總光通量在邊距為0.Γ0.6 μ m范圍內(nèi)處于較高水平，在邊距為0.6 μ m處取得最大值7905a.u.。圖8為LED芯片(圓錐邊距d為I μπι，傾角為60° )的總光通量隨圓錐底面圓半徑R的變化趨勢圖，表明隨著圓錐圖案底面圓半徑的增大，圓錐圖形化襯底LED的總光通量呈增大趨勢。數(shù)據(jù)表明在半徑為3.0~3.4μπι范圍內(nèi)的圓錐型襯底LED的最大總光通量為7755a.u.。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(yīng)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LED圖形優(yōu)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圓錐組成，每個圓錐的傾角α為55°飛5° ;相鄰圓錐的邊距d為0.Γθ.6μπι。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的圓錐采用矩形排列方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的圓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任一項所述的LED圖形優(yōu)化襯底。
專利摘要本實用新型公開了一種LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓錐組成，每個圓錐的傾角α為55°~65°；相鄰圓錐的邊距d為0.4~0.6μm。本實用新型還公開了包括上述LED圖形優(yōu)化襯底的LED芯片。本實用新型與現(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，圓錐圖形是目前工廠大規(guī)模LED芯片生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的圖形之一，實際加工容易獲得目標圖案，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號H01L33/22GK202996888SQ20122069589
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, 喬田, 王海燕, 周仕忠, 何攀貴, 林志霆 申請人:華南理工大學(xué)