一種具有主副雙圖案的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具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,襯底上的圖案由排列在襯底表面的主圖案和副圖案組成;所述副圖案的體積小于主圖案的體積;所述副圖案排布在主圖案的間隙中。本實用新型還公開了包括上述具有主副雙圖案的LED圖形化襯底的LED芯片。本實用新型與普通LED圖形化襯底相比,其襯底上的圖案更加密集,有利于更多的光線射出LED芯片,尤其有利于更多的光線從芯片頂部射出,大大提高了LED的光提取率,為圖形化襯底技術(shù)提供了新的研究與應(yīng)用方向。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及LED及LED芯片,特別涉及一種具有主副雙圖案的LED圖形化襯 底及LED芯片。 -種具有主副雙圖案的LED圖形化襯底及LED芯片
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,GaN基LED因具有亮度高、能耗低、壽命長等諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于交通 指示燈、IXD背光源、全彩顯示器和通用照明領(lǐng)域等。然而,GaN材料的折射率(n=2. 45)與 空氣(n=1.0)之間存在巨大差異,全反射臨界角僅為24度左右,這導(dǎo)致光線在芯片內(nèi)部發(fā) 生顯著的全反射現(xiàn)象而無法射出LED,大大降低了 LED的光提取率。后來針對這一問題提出 了改善方案,如引入布拉格反射層、光子晶體,表面粗化和襯底圖形化等。其中,圖形化襯底 技術(shù)不僅能提高光提取率,還能提高內(nèi)量子效率。一方面,襯底上的圖案通過折射和反射改 變光的軌跡,使光在界面出射的入射角變?。ㄐ∮谌瓷渑R界角),從而得以透射而出,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)向磊晶的效果,減少晶體缺 陷,提高內(nèi)量子效率。
[0003] 圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵在于對襯底圖案的設(shè)計,其對LED的出光效率起著決定性 作用。為滿足器件性能的要求,圖案的種類已幾番更新,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(rèn)可。S.Suihkonen等人的實驗證明:具有較大 高度的六角形圖案增強了對光線的反射、散射作用,并且具有尖錐狀凸起結(jié)構(gòu)的錐形圖案 的傾斜角對LED的出光有較大的影響。Lee等人使用ICP刻蝕獲得圓錐體圖形化藍寶石襯 底,在20mA電流的驅(qū)動下,獲得的LED的輸出功率提高了 35% ;Su等人分別在藍寶石襯底上 制造出納米級圓孔圖案和微米級圓孔圖案,其結(jié)果顯示,納米級圖案相比微米級圖案有更 好的出光效率。C.C. Wang等人認(rèn)為單位面積內(nèi)圖形尺度的減小能夠增加反射面從而提高光 線的出射幾率。
[0004] 目前的研究已經(jīng)證明隨著襯底上相鄰圖案之間距離的縮小,LED芯片的光提取率 明顯增加。其原因在于,圖案之間的距離縮小使單位面積的襯底表面上可以排布更多的圖 案,圖案更加密集,從而能夠更大限度地提高LED的光提取率。一直以來,圖形化襯底技術(shù) 的圖案設(shè)計都僅限于對于單一種類圖案的規(guī)則排布,如圓錐、六棱錐、三棱錐、半球等單一 圖案的矩形或六角排布。在這種傳統(tǒng)的襯底圖案設(shè)計中,圖案間距不可能無極限地縮小,因 此圖案存著一個有限的最密排布度。但是,即使在最密排布的圖案中,相鄰圖案之間仍然存 在較多間隙,這部分間隙存在著進一步提升圖形化襯底LED光提取率的空間。 實用新型內(nèi)容
[0005] 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具有主副 雙圖案的LED圖形化襯底及LED芯片,大大提高了 LED的光提取率。
[0006] 本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007] -種具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,襯底上的圖案由排列在襯底表面的主圖 案和副圖案組成;所述副圖案的體積小于主圖案的體積;所述副圖案排布在主圖案的間隙 中。
[0008] 所述主圖案采用矩形排布方式。
[0009] 所述主圖案采用六角排布方式。
[0010] 所述主圖案采用菱形排布方式。
[0011] 所述主圖案采用圓周分布排布方式。
[0012] 一種LED芯片,包含上述的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底。
[0013] 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:
[0014] 本實用新型的LED圖形化襯底的圖案采用排列在襯底表面的主圖案和副圖案,副 圖案排布在主圖案的間隙中,副圖案的體積小于主圖案的體積,該方案相對于單一種類圖 案的圖形化襯底,襯底上的圖案更加密集,有利于更多的光線射出LED芯片,尤其有利于更 多的光線從芯片頂部射出,大大提高了 LED光提取率,為圖形化襯底技術(shù)提供了新的研究 與應(yīng)用方向。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型的實施例1的LED芯片的示意圖。
[0016] 圖2為本實用新型的實施例1的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底的示意圖。
[0017] 圖3為本實用新型的實施例1的主圖案的示意圖。
[0018] 圖4為本實用新型的實施例2的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底的示意圖。
[0019] 圖5為本實用新型的實施例2的主圖案的示意圖。
[0020] 圖6為本實用新型的實施例2的副圖案的示意圖。
[0021] 圖7為本實用新型的實施例3的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底的不意圖。
[0022] 圖8為本實用新型的實施例3的主圖案的示意圖。
[0023] 圖9為本實用新型的實施例3的副圖案的示意圖。
【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芯片的不意圖,由依次排列的具有主副雙圖案的LED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,本實施例的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,襯底上的圖案由排列 在襯底表面的主圖案15和副圖案16組成;主圖案和副圖案主圖案采用同一種圖案,即圓錐 圖案;其中,如圖2?3所示,主圖案圓錐的底面圓半徑1' 1為1.511111,傾角〇1為60°,相鄰 主圖案中心的間距為5. 0 μ m,排布方式為六角排布;副圖案圓錐的底面圓半徑為0. 7 μ m, 傾角為45°,排布在主圖案圓錐的間隙中。
[0028] 采用光學(xué)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:
[0029] (1)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 120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0030] (2)主圖案制作:采用SolidWorks的作圖功能實現(xiàn)圓錐圖案的制作,圓錐的傾角 為60° ,底面半徑為1. 5 μ m,相鄰圓錐中心的間距為5. 0 μ m。
[0031] (3)副圖案制作:圓錐的底面圓半徑為0.7 μ m,傾角為45°。
[0032] (4)圖案的排布:主圖案圓錐排布方式為六角排布,副圖案排布在主圖案的間隙之 中,如圖2所示。
[0033] (5)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120μπιΧ120μπιΧ4μπι,MQW量子阱層尺寸為 120ymX120ymX75nm,Ρ 型 GaN 層尺寸為 120μπιΧ120μπιΧ0· 2μπι,均呈長方體狀。
[0034] (6)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120 μ mX 120 μ mXO. 01 μ m, 前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104. 275 μ mXO. 01 μ m。
[0035] (7) N型GaN層與圖形化襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建:插入SolidWorks建立的圖案 層于襯底層之上,采用TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0036] (8)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、MQW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。
[0037] (9)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。
[0038] (10)光線追跡: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)。
[0039] 測試結(jié)果如下:頂部光通量1993a. u.,底部光通量2324a. u.,側(cè)面光通量3332a. u.,總光通量7649a. u.。與無圖案襯底相比,頂部光通量提升172%,底部光通量提升163%, 側(cè)面光通量提升147%,總光通量提升158%。與單圖案(僅有本實施例的主圖案)襯底相比, 頂部光通量提升80%,底部光通量提升63%,側(cè)面光通量提升34%,總光通量提升66%??芍?具有主副雙圖案的LED圖形化襯底可大幅度提升LED光提取率。
[0040] 實施例2
[0041] 本實施例的LED芯片由依次排列的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,N型GaN 層,MQW量子阱層,P型GaN層組成。
[0042] 如圖4所示,本實施例的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,襯底上的圖案由排 列在襯底表面的主圖案25和副圖案26組成;主圖案25和副圖案26主圖案采用不同種圖 案。如圖4?5所示,主圖案采用正六棱錐圖案,正六棱錐圖案的傾角%為60°,邊長a 2 為1. 0 μ m,相鄰正六棱錐中心的間距為3. 2 μ m,排布方式為六角排布;如圖4、6所示,副圖 案為半球,底面圓半徑r2為0. 5 μ m,排布在主圖案的間隙中。
[0043] 采用光學(xué)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:
[0044] (1)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 120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0045] (2)主圖案制作:采用SolidWorks的作圖功能實現(xiàn)六棱錐圖案的制作:正六棱錐 的傾角為60°,底面邊長為1.0 μ m,相鄰正六棱錐中心的間距為3.2 μ m。
[0046] (3)副圖案制作:采用SolidWorks的作圖功能實現(xiàn)半球圖案的制作:半球的底面 圓半徑為〇. 5 μ m。
[0047] (4)圖案的排布:主圖案的排布方式為六角排布,副圖案排布在主圖案的間隙之 中,如圖4所示。
[0048] (5)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120μπιΧ120μπιΧ4μπι,MQW量子阱層尺寸為 120ymX120ymX75nm,Ρ 型 GaN 層尺寸為 120μπιΧ120μπιΧ0· 2μπι,均呈長方體狀。
[0049] (6)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120 μ mX 120 μ mXO. 01 μ m, 前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104. 275 μ mXO. 01 μ m。
[0050] (7) N型GaN層與圖形化襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建:插入SolidWorks建立的圖案 層于襯底層之上,采用TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0051] (8)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、MQW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。
[0052] (9)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。
[0053] (10)光線追跡: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)。
[0054] 測試結(jié)果如下:頂部光通量2357a. u.,底部光通量2472a. u.,側(cè)面光通量3009a. u.,總光通量7838a. u.。與無圖案襯底相比,頂部光通量提升219%,底部光通量提升176%, 側(cè)面光通量提升104%,總光通量提升153%。與單圖案(僅有本實施例的主圖案)襯底相比, 頂部光通量提升85%,底部光通量提升62%,側(cè)面光通量提升33%,總光通量提升67%??芍?具有主副雙圖案的LED圖形化襯底可大幅度提升LED光提取率,尤其對頂部光通量的優(yōu)化 效果十分顯著。
[0055] 實施例3
[0056] 本實施例的LED芯片由依次排列的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,N型GaN 層,MQW量子阱層,P型GaN層組成。
[0057] 如圖7所示,本實施例的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,襯底上的圖案由排列 在襯底表面的主圖案35和副圖案36組成;主圖案35和副圖案36主圖案采用不同種圖案。 如圖7?8所示,主圖案采用的正三棱錐的傾角〇 3為45°,正三棱錐邊長和為2.0 μπι,相 鄰主圖案的間距為5. Ομπι,排布方式為矩形排布;如圖7、9所示,副圖案采用正六棱錐,傾 角〇4為55°,正六棱錐邊長 &4為0.5 μ m,排布在主圖案三棱錐的間隙中。
[0058] 采用光學(xué)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:
[0059] (1)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 120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0060] (2)主圖案制作:采用SolidWorks的作圖功能實現(xiàn)三棱錐圖案的制作:正三棱錐 的傾角為45°,底面邊長為2. 0 μ m,相鄰正三棱錐中心的間距為5. 0 μ m。
[0061] (3)副圖案制作:采用SolidWorks的作圖功能實現(xiàn)六棱錐圖案的制作:正六棱錐 的底面邊長為0.5 μ m,傾角為55°。
[0062] (4)圖案的排布:主圖案六棱錐的排布方式為矩形排布,副圖案排布在主圖案的間 隙之中,如圖7所示。
[0063] (5)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120μπιΧ120μπιΧ4μπι,MQW量子阱層尺寸為 120ymX120ymX75nm,Ρ 型 GaN 層尺寸為 120μπιΧ120μπιΧ0· 2μπι,均呈長方體狀。
[0064] (6)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120 μ mX 120 μ mXO. 01 μ m, 前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104. 275 μ mXO. 01 μ m。
[0065] (7) N型GaN層與圖形化襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建:插入SolidWorks建立的圖案 層于襯底層之上,采用TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0066] (8)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、MQW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。
[0067] (9)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。
[0068] (10)光線追跡: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)。
[0069] 測試結(jié)果如下:頂部光通量2760a. u.,底部光通量1163a. u.,側(cè)面光通量4695a. u.,總光通量8618a. u.。與無圖案襯底相比,頂部光通量提升252%,底部光通量提升31%,側(cè) 面光通量提升248%,總光通量提升191%。與單圖案(僅有本實施例的主圖案)襯底相比,頂 部光通量提升88%,底部光通量降低21%,側(cè)面光通量提升121%,總光通量提升74%??芍?有主副雙圖案的LED圖形化襯底可大幅度提升LED光提取率,尤其對頂部光通量的優(yōu)化效 果十分顯著。
[0070] 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,本實用新型的主圖案、副圖案還可選用其它常用的圖案,主圖案還可采用菱 形、圓周分布等排布方式,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. 一種具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,其特征在于,襯底上的圖案由排列在襯底 表面的主圖案和副圖案組成;所述副圖案的體積小于主圖案的體積;所述副圖案排布在主 圖案的間隙中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,其特征在于,所述主圖案 采用矩形排布方式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,其特征在于,所述主圖案 采用六角排布方式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,其特征在于,所述主圖案 米用菱形排布方式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主副雙圖案的LED圖形化襯底,其特征在于,所述主圖案 采用圓周分布排布方式。
6. -種LED芯片,其特征在于,包含權(quán)利要求1?5任一項所述的具有主副雙圖案的 LED圖形化襯底。
【文檔編號】H01L33/20GK203883037SQ201320682262
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】李國強, 林志霆, 何攀貴, 喬田, 周仕忠, 王海燕 申請人:華南理工大學(xué)