专利名称：一种经图案优化的led芯片的图形化衬底及led芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED芯片，特别涉及一种经图案优化的LED芯片的图形化衬底及LED
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背景技术：
为了提高GaN基LED的内量子效率和出光效率，目前已有多项技术被应用在LED研究当中，如侧向外延生长技术、表面粗化、纳米压印技术以及金属镜面反射层技术等。而近年来提出的图形化衬底技术能有效地提高蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，成为了目 前蓝宝石衬底GaN基LED领域研究的热点。作为图形化衬底技术的关键，衬底图案演变至今，对LED光提取效果和外延质量改善显著，已成为提高LED性能的重要途径。衬底图案对LED光学性能的提高体现为两方面一方面，图案通过散射/反射改变光的轨迹，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，从而透射而出，提高光的提取率；另一方面，图案还可以使得后续的GaN生长出现侧向嘉晶的效果，减少晶体缺陷，提高内量子效率。为满足器件性能的要求，图案的设计已几番更新，从最初的槽形到六角形、锥形、棱台型等，图形化衬底技术的应用效果已受到认可。衬底的图案是图形化衬底技术的关键，对LED的出光效率起着决定性作用。作为影响光路的直接因素，图案的参数(包括边长、高度和间距等)在选择上势必会影响LED的性能。J. H. Cheng等人报道过，锥形图案会导致较大的位错。为了减少位错，应该采取较小的斜面角，但是小斜面角会削弱图形对光的反射或散射效应，因此需要寻求一个平衡点。D. S. Wuu等人利用湿法刻蚀技术在蓝宝石衬底上制备边长为3 μ m,深度为1. 5 μ m的正三棱锥图形，采用MOCVD法生长GaN并制成芯片，对其进行光学测试，发现图形蓝宝石衬底GaN基LED的外量子效率因图案密度的改变而有所不同，图形化衬底LED的输出功率比普通LED的输出功率提升25%。另外，R. Hsueh等人用纳米压印技术在蓝宝石衬底上制备纳米级的衬底图案，该衬底制造出的LED芯片的光强和出光率都高于普通蓝宝石衬底LED，分别提高了67%和38%，也优于微米级图形衬底LED。但并非图形尺寸越小，LED的性能就越好，图形尺寸和LED性能间的关系仍然需要权衡。研究表明随着图案间距的减小，在GaN和蓝宝石界面易出现由于GaN生长来不及愈合而产生的空洞，并造成外延层更多的位错，即便光提取效率有所提升，但外延层位错的增加会降低LED芯片寿命。另外，纳米级图案制造成本高，产业化比较困难，也大大限制了其推广应用。由此可见，图形尺寸和LED性能的优化还需要进一步研究。即便图形化衬底已大幅度提高LED的出光效率，但对于以三棱锥为基本图案的图形衬底，目前仍未有研究能准确指出其最佳图案高度、间距、图案密度等，三棱锥图形衬底图案的应用缺乏一套系统的设计指标。此外，在图案尺寸的优化问题上，解决尺寸缩小与其对GaN生长质量造成破坏间的权衡，在提高出光效率的前提下保证更好的磊晶质量，做到真正意义上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，确定三棱锥图形化衬底图案的最优化参数亟待解决。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种经图案优化的LED芯片图形化衬底，具有出光效率高的优点。本发明的另一目的在于提供包括上述图形化衬底的LED芯片。本发明的目的通过以下方案实现一种经图案优化的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正三棱锥组成，正三棱锥的倾角α为60°飞5° ;相邻正三棱锥的间距d为所述正三棱锥的边长a的1. 4倍。所述多个形状相同的正三棱锥采用矩形排列方式。
所述多个形状相同的正三棱锥采用六角排列方式。一种LED芯片，包括上述的经图案优化的LED芯片的图形化衬底。与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果(I)本发明通过优化正三棱锥图形化衬底的图案参数，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部的能力，从而使更多光线反射至芯片顶部，增强图形化衬底GaN基LED的出光效率，相比普通的无图案衬底LED，总光通量增大到2. 46倍，顶部光通量增大到3. 38倍，底部光通量增大到2. 65倍。(2)本发明具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，正三棱锥图形符合GaN晶体的晶格结构，实际加工容易获得目标图案，便于推广应用。(3)本发明采用优化的图案参数，避免边缘间距太大或太小造成的磊晶缺陷，进一步改善了嘉晶质量，从而提闻了 LED的内量子效率。
图1为实施例1的LED芯片的示意图。图2为实施例1的LED芯片的图形化衬底的不意图。图3为实施例1的LED芯片的图形化衬底采用的正三棱锥图形的单体示意图，正三棱锥图案的参数包括倾角α，高h以及边长a。图4为实施例1的衬底的正三棱锥图案采用的排列方式示意图。图5为实施例2的衬底的正三棱锥图案采用的排列方式示意图。图6为LED芯片的总光通随正三棱锥的倾角α的变化趋势图。图7为LED芯片的总光通量随正三棱锥的间距d的变化趋势图。图8为本发明LED芯片的总光通量随正三棱锥边长a的变化趋势图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例1图1为本实施例的LED芯片的示意图，如图1所示，由依次排列的蓝宝石图形化衬底11、N型GaN层12，MQW量子阱层13，P型GaN层14组成。
如图2 3所示，本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正三棱锥15组成，每个正三棱锥的倾角α为65° ;相邻正三棱锥的间距d为所述正三棱锥的边长a的1. 4倍；本实施例中正三棱锥对应的边长a为3 μ m ;所述多个形状相同的正三棱锥采用如图4所示的矩形排列方式。实施例2本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正三棱锥组成，每个正三棱锥的倾角α为65° ;相邻正三棱锥的间距d与所述正三棱锥的边长a相等；本实施例中正三棱锥对应的边长a为4μ m ;所述多个形状相同的正三棱锥采用如图5所示的六角排列方式。实施例3
本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正三棱锥组成，每个正三棱锥的倾角α为60° ;相邻正三棱锥的间距d为所述正三棱锥的边长a的1. 2倍；本实施例中正三棱锥对应的边长a为6 μ m ;所述多个形状相同的正三棱锥采用六角排列方式。测试例采用光学分析软件TracePiO对本发明的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下(I)衬底构建采用TracePro自带的建模功能实现衬底的制作，衬底尺寸为600 μ mX 250 μ mX 100 μ m,呈长方体状。(2)正三棱锥图案制作采用Solidworks的作图功能实现正三棱锥图案的制作，正三棱锥的倾角α为60°飞5° ;相邻正三棱锥的间距d为所述正三棱锥的边长a的f1. 4倍，呈矩形排布。(3)外延层构建采用TracePro自带的建模功能实现N型GaN层、MQW量子阱层、P型GaN层的制作，N型GaN层尺寸为600 μ mX 250 μ mX4 μ m，MQW量子阱层尺寸为600 μ mX 250 μ mX50nm, P 型 GaN 层尺寸为 600 μ mX 250 μ mX 3 μ m，均呈长方体状。(4)靶面构建采用TracePiO自带的建模功能实现六层靶面的制作，六层靶面分别置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸为600μπιΧ250μπιΧ3μπι，前、后靶面(相对芯片的长边)尺寸为600 μ mX 104. 41 μ mX3 μ m，左、右靶面(相对芯片的短边)尺寸为 250 μ mX 104. 41 μ mX 3 μ m0(5) N型GaN层与图形衬底接触面相应图案构建插入Solidworks建立的图案层于衬底层之上，采用TracePiO的差减功能实现N-GaN层相应图案构建。(6)各材料层的参数设定蓝宝石衬底的折射率为1. 67，N型GaN、MQff量子讲、P型GaN材质折射率均为2. 45，四者均针对450nm的光，温度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的影响。(7)量子阱层表面光源设定，量子阱层上下表面各设置一个表面光源属性，发射形式为光通量，场角分布为Lambertian发光场型，光通量为5000a. u.，总光线数3000条，最少光线数10条。(8)光线追踪利用软件附带的扫光系统，对上述构建的LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据。
测试结果如图6 8所示。图6是LED芯片(图案边长a为3μπι)的总光通随正三棱锥的倾角α变化趋势图。图中曲线走势表明正三棱锥图案衬底LED的总光通量随倾角的增大，先增大后缓慢减小，在倾角为65°时出现极大值。图7为LED芯片(正三棱锥边长为6 μ m，倾角为60° )的总光通量随正三棱锥间距d的变化趋势图，表明随着正三棱锥图案间距的增大，正三棱锥图形化衬底LED的总光通量呈下降趋势。数据表明在半径为6 7 μ m范围内的正三棱锥衬底LED的最大总光通量为7676a. u.，而最小的总光通量为7544a. u.，两者差距较小，且均处于较高水平。光通量随间距变化的走势为实际图案间距的选取带来灵活性，当间距d为所述正三棱锥边长a的f1. 4倍时，均能使总光通量保持在较高水平，且能有效地提高LED的出光效率。图8为本发明LED芯片的总光通量随正三棱锥边长a的变化趋势图，表明随着正 三棱锥边长的增大，正三棱锥图形衬底LED的总光通量基本在7480a. u.波动。数据表明在边长为4飞μ m范围内的正三棱锥图形衬底LED的最大总光通量为7492a. u.，而最小的顶部光通量为7469a. u.，两者差距甚小。与无图案衬底LED相比，其总光通量提升幅度均在4510a. u.左右，说明经参数设定后(即正三棱锥间距为边长的1. 2倍，倾角为60° )的正三棱锥边长的变化对正三棱锥图形衬底LED的总光通量所产生的影响不明显，总光通量基本保持稳定。这为LED外延层磊晶提供了多选择性，可避免边缘间距太大或太小造成的磊晶缺陷，进一步改善磊晶质量，从而提高LED的内量子效率。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种经图案优化的LED芯片的图形化衬底，其特征在于，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正三棱锥组成，正三棱锥的倾角α为60°飞5° ;相邻正三棱锥的间距d为所述正三棱锥的边长a的f1. 4倍。
2.根据权利要求1所述的经图案优化的LED芯片的图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的正三棱锥采用矩形排列方式。
3.根据权利要求1所述的经图案优化的LED芯片的图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的正三棱锥采用六角排列方式。
4.一种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求f 3任一项所述的经图案优化的LED芯片的图形化衬底。
全文摘要
本发明公开了一种经图案优化的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正三棱锥组成，正三棱锥的倾角α为60°~65°；相邻正三棱锥的间距d为所述正三棱锥的边长a的1~1.4倍。本发明还公开了包括上述的经图案优化的LED芯片的图形化衬底的LED芯片。本发明与现有技术相比，具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，正三棱锥图形符合GaN的晶格结构，实际加工容易获得目标图案，便于推广应用。
文档编号H01L33/22GK103022302SQ20121054619
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月15日 优先权日2012年12月15日
发明者李国强, 王海燕, 周仕忠, 林志霆 申请人:华南理工大学