专利名称：一种优化的led图形化衬底及led芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及LED芯片，特别涉及一种优化的LED图形化衬底及LED芯片。
背景技术：
LED的出光效率取决于内量子效率和外量子效率。一方面，由于GaN与蓝宝石衬底的晶格常数及热膨胀系数存在较大差异，GaN薄膜的晶体内产生了密度为109-1012cnT2的穿越位错，这对GaN基LED的内量子效率产生了不利的影响。然而，随着GaN外延生长技术的不断优化，GaN的磊晶质量有所提高，目前LED的内量子效率已达到90%以上。另一方面，GaN具有较高的折射系数(η=2.45)，光线出射的临界角[θ c=sin-1 (nair/nGaN)]仅为24.6°，导致LED芯片与空气之间存在严重的全反射现象，外量子效率难以提高。后来针对这一问题提出的改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体、表面粗化等，都在一定程度上提高了LED的外量子效率。而近年发展起来的图形化衬底技术不仅能通过图案倾斜面改变光线射入方向，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，更多光线能透射而出，从而使外量子效率得以提高；还能使GaN在外延生长时产生横向磊晶效果，从而减小晶体缺陷密度，提高LED的内量子效率。为满足器件性能的要求，图形衬底的设计已几番更新，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，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，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等人利用湿法刻蚀技术在蓝宝石衬底上刻蚀出具有不同倾斜角的锥形图案，发现锥形图案的倾斜角对GaN的磊晶质量、缺陷密度、内量子效率等产生较大影响。为了减少位错，应该采取较小的侧面倾斜角，但是小倾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其内量子效率及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，但目前关于正六棱锥图形的研究仍然少见，对于以正六棱锥为基本图案的图形衬底，仍未有研究成果能明确指出其最佳图案倾角、边长、图案密度等参数，正六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，确定正六棱锥图形化衬底图案的最优化参数亟待解决。
实用新型内容为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种优化的LED图形化衬底，具有出光效率高的优点。本实用新型的另一目的在于提供包括上述优化的LED图形化衬底的LED芯片。本实用新型的目的通过以下方案实现:一种优化的LED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六棱锥组成，正六棱锥的倾角α为55°飞0° ;相邻正六棱锥的边距d为1.0 1.2 μ m。所述多个形状相同的正六棱锥采用矩形排列方式。所述多个形状相同的正六棱锥采用六角排列方式。一种LED芯片，包括上述的优化的LED图形化衬底。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果:(I)本实用新型通过优化正六棱锥图形化衬底的图案参数，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力，从而使更多光线反射至芯片顶、底部，大大增加了可被完全利用的有效光线，增强图形化蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，从而提高LED的外量子效率。相比普通的无图案衬底LED，总光通量增大到2.49倍，顶部光通量增大到3.29倍，底部光通量增大到3.02倍。(2)本实用新型具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，而且正六棱锥图形符合GaN晶体的晶格结构，有利于外延生长闻质量GaN晶体。(3)本实用新型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，进一步改善了磊晶质量，从而提高了 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六棱锥图形的单体示意图，正六棱锥图案的参数包括倾角α，高h以及正六棱锥边长a。图4为实施例1的LED芯片的图形化衬底采用的排列方式示意图。图5为LED芯片的总光通量随正六棱锥的倾角α的变化趋势图。图6为LED芯片的总光通量随正六棱锥的边长a的变化趋势图。图7为LED芯片的总光通量随正六棱锥边距d的变化趋势图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。实施例1[0024]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 4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六棱锥15组成，每个正六棱锥的倾角α为60° ;相邻正六棱锥的边距d为1.0 μ m，相邻正六棱锥的边距定义为相邻锥体底面顶点的距离；本实施例中正六棱锥的边长a为1.6 μ m ;所述多个形状相同的正六棱锥采用如图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六棱锥组成，每个六棱锥的倾角α为55° ;本实施例中正六棱锥的边长a为2 μ m ;相邻正六棱锥的边距d为1.2 μ m ;所述多个形状相同的正六棱锥采用六角排列方式。测试例:采用光学分析软件TracePiO对本实用新型的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)正六棱锥图案制作:采用Solidworks的作图功能实现正六棱锥图案的制作，其特征在于:正六棱锥的倾角α为55°飞0° ;相邻正六棱锥的边距d为1.(Tl.2 μ m，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 mX 3 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5 7所示。图5是LED芯片(正六棱锥边长a为2 μ m,边距为6 μ m ;边长为2 μ m,边距为4 μ m ;边长为1.5μπι，边距为4μπι)的总光通随正六棱锥的倾角α变化趋势图。图中曲线走势表明:正六棱锥图案衬底LED的总光通量随倾角的增大，总体呈上升趋势，并且在倾角为55 60°时出现极大值。图6为LED芯片(正六棱锥倾角为60°，边距为1.0 μ m)的总光通量随正六棱锥边长a的变化趋势图，表明随着正六棱锥边长的增大，正六棱锥图形衬底LED的总光通量先增大，后总体呈减小趋势，并且在边长为1.6 μ m时，总光通量有最大值7399a.u.。图7为LED芯片(正六棱锥边长为2.0 μ m，倾角为60° )的总光通量随正六棱锥边距d的变化趋势图，随着边距的增大，LED芯片的总光通量不断下降，正六棱锥图案间的边距越小，其总光通量越大，且当图案边距在1.(Tl.2μπι内，LED芯片的总光通量达到稳定，说明小边距有利于提闻LED芯片的出光效率。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种优化的LED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六棱锥组成，正六棱锥的倾角α为55° 60° ;相邻正六棱锥的边距d为1.0 1.2 μ m。
2.根据权利要求1所述的优化的LED图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的正六棱锥采用矩形排列方式。
3.根据权利要求1所述的优化的LED图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的正六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任一项所述的优化的LED图形化衬底。
专利摘要本实用新型公开了一种优化的LED芯片图形化衬底及LED芯片，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的正六棱锥组成，正六棱锥的倾角α为55°~60°；相邻正六棱锥的边距d为1.0~1.2μm。本实用新型与现有技术相比，具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，大大增加了可利用的有效光线，提高LED芯片的外量子效率；正六棱锥图形符合GaN的晶格结构，有助于外延生长高质量GaN晶体，进一步改善了磊晶质量，从而提高了LED的内量子效率。
文档编号H01L33/22GK202996889SQ201220696530
公开日2013年6月12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, 何攀贵, 乔田, 周仕忠, 林志霆 申请人:华南理工大学