一种双图案的led图形化衬底及led芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双图案的LED图形化衬底，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径r1与圆锥的底面圆半径r2不相等。本发明还公开了包含上述双图案的LED图形化衬底的LED芯片。本发明结合圆锥图案锥面及半球图案球面对LED出光效率的优化作用提高LED出光效率；衬底上的图案密集，有利于更多的光线射出LED芯片，尤其有利于更多的光线从芯片顶部及底部射出，大大提高了LED光提取率。
【专利说明】—种双图案的LED图形化衬底及LED芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED图形化衬底，特别涉及一种双图案的LED图形化衬底及LED芯片。
【背景技术】
[0002]近年来，GaN基LED因具有亮度高、能耗低、寿命长等诸多优点，被广泛应用于交通指示灯、IXD背光源、全彩显示器和通用照明领域等。然而，GaN材料的折射率(η = 2.45)与空气(η = 1.0)之间存在巨大差异，全反射临界角仅为24°左右，这导致光线在芯片内部发生显著的全反射现象而无法射出LED，大大降低了 LED的光提取率。后来针对这一问题提出了改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体，表面粗化和衬底图形化等。其中，图形化衬底技术不仅能提高光提取率，还能提高内量子效率。一方面，衬底上的图案通过折射和反射改变光的轨迹，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，从而得以透射而出，提高光的提取率；另一方面，图案还可以使得后续的GaN生长出现侧向磊晶的效果，减少晶体缺陷，提高内量子效率。
[0003]图形化衬底技术的关键在于对衬底图案的设计，其对LED的出光效率起着决定性作用。为满足器件性能的要求，图案的种类已几番更新，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。S.Suihkonen等人的实验证明:具有较大高度的六角形图案增强了对光线的反射、散射作用，并且具有尖锥状凸起结构的锥形图案的倾斜角对LED的出光有较大的影响。Lee等人使用ICP刻蚀获得圆锥体图形化蓝宝石衬底，在20mA电流的驱动下，获得的LED的输出功率提高了 35%;Su等人分别在蓝宝石衬底上制造出纳米级圆孔图案和微米级圆孔图案，其结果显示，纳米级图案相比微米级图案有更好的出光效率。C.C.Wang等人认为单位面积内图形尺度的减小能够增加反射面从而提高光线的出射几率。
[0004]目前的研究已经证明随着衬底上相邻图案之间距离的缩小，LED芯片的光提取率明显增加。其原因在于，图案之间的距离缩小使单位面积的衬底表面上可以排布更多的图案，图案更加密集，从而能够更大限度地提高LED的光提取率。然而，由于图案刻蚀技术发展的限制，图形衬底技术的图案设计一直仅限于单一图案的规则性排布，如圆锥、六棱锥、三棱锥、半球等单一图案的矩形或六角排布。在这些传统的衬底图案设计中，图案间距不可能无极限地缩小，即使在最密排布的图案中，相邻图案之间仍然存在较多间隙，而这部分的间隙将会大大地减小了图形衬底LED光提取率的提升空间。并且，过密的衬底图案不利于外延GaN晶体的形核及生长，因此图形衬底图案的设计及排布是优化LED出光效率的一大难题。
【发明内容】
[0005]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双图案的LED图形化衬底，进一步了提高图形衬底上图案的密集性，从而达到提高LED出光效率的目的。
[0006]本发明的另一目的在于提供包含上述双图案的LED图形化衬底的LED芯片。
[0007]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0008]一种双图案的LED图形化衬底，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径A与圆锥的底面圆半径r2不相等。
[0009]所述半球图案的底面圆半径!T1为0.5~3 μ m,相邻半球图案之间的间距d为
1.5~9 μ m ;每个圆锥图案的底面圆半径r2为0.2~1.5 μ m,倾角<!2为30°~70° ;同时，且 d — 21^ > 2r2。
[0010]所述半球图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。
[0011]所述圆锥图案排列在半球图案的间隙中。
[0012]所述圆锥图案的底面圆半径1*2为0.5~3μπι，倾角％为30°~70°，相邻圆锥图案之间的间距为1.5~9 μ m ;所述半球图案的底面圆半径!T1为0.2~1.5μηι ;同时,Or1且 d — 2r2 ^ 2r10
[0013]所述圆锥图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。
[0014]所述半球图案排列在圆锥图案的间隙中。
[0015]一种LED芯片，包含上述的双图案的LED图形化衬底。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0017](I)本发明结合圆锥图案锥面及半球图案球面对LED出光效率的优化作用，进一步提高LED出光效率。
[0018](2)本发明的半球图案的底面圆半径与圆锥的底面圆半径不相等，衬底上的图案更加密集，有利于更多的光线射出LED芯片，尤其有利于更多的光线从芯片顶部及底部射出，大大提高了 LED光提取率。
[0019](3)本发明的LED图形化衬底，与普通单一大图案的LED图形衬底相比，其LED的侧面光通量比例下降，而顶部及底部光通量比例有较大的提升。结合实际的LED器件工艺，从LED芯片侧面发射出的光线会与封装器具(如反射杯等)发生一系列的反射、吸收等光学作用，这将大大减弱了器件的侧面光通量。而本发明的LED图形化衬底，能够在减小侧面光通量比例的同时，提高顶部及底部的光通量比例，大大增加了 LED器件发射出的有效光线，提高了 LED灯具发射光线的利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的实施例1的LED芯片的示意图。
[0021]图2为本发明的实施例1的双图案的LED图形化衬底示意图。
[0022]图3为本发明的实施例1的半球图案单体的示意图。
[0023]图4为本发明的实施例1的圆锥图案单体的示意图。
[0024]图5为本发明的实施例3的双图案的LED图形化衬底示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例，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。
[0026]实施例1
[0027]如图1所示，本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底11，N型GaN层12，MQW量子阱层13，P型GaN层14组成。
[0028]本实施例的双图案的LED图形化衬底如图2所示，衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案15和圆锥图案16组成，半球图案的底面圆半径T1为1.0 μ m，相邻半球图案之间的间距d为3.0 μ m,排布方式为六角排布；圆锥图案的底面圆半径r2为0.4 μ m,倾角%为55°，排布在半球图案的间隙中。其中，半球图案单体的示意图见图3，圆锥图案单体的不意图见图4。
[0029]对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试:
[0030]采用光学分析软件TraceP1对本实施例的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下:
[0031](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120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈长方体状。
[0032](2)大图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现半球图案的制作，其特征在于:半球图案的底面圆半径A为1.0 μ m,相邻半球图案的间距d为3.0 μ m。
[0033](3)小图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角为55°，底面圆半径r2为0.4μηι。
[0034](4)图案的排布:半球图案的排布方式为六角排布，圆锥图案排布在半球图案的间隙之中。
[0035](5)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120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱层尺寸为120ymX120ymX75nm，P 型 GaN 层尺寸为 120 μ mX 120 μ mX 0.2 μ m，均呈长方体状。
[0036](6)祀面构建:采用TracePro自带的建模功能实现六层祀面的制作,六层祀面分别置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸为120μπιΧ120μπιΧ0.0lym,前、后、左、右靶面尺寸为100 μ mX 104.275 μ mX 0.01 μ m。
[0037](7)N型GaN层与图形化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TraceP1的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
[0038](8)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。
[0039](9)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。
[0040](10)光线追迹: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。
[0041]测试结果如下:顶部光通量2042.8a.u.，底部光通量2382.7a.u.，侧面光通量2914.5a.u.，总光通量7340a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2倍，底部光通量提升1.7倍，侧面光通量提升1.3倍，总光通量提升1.6倍。与单图案(大图案)衬底相比，顶部光通量提升8.7%，底部光通量提升9.6%，总光通量提升3.3 %。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对顶、底部光通量的优化效果十分显著。
[0042]本实施例的LED芯片制备过程如下:
[0043]采用标准的光刻显影技术及电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术，C12/BC13作为刻蚀气体，在蓝宝石(OOOl)面制备出本实施例的双图案的LED图形化衬底。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在上述图形化衬底上进行LED的外延生长，三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)和氨(NH3)分别作为Ga源、In源和N源，硅烷(SiH4)和Cp2Mg分别为n、p型掺杂剂，高纯度H2和N2作为载气。生长过程如下:(1)将衬底在4的气氛下加热至1050°C，烘烤5分钟后通入N2进行氮化形核；(2)降温至530°C进行缓冲层生长；(3)升温使缓冲层重新结晶，分别生长2 μ m非掺杂U-GaN层、4.5 μ m Si掺杂η-GaN层、10个周期的InGaN/GaNMQffs>20nm Mg掺杂p-AlGaN电子阻挡层、200nm Mg掺杂ρ-GaN层，以及Mg重掺杂的p++GaN接触层；⑷退火30分钟。
[0044]为与本实施例的LED芯片对比，采用相同外延工艺制备平面蓝宝石衬底LED芯片。对比结果如下:
[0045]X射线摇摆曲线显示，本实施例的具有大小不同混合双图案的LED芯片晶体质量显著改善，GaN(0002)、(10-12)半峰宽分别为218arcsec和239arcsec,比平面蓝宝石衬底LED芯片分别降低15arcsec和20arcsec，表明了本测试例中的LED外延层具有较好的晶体质量。
[0046]电致发光光谱显示，本实施例的具有大小不同混合双图案的LED芯片的发光波长为446nm，半峰宽为19.7nm，在20mA的注入电流下，光功率为11.7mff,比平面蓝宝石衬底LED芯片的光功率提高2mW，发光效果优异。
[0047]实施例2
[0048]本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
[0049]本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。半球图案的底面圆半径为1.0 μ m,相邻半球图案之间的间距为3.0 μ m,排布方式为六角排布；圆锥图案的底面圆半径为0.4μ m,倾角为65° ,排布在半球图案的间隙中。
[0050]对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试:
[0051 ] 采用光学分析软件TraceP1对本实施例的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下:
[0052](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120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈长方体状。
[0053](2)大图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现半球图案图案的制作，半球图案的底面圆半径为1.0 μ m,相邻半球图案的间距d为3.0 μ m。
[0054](3)小图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角为65°，底面圆半径r2为0.4μηι。
[0055](4)图案的排布:半球图案排布方式为六角排布，圆锥图案排布在半球图案的间隙之中。
[0056](5)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120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱层尺寸为120ymX120ymX75nm，P 型 GaN 层尺寸为 120 μ mX 120 μ mX 0.2 μ m，均呈长方体状。
[0057](6)祀面构建:采用TracePro自带的建模功能实现六层祀面的制作,六层祀面分别置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸为120μπιΧ120μπιΧ0.01ym,前、后、左、右靶面尺寸为100 μ mX 104.275 μ mX0.01 μ m。
[0058](7)N型GaN层与图形化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TraceP1的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
[0059](8)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。
[0060](9)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。
[0061](10)光线追迹: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。
[0062]测试结果如下:顶部光通量2048.4a.u.，底部光通量2372.3a.u.，侧面光通量2903.3a.u.，总光通量7324a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2倍，底部光通量提升1.7倍，侧面光通量提升1.3倍，总光通量提升1.6倍。与单图案(大图案)衬底相比，顶部光通量提升9 %，底部光通量提升9.1%，总光通量提升3.1 %。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对顶、底部光通量的优化效果十分显著。
[0063]实施例3
[0064]本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
[0065]本实施例的双图案的LED图形化衬底如图5所示，衬底21上的图案由排布在衬底表面的半球图案25和圆锥图案26组成，圆锥图案的底面圆半径r2为1.0 μ m，倾角α 3为55° ,相邻圆锥图案之间的间距d为3.0 μ m,排布方式为矩形排布；半球图案的底面圆半径r1为0.4 μ m,排布在圆锥图案的间隙中。
[0066]对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试:
[0067]采用光学分析软件TraceP1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:
[0068](1)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120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈长方体状。
[0069](2)大图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角α3为55° ,底面圆半径r3为1.0 μ m,相邻大半球的间距d为3.0 μ m。
[0070](3)小图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现半球图案的制作，半球图案的底面圆半径r4为0.4 μ m。
[0071](4)图案的排布:圆锥图案排布方式为矩形排布，半球图案排布在圆锥图案的间隙之中。
[0072](5)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120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱层尺寸为120ymX120ymX75nm，P 型 GaN 层尺寸为 120 μ mX 120 μ mX 0.2 μ m，均呈长方体状。
[0073](6)靶面构建:采用TraceP1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120μπιΧ120μπιΧ0.0lym,前、后、左、右靶面尺寸为100 μ mX 104.275 μ mX0.0l μ m。
[0074](7)N型GaN层与图形化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TraceP1的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
[0075](8)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量子阱、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。
[0076](9)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。
[0077](10)光线追迹: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。
[0078]测试结果如下:顶部光通量2121.6a.u.，底部光通量2472.la.u.，侧面光通量2838.5a.u.，总光通量7432.2a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2.1倍，底部光通量提升1.8倍，侧面光通量提升1.2倍，总光通量提升1.6倍。与单图案(大图案)衬底相比，顶部光通量提升2 %，底部光通量提升6.6%，总光通量提升2.2 %。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。
[0079]实施例4
[0080]本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
[0081]本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。半球图案的底面圆半径A为3 μ m,相邻半球图案之间的间距为9μηι ;每个圆锥图案的底面圆半径巧为1.5 μ m，倾角％为30°。
[0082]测试结果与实施例1类似。
[0083]实施例5
[0084]本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
[0085]本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。半球图案的底面圆半径A为0.5 μ m,相邻半球图案之间的间距为9 μ m ;每个圆锥图案的底面圆半径1"2为0.2 μ m，倾角α2*70°。
[0086]测试结果如下:顶部光通量2202.7a.u.，底部光通量2456.5a.u.，侧面光通量2543.8a.u.，总光通量7203a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2.1倍，底部光通量提升1.8倍，侧面光通量提升1.0倍，总光通量提升1.5倍。与单图案(大图案)衬底相比，顶部光通量提升1.2%，底部光通量提升3.3%，总光通量提升0.8 %。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。
[0087]实施例6
[0088]本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
[0089]本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。圆锥图案的底面圆半径ι.2*3μπι，倾角％为30°，相邻圆锥图案之间的间距为9 μ m ;所述半球图案的底面圆半径!T1为1.5 μ m。
[0090]测试结果如下:顶部光通量2130.2a.u.，底部光通量2324.9a.u.，侧面光通量2613.0a.u.，总光通量7068.la.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2.1倍，底部光通量提升1.6倍，侧面光通量提升1.0倍，总光通量提升1.5倍。与单图案(大图案)衬底相t匕，顶部光通量提升2.7%，底部光通量提升5.2%，总光通量提升0.3%。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。
[0091]实施例7
[0092]本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
[0093]本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。圆锥图案的底面圆半径1"2为0.5 μ m，倾角α3*70°，相邻圆锥图案之间的间距为1.5 μ m ;所述半球图案的底面圆半径!T1为0.2 μ m。
[0094]测试结果与实施例3类似。
[0095]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】
1.一种双图案的LED图形化衬底，其特征在于，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径^与圆锥的底面圆半径r2不相等。
2.根据权利要求1所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案的底面圆半径A为0.5~3 μ m,相邻半球图案之间的间距d为1.5~9μηι ;每个圆锥图案的底面圆半径r2为0.2~1.5 μ m,倾角α 2为30。~70。；同时，且d — 21^ ≥ 2r2。
3.根据权利要求2所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。
4.根据权利要求3所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案排列在半球图案的间隙中。
5.根据权利要求1所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案的底面圆半径1"2为0.5~3μπι，倾角03为30°~70°，相邻圆锥图案之间的间距为1.5~9 μ m ;所述半球图案的底面圆半径A为0.2~1.5 μ m ;同时，r2>rl且d — 2r2≥2r10
6.根据权利要求5所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。
7.根据权利要求6所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案排列在圆锥图案的间隙中。
8.—种LED芯片，其特征在于，包含权利要求1~7任一项所述的双图案的LED图形化衬底。
【文档编号】H01L33/24GK104078542SQ201410284314
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】李国强, 王海燕, 林志霆, 周仕忠, 乔田, 王凯诚, 钟立义 申请人:华南理工大学