一种塔状图案的图形化led衬底及led芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种塔状图案的图形化LED衬底，衬底图案由排列在衬底表面的多个形状相同的塔状图案组成；所述塔状图案为由m个带内凹的圆台和一个圆锥组成的一体结构；所述m个带内凹的圆台按由大到小的顺序由下至上依次排列；第i带内凹的圆台的顶部设有第i圆柱状的内凹；令第i带内凹的圆台所对应的圆台为第i圆台；令第i圆柱状的内凹所对应的圆柱为第i圆柱；则第i圆台的上底面即为第i圆柱的上底面；第i圆柱的下底面即为第i+1圆台的下底面；第m圆柱的下底面即为圆锥的底面；第i圆柱的高度hi.>0。本发明增加了折射反射面，光强和出光效率与相同尺寸的普通圆锥型图形化衬底相比均有不同程度的提高，具有广泛的应用前景。
【专利说明】—种塔状图案的图形化LED衬底及LED芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及图形化LED衬底，特别涉及一种塔状图案的图形化LED衬底及LED芯片。
【背景技术】
[0002]目前，为了提高GaN基LED的内量子效率和出光效率，诸多新技术被应用，其中包括侧向外延生长技术、表面粗化、图形化衬底技术以及金属镜面反射层技术等。近年来，如何利用图形化衬底技术来有效地提高蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，逐渐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。
[0003]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，使光在空气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生长出现侧向磊晶的效果，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。
[0004]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。对此，科学家和专业技术人员已经有了多番研究。S.Suihkonen等人的实验证明:具有较大高度的六角形图案不仅增强了对光线的反射、散射作用，而且相对复杂的图形分布更有利于侧向外延，提高磊晶质量。具有尖锥状凸起结构的锥形图案也是如此，图案高度一般为I?2μπι，间隔为2?3μ--，底宽为2?3μ m，其斜角对LED的出光有较大的影响。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。然而，根据实际使用的情况来看图形尺寸并非越小越好，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，即使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。
[0005]目前，图形化衬底图案仅限于单种图案的简单线阵排列或六角排列。这虽然能够使得出光率得到一定程度的提高，但是随着科技的进步和人们对照明工具要求的不断提高，它们已经不能够完全满足人们的需要。
【发明内容】
[0006]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塔状图案的图形化LED衬底，增加了折射反射面，使得光强和出光效率与相同尺寸的普通圆锥型图形化衬底相比均有不同程度的提高，具有广泛的应用前景。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种包含上述塔状图案的图形化LED衬底的LED芯片。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0009]一种塔状图案的图形化LED衬底，衬底图案由排列在衬底表面的多个形状相同的塔状图案组成；
[0010]所述塔状图案为由m个带内凹的圆台和一个圆锥组成的一体结构；m彡I ;
[0011]所述m个带内凹的圆台按由大到小的顺序由下至上依次排列；
[0012]其中，第i带内凹的圆台的顶部设有第i圆柱状的内凹；
[0013]令第i带内凹的圆台所对应的圆台为第i圆台；令第i圆柱状的内凹所对应的圆柱为第i圆柱；
[0014]则第i圆台的上底面即为第i圆柱的上底面；第i圆柱的下底面即为第i+Ι圆台的下底面；第m圆柱的下底面即为圆锥的底面；1 < i < m ;
[0015]第i圆柱的高度Ii1.>0。
[0016]所述塔状图案的高度H为0.5?2μπι，底面半径R为0.5?3 μ m。
[0017]所述多个形状相同的塔状图案采用矩形排列方式。
[0018]所述多个形状相同的塔状图案采用菱形排列方式。
[0019]所述多个形状相同的塔状图案采用圆形排列方式。
[0020]所述多个形状相同的塔状图案采用六角排列方式。
[0021]一种LED芯片，包括上述的塔状图案的图形化LED衬底。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0023]本发明提供了一种新型的复合构型的塔状LED图形化衬底，突破了原有的普通圆锥型图形化衬底图案的思维局限，增加了折射反射面，使得光强和出光效率大大提高；与无图案的图形化衬底相比，顶部光通可提高2.70倍左右，底部光通可提高2.43倍左右，侧面光通可提高2.65倍左右，总光通量可提高2.60倍左右；与相同尺寸的简单圆锥型图形化衬底相比，顶部光通量可提高1.17倍左右，底部光通量可提高1.27左右，具有广泛的应用前旦
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【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的实施例1的LED芯片的示意图。
[0025]图2为本发明的实施例1的塔状图案的示意图。
[0026]图3为本发明的实施例1的塔状图案的排列示意图。
[0027]图4为本发明的实施例2的塔状图案的排列示意图。
[0028]图5为本发明的实施例3的塔状图案的排列示意图。
[0029]图6为本发明的实施例4的塔状图案的排列示意图。
【具体实施方式】
[0030]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。
[0031]实施例1
[0032]图1为本实施例的LED芯片的示意图，由依次排列的蓝宝石塔状图案的图形化LED衬底11，N型GaN层12，MQW量子阱层13，P型GaN层14组成。
[0033]本实施例的塔状图案的图形化LED衬底，衬底图案由排列在衬底表面的多个形状相同的塔状图案组成。如图2所示，所述塔状图案为由2个带内凹的圆台和一个圆锥组成的一体结构；所述3个带内凹的圆台按由大到小的顺序由下至上依次排列。其中，第i带内凹的圆台的顶部设有第i圆柱状的内凹；i = 1，2，3。令第i带内凹的圆台所对应的圆台为第i圆台；令第i圆柱状的内凹所对应的圆柱为第i圆柱；则第i圆台的上底面即为第i圆柱的上底面；第i圆柱的下底面即为第i + Ι圆台的下底面；第!11圆柱的下底面即为圆锥的底面。
[0034]本实施例中，塔状图案的高度H为2μπι，底圆半径R为3.0μπι。第I圆柱的高度Ii1为0.5 μ m,第2圆柱的高度h2为I μ m ;第3圆柱的高度h3为1.5 μ m。
[0035]本实施的塔状图案采用如图3所示的六角排列方式，相邻塔状图案的中心间距D为 8 μ m0
[0036]实施例2
[0037]本实施例除以下特征外，其余特征与实施例1同:
[0038]本实施例中，塔状图案的高度H为2μπι，底圆半径R为2.0μπι。第I圆柱的高度Ii1为0.4 μ m,第2圆柱的高度h2为0.8 μ m ;第3圆柱的高度h3为1.5 μ m。
[0039]本实施的塔状图案采用如图4所示的矩形排列方式，相邻塔状图案的中心间距D为 8 μ m0
[0040]实施例3
[0041]本实施例除以下特征外，其余特征与实施例1同:
[0042]本实施例中，塔状图案的高度H为2μπι，底圆半径R为1.5μπι。第I圆柱的高度Ii1为0.3 μ m,第2圆柱的高度h2为0.6 μ m ;第3圆柱的高度h3为1.3 μ m。
[0043]本实施的塔状图案采用如图5所示的菱形排列方式，相邻塔状图案的中心间距D为 6 μ m0
[0044]实施例4
[0045]本实施例除以下特征外，其余特征与实施例1同:
[0046]本实施例中，塔状图案的高度H为0.5 μ m，底圆半径R为0.5 μ m。第I圆柱的高度Ii1为0.1 μ m,第2圆柱的高度h2为0.1 μ m ;第3圆柱的高度h3为0.1 μ m。
[0047]本实施的塔状图案采用如图6所示的圆形排列方式，相邻塔状图案的中心间距D为 2 μ m。
[0048]测试例:
[0049]采用光学分析软件TraceP1对本发明的塔状图案的图形化LED衬底做模拟测试，模拟测试过程如下:
[0050](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。
[0051](2)塔状图案制作:采用Solidworks的作图功能实现塔状图案的制作，每个塔状图案的高度H为2 μ m，底圆半径R为3.0 μ m，Ii1为0.5，h2为1，h3为1.5，相邻两图形中心间距D为9 μ m0
[0052](3)图案的排列:将图案按照图2的六角方式排列，中心间距为9 μ m。
[0053](4)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。
[0054](5)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 mX0.0l μ m。
[0055](6)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TraceP1的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
[0056](7)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。
[0057](8)量子阱层表面光源设定，其特征在于: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。
[0058](9)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。
[0059]测试结果如下:
[0060]测试例中，顶部光通1871.8a.u.，底部光通2139.9a.u.，侧面光通3368.29a.u.，总光通6460.54a.u.。与无图案的图形化衬底相比，顶部光通提高了 2.70倍，底部光通提高了 2.43倍，侧面光通提高了 2.65倍，总光通量提高了 2.60倍。与相同尺寸的简单圆锥型图形化衬底相比，顶部光通量提高了 1.17倍，底部光通量提高了 1.27倍。
[0061 ] 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】
1.一种塔状图案的图形化LED衬底，其特征在于，衬底图案由排列在衬底表面的多个形状相同的塔状图案组成； 所述塔状图案为由m个带内凹的圆台和一个圆锥组成的一体结构；m> I ; 所述m个带内凹的圆台按由大到小的顺序由下至上依次排列； 其中，第i带内凹的圆台的顶部设有第i圆柱状的内凹； 令第i带内凹的圆台所对应的圆台为第i圆台；令第i圆柱状的内凹所对应的圆柱为第i圆柱； 则第i圆台的上底面即为第i圆柱的上底面；第i圆柱的下底面即为第i+Ι圆台的下底面；第m圆柱的下底面即为圆锥的底面；1 < i < m ; 第i圆柱的高度K >0。
2.根据权利要求1所述的塔状图案的图形化LED衬底，其特征在于，所述塔状图案的高度H为0.5?2μηι,底面半径R为0.5?3 μ m。
3.根据权利要求1所述的塔状图案的图形化LED衬底，其特征在于，所述多个形状相同的塔状图案采用矩形排列方式。
4.根据权利要求1所述的塔状图案的图形化LED衬底，其特征在于，所述多个形状相同的塔状图案采用菱形排列方式。
5.根据权利要求1所述的塔状图案的图形化LED衬底，其特征在于，所述多个形状相同的塔状图案采用圆形排列方式。
6.根据权利要求1所述的塔状图案的图形化LED衬底，其特征在于，所述多个形状相同的塔状图案采用六角排列方式。
7.—种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1?6任一项所述的塔状图案的图形化LED衬底。
【文档编号】H01L33/02GK104409596SQ201410712782
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】李国强, 乔田, 林志霆, 王海燕, 周仕忠, 王凯诚, 钟立义 申请人:华南理工大学