氮化镓基发光二极管的图案化的衬底及使用其的发光二极管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种氮化镓基发光二极管的图案化的衬底，包括：具有图案的图案化的衬底，其中多个所述图案为具有直径(d)的圆形类型，所述图案的中心之间的距离为节距(p)，以及所述图案的剖面为凸起形状具有高度(h)，以及其中[直径(d)/节距(p)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。
【专利说明】氮化镓基发光二极管的图案化的衬底及使用其的发光二极管
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2015年5月19日提交的韩国专利申请N0.2015-0069943以及2015年4月23日提交的韩国专利申请N0.2015-0057510的权益，其全部内容通过参照包括于此。
技术领域
[0003]本发明涉及氮化镓基发光二极管的图案化的衬底以及使用该衬底的发光二极管。本发明可以提供图案化的衬底中的最优化的图案。
【背景技术】
[0004]发光二极管(LED)作为光源的应用，诸如器件上的指示灯、交通灯、汽车照明、室内室外照明(包括路灯)，吸引了很大的关注。这是由于它们的低能耗，长寿命，鲁棒性，无暖机时间，有利的可控性以及良好的色彩再现。为了包括更广泛的应用范围，LED效率需要提尚。
[0005]LED的光提取效率(LEE)是一个重要参数。LED的LEE被定义为从LED芯片发射到自由空间中的光子的数量和从LED芯片内部的有源区发射的光子的数量的比率。它受LED半导体芯片内部的全内反射(TIR)限制，LED半导体芯片典型地具有比周围的材料更大的折射率。
[0006]当从半导体内部的有源区产生的光入射到半导体和周围空间之间的界面上时，如果发射光的角度超过临界角，则发生TIR，且光被陷禁在半导体的内部，最终以热的形式散发。因为半导体和周围空间之间存在大的折射率的差异，故LED的LEE典型地较小。例如，氮化镓(GaN)的折射率是2.5，以简单的矩形形状射入到自由空间中的GaN基LED芯片的LEE只有4%。
[0007]已经使用过很多方法提高LEE，包括图案化的蓝宝石衬底(PSS)。例如，在韩国公开的专利申请N0.2012-84839中报道过。PSS在蓝宝石的整个顶表面上采用阵列图案以形成LED衬底。LED芯片内部的光的散射及多重反射可以随着这些结构而加强，破坏TIR条件，从而提高LEE。PSS还可以用于降低LED外延层的生长过程中的穿透位错密度。
[0008]但是，对于提高图案化的衬底的质量仍然有很多要求。
【发明内容】
[0009]本发明一方面提供一种氮化镓基发光二极管的图案化的衬底，包括:具有图案的图案化的衬底，其中多个所述图案为具有直径(d)的圆形类型，所述图案的中心之间的距离为节距(P)，以及所述图案的剖面为凸起形状且具有高度(h)，以及其中[直径(d)/节距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。
[0010]优选地，所述高度(h)大于(d/2) - 0.10 μ m，且小于(d/2)+0.ΙΟμπι。所述高度(h)为(d/2) ο[0011 ] 优选地，所述氮化镓基发光二极管为水平型。
[0012]根据本发明另一方面，提供一种具有图案化的衬底的氮化镓基发光二极管，包括:具有图案的图案化的衬底；其中多个所述图案为具有直径(d)的圆形类型，所述图案的中心之间的距离为节距(P)，以及所述图案的剖面为凸起形状且具有高度(h)，以及其中[直径(d)/节距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。
[0013]本发明其它方面提供一种倒装氮化镓基发光二极管的图案化的衬底，包括:衬底的一个侧面上具有图案的图案化的衬底，其中多个所述图案为具有直径(d)的圆形类型，所述图案的中心之间的距离为节距(P)，以及所述图案的剖面为凹入形状且具有高度。
[0014]优选地，所述图案为三角锥体。优选地，在所述衬底的另一个侧面上，提供有随机图案，所述随机图案等于或小于LED的峰值波长。
【附图说明】
[0015]本发明上述的和其它的目的、特征和优点从下面结合附图对实施例的描述中将对本领域技术人员变得明显，其中:
[0016]图1为根据本发明实施例的包括图案化的衬底的平面LED的剖面图；
[0017]图2示出根据本发明实施例的图案化的衬底中的各种图案化的形状；
[0018]图3示出图2的周期性图案；
[0019]图4-6为示出根据本发明实施例的模拟结果的示图；
[0020]图7示出根据本发明实施例的包括图案化的衬底的倒装型LED的剖面图；
[0021]图8示出根据本发明实施例的图案化的衬底中的各种图案化的形状；
[0022]图9示出根据本发明实施例的示出模拟结果的示图；
[0023]图10和图11示出具有各种椎体图案的倒装型LED的模拟的相对LEE(光提取效率
【具体实施方式】
[0024]下面将参考附图详细描述本发明示例性实施例。尽管结合其示例性实施例示出和描述本发明，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以进行各种修改，这对本领域技术人员而目是明显的。
[0025](平面型LED)
[0026]图1为根据本发明实施例的包括图案化的衬底的平面型发光二极管的剖面图。
[0027]参考图1，根据本发明实施例的平面型发光二极管包括蓝宝石衬底10，缓冲层20，第一掺杂类型层30，有源层40和第二掺杂类型层50。
[0028]在蓝宝石衬底10的一个表面上提供有多个图案11。该多个图案中的每个具有带半圆形剖面的凸起形状。多个图案11可以具有多边形类型，诸如三角形、正方形、六边形以及圆形。
[0029]在根据本发明实施例的光子器件中，第一掺杂类型层30和第二掺杂类型层50可以分别通过电极(未示出)连接至外端子。例如，有源层40和第二掺杂类型层50的一些部分水平地去除成平顶山(mesa)形状。在这种情况下，一个电极片(未示出)设立在第二掺杂类型层50上或者第二掺杂类型层50上的透明电极层上。另一个电极片设置在第一掺杂类型层30上。
[0030]但是，本发明不限于这种平顶山类型的LED。其它类型的LED也包括在本发明中。例如，电极片设置在垂直或水平型的平面LED的每个表面上。
[0031]图2示出根据本发明实施例的图案化的衬底中的各种图案化的形状。
[0032]参考图2，具有圆形基底的锥体图案也被称为圆锥体。考虑椎体的四种不同的剖面:凸起、凹入、截头凸起和截头凹入。蓝宝石衬底上的图案的整体布置为矩形六边形排列(或蜂窝状)，这种排列由于其高度的集成而应用广泛。
[0033]图3示出四种不同基底的阵列图案的平面图。在图中示出的示例中，外接圆的直径与节距(P)相等，即图案为紧密的外接圆阵列。除了图案的垂直高度，我们独立改变外接圆直径和节距，然后对每个图案实施模拟。
[0034]图4示出具有各种多边形椎体图案的光子器件的模拟的相对LEE (光提取效率)。该模拟从典型的节距P = 3.0 μ??开始。我们接着在范围1.2彡d彡3.Ομπι内(即d在
0.4 < d/p < I范围内)改变每个图案中的外接圆的直径，。图案的高度为h = d/2，使得倾斜边缘和基底间的夹角为45°。
[0035]四个矩形的椎体基底(即η = 3，4，6，和⑴)独立考虑，凸起类型考虑用于椎体的剖面。对于每个具有固定图案节距的基底形状，LEE随着外接圆直径的增加而增加。换言之，LEE随着图案化的表面的比例的增加而增加，以及当外接圆直径为其最大值(即d = ρ，紧密的阵列)时，LEE达到最大值。这个结果是可以预期的，因为可以预测陷禁在结构内部的光的散射将作为被图案覆盖的表面的比例的函数而增加。对于固定的外接圆直径，圆形基底的椎体比那些η = 3，4或6的展示出更大的LEE。这与上述结果是一致的，因为圆形基底具有最大比例的图案化的表面区域。六边形基底的椎体展示出比正方形基底的椎体大的LEE;但是，三角形基底的结构展示出比正方形或六边形基底的椎体大的LEE，尽管事实是三角形结构具有最大的非图案化的平面表面区域比例。
[0036]因此η = 3和η = 00的椎体是优选的。当比率随着外接圆直径保持固定时，使得我们具有紧密的外接圆阵列(倾斜边缘和基底之间的夹角为45°，非图案化的平面表面的比例不改变)，LEE不作为图案节距的函数而改变。因而断定，在图案高度上我们可以具有选择的自由度，使得我们在用于生长LED结构的蓝宝石刻蚀和外延的条件上具有灵活性。
[0037]考虑四种剖面形状:凸起、凹入、截头凸起和截头凹入。我们固定图案节距为P =
3.0 μ m，外接圆的直径为d = ρ。图案的垂直高度固定为h = d/2 (非截头类型)以及h =d/4(截头形状)，使得在所有的情况下倾斜角固定在45°。如图5所示，对于四边矩形、凸面椎体基底进行LEE计算。
[0038]参考图5，剖面形状对LEE的影响随着基底形状而不同。圆形和三角形基底在凸起剖面的情况下展示出最大的LEE，接着是截头凸起，凹入，再接着是平头凹入剖面。对于正方形和六边形基底，截头凸起剖面具有最大的LEE，接着是截头凹入，凹入，再接着是凸起剖面。圆形基底和凸起剖面的情况具有最大的LEE。
[0039]在确定椎体的基底和剖面的理想几何形状之后，我们改变垂直高度，进而改变倾斜角。图6示出在节距为3.0 μπι时对于各种外接圆直径的情况，凸起的圆形基底椎体图案的LEE作为图案的高度的函数。
[0040]对于给定的图案高度，LEE随着外接圆直径的增加而增加。对于给定的外接圆直径，当d < 2.5 μπι时，LEE随着图案的高度的增加而增加。
[0041]但是，在实际的外延生长中，图案的高度将被限制为小于η型GaN层的厚度。对于大于约2.5 μπι的d，在给定的外接圆直径的情况下，图案具有对应于最大LEE的最佳高度。例如，当d = 3.0 μηι(紧密的外接圆阵列)，LEE最初随着h的增加而增加，当h = 1.5 μπι时达到最大值，接着随着h的进一步增加而减小。
[0042]上述模拟是在d = 3.0 μπι的情况下进行的。但是，对于不同的节距发现相同的结果ο在外接圆直径d为2.7μπι或2.8μπι的情况下，结果与d改变为(d*2.7) /3或(d*2.8) /3的情况是相同的。因此，外接圆直径和图案节距的比率很重要，而不是外接圆直径自身或者图案节距自身。如果我们假定节距为4.0 μπι，在相同的比率下，当直径增加时，所有的结果与P = 3.0 μ m的情况是相同的。
[0043]基于这些结果，将描述优选的用于氮化镓基发光二极管的图案化的衬底。
[0044]如所描述的，圆形的和凸起形状的图案具有优越的特性。另外，当(直径/节距)的比率越接近I，LEE越好。但是，当(直径/节距)的比率越接近1，平面区域比率(无图案的区域与总区域的比率)降低。由于这点，很难使外延层良好地生长。因此，为了使外延层良好地生长，有效地是，平面区域比率需要固定至低于I的一定水平。
[0045]如果平面区域比率需要固定至低于I的一定水平，高度(h)可以用于最大化LEE。
[0046]当[直径⑷/节距(ρ)]的值大于(2.6) /3时，随着高度(h)的增加，LEE越好。但是，高度(h)增加至大到一定点时，外延层需要大于高度(h)的值以具有可靠的特性。
[0047]在[直径(d)/节距(ρ)]的值大于2.6/3，且等于或小于3/3的情况下，当高度(h)为(d/2)时，LEE具有它的峰值。
[0048]图6示出峰值范围。参考图6，当[直径(d)/节距(ρ)]的值为(2.7)/3时，在h为
1.2 μ m至1.5 μ m的范围内LEE是优越的。当[直径(d) /节距(ρ)]的值为(2.8) /3时，在h为1.2μηι至1.6μηι的范围内LEE是优越的。当[直径(d)/节距(ρ)]的值为(2.9)/3时，在h为1.2μηι至1.7μηι的范围内LEE是优越的。当[直径(d) /节距(ρ)]的值为(3.0)/3时，在h为1.2μπι至1.8μπι的范围内LEE是优越的。
[0049]当[直径(d)/节距(ρ)]的值接近3/3时，根据h的范围LEE得到更宽的峰值范围。当[直径(d)/节距(ρ)]的值接近2.6/3时，根据h的范围LEE得到更窄的峰值范围。
[0050]优选的直径、节距和高度如下。
[0051]在[直径(d)/节距(ρ)]的值大于2.6/3，且等于或小于3/3的情况下，高度(h)为d/2。为了提供符合设计规则的边沿，优选的高度(h)可以具有0.15μπι至0.30μπι的范围。更优选地，高度(h)大于(d/2) - 0.10 μπι且小于(d/2)+0.ΙΟμπι。在这种情况下，在制造可靠的器件时可以应用0.10 μπι的边沿，以降低由刻蚀产生的误差效应。更优选地，高度(h)为 d/2 ο
[0052](倒装型LED)
[0053]倒装型LED的图案化结构还没有很多研究。在一些方面，考虑倒装型LED的图案化结构与水平或垂直型LED相似。因此，对于提高倒装型LED的图案化结构的质量仍然有很多要求。
[0054]图7示出根据本发明实施例的包括图案化的衬底的倒装型LED的剖面图。
[0055]倒装型LED形成在下基座10上。倒装型LED包括蓝宝石衬底70，第一掺杂类型层60，有源层50，第二掺杂类型层40。第一电极20连接至第一掺杂类型层60，第二电极30连接至第二掺杂类型层40。
[0056]第一电极20和第二电极30连接至下基座10上的电极片以操作倒装型LED。
[0057]图8示出根据本发明实施例的图案化的衬底中的各种图案化的形状。
[0058]参考图8，具有圆形基底的锥体图案也被称为圆锥体。水平轴示出“基底”，包括三角形、正方形、六边形以及圆形。垂直轴示出“剖面”，包括凸起、凹入、截头凸起和截头凹入。
[0059]图9示出根据本发明实施例的示出模拟结果的示图。为了方便描述，仅示出三角形基底。但是，也进行正方形、六边形以及圆形椎体的模拟。另外，还增加半球图案结构。
[0060]参考图9，在进行模拟时使用四种不同的图案化的衬底。
[0061]①凸起，背表面是平的(菲涅尔损失表面)
[0062]②凹入，背表面是平的(菲涅尔损失表面)
[0063]③凸起，背表面是不规则的(随机粗糙的背表面)
[0064]④凹入，背表面是不规则的(随机粗糙的背表面)
[0065]“平坦的背表面”意味背表面是平滑或镜面的。当光射入到表面上时，光以与入射角基本相同的反射角反射。“不规则的背表面”意味背表面是随机粗糙的背表面或完美的郎伯表面。不规则的背表面可以通过研磨全表面形成。例如，研磨系统为SHUWA SGM-8000。该表面具有尺寸小于相应波长的随机图案。如果表面是由氮化镓材料制得的，波长约为170nmo
[0066]模拟条件如下ο节距P为3 μ m，高度h为1.5 μ m，直径为3 μ m。
[0067]图10和图11示出具有各种椎体图案的倒装型LED的模拟的相对LEE(光提取效率
[0068]参考图10，凹入的衬底具有比凸出的衬底更高的LEE。在平坦的背表面中，凹入图案的三角形和正方形图案比其它的形状更有效率。三角形图案最佳。
[0069]参考图11，非规则的背表面具有比平坦的背表面更高的LEE。在三角形、正方形、六边形中，凹入衬底具有比凸出衬底更高的LEE。三角形的凹入图案最佳。
[0070]图4至图6示出，在平面型LED中，凸出图案具有优势。在平面型LED中，由于图案的漫反射，凸出图案帮助来自有源层的光不进入衬底的内侧。凸出图案帮助降低在P型半导体和外部材料之间的界面中的反射，以及增强从外部材料提取的光。
[0071]与平面型LED相比，凹入型在倒装型图案化的衬底中更加有效率。似乎凸出图案帮助来自有源层的光进入衬底的内侧。之后，蓝宝石衬底和外部材料之间的全反射由于图案的漫反射而降低。这使得从外部空间提取的光的数量增加。
[0072]已经描述了关于根据本发明的氮化镓基发光二极管的图案化的衬底的优选的实施例，本发明不限于此，并且可以在所附权利要求、详细描述和附图的范围内对本发明进行各种修改，这些实施例也在本发明的范围内。
【主权项】
1.一种氮化镓基发光二极管的图案化的衬底，包括: 具有图案的图案化的衬底， 其中多个所述图案为具有直径(d)的圆形类型，所述图案的中心之间的距离为节距(P)，以及所述图案的剖面为凸起形状且具有高度(h)， 以及其中[直径(d)/节距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。2.根据权利要求1所述的图案化的衬底，其中所述高度(h)大于(d/2)- 0.ΙΟμπι，且小于(d/2) +0.1Oym03.根据权利要求2所述的图案化的衬底，其中所述高度(h)为(d/2)。4.根据权利要求1所述的图案化的衬底，其中所述氮化镓基发光二极管是水平型或垂直型。5.一种具有图案化的衬底的氮化镓基发光二极管，包括: 具有图案的图案化的衬底； 其中多个所述图案为具有直径(d)的圆形类型，所述图案的中心之间的距离为节距(P)，以及所述图案的剖面为凸起形状且具有高度(h)， 以及其中[直径(d)/节距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。6.根据权利要求5所述的氮化镓基发光二极管，其中所述高度(h)大于(d/2)-0.10 μ m，且小于(d/2) +0.10 μ m。7.根据权利要求6所述的氮化镓基发光二极管，其中所述高度(h)为(d/2)。8.根据权利要求5所述的氮化镓基发光二极管，其中所述氮化镓基发光二极管是水平型或垂直型。
【文档编号】H01L33/22GK106067503SQ201510736920
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年11月3日 公开号201510736920.4, CN 106067503 A, CN 106067503A, CN 201510736920, CN-A-106067503, CN106067503 A, CN106067503A, CN201510736920, CN201510736920.4
【发明人】朴时贤, 崔浩
【申请人】岭南大学校产学协力团