专利名称：一种led图形优化衬底及led芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED芯片衬底，特别涉及一种LED图形优化衬底及LED芯片。
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。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1 2μπι，间隔为2 3μπι，底宽为2 3μπι，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。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闻LED的出光效率，但对于以圆维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、底面半径、图案密度等，圆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，确定圆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LED图形优化衬底，具有出光率高的优点。本发明的另 一目的在于提供包括上述LED图形优化衬底的LED0006]本发明的目的通过以下技术方案实现一种LED图形优化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55° 65° ;相邻圆锥的边距d为O. 4 O. 6 μ m。所述多个形状相同的圆锥采用矩形排列方式。所述多个形状相同的圆锥采用六角排列方式。一种LED芯片，包括上述的LED图形优化衬底。与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果(I)本发明通过优化圆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. 67倍，顶部光通量增大到3. 23倍，底部光通量增大到2. 81倍。(2)本发明具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，圆锥图案是目前芯片生产中应用广泛的图形，更加利于推广应用。(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芯片的图形化衬底的示意图。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采用的圆锥图形的单体示意图。图4为实施例1的衬底的圆锥图案采用的排列方式示意图。图5为实施例2的衬底的圆锥图案采用的排列方式示意图。图6为LED芯片的总光通随圆锥的倾角α的变化趋势图。图7为LED芯片的总光通量随圆锥的边距d的变化趋势图。图8为本发明LED芯片的总光通量随圆锥底面圆半径R的变化趋势图。
具体实施例方式下面结合实施例，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。实施例1图1为本实施例的LED芯片的示意图，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圆锥15组成,每个圆锥的倾角α为60° ;相邻圆锥的边距d为O. 6 μ m ;本实施例中圆锥对应的底面半径R为3. 4 μ m ;所述多个形状相同的圆锥采用如图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圆锥组成，每个圆锥的倾角α为65° ;相邻圆锥的边距d为O. 4μπι;本实施例中圆锥对应的底面圆半径R为3.Oμ m ;所述多个形状相同的圆锥采用如图5所示的六角排列方式。
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)圆锥图案制作采用Solidworks的作图功能实现圆锥图案的制作圆锥的倾角α为20° 70° ;相邻圆锥的边距d为0.4-1.0μm;所述圆锥的底面圆半径R为1. 4 3. 4 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600μmX 250μmX4μ m，MQW量子阱层尺寸为600μm X 250μm X 50μm, P 型 GaN 层尺寸为 600 μ m X 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600 μ m X250 μ m X3ym,前、后靶面(相对芯片的长边)尺寸为600 μ m X 104. 41 μ m X 3 μ m，左、右靶面(相对芯片的短边)尺寸为 250 μ mX 104. 41 μ mX3 μ m。(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(图案底面圆半径R为I μ m，边距d为2 μ m)的总光通随圆锥的倾角α变化趋势图。图中曲线走势表明圆锥图案衬底LED的总光通量随倾角的增大，先增大后缓慢最后减小，在倾角为60°时出现极大值。图7为LED芯片(圆锥底面圆半径R为3.4 μ m，倾角为60° )的总光通量随圆锥间距d的变化趋势图，表明随着圆锥图案间距的减小，圆锥图形化衬底LED的总光通量总体呈增大趋势。圆锥型衬底LED芯片的总光通量在边距为O.4-0. 6 μ m范围内处于较高水平，在边距为O. 6 μ m处取得最大值7905a. u.。图8为LED芯片(圆锥边距d为1μm，倾角为60° )的总光通量随圆锥底面圆半径R的变化趋势图，表明随着圆锥图案底面圆半径的增大，圆锥图形化衬底LED的总光通量呈增大趋势。数据表明在半径为3.0-3. 4μm范围内的圆锥型衬底LED的最大总光通量为7755a. u.。
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LED图形优化衬底，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圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55°飞5° ;相邻圆锥的边距d为O. Γθ. 6μπι。
2.根据权利要求1所述的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆锥采用矩形排列方式。
3.根据权利要求1所述的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆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LED图形优化衬底。
全文摘要
本发明公开了一种LED图形优化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55°~65°；相邻圆锥的边距d为0.4~0.6μm。本发明还公开了包括上述LED图形优化衬底的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，圆锥图形是目前工厂大规模LED芯片生产应用最广泛的图形之一，实际加工容易获得目标图案，便于推广应用。
文档编号H01L33/20GK103035801SQ20121054552
公开日2013年4月10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, 乔田, 王海燕, 周仕忠, 何攀贵, 林志霆 申请人:华南理工大学