CN103035801A

CN103035801A - 一种led图形优化衬底及led芯片

Info

Publication number: CN103035801A
Application number: CN2012105455216A
Authority: CN
Inventors: 李国强; 乔田; 王海燕; 周仕忠; 何攀贵; 林志霆
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-12-15
Filing date: 2012-12-15
Publication date: 2013-04-10

Abstract

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。

Description

一种LED图形优化衬底及LED芯片

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。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1~2μm，间隔为2~3μm，底宽为2~3μm，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高LED的出光效率，但对于以圆锥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LED芯片。

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0.4~0.6μm。

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：

（1）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，进一步改善了磊晶质量，从而提高了LED的内量子效率。

附图说明

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示意图。

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0.6μm；本实施例中圆锥对应的底面半径R为3.4μm；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0.4μm；本实施例中圆锥对应的底面圆半径R为3.0μm；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TracePro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：

（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600μm×250μm×100μm，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1.4~3.4μm，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600μm×250μm×4μm，MQW量子阱层尺寸为600μm×250μm×50nm，P型GaN层尺寸为600μm ×250μm×3μm，均呈长方体状。

（4）靶面构建：采用TracePro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600μm ×250μm ×3μm，前、后靶面（相对芯片的长边）尺寸为600μm ×104.41μm ×3μm，左、右靶面（相对芯片的短边）尺寸为250μm×104.41μm×3μm。

（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TracePro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、MQW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。

（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1μm，边距d为2μm）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3.4μm，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0.4~0.6μm范围内处于较高水平，在边距为0.6μm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。

Claims

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°~65°；相邻圆锥的边距d为0.4~0.6μm。

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1~3任一项所述的LED图形优化衬底。