CN103050596A - 一种具有图形衬底的发光二极管 - Google Patents

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肖志国
唐勇
武胜利
李倩影
孙英博
薛念亮
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Abstract

本发明提供了一种新的具有图形衬底的发光二极管结构，其衬底以中心为圆心分成5-8个同心环状区域，同一环状区域内的图形的尺寸和图形之间的距离相同，不同环状区域内的图形的尺寸和图形之间的距离由内向外依次递增。本发明能够降低外延生长过程中的残余应力，减小晶体缺陷，提高内量子效率，从而有利于改善芯片的波长均匀性，改善芯片的漏电，提高芯片的亮度。该技术在采用大尺寸的生长衬底时效果更加明显，有利于减小其翘曲度。

Description

一种具有图形衬底的发光二极管
技术领域
 本发明属于半导体照明技术领域，尤其涉及一种具有图形衬底的发光二极管。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。 
传统的芯片制造工艺是在一片衬底上同时制备数百个甚至数千个芯片，每个芯片之间有一定的距离，在制备好这些芯片之后，进行划片、切割将他们分离，最后经后续的封装等工艺得到发光二极管。通常发光二极管的芯片结构为在蓝宝石等衬底上依次外延了 n 型半导体层、有源层、 p 型半导体层的构造。最终的芯片可以是正装结构、倒装结构、垂直结构等。在外延芯片结构时，由于衬底的晶格常数和热膨胀系数等与外延的半导体材料会有差异，使得生长的半导体层中存在残余应力和诸多晶体缺陷，影响了材料的晶体质量，限制了光电子器件性能的进一步提高。
目前广泛使用的解决方法是在蓝宝石等衬底上制备图形形成图形化衬底的技术，采用这种图形化衬底可以缓解外延的半导体材料由于晶格失配引起的应力，一定程度上降低其中的位错密度，提高内量子效率。如中国专利申请201010153212.5公开了一种氮化镓基LED外延用蓝宝石图形化衬底的制备方法，该方法在衬底上制备出均匀分布的图形；中国专利申请201110153487.3中公开了一种制备纳米图形化衬底的方法，通过ICP刻蚀制备出均匀分布的图形。然而，均匀图形化衬底经过外延生长后，芯片结构中存在的残余应力和晶体缺陷，仍然对光电子器件性能，如内量子效、正向电压、光强、反向漏电流、波长均匀性、 FWHM 等有很大的影响。
因此，如何突破现有技术提高电子器件的内量子效率等性能仍然是本领域技术人员函待解决的技术课题。
发明内容
为了解决现有图形化衬底存在的不足，本发明提供了一种新的具有图形衬底的发光二极管结构，可提高发光二极管芯片的内量子效率、波长均匀性，改善光电参数。本发明采用如下技术方案：
一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层；所述衬底以中心为圆心分成n个同心环状区域，5≤n≤8，所述环状区域内带有图形；同一环状区域内的图形尺寸相同，图形的垂直深度为0.5-3微米，图形的截面为圆形、椭圆形、矩形或等腰三角形，图形截面的横向尺寸为1-10微米，纵向尺寸为1-10微米；所述横向尺寸由内部环状区域向外部环状区域递增，递增幅度为0.1-2微米。
本发明的一种图形排布为：同一环状区域内的图形截面呈阵列分布，且间距相同；当所述图形截面为圆形、椭圆形或矩形时，间距为同一环状区域内的相邻图形截面的中心距离；当所述图形截面为等腰三角形时，间距为同一环状区域内的相邻等腰三角形的底边中心距离；不同环状区域内的间距由内向外递增；所述间距为2-30微米，递增幅度为0.2-7微米。
本发明的另一种图形排布为：当所述图形截面为圆形、椭圆形或矩形时，同一环状区域内的图形截面的中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布；当所述图形截面为等腰三角形时，同一环状区域内的等腰三角形的底边中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布；同一环状区域内，相邻同心圆的半径差相等，为2-30微米；不同环状区域内，所述半径差由内向外递增，递增幅度为0.2-7微米。
本发明的一种优选方案为所述纵向尺寸保持相同。
本发明的一种优选方案为所述垂直深度由内部环状区域向外部环状区域递增，递增幅度为0.1-0.5微米。
本发明的思路是在衬底上制备非均匀的图形。将衬底分成同心环状区域，不同环状区域内的图形尺寸、图形之间的距离不同，且由内向外递增。采用的图形左右对称，当为等腰三角形时，横向尺寸指底边长。本发明制作的芯片可以为正装、倒装或者垂直结构的LED芯片。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：能够降低外延生长过程中的残余应力，减小晶体缺陷，提高内量子效率，从而有利于改善芯片的波长均匀性，改善芯片的漏电，提高芯片的亮度。与传统工艺相比，波长的均匀性约提高 6-7nm ，芯片的亮度提高 10 ％以上。该技术在采用大尺寸的生长衬底时效果更加明显，有利于减小其翘曲度。
附图说明：
图1、图2  为本发明图形衬底的示意图
其中：    1-图形；2-衬底。
      
具体实施方式：
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施例，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。 
实施例1 
参看附图1，一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成5个同心环状区域，环状区域内带有呈阵列分布的图形；图形的垂直深度为3微米，图形的截面为椭圆形，5个环状区域内椭圆形的横向尺寸由内向外依次为2、4、6、8、10微米，纵向尺寸依次为1.5、3、4.5、6、7.5微米，图形间距依次为4、8、12、16、20微米。
实施例2
一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成6个同心环状区域，环状区域内带有呈阵列分布的图形；图形的截面为椭圆形，6个环状区域内椭圆形的横向尺寸由内向外依次为2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5微米，纵向尺寸依次为1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2微米，图形间距依次为4、4.2、4.4、4.6、4.8、5微米，图形的垂直深度依次为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1微米。
实施例3
一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成5个同心环状区域，环状区域内带有呈阵列分布的图形；图形的截面为正方形，5个环状区域内正方形的横向和纵向尺寸即边长由内向外依次为1、1.5、2、2.5、3微米，图形间距依次为2、9、16、23、30微米，图形的垂直深度依次为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9微米。
实施例4
参看附图2，一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成5个同心环状区域，环状区域内带有截面为椭圆形的图形，同一环状区域内的图形截面的中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布且相邻同心圆的半径差相等；5个环状区域内椭圆形的横向尺寸由内向外依次为1、2、3、4、5微米，纵向尺寸依次为6、6.1、6.2、6.3、6.4微米；相邻半径差依次为8、12、16、20、24微米，图形的垂直深度依次为0.5、1、1.5、2、2.5微米。
实施例5
一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成8个同心环状区域，环状区域内带有截面为矩形的图形，同一环状区域内的图形截面的中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布且相邻同心圆的半径差相等；8个环状区域内矩形的横向尺寸由内向外依次为2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7微米，纵向尺寸都为1微米；相邻半径差依次为4、4.2、4.4、4.6、4.8、5、5.2、5.4微米，图形的垂直深度依次为0.5、0.8、1.1、1.4、1.7、2、2.3、2.6微米。
实施例6
一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成5个同心环状区域，环状区域内带有截面为圆形的图形，同一环状区域内的图形截面的中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布且相邻同心圆的半径差相等；5个环状区域内圆形的横向和纵向尺寸即直径由内向外依次为1、3、5、7、9微米，相邻半径差依次为2、9、16、23、30微米，图形的垂直深度依次为0.5、0.7、0.9、1.1、1.3微米。
实施例7
一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底以中心为圆心分成6个同心环状区域，环状区域内带有截面为正方形的图形，同一环状区域内的图形截面的中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布且相邻同心圆的半径差相等；6个环状区域内正方形的横向和纵向尺寸即边长由内向外依次为5、6、7、8、9、10微米，相邻半径差依次为10、12、14、16、18、20微米，图形的垂直深度都为3微米。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围中。

Claims (5)

1.一种具有图形衬底的发光二极管,其结构包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层，其特征在于，所述衬底以中心为圆心分成n个同心环状区域， 5≤n≤8，所述环状区域内带有图形；同一环状区域内的图形尺寸相同，图形的垂直深度为0.5-3微米，图形的截面为圆形、椭圆形、矩形或等腰三角形，图形截面的横向尺寸为1-10微米，纵向尺寸为1-10微米；所述横向尺寸由内部环状区域向外部环状区域递增，递增幅度为0.1-2微米。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，同一环状区域内的图形截面呈阵列分布，且间距相同；当所述图形截面为圆形、椭圆形或矩形时，间距为同一环状区域内的相邻图形截面的中心距离；当所述图形截面为等腰三角形时，间距为同一环状区域内的相邻等腰三角形的底边中心距离；不同环状区域内的间距由内向外递增；所述间距为2-30微米，递增幅度为0.2-7微米。
3. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，当所述图形截面为圆形、椭圆形或矩形时，同一环状区域内的图形截面的中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布；当所述图形截面为等腰三角形时，同一环状区域内的等腰三角形的底边中心呈以衬底中心为圆心的同心圆状分布；同一环状区域内，相邻同心圆的半径差相等，为2-30微米；不同环状区域内，所述半径差由内向外递增，递增幅度为0.2-7微米。
4. 如权利要求1-3任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述纵向尺寸保持相同。
5. 如权利要求1-3任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述垂直深度由内部环状区域向外部环状区域递增，递增幅度为0.1-0.5微米。
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