CN103441201A

CN103441201A - 一种优化的led图形化衬底及led芯片

Info

Publication number: CN103441201A
Application number: CN2013103150538A
Authority: CN
Inventors: 李国强; 周仕忠; 何攀贵; 乔田; 王海燕; 林志霆
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种优化的LED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火山口图案组成；火山口图案为中心具有倒圆台凹坑的凸圆台图案；倒圆台凹坑的倾角α为30°～38°；倒圆台凹坑的深度h为对应倒圆锥图案深度H的85%～94%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的93%～95%。本发明与现有技术相比，充分利用了圆台上表面的平面区域，增加有效光散射的斜面面积，具有比同高度、同底部宽度的其他图案图形化衬底更优的光提取效率。

Description

一种优化的LED图形化衬底及LED芯片

技术领域

本发明涉及LED芯片，特别涉及一种优化的LED图形化衬底及LED芯片。

背景技术

LED的出光效率取决于内量子效率和外量子效率。一方面，由于GaN与蓝宝石衬底的晶格常数及热膨胀系数存在较大差异，GaN薄膜内产生了10⁹～10¹²cm^-2的高位错密度，这会对GaN基LED的内量子效率产生不利的影响。然而，随着GaN外延生长技术的不断优化，GaN的磊晶质量显著提高，目前LED的内量子效率已达到90%以上。另一方面，GaN具有较高的折射系数（n=2.45），光线出射的临界角[θ_c=sin^-1(n_air/n_GaN)]仅为24.6°，导致LED芯片与空气之间存在严重的全反射现象，外量子效率难以提高。后来针对这一问题提出的改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体、表面粗化等，都在一定程度上提高了LED的外量子效率。而近年发展起来的图形化衬底技术不仅能通过图案倾斜面改变光线射入方向，使光在界面出射的入射角变小（小于全反射临界角），更多光线能透射而出，从而使外量子效率得以提高；还能使GaN在外延生长时产生横向磊晶效果，从而降低晶体缺陷密度，提高LED的内量子效率。为满足器件性能的要求，图形衬底的设计已几番更新，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，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，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（包括倾角、深度和宽度等）在选择上势必会影响LED的性能。J.H.Cheng等人利用湿法刻蚀技术在蓝宝石衬底上刻蚀出具有不同倾斜角的锥形图案，发现锥形图案的倾斜角对GaN的磊晶质量、缺陷密度、内量子效率等产生较大影响。为了减少位错，应该采取较小的侧面倾斜角，但是小倾角会削弱图形对光的反射或散射效应，因此需要寻求一个平衡点。D.S.Wuu等人利用湿法刻蚀技术在蓝宝石衬底上制备边长为3μm，深度为1.5μm的三棱锥图形，采用MOCVD法生长GaN并制成芯片，对其进行光学测试，发现图形蓝宝石衬底GaN基LED的外量子效率因图案密度的改变而有所不同，图形化衬底LED的输出功率比普通LED的输出功率提升25%。另外，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其内量子效率及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，但目前尚未提出更有利于出光的新型图案，图形化衬底的发展出现瓶颈。为满足未来高功率照明市场的需求，设计出更具出光优势的新型图案亟待解决。

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优化的LED新型图形化衬底，具有光提取效率高的优点。本发明的另一目的在于提供包括上述优化的LED图形化衬底的LED芯片。

本发明的目的通过以下方案实现：

一种优化的LED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火山口图案组成；所述火山口图案为中心具有倒圆台凹坑的凸圆台图案。

所述倒圆台凹坑的倾角α为30°～38°；倒圆台凹坑的深度h为其对应的倒圆锥的深度H的85%～94%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的93%～95%。

所述多个形状相同的火山口图案采用六角排列方式。

一种LED芯片，包括上述优化的LED图形化衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明基于圆台图案设计的火山口图案，充分利用了圆台上表面的平面区域，增加有效光散射的斜面面积，从而提高图形化蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率。相比普通的无图案衬底LED，顶部光通量增大到3.2倍，底部光通量增大到2.8倍。

（2）本发明具有比同高度、同底部宽度的其他图案图形化衬底更优的光提取效率：顶部光通量比圆锥形图形化衬底提升23%、比半球形图形化衬底提升 20%、比圆台形图形化衬底提升5%；底部光通量比圆锥形图形化衬底提升11%、比半球形图形化衬底提升10%、比圆台形图形化衬底提升3%。

附图说明

图1为本发明的实施例的LED芯片的示意图。

图2为本发明的实施例的LED芯片的图形化衬底的示意图，火山口图案的参数包括倾角α，深度h以及宽度a。

图3为本发明的实施例的LED芯片的图形化衬底采用的排列方式示意图。

图4为本发明的实施例的LED芯片的光通量随倒圆锥凹坑倾角α变化趋势图。

图5为本发明的实施例LED芯片的光通量随倒圆台深度h变化趋势图。

图6为本发明的实施例LED芯片的光通量随倒圆台宽度a变化趋势图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，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，如图1所示，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2～3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火山口图案15组成；倒圆台凹坑的倾角α为30°；倒圆台凹坑的深度h为其对应的倒圆锥的深度H的85%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的95%；本实施例中凸圆台的倾角θ为60°，下表面宽度B为3μm，上表面宽度A为1.268μm，高度L为1.5μm，边缘间距d为1.5μm；所述多个形状相同的火山口图案采用如图3所示的六角排列方式。

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火山口图案组成；倒圆台凹坑的倾角α为34°；倒圆台凹坑的深度h为对应其对应的倒圆锥的深度H的94%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的94%；本实施例中凸圆台的倾角θ为60°，下表面宽度B为3μm，上表面宽度A为1.268μm，高度L为1.5μm，边缘间距d为1.5μm；所述多个形状相同的火山口图案采用六角排列方式。

实施例3

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火山口图案组成；倒圆台凹坑的倾角α为38°；倒圆台凹坑的深度h为其对应的倒圆锥的深度H的88%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的93%；本实施例中凸圆台的倾角θ为60°，下表面宽度B为4μm，上表面宽度A为2.268μm，高度L为1.5μm，边缘间距d为1.5μm；所述多个形状相同的火山口图案采用六角排列方式。

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120μm×120μm×100μm，呈长方体状。

（2）火山口图案制作：采用Solidworks的作图功能实现火山口图案的制作，火山口图案为中心具有倒圆台凹坑的凸圆台图案；倒圆台凹坑的倾角α为30°～38°；倒圆台凹坑的深度h为对应倒圆锥图案深度H的85%～94%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的93%～95%；呈六角排布。

（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120μm×120μm×4μm，MQW量子阱层尺寸为120μm×120μm×75nm，P型GaN层尺寸为120μm×120μm×200nm，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120μm×120μm×3μm，前、后靶面（相对芯片的长边）尺寸为120μm×104.275μm×3μm，左、右靶面（相对芯片的短边）尺寸为120μm×104.275μm×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4～6所示。

图4是LED芯片（火山口凸圆台倾角θ为60°，下表面宽度B为3μm，上表面宽度A为1.268μm，高度L为1.5μm，边缘间距d为1.5μm；倒圆锥凹坑宽度a为1.1μm）的顶部、底部、总光通量随倒圆锥凹坑倾角α变化趋势图。

图中曲线走势表明：火山口图案图形化衬底LED的总光通量随倾角的增大，变化幅度不大，但顶部及底部光通量下降趋势，并且均在倾角α为30°～38°时取得极大值。

图5为LED芯片（火山口凸圆台倾角θ为60°，下表面宽度B为3μm，上表面宽度A为1.268μm，高度L为1.5μm，边缘间距d为1.5μm；倒圆锥凹坑倾角α为38°，宽度a为1.1μm）的顶部、底部、总光通量随倒圆台深度h变化趋势图，表明在某一范围内，倒圆台具有比倒圆锥更佳的光提取效果。随着倒圆台深度的增加，总光通量变化不明显，但顶部及底部光通量均先增大，后减小，并且在深度h为对应倒圆锥图案深度H的85%处取得最大值，顶部光通量为2210a.u.，底部光通量为2462a.u.。

图6为LED芯片（火山口凸圆台倾角θ为60°，下表面宽度B为4μm，上表面宽度A为2.268μm，高度L为1.5μm，边缘间距d为1.5μm；倒圆锥凹坑倾角α为38°，深度h为对应倒圆锥图案深度H的88%）的顶部、底部、总光通量随倒圆台宽度a变化趋势图。图中曲线走势表明：随宽度a增大，总光通量缓慢增大，而顶部、底部光通量则增大明显，且当宽度a为凸圆台上表面宽度A的93%，顶部光通量取得最大值2220a.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

1.一种优化的LED图形化衬底，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火山口图案组成；所述火山口图案为中心具有倒圆台凹坑的凸圆台图案。

2.根据权利要求1所述的优化的LED图形化衬底，其特征在于，所述倒圆台凹坑的倾角α为30°～38°；倒圆台凹坑的深度h为其对应的倒圆锥的深度H的85%～94%；倒圆台凹坑的宽度a为凸圆台上表面宽度A的93%～95%。

3.根据权利要求1所述的优化的LED图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的火山口图案采用六角排列方式。

4.一种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1～3任一项所述的优化的LED图形化衬底。