CN103545412A - 一种具有混合图案的led图形优化衬底及led芯片 - Google Patents

一种具有混合图案的led图形优化衬底及led芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有混合图案的LED图形优化衬底，衬底的图案由两种以上图案混合排列而成；同一种图案的尺寸、形状相同；所述图案可采用排列矩形方式或者采用六角排列方式。本发明还公开了包括上述具有混合图案的LED图形优化衬底的LED芯片。本发明通过采用具有混合图案的LED图形优化衬底，提高了LED芯片的光通量，得到更加高效的LED芯片。

Description

一种具有混合图案的LED图形优化衬底及LED芯片
技术领域
本发明涉及LED图形化衬底，特别涉及一种具有混合图案的LED图形优化衬底及LED芯片。
背景技术
目前，为了提高GaN基LED的内量子效率和出光效率，LED研究当中已有多种技术被应用。其中包括侧向外延生长技术、表面粗化、纳米压印技术以及金属镜面反射层技术等。近年来，如何利用图形化衬底技术来有效地提高蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，逐渐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。对此，科学家和专业技术人员已经有了多番研究。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。
回顾过往，LED芯片的图形化衬底图案仅限于单一种类图形的规则排布，如单一的圆锥、六棱锥、三棱锥、球形等的矩形或六角排布的图形化衬底。研究内容也仅限于图案的尺寸、间距优化。这极大地局限了人们的思维，限制了图形化衬底技术的发展。
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具有混合图案的LED图形优化衬底及LED芯片，提高了LED芯片的光通量。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种具有混合图案的LED图形优化衬底，衬底的图案由两种以上图案混合排列而成；同一种图案的尺寸、形状相同。
所述图案采用排列矩形。
所述图案采用六角排列方式。
衬底的图案由两种图案混合排列。
在衬底的横向上，同种图案相邻排列；在衬底的纵向上，两种图案交替排列。
在衬底的纵向上，同种图案相邻排列；在衬底的横向上，两种图案交替排列。
一种LED芯片，包括上述具有混合图案的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：
本发明通过采用具有混合图案的LED图形优化衬底，当不同种图案的尺寸大小相差较大时，这种新型的排布方式从一定意义上增加了图形化衬底上的图案的密排程度；当不同种图案的大小相当时，由于相邻的图案所对的面与单一图形衬底中的不同，图案对光的反射关系发生了改变，使得某个或某些面的光通量的到增加，通过调整相应的参数，即可得到更高的LED芯片的光通量，进而得到更加高效的LED芯片。
附图说明
图1为本发明的实施例1的LED芯片的示意图.
图2为本发明的实施例1的具有混合图案的LED图形优化衬底的示意图。
图3为本发明的实施例1的衬底的一种图案的示意图。
图4为本发明的实施例1的衬底的另一种图案的示意图。
图5为本发明的实施例1中的六棱锥-圆锥混合图案LED芯片的总光通量随倾角的变化趋势对比图。
图6为本发明的实施例1中的六棱锥-圆锥混合图案LED芯片的顶底总光通量随倾角α的变化趋势对比图。
图7为本发明的实施例2的具有混合图案的LED图形优化衬底的示意图。
图8为本发明的实施例2的衬底的一种图案的示意图。
图9为本发明的实施例2的衬底的另一种图案的示意图。
图10为本发明的实施例3的具有混合图案的LED图形优化衬底的示意图。
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，由依次排列的具有混合图案的LED图形优化衬底11、N型GaN层12，MQW量子阱层13，P型GaN层14组成。
图2为本实施例的具有混合图案的LED图形优化衬底的示意图，衬底的图案由两种图案混合排列而成；衬底上的图案整体采用六角排列方式，且在衬底的横向上，同种图案相邻排列；在衬底的纵向上，两种图案交替排列。如图2、3所示，其中一种图案为圆锥15，每个圆锥的倾角α1为60°；圆锥的底面半径R1为1.0μm，相邻两圆锥中心的距离d1为1.2μm；如图2、4所示，另一种为正六棱锥16，每个正六棱锥的倾角α2为60°；正六棱锥边长a2为1.0μm；相邻正六棱锥中心的距离为1.2μm。
采用光学分析软件TracePro对正六棱锥-圆锥混合图案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）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α1为30°～70°；所述圆锥的底面圆半径R为1.2μm。
（3）正六棱锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现六棱锥图案的制作：六棱锥的倾角α2为30°～70°；边长为1.2μm。
（4）图案的排列：将图案按照图2的六角方式排列，相邻两圆锥中心的距离d1为1.2μm；相邻正六棱锥中心的距离为1.2μm。
（5）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×0.2μm，均呈长方体状。
（6）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×0.01μm，前、后、左、右靶面尺寸为100μm×104.275μm×0.01μm。
（7）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的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
（8）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。
（9）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。
（10）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5～6所示。
图5为本实施例的LED芯片的总光通量倾角（变化过程中，圆锥的倾角始终等于六棱锥的倾角）的变化趋势对比图。图中的趋势表明，当倾角在55°和35°之间时，混合图案LED芯片的总光通量较高，大于50°之后，随着倾角的增大，总光通量呈现下降趋势。
图6为本实施例的LED芯片的顶底总光通量随倾角的变化趋势对比图。可以发现，当倾角在55～60°时，顶底总光通量出现峰值。
通过上述分析可以初步得出结论，即本实施例的LED芯片在圆锥的倾角始终等于六棱锥的倾角55～60°时效率最高。
实施例2
本实施例的LED芯片的由依次排列的具有混合图案的LED图形优化衬底、N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
图7为本实施例的具有混合图案的LED图形优化衬底的示意图。衬底的图案由两种图案混合排列而成；衬底上的图案整体采用六角排列方式，且在衬底的横向上，同种图案相邻排列；在衬底的纵向上，两种图案交替排列。如图7、8所示，其中一种图案为圆锥26，每个圆锥的倾角α3为65°；圆锥对应的底面圆半径R3为0.6μm；相邻两圆锥中心的距离d3=1.4μm。如图7、9所示，另一种图案为正三棱锥25，每个正三棱锥的倾角α4为65°；正三棱锥边长a4为0.8μm；相邻正三棱锥中心的距离为1.4μm。
采用光学分析软件TracePro对本实施例的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）正三棱锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现正三棱锥图案的制作：正三棱锥的倾角为65°，正三棱锥的底面边长2.0μm。
（3）圆锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现圆锥图案的制作：圆锥的倾角为65°；底面圆半径1.0μm。
（4）图案的排列：将图案按照图7的六角方式排列，相邻两圆锥中心的距离d3=1.4μm；相邻正三棱锥中心的距离为1.4μm。
（5）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×0.2μm，均呈长方体状。
（6）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×0.01μm，前、后、左、右靶面尺寸为100μm×104.275μm×0.01μm。
（7）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的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
（8）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。
（9）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。
（10）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。
测试结果如下：
侧面总光通：3102.53a.u.，顶底总光通4298.5a.u.，六面总光通7401.03a.u.。与无图案的衬底相比，侧面总光通提高了143.9%、顶底总光通提高了173.5%、总光通提高了160.2%；与单种同参数圆锥的图形化衬底相比，顶底总光通量提高了7.1%；与单种同参数三棱锥的图形化衬底相比，侧面总光通量提高了22.46%、六面总光通提高了5.4%。
实施例3
本实施例的LED芯片的由依次排列的具有混合图案的LED图形优化衬底、N型GaN层，MQW量子阱层，P型GaN层组成。
图10为本实施例的具有混合图案的LED图形优化衬底的示意图。衬底的图案由两种图案混合排列而成；衬底上的图案整体采用矩形排列方式，且在衬底的横向上，同种图案相邻排列；在衬底的纵向上，两种图案交替排列。其中一种图案为正三棱锥35，每个正三棱锥的倾角为55°；正三棱锥边长为0.8μm；相邻正三棱锥中心的距离d5为1.6μm；另一种为正六棱锥36，每个正六棱锥的倾角为55°，正六棱锥边长为0.9μm；相邻正六棱锥中心的距离为1.6μm。
采用光学分析软件TracePro对本实施例的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）三棱锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现三棱锥图案的制作：正三棱锥的倾角为55°；正三棱锥边长为0.8μm。
（3）六棱锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现六棱锥图案的制作：每个正六棱锥的倾角为55°，正六棱锥边长为0.9μm。
（4）图案的排列：采用如图10所示矩形排列方式，相邻正三棱锥中心的距离d5为1.6μm；相邻正六棱锥中心的距离为1.6μm。
（5）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×0.2μm，均呈长方体状。
（6）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×0.01μm，前、后、左、右靶面尺寸为100μm×104.275μm×0.01μm。
（7）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的差集功能实现N-GaN层相应图案构建。
（8）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。
（9）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。
（10）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。
测试结果如下：
侧面总光通：2573.69a.u.，顶底总光通4755.2a.u.，六面总光通7328.89a.u.。与无图案的衬底相比，侧面总光通提高了102.3%、顶底总光通提高了202.6%、总光通提高了157.7%；与单种同参数六棱锥的图形化衬底相比，侧面总光通提高了1.3%、六面总光通提高了1.0%；与单种同参数的三棱锥图形化衬底相比，顶面光通量提高了12.6%、4.4%。
上述实施例中的图案还可以采用其他常用的排列方式，如：在衬底的纵向上，同种图案相邻排列；在衬底的横向上，两种图案交替排列；图案还可由采用其他常用的图案，并且不局限于两种图案，均可达到提高侧面总光通、顶底总光通、六面总光通的效果。
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 (7)

1.一种具有混合图案的LED图形优化衬底，其特征在于，衬底的图案由两种以上图案混合排列而成；同一种图案的尺寸、形状相同。
2.根据权利要求1所述的具有混合图案的LED图形优化衬底，其特征在于，所述图案采用排列矩形。
3.根据权利要求1所述的具有混合图案的LED图形优化衬底，其特征在于，所述图案采用六角排列方式。
4.根据权利要求1所述的具有混合图案的LED图形优化衬底，其特征在于，衬底的图案由两种图案混合排列。
5.根据权利要求4所述的具有混合图案的LED图形优化衬底，其特征在于，在衬底的横向上，同种图案相邻排列；在衬底的纵向上，两种图案交替排列。
6.根据权利要求4所述的具有混合图案的LED图形优化衬底，其特征在于，在衬底的纵向上，同种图案相邻排列；在衬底的横向上，两种图案交替排列。
7.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述具有混合图案的LED图形优化衬底。
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