CN104465927B - 一种圆锥簇型图案的led图形优化衬底及led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆锥簇型图案的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簇组成；所述圆锥簇由一个大圆锥、多个中圆锥及多个小圆锥组成；所述多个中圆锥围绕大圆锥排列成一圈，形成中圆锥圈；所述多个小圆锥围绕中圆锥圈排列成一圈，形成小圆锥圈。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，圆锥簇增加了反射面积，对底部出光有明显的增益效果，特别适合用于覆晶封装；实际加工容易获得目标图案，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及LED图形优化衬底，特别涉及一种圆锥簇型图案的LED图形优化衬底及LED芯片。
背景技术
GaN基LED具有亮度高、能耗低、寿命长等优点，被广泛应用于全彩显示器和通用照明等领域。然而，目前的GaN基LED制备技术并不能发挥出其全部潜力，一般商用LED的功效约为130lm/W，远低于LED理论上最大的功效360lm/W。限制LED功效提升的因素主要涉及到两方面，即是LED的内量子效率与光提取率。一方面，GaN外延层与蓝宝石外延衬底之间存在约16％的晶格失配度和约26％的热膨胀系数失配度，使得平面蓝宝石衬底上GaN外延层内存在高达108～1010cm-2的位错密度，致使LED的内量子效率不高。另一方面，蓝宝石衬底、GaN层与空气的折射率之间分别为1.7、2.5与1.0，差异巨大，使得LED表面的光子逃逸角仅为23°，大大降低了光提取率。
为了改善这两方面的问题，许多新技术被提出并且快速地应用到LED的制备中。这些技术包括了低温缓冲层技术、横向外延生长技术、表面粗化、图形化衬底技术和纳米压印技术等等。近年来，图形化衬底技术因为对LED具有双重增益作用而受到了广泛关注，成为了该领域的研究热点。图形化衬底技术可以使得衬底上的GaN外延出现横向外延的效果，减少了晶体缺陷，提高了内量子效率。同时，衬底上的的微图案能够通过散射来改变光线传播路径，使光在空气界面的入射角变小(小于全反射临界角)，使得有更多光线能透射而出，从而提高了光提取率。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、棱台形等，图形衬底技术的应用效果已受到认可。
目前，图形化衬底的发展有两种趋势。一种趋势是增大图案尺寸，并赋予图案一些形状上的特殊设计，而另一种趋势是减小图案的尺寸直至纳米级别。Y.K.Su等人通过对图形衬底上图案间距的研究，结合ICP工艺、传统光刻技术和纳米压印技术，在蓝宝石衬底上制作间距分别为150nm、2um和3um的图案。与传统蓝宝石衬底相比，150nm间距的图形衬底显示出更高的外量子效率，达到16.39％的水平。R.Hsueh等人用纳米压印技术制备出直径、间隔及深度分别为240nm、450nm、165nm的圆孔图案，在该图形衬底上制备出的LED芯片的光强及光提取率分别比普通蓝宝石衬底LED提高了67％和38％，该光效提升效果优于微米级图形衬底LED。然而，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，产业化困难，大大限制了纳米级图形衬底LED芯片的推广与应用。
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圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力。
本发明的另一目的在于提供包含上述圆锥簇型图案的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：
一种圆锥簇型图案的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簇组成；
所述圆锥簇由一个大圆锥、多个中圆锥及多个小圆锥组成；所述多个中圆锥围绕大圆锥排列成一圈，形成中圆锥圈；所述多个小圆锥围绕中圆锥圈排列成一圈，形成小圆锥圈；
每个大圆锥的高度HL为1.0～2.0μm，底面半径RL为0.6～1.2μm；
每个中圆锥的高度HM为0.75～1.25μm，底面半径RM为0.25～0.5μm；
每个小圆锥的高度HS为0.3～0.67μm，底面半径RS为0.15～0.4μm；
相邻圆锥簇的边距d为1～4μm。
所述多个形状相同的圆锥簇采用矩形排列方式。
所述多个形状相同的圆锥簇采用六角排列方式。
所述多个形状相同的圆锥簇采用圆形排列方式。
所述多个形状相同的圆锥簇采用菱形排列方式。
一种LED芯片，包括上述的圆锥簇型图案的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：
(1)本发明通过圆锥簇型图形衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力，从而使更多光线反射至芯片顶、底部，大大增加了可被完全利用的有效光线，增强图形化蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，从而提高LED的外量子效率。相比普通的无图案衬底LED，总光通量增大到2.56倍，顶部光通量增大到2.48倍，底部光通量增大到2.77倍。
(2)本发明具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，而且圆锥簇增加了反射面积，对底部出光有明显的增益效果，特别适合用于覆晶封装。
(3)本发明中的圆锥簇型图形衬底工艺流程上不需要二次刻蚀，较其他复杂图案衬底而言，大大降低了加工难度。
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的圆锥簇的示意图。
图3为本发明的实施例1的圆锥簇的排列示意图。
图4为本发明的实施例2的圆锥簇的排列示意图。
图5为本发明的实施例3的圆锥簇的排列示意图。
图6为本发明的实施例4的圆锥簇的排列示意图。
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，由依次排列的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底11、N型GaN层12，MQWs量子阱层13，P型GaN层14组成。
如图2所示，本实施例的衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥簇组成，排列方式为矩形排列。如图3所示，每个圆锥簇由一个大圆锥、多个中圆锥及多个小圆锥组成；所述多个中圆锥围绕大圆锥排列成一圈，形成中圆锥圈；所述多个小圆锥围绕中圆锥圈排列成一圈，形成小圆锥圈；每个大圆锥的高度HL为2.0μm，底面半径RL为1.2μm；每个中圆锥的高度HM为1.25μm，底面半径RM为0.5μm；每个小圆锥的高度HS为0.67μm,底面半径RS为0.4μm；相邻圆锥簇的边距d为3μm。
实施例2
本实施例的LED芯片由依次排列的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底、N型GaN层，MQWs量子阱层，P型GaN层组成。
如图4所示，本实施例的衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥簇组成，排列方式为六角排列。每个圆锥簇由一个大圆锥、多个中圆锥及多个小圆锥组成；所述多个中圆锥围绕大圆锥排列成一圈，形成中圆锥圈；所述多个小圆锥围绕中圆锥圈排列成一圈，形成小圆锥圈；每个大圆锥的高度HL为1.0μm，底面半径RL为0.6μm；每个中圆锥的高度HM为0.75μm，底面半径RM为0.25μm；每个小圆锥的高度HS为0.3μm,底面半径RS为0.15μm；相邻圆锥簇的边距d为1μm。
实施例3
本实施例除以下特征之外，其余特征与实施例1同。
本实施例的多个形状相同的圆锥簇采用如图5所示的菱形排列方式。
实施例4
本实施例除以下特征之外，其余特征与实施例1同。
本实施例的多个形状相同的圆锥簇采用如图6所示的圆形排列方式。
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)圆锥簇图案制作：采用Solidworks的作图功能实现圆锥簇图案的制作：圆锥簇的每个大圆锥的高度HL为1.0～2.0μm，底面半径为RL0.6～1.2μm；每个中圆锥的高度HM为0.75～1.25μm,底面半径RM为0.25～0.5μm；每个小圆的高度HS为0.3～0.67μm,底面半径RS为0.15～0.4μm,相邻圆锥簇的边距d为1～4μm。呈六角排布，或呈矩形排布、圆形排布、菱形排布。
(3)外延层构建：采用TracePro自带的建模功能实现n型GaN层、MQWs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×50nm，p型GaN层尺寸为120μm×120μm×3μm。
(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×120μm×3μm，左、右靶面(相对芯片的短边)尺寸为120μm×120μm×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、MQWs量子阱、p型GaN材质折射率均为2.45，四者均针对波长为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，其特征在于：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。
实施例1的测试结果如下：
顶部光通量1827.4a.u.，底部光通量2477.5a.u.，侧面光通量4304.9a.u.，总光通量7945.94a.u.。与无图案衬底相比，圆锥簇型图形衬底LED芯片的顶部、底部及侧面光通量分别提升了1.48、1.77及1.48倍，其总光通量提升1.56倍。
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 (6)
1.一种圆锥簇型图案的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簇组成；
所述圆锥簇由一个大圆锥、多个中圆锥及多个小圆锥组成；所述多个中圆锥围绕大圆锥排列成一圈，形成中圆锥圈；所述多个小圆锥围绕中圆锥圈排列成一圈，形成小圆锥圈；
每个大圆锥的高度HL为1.0～2.0μm，底面半径RL为0.6～1.2μm；
每个中圆锥的高度HM为0.75～1.25μm，底面半径RM为0.25～0.5μm；
每个小圆锥的高度HS为0.3～0.67μm，底面半径RS为0.15～0.4μm；
相邻圆锥簇的边距d为1～4μm，d指的是两个相邻圆锥簇最外边缘之间的最小距离。
2.根据权利要求1所述的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆锥簇采用矩形排列方式。
3.根据权利要求1所述的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆锥簇采用六角排列方式。
4.根据权利要求1所述的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆锥簇采用圆形排列方式。
5.根据权利要求1所述的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆锥簇采用菱形排列方式。
6.一种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底。
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