CN104810443A - 一种弧形六角星锥图形化led衬底及led芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弧形六角星锥图形化LED衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的弧形六角星锥组成；所述弧形六角星锥的任意水平截面皆为弧形六角星；所述弧形六角星为由六段圆弧首尾相接围成的封闭图形。本发明还公开了包括弧形六角星锥图形化LED衬底。本发明大大提高了LED的出光效率，从而提高LED的外量子效率。

Description

一种弧形六角星锥图形化LED衬底及LED芯片
技术领域
本发明涉及LED芯片领域，特别涉及一种弧形六角星锥图形化LED衬底及LED芯片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是高效的环保的照明器具之一。LED的出光效率取决于内量子效率和光提取率。由于目前LED的制造技术较为成熟，其内量子效率已经达到了较高的水平，相对提升的空间较小。但是由于GaN外延层与蓝宝石衬底的折射率差异大限制了光提取率导致了LED的出光效率低，因此对LED光提取率的提升将有助于提高LED的出光效率。
近年来提出的图形化衬底技术能够有效地提高蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率。衬底图案是图形化衬底技术的关键，一方面，光线通过图案散射/反射改变光的轨迹，使得光线在界面出射的入射角能够小于全反射临界角然后透射而出，提高光提取率；另一方面，图案还可以使后续的GaN生长出现侧向磊晶的效果，减少晶体缺陷，提高晶体质量，从而提高内量子效率。随着技术的发展，图案的设计已几番更新，图案的设计已经从最初的槽型到六角形、锥形、棱台形等，图形化衬底技术的应用效果已经受到认可。
因此图形化衬底技术的关键便是衬底的图案，对LED的出光效率起着决定性的作用。目前，图形化衬底的图案只是具有简单几何形状的几何图形例如六棱锥等，这虽然能够使出光效率得到一定程度上的提高，但是随着科技的进步与人们对照明的需求的提高，简单几何形状的图案已经不能满足人们的需要了。
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弧形六角星锥图形化LED衬底，大大提高了LED的出光效率，从而提高LED的外量子效率。
本发明的另一目的在于提供一种LED芯片。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种弧形六角星锥图形化LED衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的弧形六角星锥组成；所述弧形六角星锥的任意水平截面皆为弧形六角星；所述弧形六角星为由六段圆弧首尾相接围成的封闭图形。
所述弧形六角星锥的六个侧面为形状相同的六个凹曲面。
所述六段圆弧形状相同；每段圆弧所对应的圆心角为32.25°。
所述弧形六角星锥的底面的外接圆半径R为0.5～2μm；所述弧形六角星锥的高度H为1.0～1.5μm。
所述多个形状相同的弧形六角星锥采用矩形或六角排列方式。
相邻弧形六角星锥的中心间距d为4～6μm。
一种LED芯片，包括上述的弧形六角星锥图形化LED衬底。
所述LED芯片包括依次排列的弧形六角星锥图形化LED衬底、N型GaN层、MQWs量子阱层和P型GaN层
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过采用弧形六角星锥图形化LED衬底,侧面为曲面，可以让光线的入射角小于全反射角，有利于让更多地光线透射而出，对LED的出光效率的提高有着更明显的效果。
(2)本发明通过弧形六角星锥型图形衬底，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2.4～2.6倍，顶部光通量增大到2.9～3.1倍，底部光通量增大到2.5～2.7倍。
(3)本发明的弧形六角星锥图形化LED衬底，有利于形核，有利于外延生长高质量GaN晶体。
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的弧形六角星锥图形化LED衬底的示意图。
图3为本发明的实施例1的弧形六角星锥单体的示意图。
图4为本发明的实施例1的弧形六角星锥采用的排列方式示意图。
图5为本发明的实施例2的弧形六角星锥采用的排列方式示意图。
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
如图1所示，本实施例的LED芯片由依次排列的蓝宝石弧形六角星锥图形化LED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，本实施例的弧形六角星锥图形化LED衬底11，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的弧形六角星锥15组成。如图3所示，所述弧形六角星锥的任意水平截面皆为弧形六角星；所述弧形六角星为由六段圆弧首尾相接围成的封闭图形；所述六段圆弧形状相同；每段圆弧对应的圆心角为32.25°。所述弧形六角星锥的六个侧面为形状相同的六个凹曲面；底面的外接圆半径R为1.0μm；高度H为1.4μm。所述多个形状相同的弧形六角星锥采用如图4所示的矩形排列方式，相邻弧形六角星锥的中心间距d为4μm。
实施例2
本实施例的弧形六角星锥图形化LED衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的弧形六角星锥组成。所述弧形六角星锥的任意水平截面皆为弧形六角星；所述弧形六角星为由六段圆弧首尾相接围成的封闭图形；所述六段圆弧形状相同；每段圆弧的圆心角均为32.25°。所述弧形六角星锥的六个侧面为形状相同的六个凹曲面；底面的外接圆半径R为0.5μm；高度H为1.5μm。所述多个形状相同的弧形六角星锥采用如图5所示的六边形排列方式，相邻弧形六角星锥的中心间距d为4μm。
实施例3
本实施例的弧形六角星锥图形化LED衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的弧形六角星锥组成。所述弧形六角星锥的任意水平截面皆为弧形六角星；所述弧形六角星为由六段圆弧首尾相接围成的封闭图形；所述六段圆弧形状相同；每段圆弧的圆心角均为32.25°。所述弧形六角星锥的六个侧面为形状相同的六个凹曲面；底面的外接圆半径R为2μm；高度H为1.0μm。所述多个形状相同的弧形六角星锥采用六边形排列方式，相邻弧形六角星锥的中心间距d为6μm。
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)弧形六角形锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现弧形六角星锥图案的制作，弧形六角星锥的高度H为1.0～1.4μm，弧形六角星锥外接圆半径为0.8～1.2μm，相邻的弧形六角星锥的中心间距d为4.0～6.0μm；呈六角排布，或呈矩形排布。
(3)外延层构建：采用TracePro自带的建模功能实现n型GaN层、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，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1～3的测试结果如下：
实施例1：顶部通光量2173.a.u.，底部通光量2218.9a.u.，侧面通过光亮3018.9a.u.，总光通量7410.77a.u.。与最优六棱锥图案图形化衬底的光通量相比，弧形六角星锥衬底LED芯片总光通量提高了0.15％。
实施例2：顶部通光量2171.a.u.，底部通光量2246.9a.u.，侧面通过光亮3018.87a.u.，总光通量7436.57a.u.。与最优六棱锥图案图形化衬底的光通量相比，弧形六角星锥衬底LED芯片总光通量提高了0.51％.
实施例3：顶部通光量1565.1.a.u.，底部通光量1583.3a.u.，侧面通过光亮4627.2a.u.，总光通量7775.6a.u.。与最优六棱锥图案图形化衬底的光通量相比，弧形六角星锥衬底LED芯片总光通量提高了5.05％。
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 (8)

1.一种弧形六角星锥图形化LED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弧形六角星锥组成；所述弧形六角星锥的任意水平截面皆为弧形六角星；所述弧形六角星为由六段圆弧首尾相接围成的封闭图形。
2.根据权利要求1所述的弧形六角星锥图形化LED衬底，其特征在于，所述弧形六角星锥的六个侧面为形状相同的六个凹曲面。
3.根据权利要求1所述的弧形六角星锥图形化LED衬底，其特征在于，所述六段圆弧形状相同；每段圆弧所对应的圆心角为32.25°。
4.根据权利要求1所述的弧形六角星锥图形化LED衬底，其特征在于，所述弧形六角星锥的底面的外接圆半径R为0.5～2μm；所述弧形六角星锥的高度H为1.0～1.5μm。
5.根据权利要求1所述的弧形六角星锥图形化LED衬底，其特征在于，所述多个形状相同的弧形六角星锥采用矩形或六角排列方式。
6.根据权利要求1或5所述的弧形六角星锥图形化LED衬底，其特征在于，相邻弧形六角星锥的中心间距d为4～6μm。
7.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的弧形六角星锥图形化LED衬底。
8.根据权利要求7所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括依次排列的弧形六角星锥图形化LED衬底、N型GaN层、MQWs量子阱层和P型GaN层。
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