CN202616280U

CN202616280U - 一种led芯片的图形化衬底及led芯片

Info

Publication number: CN202616280U
Application number: CN 201220244837
Authority: CN
Inventors: 李国强; 王海燕; 周仕忠; 林志霆
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2022-05-28

Abstract

本实用新型公开了一种LED芯片的图形化衬底及LED芯片，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的75%~85%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的30~50%。本实用新型与现有技术相比，具有比同底面圆半径的半球形衬底图案更优的出光效率，实际加工更简单，便于推广应用。

Description

一种LED芯片的图形化衬底及LED芯片

技术领域

本实用新型涉及LED芯片，特别涉及一种LED芯片的图形化衬底及LED芯片。

背景技术

图形化衬底技术是近来蓝宝石衬底GaN基LED领域研究的热点。其图案演变至今，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，从槽型、锥形、棱台型到目前应用较多的半球形，图形衬底技术的应用效果已受到认可。研究表明：没有尖角的半球形图案，能较大限度地减小应力，降低缺陷；另外，半球体的密排布对侧向磊晶更明显，磊晶质量会显著提高；在提高光提取率方面，半球面相对于其他几种图案的多平面体结构来说，对光的发散能力更强。

作为影响光路的直接因素，图案的参数（包括半径、高度和间距等）在选择上势必会影响LED的性能。D.S.Wuu等人在图案深度不同的蓝宝石衬底（基本图案为直径3μm的圆孔，深度由0.5μm至1.5μm等间距增大）上采用MOCVD法生长GaN并制成芯片，对其进行光学测试，发现以最大深度的图形蓝宝石衬底制得的GaN基LED最为理想，其外量子效率达到14.1%，光强比普通LED提高约63%。R.Hsueh等人用纳米压印技术制备出直径240nm，间隔450nm，深165nm的圆孔图案，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。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，但在图案设计方面，自半球形图案出现至今，研究人员还没能制备出更具出光优势的新图案；而图案尺寸的优化问题上，解决尺寸缩小与其对GaN生长质量造成破坏间的权衡，在提高出光效率的前提下保证更好的磊晶质量，做到真正意义上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，设计新的图形衬底图案及确定最优化参数亟待解决。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种LED芯片的图形化衬底，其出光效率优于当前广泛采用的半球形图案。本实用新型的另一目的在于提供包括上述图形化衬底的LED芯片。

本实用新型的目的通过以下方案实现：

一种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球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的75%~85%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的30~50%。

所述多个形状相同的球冠采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的球冠采用六角排列方式。

一种LED芯片，包括上述LED芯片的图形化衬底。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

（1）本实用新型通过采用球冠形图案衬底及优化的图案参数，使更多入射角小于全反射临界角的光线射出，从而增加光散射几率，增强轴向光出光效率，相比一般的半球形图案，总光通量提升10%～14%，顶部光通量提升20～24%。

（2）本实用新型具有比同底面圆半径的半球形衬底图案更优的出光效率，高度较同底面圆半径的半球形衬底图案小，实际加工更简单，便于推广应用。

（3）本实用新型采用优化的图案参数，避免边缘间距太大或太小造成的磊晶缺陷，进一步改善了磊晶质量，从而提高了LED的内量子效率。

附图说明

图1为实施例1的LED芯片的示意图。

图2为实施例1的LED芯片的图形化衬底的示意图。

图3为衬底的球冠图案改变光路示意图。

图4为实施例1的衬底的球冠图案采用的排列方式示意图。

图5为实施例2的衬底的球冠图案采用的排列方式示意图。

图6是本实用新型的LED芯片的总光通随球冠的高度h的变化趋势图。

图7为本实用新型的LED芯片的顶部光通量随球冠底面半径r的变化趋势图。

图8为本实用新型的LED芯片的总光通量随球冠底面半径r的变化趋势图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型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球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的75%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的30%；本实施例中球冠对应的球体的半径R为2μm；所述多个形状相同的球冠采用如图3所示的矩形排列方式。

图4为本实施例的衬底的球冠图案改变光路示意图。图中各层依次为蓝宝石衬底11、N型GaN层12、量子阱层13、P型GaN层14。I₁、I₂为入射光线，I₁'为I₁经过半球面（实线）的反射光线，I₂'为I₂经过球冠面（虚线）的反射光线，α₁、β₁分别为I₂'、I₁'到达P型GaN层上表面的入射角，I₂″′、I₁″′分别为I₂'、I₁'经过P型GaN层上表面的反射光线，I₂″、I₁″分别为I₂'、I₁'经过P-GaN上表面的折射光线，α₂、β₂为折射角。如图所示，对于一束从MQW量子阱层射出的光线I₁（仅考虑射出顶部的部分），射到球冠上的入射角大于相同底部圆半径的半球形图案的情形，使反射到P型GaN层和空气界面处的光线I₂'入射角更小，即α₁＜β₁，因此有更多入射角小于全反射临界角的光线射出，大大提高顶部出光率。

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球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的85%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的50%；本实施例中球冠对应的球体的半径R为3.5μm；所述多个形状相同的球冠采用如图5所示的六角排列方式。

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球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的80%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的40%；本实施例中球冠对应的球体的半径R为3μm；所述多个形状相同的球冠采用六角排列方式。

测试例：

采用光学分析软件TracePro对本实用新型的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600μm×250μm×100μm，呈长方体状。

（2）球冠形图案制作：采用TracePro自带的建模功能实现球冠形图案的制作，其特征在于：球冠形图案的高度为所截取半球半径的75%~85%，边缘间距为底面圆半径的50%，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、MQW量子阱层、P型GaN层的制作，N型GaN层尺寸为600μm×250μm×4μm，MQW量子阱层尺寸为600μm×250μm×50nm，P型GaN层尺寸为600μm×250μm×3μm，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600μm×250μm×3μm，前、后靶面（相对芯片的长边）尺寸为600μm×104.41μm×3μm，左、右靶面（相对芯片的短边）尺寸为250μm×104.41μm×3μm。

（5）N型GaN层与图形衬底接触面相应图案构建：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，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。

测试结果如图6~8所示。

图6是本实用新型的LED芯片的总光通随球冠的高度变化趋势图。图中各曲线走势表明：由同一半径半球截取而得的球冠图案衬底LED的总光通量随截取高度的增大，先增大后缓慢减小，在截取比为75%～85%范围内出现极大值。

图7为本实用新型的LED芯片的顶部光通量随球冠底面半径r的变化趋势图，表明随着球冠底面半径r的增大，LED芯片的顶部光通量呈波动上升趋势，数据表明在半径为2～3.5μm范围内的球冠形衬底LED的最大顶部光通量为5429a.u.，而最小的顶部光通量为5257a.u.，两者差距仅为172a.u.，说明球冠形衬底LED的顶部光通量基本保持稳定。

图8为LED芯片的总光通量随球冠底面半径r的变化趋势图，表明随着球冠底面半径的增大，球冠形图形化衬底LED的总光通量呈波动上升趋势。数据表明在半径为2～3.5μm范围内的球冠形衬底LED的最大总光通量为7691a.u.，而最小的顶部光通量为7555a.u.，两者差距较小，说明球冠底面半径的变化对球冠形衬底LED的总光通量所产生的影响不明显，总光通量基本保持稳定。这为LED外延层磊晶提供了多选择性，可避免边缘间距太大或太小造成的磊晶缺陷，进一步改善磊晶质量，从而提高LED的内量子效率。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种LED芯片的图形化衬底，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球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的75%~85%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的30~50%。

2.根据权利要求1所述的LED芯片的图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的球冠采用矩形排列方式。

3.根据权利要求1所述的LED芯片的图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的球冠采用六角排列方式。

4.一种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1所述的LED芯片的图形化衬底。