CN202996887U - 一种用于led倒装结构的图形化衬底及led芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于LED倒装结构的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的半球组成，半球的高度与对应半球的底面半径r相等，相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7~1.0倍。本实用新型与现有技术相比，充分发挥半球形图案的出光优势，光通量比正装半球形图形化衬底LED芯片提升了6~11%，加工方便，便于推广。

Description

一种用于LED倒装结构的图形化衬底及LED芯片

技术领域

本实用新型涉及LED芯片，特别涉及一种用于LED倒装结构的图形化衬底及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。

LED芯片的结构包括正装法和倒装法两种。在传统正装结构GaN基LED中，P-GaN层有限的电导率要求在P-GaN层表面再沉淀一电流扩展层(Ni/Au，ITO等)。这个电流扩展层会吸收部分光子，降低芯片的光提取效率。正装LED需要兼顾、平衡电流扩展和透射率，使得器件的性能受到一定的限制。此外，由于不透光的电极触电位于正装LED的出光窗口，对芯片的光提取效率也会产生一定的影响。相比之下，对于倒装结构的LED芯片，若选取光吸收系数较低的衬底作为出光窗口，能很好消除电极对光的阻挡作用。LumlledsLighting公司采用过蓝宝石衬底作为出光窗口，利用蓝宝石光吸收系数极低的优势有效消除了电极对光的阻挡作用。同时作为出光窗口的蓝宝石折射率(l.75)与空气折射率相差较小，不易发生全反射，也有利于提高提取效率。

即便半球形图形化衬底已大幅度提高LED的出光效率，但目前针对半球形图形衬底在LED芯片的应用大多采用正装结构；研究者也缺乏针对半球形图案的参数（包括底面半径和边缘间距）展开系统性的探讨，对半球形图案参数的选取尚未形成一个系统的体系。因此，如何充分发挥半球形图案的出光优势，解决尺寸的优化问题及正、倒装结构的选取问题亟待解决。

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用于LED芯片倒装结构的图形化衬底，其充分利用半球形图案的出光优势，出光效率高于正装半球形图形化衬底LED芯片。本实用新型的另一目的在于提供包括上述用于倒装结构的图形化衬底的LED芯片。

本实用新型的目的通过以下方案实现：

一种用于LED倒装结构的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的半球组成；每个半球的高度与半球的底面半径r相等；相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7~1.0倍。

所述衬底材料的折射率为1.1~2。

所述多个形状相同的半球采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的半球采用六角排列方式。

一种LED芯片，包括如上述的用于LED倒装结构的图形化衬底。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

（1）本实用新型通过对半球形图案的参数（包括底面半径r和边缘间距d）进行LED出光模拟，形成一套关于半球形图案各参数对LED出光效率的影响体系，为实际加工中尺寸的选取提供依据。

（2）本实用新型总结半球形图案的出光优势，制定了一套用于LED倒装结构的图形化衬底半球形图案的尺寸选取原则，与正装半球形图形化衬底LED芯片相比，光通量提升6~11%。

（3）本实用新型选用弱光吸收系数、折射率低的衬底材料作为倒装结构的出光窗口，倒装后无需衬底剥离即可使用，加工方便；并且折射率低的衬底材料还能削弱光的全反射现象，提高LED的出光效率。

（4）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为实施例1的衬底的半球图案采用的排列方式示意图。

图4为实施例1的图形化衬底应用于LED倒装结构的示意图。

图5为实施例2的衬底的半球图案采用的排列方式示意图。

图6为本实用新型的LED芯片的各面光通量随半球的边缘间距变化趋势图。

图7为本实用新型的LED芯片的除去底部光通量的总光通量以及除去顶部光通量的总光通量随半球边缘间距的变化趋势图。

图8为本实用新型的LED芯片各面光通量随半球底面半径变化趋势图。

图9为本实用新型的LED芯片的除去底部光通量的总光通量以及除去顶部光通量的总光通量随半球底面半径的变化趋势图。

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半球18组成；半球的高度与对应半球的底面半径r相等；相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7倍；本实施例中半球的底面半径r为2μm；所述多个形状相同的半球采用如图3所示的六角排列方式。

图4为本实施例图形化衬底应用于LED倒装结构的示意图。图中各层依次为蓝宝石衬底11、N型GaN层12、MQW量子阱层13、P型GaN层14、N电极15、P电极16、封装基板17。

实施例2

本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底材料的折射率为1.1，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的半球组成；半球的高度与对应半球的底面半径r相等；相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.9倍；本实施例中半球的底面半径r为2.8μm；所述多个形状相同的半球采用如图5所示的矩形排列方式。

实施例3

本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底材料的折射率为2，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的半球组成；每个半球的高度与对应半球的底面半径r相等；相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径的1.0倍；本实施例中半球的底面半径r为3.0μm；所述多个形状相同的半球采用矩形排列方式。

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）半球形图案制作：采用TracePro自带的建模功能实现半球形图案的制作，每个半球的高度与对应半球的底面半径r相等，相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7~1.0倍，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：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为LED芯片各面光通量随半球的边缘间距变化趋势图，半球的底面半径r为2.8μm。图中各曲线走势表明：底面半径r为2.8μm的半球形图案衬底LED的侧面光通量大致随边缘间距的增大而增大，而顶部光通量和底部光通量基本随边缘间距的增大而减小，且底部光通量均比顶部光通量多200a.u.左右，说明利用底部出光的半球形图形衬底LED比利用顶部出光的半球形图形衬底LED更具优势。在边缘间距d增大到与底面半径r相等时，虽然底部光通量略有下降，但侧面光通量大幅度提升，两者总和增加。

图7为图6中LED芯片的除去底部光通量的总光通量以及除去顶部光通量的总光通量随半球边缘间距的变化趋势图。除去底部光通量的总光通量、除去顶部光通量的总光通量分别对应正装结构LED、倒装结构LED的总光通量。图中各曲线走势表明：正装结构LED及倒装结构LED的总光通量大致都随边缘间距d的增大而缓慢增加，倒装结构LED的总光通量在边缘间距d为2.8μm处达到峰值，约5350a.u.；正装结构的总光通量在边缘间距d约为2.9μm处达到峰值，约5050a.u.。可以看出，边缘间距d等于半球底面半径时，半球形图形化衬底LED显示了最佳的出光效果，并且边缘间距d在2.0~2.8μm范围内（即边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7~1.0倍），其光效均处于较佳水平。若采用光吸收系数较低的衬底材料（本实施例中采用蓝宝石材料），将上述材料制成的半球形图形化衬底应用于LED倒装结构，与正装结构相比，光通量可提高6~11%。

图8为本实用新型的LED芯片各面光通量随半球底面半径的变化趋势图。图中各曲线走势表明：在确保每个半球的高度与对应半球的底面半径r相等，相邻半球的边缘间距d为半球的底面半径的1.0倍情况下，随着半球底面半径的增大，半球形图形化衬底LED的侧面光通量呈上升趋势，并当底面半径达到3.2μm以后趋于饱和值，约2900a.u.。顶部光通量和底部光通量随底面半径的增加，其变化趋势大致相同，且底部光通量均大于顶部光通量，并在底面半径约2.9μm处均达到峰值（底部光通量约2450a.u.，顶部光通量约2200a.u.）。

图9为本实用新型的LED芯片的除去底部光通量的总光通量以及除去顶部光通量的总光通量随半球底面半径的变化趋势图。除去底部光通量的总光通量、除去顶部光通量的总光通量分别对应正装结构LED、倒装结构LED的总光通量。图中各曲线走势表明：两者随半球底面半径变化的变化趋势相近，均在半球底面r为2.9μm处取得峰值（正装结构LED的总光通量为5061a.u.，倒装结构LED的总光通量为5332a.u.），但倒装结构LED的总光通量比正装结构LED大，光效提高约6~10%，说明半球形图形化衬底更适合应用于倒装结构LED。在半球底面半径为2.8~3.1μm范围内，除去顶部光通量的总光通量均处于较高值，可通过选取不同底面半径来调整边缘间距，避免实际材料外延生长中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，从而提高了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 (5)

1.一种用于LED倒装结构的图形化衬底，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半球组成；每个半球的高度与半球的底面半径r相等；相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7~1.0倍。

2.根据权利要求1所述的用于LED倒装结构的图形化衬底，其特征在于，衬底材料的折射率为1.1~2。

3.根据权利要求1所述的用于LED倒装结构的图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的半球采用矩形排列方式。

4.根据权利要求1所述的用于LED倒装结构的图形化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的半球采用六角排列方式。

5.一种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1~4任一项所述的用于LED倒装结构的图形化衬底。

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