CN203983323U

CN203983323U - 高性能的led图形优化衬底及led芯片

Info

Publication number: CN203983323U
Application number: CN201420338262.4U
Authority: CN
Inventors: 李国强; 钟立义; 王海燕; 林志霆; 周仕忠; 乔田; 王凯诚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2024-06-23

Abstract

本实用新型公开了高性能的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台组成，每个圆台的高度H为0.5～4μm，上圆半径R_上为0.1～1μm，下圆半径R_下为1～3μm，R_上＜R_下，相邻圆台的边距d为0.2～3μm。本实用新型还公开了上述LED图形优化衬底的制备方法及包含上述LED图形优化衬底的LED芯片。本实用新型通过采用圆台型图形衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力，具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，而且圆台图案有利于形核，有利于外延生长高质量GaN晶体。

Description

高性能的LED图形优化衬底及LED芯片

技术领域

本实用新型涉及LED衬底，特别涉及一种高性能的LED图形优化衬底及LED芯片。

背景技术

发光效率是LED最关键的指标之一，制约发光效率提高的主要因素为器件的外量子效率(出射光子总数与注入器件的电子空穴对数目的比值)。外量子效率为内量子效率(产生光子综述与注入电子空穴对数的比值和光提取率的乘积。目前LED制造技术已十分成熟，内量子效率达到较高的水平，提升的空间相对较小。但受制于芯片与封装介质全反射临界角，芯片材料的吸收，电极阻挡等因素，LED的光提取率仍有较大的提升空间。而近年发展起来的图形衬底技术不仅能通过图案倾斜面改变光线射入方向，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，更多光线能透射而出，从而使外量子效率得以提高；还能使GaN在外延生长时产生横向磊晶效果，从而减小晶体缺陷密度，提高LED的内量子效率。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。

作为影响光路的直接因素，图案形貌及参数(包括半径、高度和间距等)的选择势必会影响图形衬底LED的性能。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，2μm，3μm的图案，与传统蓝宝石衬底相比，发现2μm和3μm间距的蓝宝石图形衬底的结晶质量最好，但150nm间距的图形衬底则显示出更高的外量子效率，为16.39％，传统衬底和2μm，3μm间距的图形衬底则分别为12.59％，14.97％,，15.28％。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芯片的光强及出光率都分别比普通蓝宝石衬底LED提高了67％、38％，同时该光效也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。由此可见，图形尺寸和LED性能的优化还需要进一步研究。

图形衬底技术发展至今，已实现了LED出光效率的大幅度提升，其中以锥体为基本图案的图形衬底LED的光提取效果最佳。然而，以圆锥、棱锥为基本图案的图形衬底，由于图案尖端不利于形核，容易在GaN生长过程中引入大量缺陷，从而降低了GaN的磊晶质量。

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高性能的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。

本实用新型的另一目的在于提供一种LED芯片。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

高性能的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台组成，每个圆台的高度H为0.5～4μm，上圆半径R_上为0.1～1μm，下圆半径R_下为1～3μm，R_上＜R_下，相邻圆台的边距d为0.2～3μm。

所述多个形状相同的圆台采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。

高性能LED芯片，包括上述的高性能的LED图形优化衬底。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型通过圆台型图形衬底，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。

(2)本实用新型具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，而且圆台图案有利于形核，有利于外延生长高质量GaN晶体。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的LED芯片的示意图。

图2为本实用新型的实施例1的LED图形优化衬底的示意图。

图3为本实用新型的实施例1的圆台单体示意图。

图4为本实用新型的实施例1的LED图形优化衬底的图案采用的排列方式示意图。

图5为本实用新型的实施例2的LED图形优化衬底的图案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，由依次排列的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。

圆台型蓝宝石LED图形优化衬底如图2所示，衬底的图案由排列在衬底11表面的多个形状相同的圆台15组成，圆台单体如图3所示；每个圆台的高H为1.2μm；相邻圆台底面圆的边距d为0.7μm；本实施例中圆台对应于圆台的上圆半径R_上为0.5μm，下圆半径R_下为1.4μm；所述多个形状相同的圆台采用如图4所示的矩形排列方式。

对本实施例的LED图形优化衬底进行模拟测试：

采用光学分析软件TracePro对本实用新型的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)圆台图案制作：采用Solidworks的作图功能实现圆台图案的制作，圆台的高H为1.2μm；相邻圆台的边距d为0.7μm；上圆半径R_上为0.5μm，下圆半径R_下为1.4μm；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120m×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。

测试结果如下：

顶部光通量2034.7a.u.，底部光通量2291.2a.u.，侧面光通量2796.1a.u.，总光通量7122a.u.。与无图案衬底相比，圆台型图形衬底LED芯片的顶部、底部及侧面光通量分别提升了2.0、1.6及2.2倍，其总光通量是无图案衬底LED芯片的2.5倍。

本实施例的LED芯片制备过程如下：

采用标准的光刻显影技术及电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术，Cl₂/BCl₃作为刻蚀气体，在蓝宝石(0001)面制备出本实施例的LED图形优化衬底。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在上述图形化衬底上进行LED的外延生长，三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)和氨(NH3)分别作为Ga源、In源和N源，硅烷(SiH₄)和Cp₂Mg分别为n、p型掺杂剂，高纯度H₂和N₂作为载气。生长过程如下：(1)将衬底在H₂的气氛下加热至1050℃，烘烤5分钟后通入N₂进行氮化形核；(2)降温至530℃进行缓冲层生长；(3)升温使缓冲层重新结晶，分别生长2μm非掺杂u-GaN层、4.5μm Si掺杂n-GaN层、10个周期的InGaN/GaN MQWs、20nm Mg掺杂p-AlGaN电子阻挡层、200nm Mg掺杂p-GaN层，以及Mg重掺杂的p++GaN接触层；(4)退火30分钟。

为与本实施例的LED芯片对比，采用相同外延工艺制备平面蓝宝石衬底LED芯片。对比结果如下：

X射线摇摆曲线显示，本实用新型具有优化的圆台型衬底的LED芯片晶体质量显著改善，GaN(0002)、(10-12)半峰宽分别为223arcsec和247arcsec，比平面蓝宝石衬底LED芯片分别降低10arcsec和12arcsec，表明了本测试例中的LED外延层具有较好的晶体质量。

电致发光光谱显示，本实用新型具有大小不同混合双图案的LED芯片的发光波长为446nm，半峰宽为19.3nm，在20mA的注入电流下，光功率为12.3mW，比平面蓝宝石衬底LED芯片的光功率提高2.6mW，发光效果优异。

实施例2

本实施例的LED芯片由依次排列的LED图形优化衬底、N型GaN层，MQWs量子阱层，P型GaN层组成。

圆台型蓝宝石LED图形优化衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成；每个圆台的高H为1.2μm；相邻圆台底面圆的边距d为0.8μm；本实施例中圆台对应于圆台的上圆半径R_上为0.5μm，下圆半径R_下为1.3μm；所述多个形状相同的圆台采用如图5所示的六角排列方式。

对本实施例的LED图形优化衬底进行模拟测试：

(2)圆台图案制作：采用Solidworks的作图功能实现圆台图案的制作，每个圆台的高H为1.2μm；相邻圆台底面圆的边距d为0.8μm；本实施例中圆台对应于圆台的上圆半径R_上为0.5μm，下圆半径R_下为1.3μm；所述多个形状相同的圆台六角排列方式。

测试结果如下：

顶部光通量2097.5a.u.，底部光通量2243.9a.u.，侧面光通量3406.9a.u.，总光通量7948.3a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升1.85倍，底部光通量提升1.73倍，侧面光通量提升1.32倍，总光通量提升1.57倍。

实施例3

圆台型蓝宝石LED图形优化衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成；每个圆台的高度H为4μm，上圆半径R_上为0.1μm，下圆半径R_下为1μm，相邻圆台的边距d为0.2μm；所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。

测试结果如下：

顶部光通量1987.3a.u.，底部光通量2133.0a.u.，侧面光通量3120.2a.u.，总光通量7240.5a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升1.86倍，底部光通量提升1.43倍，侧面光通量提升1.45倍，总光通量提升1.54倍。

实施例4

圆台型蓝宝石LED图形优化衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成；每个圆台的高度H为0.5μm，上圆半径R_上为1μm，下圆半径R_下为3μm，相邻圆台的边距d为3μm；所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。

测试结果如下：

顶部光通量1792.5a.u.，底部光通量2062.1a.u.，侧面光通量3106.4a.u.，总光通量6961a.u.。与无图案衬底相比，顶部光通量提升1.58倍，底部光通量提升1.35倍，侧面光通量提升1.44倍，总光通量提升1.44倍。

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.高性能的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台组成，每个圆台的高度H为0.5～4μm，上圆半径R_上为0.1～1μm，下圆半径R_下为1～3μm，R_上＜R_下，相邻圆台的边距d为0.2～3μm。

2.根据权利要求1所述的高性能的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆台采用矩形排列方式。

3.根据权利要求1所述的高性能的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。

4.高性能LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1～3任一项所述的高性能的LED图形优化衬底。