CN204596825U

CN204596825U - 一种弧形三棱锥图形化led衬底及led芯片

Info

Publication number: CN204596825U
Application number: CN201520276231.5U
Authority: CN
Inventors: 李国强; 龚振远; 韩晶磊; 钟立义; 王凯诚; 王海燕; 林志霆
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2025-04-30

Abstract

本实用新型公开了一种弧形三棱锥图形化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三棱锥组成；所述弧形三棱锥组成的任意水平截面为三条边皆为圆弧的类三角形。本实用新型还公开了包含上述弧形三棱锥图形化LED衬底的LED芯片。本实用新型与现有技术相比，具有更优的出光效率，大大增加了可利用的有效光线，提高LED芯片的外量子效率；弧形三棱锥型图形衬底能够在保持提高LED出光效率的前提下，减少对形核的不利影响。

Description

一种弧形三棱锥图形化LED衬底及LED芯片

技术领域

本实用新型涉及LED芯片领域，特别涉及一种弧形三棱锥图形化LED衬底及LED芯片。

背景技术

如今节能已成为了当今时代发展的主题之一，节能已经成为发展的必然趋势。照明用户数量巨大，照明用电量则占总用电量的16％。GaN基的蓝光LED是非常有潜力的绿色节能环保照明器具。LED的出光效率是由内量子效率和外量子效率共同决定的。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。然而GaN具有较高的折射系数(n＝2.45)，光线出射的临界角[θ_c＝sin^-1(n_air/n_GaN)]仅为24.6°，导致LED芯片与空气之间存在严重的全反射现象，外量子效率难以提高。后来针对这一问题提出的改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体、表面粗化等，都在一定程度上提高了LED的外量子效率。而近年来提出的图形化衬底技术能有效地提高蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，成为了目前蓝宝石衬底GaN基LED领域研究的热点。作为图形化衬底技术的关键，衬底图案演变至今，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。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、棱台型等，图形化衬底技术的应用效果已受到认可。

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。衬底的图案是图形化衬底技术的关键，对LED的出光效率起着决定性作用。作为影响光路的直接因素，图案的参数(包括边长、高度和间距等)在选择上势必会影响LED的性能。图案是图形化衬底技术的关键，对LED的出光效率起着决定性的作用。简单的几何形状的图案已经不能满足现在的需要，新型的几何图案需要研究与发现。

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弧形三棱锥图形化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：

一种弧形三棱锥图形化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三棱锥组成；所述弧形三棱锥组成的任意水平截面为三条边皆为圆弧的类三角形。

所述弧形三棱锥的三个侧面为形状相同的三个凸曲面。

所述类三角形的三段圆弧形状相同。

所述弧形三棱锥的底面为底面类三角形，组成底面类三角形的圆弧对应的圆心角均为60°，对应的半径为1.0～3.0μm；弧形三棱锥的高度为0.75～2.00μm。

所述多个形状相同的弧形三棱锥采用矩形或六角排列方式。

相邻弧形三棱锥的中心间距d为3～6μm。

一种LED芯片，包括上述的弧形三棱锥图形化LED衬底。

所述LED芯片包括依次排列的弧形三棱锥图形化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弧形三棱锥图形化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)本实用新型通过弧形三棱锥图形衬底，很大程度上提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力，从而使更多的光线从顶部、底部透射而出，增加了可被完全利用的有效光线，从整体上增强了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率。

(3)本实用新型的弧形三棱锥型图形衬底能够在保持提高LED出光效率的前提下，减少对形核的不利影响。

(4)本实用新型相比于同等参数的三棱锥衬底图案在底部和顶部上有更优的出光效率，因此本实用新型适合用于制作正装或者倒装LED。

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的弧形三棱锥图形化LED衬底的示意图。

图3为本实用新型的实施例1的弧形三棱锥单体的示意图。

图4为本实用新型的实施例1的弧形三棱锥的排列方式示意图。

图5为本实用新型的实施例2的弧形三棱锥的排列方式示意图。

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

如图1所示，本实施例的LED芯片由依次排列的蓝宝石弧形三棱锥图形化LED衬底11、N型GaN层12、MQWs量子阱层13和P型GaN层14组成。

如图2所示，本实施例的弧形三棱锥图形化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三棱锥15组成。如图3所示，所述弧形三棱锥组成的任意水平截面为三条边皆为圆弧的类三角形，三段圆弧形状相同，每段圆弧对应的圆心角均为60°，对应的半径为2.0μm；高度H为1.4μm。所述弧形三棱锥的三个侧面为形状相同的三个凸曲面。所述多个形状相同的弧形三棱锥采用如图4所示的矩形排列方式，相邻弧形三棱锥的中心间距d为4μm。

实施例2

本实施例的LED芯片由依次排列的弧形三棱锥图形化LED衬底、N型GaN层、MQWs量子阱层和P型GaN层组成。

本实施例的弧形三棱锥图形化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三棱锥组成；所述弧形三棱锥组成的任意水平截面为三条边皆为圆弧的类三角形，三段圆弧形状相同，所述圆弧对应的圆心角均为60°，所述圆弧对应的半径为1.0μm；高度为2.00μm。所述弧形三棱锥的三个侧面为形状相同的三个凸曲面。所述多个形状相同的弧形三棱锥采用如图5所示的六角排列方式，相邻弧形三棱锥的中心间距d为3μm。

实施例3

本实施例的弧形三棱锥图形化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三棱锥组成；所述弧形三棱锥组成的任意水平截面为三条边皆为圆弧的类三角形，三段圆弧形状相同，所述圆弧对应的圆心角均为60°，所述圆弧对应的半径为3.0μm；高度为0.75μm。所述弧形三棱锥的三个侧面为形状相同的三个凸曲面。所述多个形状相同的弧形三棱锥采用矩形或六角排列方式，相邻弧形三棱锥的中心间距d为6μm。

实施例4

本实施例的LED芯片的图形衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的弧形三棱锥组成，每个弧形三棱锥的高H为1.5μm；相邻弧形三棱锥底面圆的中心间距d为3.5μm；所述圆弧对应半径为2μm；所述多个形状相同的弧形三棱锥采用六角排列方式。

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)弧形三棱锥图案制作：采用Solidworks的作图功能实现弧形三棱锥图案的制作，弧形三棱锥的高H为0.75～2.00μm；相邻弧形三棱锥的中心间距d为3～6μm；组成底面类三角形的圆弧对应的圆心角均为60°，对应的半径为1.0～3.0μm；圆弧对应的弦与对应的半径相等；三段圆弧对应的弦组成等边三角形；弧形三棱锥呈六角排布，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，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。

测试结果如下：

实施例1：弧形三棱锥衬底LED的顶部光通量为2146.8a.u.，底部光通量为2244.2a.u.，侧面光通量为3123.75a.u.，总光通量为7514.75a.u.。与同等参数的普通三棱锥图案衬底相比，弧形三棱锥图案衬底LED芯片的顶部、底部及侧面光通量分别提升了2.80％、9.92％及4.43％，其总光通量提升了5.53％。

实施例2：弧形三棱锥衬底LED的顶部光通量为1439.9a.u.，底部光通量为1841.4a.u.，侧面光通量为3222.63a.u.，总光通量为6503.93a.u.。与同等参数的三棱锥图案衬底相比，弧形三棱锥图案衬底LED芯片的顶部、底部光通量分别提升了25.22％、6.48％，其总光通量提升了5.03％。

实施例3：弧形三棱锥衬底LED的顶部光通量为1385.4a.u.，底部光通量为1417.1a.u.，侧面光通量为4719.8a.u.，总光通量为7522.3a.u.。与同等参数的三棱锥图案衬底相比，弧形三棱锥图案衬底LED芯片的侧面光通量提升了9.01％，其总光通量提升了1.65％。

实施例4：弧形三棱锥衬底LED的顶部光通量为2372.5a.u.，底部光通量为2366.8a.u.，侧面光通量为2989.39a.u.，总光通量为7728.69a.u.。与同等参数的三棱锥图案衬底相比，弧形三棱锥图案衬底LED芯片的顶部、底部及侧面光通量分别提升了10.70％、8.84％及3.99％，其总光通量提升了7.47％。

可知弧形三棱锥型图案衬底相比于普通的三棱锥图案衬底LED芯片在光提取率有了更进一步的提升，尤其对顶部和底部光通量的优化效果十分显著。

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

1.一种弧形三棱锥图形化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三棱锥组成；所述弧形三棱锥的任意水平截面为三条边皆为圆弧的类三角形。

2.根据权利要求1所述的弧形三棱锥图形化LED衬底，其特征在于，所述弧形三棱锥的三个侧面为形状相同的三个凸曲面。

3.根据权利要求1所述的弧形三棱锥图形化LED衬底，其特征在于，所述类三角形的三段圆弧形状相同。

4.根据权利要求1所述的弧形三棱锥图形化LED衬底，其特征在于，所述弧形三棱锥的底面为底面类三角形，组成底面类三角形的圆弧对应的圆心角均为60°，对应的半径为1.0～3.0μm；弧形三棱锥的高度为0.75～2.00μm。

5.根据权利要求1所述的弧形三棱锥图形化LED衬底，其特征在于，所述多个形状相同的弧形三棱锥采用矩形或六角排列方式。

6.根据权利要求1或5所述的弧形三棱锥图形化LED衬底，其特征在于，相邻弧形三棱锥的中心间距d为3～6μm。

7.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的弧形三棱锥图形化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三棱锥图形化LED衬底、N型GaN层、MQWs量子阱层和P型GaN层。