一種塔狀圖案的圖形化led襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種塔狀圖案的圖形化LED襯底，襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的塔狀圖案組成；所述塔狀圖案為由m個帶內(nèi)凹的圓臺和一個圓錐組成的一體結(jié)構(gòu)；所述m個帶內(nèi)凹的圓臺按由大到小的順序由下至上依次排列；第i帶內(nèi)凹的圓臺的頂部設(shè)有第i圓柱狀的內(nèi)凹；令第i帶內(nèi)凹的圓臺所對應(yīng)的圓臺為第i圓臺；令第i圓柱狀的內(nèi)凹所對應(yīng)的圓柱為第i圓柱；則第i圓臺的上底面即為第i圓柱的上底面；第i圓柱的下底面即為第i+1圓臺的下底面；第m圓柱的下底面即為圓錐的底面；第i圓柱的高度hi.>0。本發(fā)明增加了折射反射面，光強(qiáng)和出光效率與相同尺寸的普通圓錐型圖形化襯底相比均有不同程度的提高，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】—種塔狀圖案的圖形化LED襯底及LED芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖形化LED襯底，特別涉及一種塔狀圖案的圖形化LED襯底及LED芯片。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，為了提高GaN基LED的內(nèi)量子效率和出光效率，諸多新技術(shù)被應(yīng)用，其中包括側(cè)向外延生長技術(shù)、表面粗化、圖形化襯底技術(shù)以及金屬鏡面反射層技術(shù)等。近年來，如何利用圖形化襯底技術(shù)來有效地提高藍(lán)寶石襯底GaN基LED的出光效率，逐漸成為了目前藍(lán)寶石襯底GaN基LED領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。作為圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵，襯底圖案演變至今，對LED光提取效果和外延質(zhì)量改善顯著，已成為提高LED性能的重要途徑。
[0003]襯底圖案對LED光學(xué)性能的提高體現(xiàn)為兩方面:一方面，圖案通過散射/反射改變光的軌跡，使光在空氣界面出射的入射角變小(小于全反射臨界角)，從而透射而出，提高光的提取率；另一方面，圖案還可以使得后續(xù)的GaN生長出現(xiàn)側(cè)向磊晶的效果，減少晶體缺陷，提高內(nèi)量子效率。為滿足器件性能的要求，圖案的設(shè)計已幾番更新，從最初的槽形到六角形、錐形、棱臺型等，圖形化襯底技術(shù)的應(yīng)用效果已受到認(rèn)可。
[0004]襯底的圖案是圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵，對LED的出光效率起著決定性作用。對此，科學(xué)家和專業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)有了多番研究。S.Suihkonen等人的實驗證明:具有較大高度的六角形圖案不僅增強(qiáng)了對光線的反射、散射作用，而且相對復(fù)雜的圖形分布更有利于側(cè)向外延，提高磊晶質(zhì)量。具有尖錐狀凸起結(jié)構(gòu)的錐形圖案也是如此，圖案高度一般為I?2μπι，間隔為2?3μ--，底寬為2?3μ m，其斜角對LED的出光有較大的影響。R.Hsueh等人用納米壓印技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備納米級的襯底圖案，該襯底制造出的LED芯片的光強(qiáng)和出光率都高于普通藍(lán)寶石襯底LED，分別提高了 67%和38%，也優(yōu)于微米級圖形襯底LED。然而，根據(jù)實際使用的情況來看圖形尺寸并非越小越好，圖形尺寸和LED性能間的關(guān)系仍然需要權(quán)衡。研究表明:隨著圖案間距的減小，在GaN和藍(lán)寶石界面易出現(xiàn)由于GaN生長來不及愈合而產(chǎn)生的空洞，并造成外延層更多的位錯，即使光提取效率有所提升，但外延層位錯的增加會降低LED芯片壽命。另外，納米級圖案制造成本高，產(chǎn)業(yè)化比較困難，也大大限制了其推廣應(yīng)用。
[0005]目前，圖形化襯底圖案僅限于單種圖案的簡單線陣排列或六角排列。這雖然能夠使得出光率得到一定程度的提高，但是隨著科技的進(jìn)步和人們對照明工具要求的不斷提高，它們已經(jīng)不能夠完全滿足人們的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種塔狀圖案的圖形化LED襯底，增加了折射反射面，使得光強(qiáng)和出光效率與相同尺寸的普通圓錐型圖形化襯底相比均有不同程度的提高，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種包含上述塔狀圖案的圖形化LED襯底的LED芯片。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種塔狀圖案的圖形化LED襯底，襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的塔狀圖案組成；
[0010]所述塔狀圖案為由m個帶內(nèi)凹的圓臺和一個圓錐組成的一體結(jié)構(gòu)；m彡I ;
[0011]所述m個帶內(nèi)凹的圓臺按由大到小的順序由下至上依次排列；
[0012]其中，第i帶內(nèi)凹的圓臺的頂部設(shè)有第i圓柱狀的內(nèi)凹；
[0013]令第i帶內(nèi)凹的圓臺所對應(yīng)的圓臺為第i圓臺；令第i圓柱狀的內(nèi)凹所對應(yīng)的圓柱為第i圓柱；
[0014]則第i圓臺的上底面即為第i圓柱的上底面；第i圓柱的下底面即為第i+Ι圓臺的下底面；第m圓柱的下底面即為圓錐的底面；1 < i < m ;
[0015]第i圓柱的高度Ii1.>0。
[0016]所述塔狀圖案的高度H為0.5?2μπι，底面半徑R為0.5?3 μ m。
[0017]所述多個形狀相同的塔狀圖案采用矩形排列方式。
[0018]所述多個形狀相同的塔狀圖案采用菱形排列方式。
[0019]所述多個形狀相同的塔狀圖案采用圓形排列方式。
[0020]所述多個形狀相同的塔狀圖案采用六角排列方式。
[0021]一種LED芯片，包括上述的塔狀圖案的圖形化LED襯底。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0023]本發(fā)明提供了一種新型的復(fù)合構(gòu)型的塔狀LED圖形化襯底，突破了原有的普通圓錐型圖形化襯底圖案的思維局限，增加了折射反射面，使得光強(qiáng)和出光效率大大提高；與無圖案的圖形化襯底相比，頂部光通可提高2.70倍左右，底部光通可提高2.43倍左右，側(cè)面光通可提高2.65倍左右，總光通量可提高2.60倍左右；與相同尺寸的簡單圓錐型圖形化襯底相比，頂部光通量可提高1.17倍左右，底部光通量可提高1.27左右，具有廣泛的應(yīng)用前旦
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的實施例1的LED芯片的示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明的實施例1的塔狀圖案的示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明的實施例1的塔狀圖案的排列示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明的實施例2的塔狀圖案的排列示意圖。
[0028]圖5為本發(fā)明的實施例3的塔狀圖案的排列示意圖。
[0029]圖6為本發(fā)明的實施例4的塔狀圖案的排列示意圖。

【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0031]實施例1
[0032]圖1為本實施例的LED芯片的示意圖，由依次排列的藍(lán)寶石塔狀圖案的圖形化LED襯底11，N型GaN層12，MQW量子阱層13，P型GaN層14組成。
[0033]本實施例的塔狀圖案的圖形化LED襯底，襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的塔狀圖案組成。如圖2所示，所述塔狀圖案為由2個帶內(nèi)凹的圓臺和一個圓錐組成的一體結(jié)構(gòu)；所述3個帶內(nèi)凹的圓臺按由大到小的順序由下至上依次排列。其中，第i帶內(nèi)凹的圓臺的頂部設(shè)有第i圓柱狀的內(nèi)凹；i = 1，2，3。令第i帶內(nèi)凹的圓臺所對應(yīng)的圓臺為第i圓臺；令第i圓柱狀的內(nèi)凹所對應(yīng)的圓柱為第i圓柱；則第i圓臺的上底面即為第i圓柱的上底面；第i圓柱的下底面即為第i + Ι圓臺的下底面；第!11圓柱的下底面即為圓錐的底面。
[0034]本實施例中，塔狀圖案的高度H為2μπι，底圓半徑R為3.0μπι。第I圓柱的高度Ii1為0.5 μ m,第2圓柱的高度h2為I μ m ;第3圓柱的高度h3為1.5 μ m。
[0035]本實施的塔狀圖案采用如圖3所示的六角排列方式，相鄰塔狀圖案的中心間距D為 8 μ m0
[0036]實施例2
[0037]本實施例除以下特征外，其余特征與實施例1同:
[0038]本實施例中，塔狀圖案的高度H為2μπι，底圓半徑R為2.0μπι。第I圓柱的高度Ii1為0.4 μ m,第2圓柱的高度h2為0.8 μ m ;第3圓柱的高度h3為1.5 μ m。
[0039]本實施的塔狀圖案采用如圖4所示的矩形排列方式，相鄰塔狀圖案的中心間距D為 8 μ m0
[0040]實施例3
[0041]本實施例除以下特征外，其余特征與實施例1同:
[0042]本實施例中，塔狀圖案的高度H為2μπι，底圓半徑R為1.5μπι。第I圓柱的高度Ii1為0.3 μ m,第2圓柱的高度h2為0.6 μ m ;第3圓柱的高度h3為1.3 μ m。
[0043]本實施的塔狀圖案采用如圖5所示的菱形排列方式，相鄰塔狀圖案的中心間距D為 6 μ m0
[0044]實施例4
[0045]本實施例除以下特征外，其余特征與實施例1同:
[0046]本實施例中，塔狀圖案的高度H為0.5 μ m，底圓半徑R為0.5 μ m。第I圓柱的高度Ii1為0.1 μ m,第2圓柱的高度h2為0.1 μ m ;第3圓柱的高度h3為0.1 μ m。
[0047]本實施的塔狀圖案采用如圖6所示的圓形排列方式，相鄰塔狀圖案的中心間距D為 2 μ m。
[0048]測試?yán)?
[0049]采用光學(xué)分析軟件TraceP1對本發(fā)明的塔狀圖案的圖形化LED襯底做模擬測試，模擬測試過程如下:
[0050](I)襯底構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)襯底的制作，襯底尺寸為120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0051](2)塔狀圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)塔狀圖案的制作，每個塔狀圖案的高度H為2 μ m，底圓半徑R為3.0 μ m，Ii1為0.5，h2為1，h3為1.5，相鄰兩圖形中心間距D為9 μ m0
[0052](3)圖案的排列:將圖案按照圖2的六角方式排列，中心間距為9 μ m。
[0053](4)外延層構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)N型GaN層、MQW量子阱層、P型GaN層的制作，N型GaN層尺寸為120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為120ymX120ymX75nm, P 型 GaN 層尺寸為 120 μ mX 120 μ mX 0.2 μ m，均呈長方體狀。
[0054](5)祀面構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)六層祀面的制作,六層祀面分別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸為120μπιΧ120μπιΧ0.0lym,前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104.275 μ mX0.0l μ m。
[0055](6)N型GaN層與圖形襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建:插入Solidworks建立的圖案層于襯底層之上，采用TraceP1的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0056](7)各材料層的參數(shù)設(shè)定:藍(lán)寶石襯底的折射率為1.67，N型GaN、MQff量子講、P型GaN材質(zhì)折射率均為2.45，四者均針對450nm的光，溫度設(shè)置為300K，不考慮吸收與消光系數(shù)的影響。
[0057](8)量子阱層表面光源設(shè)定，其特征在于:量子阱層上下表面各設(shè)置一個表面光源屬性，發(fā)射形式為光通量，場角分布為Lambertian發(fā)光場型,光通量為5000a.u.,總光線數(shù)3000條，最少光線數(shù)10條。
[0058](9)光線追蹤:利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構(gòu)建的LED芯片模型進(jìn)行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側(cè)面的光通量數(shù)據(jù)。
[0059]測試結(jié)果如下:
[0060]測試?yán)?，頂部光?871.8a.u.，底部光通2139.9a.u.，側(cè)面光通3368.29a.u.，總光通6460.54a.u.。與無圖案的圖形化襯底相比，頂部光通提高了 2.70倍，底部光通提高了 2.43倍，側(cè)面光通提高了 2.65倍，總光通量提高了 2.60倍。與相同尺寸的簡單圓錐型圖形化襯底相比，頂部光通量提高了 1.17倍，底部光通量提高了 1.27倍。
[0061 ] 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種塔狀圖案的圖形化LED襯底，其特征在于，襯底圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的塔狀圖案組成； 所述塔狀圖案為由m個帶內(nèi)凹的圓臺和一個圓錐組成的一體結(jié)構(gòu)；m> I ; 所述m個帶內(nèi)凹的圓臺按由大到小的順序由下至上依次排列； 其中，第i帶內(nèi)凹的圓臺的頂部設(shè)有第i圓柱狀的內(nèi)凹； 令第i帶內(nèi)凹的圓臺所對應(yīng)的圓臺為第i圓臺；令第i圓柱狀的內(nèi)凹所對應(yīng)的圓柱為第i圓柱； 則第i圓臺的上底面即為第i圓柱的上底面；第i圓柱的下底面即為第i+Ι圓臺的下底面；第m圓柱的下底面即為圓錐的底面；1 < i < m ; 第i圓柱的高度K >0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔狀圖案的圖形化LED襯底，其特征在于，所述塔狀圖案的高度H為0.5?2μηι,底面半徑R為0.5?3 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔狀圖案的圖形化LED襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的塔狀圖案采用矩形排列方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔狀圖案的圖形化LED襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的塔狀圖案采用菱形排列方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔狀圖案的圖形化LED襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的塔狀圖案采用圓形排列方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔狀圖案的圖形化LED襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的塔狀圖案采用六角排列方式。
7.—種LED芯片，其特征在于，包括如權(quán)利要求1?6任一項所述的塔狀圖案的圖形化LED襯底。
【文檔編號】H01L33/02GK104409596SQ201410712782
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】李國強(qiáng), 喬田, 林志霆, 王海燕, 周仕忠, 王凱誠, 鐘立義 申請人:華南理工大學(xué)