一種led晶片的圖形化襯底及led晶片的製作方法

2023-06-18 19:30:11

專利名稱：一種led晶片的圖形化襯底及led晶片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED晶片，特別涉及一種LED晶片的圖形化襯底及LED晶片。
背景技術：
圖形化襯底技術是近來藍寶石襯底GaN基LED領域研究的熱點。其圖案演變至今，對LED光提取效果和外延質量改善顯著，已成為提高LED性能的重要途徑。
襯底圖案對LED光學性能的提高體現為兩方面一方面，圖案通過散射/反射改變光的軌跡，使光在界面出射的入射角變小(小於全反射臨界角)，從而透射而出，提高光的提取率；另一方面，圖案還可以使得後續的GaN生長出現側向嘉晶的效果，減少晶體缺陷，提高內量子效率。為滿足器件性能的要求，圖案的設計已幾番更新，從槽型、錐形、稜台型到目前應用較多的半球形，圖形襯底技術的應用效果已受到認可。研究表明沒有尖角的半球形圖案，能較大限度地減小應力，降低缺陷；另外，半球體的密排布對側向磊晶更明顯，磊晶質量會顯著提高；在提高光提取率方面，半球面相對於其他幾種圖案的多平面體結構來說，對光的發散能力更強。作為影響光路的直接因素，圖案的參數(包括半徑、高度和間距等)在選擇上勢必會影響LED的性能。D. S. Wuu等人在圖案深度不同的藍寶石襯底(基本圖案為直徑3 ii m的圓孔，深度由0. 5iim至I. 5iim等間距增大)上採用MOCVD法生長GaN並製成晶片，對其進行光學測試，發現以最大深度的圖形藍寶石襯底製得的GaN基LED最為理想，其外量子效率達到14. 1%，光強比普通LED提高約63%。R. Hsueh等人用納米壓印技術製備出直徑240nm，間隔450nm，深165nm的圓孔圖案，該襯底製造出的LED晶片的光強和出光率都高於普通藍寶石襯底LED，分別提高了 67%和38%，也優於微米級圖形襯底LED。但並非圖形尺寸越小，LED的性能就越好，圖形尺寸和LED性能間的關係仍然需要權衡。研究表明隨著圖案間距的減小，在GaN和藍寶石界面易出現由於GaN生長來不及癒合而產生的空洞，並造成外延層更多的位錯，即便光提取效率有所提升，但外延層位錯的增加會降低LED晶片壽命。另外，納米級圖案製造成本高，產業化比較困難，也大大限制了其推廣應用。由此可見，圖形尺寸和LED性能的優化還需要進一步研究。即便圖形化襯底已大幅度提高LED的出光效率，但在圖案設計方面，自半球形圖案出現至今，研究人員還沒能製備出更具出光優勢的新圖案；而圖案尺寸的優化問題上，解決尺寸縮小與其對GaN生長質量造成破壞間的權衡，在提高出光效率的前提下保證更好的磊晶質量，做到真正意義上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，設計新的圖形襯底圖案及確定最優化參數亟待解決。

實用新型內容為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在於提供一種LED晶片的圖形化襯底，其出光效率優於當前廣泛採用的半球形圖案。本實用新型的另一目的在於提供包括上述圖形化襯底的LED晶片。[0007]本實用新型的目的通過以下方案實現一種LED晶片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的球冠組成，每個球冠的高度h為球冠對應的球體的半徑R的759^85% ;相鄰球冠的邊緣間距d為所述球冠的底面半徑r的30 50%。所述多個形狀相同的球冠採用矩形排列方式。所述多個形狀相同的球冠採用六角排列方式。一種LED晶片，包括上述LED晶片的圖形化襯底。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果
(I)本實用新型通過採用球冠形圖案襯底及優化的圖案 參數，使更多入射角小於全反射臨界角的光線射出，從而增加光散射機率，增強軸向光出光效率，相比一般的半球形圖案，總光通量提升10% 14%，頂部光通量提升20 24%。(2)本實用新型具有比同底面圓半徑的半球形襯底圖案更優的出光效率，高度較同底面圓半徑的半球形襯底圖案小，實際加工更簡單，便於推廣應用。(3)本實用新型採用優化的圖案參數，避免邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，進一步改善了磊晶質量，從而提高了 LED的內量子效率。

圖I為實施例I的LED晶片的示意圖。圖2為實施例I的LED晶片的圖形化襯底的不意圖。圖3為襯底的球冠圖案改變光路示意圖。圖4為實施例I的襯底的球冠圖案採用的排列方式示意圖。圖5為實施例2的襯底的球冠圖案採用的排列方式示意圖。圖6是本實用新型的LED晶片的總光通隨球冠的高度h的變化趨勢圖。圖7為本實用新型的LED晶片的頂部光通量隨球冠底面半徑r的變化趨勢圖。圖8為本實用新型的LED晶片的總光通量隨球冠底面半徑r的變化趨勢圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限於此。實施例I圖I為本實施例的LED晶片的示意圖，如圖所示，由依次排列的藍寶石圖形化襯底
11、N型GaN層12，MQW量子阱層13，P型GaN層14組成。如圖2所示，本實施例的LED晶片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的球冠組成，每個球冠的高度h為球冠對應的球體的半徑R的75% ;相鄰球冠的邊緣間距d為所述球冠的底面半徑r的30% ;本實施例中球冠對應的球體的半徑R為
m ;所述多個形狀相同的球冠採用如圖3所示的矩形排列方式。圖4為本實施例的襯底的球冠圖案改變光路示意圖。圖中各層依次為藍寶石襯底
11、N型GaN層12、量子阱層13、P型GaN層14。I1'I2為入射光線，I1'為I1經過半球面(實線)的反射光線，12』為I2經過球冠面(虛線)的反射光線，ap P1分別為12』、I/到達P型GaN層上表面的入射角，I2" '、1/ '分別為12』、1/經過P型GaN層上表面的反射光線，I2"、1廣分別為12』、1/經過P-GaN上表面的折射光線，α2、β2為折射角。如圖所示，對於一束從MQW量子阱層射出的光線I1 (僅考慮射出頂部的部分)，射到球冠上的入射角大於相同底部圓半徑的半球形圖案的情形，使反射到P型GaN層和空氣界面處的光線12』入射角更小，即Ci1 < P1，因此有更多入射角小於全反射臨界角的光線射出，大大提高頂部出光率。實施例2本實施例的LED晶片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列 在襯底表面的多個形狀相同的球冠組成，每個球冠的高度h為球冠對應的球體的半徑R的85% ;相鄰球冠的邊緣間距d為所述球冠的底面半徑r的50% ;本實施例中球冠對應的球體的半徑R為3. 5 μ m ;所述多個形狀相同的球冠採用如圖5所示的六角排列方式。實施例3本實施例的LED晶片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的球冠組成，每個球冠的高度h為球冠對應的球體的半徑R的80% ;相鄰球冠的邊緣間距d為所述球冠的底面半徑r的40% ;本實施例中球冠對應的球體的半徑R為3 μ m ;所述多個形狀相同的球冠採用六角排列方式。測試例採用光學分析軟體TracePiO對本實用新型的LED晶片的圖形化襯底做模擬測試，模擬測試過程如下(I)襯底構建採用TracePro自帶的建模功能實現襯底的製作，襯底尺寸為600 μ mX 250 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。(2)球冠形圖案製作採用TracePro自帶的建模功能實現球冠形圖案的製作，其特徵在於球冠形圖案的高度為所截取半球半徑的759Γ85%，邊緣間距為底面圓半徑的50%，呈矩形排布。(3)外延層構建採用TracePro自帶的建模功能實現N型GaN層、MQW量子阱層、P型GaN層的製作，N型GaN層尺寸為600 μ mX 250 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為600 μ mX 250 μ mX50nm, P 型 GaN 層尺寸為 600 μ mX 250 μ mX 3 μ m，均呈長方體狀。(4)靶面構建採用TracePiO自帶的建模功能實現六層靶面的製作，六層靶面分別置於LED晶片的上、下、前、後、左、右方向，上、下靶面尺寸為600μπιΧ250μπιΧ3μπι，前、後靶面(相對晶片的長邊)尺寸為600 μ mX 104. 41 μ mX3 μ m，左、右靶面(相對晶片的短邊)尺寸為 250 μ mX 104. 41 μ mX 3 μ m0(5) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應圖案構建採用TracePiO的差減功能實現N-GaN層相應圖案構建。(6)各材料層的參數設定藍寶石襯底的折射率為I. 67，N型GaN、MQff量子講、P型GaN材質折射率均為2. 45，四者均針對450nm的光，溫度設置為300K，不考慮吸收與消光係數的影響。(7)量子阱層表面光源設定，其特徵在於量子阱層上下表面各設置一個表面光源屬性，發射形式為光通量，場角分布為Lambertian發光場型,光通量為5000a. u.,總光線數3000條，最少光線數10條。[0042](8)光線追蹤利用軟體附帶的掃光系統，對上述構建的LED晶片模型進行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側面的光通量數據。測試結果如圖6 8所示。圖6是本實用新型的LED晶片的總光通隨球冠的高度變化趨勢圖。圖中各曲線走勢表明由同一半徑半球截取而得的球冠圖案襯底LED的總光通量隨截取高度的增大，先增大後緩慢減小，在截取比為75% 85%範圍內出現極大值。圖7為本實用新型的LED晶片的頂部光通量隨球冠底面半徑r的變化趨勢圖，表明隨著球冠底面半徑r的增大，LED晶片的頂部光通量呈波動上升趨勢 ，數據表明在半徑為2 3. 5 μ m範圍內的球冠形襯底LED的最大頂部光通量為5429a. u.，而最小的頂部光通量為5257a. u.，兩者差距僅為172a. u.，說明球冠形襯底LED的頂部光通量基本保持穩定。圖8為LED晶片的總光通量隨球冠底面半徑r的變化趨勢圖，表明隨著球冠底面半徑的增大，球冠形圖形化襯底LED的總光通量呈波動上升趨勢。數據表明在半徑為
2 3. 5 μ m範圍內的球冠形襯底LED的最大總光通量為7691a. u.，而最小的頂部光通量為7555a. u.，兩者差距較小，說明球冠底面半徑的變化對球冠形襯底LED的總光通量所產生的影響不明顯，總光通量基本保持穩定。這為LED外延層磊晶提供了多選擇性，可避免邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，進一步改善磊晶質量，從而提高LED的內量子效率。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.ー種LED晶片的圖形化襯底，其特徵在於，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的球冠組成，每個球冠的高度h為球冠對應的球體的半徑R的75°/Γ85% ;相鄰球冠的邊緣間距d為所述球冠的底面半徑r的3(Γ50%。
2.根據權利要求I所述的LED晶片的圖形化襯底，其特徵在於，所述多個形狀相同的球冠採用矩形排列方式。
3.根據權利要求I所述的LED晶片的圖形化襯底，其特徵在於，所述多個形狀相同的球冠採用六角排列方式。
4.ー種LED晶片，其特徵在於，包括如權利要求I所述的LED晶片的圖形化襯底。
專利摘要本實用新型公開了一種LED晶片的圖形化襯底及LED晶片，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的球冠組成，每個球冠的高度h為球冠對應的球體的半徑R的75%~85%；相鄰球冠的邊緣間距d為所述球冠的底面半徑r的30~50%。本實用新型與現有技術相比，具有比同底面圓半徑的半球形襯底圖案更優的出光效率，實際加工更簡單，便於推廣應用。
文檔編號H01L33/00GK202616280SQ20122024483
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者李國強, 王海燕, 周仕忠, 林志霆 申請人:華南理工大學