一種具有混合圖案的led圖形優(yōu)化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，襯底的圖案由兩種以上圖案混合排列而成；同一種圖案的尺寸、形狀相同；所述圖案可采用排列矩形方式或者采用六角排列方式。本實用新型還公開了包括上述具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的LED芯片。本實用新型通過采用具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，提高了LED芯片的光通量，得到更加高效的LED芯片。
【專利說明】-種具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及LED圖形化襯底，特別涉及一種具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯 底及LED芯片。

【背景技術】
[0002]目前，為了提高GaN基LED的內量子效率和出光效率，LED研究當中已有多種技術 被應用。其中包括側向外延生長技術、表面粗化、納米壓印技術以及金屬鏡面反射層技術 等。近年來，如何利用圖形化襯底技術來有效地提高藍寶石襯底GaN基LED的出光效率，逐 漸成為了目前藍寶石襯底GaN基LED領域研究的熱點。作為圖形化襯底技術的關鍵，襯底 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。 [0003] 襯底圖案對LED光學性能的提高體現(xiàn)為兩方面：一方面，圖案通過散射/反射改變 光的軌跡，使光在界面出射的入射角變?。ㄐ∮谌瓷渑R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，從最初的槽形到六角形、 錐形、棱臺型等，圖形化襯底技術的應用效果已受到認可。
[0004] 襯底的圖案是圖形化襯底技術的關鍵，對LED的出光效率起著決定性作用。對此， 科學家和專業(yè)技術人員已經有了多番研究。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了對光線的反射、散射作用，而且相對復雜的圖形分布更有利于側 向外延，提高磊晶質量。具有尖錐狀凸起結構的錐形圖案也是如此，圖案高度一般為1? 2 μ m，間隔為2?3 μ m，底寬為2?3 μ m，其斜角對LED的出光有較大的影響。R. Hsueh等人 用納米壓印技術在藍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 和出光率都高于普通藍寶石襯底LED，分別提高了 67%和38%，也優(yōu)于微米級圖形襯底LED。 但并非圖形尺寸越小，LED的性能就越好，圖形尺寸和LED性能間的關系仍然需要權衡。研 究表明：隨著圖案間距的減小，在GaN和藍寶石界面易出現(xiàn)由于GaN生長來不及愈合而產生 的空洞，并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芯片壽命。另外，納米級圖案制造成本高，產業(yè)化比較困難，也大大限制了其推廣應用。
[0005] 回顧過往，LED芯片的圖形化襯底圖案僅限于單一種類圖形的規(guī)則排布，如單一的 圓錐、六棱錐、三棱錐、球形等的矩形或六角排布的圖形化襯底。研究內容也僅限于圖案的 尺寸、間距優(yōu)化。這極大地局限了人們的思維，限制了圖形化襯底技術的發(fā)展。 實用新型內容
[0006] 為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種具有混合 圖案的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片，提高了 LED芯片的光通量。
[0007] 本實用新型的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：
[0008] -種具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，襯底的圖案由兩種以上圖案混合排列而 成；同一種圖案的尺寸、形狀相同。
[0009] 所述圖案采用排列矩形。
[0010] 所述圖案采用六角排列方式。
[0011] 襯底的圖案由兩種圖案混合排列。
[0012] 在襯底的橫向上，同種圖案相鄰排列；在襯底的縱向上，兩種圖案交替排列。
[0013] 在襯底的縱向上，同種圖案相鄰排列；在襯底的橫向上，兩種圖案交替排列。
[0014] 一種LED芯片，包括上述具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底。
[0015] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果：
[0016] 本實用新型通過采用具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，當不同種圖案的尺寸大 小相差較大時，這種新型的排布方式從一定意義上增加了圖形化襯底上的圖案的密排程 度；當不同種圖案的大小相當時，由于相鄰的圖案所對的面與單一圖形襯底中的不同，圖案 對光的反射關系發(fā)生了改變，使得某個或某些面的光通量的到增加，通過調整相應的參數(shù)， 即可得到更高的LED芯片的光通量，進而得到更加高效的LED芯片。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本實用新型的實施例1的LED芯片的示意圖.
[0018] 圖2為本實用新型的實施例1的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的不意圖。
[0019] 圖3為本實用新型的實施例1的襯底的一種圖案的示意圖。
[0020] 圖4為本實用新型的實施例1的襯底的另一種圖案的示意圖。
[0021] 圖5為本實用新型的實施例1中的六棱錐-圓錐混合圖案LED芯片的總光通量隨 傾角的變化趨勢對比圖。
[0022] 圖6為本實用新型的實施例1中的六棱錐-圓錐混合圖案LED芯片的頂?shù)卓偣馔?量隨傾角α的變化趨勢對比圖。
[0023] 圖7為本實用新型的實施例2的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的不意圖。
[0024] 圖8為本實用新型的實施例2的襯底的一種圖案的示意圖。
[0025] 圖9為本實用新型的實施例2的襯底的另一種圖案的示意圖。
[0026] 圖10為本實用新型的實施例3的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的不意圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面結合實施例，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 不限于此。
[0028] 實施例1
[0029] 圖1為本實施例的LED芯片的不意圖，由依次排列的具有混合圖案的LED圖形優(yōu) 化襯底11、N型GaN層12，MQW量子阱層13，P型GaN層14組成。
[0030] 圖2為本實施例的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的不意圖，襯底的圖案由兩 種圖案混合排列而成；襯底上的圖案整體采用六角排列方式，且在襯底的橫向上，同種圖案 相鄰排列；在襯底的縱向上，兩種圖案受替排列。如圖2、3所不，其中一種圖案為圓維15， 每個圓錐的傾角（^為60° ;圓錐的底面半徑札為1.0 μ m，相鄰兩圓錐中心的距離屯為 1.2μηι;如圖2、4所示，另一種為正六棱錐16,每個正六棱錐的傾角〇 2為60° ;正六棱錐 邊長a2為1. 0 μ m ;相鄰正六棱錐中心的距離為1. 2 μ m。
[0031] 采用光學分析軟件TracePro對正六棱錐-圓錐混合圖案LED芯片的圖形化襯底 做模擬測試，模擬測試過程如下：
[0032] (1)襯底構建：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。
[0033] (2)圓錐圖案制作：采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)圓錐圖案的制作：圓錐的傾 角a i為30°?70° ;所述圓錐的底面圓半徑R為1. 2 μ m。
[0034] (3)正六棱錐圖案制作：采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)六棱錐圖案的制作：六 棱錐的傾角〇 2為30°?70° ;邊長為1.2 μ m。
[0035] (4)圖案的排列：將圖案按照圖2的六角方式排列，相鄰兩圓錐中心的距離屯為 1. 2 μ m ;相鄰正六棱錐中心的距離為1. 2 μ m。
[0036] (5)外延層構建：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120μπιΧ120μπιΧ4μπι，MQW量子阱層尺寸為 120ymX120ymX75nm，Ρ 型 GaN 層尺寸為 120μπιΧ120μπιΧ0· 2μπι，均呈長方體狀。
[0037] (6)靶面構建：采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)六層靶面的制作，六層靶面分 別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸為120 μ mX 120 μ mXO. 01 μ m， 前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104. 275 μ mXO. 01 μ m。
[0038] (7) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應圖案構建：插入Solidworks建立的圖案層 于襯底層之上，采用TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應圖案構建。
[0039] (8)各材料層的參數(shù)設定：藍寶石襯底的折射率為1. 67, N型GaN、MQW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 系數(shù)的影響。
[0040] (9)量子阱層表面光源設定：量子阱層上下表面各設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。
[0041] (10)光線追蹤：利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構建的LED芯片模型進行光線 追蹤，分別獲取頂部、底部、側面的光通量數(shù)據(jù)。
[0042] 測試結果如圖5?6所示。
[0043] 圖5為本實施例的LED芯片的總光通量傾角(變化過程中，圓錐的傾角始終等于六 棱錐的傾角)的變化趨勢對比圖。圖中的趨勢表明，當傾角在55°和35°之間時，混合圖案 LED芯片的總光通量較高，大于50°之后，隨著傾角的增大，總光通量呈現(xiàn)下降趨勢。
[0044] 圖6為本實施例的LED芯片的頂?shù)卓偣馔侩S傾角的變化趨勢對比圖。可以發(fā)現(xiàn)， 當傾角在55?60°時，頂?shù)卓偣馔砍霈F(xiàn)峰值。
[0045] 通過上述分析可以初步得出結論，即本實施例的LED芯片在圓錐的傾角始終等于 六棱錐的傾角55?60°時效率最高。
[0046] 實施例2
[0047] 本實施例的LED芯片的由依次排列的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底、N型GaN 層，MQW量子阱層，P型GaN層組成。
[0048] 圖7為本實施例的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的不意圖。襯底的圖案由兩 種圖案混合排列而成；襯底上的圖案整體采用六角排列方式，且在襯底的橫向上，同種圖案 相鄰排列；在襯底的縱向上，兩種圖案受替排列。如圖7、8所不，其中一種圖案為圓維26， 每個圓錐的傾角<13為65° ;圓錐對應的底面圓半徑馬為0. 6μηι;相鄰兩圓錐中心的距離 (13=1.4μπι。如圖7、9所示，另一種圖案為正三棱錐25,每個正三棱錐的傾角％為65° ;正 三棱錐邊長a4為0. 8 μ m ;相鄰正三棱錐中心的距離為1. 4 μ m。
[0049] 采用光學分析軟件TracePro對本實施例的LED芯片的圖形化襯底做模擬測試，模 擬測試過程如下：
[0050] (1)襯底構建：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)正三棱錐圖案制作：采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)正三棱錐圖案的制作： 正三棱錐的傾角為65°，正三棱錐的底面邊長2. 0 μ m。
[0052] (3)圓錐圖案制作：采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)圓錐圖案的制作：圓錐的傾 角為65° ;底面圓半徑1.0 μ m。
[0053] (4)圖案的排列：將圖案按照圖7的六角方式排列，相鄰兩圓錐中心的距離 d3=l. 4 μ m ;相鄰正三棱錐中心的距離為1. 4 μ m。
[0054] (5)外延層構建：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120μπιΧ120μπιΧ4μπι，MQW量子阱層尺寸為 120ymX120ymX75nm，Ρ 型 GaN 層尺寸為 120μπιΧ120μπιΧ0· 2μπι，均呈長方體狀。
[0055] (6)祀面構建：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120 μ mX 120 μ mXO. 01 μ m， 前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104. 275 μ mXO. 01 μ m。
[0056] (7) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應圖案構建：插入Solidworks建立的圖案層 于襯底層之上，采用TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應圖案構建。
[0057] (8)各材料層的參數(shù)設定：藍寶石襯底的折射率為1. 67, N型GaN、MQW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 系數(shù)的影響。
[0058] (9)量子阱層表面光源設定：量子阱層上下表面各設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。
[0059] (10)光線追蹤：利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構建的LED芯片模型進行光線 追蹤，分別獲取頂部、底部、側面的光通量數(shù)據(jù)。
[0060] 測試結果如下：
[0061] 側面總光通：3102. 53a. u.，頂?shù)卓偣馔?298. 5a. u.，六面總光通7401. 03a. u.。與 無圖案的襯底相比，側面總光通提高了 143. 9%、頂?shù)卓偣馔ㄌ岣吡?173. 5%、總光通提高了 160. 2% ;與單種同參數(shù)圓錐的圖形化襯底相比，頂?shù)卓偣馔刻岣吡?7. 1% ;與單種同參數(shù) 三棱錐的圖形化襯底相比，側面總光通量提高了 22. 46%、六面總光通提高了 5.4%。
[0062] 實施例3
[0063] 本實施例的LED芯片的由依次排列的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底、N型GaN 層，MQW量子阱層，P型GaN層組成。
[0064] 圖10為本實施例的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底的不意圖。襯底的圖案由 兩種圖案混合排列而成；襯底上的圖案整體采用矩形排列方式，且在襯底的橫向上，同種圖 案相鄰排列；在襯底的縱向上，兩種圖案交替排列。其中一種圖案為正三棱錐35,每個正三 棱錐的傾角為55° ;正三棱錐邊長為0. 8 μ m ;相鄰正三棱錐中心的距離d5為1. 6 μ m ;另一 種為正六棱錐36,每個正六棱錐的傾角為55°，正六棱錐邊長為0. 9 μ m ;相鄰正六棱錐中 心的距離為1. 6 μ m。
[0065] 采用光學分析軟件TracePro對本實施例的LED芯片的圖形化襯底做模擬測試，模 擬測試過程如下：
[0066] (1)襯底構建：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。
[0067] (2)三棱錐圖案制作：采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)三棱錐圖案的制作：正三 棱錐的傾角為55° ;正三棱錐邊長為0. 8 μ m。
[0068] (3)六棱錐圖案制作：采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)六棱錐圖案的制作：每個 正六棱錐的傾角為55° ,正六棱錐邊長為0. 9 μ m。
[0069] (4)圖案的排列：采用如圖10所示矩形排列方式，相鄰正三棱錐中心的距離d5為 1. 6 μ m ;相鄰正六棱錐中心的距離為1. 6 μ m。
[0070] (5)外延層構建：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120μπιΧ120μπιΧ4μπι，MQW量子阱層尺寸為 120ymX120ymX75nm，Ρ 型 GaN 層尺寸為 120μπιΧ120μπιΧ0· 2μπι，均呈長方體狀。
[0071] (6)靶面構建：采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)六層靶面的制作，六層靶面分 別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸為120 μ mX 120 μ mXO. 01 μ m， 前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104. 275 μ mXO. 01 μ m。
[0072] (7) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應圖案構建：插入Solidworks建立的圖案層 于襯底層之上，采用TracePro的差集功能實現(xiàn)N-GaN層相應圖案構建。
[0073] (8)各材料層的參數(shù)設定：藍寶石襯底的折射率為1. 67, N型GaN、MQW量子阱、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 系數(shù)的影響。
[0074] (9)量子阱層表面光源設定：量子阱層上下表面各設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。
[0075] (10)光線追蹤：利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構建的LED芯片模型進行光線 追蹤，分別獲取頂部、底部、側面的光通量數(shù)據(jù)。
[0076] 測試結果如下：
[0077] 側面總光通：2573. 69a. u.，頂?shù)卓偣馔?755. 2a. u.，六面總光通7328. 89a. u.。與 無圖案的襯底相比，側面總光通提高了 102. 3%、頂?shù)卓偣馔ㄌ岣吡?202. 6%、總光通提高了 157. 7% ;與單種同參數(shù)六棱錐的圖形化襯底相比，側面總光通提高了 1. 3%、六面總光通提 高了 1.0%;與單種同參數(shù)的三棱錐圖形化襯底相比，頂面光通量提高了 12. 6%、4. 4%。
[0078] 上述實施例中的圖案還可以采用其他常用的排列方式，如：在襯底的縱向上，同種 圖案相鄰排列；在襯底的橫向上，兩種圖案交替排列；圖案還可由采用其他常用的圖案，并 且不局限于兩種圖案，均可達到提高側面總光通、頂?shù)卓偣馔?、六面總光通的效果?br> [0079] 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并不受所述 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范圍之內。
【權利要求】
1. 一種具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，襯底的圖案由兩種以上圖案 混合排列而成；同一種圖案的尺寸、形狀相同。
2. 根據(jù)權利要求1所述的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述圖案采 用排列矩形。
3. 根據(jù)權利要求1所述的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述圖案采 用六角排列方式。
4. 根據(jù)權利要求1所述的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，襯底的圖案 由兩種圖案混合排列。
5. 根據(jù)權利要求4所述的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，在襯底的橫 向上，同種圖案相鄰排列；在襯底的縱向上，兩種圖案交替排列。
6. 根據(jù)權利要求4所述的具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，在襯底的縱 向上，同種圖案相鄰排列；在襯底的橫向上，兩種圖案交替排列。
7. -種LED芯片，其特征在于，包括權利要求1?6任一項所述具有混合圖案的LED圖 形優(yōu)化襯底。
【文檔編號】H01L33/20GK203883036SQ201320682219
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權日:2013年10月30日
【發(fā)明者】李國強, 喬田, 何攀貴, 林志霆, 周仕忠, 王海燕 申請人:華南理工大學