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】本發(fā)明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。本發(fā)明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。本發(fā)明通過(guò)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(shuō)明】—種具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及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(shù)】
[0002]目前,為了提高GaN基LED的內(nèi)量子效率和出光效率,LED研究當(dāng)中已有多種技術(shù) 被應(yīng)用。其中包括側(cè)向外延生長(zhǎng)技術(shù)、表面粗化、納米壓印技術(shù)以及金屬鏡面反射層技術(shù) 等。近年來(lái),如何利用圖形化襯底技術(shù)來(lái)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(duì)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(duì)LED光學(xué)性能的提高體現(xiàn)為兩方面:一方面,圖案通過(guò)散射/反射改變 光的軌跡,使光在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(zhǎng)出現(xiàn)側(cè)向嘉晶的效果,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(jì)已幾番更新,從最初的槽形到六角形、 錐形、棱臺(tái)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(duì)LED的出光效率起著決定性作用。對(duì)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(shí)驗(yàn)證明:具有較大高度 的六角形圖案不僅增強(qiáng)了對(duì)光線的反射、散射作用,而且相對(duì)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1? 2um,間隔為2?3 ii m,底寬為2?3 y m,其斜角對(duì)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(jí)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(jí)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(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(zhǎng)來(lái)不及愈合而產(chǎn)生 的空洞,并造成外延層更多的位錯(cuò),即便光提取效率有所提升,但外延層位錯(cuò)的增加會(huì)降低 LED芯片壽命。另外,納米級(jí)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]回顧過(guò)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?jī)?nèi)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(shù)的發(fā)展。
【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]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)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(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0016]本發(fā)明通過(guò)采用具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底,當(dāng)不同種圖案的尺寸大小相差較大時(shí),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(dāng)不同種圖案的大小相當(dāng)時(shí),由于相鄰的圖案所對(duì)的面與單一圖形襯底中的不同,圖案對(duì)光的反射關(guān)系發(fā)生了改變,使得某個(gè)或某些面的光通量的到增加,通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù),即可得到更高的LED芯片的光通量,進(jìn)而得到更加高效的LED芯片。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1的LED芯片的示意圖.[0018]圖2為本發(fā)明的實(shí)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為本發(fā)明的實(shí)施例1的襯底的一種圖案的示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例1的襯底的另一種圖案的示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明的實(shí)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(shì)對(duì)比圖。
[0022]圖6為本發(fā)明的實(shí)施例1中的六棱錐-圓錐混合圖案LED芯片的頂?shù)卓偣馔侩S傾角α的變化趨勢(shì)對(duì)比圖。
[0023]圖7為本發(fā)明的實(shí)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為本發(fā)明的實(shí)施例2的襯底的一種圖案的示意圖。
[0025]圖9為本發(fā)明的實(shí)施例2的襯底的另一種圖案的示意圖。
[0026]圖10為本發(fā)明的實(shí)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(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0028]實(shí)施例1
[0029]圖1為本實(shí)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(shí)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,兩種圖案交替排列。如圖2、3所不,其中一種圖案為圓維15,每個(gè)圓錐的傾角Ct1為60° ;圓錐的底面半徑R1為1.0 μ m,相鄰兩圓錐中心的距離(I1為1.2μ m ;如圖2、4所示,另一種為正六棱錐16,每個(gè)正六棱錐的傾角02為60° ;正六棱錐邊長(zhǎng)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(xué)分析軟件TracePro對(duì)正六棱錐-圓錐混合圖案LED芯片的圖形化襯底做模擬測(cè)試,模擬測(cè)試過(guò)程如下:
[0032](I)襯底構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)襯底的制作:襯底尺寸為120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長(zhǎng)方體狀。
[0033](2)圓錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實(shí)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(shí)現(xiàn)六棱錐圖案的制作:六棱錐的傾角%為30°?70° ;邊長(zhǎng)為1.2 μ m。
[0035](4)圖案的排列:將圖案按照?qǐng)D2的六角方式排列,相鄰兩圓錐中心的距離Cl1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(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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(zhǎng)方體狀。
[0037](6)靶面構(gòu)建:采用TracePiO自帶的建模功能實(shí)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120ymX120ymX0.0lym,前、后、左、右靶面尺寸為100 μ mX 104.275 μ mX0.0l μ m。
[0038](7) 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TracePiO的差集功能實(shí)現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0039](8)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(duì)450nm的光,溫度設(shè)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(shè)定:量子阱層上下表面各設(shè)置一個(gè)表面光源屬性,發(fā)射形式為光通量,場(chǎng)角分布為L(zhǎng)ambertian發(fā)光場(chǎng)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(duì)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)。
[0042]測(cè)試結(jié)果如圖5?6所示。
[0043]圖5為本實(shí)施例的LED芯片的總光通量?jī)A角(變化過(guò)程中,圓錐的傾角始終等于六棱錐的傾角)的變化趨勢(shì)對(duì)比圖。圖中的趨勢(shì)表明,當(dāng)傾角在55°和35°之間時(shí),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(shì)。
[0044]圖6為本實(shí)施例的LED芯片的頂?shù)卓偣馔侩S傾角的變化趨勢(shì)對(duì)比圖??梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)傾角在55?60°時(shí),頂?shù)卓偣馔砍霈F(xiàn)峰值。
[0045]通過(guò)上述分析可以初步得出結(jié)論,即本實(shí)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(shí)效率最高。
[0046]實(shí)施例2
[0047]本實(shí)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,MQff量子阱層,P型GaN層組成。
[0048]圖7為本實(shí)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,兩種圖案交替排列。如圖7、8所不,其中一種圖案為圓維26,每個(gè)圓錐的傾角<13為65° ;圓錐對(duì)應(yīng)的底面圓半徑R3為0.6 μ m ;相鄰兩圓錐中心的距離d3=1.4ym0如圖7、9所示,另一種圖案為正三棱錐25,每個(gè)正三棱錐的傾角%為65° ;正三棱錐邊長(zhǎng)a4為0.8μηι ;相鄰正三棱錐中心的距離為1.4μηι。
[0049]采用光學(xué)分析軟件TracePiO對(duì)本實(shí)施例的LED芯片的圖形化襯底做模擬測(cè)試,模擬測(cè)試過(guò)程如下:
[0050](I)襯底構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)襯底的制作,襯底尺寸為120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長(zhǎng)方體狀。
[0051](2)正三棱錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實(shí)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(zhǎng)2.0 μ m。
[0052](3)圓錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實(shí)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?qǐng)D7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(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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(zhǎng)方體狀。
[0055](6)祀面構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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。
[0056](7) 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TracePiO的差集功能實(shí)現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0057](8)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(duì)450nm的光,溫度設(shè)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(shè)定:量子阱層上下表面各設(shè)置一個(gè)表面光源屬性,發(fā)射形式為光通量,場(chǎng)角分布為L(zhǎng)ambertian發(fā)光場(chǎng)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(duì)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)。
[0060]測(cè)試結(jié)果如下:
[0061]側(cè)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(wú)圖案的襯底相比,側(cè)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(cè)面總光通量提高了 22.46%、六面總光通提高了 5.4%。
[0062]實(shí)施例3
[0063]本實(shí)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,MQff量子阱層,P型GaN層組成。
[0064]圖10為本實(shí)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(gè)正三 棱錐的傾角為55° ;正三棱錐邊長(zhǎng)為0. 8 y m ;相鄰正三棱錐中心的距離d5為1. 6 y m ;另一 種為正六棱錐36,每個(gè)正六棱錐的傾角為55°,正六棱錐邊長(zhǎng)為相鄰正六棱錐中 心的距離為1. 6iim。
[0065]采用光學(xué)分析軟件TracePro對(duì)本實(shí)施例的LED芯片的圖形化襯底做模擬測(cè)試,模 擬測(cè)試過(guò)程如下:
[0066](1)襯底構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)襯底的制作,襯底尺寸為 120 u mX 120 u mX 100 u m,呈長(zhǎng)方體狀。
[0067](2)三棱錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實(shí)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(zhǎng)為0. 8 ii m。
[0068](3)六棱錐圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實(shí)現(xiàn)六棱錐圖案的制作:每個(gè) 正六棱錐的傾角為55° ,正六棱錐邊長(zhǎng)為0. 9 ii 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. 6um ;相鄰正六棱錐中心的距離為1. 6 ii m。
[0070](5)外延層構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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 y mX 120 y mX4 y m,MQW量子阱層尺寸為 120iimX120iimX75nm,P 型 GaN 層尺寸為 120 y mX 120 y mX 0. 2 y m,均呈長(zhǎng)方體狀。
[0071](6)靶面構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實(shí)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120iimX120iimX0. 01 um, 前、后、左、右靶面尺寸為100 u mX 104. 275 u mXO. 01 u m。
[0072](7) 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TracePro的差集功能實(shí)現(xiàn)N_GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0073](8)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、MQW量子阱、P 型GaN材質(zhì)折射率均為2. 45,四者均針對(duì)450nm的光,溫度設(shè)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(shè)定:量子阱層上下表面各設(shè)置一個(gè)表面光源屬性,發(fā)射形 式為光通量,場(chǎng)角分布為L(zhǎng)ambertian發(fā)光場(chǎng)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(duì)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)。
[0076]測(cè)試結(jié)果如下:
[0077]側(cè)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(wú)圖案的襯底相比,側(cè)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(cè)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(shí)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(dá)到提高側(cè)面總光通、頂?shù)卓偣馔?、六面總光通的效果?br>
[0079]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)與原理下所做的改變,修飾,替代,組合,簡(jiǎn)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述具有混合圖案的LED圖形優(yōu)化襯底。
【文檔編號(hào)】H01L33/20GK103545412SQ201310530095
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】李國(guó)強(qiáng), 喬田, 何攀貴, 林志霆, 周仕忠, 王海燕 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)