氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底及使用其的發(fā)光二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底，包括：具有圖案的圖案化的襯底，其中多個所述圖案為具有直徑(d)的圓形類型，所述圖案的中心之間的距離為節(jié)距(p)，以及所述圖案的剖面為凸起形狀具有高度(h)，以及其中[直徑(d)/節(jié)距(p)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。
【專利說明】氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底及使用其的發(fā)光二極管
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2015年5月19日提交的韓國專利申請N0.2015-0069943以及2015年4月23日提交的韓國專利申請N0.2015-0057510的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過參照包括于此。
技術領域
[0003]本發(fā)明涉及氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底以及使用該襯底的發(fā)光二極管。本發(fā)明可以提供圖案化的襯底中的最優(yōu)化的圖案。
【背景技術】
[0004]發(fā)光二極管(LED)作為光源的應用，諸如器件上的指示燈、交通燈、汽車照明、室內(nèi)室外照明(包括路燈)，吸引了很大的關注。這是由于它們的低能耗，長壽命，魯棒性，無暖機時間，有利的可控性以及良好的色彩再現(xiàn)。為了包括更廣泛的應用范圍，LED效率需要提尚。
[0005]LED的光提取效率(LEE)是一個重要參數(shù)。LED的LEE被定義為從LED芯片發(fā)射到自由空間中的光子的數(shù)量和從LED芯片內(nèi)部的有源區(qū)發(fā)射的光子的數(shù)量的比率。它受LED半導體芯片內(nèi)部的全內(nèi)反射(TIR)限制，LED半導體芯片典型地具有比周圍的材料更大的折射率。
[0006]當從半導體內(nèi)部的有源區(qū)產(chǎn)生的光入射到半導體和周圍空間之間的界面上時，如果發(fā)射光的角度超過臨界角，則發(fā)生TIR，且光被陷禁在半導體的內(nèi)部，最終以熱的形式散發(fā)。因為半導體和周圍空間之間存在大的折射率的差異，故LED的LEE典型地較小。例如，氮化鎵(GaN)的折射率是2.5，以簡單的矩形形狀射入到自由空間中的GaN基LED芯片的LEE只有4%。
[0007]已經(jīng)使用過很多方法提高LEE，包括圖案化的藍寶石襯底(PSS)。例如，在韓國公開的專利申請N0.2012-84839中報道過。PSS在藍寶石的整個頂表面上采用陣列圖案以形成LED襯底。LED芯片內(nèi)部的光的散射及多重反射可以隨著這些結(jié)構(gòu)而加強，破壞TIR條件，從而提高LEE。PSS還可以用于降低LED外延層的生長過程中的穿透位錯密度。
[0008]但是，對于提高圖案化的襯底的質(zhì)量仍然有很多要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明一方面提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底，包括:具有圖案的圖案化的襯底，其中多個所述圖案為具有直徑(d)的圓形類型，所述圖案的中心之間的距離為節(jié)距(P)，以及所述圖案的剖面為凸起形狀且具有高度(h)，以及其中[直徑(d)/節(jié)距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。
[0010]優(yōu)選地，所述高度(h)大于(d/2) - 0.10 μ m，且小于(d/2)+0.ΙΟμπι。所述高度(h)為(d/2) ο[0011 ] 優(yōu)選地，所述氮化鎵基發(fā)光二極管為水平型。
[0012]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種具有圖案化的襯底的氮化鎵基發(fā)光二極管，包括:具有圖案的圖案化的襯底；其中多個所述圖案為具有直徑(d)的圓形類型，所述圖案的中心之間的距離為節(jié)距(P)，以及所述圖案的剖面為凸起形狀且具有高度(h)，以及其中[直徑(d)/節(jié)距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。
[0013]本發(fā)明其它方面提供一種倒裝氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底，包括:襯底的一個側(cè)面上具有圖案的圖案化的襯底，其中多個所述圖案為具有直徑(d)的圓形類型，所述圖案的中心之間的距離為節(jié)距(P)，以及所述圖案的剖面為凹入形狀且具有高度。
[0014]優(yōu)選地，所述圖案為三角錐體。優(yōu)選地，在所述襯底的另一個側(cè)面上，提供有隨機圖案，所述隨機圖案等于或小于LED的峰值波長。
【附圖說明】
[0015]本發(fā)明上述的和其它的目的、特征和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將對本領域技術人員變得明顯，其中:
[0016]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的包括圖案化的襯底的平面LED的剖面圖；
[0017]圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖案化的襯底中的各種圖案化的形狀；
[0018]圖3示出圖2的周期性圖案；
[0019]圖4-6為示出根據(jù)本發(fā)明實施例的模擬結(jié)果的示圖；
[0020]圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的包括圖案化的襯底的倒裝型LED的剖面圖；
[0021]圖8示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖案化的襯底中的各種圖案化的形狀；
[0022]圖9示出根據(jù)本發(fā)明實施例的示出模擬結(jié)果的示圖；
[0023]圖10和圖11示出具有各種椎體圖案的倒裝型LED的模擬的相對LEE(光提取效率
【具體實施方式】
[0024]下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明示例性實施例。盡管結(jié)合其示例性實施例示出和描述本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以進行各種修改，這對本領域技術人員而目是明顯的。
[0025](平面型LED)
[0026]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的包括圖案化的襯底的平面型發(fā)光二極管的剖面圖。
[0027]參考圖1，根據(jù)本發(fā)明實施例的平面型發(fā)光二極管包括藍寶石襯底10，緩沖層20，第一摻雜類型層30，有源層40和第二摻雜類型層50。
[0028]在藍寶石襯底10的一個表面上提供有多個圖案11。該多個圖案中的每個具有帶半圓形剖面的凸起形狀。多個圖案11可以具有多邊形類型，諸如三角形、正方形、六邊形以及圓形。
[0029]在根據(jù)本發(fā)明實施例的光子器件中，第一摻雜類型層30和第二摻雜類型層50可以分別通過電極(未示出)連接至外端子。例如，有源層40和第二摻雜類型層50的一些部分水平地去除成平頂山(mesa)形狀。在這種情況下，一個電極片(未示出)設立在第二摻雜類型層50上或者第二摻雜類型層50上的透明電極層上。另一個電極片設置在第一摻雜類型層30上。
[0030]但是，本發(fā)明不限于這種平頂山類型的LED。其它類型的LED也包括在本發(fā)明中。例如，電極片設置在垂直或水平型的平面LED的每個表面上。
[0031]圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖案化的襯底中的各種圖案化的形狀。
[0032]參考圖2，具有圓形基底的錐體圖案也被稱為圓錐體?？紤]椎體的四種不同的剖面:凸起、凹入、截頭凸起和截頭凹入。藍寶石襯底上的圖案的整體布置為矩形六邊形排列(或蜂窩狀)，這種排列由于其高度的集成而應用廣泛。
[0033]圖3示出四種不同基底的陣列圖案的平面圖。在圖中示出的示例中，外接圓的直徑與節(jié)距(P)相等，即圖案為緊密的外接圓陣列。除了圖案的垂直高度，我們獨立改變外接圓直徑和節(jié)距，然后對每個圖案實施模擬。
[0034]圖4示出具有各種多邊形椎體圖案的光子器件的模擬的相對LEE (光提取效率)。該模擬從典型的節(jié)距P = 3.0 μ??開始。我們接著在范圍1.2彡d彡3.Ομπι內(nèi)(即d在
0.4 < d/p < I范圍內(nèi))改變每個圖案中的外接圓的直徑，。圖案的高度為h = d/2，使得傾斜邊緣和基底間的夾角為45°。
[0035]四個矩形的椎體基底(即η = 3，4，6，和⑴)獨立考慮，凸起類型考慮用于椎體的剖面。對于每個具有固定圖案節(jié)距的基底形狀，LEE隨著外接圓直徑的增加而增加。換言之，LEE隨著圖案化的表面的比例的增加而增加，以及當外接圓直徑為其最大值(即d = ρ，緊密的陣列)時，LEE達到最大值。這個結(jié)果是可以預期的，因為可以預測陷禁在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光的散射將作為被圖案覆蓋的表面的比例的函數(shù)而增加。對于固定的外接圓直徑，圓形基底的椎體比那些η = 3，4或6的展示出更大的LEE。這與上述結(jié)果是一致的，因為圓形基底具有最大比例的圖案化的表面區(qū)域。六邊形基底的椎體展示出比正方形基底的椎體大的LEE;但是，三角形基底的結(jié)構(gòu)展示出比正方形或六邊形基底的椎體大的LEE，盡管事實是三角形結(jié)構(gòu)具有最大的非圖案化的平面表面區(qū)域比例。
[0036]因此η = 3和η = 00的椎體是優(yōu)選的。當比率隨著外接圓直徑保持固定時，使得我們具有緊密的外接圓陣列(傾斜邊緣和基底之間的夾角為45°，非圖案化的平面表面的比例不改變)，LEE不作為圖案節(jié)距的函數(shù)而改變。因而斷定，在圖案高度上我們可以具有選擇的自由度，使得我們在用于生長LED結(jié)構(gòu)的藍寶石刻蝕和外延的條件上具有靈活性。
[0037]考慮四種剖面形狀:凸起、凹入、截頭凸起和截頭凹入。我們固定圖案節(jié)距為P =
3.0 μ m，外接圓的直徑為d = ρ。圖案的垂直高度固定為h = d/2 (非截頭類型)以及h =d/4(截頭形狀)，使得在所有的情況下傾斜角固定在45°。如圖5所示，對于四邊矩形、凸面椎體基底進行LEE計算。
[0038]參考圖5，剖面形狀對LEE的影響隨著基底形狀而不同。圓形和三角形基底在凸起剖面的情況下展示出最大的LEE，接著是截頭凸起，凹入，再接著是平頭凹入剖面。對于正方形和六邊形基底，截頭凸起剖面具有最大的LEE，接著是截頭凹入，凹入，再接著是凸起剖面。圓形基底和凸起剖面的情況具有最大的LEE。
[0039]在確定椎體的基底和剖面的理想幾何形狀之后，我們改變垂直高度，進而改變傾斜角。圖6示出在節(jié)距為3.0 μπι時對于各種外接圓直徑的情況，凸起的圓形基底椎體圖案的LEE作為圖案的高度的函數(shù)。
[0040]對于給定的圖案高度，LEE隨著外接圓直徑的增加而增加。對于給定的外接圓直徑，當d < 2.5 μπι時，LEE隨著圖案的高度的增加而增加。
[0041]但是，在實際的外延生長中，圖案的高度將被限制為小于η型GaN層的厚度。對于大于約2.5 μπι的d，在給定的外接圓直徑的情況下，圖案具有對應于最大LEE的最佳高度。例如，當d = 3.0 μηι(緊密的外接圓陣列)，LEE最初隨著h的增加而增加，當h = 1.5 μπι時達到最大值，接著隨著h的進一步增加而減小。
[0042]上述模擬是在d = 3.0 μπι的情況下進行的。但是，對于不同的節(jié)距發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)果ο在外接圓直徑d為2.7μπι或2.8μπι的情況下，結(jié)果與d改變?yōu)?d*2.7) /3或(d*2.8) /3的情況是相同的。因此，外接圓直徑和圖案節(jié)距的比率很重要，而不是外接圓直徑自身或者圖案節(jié)距自身。如果我們假定節(jié)距為4.0 μπι，在相同的比率下，當直徑增加時，所有的結(jié)果與P = 3.0 μ m的情況是相同的。
[0043]基于這些結(jié)果，將描述優(yōu)選的用于氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底。
[0044]如所描述的，圓形的和凸起形狀的圖案具有優(yōu)越的特性。另外，當(直徑/節(jié)距)的比率越接近I，LEE越好。但是，當(直徑/節(jié)距)的比率越接近1，平面區(qū)域比率(無圖案的區(qū)域與總區(qū)域的比率)降低。由于這點，很難使外延層良好地生長。因此，為了使外延層良好地生長，有效地是，平面區(qū)域比率需要固定至低于I的一定水平。
[0045]如果平面區(qū)域比率需要固定至低于I的一定水平，高度(h)可以用于最大化LEE。
[0046]當[直徑⑷/節(jié)距(ρ)]的值大于(2.6) /3時，隨著高度(h)的增加，LEE越好。但是，高度(h)增加至大到一定點時，外延層需要大于高度(h)的值以具有可靠的特性。
[0047]在[直徑(d)/節(jié)距(ρ)]的值大于2.6/3，且等于或小于3/3的情況下，當高度(h)為(d/2)時，LEE具有它的峰值。
[0048]圖6示出峰值范圍。參考圖6，當[直徑(d)/節(jié)距(ρ)]的值為(2.7)/3時，在h為
1.2 μ m至1.5 μ m的范圍內(nèi)LEE是優(yōu)越的。當[直徑(d) /節(jié)距(ρ)]的值為(2.8) /3時，在h為1.2μηι至1.6μηι的范圍內(nèi)LEE是優(yōu)越的。當[直徑(d)/節(jié)距(ρ)]的值為(2.9)/3時，在h為1.2μηι至1.7μηι的范圍內(nèi)LEE是優(yōu)越的。當[直徑(d) /節(jié)距(ρ)]的值為(3.0)/3時，在h為1.2μπι至1.8μπι的范圍內(nèi)LEE是優(yōu)越的。
[0049]當[直徑(d)/節(jié)距(ρ)]的值接近3/3時，根據(jù)h的范圍LEE得到更寬的峰值范圍。當[直徑(d)/節(jié)距(ρ)]的值接近2.6/3時，根據(jù)h的范圍LEE得到更窄的峰值范圍。
[0050]優(yōu)選的直徑、節(jié)距和高度如下。
[0051]在[直徑(d)/節(jié)距(ρ)]的值大于2.6/3，且等于或小于3/3的情況下，高度(h)為d/2。為了提供符合設計規(guī)則的邊沿，優(yōu)選的高度(h)可以具有0.15μπι至0.30μπι的范圍。更優(yōu)選地，高度(h)大于(d/2) - 0.10 μπι且小于(d/2)+0.ΙΟμπι。在這種情況下，在制造可靠的器件時可以應用0.10 μπι的邊沿，以降低由刻蝕產(chǎn)生的誤差效應。更優(yōu)選地，高度(h)為 d/2 ο
[0052](倒裝型LED)
[0053]倒裝型LED的圖案化結(jié)構(gòu)還沒有很多研究。在一些方面，考慮倒裝型LED的圖案化結(jié)構(gòu)與水平或垂直型LED相似。因此，對于提高倒裝型LED的圖案化結(jié)構(gòu)的質(zhì)量仍然有很多要求。
[0054]圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的包括圖案化的襯底的倒裝型LED的剖面圖。
[0055]倒裝型LED形成在下基座10上。倒裝型LED包括藍寶石襯底70，第一摻雜類型層60，有源層50，第二摻雜類型層40。第一電極20連接至第一摻雜類型層60，第二電極30連接至第二摻雜類型層40。
[0056]第一電極20和第二電極30連接至下基座10上的電極片以操作倒裝型LED。
[0057]圖8示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖案化的襯底中的各種圖案化的形狀。
[0058]參考圖8，具有圓形基底的錐體圖案也被稱為圓錐體。水平軸示出“基底”，包括三角形、正方形、六邊形以及圓形。垂直軸示出“剖面”，包括凸起、凹入、截頭凸起和截頭凹入。
[0059]圖9示出根據(jù)本發(fā)明實施例的示出模擬結(jié)果的示圖。為了方便描述，僅示出三角形基底。但是，也進行正方形、六邊形以及圓形椎體的模擬。另外，還增加半球圖案結(jié)構(gòu)。
[0060]參考圖9，在進行模擬時使用四種不同的圖案化的襯底。
[0061]①凸起，背表面是平的(菲涅爾損失表面)
[0062]②凹入，背表面是平的(菲涅爾損失表面)
[0063]③凸起，背表面是不規(guī)則的(隨機粗糙的背表面)
[0064]④凹入，背表面是不規(guī)則的(隨機粗糙的背表面)
[0065]“平坦的背表面”意味背表面是平滑或鏡面的。當光射入到表面上時，光以與入射角基本相同的反射角反射?！安灰?guī)則的背表面”意味背表面是隨機粗糙的背表面或完美的郎伯表面。不規(guī)則的背表面可以通過研磨全表面形成。例如，研磨系統(tǒng)為SHUWA SGM-8000。該表面具有尺寸小于相應波長的隨機圖案。如果表面是由氮化鎵材料制得的，波長約為170nmo
[0066]模擬條件如下ο節(jié)距P為3 μ m，高度h為1.5 μ m，直徑為3 μ m。
[0067]圖10和圖11示出具有各種椎體圖案的倒裝型LED的模擬的相對LEE(光提取效率
[0068]參考圖10，凹入的襯底具有比凸出的襯底更高的LEE。在平坦的背表面中，凹入圖案的三角形和正方形圖案比其它的形狀更有效率。三角形圖案最佳。
[0069]參考圖11，非規(guī)則的背表面具有比平坦的背表面更高的LEE。在三角形、正方形、六邊形中，凹入襯底具有比凸出襯底更高的LEE。三角形的凹入圖案最佳。
[0070]圖4至圖6示出，在平面型LED中，凸出圖案具有優(yōu)勢。在平面型LED中，由于圖案的漫反射，凸出圖案幫助來自有源層的光不進入襯底的內(nèi)側(cè)。凸出圖案幫助降低在P型半導體和外部材料之間的界面中的反射，以及增強從外部材料提取的光。
[0071]與平面型LED相比，凹入型在倒裝型圖案化的襯底中更加有效率。似乎凸出圖案幫助來自有源層的光進入襯底的內(nèi)側(cè)。之后，藍寶石襯底和外部材料之間的全反射由于圖案的漫反射而降低。這使得從外部空間提取的光的數(shù)量增加。
[0072]已經(jīng)描述了關于根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底的優(yōu)選的實施例，本發(fā)明不限于此，并且可以在所附權(quán)利要求、詳細描述和附圖的范圍內(nèi)對本發(fā)明進行各種修改，這些實施例也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種氮化鎵基發(fā)光二極管的圖案化的襯底，包括: 具有圖案的圖案化的襯底， 其中多個所述圖案為具有直徑(d)的圓形類型，所述圖案的中心之間的距離為節(jié)距(P)，以及所述圖案的剖面為凸起形狀且具有高度(h)， 以及其中[直徑(d)/節(jié)距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖案化的襯底，其中所述高度(h)大于(d/2)- 0.ΙΟμπι，且小于(d/2) +0.1Oym03.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖案化的襯底，其中所述高度(h)為(d/2)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖案化的襯底，其中所述氮化鎵基發(fā)光二極管是水平型或垂直型。5.一種具有圖案化的襯底的氮化鎵基發(fā)光二極管，包括: 具有圖案的圖案化的襯底； 其中多個所述圖案為具有直徑(d)的圓形類型，所述圖案的中心之間的距離為節(jié)距(P)，以及所述圖案的剖面為凸起形狀且具有高度(h)， 以及其中[直徑(d)/節(jié)距(P)]的值大于(2.6)/3，且等于或小于3/3。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其中所述高度(h)大于(d/2)-0.10 μ m，且小于(d/2) +0.10 μ m。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其中所述高度(h)為(d/2)。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其中所述氮化鎵基發(fā)光二極管是水平型或垂直型。
【文檔編號】H01L33/22GK106067503SQ201510736920
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年11月3日 公開號201510736920.4, CN 106067503 A, CN 106067503A, CN 201510736920, CN-A-106067503, CN106067503 A, CN106067503A, CN201510736920, CN201510736920.4
【發(fā)明人】樸時賢, 崔浩
【申請人】嶺南大學校產(chǎn)學協(xié)力團