一种LED图形优化衬底及LED芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种LED图形优化衬底及LED芯片，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55°~65°；相邻圆锥的边距d为0.4~0.6μm。本实用新型专利技术还公开了包括上述LED图形优化衬底的LED芯片。本实用新型专利技术与现有技术相比，具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，圆锥图形是目前工厂大规模LED芯片生产应用最广泛的图形之一，实际加工容易获得目标图案，便于推广应用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及LED芯片衬底，特别涉及一种LED图形优化衬底及LED芯片。
技术介绍
为了提高GaN基LED的内量子效率和出光效率，目前已有多项技术被应用在LED研究当中，如侧向外延生长技术、表面粗化、纳米压印技术以及金属镜面反射层技术等。而近年来提出的图形化衬底技术能有效地提高蓝宝石衬底GaN基LED的出光效率，成为了目前蓝宝石衬底GaN基LED领域研究的热点。作为图形化衬底技术的关键，衬底图案演变至今，对LED光提取效果和外延质量改善显著，已成为提高LED性能的重要途径。衬底图案对LED光学性能的提高体现为两方面:一方面，图案通过散射/反射改变光的轨迹，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，从而透射而出，提高光的提取率；另一方面，图案还可以使得后续的GaN生长出现侧向嘉晶的效果，减少晶体缺陷，提高内量子效率。为满足器件性能的要求，图案的设计已几番更新，从最初的槽形到六角形、锥形、棱台型等，图形化衬底技术的应用效果已受到认可。衬底的图案是图形化衬底技术的关键，对LED的出光效率起着决定性作用。作为影响光路的直接因素，图案的参数(包括边长、高度和间距等)在选择上势必会影响LED的性能。S.Suihkonen等人的实验证明:具有较大高度的六角形图案不仅增强了对光线的反射、散射作用，而且相对复杂的图形分布更有利于侧向外延，提高磊晶质量。具有尖锥状凸起结构的锥形图案也是如此，图案高度一般为1 2μπι，间隔为2 3μπι，底宽为2 3μπι，其斜角对LED的出光有较大的影响。R.Hsueh等人用纳米压印技术在蓝宝石衬底上制备纳米级的衬底图案，该衬底制造出的LED芯片的光强和出光率都高于普通蓝宝石衬底LED，分别提高了 67%和38%，也优于微米级图形衬底LED。但并非图形尺寸越小，LED的性能就越好，图形尺寸和LED性能间的关系仍然需要权衡。研究表明:随着图案间距的减小，在GaN和蓝宝石界面易出现由于GaN生长来不及愈合而产生的空洞，并造成外延层更多的位错，即便光提取效率有所提升，但外延层位错的增加会降低LED芯片寿命。另外，纳米级图案制造成本高，产业化比较困难，也大大限制了其推广应用。由此可见，图形尺寸和LED性能的优化还需要进一步研究。即便图形化衬底已大幅度提闻LED的出光效率，但对于以圆维为基本图案的图形衬底，目前仍未有研究能准确指出其最佳图案高度、底面半径、图案密度等，圆锥图形衬底图案的应用缺乏一套系统的设计指标。此外，在图案尺寸的优化问题上，解决尺寸缩小与其对GaN生长质量造成破坏间的权衡，在提高出光效率的前提下保证更好的磊晶质量，做到真正意义上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，确定圆锥图形化衬底图案的最优化参数亟待解决。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术的目的在于提供一种LED图形优化衬底，具有出光率高的优点。本技术的另一目的在于提供包括上述LED图形优化衬底的LED芯片。本技术的目的通过以下技术方案实现:—种LED图形优化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55° 65° ;相邻圆锥的边距d为0.4 0.6 μ m。所述多个形状相同的圆锥采用矩形排列方式。所述多个形状相同的圆锥采用六角排列方式。一种LED芯片，包括上述的LED图形优化衬底。与现有技术相比，本技术具有以下优点和有益效果:(I)本技术通过优化圆锥图形化衬底的图案参数，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部的能力，从而使更多光线反射至芯片顶部，增强图形化衬底GaN基LED的出光效率，相比普通的无图案衬底LED，总光通量增大到2.67倍，顶部光通量增大到3.23倍，底部光通量增大到2.81倍。(2)本技术具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，圆锥图案是目前芯片生产中应用广泛的图形，更加利于推广应用。(3)本技术采用优化的图案参数，避免边缘间距太大或太小造成的磊晶缺陷，进一步改善了磊晶质量，从而提高了 LED的内量子效率。附图说明图1为实施例1的LED芯片的图形化衬底的示意图。图2为实施例1的LED芯片的图形化衬底的不意图。图3为实施例1采用的圆锥图形的单体示意图。图4为实施例1的衬底的圆锥图案采用的排列方式示意图。图5为实施例2的衬底的圆锥图案采用的排列方式示意图。图6为LED芯片的总光通随圆锥的倾角α的变化趋势图。图7为LED芯片的总光通量随圆锥的边距d的变化趋势图。图8为本技术LED芯片的总光通量随圆锥底面圆半径R的变化趋势图。具体实施方式下面结合实施例，对本技术作进一步地详细说明，但本技术的实施方式不限于此。实施例1图1为本实施例的LED芯片的示意图，由依次排列的蓝宝石图形化衬底11、N型GaN层12，MQW量子阱层13，P型GaN层14组成。如图2 4所示，本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥15组成,每个圆锥的倾角α为60° ;相邻圆锥的边距d为0.6 μ m ;本实施例中圆锥对应的底面半径R为3.4 μ m ;所述多个形状相同的圆锥采用如图4所示的矩形排列方式。实施例2本实施例的LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为65° ;相邻圆锥的边距d为0.4μπι;本实施例中圆锥对应的底面圆半径R为3.0y m ;所述多个形状相同的圆锥采用如图5所示的六角排列方式。测试例:采用光学分析软件TracePiO对本技术的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下:(I)衬底构建:采用TracePro自带的建模功能实现衬底的制作，衬底尺寸为600 μ mX 250 μ mX 100 μ m,呈长方体状。(2)圆锥图案制作:采用Solidworks的作图功能实现圆锥图案的制作:圆锥的倾角α为20° 70° ;相邻圆锥的边距d为Ο.Γ .Ομπι;所述圆锥的底面圆半径R为1.4 3.4 μ m，呈矩形排布。(3)外延层构建:采用TracePro自带的建模功能实现N型GaN层、MQW量子阱层、P型GaN层的制作，N型GaN层尺寸为600 μ mX 250 μ mX4 μ m，MQW量子阱层尺寸为600 μ mX 250 μ mX50nm, P 型 GaN 层尺寸为 600 μ mX 250 μ m X 3 μ m，均呈长方体状。(4)靶面构建:采用TracePiO自带的建模功能实现六层靶面的制作，六层靶面分别置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸为600μπιΧ250μπι X3ym,前、后靶面(相对芯片的长边)尺寸为600 μ mX 104.41 μ mX 3 μ m，左、右靶面(相对芯片的短边)尺寸为 250 μ mX 104.41 μ mX3 μ m。(5) N型GaN层与图形衬底接触面相应图案构建:插入Solidworks建立的图案层于衬底层之上，采用TracePiO的差减功能实现N-GaN层相应图案构建。(6)各材料层的参数设定:蓝宝石衬底的折射率为1.67，N型GaN、MQff量子讲、P型GaN材质折射率均为2.45，四者均针对450nm的光，温度设置为300K，不考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED图形优化衬底，其特征在于，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55°~65°；相邻圆锥的边距d为0.4~0.6μm。

【技术特征摘要】
1.一种LED图形优化衬底，其特征在于，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥组成，每个圆锥的倾角α为55°飞5° ;相邻圆锥的边距d为0.Γθ.6μπι。2.根据权利要求1所述的LED图形优化衬底，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，乔田，王海燕，周仕忠，何攀贵，林志霆，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：