高性能的LED图形优化衬底及LED芯片.pdf

1、10申请公布号CN104078541A43申请公布日20141001CN104078541A21申请号201410284353922申请日20140623H01L33/2020100171申请人华南理工大学地址510640广东省广州市天河区五山路381号72发明人李国强钟立义王海燕林志霆周仕忠乔田王凯诚74专利代理机构广州市华学知识产权代理有限公司44245代理人陈文姬54发明名称高性能的LED图形优化衬底及LED芯片57摘要本发明公开了高性能的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台组成，每个圆台的高度H为054M，上圆半径R上为011M，下圆半径R下为13M，R上

2、R下，相邻圆台的边距D为023M。本发明还公开了上述LED图形优化衬底的制备方法及包含上述LED图形优化衬底的LED芯片。本发明通过采用圆台型图形衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力，具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，而且圆台图案有利于形核，有利于外延生长高质量GAN晶体。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页10申请公布号CN104078541ACN104078541A1/1页21高性能的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台组成，每个圆台的

3、高度H为054M，上圆半径R上为011M，下圆半径R下为13M，R上R下，相邻圆台的边距D为023M。2根据权利要求1所述的高性能的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆台采用矩形排列方式。3根据权利要求1所述的高性能的LED图形优化衬底，其特征在于，所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。4高性能LED芯片，其特征在于，包括如权利要求13任一项所述的高性能的LED图形优化衬底。权利要求书CN104078541A1/5页3高性能的LED图形优化衬底及LED芯片技术领域0001本发明涉及LED衬底，特别涉及一种高性能的LED图形优化衬底及LED芯片。背景技术0002发光效率是LED

4、最关键的指标之一，制约发光效率提高的主要因素为器件的外量子效率出射光子总数与注入器件的电子空穴对数目的比值。外量子效率为内量子效率产生光子综述与注入电子空穴对数的比值和光提取率的乘积。目前LED制造技术已十分成熟，内量子效率达到较高的水平，提升的空间相对较小。但受制于芯片与封装介质全反射临界角，芯片材料的吸收，电极阻挡等因素，LED的光提取率仍有较大的提升空间。而近年发展起来的图形衬底技术不仅能通过图案倾斜面改变光线射入方向，使光在界面出射的入射角变小小于全反射临界角，更多光线能透射而出，从而使外量子效率得以提高；还能使GAN在外延生长时产生横向磊晶效果，从而减小晶体缺陷密度，提高LED的内量

5、子效率。为满足器件性能的要求，图形衬底的设计已几番更新，从最初的槽形到六角形、锥形、棱台形等，图形衬底技术的应用效果已受到认可。0003作为影响光路的直接因素，图案形貌及参数包括半径、高度和间距等的选择势必会影响图形衬底LED的性能。YKSU等人通过对图形衬底上图案间距的研究，结合ICP工艺，传统光刻技术和纳米压印技术，在蓝宝石衬底上制作间距分别为150NM，2M，3M的图案，与传统蓝宝石衬底相比，发现2M和3M间距的蓝宝石图形衬底的结晶质量最好，但150NM间距的图形衬底则显示出更高的外量子效率，为1639，传统衬底和2M，3M间距的图形衬底则分别为1259，1497,，1528。RHSUE

6、H等人用纳米压印技术制备出直径、间隔及深度分别为240NM、450NM、165NM的圆孔图案，在该图形衬底上制备出的LED芯片的光强及出光率都分别比普通蓝宝石衬底LED提高了67、38，同时该光效也优于微米级图形衬底LED。然而，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，产业化困难，大大限制了纳米级图形衬底LED芯片的推广与应用。由此可见，图形尺寸和L

7、ED性能的优化还需要进一步研究。0004图形衬底技术发展至今，已实现了LED出光效率的大幅度提升，其中以锥体为基本图案的图形衬底LED的光提取效果最佳。然而，以圆锥、棱锥为基本图案的图形衬底，由于图案尖端不利于形核，容易在GAN生长过程中引入大量缺陷，从而降低了GAN的磊晶质量。发明内容0005为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种高性能的LED图形优化衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力。说明书CN104078541A2/5页40006本发明的另一目的在于提供一种LED芯片。0007本发明的目的通过以下技术方案实现0008高性能的LED图形优化衬底，衬底

8、的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成，每个圆台的高度H为054M，上圆半径R上为011M，下圆半径R下为13M，R上R下，相邻圆台的边距D为023M。0009所述多个形状相同的圆台采用矩形排列方式。0010所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。0011高性能LED芯片，包括上述的高性能的LED图形优化衬底。0012与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果00131本发明通过圆台型图形衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力，从而使更多光线反射至芯片顶、底部，大大增加了可被完全利用的有效光线，增强图形化蓝宝石衬底GAN基LED的出光效率，从而提高LED的外量子效率。

9、相比普通的无图案衬底LED，总光通量增大到2426倍，顶部光通量增大到2931倍，底部光通量增大到2527倍。00142本发明具有比普通衬底LED芯片更优的出光效率，而且圆台图案有利于形核，有利于外延生长高质量GAN晶体。附图说明0015图1为本发明的实施例1的LED芯片的示意图。0016图2为本发明的实施例1的LED图形优化衬底的示意图。0017图3为本发明的实施例1的圆台单体示意图。0018图4为本发明的实施例1的LED图形优化衬底的图案采用的排列方式示意图。0019图5为本发明的实施例2的LED图形优化衬底的图案采用的排列方式示意图。具体实施方式0020下面结合实施例，对本发明作进一步地

10、详细说明，但本发明的实施方式不限于此。0021实施例10022图1为本实施例的LED芯片的示意图，由依次排列的LED图形优化衬底11、N型GAN层12，MQWS量子阱层13，P型GAN层14组成。0023圆台型蓝宝石LED图形优化衬底如图2所示，衬底的图案由排列在衬底11表面的多个形状相同的圆台15组成，圆台单体如图3所示；每个圆台的高H为12M；相邻圆台底面圆的边距D为07M；本实施例中圆台对应于圆台的上圆半径R上为05M，下圆半径R下为14M；所述多个形状相同的圆台采用如图4所示的矩形排列方式。0024对本实施例的LED图形优化衬底进行模拟测试0025采用光学分析软件TRACEPRO对本发

11、明的LED芯片的图形衬底做模拟测试，模拟测试过程如下00261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120M120M100M，呈长方体状。00272圆台图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现圆台图案的制作，圆台的高说明书CN104078541A3/5页5H为12M；相邻圆台的边距D为07M；上圆半径R上为05M，下圆半径R下为14M；呈矩形排布。00283外延层构建采用TRACEPRO自带的建模功能实现N型GAN层、MQWS量子阱层、P型GAN层的制作，N型GAN层尺寸为120M120M4M，MQW量子阱层尺寸为120M120M50NM，P型GAN层尺寸为

12、120M120M3M。00294靶面构建采用TRACEPRO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120M120M3M，前、后靶面相对芯片的长边尺寸为120M120M3M，左、右靶面相对芯片的短边尺寸为120M120M3M。00305N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TRACEPRO的差减功能实现NGAN层相应图案构建。00316各材料层的参数设定蓝宝石衬底的折射率为167，N型GAN、MQWS量子阱、P型GAN材质折射率均为245，四者均针对波长为450NM的光，温

13、度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的影响。00327量子阱层表面光源设定量子阱层上下表面各设置一个表面光源属性，发射形式为光通量，场角分布为LAMBERTIAN发光场型，光通量为5000AU，总光线数3000条，最少光线数10条。00338光线追踪利用软件附带的扫光系统，对上述构建的LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据。0034测试结果如下0035顶部光通量20347AU，底部光通量22912AU，侧面光通量27961AU，总光通量7122AU。与无图案衬底相比，圆台型图形衬底LED芯片的顶部、底部及侧面光通量分别提升了20、16及22倍，其总光通量是无图案衬底

14、LED芯片的25倍。0036本实施例的LED芯片制备过程如下0037采用标准的光刻显影技术及电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，CL2/BCL3作为刻蚀气体，在蓝宝石0001面制备出本实施例的LED图形优化衬底。采用金属有机化学气相沉积MOCVD技术在上述图形化衬底上进行LED的外延生长，三甲基镓TMG、三甲基铟TMIN和氨NH3分别作为GA源、IN源和N源，硅烷SIH4和CP2MG分别为N、P型掺杂剂，高纯度H2和N2作为载气。生长过程如下1将衬底在H2的气氛下加热至1050，烘烤5分钟后通入N2进行氮化形核；2降温至530进行缓冲层生长；3升温使缓冲层重新结晶，分别生长2M非掺杂UGAN层、4

15、5MSI掺杂NGAN层、10个周期的INGAN/GANMQWS、20NMMG掺杂PALGAN电子阻挡层、200NMMG掺杂PGAN层，以及MG重掺杂的PGAN接触层；4退火30分钟。0038为与本实施例的LED芯片对比，采用相同外延工艺制备平面蓝宝石衬底LED芯片。对比结果如下0039X射线摇摆曲线显示，本发明具有优化的圆台型衬底的LED芯片晶体质量显著改善，GAN0002、1012半峰宽分别为223ARCSEC和247ARCSEC，比平面蓝宝石衬底LED芯片分别降低10ARCSEC和12ARCSEC，表明了本测试例中的LED外延层具有较好的晶体质量。0040电致发光光谱显示，本发明具有大小不

16、同混合双图案的LED芯片的发光波长为说明书CN104078541A4/5页6446NM，半峰宽为193NM，在20MA的注入电流下，光功率为123MW，比平面蓝宝石衬底LED芯片的光功率提高26MW，发光效果优异。0041实施例20042本实施例的LED芯片由依次排列的LED图形优化衬底、N型GAN层，MQWS量子阱层，P型GAN层组成。0043圆台型蓝宝石LED图形优化衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成；每个圆台的高H为12M；相邻圆台底面圆的边距D为08M；本实施例中圆台对应于圆台的上圆半径R上为05M，下圆半径R下为13M；所述多个形状相同的圆台采用如图5所示的六角排列方

17、式。0044对本实施例的LED图形优化衬底进行模拟测试0045采用光学分析软件TRACEPRO对本发明的LED芯片的图形衬底做模拟测试，模拟测试过程如下00461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120M120M100M，呈长方体状。00472圆台图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现圆台图案的制作，每个圆台的高H为12M；相邻圆台底面圆的边距D为08M；本实施例中圆台对应于圆台的上圆半径R上为05M，下圆半径R下为13M；所述多个形状相同的圆台六角排列方式。00483外延层构建采用TRACEPRO自带的建模功能实现N型GAN层、MQWS量子阱层、P型

18、GAN层的制作，N型GAN层尺寸为120M120M4M，MQW量子阱层尺寸为120M120M50NM，P型GAN层尺寸为120M120M3M。00494靶面构建采用TRACEPRO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120M120M3M，前、后靶面相对芯片的长边尺寸为120M120M3M，左、右靶面相对芯片的短边尺寸为120M120M3M。00505N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TRACEPRO的差减功能实现NGAN层相应图案构建。00516各材料层的参数设定蓝

19、宝石衬底的折射率为167，N型GAN、MQWS量子阱、P型GAN材质折射率均为245，四者均针对波长为450NM的光，温度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的影响。00527量子阱层表面光源设定量子阱层上下表面各设置一个表面光源属性，发射形式为光通量，场角分布为LAMBERTIAN发光场型，光通量为5000AU，总光线数3000条，最少光线数10条。00538光线追踪利用软件附带的扫光系统，对上述构建的LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据。0054测试结果如下0055顶部光通量20975AU，底部光通量22439AU，侧面光通量34069AU，总光通量79483A

20、U。与无图案衬底相比，顶部光通量提升185倍，底部光通量提升173倍，侧面光通量提升132倍，总光通量提升157倍。0056实施例3说明书CN104078541A5/5页70057本实施例的LED芯片由依次排列的LED图形优化衬底、N型GAN层，MQWS量子阱层，P型GAN层组成。0058圆台型蓝宝石LED图形优化衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成；每个圆台的高度H为4M，上圆半径R上为01M，下圆半径R下为1M，相邻圆台的边距D为02M；所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。0059测试结果如下0060顶部光通量19873AU，底部光通量21330AU，侧面光通量31202

21、AU，总光通量72405AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升186倍，底部光通量提升143倍，侧面光通量提升145倍，总光通量提升154倍。0061实施例40062本实施例的LED芯片由依次排列的LED图形优化衬底、N型GAN层，MQWS量子阱层，P型GAN层组成。0063圆台型蓝宝石LED图形优化衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆台组成；每个圆台的高度H为05M，上圆半径R上为1M，下圆半径R下为3M，相邻圆台的边距D为3M；所述多个形状相同的圆台采用六角排列方式。0064测试结果如下0065顶部光通量17925AU，底部光通量20621AU，侧面光通量31064AU，总光通量6961AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升158倍，底部光通量提升135倍，侧面光通量提升144倍，总光通量提升144倍。0066上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。说明书CN104078541A1/3页8图1图2说明书附图CN104078541A2/3页9图3图4说明书附图CN104078541A3/3页10图5说明书附图CN104078541A10