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1、10申请公布号CN104078542A43申请公布日20141001CN104078542A21申请号201410284314922申请日20140623H01L33/2420100171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发明人李国强王海燕林志霆周仕忠乔田王凯诚钟立义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发明名称一种双图案的LED图形化衬底及LED芯片57摘要本发明公开了一种双图案的LED图形化衬底，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径R1与圆锥的底面圆半径R2不相等。本发明还公开了包含上述双图案的。
2、LED图形化衬底的LED芯片。本发明结合圆锥图案锥面及半球图案球面对LED出光效率的优化作用提高LED出光效率；衬底上的图案密集，有利于更多的光线射出LED芯片，尤其有利于更多的光线从芯片顶部及底部射出，大大提高了LED光提取率。51INTCL权利要求书1页说明书7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7页附图3页10申请公布号CN104078542ACN104078542A1/1页21一种双图案的LED图形化衬底，其特征在于，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径R1与圆锥的底面圆半径R2不相等。2根据权利要求1所述的双图案的L。
3、ED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案的底面圆半径R1为053M，相邻半球图案之间的间距D为159M；每个圆锥图案的底面圆半径R2为0215M，倾角2为3070；同时，R1R2且D2R12R2。3根据权利要求2所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。4根据权利要求3所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案排列在半球图案的间隙中。5根据权利要求1所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案的底面圆半径R2为053M，倾角3为3070，相邻圆锥图案之间的间距为159M；所述半球图案的底面圆半径R1为0215M；同时，。
4、R2R1且D2R22R1。6根据权利要求5所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。7根据权利要求6所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案排列在圆锥图案的间隙中。8一种LED芯片，其特征在于，包含权利要求17任一项所述的双图案的LED图形化衬底。权利要求书CN104078542A1/7页3一种双图案的LED图形化衬底及LED芯片技术领域0001本发明涉及LED图形化衬底，特别涉及一种双图案的LED图形化衬底及LED芯片。背景技术0002近年来，GAN基LED因具有亮度高、能耗低、寿命长等诸多优点，被广泛应用于交通指示灯、LCD。
5、背光源、全彩显示器和通用照明领域等。然而，GAN材料的折射率N245与空气N10之间存在巨大差异，全反射临界角仅为24左右，这导致光线在芯片内部发生显著的全反射现象而无法射出LED，大大降低了LED的光提取率。后来针对这一问题提出了改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体，表面粗化和衬底图形化等。其中，图形化衬底技术不仅能提高光提取率，还能提高内量子效率。一方面，衬底上的图案通过折射和反射改变光的轨迹，使光在界面出射的入射角变小小于全反射临界角，从而得以透射而出，提高光的提取率；另一方面，图案还可以使得后续的GAN生长出现侧向磊晶的效果，减少晶体缺陷，提高内量子效率。0003图形化衬底技术的关键。
6、在于对衬底图案的设计，其对LED的出光效率起着决定性作用。为满足器件性能的要求，图案的种类已几番更新，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。SSUIHKONEN等人的实验证明具有较大高度的六角形图案增强了对光线的反射、散射作用，并且具有尖锥状凸起结构的锥形图案的倾斜角对LED的出光有较大的影响。LEE等人使用ICP刻蚀获得圆锥体图形化蓝宝石衬底，在20MA电流的驱动下，获得的LED的输出功率提高了35；SU等人分别在蓝宝石衬底上制造出纳米级圆孔图案和微米级圆孔图案，其结果显示，纳米级图案相比微米级图案有更好的出光效率。CCWANG等人认为单位面积内图形尺度的。
7、减小能够增加反射面从而提高光线的出射几率。0004目前的研究已经证明随着衬底上相邻图案之间距离的缩小，LED芯片的光提取率明显增加。其原因在于，图案之间的距离缩小使单位面积的衬底表面上可以排布更多的图案，图案更加密集，从而能够更大限度地提高LED的光提取率。然而，由于图案刻蚀技术发展的限制，图形衬底技术的图案设计一直仅限于单一图案的规则性排布，如圆锥、六棱锥、三棱锥、半球等单一图案的矩形或六角排布。在这些传统的衬底图案设计中，图案间距不可能无极限地缩小，即使在最密排布的图案中，相邻图案之间仍然存在较多间隙，而这部分的间隙将会大大地减小了图形衬底LED光提取率的提升空间。并且，过密的衬底图案不利。
8、于外延GAN晶体的形核及生长，因此图形衬底图案的设计及排布是优化LED出光效率的一大难题。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双图案的LED图形化衬底，进一步了提高图形衬底上图案的密集性，从而达到提高LED出光效率的目的。0006本发明的另一目的在于提供包含上述双图案的LED图形化衬底的LED芯片。说明书CN104078542A2/7页40007本发明的目的通过以下技术方案实现0008一种双图案的LED图形化衬底，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径R1与圆锥的底面圆半径R2不相等。0009所述半球图案的底面圆半径R1为053M，。
9、相邻半球图案之间的间距D为159M；每个圆锥图案的底面圆半径R2为0215M，倾角2为3070；同时，R1R2且D2R12R2。0010所述半球图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。0011所述圆锥图案排列在半球图案的间隙中。0012所述圆锥图案的底面圆半径R2为053M，倾角3为3070，相邻圆锥图案之间的间距为159M；所述半球图案的底面圆半径R1为0215M；同时，R2R1且D2R22R1。0013所述圆锥图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。0014所述半球图案排列在圆锥图案的间隙中。0015一种LED芯片，包含上述的双图案的LED图形化衬底。0016与现有技术相比，本发明具有以下。
10、优点和有益效果00171本发明结合圆锥图案锥面及半球图案球面对LED出光效率的优化作用，进一步提高LED出光效率。00182本发明的半球图案的底面圆半径与圆锥的底面圆半径不相等，衬底上的图案更加密集，有利于更多的光线射出LED芯片，尤其有利于更多的光线从芯片顶部及底部射出，大大提高了LED光提取率。00193本发明的LED图形化衬底，与普通单一大图案的LED图形衬底相比，其LED的侧面光通量比例下降，而顶部及底部光通量比例有较大的提升。结合实际的LED器件工艺，从LED芯片侧面发射出的光线会与封装器具如反射杯等发生一系列的反射、吸收等光学作用，这将大大减弱了器件的侧面光通量。而本发明的LED图。
11、形化衬底，能够在减小侧面光通量比例的同时，提高顶部及底部的光通量比例，大大增加了LED器件发射出的有效光线，提高了LED灯具发射光线的利用率。附图说明0020图1为本发明的实施例1的LED芯片的示意图。0021图2为本发明的实施例1的双图案的LED图形化衬底示意图。0022图3为本发明的实施例1的半球图案单体的示意图。0023图4为本发明的实施例1的圆锥图案单体的示意图。0024图5为本发明的实施例3的双图案的LED图形化衬底示意图。具体实施方式0025下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。0026实施例10027如图1所示，本实施例的LED芯片由依次排列的双。
12、图案的LED图形化衬底11，N型GAN层12，MQW量子阱层13，P型GAN层14组成。说明书CN104078542A3/7页50028本实施例的双图案的LED图形化衬底如图2所示，衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案15和圆锥图案16组成，半球图案的底面圆半径R1为10M，相邻半球图案之间的间距D为30M，排布方式为六角排布；圆锥图案的底面圆半径R2为04M，倾角2为55，排布在半球图案的间隙中。其中，半球图案单体的示意图见图3，圆锥图案单体的示意图见图4。0029对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试0030采用光学分析软件TRACEPRO对本实施例的LED芯片的图形化衬底做模。
13、拟测试，模拟测试过程如下00311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。00322大图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现半球图案的制作，其特征在于半球图案的底面圆半径R1为10M，相邻半球图案的间距D为30M。00333小图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角2为55，底面圆半径R2为04M。00344图案的排布半球图案的排布方式为六角排布，圆锥图案排布在半球图案的间隙之中。00355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。
14、，N型GAN层尺寸为120M120M4M，MQW量子阱层尺寸为120M120M75NM，P型GAN层尺寸为120M120M02M，均呈长方体状。00366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120M120M001M，前、后、左、右靶面尺寸为100M104275M001M。00377N型GAN层与图形化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的差集功能实现NGAN层相应图案构建。00388各材料层的参数设定蓝宝石衬底的折射率为167，N型GAN、M。
15、QW量子阱、P型GAN材质折射率均为245，四者均针对450NM的光，温度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的影响。00399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。004010光线追迹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。0041测试结果如下顶部光通量20428AU，底部光通量23827AU，侧面光通量29145AU，总光通量7340AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2倍，底部光通量提升。
16、17倍，侧面光通量提升13倍，总光通量提升16倍。与单图案大图案衬底相比，顶部光通量提升87，底部光通量提升96，总光通量提升33。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对顶、底部光通量的优化效果十分显著。0042本实施例的LED芯片制备过程如下0043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作为刻说明书CN104078542A4/7页6蚀气体，在蓝宝石0001面制备出本实施例的双图案的LED图形化衬底。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、。
17、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、45MSI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。0044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0045X射线摇摆曲线显示，本实施例的具有大小不同混合双图案的LE。
18、D芯片晶体质量显著改善，GAN0002、1012半峰宽分别为218ARCSEC和239ARCSEC，比平面蓝宝石衬底LED芯片分别降低15ARCSEC和20ARCSEC，表明了本测试例中的LED外延层具有较好的晶体质量。0046电致发光光谱显示，本实施例的具有大小不同混合双图案的LED芯片的发光波长为446NM，半峰宽为197NM，在20MA的注入电流下，光功率为117MW，比平面蓝宝石衬底LED芯片的光功率提高2MW，发光效果优异。0047实施例20048本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0049本实施例的双图案的LED。
19、图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。半球图案的底面圆半径为10M，相邻半球图案之间的间距为30M，排布方式为六角排布；圆锥图案的底面圆半径为04M，倾角为65，排布在半球图案的间隙中。0050对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试0051采用光学分析软件TRACEPRO对本实施例的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下00521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。00532大图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现半球图案图案的制作，半球图案的底面圆半径R1为10M，相邻半。
20、球图案的间距D为30M。00543小图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角2为65，底面圆半径R2为04M。00554图案的排布半球图案排布方式为六角排布，圆锥图案排布在半球图案的间隙之中。00565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120M120M4M，MQW量子阱层尺寸为120M120M75NM，P型GAN层尺寸为120M120M02M，均呈长方体状。00576靶面构建采用TRACEPRO自带的建模功能实现六层靶面的制作，六层靶面分说明书CN104078542A5/7页7。
21、别置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸为120M120M001M，前、后、左、右靶面尺寸为100M104275M001M。00587N型GAN层与图形化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的差集功能实现NGAN层相应图案构建。00598各材料层的参数设定蓝宝石衬底的折射率为167，N型GAN、MQW量子阱、P型GAN材质折射率均为245，四者均针对450NM的光，温度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的影响。00609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LAMBE。
22、RTIAN发光场型，光通量为5000AU，总光线数3000条，最少光线数10条。006110光线追迹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。0062测试结果如下顶部光通量20484AU，底部光通量23723AU，侧面光通量29033AU，总光通量7324AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升2倍，底部光通量提升17倍，侧面光通量提升13倍，总光通量提升16倍。与单图案大图案衬底相比，顶部光通量提升9，底部光通量提升91，总光通量提升31。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对顶、底部光通量的优化效果十分显著。
23、。0063实施例30064本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0065本实施例的双图案的LED图形化衬底如图5所示，衬底21上的图案由排布在衬底表面的半球图案25和圆锥图案26组成，圆锥图案的底面圆半径R2为10M，倾角3为55，相邻圆锥图案之间的间距D为30M，排布方式为矩形排布；半球图案的底面圆半径R1为04M，排布在圆锥图案的间隙中。0066对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试0067采用光学分析软件TRACEPRO对本发明的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下00681衬底构建采用TRACE。
24、PRO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。00692大图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角3为55，底面圆半径R3为10M，相邻大半球的间距D为30M。00703小图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现半球图案的制作，半球图案的底面圆半径R4为04M。00714图案的排布圆锥图案排布方式为矩形排布，半球图案排布在圆锥图案的间隙之中。00725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120M120M4M，MQW量子阱层尺寸为120M。
25、120M75NM，P型GAN层尺寸为120M120M02M，均呈长方体状。00736靶面构建采用TRACEPRO自带的建模功能实现六层靶面的制作，六层靶面分说明书CN104078542A6/7页8别置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸为120M120M001M，前、后、左、右靶面尺寸为100M104275M001M。00747N型GAN层与图形化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的差集功能实现NGAN层相应图案构建。00758各材料层的参数设定蓝宝石衬底的折射率为167，N型GAN、MQW量子阱、P型GAN材质折射。
26、率均为245，四者均针对450NM的光，温度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的影响。00769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。007710光线追迹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。0078测试结果如下顶部光通量21216AU，底部光通量24721AU，侧面光通量28385AU，总光通量74322AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升21倍，底部光通量提升18倍，侧面光通量提升12。
27、倍，总光通量提升16倍。与单图案大图案衬底相比，顶部光通量提升2，底部光通量提升66，总光通量提升22。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0079实施例40080本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0081本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。半球图案的底面圆半径R1为3M，相邻半球图案之间的间距为9M；每个圆锥图案的底面圆半径R2为15M，倾角2为30。0082测试结果与实施例1类似。0083实施例50084本实施例的。
28、LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0085本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。半球图案的底面圆半径R1为05M，相邻半球图案之间的间距为9M；每个圆锥图案的底面圆半径R2为02M，倾角2为70。0086测试结果如下顶部光通量22027AU，底部光通量24565AU，侧面光通量25438AU，总光通量7203AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升21倍，底部光通量提升18倍，侧面光通量提升10倍，总光通量提升15倍。与单图案大图案衬底相比，顶部光通量提升12，底部光通量提升33，总光通量。
29、提升08。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0087实施例60088本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0089本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和说明书CN104078542A7/7页9圆锥图案组成。圆锥图案的底面圆半径R2为3M，倾角3为30，相邻圆锥图案之间的间距为9M；所述半球图案的底面圆半径R1为15M。0090测试结果如下顶部光通量21302AU，底部光通量23249AU，侧面光通量26130AU，总光通量70681AU。
30、。与无图案衬底相比，顶部光通量提升21倍，底部光通量提升16倍，侧面光通量提升10倍，总光通量提升15倍。与单图案大图案衬底相比，顶部光通量提升27，底部光通量提升52，总光通量提升03。可知本实施例的LED图形化衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0091实施例70092本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0093本实施例的双图案的LED图形化衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案和圆锥图案组成。圆锥图案的底面圆半径R2为05M，倾角3为70，相邻圆锥图案之间的间距为15M；所述半球图案的底面圆半径R1为02M。0094测试结果与实施例3类似。0095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CN104078542A1/3页10图1图2说明书附图CN104078542A102/3页11图3图4说明书附图CN104078542A113/3页12图5说明书附图CN104078542A12。