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1、10申请公布号CN104078540A43申请公布日20141001CN104078540A21申请号201410284330822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发明人李国强王海燕乔田周仕忠林志霆王凯诚钟立义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LED图形衬底及LED芯片57摘要本发明公开了一种LED图形衬底，包括第一圆锥图案和第二圆锥图案；所述第一圆锥图案的底面圆半径R1大于第二圆锥图案的底面圆半径R2。本发明还公开了包含上述LED图形衬底的LED芯片。
2、。本发明提高了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。51INTCL权利要求书1页说明书6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6页附图3页10申请公布号CN104078540ACN104078540A1/1页21一种LED图形衬底，其特征在于，包括第一圆锥图案和第二圆锥图案；所述第一圆锥图案的底面圆半径R1大于第二圆锥图案的底面圆半径R2。2根据权利要求1所述的LED图形衬底，其特征在于，所述第一圆锥图案的底面圆半径R1为053M，倾角1为3070，相邻第一圆锥图案之间的间距D为159M；所述第二圆锥图案的底面圆半径R2为0215M，。
3、倾角2为3070；其中D2R12R2。3根据权利要求1所述的LED图形衬底，其特征在于，所述第一圆锥图案采用矩形排布方式。4根据权利要求1所述的LED图形衬底，其特征在于，所述第一圆锥图案采用六角排布方式。5根据权利要求3或4所述的LED图形衬底，其特征在于，所述第二圆锥图案排布在第一圆锥图案的间隙中。6一种LED芯片，其特征在于，包含权利要求15任一项所述的LED图形衬底。权利要求书CN104078540A1/6页3一种LED图形衬底及LED芯片技术领域0001本发明涉及LED衬底，特别涉及一种LED图形衬底及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。
4、多优点，被广泛应用于交通指示灯、LCD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。
5、子效率。0003图形衬底技术的关键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、半球形等，图形衬底技术的应用效果已受到认可。SUIHKONEN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。WANG等。
6、人认为单位面积内图形尺度的减小能够增加反射面从而提高光线的出射几率。0004图形衬底技术发展至今，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，由于图案刻蚀技术的发展限制，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。
7、空间。并且，过密的衬底图案不利于外延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LED图形衬底，进一步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的LED图形衬底的LED芯片。说明书CN104078540A2/6页40007本发明的目的通过以下技术方案实现0008一种LED图形衬底，包括第一圆锥图案和第二圆锥图案；所述第一圆锥图案的底面圆半径R1大于第二圆锥的底面圆半径R2。0009所述第一圆锥图案的底面圆半径R1为053M。
8、，倾角1为3070，相邻第一圆锥图案之间的间距D为159M；所述第二圆锥图案的底面圆半径R2为0215M，倾角2为3070；其中D2R12R2。0010所述第一圆锥图案采用矩形排布方式。0011所述第一圆锥图案采用六角排布方式。0012所述第二圆锥图案排布在第一圆锥图案的间隙中。0013一种LED芯片，包含上述的LED图形衬底。0014与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果00151本发明通过设置底面半径不同的两种圆锥图案，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底部射出，大大提高了LED光提取率。00162本发明的LED图形衬底，与普通单一圆锥图。
9、案LED图形衬底相比，其LED的侧面光通量比例下降，顶部及底部光通量比例上升。结合目前的LED器件工艺，从LED芯片侧面发射出的光线，由于封装器具的原因，将与封装材料发生一系列的反射、折射及光吸收等作用，这会大大减弱了实际发出的侧面光通量。而本专利提出的图形衬底技术，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，这无疑会大大提高LED器件发射出的有效光线的利用率。附图说明0017图1为本发明的实施例1的LED芯片的示意图。0018图2为本发明的实施例1的图形衬底的示意图。0019图3为本发明的实施例1的大圆锥图案单体的示意图。0020图4为本发明的实施例1的小圆锥图案单体的示意图。
10、。0021图5为本发明的实施例2的图形衬底的示意图。具体实施方式0022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。0023实施例10024本实施例的LED芯片如图1所示，由依次排列的图形衬底11，N型GAN层12，MQW量子阱层13，P型GAN层14组成。0025本实施例的图形衬底如图2所示，衬底上的图案由排布在衬底表面的大圆锥图案15和小圆锥图案16组成；大圆锥图案的底面圆半径R1为10M，倾角1为55，相邻大圆锥图案之间的间距D为30M，排布方式为六角排布；小圆锥图案的底面圆半径R2为04M，倾角2为55，排布在大圆锥图案的间隙中。大圆锥图案单体的示意图见图3。
11、，小圆锥图案单体的示意图见图4。0026对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试说明书CN104078540A3/6页50027采用光学分析软件TRACEPRO对本实施例的LED芯片的图形衬底做模拟测试，模拟测试过程如下00281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。00292大圆锥图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现大圆锥图案的制作，大圆锥图案的倾角1为55，底面半径R1为10M，相邻大圆锥图案的间距D为30M。00303小圆锥图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现小圆锥图案的制作，小圆锥的倾角2为。
12、55，底面圆半径R2为04M。00314图案的排布大圆锥图案排布方式为六角排布，小圆锥图案排布在大圆锥图案的间隙之中。00325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。00336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。003。
13、47N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的差集功能实现NGAN层相应图案构建。00358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。00369量子阱层表面光源设定，其特征在于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。003710光线追迹利用软件附带的扫光系统，对上述构建的LE。
14、D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。0038测试结果如下顶部光通量21707AU，底部光通量25345AU，侧面光通量27635AU，总光通量74687AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升22倍，底部光通量提升19倍，侧面光通量提升12倍，总光通量提升16倍。与单图案主图案衬底相比，顶部光通量提升5，底部光通量提升9，总光通量提升3。可知采用本实施例的图形衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0039本实施例的LED芯片制备过程如下0040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00。
15、01面制备出本实施例的图形化衬底图案。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、45MSI掺杂NGAN层、10个周期的INGAN/GAN说明书CN104078540A4/6页6MQWS、20NMMG掺杂PALGAN电子阻挡层、200NMMG掺杂PGAN。
16、层，以及MG重掺杂的PGAN接触层；4退火30分钟。0041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0042X射线摇摆曲线显示，采用本实施例的LED芯片晶体质量显著改善，GAN0002、1012半峰宽分别为223ARCSEC和245ARCSEC，比平面蓝宝石衬底LED芯片分别降低10ARCSEC和14ARCSEC，表明了本测试例中的LED外延层具有较好的晶体质量。0043电致发光光谱显示，本发明具有大小不同混合双图案的LED芯片的发光波长为445NM，半峰宽为192NM，在20MA的注入电流下，光功率为122MW，比平面蓝宝石衬底LED芯片的光功。
17、率提高25MW，发光效果优异。0044实施例20045本实施例的LED芯片由依次排列的图形衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0046本实施例的图形衬底由排布在衬底表面的大圆锥图案和小圆锥图案组成。大圆锥图案的底面圆半径R1为10M，倾角1为55，相邻大圆锥图案之间的间距D为30M，排布方式为六角排布；副图案小圆锥的底面圆半径R2为04M，倾角2为65，排布在主图案大圆锥的间隙中。0047采用光学分析软件TRACEPRO对本实施例的LED芯片的图形衬底做模拟测试，模拟测试过程如下00481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120M120M10。
18、0M，呈长方体状。00492大圆锥图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现大圆锥图案的制作，大圆锥图案的倾角1为55，底面半径R1为10M，相邻大圆锥图案的间距D为30M。00503小圆锥图案制作采用SOLIDWORKS的作图功能实现小圆锥图案的制作，小圆锥图案的倾角2为65，底面圆半径R2为04M。00514图案的排布大圆锥图案排布方式为六角排布，小圆锥图案排布在大圆锥图案的间隙之中。00525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。
19、层尺寸为120M120M02M，均呈长方体状。00536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。00547N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的差集功能实现NGAN层相应图案构建。00558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。
20、与消光系数的影响。00569量子阱层表面光源设定，其特征在于量子阱层上下表面各设置一个表面光说明书CN104078540A5/6页7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。005710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。0058测试结果如下顶部光通量22164AU，底部光通量2508AU，侧面光通量2674AU，总光通量73984AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升22倍，底部光通量提升19倍，侧面光通量提升11倍，总光通量提升16倍。
21、。与单图案大圆锥图案衬底相比，顶部光通量提升66，底部光通量提升82，总光通量提升18。可知采用本实施例的LED图形衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0059实施例30060本实施例的LED芯片由依次排列的图形衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0061如图5所示，本实施例的图形衬底21由排布在衬底表面的大圆锥图案25和小圆锥图案26组成。大圆锥图案的底面圆半径R1为10M，倾角1为65，相邻大圆锥图案之间的间距D为30M，排布方式为矩形排布；小圆锥图案的底面圆半径R2为04M，倾角2为55，排布在大圆锥图案的间隙中。0062测试结果如下顶部。
22、光通量22721AU，底部光通量2501AU，侧面光通量24863AU，总光通量72593AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升23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16倍。与单图案大圆锥图案衬底相比，顶部光通量提升19，底部光通量提升52，总光通量提升15。可知采用本实施例的LED图形衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0063实施例40064本实施例的LED芯片由依次排列的图形衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0065本实施例的图形衬底由排布在衬底表面的大圆锥图案和小圆锥图案组成。大圆锥图案的底面圆半径R1为3M。
23、，倾角1为70，相邻大圆锥图案之间的间距为9M，排布方式为矩形排布；小圆锥图案的底面圆半径R2为15M，倾角2为70，排布在大圆锥图案的间隙中。0066测试结果如下顶部光通量22355AU，底部光通量24989AU，侧面光通量24422AU，总光通量71946AU。与无图案衬底相比，顶部光通量提升23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。与单图案大圆锥图案衬底相比，顶部光通量提升10，底部光通量提升51，总光通量提升07。可知采用本实施例的LED图形衬底可大幅度提升LED光提取率，尤其对底部光通量的优化效果十分显著。0067实施例50068本实施例的LED芯片由依。
24、次排列的图形衬底，N型GAN层，MQW量子阱层，P型GAN层组成。0069本实施例的图形衬底由排布在衬底表面的大圆锥图案和小圆锥图案组成。大圆锥说明书CN104078540A6/6页8图案的底面圆半径R1为05M，倾角1为30，相邻大圆锥图案之间的间距为15M，排布方式为矩形排布；小圆锥图案的底面圆半径R2为02M，倾角2为30，排布在大圆锥图案的间隙中。0070测试结果与实施例4相近。0071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CN104078540A1/3页9图1图2说明书附图CN104078540A2/3页10图3图4说明书附图CN104078540A103/3页11图5说明书附图CN104078540A11。