高性能的led圖形優(yōu)化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了高性能的LED圖形優(yōu)化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓臺組成，每個圓臺的高度H為0.5～4μm，上圓半徑R上為0.1～1μm，下圓半徑R下為1～3μm，R上＜R下，相鄰圓臺的邊距d為0.2～3μm。本發(fā)明還公開了上述LED圖形優(yōu)化襯底的制備方法及包含上述LED圖形優(yōu)化襯底的LED芯片。本發(fā)明通過采用圓臺型圖形襯底，大大提高了反射光子到達LED芯片頂部及底部的能力，具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，而且圓臺圖案有利于形核，有利于外延生長高質(zhì)量GaN晶體。
【專利說明】高性能的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED襯底，特別涉及一種高性能的LED圖形優(yōu)化襯底及LED芯片。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光效率是LED最關(guān)鍵的指標之一，制約發(fā)光效率提高的主要因素為器件的外量子效率(出射光子總數(shù)與注入器件的電子空穴對數(shù)目的比值)。外量子效率為內(nèi)量子效率(產(chǎn)生光子綜述與注入電子空穴對數(shù)的比值和光提取率的乘積。目前LED制造技術(shù)已十分成熟，內(nèi)量子效率達到較高的水平，提升的空間相對較小。但受制于芯片與封裝介質(zhì)全反射臨界角，芯片材料的吸收，電極阻擋等因素，LED的光提取率仍有較大的提升空間。而近年發(fā)展起來的圖形襯底技術(shù)不僅能通過圖案傾斜面改變光線射入方向，使光在界面出射的入射角變小(小于全反射臨界角)，更多光線能透射而出，從而使外量子效率得以提高；還能使GaN在外延生長時產(chǎn)生橫向磊晶效果，從而減小晶體缺陷密度，提高LED的內(nèi)量子效率。為滿足器件性能的要求，圖形襯底的設(shè)計已幾番更新，從最初的槽形到六角形、錐形、棱臺形等，圖形襯底技術(shù)的應(yīng)用效果已受到認可。
[0003]作為影響光路的直接因素，圖案形貌及參數(shù)(包括半徑、高度和間距等)的選擇勢必會影響圖形襯底LED的性能。Y.K.Su等人通過對圖形襯底上圖案間距的研究，結(jié)合ICP工藝，傳統(tǒng)光刻技術(shù)和納米壓印技術(shù)，在藍寶石襯底上制作間距分別為150nm, 2 μ m, 3 μ m的圖案，與傳統(tǒng)藍寶石襯底相比，發(fā)現(xiàn)2 μ m和3 μ m間距的藍寶石圖形襯底的結(jié)晶質(zhì)量最好，但150nm間距的圖形襯底則顯示出更高的外量子效率，為16.39%，傳統(tǒng)襯底和2 μ m，3 μ m間距的圖形襯底則分別為12.59%, 14.97%，，15.28% 0R.Hsueh等人用納米壓印技術(shù)制備出直徑、間隔及深度分別為240nm、450nm、165nm的圓孔圖案，在該圖形襯底上制備出的LED芯片的光強及出光率都分別比普通藍寶石襯底LED提高了 67^^38%,同時該光效也優(yōu)于微米級圖形襯底LED。然而，并非圖形尺寸越小，LED的性能就越好，圖形尺寸和LED性能間的關(guān)系仍然需要權(quán)衡。研究表明:隨著圖案間距的減小，在GaN和藍寶石界面易出現(xiàn)由于GaN生長來不及愈合而產(chǎn)生的空洞，并造成外延層更多的位錯，即便光提取效率有所提升，但外延層位錯的增加會降低LED芯片壽命。另外，納米級圖案制造成本高，產(chǎn)業(yè)化困難，大大限制了納米級圖形襯底LED芯片的推廣與應(yīng)用。由此可見，圖形尺寸和LED性能的優(yōu)化還需要進一步研究。
[0004]圖形襯底技術(shù)發(fā)展至今，已實現(xiàn)了 LED出光效率的大幅度提升，其中以錐體為基本圖案的圖形襯底LED的光提取效果最佳。然而，以圓錐、棱錐為基本圖案的圖形襯底，由于圖案尖端不利于形核，容易在GaN生長過程中引入大量缺陷，從而降低了 GaN的磊晶質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高性能的LED圖形優(yōu)化襯底，大大提高了反射光子到達LED芯片頂部及底部的能力。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種LED芯片。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]高性能的LED圖形優(yōu)化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓臺組成，每個圓臺的高度H為0.5~4 μ m,上圓半徑R上為0.1~I μ m,下圓半徑R下為I~3μπι, R±< R下，相鄰圓臺的邊距d為0.2~3μπι。
[0009]所述多個形狀相同的圓臺采用矩形排列方式。
[0010]所述多個形狀相同的圓臺采用六角排列方式。
[0011]高性能LED芯片，包括上述的高性能的LED圖形優(yōu)化襯底。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0013](I)本發(fā)明通過圓臺型圖形襯底，大大提高了反射光子到達LED芯片頂部及底部的能力，從而使更多光線反射至芯片頂、底部，大大增加了可被完全利用的有效光線，增強圖形化藍寶石襯底GaN基LED的出光效率，從而提高LED的外量子效率。相比普通的無圖案襯底LED，總光通量增大到2.4~2.6倍，頂部光通量增大到2.9~3.1倍，底部光通量增大到2.5~2.7倍。
[0014](2)本發(fā)明具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，而且圓臺圖案有利于形核，有利于外延生長聞質(zhì)量GaN晶體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的實施例1的LED芯片的示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的實施例1的LED圖形優(yōu)化襯底的示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的實施例1的圓臺單體示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的實施例1的LED圖形優(yōu)化襯底的圖案采用的排列方式示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的實施例2的LED圖形優(yōu)化襯底的圖案采用的排列方式示意圖。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0021]實施例1
[0022]圖1為本實施例的LED芯片的示意圖，由依次排列的LED圖形優(yōu)化襯底11、N型GaN層12，MQffs量子阱層13，P型GaN層14組成。
[0023]圓臺型藍寶石LED圖形優(yōu)化襯底如圖2所示，襯底的圖案由排列在襯底11表面的多個形狀相同的圓臺15組成，圓臺單體如圖3所示；每個圓臺的高H為1.2 μ m ;相鄰圓臺底面圓的邊距d為0.7 μ m ;本實施例中圓臺對應(yīng)于圓臺的上圓半徑1?±為0.5 μ m,下圓半徑RtS 1.4 μ m ;所述多個形狀相同的圓臺采用如圖4所示的矩形排列方式。
[0024]對本實施例的LED圖形優(yōu)化襯底進行模擬測試:
[0025]采用光學分析軟件TraceP1對本發(fā)明的LED芯片的圖形襯底做模擬測試，模擬測試過程如下:
[0026](I)襯底構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)襯底的制作，襯底尺寸為120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0027](2)圓臺圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)圓臺圖案的制作，圓臺的高H為1.2 μ m ;相鄰圓臺的邊距d為0.7 μ m ;上圓半徑R上為0.5 μ m,下圓半徑R下為1.4 μ m ;
呈矩形排布。
[0028](3)外延層構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)η型GaN層、MQffs量子阱層、P型GaN層的制作，η型GaN層尺寸為120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為120 μ mX 120 μ mX 50nm, p 型 GaN 層尺寸為 120mX 120 μ mX 3 μ m。
[0029](4)靶面構(gòu)建:采用TraceP1自帶的建模功能實現(xiàn)六層靶面的制作，六層靶面分別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下革巴面尺寸為120μπιΧ120μπιΧ3μπι，前、后靶面(相對芯片的長邊)尺寸為120 μ mX 120 μ mX 3 μ m，左、右靶面(相對芯片的短邊)尺寸為 120 μ mX 120 μ mX 3 μ m。
[0030](5)n型GaN層與圖形襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建:插入Solidworks建立的圖案層于襯底層之上，采用TracePro的差減功能實現(xiàn)n_GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0031](6)各材料層的參數(shù)設(shè)定:藍寶石襯底的折射率為1.67，η型GaN、MQWs量子阱、p型GaN材質(zhì)折射率均為2.45，四者均針對波長為450nm的光，溫度設(shè)置為300K，不考慮吸收與消光系數(shù)的影響。
[0032](7)量子阱層表面光源設(shè)定:量子阱層上下表面各設(shè)置一個表面光源屬性，發(fā)射形式為光通量，場角分布為Lambertian發(fā)光場型，光通量為5000a.u.，總光線數(shù)3000條，最少光線數(shù)10條。
[0033](8)光線追蹤:利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構(gòu)建的LED芯片模型進行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側(cè)面的光通量數(shù)據(jù)。
[0034]測試結(jié)果如下:
[0035]頂部光通量2034.7a.u.，底部光通量2291.2a.u.，側(cè)面光通量2796.la.u.，總光通量7122a.u.。與無圖案襯底相比，圓臺型圖形襯底LED芯片的頂部、底部及側(cè)面光通量分別提升了 2.0、1.6及2.2倍，其總光通量是無圖案襯底LED芯片的2.5倍。
[0036]本實施例的LED芯片制備過程如下:
[0037]采用標準的光刻顯影技術(shù)及電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)，C12/BC13作為刻蝕氣體，在藍寶石(0001)面制備出本實施例的LED圖形優(yōu)化襯底。采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在上述圖形化襯底上進行LED的外延生長，三甲基鎵(TMG)、三甲基銦(TMIn)和氨(NH3)分別作為Ga源、In源和N源，硅烷(SiH4)和Cp2Mg分別為η、ρ型摻雜齊U，高純度H2和N2作為載氣。生長過程如下:(I)將襯底在H2的氣氛下加熱至1050°C，烘烤5分鐘后通入N2進行氮化形核；(2)降溫至530°C進行緩沖層生長；(3)升溫使緩沖層重新結(jié)晶，分別生長2 μ m非摻雜U-GaN層、4.5 μ m Si摻雜n_GaN層、10個周期的InGaN/GaNMQffs>20nm Mg摻雜p-AlGaN電子阻擋層、200nm Mg摻雜ρ-GaN層，以及Mg重摻雜的p++GaN接觸層；(4)退火30分鐘。
[0038]為與本實施例的LED芯片對比，采用相同外延工藝制備平面藍寶石襯底LED芯片。對比結(jié)果如下:
[0039]X射線搖擺曲線顯示，本發(fā)明具有優(yōu)化的圓臺型襯底的LED芯片晶體質(zhì)量顯著改善，GaN(0002)、(10-12)半峰寬分別為223arcsec和247arcsec，比平面藍寶石襯底LED芯片分別降低1arcsec和12arcsec,表明了本測試例中的LED外延層具有較好的晶體質(zhì)量。
[0040]電致發(fā)光光譜顯示，本發(fā)明具有大小不同混合雙圖案的LED芯片的發(fā)光波長為446nm，半峰寬為19.3nm，在20mA的注入電流下，光功率為12.3mff,比平面藍寶石襯底LED芯片的光功率提高2.6mff,發(fā)光效果優(yōu)異。
[0041]實施例2
[0042]本實施例的LED芯片由依次排列的LED圖形優(yōu)化襯底、N型GaN層，MQffs量子阱層，P型GaN層組成。
[0043]圓臺型藍寶石LED圖形優(yōu)化襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓臺組成；每個圓臺的高H為1.2 μ m ;相鄰圓臺底面圓的邊距d為0.8 μ m ;本實施例中圓臺對應(yīng)于圓臺的上圓半徑1?±為0.5 μ m,下圓半徑RtS 1.3 μ m ;所述多個形狀相同的圓臺采用如圖5所示的六角排列方式。
[0044]對本實施例的LED圖形優(yōu)化襯底進行模擬測試:
[0045]采用光學分析軟件TraceP1對本發(fā)明的LED芯片的圖形襯底做模擬測試，模擬測試過程如下:
[0046](I)襯底構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)襯底的制作，襯底尺寸為120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈長方體狀。
[0047](2)圓臺圖案制作:采用Solidworks的作圖功能實現(xiàn)圓臺圖案的制作,每個圓臺的高H為1.2 μ m ;相鄰圓臺底面圓的邊距d為0.8 μ m ;本實施例中圓臺對應(yīng)于圓臺的上圓半徑R上為0.5 μ m,下圓半徑RtS 1.3 μ m ;所述多個形狀相同的圓臺六角排列方式。
[0048](3)外延層構(gòu)建:采用TracePro自帶的建模功能實現(xiàn)η型GaN層、MQWs量子講層、P型GaN層的制作，η型GaN層尺寸為120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為120 μ mX 120 μ mX 50nm, p 型 GaN 層尺寸為 120mX 120 μ mX 3 μ m。
[0049](4)靶面構(gòu)建:采用TraceP1自帶的建模功能實現(xiàn)六層靶面的制作，六層靶面分別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下革巴面尺寸為120μπιΧ120μπιΧ3μπι，前、后靶面(相對芯片的長邊)尺寸為120 μ mX 120 μ mX 3 μ m，左、右靶面(相對芯片的短邊)尺寸為 120 μ mX 120 μ mX 3 μ m。
[0050](5)n型GaN層與圖形襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建:插入Solidworks建立的圖案層于襯底層之上，采用TracePro的差減功能實現(xiàn)n_GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。
[0051](6)各材料層的參數(shù)設(shè)定:藍寶石襯底的折射率為1.67，η型GaN、MQWs量子阱、ρ型GaN材質(zhì)折射率均為2.45，四者均針對波長為450nm的光，溫度設(shè)置為300K，不考慮吸收與消光系數(shù)的影響。
[0052](7)量子阱層表面光源設(shè)定:量子阱層上下表面各設(shè)置一個表面光源屬性，發(fā)射形式為光通量，場角分布為Lambertian發(fā)光場型，光通量為5000a.u.，總光線數(shù)3000條，最少光線數(shù)10條。
[0053](8)光線追蹤:利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對上述構(gòu)建的LED芯片模型進行光線追蹤，分別獲取頂部、底部、側(cè)面的光通量數(shù)據(jù)。
[0054]測試結(jié)果如下:
[0055]頂部光通量2097.5a.u.，底部光通量2243.9a.u.，側(cè)面光通量3406.9a.u.，總光通量7948.3a.u.。與無圖案襯底相比，頂部光通量提升1.85倍，底部光通量提升1.73倍，側(cè)面光通量提升1.32倍，總光通量提升1.57倍。
[0056]實施例3
[0057]本實施例的LED芯片由依次排列的LED圖形優(yōu)化襯底、N型GaN層，MQffs量子阱層，P型GaN層組成。
[0058]圓臺型藍寶石LED圖形優(yōu)化襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓臺組成；每個圓臺的高度H為4 μ m,上圓半徑R上為0.1 μ m,下圓半徑R下為I μ m,相鄰圓臺的邊距d為0.2μπι ;所述多個形狀相同的圓臺采用六角排列方式。
[0059]測試結(jié)果如下:
[0060]頂部光通量1987.3a.u.，底部光通量2133.0a.u.，側(cè)面光通量3120.2a.u.，總光通量7240.5a.u.。與無圖案襯底相比，頂部光通量提升1.86倍，底部光通量提升1.43倍，側(cè)面光通量提升1.45倍，總光通量提升1.54倍。
[0061]實施例4
[0062]本實施例的LED芯片由依次排列的LED圖形優(yōu)化襯底、N型GaN層，MQffs量子阱層，P型GaN層組成。
[0063]圓臺型藍寶石LED圖形優(yōu)化襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓臺組成；每個圓臺的高度H為0.5 μ m,上圓半徑R上為I μ m,下圓半徑R下為3 μ m,相鄰圓臺的邊距d為3μπι ;所述多個形狀相同的圓臺采用六角排列方式。
[0064]測試結(jié)果如下:
[0065]頂部光通量1792.5a.u.，底部光通量2062.la.u.，側(cè)面光通量3106.4a.u.，總光通量6961a.u.。與無圖案襯底相比，頂部光通量提升1.58倍，底部光通量提升1.35倍，側(cè)面光通量提升1.44倍，總光通量提升1.44倍。
[0066]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.高性能的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的圓臺組成，每個圓臺的高度H為0.5~4 μ m,上圓半徑R上為0.1~1um,下圓半徑R下為1~3μm，R±< R下，相鄰圓臺的邊距d為0.2~3μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的圓臺采用矩形排列方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能的LED圖形優(yōu)化襯底，其特征在于，所述多個形狀相同的圓臺采用六角排列方式。
4.高性能LED芯片，其特征在于，包括如權(quán)利要求1~3任一項所述的高性能的LED圖形優(yōu)化襯底。
【文檔編號】H01L33/20GK104078541SQ201410284353
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】李國強, 鐘立義, 王海燕, 林志霆, 周仕忠, 喬田, 王凱誠 申請人:華南理工大學