[發(fā)明專利]一種經(jīng)圖案優(yōu)化的LED芯片的圖形化襯底及LED芯片

無效

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• 申請日: 2012-12-15
• 公開（公告）號: CN103022302A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李國強(qiáng);王海燕;周仕忠;林志霆
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: H01L33/22
• 分類號: H01L33/22
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及LED芯片，特別涉及一種經(jīng)圖案優(yōu)化的LED芯片的圖形化襯底及LED芯片。

背景技術(shù)

為了提高GaN基LED的內(nèi)量子效率和出光效率，目前已有多項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用在LED研究當(dāng)中，如側(cè)向外延生長技術(shù)、表面粗化、納米壓印技術(shù)以及金屬鏡面反射層技術(shù)等。而近年來提出的圖形化襯底技術(shù)能有效地提高藍(lán)寶石襯底GaN基LED的出光效率，成為了目前藍(lán)寶石襯底GaN基LED領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。作為圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵，襯底圖案演變至今，對LED光提取效果和外延質(zhì)量改善顯著，已成為提高LED性能的重要途徑。

襯底圖案對LED光學(xué)性能的提高體現(xiàn)為兩方面：一方面，圖案通過散射/反射改變光的軌跡，使光在界面出射的入射角變小（小于全反射臨界角），從而透射而出，提高光的提取率；另一方面，圖案還可以使得后續(xù)的GaN生長出現(xiàn)側(cè)向磊晶的效果，減少晶體缺陷，提高內(nèi)量子效率。為滿足器件性能的要求，圖案的設(shè)計已幾番更新，從最初的槽形到六角形、錐形、棱臺型等，圖形化襯底技術(shù)的應(yīng)用效果已受到認(rèn)可。

襯底的圖案是圖形化襯底技術(shù)的關(guān)鍵，對LED的出光效率起著決定性作用。作為影響光路的直接因素，圖案的參數(shù)（包括邊長、高度和間距等）在選擇上勢必會影響LED的性能。J.H.Cheng等人報道過，錐形圖案會導(dǎo)致較大的位錯。為了減少位錯，應(yīng)該采取較小的斜面角，但是小斜面角會削弱圖形對光的反射或散射效應(yīng)，因此需要尋求一個平衡點(diǎn)。D.S.Wuu等人利用濕法刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備邊長為3μm，深度為1.5μm的正三棱錐圖形，采用MOCVD法生長GaN并制成芯片，對其進(jìn)行光學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)圖形藍(lán)寶石襯底GaN基LED的外量子效率因圖案密度的改變而有所不同，圖形化襯底LED的輸出功率比普通LED的輸出功率提升25%。另外，R.Hsueh等人用納米壓印技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備納米級的襯底圖案，該襯底制造出的LED芯片的光強(qiáng)和出光率都高于普通藍(lán)寶石襯底LED，分別提高了67%和38%，也優(yōu)于微米級圖形襯底LED。但并非圖形尺寸越小，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(lán)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)化比較困難，也大大限制了其推廣應(yīng)用。由此可見，圖形尺寸和LED性能的優(yōu)化還需要進(jìn)一步研究。

即便圖形化襯底已大幅度提高LED的出光效率，但對于以三棱錐為基本圖案的圖形襯底，目前仍未有研究能準(zhǔn)確指出其最佳圖案高度、間距、圖案密度等，三棱錐圖形襯底圖案的應(yīng)用缺乏一套系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)。此外，在圖案尺寸的優(yōu)化問題上，解決尺寸縮小與其對GaN生長質(zhì)量造成破壞間的權(quán)衡，在提高出光效率的前提下保證更好的磊晶質(zhì)量，做到真正意義上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，確定三棱錐圖形化襯底圖案的最優(yōu)化參數(shù)亟待解決。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)圖案優(yōu)化的LED芯片圖形化襯底，具有出光效率高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供包括上述圖形化襯底的LED芯片。

本發(fā)明的目的通過以下方案實(shí)現(xiàn)：

一種經(jīng)圖案優(yōu)化的LED芯片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個形狀相同的正三棱錐組成，正三棱錐的傾角α為60°~65°；相鄰正三棱錐的間距d為所述正三棱錐的邊長a的1~1.4倍。

所述多個形狀相同的正三棱錐采用矩形排列方式。

所述多個形狀相同的正三棱錐采用六角排列方式。

一種LED芯片，包括上述的經(jīng)圖案優(yōu)化的LED芯片的圖形化襯底。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

（1）本發(fā)明通過優(yōu)化正三棱錐圖形化襯底的圖案參數(shù)，大大提高了反射光子到達(dá)LED芯片頂部的能力，從而使更多光線反射至芯片頂部，增強(qiáng)圖形化襯底GaN基LED的出光效率，相比普通的無圖案襯底LED，總光通量增大到2.46倍，頂部光通量增大到3.38倍，底部光通量增大到2.65倍。

（2）本發(fā)明具有比普通襯底LED芯片更優(yōu)的出光效率，正三棱錐圖形符合GaN晶體的晶格結(jié)構(gòu)，實(shí)際加工容易獲得目標(biāo)圖案，便于推廣應(yīng)用。

（3）本發(fā)明采用優(yōu)化的圖案參數(shù)，避免邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，進(jìn)一步改善了磊晶質(zhì)量，從而提高了LED的內(nèi)量子效率。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的LED芯片的示意圖。