[實用新型]一種優化的LED圖形化襯底及LED芯片

有效

• 申請號: 201320445718.2
• 申請日: 2013-07-24
• 公開（公告）號: CN203434183U
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 李國強;周仕忠;何攀貴;喬田;王海燕;林志霆
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L33/22
• 分類號: H01L33/22
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳文姬

技術領域

本實用新型涉及LED芯片，特別涉及一種優化的LED圖形化襯底及LED芯片。

背景技術

LED的出光效率取決于內量子效率和外量子效率。一方面，由于GaN與藍寶石襯底的晶格常數及熱膨脹系數存在較大差異，GaN薄膜內產生了10⁹～10¹²cm^-2的高位錯密度，這會對GaN基LED的內量子效率產生不利的影響。然而，隨著GaN外延生長技術的不斷優化，GaN的磊晶質量顯著提高，目前LED的內量子效率已達到90%以上。另一方面，GaN具有較高的折射系數（n=2.45），光線出射的臨界角[θ_c=sin^-1(n_air/n_GaN)]僅為24.6°，導致LED芯片與空氣之間存在嚴重的全反射現象，外量子效率難以提高。后來針對這一問題提出的改善方案，如引入布拉格反射層、光子晶體、表面粗化等，都在一定程度上提高了LED的外量子效率。而近年發展起來的圖形化襯底技術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?。ㄐ∮谌瓷渑R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在外延生長時產生橫向磊晶效果，從而降低晶體缺陷密度，提高LED的內量子效率。為滿足器件性能的要求，圖形襯底的設計已幾番更新，從最初的槽形到六角形、錐形、棱臺型等，圖形化襯底技術的應用效果已受到認可。

襯底的圖案是圖形化襯底技術的關鍵，襯底圖案演變至今，對LED光提取效果和外延質量改善顯著，已成為提高LED性能的重要途徑，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（包括傾角、深度和寬度等）在選擇上勢必會影響LED的性能。J.H.Cheng等人利用濕法刻蝕技術在藍寶石襯底上刻蝕出具有不同傾斜角的錐形圖案，發現錐形圖案的傾斜角對GaN的磊晶質量、缺陷密度、內量子效率等產生較大影響。為了減少位錯，應該采取較小的側面傾斜角，但是小傾角會削弱圖形對光的反射或散射效應，因此需要尋求一個平衡點。D.S.Wuu等人利用濕法刻蝕技術在藍寶石襯底上制備邊長為3μm，深度為1.5μm的三棱錐圖形，采用MOCVD法生長GaN并制成芯片，對其進行光學測試，發現圖形藍寶石襯底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在藍寶石襯底上制備納米級的襯底圖案，該襯底制造出的LED芯片的光強和出光率都高于普通藍寶石襯底LED，分別提高了67%和38%，也優于微米級圖形襯底LED。但并非圖形尺寸越小，LED的性能就越好，圖形尺寸和LED性能間的關系仍然需要權衡。研究表明：隨著圖案間距的減小，在GaN和藍寶石界面易出現由于GaN生長來不及愈合而產生的空洞，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其內量子效率及LED芯片壽命。另外，納米級圖案制造成本高，產業化比較困難，也大大限制了其推廣應用。由此可見，圖形尺寸和LED性能的優化還需要進一步研究。

即便圖形化襯底已大幅度提高LED的出光效率，但目前尚未提出更有利于出光的新型圖案，圖形化襯底的發展出現瓶頸。為滿足未來高功率照明市場的需求，設計出更具出光優勢的新型圖案亟待解決。

實用新型內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種優化的LED新型圖形化襯底，具有光提取效率高的優點。本實用新型的另一目的在于提供包括上述優化的LED圖形化襯底的LED芯片。

本實用新型的目的通過以下方案實現：

一種優化的LED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火山口圖案組成；所述火山口圖案為中心具有倒圓臺凹坑的凸圓臺圖案。

所述倒圓臺凹坑的傾角α為30°～38°；倒圓臺凹坑的深度h為其對應的倒圓錐的深度H的85%～94%；倒圓臺凹坑的寬度a為凸圓臺上表面寬度A的93%～95%。

所述多個形狀相同的火山口圖案采用六角排列方式。

一種LED芯片，包括上述優化的LED圖形化襯底。

與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果：

（1）本實用新型基于圓臺圖案設計的火山口圖案，充分利用了圓臺上表面的平面區域，增加有效光散射的斜面面積，從而提高圖形化藍寶石襯底GaN基LED的出光效率。相比普通的無圖案襯底LED，頂部光通量增大到3.2倍，底部光通量增大到2.8倍。