[发明专利]图形衬底和LED芯片

说明书

技术领域

本发明涉及LED芯片结构技术领域，尤其涉及一种图形衬底和LED芯片。

背景技术

随着半导体照明技术的发展，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)的白光流明效率也得到了很大地提高。

半导体固体LED光源的光是由固体材料本身产生的，这些材料的折射率n都大于2，远大于空气或自由空间的折射率(n＝1)。因此，LED光源从光出射的角度来看，主要存在以下三种损耗：

一、由于界面处折射率不匹配导致的反射(Fresnel loss)和沿界面损耗波的存在所造成的界面损耗；

二、媒质内的全反射：当一束光从光密媒质向光疏媒质射入时，如果入射角大于临界角，就会在界面处发生全反射。假设光密媒质的折射率是n₂，光疏媒质的折射率是n₁，则临界角θ_c定义为θ_c＝arcsin(n₁/n₂)。由于全反射的存在，只有限于一出射圆锥体(该圆锥体的立体角是2π(1-cosθ_c))范围内的光能够从光密媒质传播到光疏媒质，出光率等于(1-cosθ_c)/2，或者近似为θ_c²/4，或者更简单地近似为(n₁/n₂)²/4，该近似算法在θ_c很小时成立。

三、媒质吸收：如果传播媒质存在不等于零的吸收系数α，则光强会随着在媒质中的传播距离成指数衰减，衰减函数为exp(-αt)。

在以氮化镓(GaN)为基础的可见光LED光源中，发光介质InGaN的折射率因不同铟组分会有不同，但都大于2.46。这就意味着在InGaN中产生的光只有一小部分能从光密媒质中射出。对于一个薄膜氮化镓(GaN)可见光LED，光线有两个出射锥体。这就相当于在InGaN中所产生的光中大约只有8％能出射。针对由于全反射所造成的低出光效率，现有技术提出几种改进方法，如表面粗化，通过降低全反射来降低光损耗，LED芯片倒角，通过增加出光锥来提高出光率，以及光子晶体，针对特定波长增强光自发辐射率和光出射。在产业化环境中，图形衬底和透明电极铟锡氧化物(Indium-Tin Oxide，简称ITO)膜也都是常见的提升LED出光效率(Light Extraction Efficiency，简称LEE)的方法。

图形衬底与表面粗化类似，通过粗化光学界面，增强光漫散射，弱化全内反射对LEE的制约。图形衬底不但能够提升LEE，也能增加内量子效率(Internal Quantum Efficiency，简称IQE)，图形衬底是高效率LED不可或缺的关键技术，但是在实际使用中，现有图形衬底技术有着较大的局限性。

现有技术中的图形衬底主要有两种形式，图1A为现有技术的一种图形衬底剖面结构示意图，图1B为现有技术的另一种图形衬底剖面结构示意图，如图1A和图1B所示，图形衬底包括基本衬底10和形成在基本衬底10表面的图形凸起101。图1A所示的图形衬底的图形凸起101的横截面的形状为三角形，图1B所示的图形衬底的图形凸起101的横截面的形状为截顶三角形或梯形。

图形衬底对外延质量的提高主要是基于其在外延早期引入的加强横向外延效果。对此，可以作这样的理解：穿透位错倾向于沿生长速度最快的方向生长。如果垂直生长速度远大于横向生长速度，则穿透位错大体上垂直外延层表面向上穿透。这是非常不利的，穿透位错如果穿过发光层，会直接引入非辐射发光中心，从而降低发光效率。反之，如果横向生长速度远大于垂直生长速度，则穿透位错会被弯曲到朝水平方向穿透。位错的横向穿透对提高器件的发光效率是非常有利的，主要表现在以下三个方面：

一、某部分位横向位错线可能释放外延层和衬底间的应力。

二、这将大大增加了位错间相遇的几率，使得位错反应成为可能，一些博格斯矢量大小相等符号相反的位错可能成对湮灭，从而整体上起到降低位错密度的作用。

三、一些位错可能获得机会终止在图形凸起方向上的外延层-衬底界面上。