[发明专利]一种LED芯片的图形化衬底及LED芯片

说明书

技术领域

本发明涉及LED芯片，特别涉及一种LED芯片的图形化衬底及LED芯片。

背景技术

图形化衬底技术是近来蓝宝石衬底GaN基LED领域研究的热点。其图案演变至今，对LED光提取效果和外延质量改善显著，已成为提高LED性能的重要途径。

衬底图案对LED光学性能的提高体现为两方面：一方面，图案通过散射/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，提高内量子效率。为满足器件性能的要求，图案的设计已几番更新，从槽型、锥形、棱台型到目前应用较多的半球形，图形衬底技术的应用效果已受到认可。研究表明：没有尖角的半球形图案，能较大限度地减小应力，降低缺陷；另外，半球体的密排布对侧向磊晶更明显，磊晶质量会显著提高；在提高光提取率方面，半球面相对于其他几种图案的多平面体结构来说，对光的发散能力更强。

作为影响光路的直接因素，图案的参数（包括半径、高度和间距等）在选择上势必会影响LED的性能。D.S.Wuu等人在图案深度不同的蓝宝石衬底（基本图案为直径3μm的圆孔，深度由0.5μm至1.5μm等间距增大）上采用MOCVD法生长GaN并制成芯片，对其进行光学测试，发现以最大深度的图形蓝宝石衬底制得的GaN基LED最为理想，其外量子效率达到14.1%，光强比普通LED提高约63%。R.Hsueh等人用纳米压印技术制备出直径240nm，间隔450nm，深165nm的圆孔图案，该衬底制造出的LED芯片的光强和出光率都高于普通蓝宝石衬底LED，分别提高了67%和38%，也优于微米级图形衬底LED。但并非图形尺寸越小，LED的性能就越好，图形尺寸和LED性能间的关系仍然需要权衡。研究表明：随着图案间距的减小，在GaN和蓝宝石界面易出现由于GaN生长来不及愈合而产生的空洞，并造成外延层更多的位错，即便光提取效率有所提升，但外延层位错的增加会降低LED芯片寿命。另外，纳米级图案制造成本高，产业化比较困难，也大大限制了其推广应用。由此可见，图形尺寸和LED性能的优化还需要进一步研究。

即便图形化衬底已大幅度提高LED的出光效率，但在图案设计方面，自半球形图案出现至今，研究人员还没能制备出更具出光优势的新图案；而图案尺寸的优化问题上，解决尺寸缩小与其对GaN生长质量造成破坏间的权衡，在提高出光效率的前提下保证更好的磊晶质量，做到真正意义上的提高LED性能方面，仍然有待研究。因此，设计新的图形衬底图案及确定最优化参数亟待解决。

发明内容

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芯片的图形化衬底，其出光效率优于当前广泛采用的半球形图案。本发明的另一目的在于提供包括上述图形化衬底的LED芯片。

本发明的目的通过以下方案实现：

一种LED芯片的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的球冠组成，每个球冠的高度h为球冠对应的球体的半径R的75%~85%；相邻球冠的边缘间距d为所述球冠的底面半径r的30~50%。

所述多个形状相同的球冠采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的球冠采用六角排列方式。

一种LED芯片，包括上述LED芯片的图形化衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明通过采用球冠形图案衬底及优化的图案参数，使更多入射角小于全反射临界角的光线射出，从而增加光散射几率，增强轴向光出光效率，相比一般的半球形图案，总光通量提升10%～14%，顶部光通量提升20～24%。

（2）本发明具有比同底面圆半径的半球形衬底图案更优的出光效率，高度较同底面圆半径的半球形衬底图案小，实际加工更简单，便于推广应用。

（3）本发明采用优化的图案参数，避免边缘间距太大或太小造成的磊晶缺陷，进一步改善了磊晶质量，从而提高了LED的内量子效率。

附图说明

图1为实施例1的LED芯片的示意图。

图2为实施例1的LED芯片的图形化衬底的示意图。

图3为衬底的球冠图案改变光路示意图。

图4为实施例1的衬底的球冠图案采用的排列方式示意图。

图5为实施例2的衬底的球冠图案采用的排列方式示意图。

图6为本发明的LED芯片的总光通随球冠的高度h的变化趋势图。

图7为本发明的LED芯片的顶部光通量随球冠底面半径r的变化趋势图。