[发明专利]一种优化的LED图形化衬底及LED芯片

说明书

技术领域

本发明涉及LED芯片，特别涉及一种优化的LED图形化衬底及LED芯片。

背景技术

LED的出光效率取决于内量子效率和外量子效率。一方面，由于GaN与蓝宝石衬底的晶格常数及热膨胀系数存在较大差异，GaN薄膜的晶体内产生了密度为10⁹-10¹²cm^-2的穿越位错，这对GaN基LED的内量子效率产生了不利的影响。然而，随着GaN外延生长技术的不断优化，GaN的磊晶质量有所提高，目前LED的内量子效率已达到90%以上。另一方面，GaN具有较高的折射系数（n=2.45），光线出射的临界角[θ_c=sin^-1(n_air/n_GaN)]仅为24.6°，导致LED芯片与空气之间存在严重的全反射现象，外量子效率难以提高。后来针对这一问题提出的改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体、表面粗化等，都在一定程度上提高了LED的外量子效率。而近年发展起来的图形化衬底技术不仅能通过图案倾斜面改变光线射入方向，使光在界面出射的入射角变小（小于全反射临界角），更多光线能透射而出，从而使外量子效率得以提高；还能使GaN在外延生长时产生横向磊晶效果，从而减小晶体缺陷密度，提高LED的内量子效率。为满足器件性能的要求，图形衬底的设计已几番更新，从最初的槽形到六角形、锥形、棱台型等，图形化衬底技术的应用效果已受到认可。

衬底的图案是图形化衬底技术的关键，衬底图案演变至今，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，对LED的出光效率起着决定性作用。作为影响光路的直接因素，图案的参数（包括边长、高度和间距等）在选择上势必会影响LED的性能。J.H.Cheng等人利用湿法刻蚀技术在蓝宝石衬底上刻蚀出具有不同倾斜角的锥形图案，发现锥形图案的倾斜角对GaN的磊晶质量、缺陷密度、内量子效率等产生较大影响。为了减少位错，应该采取较小的侧面倾斜角，但是小倾角会削弱图形对光的反射或散射效应，因此需要寻求一个平衡点。D.S.Wuu等人利用湿法刻蚀技术在蓝宝石衬底上制备边长为3μm，深度为1.5μm的三棱锥图形，采用MOCVD法生长GaN并制成芯片，对其进行光学测试，发现图形蓝宝石衬底GaN基LED的外量子效率因图案密度的改变而有所不同，图形化衬底LED的输出功率比普通LED的输出功率提升25%。另外，R.Hsueh等人用纳米压印技术在蓝宝石衬底上制备纳米级的衬底图案，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其内量子效率及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，但目前关于正六棱锥图形的研究仍然少见，对于以正六棱锥为基本图案的图形衬底，仍未有研究成果能明确指出其最佳图案倾角、边长、图案密度等参数，正六棱锥图形衬底图案的应用缺乏一套系统的设计指标。此外，在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，确定正六棱锥图形化衬底图案的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优化的LED图形化衬底，具有出光效率高的优点。本发明的另一目的在于提供包括上述优化的LED图形化衬底的LED芯片。

本发明的目的通过以下方案实现：

一种优化的LED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正六棱锥组成，正六棱锥的倾角α为55°~60°；相邻正六棱锥的边距d为1.0~1.2μm。

所述多个形状相同的正六棱锥采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的正六棱锥采用六角排列方式。

一种LED芯片，包括上述的优化的LED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：