[实用新型]一种圆锥簇型图案的LED图形优化衬底及LED芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及LED图形优化衬底，特别涉及一种圆锥簇型图案的LED图形优化衬底及LED芯片。

背景技术

GaN基LED具有亮度高、能耗低、寿命长等优点，被广泛应用于全彩显示器和通用照明等领域。然而，目前的GaN基LED制备技术并不能发挥出其全部潜力，一般商用LED的功效约为130lm/W，远低于LED理论上最大的功效360lm/W。限制LED功效提升的因素主要涉及到两方面，即是LED的内量子效率与光提取率。一方面，GaN外延层与蓝宝石外延衬底之间存在约16％的晶格失配度和约26％的热膨胀系数失配度，使得平面蓝宝石衬底上GaN外延层内存在高达10⁸～10¹⁰cm^-2的位错密度，致使LED的内量子效率不高。另一方面，蓝宝石衬底、GaN层与空气的折射率之间分别为1.7、2.5与1.0，差异巨大，使得LED表面的光子逃逸角仅为23°，大大降低了光提取率。

为了改善这两方面的问题，许多新技术被提出并且快速地应用到LED的制备中。这些技术包括了低温缓冲层技术、横向外延生长技术、表面粗化、图形化衬底技术和纳米压印技术等等。近年来，图形化衬底技术因为对LED具有双重增益作用而受到了广泛关注，成为了该领域的研究热点。图形化衬底技术可以使得衬底上的GaN外延出现横向外延的效果，减少了晶体缺陷，提高了内量子效率。同时，衬底上的的微图案能够通过散射来改变光线传播路径，使光在空气界面的入射角变小(小于全反射临界角)，使得有更多光线能透射而出，从而提高了光提取率。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、棱台形等，图形衬底技术的应用效果已受到认可。

目前，图形化衬底的发展有两种趋势。一种趋势是增大图案尺寸，并赋予图案一些形状上的特殊设计，而另一种趋势是减小图案的尺寸直至纳米级别。Y.K.Su等人通过对图形衬底上图案间距的研究，结合ICP工艺、传统光刻技术和纳米压印技术，在蓝宝石衬底上制作间距分别为150nm、2um和3um的图案。与传统蓝宝石衬底相比，150nm间距的图形衬底显示出更高的外量子效率，达到16.39％的水平。R.Hsueh等人用纳米压印技术制备出直径、间隔及深度分别为240nm、450nm、165nm的圆孔图案，在该图形衬底上制备出的LED芯片的光强及光提取率分别比普通蓝宝石衬底LED提高了67％和38％，该光效提升效果优于微米级图形衬底LED。然而，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，产业化困难，大大限制了纳米级图形衬底LED芯片的推广与应用。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，大大提高了反射光子到达LED芯片顶部及底部的能力。

本实用新型的另一目的在于提供包含上述圆锥簇型图案的LED图形优化衬底的LED芯片。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种圆锥簇型图案的LED图形优化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的圆锥簇组成；

所述圆锥簇由一个大圆锥、多个中圆锥及多个小圆锥组成；所述多个中圆锥围绕大圆锥排列成一圈，形成中圆锥圈；所述多个小圆锥围绕中圆锥圈排列成一圈，形成小圆锥圈；

每个大圆锥的高度H_L为1.0～2.0μm，底面半径R_L为0.6～1.2μm；

每个中圆锥的高度H_M为0.75～1.25μm，底面半径R_M为0.25～0.5μm；

每个小圆锥的高度H_S为0.3～0.67μm，底面半径R_S为0.15～0.4μm；

相邻圆锥簇的边距d为1～4μm。

所述多个形状相同的圆锥簇采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的圆锥簇采用六角排列方式。

所述多个形状相同的圆锥簇采用圆形排列方式。

所述多个形状相同的圆锥簇采用菱形排列方式。

一种LED芯片，包括上述的圆锥簇型图案的LED图形优化衬底。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：