一种双图案的LED图形化衬底及LED芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种双图案的LED图形化衬底，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径r1与圆锥的底面圆半径r2不相等。本发明专利技术还公开了包含上述双图案的LED图形化衬底的LED芯片。本发明专利技术结合圆锥图案锥面及半球图案球面对LED出光效率的优化作用提高LED出光效率；衬底上的图案密集，有利于更多的光线射出LED芯片，尤其有利于更多的光线从芯片顶部及底部射出，大大提高了LED光提取率。

【技术实现步骤摘要】
—种双图案的LED图形化衬底及LED芯片
本专利技术涉及LED图形化衬底，特别涉及一种双图案的LED图形化衬底及LED芯片。
技术介绍
近年来，GaN基LED因具有亮度高、能耗低、寿命长等诸多优点，被广泛应用于交通指示灯、IXD背光源、全彩显示器和通用照明领域等。然而，GaN材料的折射率(η = 2.45)与空气(η = 1.0)之间存在巨大差异，全反射临界角仅为24°左右，这导致光线在芯片内部发生显著的全反射现象而无法射出LED，大大降低了 LED的光提取率。后来针对这一问题提出了改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体，表面粗化和衬底图形化等。其中，图形化衬底技术不仅能提高光提取率，还能提高内量子效率。一方面，衬底上的图案通过折射和反射改变光的轨迹，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，从而得以透射而出，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。 图形化衬底技术的关键在于对衬底图案的设计，其对LED的出光效率起着决定性作用。为满足器件性能的要求，图案的种类已几番更新，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。S.Suihkonen等人的实验证明:具有较大高度的六角形图案增强了对光线的反射、散射作用，并且具有尖锥状凸起结构的锥形图案的倾斜角对LED的出光有较大的影响。Lee等人使用ICP刻蚀获得圆锥体图形化蓝宝石衬底，在20mA电流的驱动下，获得的LED的输出功率提高了 35%;Su等人分别在蓝宝石衬底上制造出纳米级圆孔图案和微米级圆孔图案，其结果显示，纳米级图案相比微米级图案有更好的出光效率。C.C.Wang等人认为单位面积内图形尺度的减小能够增加反射面从而提高光线的出射几率。 目前的研究已经证明随着衬底上相邻图案之间距离的缩小，LED芯片的光提取率明显增加。其原因在于，图案之间的距离缩小使单位面积的衬底表面上可以排布更多的图案，图案更加密集，从而能够更大限度地提高LED的光提取率。然而，由于图案刻蚀技术发展的限制，图形衬底技术的图案设计一直仅限于单一图案的规则性排布，如圆锥、六棱锥、三棱锥、半球等单一图案的矩形或六角排布。在这些传统的衬底图案设计中，图案间距不可能无极限地缩小，即使在最密排布的图案中，相邻图案之间仍然存在较多间隙，而这部分的间隙将会大大地减小了图形衬底LED光提取率的提升空间。并且，过密的衬底图案不利于外延GaN晶体的形核及生长，因此图形衬底图案的设计及排布是优化LED出光效率的一大难题。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种双图案的LED图形化衬底，进一步了提高图形衬底上图案的密集性，从而达到提高LED出光效率的目的。 本专利技术的另一目的在于提供包含上述双图案的LED图形化衬底的LED芯片。 本专利技术的目的通过以下技术方案实现: 一种双图案的LED图形化衬底，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径A与圆锥的底面圆半径r2不相等。 所述半球图案的底面圆半径!T1为0.5~3 μ m,相邻半球图案之间的间距d为 1.5~9 μ m ;每个圆锥图案的底面圆半径r2为0.2~1.5 μ m,倾角<!2为30°~70° ;同时，且 d — 21^ > 2r2。 所述半球图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。 所述圆锥图案排列在半球图案的间隙中。 所述圆锥图案的底面圆半径1*2为0.5~3μπι，倾角％为30°~70°，相邻圆锥图案之间的间距为1.5~9 μ m ;所述半球图案的底面圆半径!T1为0.2~1.5μηι ;同时,Or1且 d — 2r2 ^ 2r10 所述圆锥图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。 所述半球图案排列在圆锥图案的间隙中。 一种LED芯片，包含上述的双图案的LED图形化衬底。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果: (I)本专利技术结合圆锥图案锥面及半球图案球面对LED出光效率的优化作用，进一步提高LED出光效率。 (2)本专利技术的半球图案的底面圆半径与圆锥的底面圆半径不相等，衬底上的图案更加密集，有利于更多的光线射出LED芯片，尤其有利于更多的光线从芯片顶部及底部射出，大大提高了 LED光提取率。 (3)本专利技术的LED图形化衬底，与普通单一大图案的LED图形衬底相比，其LED的侧面光通量比例下降，而顶部及底部光通量比例有较大的提升。结合实际的LED器件工艺，从LED芯片侧面发射出的光线会与封装器具(如反射杯等)发生一系列的反射、吸收等光学作用，这将大大减弱了器件的侧面光通量。而本专利技术的LED图形化衬底，能够在减小侧面光通量比例的同时，提高顶部及底部的光通量比例，大大增加了 LED器件发射出的有效光线，提高了 LED灯具发射光线的利用率。 【附图说明】 图1为本专利技术的实施例1的LED芯片的示意图。 图2为本专利技术的实施例1的双图案的LED图形化衬底示意图。 图3为本专利技术的实施例1的半球图案单体的示意图。 图4为本专利技术的实施例1的圆锥图案单体的示意图。 图5为本专利技术的实施例3的双图案的LED图形化衬底示意图。 【具体实施方式】 下面结合实施例，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。 实施例1 如图1所示，本实施例的LED芯片由依次排列的双图案的LED图形化衬底11，N型GaN层12，MQW量子阱层13，P型GaN层14组成。 本实施例的双图案的LED图形化衬底如图2所示，衬底上的图案由排布在衬底表面的半球图案15和圆锥图案16组成，半球图案的底面圆半径T1为1.0 μ m，相邻半球图案之间的间距d为3.0 μ m,排布方式为六角排布；圆锥图案的底面圆半径r2为0.4 μ m,倾角%为55°，排布在半球图案的间隙中。其中，半球图案单体的示意图见图3，圆锥图案单体的不意图见图4。 对本实施例的双图案的LED图形化衬底进行模拟测试: 采用光学分析软件TraceP1对本实施例的LED芯片的图形化衬底做模拟测试，模拟测试过程如下: (I)衬底构建:采用TracePro自带的建模功能实现衬底的制作，衬底尺寸为120 μ mX 120 μ mX 100 μ m,呈长方体状。 (2)大图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现半球图案的制作，其特征在于:半球图案的底面圆半径A为1.0 μ m,相邻半球图案的间距d为3.0 μ m。 (3)小图案制作:采用SolidWorks的作图功能实现圆锥图案的制作，圆锥图案的倾角为55°，底面圆半径r2为0.4μηι。 (4)图案的排布:半球图案的排布方式为六角排布，圆锥图案排布在半球图案的间隙之中。 (5)外延层构建:采用TracePro自带的建模功能实现N型GaN层、MQW量子阱层、P型GaN层的制作，N型GaN层尺寸为120 μ mX 120 μ mX4 μ m，MQW量子阱层尺寸为120ymX120ymX75nm，P 型 GaN 层尺寸为 120 μ mX 120 μ mX 0.2 μ m，均呈长方体状。 (6)祀面构建:采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双图案的LED图形化衬底，其特征在于，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径r1与圆锥的底面圆半径r2不相等。

【技术特征摘要】
1.一种双图案的LED图形化衬底，其特征在于，衬底上的图案由半球图案和圆锥图案组成，所述半球图案的底面圆半径^与圆锥的底面圆半径r2不相等。2.根据权利要求1所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案的底面圆半径A为0.5~3 μ m,相邻半球图案之间的间距d为1.5~9μηι ;每个圆锥图案的底面圆半径r2为0.2~1.5 μ m,倾角α 2为30。~70。；同时，且d — 21^ ≥ 2r2。3.根据权利要求2所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述半球图案采用矩形排布方式或采用六角排布方式。4.根据权利要求3所述的双图案的LED图形化衬底，其特征在于，所述圆锥图案排...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，王海燕，林志霆，周仕忠，乔田，王凯诚，钟立义，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44