專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于led倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底及l(fā)ed芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED芯片，特別涉及一種用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底及LED芯片。
背景技術(shù)：
圖形化襯底技術(shù)是近來(lái)藍(lán)寶石襯底GaN基LED領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其圖案演變至今，對(duì)LED光提取效果和外延質(zhì)量改善顯著，已成為提高LED性能的重要途徑。襯底圖案對(duì)LED光學(xué)性能的提高體現(xiàn)為兩方面一方面，圖案通過(guò)散射/反射改變光的軌跡，使光在界面出射的入射角變小(小于全反射臨界角)，從而透射而出，提高光的提取率；另一方面，圖案還可以使得后續(xù)的GaN生長(zhǎng)出現(xiàn)側(cè)向嘉晶的效果，減少晶體缺陷，提高內(nèi)量子效率。為滿(mǎn)足器件性能的要求，圖案的設(shè)計(jì)已幾番更新，從槽型、錐形、棱臺(tái)型到目前應(yīng)用較多的半球形，圖形襯底技術(shù)的應(yīng)用效果已受到認(rèn)可。研究表明沒(méi)有尖角的半球形圖案，能較大限度地減小應(yīng)力，降低缺陷；另外，半球體的密排布對(duì)側(cè)向磊晶更明顯，磊晶質(zhì)量會(huì)顯著提高；在提高光提取率方面，半球面相對(duì)于其他幾種圖案的多平面體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，對(duì)光的發(fā)散能力更強(qiáng)。作為影響光路的直接因素，圖案的參數(shù)(包括半徑、高度和間距等)在選擇上勢(shì)必會(huì)影響LED的性能。D. S. Wuu等人在圖案深度不同的藍(lán)寶石襯底(基本圖案為直徑3 μ m的圓孔，深度由O. 5μπι至1. 5μπι等間距增大)上采用MOCVD法生長(zhǎng)GaN并制成芯片，對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)以最大深度的圖形藍(lán)寶石襯底制得的GaN基LED最為理想，其外量子效率達(dá)到14. 1%，光強(qiáng)比普通LED提高約63%。R. H`sueh等人用納米壓印技術(shù)制備出直徑240nm，間隔450nm，深165nm的圓孔圖案，該襯底制造出的LED芯片的光強(qiáng)和出光率都高于普通藍(lán)寶石襯底LED，分別提高了 67%和38%，也優(yōu)于微米級(jí)圖形襯底LED。但并非圖形尺寸越小，LED的性能就越好，圖形尺寸和LED性能間的關(guān)系仍然需要權(quán)衡。研究表明隨著圖案間距的減小，在GaN和藍(lán)寶石界面易出現(xiàn)由于GaN生長(zhǎng)來(lái)不及愈合而產(chǎn)生的空洞，并造成外延層更多的位錯(cuò)，即便光提取效率有所提升，但外延層位錯(cuò)的增加會(huì)降低LED芯片壽命。另外，納米級(jí)圖案制造成本高，產(chǎn)業(yè)化比較困難，也大大限制了其推廣應(yīng)用。由此可見(jiàn)，圖形尺寸和LED性能的優(yōu)化還需要進(jìn)一步研究。LED芯片的結(jié)構(gòu)包括正裝法和倒裝法兩種。在傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)GaN基LED中，P-GaN層有限的電導(dǎo)率要求在P-GaN層表面再沉淀一電流擴(kuò)展層(Ni/Au，IT0等)。這個(gè)電流擴(kuò)展層會(huì)吸收部分光子，降低芯片的光提取效率。正裝LED需要兼顧、平衡電流擴(kuò)展和透射率，使得器件的性能受到一定的限制。此外，由于不透光的電極觸電位于正裝LED的出光窗口，對(duì)芯片的光提取效率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。相比之下，對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片，若選取光吸收系數(shù)較低的襯底作為出光窗口，能很好消除電極對(duì)光的阻擋作用。LumlIedsLighting公司采用過(guò)藍(lán)寶石襯底作為出光窗口，利用藍(lán)寶石光吸收系數(shù)極低的優(yōu)勢(shì)有效消除了電極對(duì)光的阻擋作用。同時(shí)作為出光窗口的藍(lán)寶石折射率(1.75)與空氣折射率相差較小，不易發(fā)生全反射，也有利于提聞提取效率。即便半球形圖形化襯底已大幅度提高LED的出光效率，但目前針對(duì)半球形圖形襯底在LED芯片的應(yīng)用大多采用正裝結(jié)構(gòu)；研究者也缺乏針對(duì)半球形圖案的參數(shù)(包括底面半徑和邊緣間距)展開(kāi)系統(tǒng)性的探討，對(duì)半球形圖案參數(shù)的選取尚未形成一個(gè)系統(tǒng)的體系。因此，如何充分發(fā)揮半球形圖案的出光優(yōu)勢(shì)，解決尺寸的優(yōu)化問(wèn)題及正、倒裝結(jié)構(gòu)的選取問(wèn)題亟待解決。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于LED芯片倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，其充分利用半球形圖案的出光優(yōu)勢(shì)，出光效率高于正裝半球形圖形化襯底LED芯片。本發(fā)明的另一目的在于提供包括上述用于倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底的LED芯片。本發(fā)明的目的通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)一種用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)形狀相同的半球組成；每個(gè)半球的高度與半球的底面半徑r相等；相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的O. 7 1. O倍。所述襯底材料的折射率為1. Γ2ο所述多個(gè)形狀相同的半球采用矩形排列方式。所述多個(gè)形狀相同的半球采用六角排列方式。一種LED芯片，包括如上述的用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(I)本發(fā)明通過(guò)對(duì)半球形圖案的參數(shù)(包括底面半徑r和邊緣間距d)進(jìn)行LED出光模擬，形成一套關(guān)于半球形圖案各參數(shù)對(duì)LED出光效率的影響體系，為實(shí)際加工中尺寸的選取提供依據(jù)。(2)本發(fā)明總結(jié)半球形圖案的出光優(yōu)勢(shì)，制定了一套用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底半球形圖案的尺寸選取原則，與正裝半球形圖形化襯底LED芯片相比，光通量提升6 11%。(3)本發(fā)明選用弱光吸收系數(shù)、折射率低的襯底材料作為倒裝結(jié)構(gòu)的出光窗口，倒裝后無(wú)需襯底剝離即可使用，加工方便；并且折射率低的襯底材料還能削弱光的全反射現(xiàn)象，提高LED的出光效率。(4)本發(fā)明采用優(yōu)化的圖案參數(shù)，避免邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，進(jìn)一步改善了嘉晶質(zhì)量，從而提聞了 LED的內(nèi)量子效率。


圖1為實(shí)施例1的LED芯片的示意圖。圖2為實(shí)施例1的LED芯片的圖形化襯底的不意圖。圖3為實(shí)施例1的襯底的半球圖案采用的排列方式示意圖。圖4為實(shí)施例1的圖形化襯底應(yīng)用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5為實(shí)施例2的襯底的半球圖案采用的排列方式示意圖。圖6為本發(fā)明的LED芯片 的各面光通量隨半球的邊緣間距變化趨勢(shì)圖。圖7為本發(fā)明的LED芯片的除去底部光通量的總光通量以及除去頂部光通量的總光通量隨半球邊緣間距的變化趨勢(shì)圖。圖8為本發(fā)明的LED芯片各面光通量隨半球底面半徑變化趨勢(shì)圖。圖9為本發(fā)明的LED芯片的除去底部光通量的總光通量以及除去頂部光通量的總光通量隨半球底面半徑的變化趨勢(shì)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1圖1為本實(shí)施例的LED芯片的示意圖，如圖1所示，由依次排列的藍(lán)寶石圖形化襯底11、N型GaN層12，MQW量子阱層13，P型GaN層14組成。如圖2所示，本實(shí)施例的LED芯片的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)形狀相同的半球18組成；半球的高度與對(duì)應(yīng)半球的底面半徑r相等；相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的O. 7倍；本實(shí)施例中半球的底面半徑r為2 μ m ;所述多個(gè)形狀相同的半球采用如圖3所示的六角排列方式。圖4為本實(shí)施例圖形化襯底應(yīng)用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的示意圖。圖中各層依次為藍(lán)寶石襯底11、N型GaN層12、MQW量子阱層13、P型GaN層14、N電極15、P電極16、封裝基板17。實(shí)施例2 本實(shí)施例的LED芯片的圖形化襯底，襯底材料的折射率為1. 1，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)形狀相同的半球組成；半球的高度與對(duì)應(yīng)半球的底面半徑r相等；相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的O. 9倍；本實(shí)施例中半球的底面半徑r為
2.8 μ m ;所述多個(gè)形狀相同的半球采用如圖5所示的矩形排列方式。實(shí)施例3本實(shí)施例的LED芯片的圖形化襯底，襯底材料的折射率為2，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)形狀相同的半球組成；每個(gè)半球的高度與對(duì)應(yīng)半球的底面半徑r相等；相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑的1. O倍；本實(shí)施例中半球的底面半徑r為
3.O μ m ;所述多個(gè)形狀相同的半球采用矩形排列方式。測(cè)試?yán)捎霉鈱W(xué)分析軟件TracePiO對(duì)本發(fā)明的LED芯片的圖形化襯底做模擬測(cè)試，模擬測(cè)試過(guò)程如下(I)襯底構(gòu)建采用TracePro自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)襯底的制作，襯底尺寸為600 μ mX 250 μ mX 100 μ m,呈長(zhǎng)方體狀。(2)半球形圖案制作采用TracePro自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)半球形圖案的制作,每個(gè)半球的高度與對(duì)應(yīng)半球的底面半徑r相等，相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的O. 7 1. O倍，呈矩形排布。(3)外延層構(gòu)建采用TracePro自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)N型GaN層、MQW量子阱層、P型GaN層的制作，N型GaN層尺寸為600 μ mX 250 μ mX4 μ m，MQW量子阱層尺寸為600 μ mX 250 μ mX50nm, P 型 GaN 層尺寸為 600 μ mX 250 μ mX 3 μ m，均呈長(zhǎng)方體狀。
(4)靶面構(gòu)建采用TracePiO自帶的建模功能實(shí)現(xiàn)六層靶面的制作，六層靶面分別置于LED芯片的上、下、前、后、左、右方向，上、下靶面尺寸為600μπιΧ250μπιΧ3μπι，前、后靶面(相對(duì)芯片的長(zhǎng)邊)尺寸為600 μ mX 104. 41 μ mX3 μ m，左、右靶面(相對(duì)芯片的短邊)尺寸為 250 μ mX 104. 41 μ mX 3 μ m0 (5) N型GaN層與圖形襯底接觸面相應(yīng)圖案構(gòu)建采用TracePiO的差減功能實(shí)現(xiàn)N-GaN層相應(yīng)圖案構(gòu)建。(6)各材料層的參數(shù)設(shè)定藍(lán)寶石襯底的折射率為1. 67，N型GaN、MQff量子講、P型GaN材質(zhì)折射率均為2. 45，四者均針對(duì)450nm的光，溫度設(shè)置為300K，不考慮吸收與消光系數(shù)的影響。(7)量子阱層表面光源設(shè)定量子阱層上下表面各設(shè)置一個(gè)表面光源屬性，發(fā)射形式為光通量，場(chǎng)角分布為L(zhǎng)ambertian發(fā)光場(chǎng)型，光通量為5000a. u.，總光線(xiàn)數(shù)3000條，最少光線(xiàn)數(shù)10條。(8)光線(xiàn)追蹤利用軟件附帶的掃光系統(tǒng)，對(duì)上述構(gòu)建的LED芯片模型進(jìn)行光線(xiàn)追蹤，分別獲取頂部、底部、側(cè)面的光通量數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖6 8所示。圖6為L(zhǎng)ED芯片各面光通量隨半球的邊緣間距變化趨勢(shì)圖，半球的底面半徑r為2.8ym0圖中各曲線(xiàn)走勢(shì)表明底面半徑r為2.8μπι的半球形圖案襯底LED的側(cè)面光通量大致隨邊緣間距的增大而增大，而頂部光通量和底部光通量基本隨邊緣間距的增大而減小，且底部光通量均比頂部光通量多200a. u.左右，說(shuō)明利用底部出光的半球形圖形襯底LED比利用頂部出光的半球形圖形襯底LED更具優(yōu)勢(shì)。在邊緣間距d增大到與底面半徑r相等時(shí)，雖然底部光通量略有下降，但側(cè)面光通量大幅度提升，兩者總和增加。圖7為圖6中LED芯片的除去底部光通量的總光通量以及除去頂部光通量的總光通量隨半球邊緣間距的變化趨勢(shì)圖。除去底部光通量的總光通量、除去頂部光通量的總光通量分別對(duì)應(yīng)正裝結(jié)構(gòu)LED、倒裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量。圖中各曲線(xiàn)走勢(shì)表明正裝結(jié)構(gòu)LED及倒裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量大致都隨邊緣間距d的增大而緩慢增加,倒裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量在邊緣間距d為2. 8 μ m處達(dá)到峰值,約5350a. u.;正裝結(jié)構(gòu)的總光通量在邊緣間距d約為2.9 μ m處達(dá)到峰值，約5050a. u.?？梢钥闯?，邊緣間距d等于半球底面半徑時(shí)，半球形圖形化襯底LED顯示了最佳的出光效果，并且邊緣間距d在2. (Γ2. 8 μ m范圍內(nèi)(即邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的O. 7^1. O倍)，其光效均處于較佳水平。若采用光吸收系數(shù)較低的襯底材料(本實(shí)施例中采用藍(lán)寶石材料)，將上述材料制成的半球形圖形化襯底應(yīng)用于LED倒裝結(jié)構(gòu)，與正裝結(jié)構(gòu)相比，光通量可提高6 11%。圖8為本發(fā)明的LED芯片各面光通量隨半球底面半徑的變化趨勢(shì)圖。圖中各曲線(xiàn)走勢(shì)表明在確保每個(gè)半球的高度與對(duì)應(yīng)半球的底面半徑r相等，相鄰半球的邊緣間距d為半球的底面半徑的1.O倍情況下,隨著半球底面半徑的增大，半球形圖形化襯底LED的側(cè)面光通量呈上升趨勢(shì)，并當(dāng)?shù)酌姘霃竭_(dá)到3. 2 μ m以后趨于飽和值，約2900a. u.。頂部光通量和底部光通量隨底面半徑的增加，其變化趨勢(shì)大致相同，且底部光通量均大于頂部光通量，并在底面半徑約2. 9 μ m處均達(dá)到峰值(底部光通量約2450a. u.，頂部光通量約2200a. u.)。圖9為本發(fā)明的LED芯片的除去底部光通量的總光通量以及除去頂部光通量的總光通量隨半球底面半徑的變化趨勢(shì)圖。除去底部光通量的總光通量、除去頂部光通量的總光通量分別對(duì)應(yīng)正裝結(jié)構(gòu)LED、倒裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量。圖中各曲線(xiàn)走勢(shì)表明兩者隨半球底面半徑變化的變化趨勢(shì)相近，均在半球底面r為2. 9 μ m處取得峰值(正裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量為5061a. u.，倒裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量為5332a. u.)，但倒裝結(jié)構(gòu)LED的總光通量比正裝結(jié)構(gòu)LED大，光效提高約6 10%，說(shuō)明半球形圖形化襯底更適合應(yīng)用于倒裝結(jié)構(gòu)LED。在半球底面半徑為2. 8^3.1 μ m范圍內(nèi)，除去頂部光通量的總光通量均處于較高值，可通過(guò)選取不同底面半徑來(lái)調(diào)整邊緣間距，避免實(shí)際材料外延生長(zhǎng)中邊緣間距太大或太小造成的磊晶缺陷，進(jìn) 一步改善磊晶質(zhì)量，從而提高了 LED的內(nèi)量子效率。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，其特征在于，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)形狀相同的半球組成；每個(gè)半球的高度與半球的底面半徑r相等；相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的O. 7^1. O倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，其特征在于，襯底材料的折射率為1. Γ2.
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，其特征在于，所述多個(gè)形狀相同的半球采用矩形排列方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，其特征在于，所述多個(gè)形狀相同的半球采用六角排列方式。
5.一種LED芯片，其特征在于，包括如權(quán)利要求f 4任一項(xiàng)所述的用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于LED倒裝結(jié)構(gòu)的圖形化襯底，襯底的圖案由排列在襯底表面的多個(gè)形狀相同的半球組成，半球的高度與對(duì)應(yīng)半球的底面半徑r相等，相鄰半球的邊緣間距d為所述半球的底面半徑r的0.7~1.0倍。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，充分發(fā)揮半球形圖案的出光優(yōu)勢(shì)，光通量比正裝半球形圖形化襯底LED芯片提升了6~11%，加工方便，便于推廣。
文檔編號(hào)H01L33/20GK103035802SQ201210546058
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者李國(guó)強(qiáng), 周仕忠, 林志霆, 王海燕 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)