[实用新型]一种用于LED倒装结构的图形化衬底及LED芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及LED芯片，特别涉及一种用于LED倒装结构的图形化衬底及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。

LED芯片的结构包括正装法和倒装法两种。在传统正装结构GaN基LED中，P-GaN层有限的电导率要求在P-GaN层表面再沉淀一电流扩展层(Ni/Au，ITO等)。这个电流扩展层会吸收部分光子，降低芯片的光提取效率。正装LED需要兼顾、平衡电流扩展和透射率，使得器件的性能受到一定的限制。此外，由于不透光的电极触电位于正装LED的出光窗口，对芯片的光提取效率也会产生一定的影响。相比之下，对于倒装结构的LED芯片，若选取光吸收系数较低的衬底作为出光窗口，能很好消除电极对光的阻挡作用。LumlledsLighting公司采用过蓝宝石衬底作为出光窗口，利用蓝宝石光吸收系数极低的优势有效消除了电极对光的阻挡作用。同时作为出光窗口的蓝宝石折射率(l.75)与空气折射率相差较小，不易发生全反射，也有利于提高提取效率。

即便半球形图形化衬底已大幅度提高LED的出光效率，但目前针对半球形图形衬底在LED芯片的应用大多采用正装结构；研究者也缺乏针对半球形图案的参数（包括底面半径和边缘间距）展开系统性的探讨，对半球形图案参数的选取尚未形成一个系统的体系。因此，如何充分发挥半球形图案的出光优势，解决尺寸的优化问题及正、倒装结构的选取问题亟待解决。

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用于LED芯片倒装结构的图形化衬底，其充分利用半球形图案的出光优势，出光效率高于正装半球形图形化衬底LED芯片。本实用新型的另一目的在于提供包括上述用于倒装结构的图形化衬底的LED芯片。

本实用新型的目的通过以下方案实现：

一种用于LED倒装结构的图形化衬底，衬底的图案由排列在衬底表面的多个形状相同的半球组成；每个半球的高度与半球的底面半径r相等；相邻半球的边缘间距d为所述半球的底面半径r的0.7~1.0倍。

所述衬底材料的折射率为1.1~2。

所述多个形状相同的半球采用矩形排列方式。

所述多个形状相同的半球采用六角排列方式。

一种LED芯片，包括如上述的用于LED倒装结构的图形化衬底。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

（1）本实用新型通过对半球形图案的参数（包括底面半径r和边缘间距d）进行LED出光模拟，形成一套关于半球形图案各参数对LED出光效率的影响体系，为实际加工中尺寸的选取提供依据。