[发明专利]一种LED图形衬底及LED芯片

说明书

技术领域

本发明涉及LED衬底，特别涉及一种LED图形衬底及LED芯片。

背景技术

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、LCD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(n＝2.45)与空气(n＝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、半球形等，图形衬底技术的应用效果已受到认可。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。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。

图形衬底技术发展至今，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，由于图案刻蚀技术的发展限制，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。

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LED图形衬底，进一步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。

本发明的另一目的在于提供包含上述的LED图形衬底的LED芯片。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种LED图形衬底，包括第一圆锥图案和第二圆锥图案；所述第一圆锥图案的底面圆半径r₁大于第二圆锥的底面圆半径r₂。

所述第一圆锥图案的底面圆半径r₁为0.5～3μm，倾角α₁为30°～70°，相邻第一圆锥图案之间的间距d为1.5～9μm；所述第二圆锥图案的底面圆半径r₂为0.2～1.5μm，倾角α₂为30°～70°；其中d≥2r₁+2r₂。

所述第一圆锥图案采用矩形排布方式。

所述第一圆锥图案采用六角排布方式。

所述第二圆锥图案排布在第一圆锥图案的间隙中。

一种LED芯片，包含上述的LED图形衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过设置底面半径不同的两种圆锥图案，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底部射出，大大提高了LED光提取率。

(2)本发明的LED图形衬底，与普通单一圆锥图案LED图形衬底相比，其LED的侧面光通量比例下降，顶部及底部光通量比例上升。结合目前的LED器件工艺，从LED芯片侧面发射出的光线，由于封装器具的原因，将与封装材料发生一系列的反射、折射及光吸收等作用，这会大大减弱了实际发出的侧面光通量。而本专利提出的图形衬底技术，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，这无疑会大大提高LED器件发射出的有效光线的利用率。

附图说明