一种图形化衬底及LED外延片

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图形化衬底及LED外延片。

背景技术

发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是一种固态半导体器件，被广泛用于指示灯、显示屏等照明领域。LED的出光效率取决于内量子效率和光提取率。由于目前LED的制造技术较为成熟，其内量子效应已经达到了较高的水平，相对提升的空间较小。但是，由于GaN外延层与衬底的折射率差异大，限制了光提取率，导致了LED的出光效率低，因此如何通过图形化衬底进一步提高LED光提取率成为了目前行业内的技术难点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种图形化衬底，所述图形化衬底具有相对的第一面侧和第二面侧，及若干个形成于衬底第一面侧的凸起，所述凸起材料的折射率低于所述衬底材料的折射率；所述凸起结构的侧面为由若干个相同的凹弧线组成的凹曲面；所述凸起结构的侧表面上形成有多个不规则的坑洞。

优选的，所述凹弧线和与其端点相同的线段之间的最大距离为15nm~300nm，凹弧线和与其端点相同的线段之间的最大距离大于300nm，凸起结构的顶点下降，即凸起结构的高度减小，进而影响图形化衬底的光学性能。

优选的，所述凹弧线的圆心角大于0°小于等于90°。

优选的，所述相同的凹弧线是指形状、圆心角及弧长均相同的凹弧线。

优选的，所述凸起的形状为圆锥形或圆台形。

优选的，所述坑洞的深度介于1nm~50nm。

优选的，所述凸起的材料为SiO

本发明还提供一种LED外延片，包括上述的图形化衬底。

优选的，所述LED外延片包括依次排列的图形化衬底、N型层、有源层和P型层。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的一种图形化衬底及LED外延片具有以下优势：

1、本发明通过将凸起结构的侧面设置为凹曲面状，通过增加一次反射射出的入射光区域，减小入射光的多次往返折射，减少因光的反射次数较多而产生的光衰，进而提高LED外延片的光取出效率。

2、本发明中凸起结构的侧面设置为凹曲面状，垂直入射到凸起结构侧面的光线入射角增加，其折射角随入射角的增加而增加，当折射角等于90°时，入射角等于发生全反射时的临界角，当入射角≥临界角时，入射光线全部被反射回外延层中，全反射现象产生，增大了光的使用率。

3、本发明中凸起结构的折射率小于衬底且小于外延层材料的折射率，凸起结构与外延层材料的折射率差异越大，临界角越小，发生全反射的几率越大，更有可能增加光线射出的几率，提高LED外延片的光取出效率。

4、本发明在凸起结构的侧表面上形成多个不规则的坑洞结构，达到表面粗化效果，这些坑洞结构能够随机散射入射至图形化衬底的光，减少衬底对入射光的吸收，提高光的提取效率。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中图形化衬底结构的示意图；

图2为本发明一实施例中LED外延片的结构示意图；

图3为本发明一实施例中图形化衬底结构的示意图；

图4为光在界面反射、折射的示意图；

图5为光线入射至现有技术中图形化衬底结构的折射示意图；

图6为光线入射至本发明一实施例中图形化衬底结构的折射示意图。

附图标记：

100-衬底；

110,120-凸起；

131,132，133,135,136-入射光线；

131′，132′，131″，132″，133′-反射光线；

133

θ

θ

θ

200-N型层；

300-有源层；

400-P型层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前市场上多针对平片蓝宝石衬底使用湿法蚀刻或干法蚀刻处理，使衬底表面呈现规则的圆锥形图形（如附图1所示），通过增加光的反射从而提升外量子效应，但当入射光照射在凸起结构的下半部或者入射角度较大时，如图1中箭头所示，入射光线131和入射光线132分别射向衬底凸起结构的底部与中部，其相对应的反射光线131′和132′均射向相邻凸起结构，需经凸起结构再次反射后才能射出，因此光线在凸起结构中的往复反射后造成光的强度降低，使得器件中光的提出效率偏低。

为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明提供一种LED外延片，其结构示意图如图2所示，依次由图形化衬底100、N型层200、有源层300和P型层400组成。

参看图3，图形化衬底100具有相对的第一面侧和第二面侧，及若干个形成于衬底100第一面侧的凸起120，凸起材料120的折射率低于衬底材料100的折射率，凸起结构120的侧面为由若干个相同的凹弧线组成的凹曲面，凸起结构120的侧表面上形成有多个不规则的坑洞。

其中，衬底100包括蓝宝石、SiC、Si及ZnO中的一种，在本实施例中采用蓝宝石衬底。凸起结构120的底部面积大于凸起结构120的顶部面积。凸起结构120的形状为圆锥形或圆台形，凸起结构120在衬底100的第一面侧上成矩形或六角形分布。本实施例中以凸起结构120为圆锥形为例进一步阐述。

继续参看附图3，圆锥形凸起结构120的侧面为由若干个相同的凹弧线组成的凹曲面，本实施例中凹弧线和与其端点相同的线段之间的最远距离d为30nm，本实施例中所述相同的凹弧线指每一条凹弧线的形状、圆心角及弧长均相同，优选的，凹弧线的圆心角大于0°小于等于90°。本实施例中优选凸起结构120的高度、底部宽度及相邻凸起结构120之间的最小间距均与附图1中的图形化衬底100和凸起结构110相同，而不同的是，在本实施例中当相同的入射光线131和入射光线132分别射向凸起结构120的底部与中部时，其相对应的反射光线131″和132″均只需要经过一次反射即可射出，与现有技术相比，本发明的图形化衬底通过减小光的反射次数来增加了光取出效率。

参看附图4，为光在界面反射、折射的示意图。众所周知，光的全反射现象是光从光密介质发射到光疏介质的界面时，全部被反射回光密介质的现象。当光从光密介质射向光疏介质时，就可能发生全反射现象，而发生全反射时的临界角的大小取决于二种材料的折射率。本实施例中，凸起材料120的折射率低于衬底材料100的折射率，且低于外延层材料的折射率，因此外延层相对于凸起材料120是光密介质。根据光的折射定律得知Sinθ

参看附图5，凸起结构110为侧面由多个相同的直线组成的圆锥形，垂直入射的光线135在凸起结构110侧表面的界面处发生折射，其中入射角为θ

参看附图6，凸起结构120的侧面为由若干个相同的凹弧线组成的凹曲面，垂直入射的光线136在凸起结构120侧表面的界面处发生折射，其中入射角为θ

凸起结构120可选用SiO

对比附图5和附图6，当凸起结构的侧面由直线变为凹弧线后，θ

本实施例中凸起结构120的材料的折射率小于现有技术中的蓝宝石材料的折射率，更小于氮化镓外延层材料的折射率，凸起结构120的折射率越小，与外延层材料的折射率差异越大，其临界角越小，越容易发生全反射，增加光线出射的机会，提高LED外延片的光提取效率。

本实施例中凸起结构120的侧表面上还包括多个不规则的坑洞，坑洞深度介于1nm~50nm，使凸起结构的侧表面达到表面粗化效果，这些坑洞结构能够随机散射入射至图形化衬底的光，减少衬底对入射光的吸收，提高光的提取效率。

综上所述，本发明通过将凸起结构的侧面设置为凹曲面状，通过增加一次反射射出的入射光区域，减小入射光的多次往返折射，减少因光的反射次数较多而产生的光衰，进而提高LED外延片的光取出效率。将凸起结构的侧面设置为凹曲面状，还可以使垂直入射到凸起结构侧面的光线入射角增加，其折射角随入射角的增加而增加，折射角等于90°时，入射角即发生全反射时的临界角，当入射角大于等于临界角时，入射光线全部被反射回外延层中，全反射现象产生，增大了光的使用率。凸起结构采用折射率小于衬底的材料，更小于外延层材料的折射率，增大凸起结构和外延层材料之间的折射率差值，使得临界角更小，增加全反射发生的几率，增加光线出射的机会，提高LED外延片的光提取效率。

本发明还在凸起结构的侧表面上形成多个不规则的坑洞结构，达到表面粗化效果，这些坑洞结构能够随机散射入射至图形化衬底的光，减少衬底对入射光的吸收，提高光的提取效率。

本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。