PSS 与 NPSS 蓝宝石衬底：LED 产业的创新基石
在现代半导体产业的璀璨星空中，蓝宝石衬底凭借其独特的物理化学性质，成为了众多光电器件制造的关键支撑材料。而图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）和纳米图形化蓝宝石衬底（Nano - Patterned Sapphire Substrate，NPSS），更是作为产业升级的核心技术，推动着 LED 行业向更高性能、更低成本的方向不断迈进。本文将深入剖析这两种衬底的原理、制备工艺、性能优势及其在 LED 产业中的重要作用。
蓝宝石（Al₂O₃）属于六方晶系，具有出色的机械性能、化学稳定性和光学透过性。其莫氏硬度高达 9，仅次于金刚石，能在复杂的加工和应用环境中保持结构完整性。在光学方面，蓝宝石在紫外到红外的广泛波段内都有良好的透光性，尤其在蓝光和紫外光区域表现突出，这使得它成为了 GaN 基 LED 外延生长的理想衬底材料。尽管蓝宝石与 GaN 的晶格失配度较大（约 13.4%），热膨胀系数也存在差异，但通过合理的外延工艺优化，仍能生长出高质量的 GaN 外延层。
PSS 技术是在蓝宝石衬底表面构建微米级别的周期性图形结构。这些图形通常采用光刻和刻蚀工艺制备而成，常见的形貌有圆锥形、圆柱形、倒金字塔形等，图形周期一般在 1 - 5μm，高度在 0.5 - 2μm 之间。PSS 对 LED 性能的提升主要体现在两个方面：
• 降低位错密度：在 GaN 外延生长过程中，图形化的衬底表面改变了外延层的生长模式，由传统的垂直生长转变为横向和纵向相结合的生长方式。这种生长模式使得位错在横向扩展过程中相互抵消或终止，有效减少了外延层中的位错密度。位错作为非辐射复合中心，其密度的降低直接减少了有源区的非辐射复合，提高了 LED 的内量子效率（IQE）。
• 提高光提取效率：PSS 的图形结构在 LED 内部形成了复杂的光散射和折射路径。有源区发出的光在遇到蓝宝石与 GaN 的界面时，原本容易发生全反射而被限制在芯片内部的光线，由于图形结构的散射作用，改变了出射角度，增加了光从蓝宝石衬底出射的几率，从而显著提高了光提取效率（EQE）。据研究表明，相较于传统的平面蓝宝石衬底，PSS 可使 LED 的光提取效率提升 20% - 50%。
PSS 的制备流程主要包括掩膜层制作、光刻、刻蚀和掩膜去除四个关键步骤：
• 掩膜层制作：首先在蓝宝石衬底表面沉积一层光刻胶或其他合适的掩膜材料，如 SiO₂、SiNₓ等。沉积方法可采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）技术，确保掩膜层均匀、致密且与衬底有良好的粘附性。
• 光刻：利用光刻技术将设计好的图形转移到掩膜层上。在微米级图形制备中，通常采用光刻精度较高的紫外光刻（UV Lithography）技术，通过曝光、显影等步骤，在掩膜层上形成与光刻掩模版一致的图形。
• 刻蚀：采用干法刻蚀技术，如感应耦合等离子体刻蚀（ICP - Etching），将掩膜图形转移到蓝宝石衬底上。ICP 刻蚀通过精确控制等离子体参数，如气体流量、射频功率、刻蚀时间等，实现对蓝宝石衬底的各向异性刻蚀，从而获得高质量的图形结构。
• 掩膜去除：刻蚀完成后，使用合适的化学试剂去除剩余的掩膜层，得到最终的图形化蓝宝石衬底。
PSS 技术已经在 LED 产业中得到了广泛应用，成为了提高 LED 发光效率和性能的主流技术之一。在通用照明领域，PSS - LED 灯具凭借其高亮度、低功耗的优势，逐渐取代传统照明光源；在显示领域，PSS 技术为 Mini - LED 和 Micro - LED 的发展提供了有力支持，有助于实现更高分辨率、更高对比度的显示效果；此外，在汽车照明、背光模组、植物照明等领域，PSS 技术也发挥着重要作用，推动了相关产品的性能升级和市场拓展。
NPSS 是在 PSS 基础上发展起来的新一代图形化蓝宝石衬底技术，其图形特征尺寸进入纳米级别（通常为几十到几百纳米）。NPSS 相较于 PSS 具有以下显著优势：
• 更高的光提取效率：纳米级的图形结构进一步增加了光在芯片内部的散射次数，使得光在界面处的反射和折射更加复杂和有效，从而能够更充分地利用芯片内部产生的光子，将光提取效率提升到更高水平。研究表明，与微米级 PSS 相比，NPSS 可使 LED 的光输出强度再提高 10% - 20%。
• 更低的位错密度：纳米图形为 GaN 外延生长提供了更精细的模板，能够更好地引导外延层的横向生长，进一步降低位错密度，改善外延层的晶体质量。这对于制备高性能的深紫外 LED（DUV - LED）、高功率 LED 等器件尤为重要，因为这些器件对材料的晶体质量要求更为苛刻。
• 缩短外延生长时间：由于纳米图形的尺寸效应，在 NPSS 上生长 GaN 外延层时，能够更快地实现外延层的平面化和连续生长，从而缩短外延生长时间，降低生产成本。
NPSS 的制备面临着更高的技术挑战，主要体现在图形制作的高分辨率要求上。传统的光刻技术在制备纳米级图形时存在分辨率限制，难以满足 NPSS 的制备需求。目前，主要采用以下几种先进技术来实现 NPSS 的制备：
• 纳米压印光刻（NIL）：NIL 是一种非光学光刻技术，通过将具有纳米级图案的模具压印到涂覆在衬底上的聚合物材料上，然后通过热固化或紫外固化等方式使聚合物材料硬化，从而将模具上的图案复制到衬底上。NIL 具有高分辨率、高产量、低成本等优点，是目前制备 NPSS 最常用的方法之一。然而，NIL 技术也面临一些问题，如模具的制作成本高、模具与衬底之间的对准精度要求高、脱模过程中可能会损坏图案等。为解决这些问题，研究人员不断改进模具材料和制作工艺，开发高精度的对准系统和优化脱模技术。
• 电子束光刻（EBL）：EBL 利用聚焦的电子束直接在光刻胶上写入图案，具有极高的分辨率，能够制备出纳米级甚至亚纳米级的图形。但 EBL 的缺点是写入速度慢、设备成本高，限制了其大规模生产应用。为提高 EBL 的效率，通常采用电子束直写与光刻胶预处理、后处理相结合的方法，或者将 EBL 作为母版制作方法，结合其他复制技术来实现批量生产。
• 自组装技术：自组装技术利用材料分子或纳米粒子在特定条件下自发排列形成有序结构的特性，来制备 NPSS。例如，通过在蓝宝石衬底表面自组装纳米球阵列，然后以此为掩膜进行刻蚀，可得到具有纳米级孔洞或柱体结构的图形化衬底。自组装技术具有工艺简单、成本低等优点，但图形的可控性相对较差，需要进一步优化工艺参数来实现精确的图形设计。
NPSS 技术在多个领域展现出了巨大的应用潜力。在深紫外 LED 领域，由于其能够显著降低位错密度，提高材料的晶体质量，从而有效提升 DUV - LED 的发光效率和器件寿命，有望推动深紫外杀菌消毒、水净化、医疗检测等应用的快速发展；在高功率 LED 领域，NPSS 可降低器件的热阻，提高散热性能，结合其高的光提取效率，能够实现更高的功率密度和发光强度，满足汽车前照灯、工业照明等对高亮度、高可靠性光源的需求；此外，在新兴的量子点 LED（QLED）、Micro - LED 显示等领域，NPSS 也为实现高性能的发光器件提供了有力的技术支撑，有助于推动显示技术向更高分辨率、更高亮度、更低功耗的方向发展。
四、结语
PSS 和 NPSS 蓝宝石衬底作为 LED 产业发展的核心技术，通过对衬底表面进行精心设计和加工，显著提升了 LED 器件的性能，为 LED 行业的持续创新和应用拓展注入了强大动力。随着制备工艺的不断优化和创新，以及对材料与器件物理机制研究的深入，PSS 和 NPSS 技术将在未来的 LED 产业中发挥更加重要的作用，推动 LED 技术在照明、显示、光通信、生物医疗等众多领域实现更广泛、更深入的应用，为人们的生活带来更多的便利和创新体验。同时，我们也期待更多新的技术和材料能够与 PSS 和 NPSS 技术相结合，共同开创半导体光电器件的美好未来。
