图形化蓝宝石衬底（PSS）：高性能 LED 与光电器件的关键支撑技术

在固态照明和先进光电领域中，图形化蓝宝石衬底（PSS）已成为提升器件性能、增强制造效率、推动新一代技术应用的核心材料方案。随着 Mini/Micro LED 显示、AR 光学及高功率光源的快速发展，对具备特定光学与结构特性的高质量衬底需求急剧上升，而 PSS 正是应对这些挑战的关键技术。
本文将系统介绍 PSS 的结构原理、制造工艺、性能优势及未来发展趋势。

1. 什么是图形化蓝宝石衬底？

图形化蓝宝石衬底是在蓝宝石晶圆表面通过光刻与刻蚀工艺形成周期性微纳结构的衬底。这些结构能够调控蓝宝石与后续外延层的界面状态，并改变 LED 器件内部的光学行为。

常见的 PSS 图形包括：

• 圆锥结构

• 金字塔结构

• 柱状结构

• 六边形阵列

• 混合及定制图形

典型尺寸参数：

• 周期（Pitch）： 100–2000 nm

• 高度： 数十至数百纳米

• 特性： 高均匀性、图形精确对准

这些精细工程结构能够显著提升外延质量和光提取效率，使 PSS 成为 LED 制造的首选衬底方案。

2. PSS 是如何制造的：关键工艺流程

PSS 的制造依赖于高精度光刻与可靠的刻蚀技术，主要流程包括：

(1) 光刻 (Photolithography)

• 涂覆光刻胶

• 使用掩膜曝光周期性图形

• 显影形成微结构模板

(2) 干法刻蚀（ICP-RIE）

利用感应耦合等离子体反应离子刻蚀，将图形转移到蓝宝石表面，形成圆锥或柱状微结构。

关键控制参数：

• 刻蚀深度

• 侧壁角度

• 图形保真度与均匀性

(3) 光刻胶去除与清洗

去除残留光刻胶并清洁衬底，确保图形表面无缺陷。

(4) 外延前的表面处理

在进入 MOCVD 外延之前，可能需要额外的表面处理或化学机械抛光（CMP）。

PSS 制作要求精确的工艺控制、高重复性以及先进设备，以确保光学和结构性能的稳定一致。

3. 为什么 PSS 能显著提升 LED 性能？

PSS 的核心优势主要体现在两大方面：

(1) 改善 GaN 外延质量

由于蓝宝石与 GaN 之间存在晶格失配与热膨胀差异，传统外延常会产生位错。
PSS 可通过以下方式改善：

• 促进横向外延生长（ELOG）

• 降低穿透位错密度

• 改善晶体均匀性，降低内部应力

这些提升直接增强了 LED 的内部量子效率（IQE）。

(2) 提升光提取效率（LEE）

传统 LED 中，大量光因全反射而被困在结构内部。
PSS 微结构可：

• 以多角度散射光线

• 形成更多光的逸出路径

• 减少器件内部光的陷阱效应

根据图形设计不同，光提取效率通常可提升 20–50% 甚至更多。

4. PSS 的应用领域

(1) 通用照明 LED

PSS 已成为高亮度蓝光 LED 的行业标准衬底，大幅提升发光效率并降低单位流明成本。

(2) Mini LED / Micro LED 显示

PSS 有助于实现：

• 更高亮度

• 更低缺陷密度

• 更佳的芯片均匀性与良率

这些特性对高精度显示和 AR 微显示尤为关键。

(3) 紫外 LED（UVA/UVB）

PSS 可提供：

• 更高光提取

• 更长器件寿命

• 更强的结构稳定性

(4) AR / VR 光学引擎

Mini/Micro LED 光源在 PSS 的助力下可获得更高亮度与更佳光学调控能力。

5. PSS 技术的未来趋势

随着应用不断升级，PSS 正在向以下方向演进：

① 微纳复合图形
结合微米与纳米结构，实现更灵活的散射和外延控制。

② 大尺寸、高均匀性晶圆
满足大规模 Mini/Micro LED 量产需求。

③ 高度定制化的图形设计
针对特定外延行为或光学目标优化周期、形状和高度。

④ 先进光刻技术
包括纳米压印光刻（NIL）、电子束光刻等，用于实现更精细图形。

6. 总结：PSS 是下一代光电技术的核心基础

图形化蓝宝石衬底不仅是结构基底，更是一项关键 enabling 技术，可显著提升亮度、效率、可靠性与量产可扩展性。随着 Mini/Micro LED、先进 UV 光源和 AR 光学引擎的快速发展，PSS 的重要性将进一步凸显。

晶沐光电致力于为客户提供高均匀度、高精度的 PSS 产品，并支持多样化的定制需求，为各类光电应用提供可靠的材料基础。
如需详细产品规格或定制服务，欢迎联系我们。