图形化蓝宝石衬底（PSS）为何能大幅提升LED性能?

如今，III族氮化物LED已成为固态照明、显示背光、紫外光电器件的核心元器件。但传统平面蓝宝石衬底（FSS）制备的LED，普遍存在发光效率低、晶体质量差、器件损耗大等问题，严重制约了产品性能与使用寿命。图形化蓝宝石衬底（PSS）作为一项成熟且高效的衬底改良技术，可同时优化LED的内部晶体质量与外部出光能力，是实现高效率LED量产的核心关键技术。

LED的整体发光性能由外量子效率（EQE）评判，该指标由内量子效率（IQE）和光提取效率（LEE）两大核心参数共同决定，具体关系如下：

 EQE=IQExLEE

简单来说，内量子效率（IQE）决定LED芯片内部能产生多少光子，光提取效率（LEE）决定产生的光子能多少比例射出芯片。而PSS技术可同时实现IQE与LEE的双重提升，从根源上突破了传统平面衬底LED的性能瓶颈。本文将从晶体缺陷抑制、出光效率提升两个维度，详细解析PSS的工作原理与技术优势。

一、PSS降低位错缺陷，提升芯片内部晶体质量

传统LED内量子效率偏低的核心原因，是外延层存在高密度晶体缺陷。由于平面蓝宝石衬底与III族氮化物外延层之间，晶格常数、热膨胀系数差异极大，异质外延生长过程中会不可避免产生大量缺陷，主要包括穿透位错、点缺陷、堆垛层错、V型坑、沟槽缺陷等。

在所有缺陷中，位错与点缺陷是造成LED发光效率衰减的主要因素。这类缺陷会在芯片内部形成非辐射复合中心，捕获光生载流子，使电能以热能形式损耗，而非转化为光能。这不仅降低了芯片内部光子生成效率，还会引发行业普遍存在的效率骤降、绿隙等难题，大幅限制LED器件的综合性能。

1.1 传统缺陷改善技术与PSS的优势对比

为降低外延层的穿透位错密度（TDD），业内已研发出外延横向生长（ELO）等传统技术。该技术需要先在衬底上生长数微米厚的GaN薄膜，再制备图形化掩膜层实现选择性外延生长。但整个工艺需要中断生长过程，不仅生产效率低，还极易引入杂质，造成外延层污染。

与之相比，PSS技术在外延生长前就完成衬底图形化加工，可实现连续、无杂质污染的一体化生长。PSS表面的周期性微纳图形，能有效阻挡、弯折衬底与外延层界面处的位错延伸，大幅降低LED有源区的缺陷密度。

1.2 PSS抑制位错的微观作用机制

图1 在（a–c）FSS和（d–f）PSS上生长的氮化镓外延层的透射电镜图像。

透射电子显微镜（TEM）微观表征结果，直观验证了PSS的缺陷抑制效果。相较于传统平面衬底，PSS上生长的GaN薄膜，螺型位错与刃型位错密度均大幅降低。平面衬底制备的LED，位错主要生成于晶体内部边界，且在后续高温生长过程中无法消除，始终保持高缺陷状态。

PSS的特殊图形结构为外延横向生长（ELOG）提供了充足空间，既能减少GaN初始形核岛的数量，促进位错弯折、相互湮灭，还能有效抑制V型缺陷的生成。得益于优化的晶体质量，PSS基LED的反向漏电流更低、器件稳定性更强，搭配适配的电流阻挡层后，器件光输出功率（LOP）可提升13%。

1.3 形核层与PSS结构参数的优化调控

优质的形核层（NL）与PSS匹配使用，可进一步放大器件性能优势。相较于传统原位低温GaN/AlN形核层，采用溅射工艺制备的外置AlN形核层与PSS搭配，能实现更优异的外延生长效果。

图2 UV LED在（a–c）LT-GaN、NL/PSS，（d–f）LT-AlGaN NL/PSS以及（g–f）溅射AlN NL/PSS上的横截面TEM图像。这个标有边缘（E）和混合（M）类型位错。

实验对比表明，外置溅射AlN形核层/PSS复合结构制备的紫外LED，位错密度最低。该结构可规避横向、纵向生长失衡产生的空洞缺陷，光输出功率较传统AlGaN形核层器件提升11.2%。同时，通过调控生长模式，“海啸生长模式”可有效抑制位错纵向延伸，制备出的外延层质量远优于“涨潮生长模式”。

PSS图形的尺寸与填充因子是核心调控参数。随着锥形PSS尺寸增大、填充因子从0.4提升至0.71，衬底底部的平面形核区域减小，GaN薄膜横向生长时间延长，位错密度进一步降低。最终，高填充因子PSS制备的LED，光输出功率较低填充因子样品提升131.8%。

1.4 深紫外LED的PSS复合优化方案

在GaN缓冲层中引入铝等价掺杂，可与PSS工艺形成协同优化效果，有效降低螺型位错密度与背景载流子浓度。当铝掺杂浓度优化至0.18%时，LED晶体质量显著提升，光输出效率可增加7.6%。

图3  (a–d) 铝氮（AlN）外延层在裸露纳米片（NPSS）上的生长演化示意图。

(e) 裸露NPSS和(f) 石墨烯/NPSS上AlN生长的示意图。

(g) 裸露NPSS和(h) 石墨烯/NPSS上AlN薄膜的横截面示意图。

(i) 带有或不带石墨烯中间层的DUV-LED的电子能谱。

V/III比例调控、石墨烯准范德华外延（QvdWE）技术，进一步拓宽了PSS的应用场景。高低交替V/III比AlN超晶格结构，可实现分层式位错消除，3D生长向2D生长的模式转变，能促进位错融合、终止。同时，石墨烯夹层可提升铝原子的表面扩散能力，实现超薄、平整的AlN薄膜生长。优化后的石墨烯/纳米图形化蓝宝石衬底（Gr/NPSS）结构，可让深紫外LED的电致发光强度提升2.6倍。

二、PSS提升光提取效率，大幅降低光学损耗

通过PSS优化晶体结构、降低缺陷后，LED的内量子效率可显著提升，而优化光提取效率则是进一步突破器件发光上限的关键。传统LED出光效率低的核心原因，是不同材料折射率失配引发的全反射效应（TIR）。

2.1 全反射造成的光损耗原理

GaN材料折射率为，而空气折射率仅为，两者折射率差距极大。根据斯涅尔定律：

经计算，GaN与空气界面的临界出射角仅为23.6°。这意味着，只有垂直夹角23.6°范围内的光线可以射出芯片，超过80%的光线会因全反射被锁在芯片内部。同时，GaN与蓝宝石界面的全反射临界角为42.8°，会进一步加剧光线回流损耗。

图4 (a) LED的光逸出锥及(b) 带FSS和PSS的LED中光路轨迹示意图。

紫外、深紫外LED的光损耗问题更为严峻。可见光以横电波（TE）偏振为主，而紫外光包含大量横磁波（TM）偏振光子。这类光子在芯片内以大角度横向传播，极易被全反射束缚。此外，p-GaN接触层对紫外光具有强吸收作用，会造成严重的光子重吸收损耗，进一步降低出光效率。

2.2 PSS的光散射增透机制

PSS表面的周期性微纳图形，完美解决了全反射损耗难题。衬底凹凸的图形结构，打破了传统芯片平整的光路界面，改变了光子原本的直线传播轨迹。被束缚的光线经过PSS结构多次散射、折射后，入射角度被重新调控至有效出光锥范围内，大幅提升光子射出芯片的概率，从根本上提升LED的光提取效率。

2.3 PSS光学性能的主流仿真方法

为精准优化PSS结构参数，行业主要采用光线追踪法与时域有限差分法（FDTD）开展光学仿真分析。光线追踪法适用于大尺寸结构的宏观光学仿真，可模拟光线的反射、透射与吸收行为。基于波动光学的FDTD法，对亚波长纳米图形的仿真精度更高，能够精细还原复杂PSS结构的光波传播规律。

光提取效率的核心评价公式，为芯片有效出射光功率与内部总辐射光功率的比值：

其中，为LED芯片的有效出射光功率，为器件有源区产生的总光子功率。

三、总结

PSS作为LED领域核心的衬底优化技术，通过两大核心路径全面提升LED外量子效率。在晶体生长层面，图形化结构有效抑制位错的生成与延伸，减少非辐射复合损耗，提升器件内量子效率；在光学性能层面，借助微纳结构的光散射效应打破全反射限制，大幅提升光提取效率。结合形核层优化、生长模式调控、复合外延等配套技术，PSS已成为制备高性能可见光、紫外及深紫外LED的必备技术，为固态照明、光电显示产业的迭代升级提供了核心支撑。

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