蓝宝石衬底 vs. PSS：解读高性能 LED 与显示器件背后的核心材料

技术原理、性能优势及应用对比

在氮化物半导体器件（如 LED、Mini-LED、Micro-LED 以及功率与射频电子器件）的制造过程中，衬底材料不仅影响外延生长质量，还直接决定器件的光学、电学性能及长期可靠性。随着器件向高亮度、高功率和高集成度方向发展，衬底技术已成为产业升级的重要基础。

在众多可选衬底材料中，蓝宝石衬底因其综合性能优异、产业链成熟而被广泛采用。在此基础上，通过表面微结构工程发展而来的图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS），进一步突破了传统衬底在光提取效率和缺陷控制方面的限制，成为高端光电器件的重要支撑技术。

本文从材料特性、工艺原理及应用场景等角度，对蓝宝石衬底与 PSS 蓝宝石衬底进行系统介绍与对比分析。

1. 蓝宝石衬底（Sapphire Substrates）

蓝宝石衬底通常采用高纯度单晶氧化铝（Al₂O₃）制备，具有高熔点、高硬度以及优异的化学稳定性，能够适应氮化物半导体外延所需的高温和强腐蚀性环境。在多种晶体取向中，C 面（0001）蓝宝石因其表面能稳定、外延工艺成熟，成为 GaN 基材料最常用的衬底晶向。

技术特点

• 表面平整度高，抛光和清洗工艺成熟

• 具备良好的热稳定性和机械强度

• 与主流 MOCVD 外延工艺高度兼容

• 良率高、成本可控，适合规模化量产

主要应用领域

• 常规 LED 外延晶圆制造

• GaN、AlN 等宽禁带半导体材料研发

• 功率器件与射频电子器件

得益于成熟稳定的供应体系和长期验证的可靠性，蓝宝石衬底在氮化物半导体产业中仍然发挥着基础性和支撑性的作用。

2. 图形化蓝宝石衬底（PSS Sapphire）

图形化蓝宝石衬底是在常规蓝宝石衬底表面，通过光刻、干法或湿法刻蚀等微纳加工工艺，制备周期性排列的微结构，如锥形、截锥形或金字塔结构。这些结构在外延生长和器件发光过程中同时发挥作用。

在外延阶段，PSS 可改变位错的生长路径，减少穿通位错进入有源层；在器件工作阶段，微结构可有效改变光的传播方向，从而提升光提取效率。

核心优势

• 明显降低外延层中的位错密度

• 改善晶圆应力分布，降低翘曲与开裂风险

• 提升光提取效率和发光均匀性

• 有助于提升器件亮度和长期可靠性

典型应用

• 高亮度 LED（HB-LED）

• Mini-LED 与 Micro-LED 显示背光与直显技术

• 对光效和一致性要求较高的高端光电器件

随着显示技术向高分辨率和高亮度方向发展，PSS 已成为先进 LED 制程中的关键衬底方案之一。

3. 蓝宝石衬底与 PSS 蓝宝石衬底的对比分析

4. 结论与发展趋势

随着氮化物半导体器件向高效率、高亮度和高可靠性方向持续演进，衬底技术的重要性日益凸显。传统蓝宝石衬底凭借成熟工艺和成本优势，仍将在大量标准化应用中长期存在；而 PSS 蓝宝石衬底通过精细的表面结构设计，在高端 LED、Mini-LED 和 Micro-LED 等领域展现出显著的性能优势。

在实际产业应用中，衬底类型的选择需要综合考虑器件性能目标、制造成本及工艺复杂度。通过合理匹配衬底技术与终端产品需求，制造商能够在性能提升与生产效率之间实现最佳平衡，为下一代光电与半导体器件的发展奠定坚实基础。

晶沐光电可稳定供应2英寸至12英寸全系列蓝宝石衬底产品，并提供蓝宝石PSS（图形化蓝宝石衬底）。各尺寸蓝宝石衬底的晶向与厚度均可根据客户需求进行定制，满足不同功率器件、光电器件及科研应用对材料参数的多样化要求。