圖案化基板，簡(jiǎn)稱(chēng)PSS(Patterned Sapphire Substrate)，俗稱(chēng)圖形化襯底，也就是在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)干法刻蝕用掩膜，用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝將掩膜刻出圖形，利用 ICP 刻蝕技術(shù)刻蝕藍(lán)寶石，并去掉掩膜，再在其上生長(zhǎng) GaN 材料，使 GaN 材料的縱向外延變?yōu)闄M向外延，蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出微米級(jí)或納米級(jí)的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制 LED 之輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會(huì)產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的出率),同時(shí) GaN 薄膜成長(zhǎng)于圖案化藍(lán)寶石基板上會(huì)產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上 GaN 之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長(zhǎng)于一般藍(lán)寶石基板的 LED 相比,PSS能使亮度增加70%以上 。

　　

DONGGEUN KO，JACOBYOON，JANGHO SEO 描述了如何通過(guò)圖案化晶片來(lái)減少缺陷密度和全反射損失，從而提高 LED 光提取效率。

　　

生產(chǎn)商們迅速采用以氮化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的 LED 作為標(biāo)準(zhǔn)光源，應(yīng)用在更多產(chǎn)品上，從普通照明，車(chē)前燈，交通照明到背景照明的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，如 HDTVs，智能機(jī)，平板電腦以及大小顯示屏。LED 的性能和成本使 LED 技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，低成本和高光效才能推動(dòng)消費(fèi)者市場(chǎng)的接受。LED 芯片生產(chǎn)商正在尋找圖案化藍(lán)寶石基板生產(chǎn)技術(shù)，最大化光提取效率，從而推廣 LED 的使用。

　　

將圖案化應(yīng)用在 LED 基板或晶片上能從兩個(gè)方面提高光輸出。這種技術(shù)可以通過(guò)降低外延缺陷密度來(lái)提高活性量子阱層的光出射。而且，圖案化藍(lán)寶石基板能通過(guò)光子散射效應(yīng)來(lái)降低由于全反射引起的光損失。

　　

研究人員在藍(lán)寶石基板表面設(shè)計(jì)了不同的形狀和尺寸的周期性變化結(jié)構(gòu)的圖案，包括圓錐，圓頂，金字塔，柱狀結(jié)構(gòu)等。這樣的藍(lán)寶石基板就稱(chēng)為圖案化藍(lán)寶石基板。

　　

行業(yè)內(nèi)目前有兩種方法來(lái)生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石基板：干法等離子蝕刻和濕法化學(xué)蝕刻，但絕大部分的圖案化藍(lán)寶石基板的生產(chǎn)都是使用干法等離子蝕刻技術(shù)。相比濕法化學(xué)刻蝕，干法等例子刻蝕的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性更容易控制。本文所討論的圖案化藍(lán)寶石基板制造將主要關(guān)注使用電感耦合等離子體干法反應(yīng)性腐蝕。

　　

通過(guò)與多家世界上最先進(jìn)的 LED 生產(chǎn)商合作100-mm和150-mm的圖案化藍(lán)寶石基板，Rubicon 有機(jī)會(huì)了解到有效圖案化藍(lán)寶石基板的范圍要求。最關(guān)鍵的要求是圖案尺寸，形狀，縱橫比（如，圖案的長(zhǎng)寬比），晶片的均勻度以及晶片與晶片間的一致性。

　　

因?yàn)?LED 行業(yè)的外延工藝的高定制化，我們無(wú)法得到圖案化藍(lán)寶石基板的最優(yōu)方案。 圖案的設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，并且在未來(lái)圖案化藍(lán)寶石基板的設(shè)計(jì)也不會(huì)有趨同現(xiàn)象。典型的圖案形狀包括圓錐，圓頂，四方錐或者三方錐。即使學(xué)術(shù)研究表明，圖案尺寸（100-1000nm）越小，光效越好，但 LED 行業(yè)仍以3-4μm的圖案為主。

　　

影響關(guān)鍵特性的工藝參數(shù)有尺寸的精準(zhǔn)性、光致抗蝕劑掩膜的統(tǒng)一性、藍(lán)寶石刻蝕對(duì)光致抗蝕劑掩膜的選擇性、射頻功率，電感耦合等離子體工藝壓力，射頻線(xiàn)圈設(shè)計(jì)等離子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及襯底溫度。

　　

　　

低光提取率對(duì)于生產(chǎn)高亮度 LED 是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。圖案化的藍(lán)寶石襯底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎內(nèi)（如圖1a），進(jìn)而提高光提取效率。這樣的效果相當(dāng)于提高了光子溢出的臨界角（如圖1b）。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)這一手段可以將光提取效率最高提高30%。

圖1: 圖案化藍(lán)寶石襯底散射光子（a）并且有效的擴(kuò)大逸逃錐（b），這樣可做多提高30%的光提取率。

光子通過(guò)電子空穴復(fù)合從活化量子阱層釋放出來(lái)，從而從 LED 芯片射向空間。

　　

最理想的情況便是所有從活性量子阱釋放的光子全部被提取作為 LED 的光輸出，但事實(shí)上大部分的光子由于各種因素而無(wú)法從 LED 芯片中射出。

　　

對(duì)于理想的光提取效率的一個(gè)關(guān)鍵阻礙就是由氮化鎵的高折射率與自由空間的折射率（大約是2.5:1）所導(dǎo)致的全反射。大量從活性層生成的光子被反射到芯片內(nèi)并且被禁錮在芯片內(nèi)而無(wú)法射出，最終以熱能被消耗。 只有那些被射入到由全反射臨界角所定義的光逸出椎內(nèi)的光子才能射出 LED 芯片，在椎外的光子則被禁錮在 LED 芯片內(nèi)。

　　

　　

從熱能，機(jī)械能和化學(xué)特性來(lái)看，藍(lán)寶石是非常不錯(cuò)的一個(gè)作為III/V氮化物外延生長(zhǎng)的襯底材料。但是藍(lán)寶石不僅僅與III/V氮化物有不同的晶體結(jié)構(gòu)，并且與氮化物有大約15%的晶格失配。因而氮化物外延層會(huì)自然產(chǎn)生大約在108-1010每平方厘米的失配位錯(cuò)（失配位錯(cuò)是用來(lái)表明晶體膜品質(zhì)退化程度的外延層的線(xiàn)性缺陷）。 這種缺陷一般通過(guò)在光學(xué)顯微鏡下蝕坑密度或者在X射線(xiàn)下的 FWHM 賴(lài)表征。

　　

圖案化藍(lán)寶石襯底通過(guò)減少失配位錯(cuò)來(lái)提高氮化物的外延生長(zhǎng)，而這種失配位錯(cuò)的減少是由圖案化藍(lán)寶石襯底提高了側(cè)向增長(zhǎng)，即與襯底表面的平行增長(zhǎng)。失配位錯(cuò)一般通過(guò)傳統(tǒng)的平面藍(lán)寶石襯底或圖案化藍(lán)寶石

　　

襯底在最初的外延生長(zhǎng)晶核階段發(fā)生。很多研究者用透射式電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高圖案化藍(lán)寶石襯底外延生長(zhǎng)的側(cè)向構(gòu)成可以減少失配位錯(cuò)。

　　

因?yàn)殡娮雍涂昭ǎǖ膹?fù)合）在錯(cuò)位線(xiàn)發(fā)生非輻射復(fù)合，失配位錯(cuò)在活化層的減少是提高光轉(zhuǎn)換效率（也被稱(chēng)為內(nèi)量子效率）的其中一個(gè)最重要的因素。一般的，通過(guò)提高外延量子阱的質(zhì)量，圖案化藍(lán)寶石襯底可以提高大約30%的內(nèi)量子效率。當(dāng)然，圖案的尺寸、形狀、質(zhì)量以及與各種圖案設(shè)計(jì)相匹配的外延生長(zhǎng)性能的優(yōu)化都對(duì)圖案化藍(lán)寶石襯底對(duì)于提高內(nèi)量子效率有很大的影響。

　　

　　

在圖案化藍(lán)寶石襯底的設(shè)計(jì)中，我們需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)優(yōu)化 LED 芯片的光輸出。第一種是如何最大化側(cè)邊生長(zhǎng)，從而更有效的抑制外延增長(zhǎng)中的失配位錯(cuò)；第二種是如何獲得最大化散射效應(yīng)來(lái)提高光提取。

圖2：圖案面積與總基板面積之比是通過(guò)陰影面積或者灰色面積與六邊形面積之比來(lái)計(jì)算的（a），并且縱橫比指的是圖案結(jié)構(gòu)的高與寬之比（b）。

　　

圖案面積與總面積之比和縱橫比是圖案化藍(lán)寶石襯底設(shè)計(jì)中提高與襯底平面平行的側(cè)向外延生長(zhǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（如圖2所示）。相對(duì)于總面積，越高的圖案面積率越能再外延生長(zhǎng)過(guò)程中增加側(cè)邊構(gòu)成從而減少失配位錯(cuò)密度。這樣的效果可以通過(guò)透射電子顯微鏡或者通過(guò)x射線(xiàn)搖擺區(qū)顯分析中的 FWHM 降低觀察到。

　　

現(xiàn)階段研究表明，較高的縱橫比能夠提高外延生長(zhǎng)的的側(cè)向構(gòu)成，當(dāng)然這一結(jié)論還需進(jìn)一步論證。現(xiàn)在的更寬更高的發(fā)展趨勢(shì)或許并非偶然，而是與這些設(shè)計(jì)規(guī)則有關(guān)。除此以外，圖案的形狀以及密度都是回影響側(cè)向生長(zhǎng)的設(shè)計(jì)因素。

　　

對(duì)于通過(guò)散射效應(yīng)提高光提取率，圖案形狀、縱橫比以及圖案密度都是被 LED 設(shè)計(jì)師考慮的主要因素。然而，本文將著重討論圖案密度。

圖案陣列幾何形狀和圖案間距都應(yīng)在控制圖案密度過(guò)程中予以考慮。即使圖案能設(shè)計(jì)成不同的幾何形狀，但六角形排列因其緊密排列，是唯一一個(gè)普遍應(yīng)用的幾何圖形。然而，通過(guò)縮短圖案的周期距離能夠進(jìn)一步提高排列密度。眾多研究人員都在致力于研究納米級(jí)圖案化的潛能，這些研究不僅僅關(guān)注由提高排列密度所提高的光提取效率，還關(guān)注通過(guò)外延質(zhì)量提高所引起的內(nèi)量子效率的提高。

　　

許多研究者都已報(bào)道了在納米圖案化襯底上實(shí)現(xiàn) LED 光效提高的重大突破。這些突破不僅僅優(yōu)于傳統(tǒng)平面襯底，，而且優(yōu)于微米圖案化襯底。但是，納米級(jí)圖案化藍(lán)寶石襯底因其高度專(zhuān)屬定制需求至今還沒(méi)在 LED 行業(yè)內(nèi)得到應(yīng)用。

　　

通常，納米級(jí)圖案化藍(lán)寶石襯底是通過(guò)在藍(lán)寶石襯底上絲印或者高分辨率光學(xué)曝光，然后再通過(guò)電感耦合等離子體刻蝕術(shù)制作而成的。而高分辨率光學(xué)曝光要求襯底具有高度的平整性，這對(duì)現(xiàn)今的藍(lán)寶石襯底供應(yīng)商是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。正如上文所提到的，LED 行業(yè)就各種圖案化藍(lán)寶石襯底對(duì) LED 性能的影響正在逐步達(dá)成共識(shí)。但是這些共識(shí)因 LED 芯片商們不愿共享敏感的專(zhuān)利信息而受到局限。

　　

　　

我們已經(jīng)就圖案化籃寶石襯底的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì) LED 性能的影響進(jìn)行了許多討論。其中高度、寬度，間距（圖案間的周期距離）以及形狀最為重要。另外，這些單個(gè)晶圓和不同晶圓間邊沿參數(shù)的一致性在 LED 芯片流水線(xiàn)和精益生產(chǎn)方面都非常重要。

圖3：圖案化藍(lán)寶石基板通過(guò)光致抗蝕劑掩膜在電感耦合等離子體干法反應(yīng)性腐蝕保持良好剛性結(jié)構(gòu)（如圖a）,然而，如果光致抗蝕劑掩膜的剛性結(jié)構(gòu)在抗蝕過(guò)程中沒(méi)有得到保持，那么結(jié)果會(huì)很差（如圖b）。

藍(lán)寶石上的周期化圖案是由圖案化光致蝕刻掩膜在電感耦合等離子體干式反應(yīng)性蝕刻中實(shí)現(xiàn)的。在光致蝕刻掩膜中創(chuàng)建準(zhǔn)確而均勻的高精度結(jié)構(gòu)是取得成功的第一步。在后續(xù)的步驟中，保持光致蝕刻掩膜在電感耦合等離子體干式蝕刻生產(chǎn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性同樣重要。這種結(jié)構(gòu)剛性可以在電感耦合等離子體干式蝕刻生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)硬化抗蝕劑或者冷卻襯底來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，如果在蝕刻過(guò)程中抗蝕劑結(jié)構(gòu)的完整精確性沒(méi)有得到很好保持，圖案化藍(lán)寶石基板質(zhì)量將嚴(yán)重?fù)p害。

圖4. 圖案化藍(lán)寶石基板結(jié)構(gòu)可以發(fā)生變化。例如，1.3微米高，2.5微米寬的晶片（a）到1.9微米高，2.6微米寬的晶片(b)。

 

電感耦合等離子體干式蝕刻中對(duì)圖案化藍(lán)寶石輪廓特征至關(guān)重要的其他關(guān)鍵因素有藍(lán)寶石蝕刻對(duì)于光致抗蝕劑掩膜的選擇性，射頻功率，電感耦合等離子體操作的壓力，等離子一致性射頻線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)，等離子體化學(xué)和襯底溫度的控制。成功實(shí)現(xiàn)適合目標(biāo)應(yīng)用的最有效圖案化藍(lán)寶石襯底是由所有的這些參數(shù)如何智能細(xì)致地結(jié)合和實(shí)施來(lái)決定的。如圖4顯示，這些參數(shù)的不同組合對(duì)圖案設(shè)計(jì)影響之大。

　　

　　

直到現(xiàn)在，圖案化藍(lán)寶石襯底市場(chǎng)主要由 LED 芯片制造商主導(dǎo)。他們或者自己生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石襯底，或者外包給其他合同制造商。這種情況已經(jīng)逐步發(fā)生改變，圖案化藍(lán)寶石襯底的主導(dǎo)地位已經(jīng)逐步從 LED 芯片制造商轉(zhuǎn)向藍(lán)寶石襯底制造商。

　　

現(xiàn)今，藍(lán)寶石晶片制造商已經(jīng)開(kāi)始跟 LED 芯片制造商合作將藍(lán)寶石襯底圖案化。然而，大部分藍(lán)寶石生產(chǎn)商專(zhuān)注于2~4英寸小直徑圖案。只有很少部分廠家開(kāi)始引進(jìn)6英寸產(chǎn)品。在2013年，Rubicon 科技發(fā)起4英寸，6英寸和8英寸大直徑圖案化藍(lán)寶石襯底產(chǎn)品，用更好的質(zhì)量控制和垂直整合以區(qū)別于行業(yè)內(nèi)的其他生產(chǎn)商。