1.2 研究现状和发展趋势

从最开始的普通蓝宝石衬底发展至今图形化蓝宝石衬底技术，图形衬底理论的提出使图形的设计方面成为了衬底制备的重要环节。图形和大小尺寸是设计的重要部分。研究早期，因为技术水平的原因以及数据指标较少，主要是通过对不同图形参数数据的微米级蓝宝石衬底图形进行研究和分析，分析各种参数对于性能的影响，在图形化蓝宝石衬底上完成电感耦合等离子体( inductive coupled plasma，ICP) 刻蚀，刻成间距2. 5 μm、高度1. 5 μm 的锥形图案。在这个蓝宝石图形衬底上用金属有机化合物化学气相沉淀进行外延生长，生长成的GaN材料外延层具有比较高的质量，缺陷密度( etch pit density，EPD) 可大大减低，此外，研究了了图形深度对LED 出光效率的影响。通过干法刻蚀在图形化蓝宝石衬底上刻蚀不同参数的图形，再使用MOCVD 法生长GaN材料外延层，最后对LED的性能进行分析，发现最小尺寸的图形化蓝宝石衬底制作而成LED的发光效率最高，芯片的外量子效率达到最高百分之十四[1]。

图形化蓝宝石的形状在逐步的发展，衬底的图形对于LED 光学性能的提高体现在两方面: 第一方面，图形经过散射或反射改变光的轨迹，使光在界面之间出射的入射角减少( 小于介质的全反射临界角) ，然后透射而出，从而提高光的提取效率; 另一方面，图形还能使后续的GaN材料生长侧向磊晶的效果，从而减少晶体缺陷，进而提高内量子效率。图形的形状从最初的长条形到六角形、锥形，再到目前使用较多的半球形，图案以及参数的演变使LED 光学性能不断提高。简单来说，复杂的图形与简单图形相比，曲面图形相比平面图形来说对光的提取作用有着更为明显的影响。长条形的蓝宝石衬底图案是多条的，有实验表明: 更加多面的六角形图形不仅增强反射以及散射效应，且相对复杂的图形阵列分布更有优于侧向外延，提高磊晶的质量。因此，后来对蓝宝石图形的研究渐渐趋向于密集排布。尖锥状凸起结构的锥形蓝宝石图案也是如此，其倾斜角度对LED 的出光效率有较大的影响。科学论文报道过，尖锥形图案会致使比较大的位错。为了降低位错，实验采取比较小的斜面角度比较合适，然而小的倾斜面角会削弱图形对光的反射以及散射作用，因此倾斜角需要找到一个平衡点，实验研究组设立了多组对照组进行实验，结论得出最佳的斜角度为31. 6°[1-2]。

蓝宝石图形化衬底技术，因为其图形设计的多变性、与其他技术相结合的适应性以及改变GaN材料外延层生长模式的操作性，在科学界一直是提高LED 光学性能的研究热点。在刻蚀工艺技术不断发展的状况下，纳米级的图形化沉底的转变势必为图形化蓝宝石衬底在LED的发展使用注入新的活力元素。总的来说，蓝宝石衬底的图形化技术伴随着尺寸纳米、图案优化、制备工艺成熟、应用综合等方面的发展日益优异，LED光学性能的逐步提升显示了其广泛的应用市场，在各个照明领域都有它的优势。 当前需求较大的市场是图形化蓝宝石衬底在大尺寸芯片上的道路照明、大功率灯杯在工业上的使用、路灯和夜景照明等方面，但因为大尺寸芯片，产品技术的生产技术不成熟，反而增高了生产成本，现如今大尺寸芯片的工业制造还不占优势。不过现如今随着LED的各种产品光学性能的提高，市场依然存在很大的机遇，目前国内外的各个大厂家也陆续研发出更高超的设备，像AIXTRON 公司最新产品G5最大功率可满足56 英寸× 2 英寸的MOCVD 外延; 而刻蚀方面的设备也在陆续改进，国内的企业北方微电子近来发布的的ELEDETM 330 LED 刻蚀设备，用IC 工艺技术更为严谨的设计要求来使LED 更高光学性能的刻蚀技术，更能使LED芯片的发光效率大大提高。刻蚀工艺技术的不断优化，使PSS技术在大尺寸芯片上的应用和生产指日可待。照明方面对LED 芯片的出光效率和可靠性有很高的标准，LED芯片的尺寸越大，越容易使光电器件光效减少、热损耗提高、降低可靠性等诸多问题，而图形化蓝宝石衬底技术却在提高出光效率和提高磊晶质量这辆方面存在着很大的优势，一方面通过基板图案改变光路，大大提高光效;另一方面，通过GaN的横向外延生长来改善GaN的生长质量，并减少非辐射复合中心，从而减少了产生热量的载体，良好，从而提高了LED的可靠性，从而使LED芯片流明效率与照明行业巨头Cree公司基于SiC衬底的几何增强和LED行业的倒置电极结构具有照明水平。此外，随着生产能力的释放，蓝宝石衬底价格的行业分析将下降，与SiC成本高价格相比，图形蓝宝石衬底的使用是未来趋势。武汉迪源光电有限公司[4-6]基于PSS，通过外延生长，芯片制造工艺，提高了高亮度LED芯片的制造，发光效率达到了104 lm / W的工业化水平，符合3 W应用市场。芯片尺寸40密耳（1密耳= 0.0254毫米），良好的照明在0.01毫安，无暗区;良好的可靠性和稳定性，在350和700 mA下老化1000小时，光衰分别为-0.4％和2. 8％。正向压降主要分布在3. 0〜3. 4 V的范围内，光功率主要分布在305〜315 mW的范围内，漏电率为17. 39％，条件为10 V，0.5μA），ESD产量为80％，成功解决了工业化关键技术。 大尺寸LED芯片的未来面临较低的成本，提高了双重挑战的质量，虽然基板图形会增加相应的成本，但产品的质量却与其他技术不符合成本效益的优势; 并与大厂商（包括Veeco和AIXTRON）共同努力，降低生产成本MOCVD和蓝宝石基板价格，使蚀刻设备工业更加成熟，相信未来的图形蓝宝石衬底在大尺寸芯片的应用中占据一席之地[6]文献综述