图画化基板，简称PSS(Patterned Sapphire Substrate)，俗称图形化衬底，也便是在蓝宝石衬底上成长干法刻蚀用掩膜，用规范的光刻工艺将掩膜刻出图形，运用 ICP 刻蚀技能刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上成长 GaN 资料，使 GaN 资料的纵向外延变为横向外延，蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方法,在蓝宝石基板上规划制造出微米级或纳米级的具有微结构特定规矩的图画,藉以操控LED之输出光方式(蓝宝石基板上的凹凸图画会产生光散射或折射的作用添加光的出率),一起 GaN 薄膜成善于图画化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的作用,削减成长在蓝宝石基板上 GaN 之间的差排缺点，改进磊晶质量，并进步LED内部量子功率、添加光萃取功率。与成善于一般蓝宝石基板的 LED 比较,PSS能使亮度添加70%以上 。
DONGGEUN KO，JACOBYOON，JANGHO SEO 描绘了怎么经过图画化晶片来削减缺点密度和全反射丢失，然后进步 LED 光提取功率。
出产商们敏捷采用以氮化物半导体为根底的 LED 作为规范光源，使用在更多产品上，从一般照明，车前灯，交通照明到布景照明的消费类电子产品，如 HDTVs，智能机，平板电脑以及巨细显现屏。LED 的功能和本钱使 LED 技能得以广泛使用。实际上，低本钱和高光效才干推进顾客商场的承受。LED 芯片出产商正在寻觅图画化蓝宝石基板出产技能，最大化光提取功率，然后推行 LED 的运用。
将图画化使用在 LED 基板或晶片上能从两个方面进步光输出。这种技能能够经过下降外延缺点密度来进步活性量子阱层的光出射。并且，图画化蓝宝石基板能经过光子散射效应来下降由于全反射引起的光丢失。
研讨人员在蓝宝石基板外表规划了不同的形状和尺度的周期性改动结构的图画，包含圆锥，圆顶，金字塔，柱状结构等。这样的蓝宝石基板就称为图画化蓝宝石基板。
职业界现在有两种方法来出产图画化蓝宝石基板：干法等离子蚀刻和湿法化学蚀刻，但绝大部分的图画化蓝宝石基板的出产都是运用干法等离子蚀刻技能。比较湿法化学刻蚀，干法等比如刻蚀的精确性和统一性更简单操控。本文所评论的图画化蓝宝石基板制造将首要重视运用电感耦合等离子体干法反响性腐蚀。
经过与多家世界上最先进的 LED 出产商协作100-mm和150-mm的图画化蓝宝石基板，Rubicon 有时机了解到有用图画化蓝宝石基板的规模要求。最要害的要求是图画尺度，形状，纵横比（如，图画的长宽比），晶片的均匀度以及晶片与晶片间的一致性。
由于 LED 职业的外延工艺的高定制化，咱们无法得到图画化蓝宝石基板的最优计划。 图画的规划千变万化，并且在未来图画化蓝宝石基板的规划也不会有趋同现象。典型的图画形状包含圆锥，圆顶，四方锥或许三方锥。即便学术研讨标明，图画尺度（100-1000nm）越小，光效越好，但 LED 职业仍以3-4μm的图画为主。
影响要害特性的工艺参数有尺度的精准性、光致抗蚀剂掩膜的统一性、蓝宝石刻蚀对光致抗蚀剂掩膜的选择性、射频功率，电感耦合等离子体工艺压力，射频线圈规划等离子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及衬底温度。
进步光提取率
低光提取率关于出产高亮度 LED 是一个很大的应战。图画化的蓝宝石衬底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎内（如图1a），然后进步光提取功率。这样的作用相当于进步了光子溢出的临界角（如图1b）。研讨发现经过这一手法能够将光提取功率最高进步30%。
图1: 图画化蓝宝石衬底散射光子（a）并且有用的扩展逸逃锥（b），这样可做多进步30%的光提取率。 光子经过电子空穴复合从活化量子阱层开释出来，然后从LED芯片射向空间。
最抱负的状况便是一切从活性量子阱开释的光子悉数被提取作为 LED 的光输出，但事实上大部分的光子由于各种要素而无法从 LED 芯片中射出。
关于抱负的光提取功率的一个要害阻止便是由氮化镓的高折射率与自由空间的折射率（大约是2.5:1）所导致的全反射。许多从活性层生成的光子被反射到芯片内并且被禁闭在芯片内而无法射出，终究以热能被耗费。 只要那些被射入到由全反射临界角所界说的光逸出椎内的光子才干射出 LED 芯片，在椎外的光子则被禁闭在 LED 芯片内。
更有用的光转化
从热能，机械能和化学特性来看，蓝宝石是十分不错的一个作为III/V氮化物外延成长的衬底资料。可是蓝宝石不仅仅与III/V氮化物有不同的晶体结构，并且与氮化物有大约15%的晶格失配。因此氮化物外延层会天然产生大约在108-1010每平方厘米的失配位错（失配位错是用来标明晶体膜质量退化程度的外延层的线性缺点）。 这种缺点一般经过在光学显微镜下蚀坑密度或许在X射线下的 FWHM 赖表征。
图画化蓝宝石衬底经过削减失配位错来进步氮化物的外延成长，而这种失配位错的削减是由图画化蓝宝石衬底进步了侧向添加，即与衬底外表的平行添加。失配位错一般经过传统的平面蓝宝石衬底或图画化蓝宝石
衬底在开端的外延成长晶核阶段产生。许多研讨者用透射式电子显微镜发现经过进步图画化蓝宝石衬底外延成长的侧向构成能够削减失配位错。
由于电子和空穴（的复合）在错位线产生非辐射复合，失配位错在活化层的削减是进步光转化功率（也被称为内量子功率）的其间一个最重要的要素。一般的，经过进步外延量子阱的质量，图画化蓝宝石衬底能够进步大约30%的内量子功率。当然，图画的尺度、形状、质量以及与各种图画规划相匹配的外延成长功能的优化都对图画化蓝宝石衬底关于进步内量子功率有很大的影响。
有用的图画化蓝宝石沉底的规划
在图画化蓝宝石衬底的规划中，咱们需求考虑两个要害点来优化 LED 芯片的光输出。第一种是怎么最大化侧边成长，然后更有用的按捺外延添加中的失配位错；第二种是怎么取得最大化散射效应来进步光提取。
图2：图画面积与总基板面积之比是经过暗影面积或许灰色面积与六边形面积之比来核算的（a），并且纵横比指的是图画结构的高与宽之比（b）。
图画面积与总面积之比和纵横比是图画化蓝宝石衬底规划中进步与衬底平面平行的侧向外延成长的两个要害点（如图2所示）。相关于总面积，越高的图画面积率越能再外延成长过程中添加侧边构成然后削减失配位错密度。这样的作用能够经过透射电子显微镜或许经过x射线摇晃区显剖析中的 FWHM 下降观察到。
现阶段研讨标明，较高的纵横比能够进步外延成长的的侧向构成，当然这一定论还需进一步证明。现在的更宽更高的发展趋势或许并非偶尔，而是与这些规划规矩有关。除此以外，图画的形状以及密度都是回影响侧向成长的规划要素。
关于经过散射效应进步光提取率，图画形状、纵横比以及图画密度都是被 LED 规划师考虑的首要要素。可是，本文将侧重评论图画密度。 图画阵列几许形状和图画间隔都应在操控图画密度过程中予以考虑。即便图画能规划成不同的几许形状，但六角形摆放因其严密摆放，是仅有一个遍及使用的几许图形。可是，经过缩短图画的周期间隔能够进一步进步摆放密度。很多研讨人员都在致力于研讨纳米级图画化的潜能，这些研讨不仅仅重视由进步摆放密度所进步的光提取功率，还重视经过外延质量进步所引起的内量子功率的进步。
许多研讨者都已报导了在纳米图画化衬底上完成LED光效进步的重大打破。这些打破不仅仅优于传统平面衬底，，并且优于微米图画化衬底。可是，纳米级图画化蓝宝石衬底因其高度专属定制需求至今还没在 LED 职业界得到使用。
一般，纳米级图画化蓝宝石衬底是经过在蓝宝石衬底上丝印或许高分辨率光学曝光，然后再经过电感耦合等离子体刻蚀术制造而成的。而高分辨率光学曝光要求衬底具有高度的平坦性，这对如今的蓝宝石衬底供货商是一个很大的应战。正如上文所说到的，LED 职业就各种图画化蓝宝石衬底对 LED 功能的影响正在逐渐达到一致。可是这些一致因 LED 芯片商们不肯同享灵敏的专利信息而遭到限制。
要害工艺参数
咱们现已就图画化篮宝石衬底的规划参数对 LED 功能的影响进行了许多评论。其间高度、宽度，间隔（图画间的周期间隔）以及形状最为重要。别的，这些单个晶圆和不同晶圆间边缘参数的一致性在 LED 芯片流水线和精益出产方面都十分重要。
图3：图画化蓝宝石基板经过光致抗蚀剂掩膜在电感耦合等离子体干法反响性腐蚀坚持杰出刚性结构（如图a）,可是，假如光致抗蚀剂掩膜的刚性结构在抗蚀过程中没有得到坚持，那么成果会很差（如图b）。
蓝宝石上的周期化图画是由图画化光致蚀刻掩膜在电感耦合等离子体干式反响性蚀刻中完成的。在光致蚀刻掩膜中创立精确而均匀的高精度结构是取得成功的第一步。在后续的过程中，坚持光致蚀刻掩膜在电感耦合等离子体干式蚀刻出产过程中的结构完好性相同重要。这种结构刚功能够在电感耦合等离子体干式蚀刻出产过程中经过硬化抗蚀剂或许冷却衬底来完成。如图3所示，假如在蚀刻过程中抗蚀剂结构的完好精确性没有得到很好坚持，图画化蓝宝石基板质量将严峻危害。
图4. 图画化蓝宝石基板结构能够产生改动。例如，1.3微米高，2.5微米宽的晶片（a）到1.9微米高，2.6微米宽的晶片(b)。
电感耦合等离子体干式蚀刻中对图画化蓝宝石概括特征至关重要的其他要害要素有蓝宝石蚀刻关于光致抗蚀剂掩膜的选择性，射频功率，电感耦合等离子体操作的压力，等离子一致性射频线圈的规划，等离子体化学和衬底温度的操控。成功完成合适方针使用的最有用图画化蓝宝石衬底是由一切的这些参数怎么智能详尽地结合和施行来决议的。如图4显现，这些参数的不同组合对图画规划影响之大。
当今图画化蓝宝石基板商场趋势
直到现在，图画化蓝宝石衬底商场首要由 LED 芯片制造商主导。他们或许自己出产图画化蓝宝石衬底，或许外包给其他合同制造商。这种状况现已逐渐产生改动，图画化蓝宝石衬底的主导地位现已逐渐从 LED 芯片制造商转向蓝宝石衬底制造商。
如今，蓝宝石晶片制造商现已开端跟 LED 芯片制造商协作将蓝宝石衬底图画化。可是，大部分蓝宝石出产商专心于2~4英寸小直径图画。只要很少部分厂家开端引入6英寸产品。在2013年，Rubicon 科技建议4英寸，6英寸和8英寸大直径图画化蓝宝石衬底产品，用更好的质量操控和笔直整合以差异于职业界的其他出产商。
