2. 外延片结构解析：蓝宝石衬底、GaN外延层、量子阱结构、电极层功能

做MicroLED这么多年，我拆解过的外延片少说也有上千片了。每次拿到新的外延片，我都会先看看它的“底子”——也就是衬底。说白了，外延片就是MicroLED芯片的“地基”，地基打不好，后面全是白搭。

今天咱们就一层层剥开这个“洋葱”，看看蓝宝石衬底、GaN外延层、量子阱和电极层到底是怎么回事。

2.1 蓝宝石衬底：为什么是它？

蓝宝石衬底，化学式Al₂O₃，是目前GaN基LED最主流的衬底材料。你可能会问：为什么不用硅？硅便宜啊！

嗯，这里有个关键问题——晶格匹配。GaN和蓝宝石的晶格失配大约在16%左右，听起来很大对吧？但硅和GaN的失配更大，接近17%，而且硅还会吸收蓝光。我个人习惯，在评估衬底时主要看三点：

• 透光性：蓝宝石对可见光透明，这对垂直结构芯片很重要
• 热稳定性：蓝宝石熔点超过2000°C，MOCVD生长完全扛得住
• 成本：虽然比硅贵，但比碳化硅便宜太多了

不过蓝宝石有个硬伤——导热差。它的热导率只有约35 W/m·K，比铜差了10倍。所以做高功率密度MicroLED时，我通常会建议客户考虑激光剥离后把蓝宝石去掉，换成导热更好的衬底。

2.2 GaN外延层：发光的心脏

GaN外延层是直接负责发光的区域。它通常包含几个子层：

• 缓冲层：直接长在蓝宝石上，厚度约20-50nm，用来缓解晶格失配
• n-GaN层：掺硅的n型层，厚度2-4μm，提供电子
• p-GaN层：掺镁的p型层，厚度100-200nm，提供空穴

我记得有一次，客户反馈芯片亮度偏低。我让他们测了一下n-GaN的载流子浓度，结果发现只有1×10¹⁸ cm⁻³，正常应该在3-5×10¹⁸ cm⁻³。后来查出来是MOCVD生长时硅烷流量偏低了。你看，这种细节不注意，整个批次就废了。

2.3 量子阱结构：效率的源泉

量子阱（MQW，Multiple Quantum Wells）是外延片里最核心的部分。它由InGaN/GaN交替生长而成，每层厚度只有2-5nm。

为什么会这么薄？因为量子限域效应。当电子和空穴被限制在这么窄的空间里，它们复合发光的概率会大幅提升。说白了，就是让电子和空穴“不得不”碰到一起。

典型的量子阱结构是这样的：

层名	材料	厚度	功能
势垒层	GaN	8-12nm	限制载流子
阱层	InGaN	2-3nm	发光层
周期数	5-10对	-	增加发光效率

阱层中In的组分决定了发光波长。In组分越高，波长越长。比如蓝光一般In组分在15-20%，绿光就要到25-30%。但In组分高了，晶体质量会下降，这就是为什么绿光效率一直比蓝光低的原因。

2.4 电极层功能：电流的通道

电极层分为p电极和n电极。p电极在p-GaN上面，n电极在n-GaN上面（通常通过刻蚀暴露出来）。

电极层的主要功能就两个：

• 欧姆接触：让电流顺畅地流进/流出半导体
• 电流扩展：让电流均匀分布在整个芯片上

常见的电极材料组合：

电极类型	常用材料	接触电阻	备注
p电极	Ni/Au, ITO	10⁻³~10⁻⁴ Ω·cm²	ITO透光性好
n电极	Ti/Al/Ti/Au	10⁻⁵~10⁻⁶ Ω·cm²	需要退火

我个人习惯，做MicroLED时p电极优先选ITO。为什么？因为ITO透明，不会挡住光。而且ITO的功函数和p-GaN比较匹配，接触电阻能做到10⁻⁴ Ω·cm²以下。

n电极的话，Ti/Al/Ti/Au这个四层结构是经典方案。Ti和n-GaN形成欧姆接触，Al是主要导电层，Ti/Au做保护。退火温度一般在500-600°C，时间30秒左右。退火温度高了或者低了，接触电阻都会变差，这个我踩过坑。

2.5 整体结构示意图

下面这张图是我用SVG画的外延片结构示意图，你可以看到每一层的位置和厚度比例：

你看，从下往上依次是：蓝宝石衬底 → 缓冲层 → n-GaN → 量子阱 → p-GaN → p电极。n电极则从侧面连接到n-GaN层。

这个结构看起来简单，但每一层的质量都直接影响最终芯片的性能。我常说，外延片做好了，芯片就成功了一半。剩下的那一半，就看咱们怎么把它剥离和转移了。

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