LED用藍寶石基板(襯底)簡介

一、藍寶石介紹

藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高（2045℃）等特點，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石芯片成為制作白/藍/綠光LED的關(guān)鍵材料。

下圖則分別為藍寶石的切面圖；晶體結(jié)構(gòu)圖上視圖；晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖；藍寶石結(jié)晶面示意圖：

最常用來做GaN磊晶的是C面(0001)這個不具極性的面,所以GaN的極性將由制程決定

                           (a)圖從C軸俯看                          (b)圖從C軸側(cè)看

二、藍寶石晶體的生長方法

藍寶石晶體的生長方法常用的有兩種：

1、柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠。

2、凱氏長晶法(Kyropoulos method)，簡稱KY法。大陸稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個單晶晶碇。
 
兩種方法的晶體生長示意圖如下：

柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意圖

三、藍寶石襯底加工流程：

藍寶石基片的原材料是晶棒，晶棒由藍寶石晶體加工而成。其相關(guān)制造流程如下：

1、長晶： 利用長晶爐生長尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍寶石晶體。

2、定向：確保藍寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置，便于掏棒加工。

3、掏棒： 以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒。

4、滾磨：用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度。

5、品檢：確保晶棒品質(zhì)以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格。

6、定向：在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工。

7、切片：:將藍寶石晶棒切成薄薄的芯片。

8、研磨：:去除切片時造成的芯片切割損傷層及改善芯片的平坦度。

9、倒角：將芯片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機械強度，避免應(yīng)力集中造成缺陷。

10、拋光：改善芯片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度。

11、清洗：清除芯片表面的污染物(如:微塵顆粒、金屬、有機玷污物等)。

12、品檢：:以高精密檢測儀器檢驗芯片品質(zhì)(平坦度,表面微塵顆粒等)，以合乎客戶要求。

四、藍寶石基板應(yīng)用種類

廣大外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種：

1、C-Plane藍寶石基板

這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定。
 
C-Plane藍寶石基板是普遍使用的藍寶石基板。1993年日本的赤崎勇教授與當(dāng)時在日亞化學(xué)的中村修二博士等人，突破了InGaN 與藍寶石基板晶格不匹配（緩沖層）、p 型材料活化等等問題后，終于在1993 年底日亞化學(xué)得以首先開發(fā)出藍光LED。以后的幾年里日亞化學(xué)以藍寶石為基板，使用InGaN材料，通過MOCVD 技術(shù)并不斷加以改進藍寶石基板與磊晶技術(shù)，提高藍光的發(fā)光效率，同時1997年開發(fā)出紫外LED，1999年藍紫色LED樣品開始出貨，2001年開始提供白光LED。從而奠定了日亞化學(xué)在LED領(lǐng)域的先頭地位。

臺灣緊緊跟隨日本的LED技術(shù)，臺灣LED的發(fā)展先是從日本購買外延片加工,進而買來MOCVD機臺和藍寶石基板來進行磊晶，之后臺灣本土廠商又對藍寶石晶體的生長和加工技術(shù)進行研究生產(chǎn),通過自主研發(fā)，取得LED專利授權(quán)等方式從而實現(xiàn)藍寶石晶體、基板、外延片的生產(chǎn)、外延片的加工等等自主的生產(chǎn)技術(shù)能力，一步一步奠定了臺灣在LED上游業(yè)務(wù)中的重要地位。目前大部分的藍光/綠光/白光LED產(chǎn)品都是以日本臺灣為代表的使用藍寶石基板進行MOCVD磊晶生產(chǎn)的產(chǎn)品.使得藍寶石基板有很大的普遍性,以美國Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后。

2、R-Plane或M-Plane藍寶石基板

主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發(fā)光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的，而c軸是GaN的極性軸，導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強的內(nèi)建電場，發(fā)光效率會因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。

以蝕刻(在藍寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍寶石基板上設(shè)計制作出微米級或納米級的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時GaN薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長在藍寶石基板上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。與成長于一般藍寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前臺灣生產(chǎn)圖案化藍寶石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達.藍寶石基板中2/4英吋是成熟產(chǎn)品,價格逐漸穩(wěn)定,而大尺寸(如6/8英吋)的普通藍寶石基板與2英吋圖案化藍寶石基板處于成長期,價格也較高,其生產(chǎn)商也是主推大尺寸與圖案化藍寶石基板,同時也積極
增加產(chǎn)能.目前大陸還沒有廠家能生產(chǎn)出圖案化藍寶石基板。
                                                                                                 
奈米級圖案化藍寶石基板(來源：和椿科技)

3、圖案化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)

以成長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍寶石基板上設(shè)計制作出納米級特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時減少生長在藍寶石基板上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。

通常，C面藍寶石襯底上生長的GaN薄膜是沿著其極性軸即ｃ軸方向生長的，薄膜具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)產(chǎn)生強大的內(nèi)建電場，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應(yīng))大大地降低了GaN薄膜的發(fā)光效率. 在一些非C面藍寶石襯底(如R面或M 面)和其他一些特殊襯底(如鋁酸鋰;LiAlO2 )上生長的GaN薄膜是非極性和半極性的,上述由極化場引起的在發(fā)光器件中產(chǎn)生的負面效應(yīng)將得到部分甚至完全的改善.傳統(tǒng)三五族氮化物半導(dǎo)體均成長在c-plane 藍寶石基板上，若把這類化合物成長于R-plane 或M-Plane上，可使產(chǎn)生的內(nèi)建電場平行于磊晶層，以增加電子電洞對復(fù)合的機率。因此，以氮化物磊晶薄膜為主的LED結(jié)構(gòu)成長R-plane 或M-Plane藍寶石基板上，相比于傳統(tǒng)的C面藍寶石磊晶,將可有效解決LED內(nèi)部量子效率效率低落之問題，并增加元件的發(fā)光強度。最新消息據(jù)稱非極性LED能使白光的發(fā)光效率提高兩倍.

由于無極性GaN具有比傳統(tǒng)c軸GaNＮ更具有潛力來制作高效率元件,而許多國際大廠與研究單位都加大了對此類磊晶技術(shù)的研究與生產(chǎn).因此對于R-plane 或M-Plane 藍寶石基板的需求與要求也是相應(yīng)地增加。

下圖為半極性和無極性面的簡單示意圖

無極性面是指極性面法線方向上的面，而半極性面則是介于極性面和無極性面之間的面

五、藍寶石基板的主要技術(shù)參數(shù)

外延片廠家因為技術(shù)及工藝的不同,對藍寶石基板的要求也不同，比如厚度、晶向等。

下面列出幾個廠家生產(chǎn)的藍寶石基板的一些基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)(以成熟的C面2英吋藍寶石基板為例子).更多的則是外延片廠家根據(jù)自身的技術(shù)特點以及所生產(chǎn)的外延片質(zhì)量要求來向藍寶石基板廠家定制合乎自身使用要求的藍寶石基板，即客戶定制化。分別為:

A:臺灣桃園兆晶科技股份有限公司C面2英吋藍寶石基板技術(shù)參數(shù)

B:臺灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英吋藍寶石基板技術(shù)參數(shù)

C:美國 Crystal systems 公司C面2英吋藍寶石基板技術(shù)參數(shù)

D:俄羅斯 Cradley Crystals公司C面2英吋藍寶石基板技術(shù)參數(shù)