LED用藍(lán)寶石基闆(襯底)簡介
一(yī)、藍(lán)寶石介紹
藍(lán)寶石的組成為(wèi)氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和(hé)兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，其晶體結構為(wèi)六方晶格結構。它常被應用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光(guāng)學穿透帶很(hěn)寬，從(cóng)近紫外(wài)光(guāng)(190nm)到中紅(hóng)外(wài)線都(dōu)具有很(hěn)好的透光(guāng)性.因此被大量用在光(guāng)學元件、紅(hóng)外(wài)裝置、高強度鐳射鏡片材料及光(guāng)罩材料上(shàng)，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光(guāng)性、熔點高（2045℃）等特點，它是一(yī)種相當難加工(gōng)的材料，因此常被用來作(zuò)為(wèi)光(guāng)電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光(guāng)LED的品質取決于氮化镓磊晶(GaN)的材料品質，而氮化镓磊晶品質則與所使用的藍(lán)寶石基闆表面加工(gōng)品質息息相關，藍(lán)寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和(hé)Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間(jiān)的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要(yào)求，使得藍(lán)寶石芯片成為(wèi)制作(zuò)白/藍(lán)/綠(lǜ)光(guāng)LED的關鍵材料。
下(xià)圖則分别為(wèi)藍(lán)寶石的切面圖；晶體結構圖上(shàng)視(shì)圖；晶體結構側視(shì)圖；Al2O3分之結構圖；藍(lán)寶石結晶面示意圖：
最常用來做(zuò)GaN磊晶的是C面(0001)這(zhè)個不具極性的面,所以GaN的極性将由制程決定
(a)圖從(cóng)C軸俯看(kàn) (b)圖從(cóng)C軸側看(kàn)
二、藍(lán)寶石晶體的生長(cháng)方法
藍(lán)寶石晶體的生長(cháng)方法常用的有兩種：
1、柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡稱CZ法.先将原料加熱(rè)至熔點後熔化形成熔湯，再利用一(yī)單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上(shàng)因溫度差而形成過冷(lěng)。于是熔湯開(kāi)始在晶種表面凝固并生長(cháng)和(hé)晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢(màn)的速度往上(shàng)拉升，并伴随以一(yī)定的轉速旋轉，随着晶種的向上(shàng)拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上(shàng)，進而形成一(yī)軸對稱的單晶晶錠。
2、凱氏長(cháng)晶法(Kyropoulos method)，簡稱KY法。大陸稱之為(wèi)泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先将原料加熱(rè)至熔點後熔化形成熔湯，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(shàng)開(kāi)始生長(cháng)和(hé)晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢(màn)的速度往上(shàng)拉升，但(dàn)在晶種往上(shàng)拉晶一(yī)段時(shí)間(jiān)以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定後，晶種便不再拉升，也沒有作(zuò)旋轉，僅以控制冷(lěng)卻速率方式來使單晶從(cóng)上(shàng)方逐漸往下(xià)凝固，最後凝固成一(yī)整個單晶晶碇。
兩種方法的晶體生長(cháng)示意圖如(rú)下(xià)：
柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意圖
三、藍(lán)寶石襯底加工(gōng)流程：
藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒，晶棒由藍(lán)寶石晶體加工(gōng)而成。其相關制造流程如(rú)下(xià)：
1、長(cháng)晶： 利用長(cháng)晶爐生長(cháng)尺寸大且高品質的單晶藍(lán)寶石晶體。
2、定向：确保藍(lán)寶石晶體在掏棒機台上(shàng)的正确位置，便于掏棒加工(gōng)。
3、掏棒： 以特定方式從(cóng)藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒。
4、滾磨：用外(wài)圓磨床進行(xíng)晶棒的外(wài)圓磨削,得到精确的外(wài)圓尺寸精度。
5、品檢：确保晶棒品質以及掏取後的晶棒尺寸與方位是否合客戶規格。
6、定向：在切片機上(shàng)準确定位藍(lán)寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工(gōng)。
7、切片：:将藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的芯片。
8、研磨：:去除切片時(shí)造成的芯片切割損傷層及改善芯片的平坦度。
9、倒角：将芯片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機械強度，避免應力集中造成缺陷。
10、抛光(guāng)：改善芯片粗糙度,使其表面達到外(wài)延片磊晶級的精度。
11、清洗：清除芯片表面的污染物(wù)(如(rú):微(wēi)塵顆粒、金(jīn)屬、有機玷污物(wù)等)。
12、品檢：:以高精密檢測儀器檢驗芯片品質(平坦度,表面微(wēi)塵顆粒等)，以合乎客戶要(yào)求。
四、藍(lán)寶石基闆應用種類
廣大外(wài)延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為(wèi)三種：
1、C-Plane藍(lán)寶石基闆
這(zhè)是廣大廠家普遍使用的供GaN生長(cháng)的藍(lán)寶石基闆面.這(zhè)主要(yào)是因為(wèi)藍(lán)寶石晶體沿C軸生長(cháng)的工(gōng)藝成熟、成本相對較低(dī)、物(wù)化性能(néng)穩定,在C面進行(xíng)磊晶的技術(shù)成熟穩定。
C-Plane藍(lán)寶石基闆是普遍使用的藍(lán)寶石基闆。1993年(nián)日本的赤崎勇教授與當時(shí)在日亞化學的中村(cūn)修二博士等人(rén)，突破了(le)InGaN 與藍(lán)寶石基闆晶格不匹配（緩沖層）、p 型材料活化等等問(wèn)題後，終于在1993 年(nián)底日亞化學得以首先開(kāi)發出藍(lán)光(guāng)LED。以後的幾年(nián)裏日亞化學以藍(lán)寶石為(wèi)基闆，使用InGaN材料，通(tōng)過MOCVD 技術(shù)并不斷加以改進藍(lán)寶石基闆與磊晶技術(shù)，提高藍(lán)光(guāng)的發光(guāng)效率，同時(shí)1997年(nián)開(kāi)發出紫外(wài)LED，1999年(nián)藍(lán)紫色LED樣品開(kāi)始出貨，2001年(nián)開(kāi)始提供白光(guāng)LED。從(cóng)而奠定了(le)日亞化學在LED領域的先頭地(dì)位。
台灣緊緊跟随日本的LED技術(shù)，台灣LED的發展先是從(cóng)日本購買外(wài)延片加工(gōng),進而買來MOCVD機台和(hé)藍(lán)寶石基闆來進行(xíng)磊晶，之後台灣本土(tǔ)廠商又對藍(lán)寶石晶體的生長(cháng)和(hé)加工(gōng)技術(shù)進行(xíng)研究生産,通(tōng)過自(zì)主研發，取得LED專利授權等方式從(cóng)而實現藍(lán)寶石晶體、基闆、外(wài)延片的生産、外(wài)延片的加工(gōng)等等自(zì)主的生産技術(shù)能(néng)力，一(yī)步一(yī)步奠定了(le)台灣在LED上(shàng)遊業務中的重要(yào)地(dì)位。目前大部分的藍(lán)光(guāng)/綠(lǜ)光(guāng)/白光(guāng)LED産品都(dōu)是以日本台灣為(wèi)代表的使用藍(lán)寶石基闆進行(xíng)MOCVD磊晶生産的産品.使得藍(lán)寶石基闆有很(hěn)大的普遍性,以美國(guó)Cree公司使用SiC為(wèi)基闆為(wèi)代表的LED産品則跟随其後。
2、R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基闆
主要(yào)用來生長(cháng)非極性/半極性面GaN外(wài)延薄膜，以提高發光(guāng)效率.通(tōng)常在藍(lán)寶石基闆上(shàng)制備的GaN外(wài)延膜是沿c軸生長(cháng)的，而c軸是GaN的極性軸，導緻GaN基器件有源層量子阱中出現很(hěn)強的內(nèi)建電場，發光(guāng)效率會因此降低(dī)，發展非極性面GaN外(wài)延，克服這(zhè)一(yī)物(wù)理現象，使發光(guāng)效率提高。
以蝕刻(在藍(lán)寶石C面幹式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基闆上(shàng)設計制作(zuò)出微(wēi)米級或納米級的具有微(wēi)結構特定規則的圖案,藉以控制LED之輸出光(guāng)形式(藍(lán)寶石基闆上(shàng)的凹凸圖案會産生光(guāng)散射或折射的效果增加光(guāng)的取出率),同時(shí)GaN薄膜成長(cháng)于圖案化藍(lán)寶石基闆上(shàng)會産生橫向磊晶的效果,減少(shǎo)生長(cháng)在藍(lán)寶石基闆上(shàng)GaN之間(jiān)的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光(guāng)萃取效率。與成長(cháng)于一(yī)般藍(lán)寶石基闆的LED相比,亮度增加了(le)70%以上(shàng).目前台灣生産圖案化藍(lán)寶石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達.藍(lán)寶石基闆中2/4英吋是成熟産品,價格逐漸穩定,而大尺寸(如(rú)6/8英吋)的普通(tōng)藍(lán)寶石基闆與2英吋圖案化藍(lán)寶石基闆處于成長(cháng)期,價格也較高,其生産商也是主推大尺寸與圖案化藍(lán)寶石基闆,同時(shí)也積極
增加産能(néng).目前大陸還沒有廠家能(néng)生産出圖案化藍(lán)寶石基闆。
奈米級圖案化藍(lán)寶石基闆(來源：和(hé)椿科技)
3、圖案化藍(lán)寶石基闆(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)
以成長(cháng)(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍(lán)寶石基闆上(shàng)設計制作(zuò)出納米級特定規則的微(wēi)結構圖案藉以控制LED之輸出光(guāng)形式，并可(kě)同時(shí)減少(shǎo)生長(cháng)在藍(lán)寶石基闆上(shàng)GaN之間(jiān)的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光(guāng)萃取效率。
通(tōng)常，C面藍(lán)寶石襯底上(shàng)生長(cháng)的GaN薄膜是沿着其極性軸即ｃ軸方向生長(cháng)的，薄膜具有自(zì)發極化和(hé)壓電極化效應，導緻薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)産生強大的內(nèi)建電場，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應)大大地(dì)降低(dī)了(le)GaN薄膜的發光(guāng)效率. 在一(yī)些非C面藍(lán)寶石襯底(如(rú)R面或M 面)和(hé)其他(tā)一(yī)些特殊襯底(如(rú)鋁酸锂;LiAlO2 )上(shàng)生長(cháng)的GaN薄膜是非極性和(hé)半極性的,上(shàng)述由極化場引起的在發光(guāng)器件中産生的負面效應将得到部分甚至完全的改善.傳統三五族氮化物(wù)半導體均成長(cháng)在c-plane 藍(lán)寶石基闆上(shàng)，若把這(zhè)類化合物(wù)成長(cháng)于R-plane 或M-Plane上(shàng)，可(kě)使産生的內(nèi)建電場平行(xíng)于磊晶層，以增加電子電洞對複合的機率。因此，以氮化物(wù)磊晶薄膜為(wèi)主的LED結構成長(cháng)R-plane 或M-Plane藍(lán)寶石基闆上(shàng)，相比于傳統的C面藍(lán)寶石磊晶,将可(kě)有效解決LED內(nèi)部量子效率效率低(dī)落之問(wèn)題，并增加元件的發光(guāng)強度。最新消息據稱非極性LED能(néng)使白光(guāng)的發光(guāng)效率提高兩倍.
由于無極性GaN具有比傳統c軸GaNＮ更具有潛力來制作(zuò)高效率元件,而許多國(guó)際大廠與研究單位都(dōu)加大了(le)對此類磊晶技術(shù)的研究與生産.因此對于R-plane 或M-Plane 藍(lán)寶石基闆的需求與要(yào)求也是相應地(dì)增加。
下(xià)圖為(wèi)半極性和(hé)無極性面的簡單示意圖
無極性面是指極性面法線方向上(shàng)的面，而半極性面則是介于極性面和(hé)無極性面之間(jiān)的面
五、藍(lán)寶石基闆的主要(yào)技術(shù)參數(shù)
外(wài)延片廠家因為(wèi)技術(shù)及工(gōng)藝的不同,對藍(lán)寶石基闆的要(yào)求也不同，比如(rú)厚度、晶向等。
下(xià)面列出幾個廠家生産的藍(lán)寶石基闆的一(yī)些基礎技術(shù)參數(shù)(以成熟的C面2英吋藍(lán)寶石基闆為(wèi)例子).更多的則是外(wài)延片廠家根據自(zì)身的技術(shù)特點以及所生産的外(wài)延片質量要(yào)求來向藍(lán)寶石基闆廠家定制合乎自(zì)身使用要(yào)求的藍(lán)寶石基闆，即客戶定制化。分别為(wèi):
A:台灣桃園兆晶科技股份有限公司C面2英吋藍(lán)寶石基闆技術(shù)參數(shù)
B:台灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英吋藍(lán)寶石基闆技術(shù)參數(shù)
C:美國(guó) Crystal systems 公司C面2英吋藍(lán)寶石基闆技術(shù)參數(shù)
D:俄羅斯 Cradley Crystals公司C面2英吋藍(lán)寶石基闆技術(shù)參數(shù)