LED用藍寶石基板(襯底)詳細介紹
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1:藍寶石詳細介紹
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).它常被應用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍寶石的光學穿透帶很寬,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，使得藍寶石晶片成為制作白/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
2 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
3 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
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晶片
8，研磨:去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度
9，倒角:將晶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，拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度
11，清洗:清除晶片表面的污染物(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晶片品質(zhì)(平坦度,表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求
4 藍寶石基板應用種類
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時在日亞化學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 年底日亞化學得以首先開發(fā)出藍光LED.以后的幾年里日亞化學以藍寶石為基板,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在LED領(lǐng)域的先頭地位。
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時在日亞化學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 年底日亞化學得以首先開發(fā)出藍光LED.以后的幾年里日亞化學以藍寶石為基板,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英寸是成熟產(chǎn)品,價格逐漸穩(wěn)定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通藍寶石基板與2英寸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
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