蓝宝石晶体介绍

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1、蓝宝石晶体介绍1、蓝宝石晶体介绍 N- Q* y+ R5 P* C 蓝宝石的组成为氧化铝 (Al2O3) ，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而 成 ,其晶体结构为六方晶格结构 . 它常被应用的切面有 A-Plane,C-Plane 及 R-Plane. 由于蓝宝石的光学穿透带很 宽,从近紫外光 (190nm) 到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、 红外装置、 高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高(2045 C)等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光 LED 的品质取决于

2、氮化镓磊晶 (GaN) 的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶 Al2O3)C面与川-V和n -W族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白 /蓝/绿光 LED 的关键材料 .4 C% ?) j9 V0 |. W2 B% y5 w2 0 H1 f f9 h. z7 s2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种 :2 c: c7 N: x0 H3 1: 柴氏拉晶法 (Czochralski method), 简称 CZ 法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的

3、固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始 在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速 旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭. 2 p/ f1 ?8x5 J0 9 T3 k2: 凯氏长晶法 (Kyropoulos method), 简称 KY 法,大陆称之为泡生法 .其原理与柴氏拉晶法 (Czochralskime thod) 类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤， 再以单晶之晶种 (SeedCrystal ，又称籽晶棒 )接触到熔汤表面， 在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构

4、的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往 上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控 制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇. J+ K6 Y% m$ 0 m0 f4 c5 v, k. h- U2 O: c ; h- h6 w# N0 U+ l, N2 h5 J6 E# l G7 k蓝宝石基片的原材料是晶棒，晶棒由蓝宝石晶体加工而成 # h5 % W5 a! _1 17 a( H淘股吧 C7 _7 b( + f( C7 W n广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:,p, O, N* A2 K# N2 M-

5、 O5 I2 h S2 q2 h6 ?: x1:C-Plane 蓝宝石基板 5 c, H( p6 J0 3 T这是广大厂家普遍使用的供 GaN 生长的蓝宝石基板面 .这主要是因为蓝宝石晶体沿C 轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在 C 面进行磊晶的技术成熟稳定 .3 i) D2 I) m6 C) e0 m9 N, D) D5 a 2:R-Plane 或 M-Plane 蓝宝石基板3 q0 P8 l! W7 U$ 2 B1 2 s主要用来生长非极性 /半极性面 GaN 外延薄膜 ,以提高发光效率 .通常在蓝宝石基板上制备的 GaN 外延膜是沿 c 轴生长的，而 c 轴是 GaN 的极

6、性轴，导致 GaN 基器件有源层量子 阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低，发展非极性面GaN 外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。 F. . Y u$ B. m+ K5 U+ E# ! k/ S- t$ v- O: e. B V6 a3: 图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate 简称 PSS). E6 N: Y6_ T; $ 8 A以成长 （Growth） 或蚀刻 （Etching） 的方式 ,在蓝宝石基板上设计制作出纳米级特定规则的微结构图案藉以 控制 LED 之输出光形式，并可同时减少生长在蓝宝石基板上 GaN 之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并

7、提升 L ED 内部量子效率、增加光萃取效率。! l5 X） j$ I） u _/ G C-Plane 蓝宝石基板是普遍使用的蓝宝石基板 .1993 年日本的赤崎勇教授与当时 在日亚化学的中村修二博士等人，突破了 InGaN 与蓝宝石基板晶格不匹配（缓冲层）、 p 型材料活化等等问 题后，终于在 1993 年底日亚化学得以首先开发出蓝光 LED. 以后的几年里日亚化学以蓝宝石为基板,使用 InGaN 材料 ,通过 MOCVD 技术并不断加以改进蓝宝石基板与磊晶技术, 提高蓝光的发光效率 ,同时 1997 年开发出紫外 LED ， 1999 年蓝紫色 LED 样品开始出货， 2001 年开始提供

8、白光 LED 。从而奠定了日亚化学在 LED 领域的 先头地位 .# S$ k: f2 u; t3 e6 V5 b 台湾紧紧跟随日本的 LED 技术 ,台湾 LED 的发展先是从日本购买外延片加 工 ,进而买来 MOCVD 机台和蓝宝石基板来进行磊晶 , 之后台湾本土厂商又对蓝宝石晶体的生长和加工技术进行 研究生产 ,通过自主研发 ,取得 LED 专利授权等方式从而实现蓝宝石晶体,基板 ,外延片的生产 ,外延片的加工等等自主的生产技术能力 ,一步一步奠定了台湾在 LED 上游业务中的重要地位 .+ s: I; p F- P 目前大部分的蓝光 /绿光 / 白光 LED 产品都是以日本台湾为代表的

9、使用蓝宝石基板进行 MO CVD 磊晶生产的产品 .使得蓝宝石基板有很大的普遍性, 以美国 Cree 公司使用 SiC 为基板为代表的 LED 产品则跟随其后u, _, l L$ L$ ?2 O） B X 以蚀刻 （在蓝宝石 C 面干式蚀刻 /湿式蚀刻 ） 的方式 ,在蓝宝石基板上设计制 作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制 LED 之输出光形式 （ 蓝宝石基板上的凹击图案会产生光散射或折射的效果增加光的取出率 ）, 同时 GaN 薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上 GaN 之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升 LED 内部量子效率、增加

10、光萃取效率。 与成长于一般蓝宝石基板的 LED 相比,亮度增加了 70% 以上.目前台湾生产图案化蓝宝石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆达 .蓝宝石基板中 2/4 英寸是成熟产品 ,价格逐渐稳定 ,而大尺寸 （如 6/8 英寸 ）的普通蓝宝石基板与 2 英寸图 案化蓝宝石基板处于成长期 , 价格也较高 , 其生产商也是主推大尺寸与图案化蓝宝石基板,同时也积极增加产能 .目前大陆还没有厂家能生产出图案化蓝宝石基板 .; _+ g! R# c! L: L a. T3 U（ w通常，C面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜是沿着其极性轴即c轴方向生长的，薄膜具有自发极化和压电 极化效应，导致薄膜内部 （有源层量子

11、阱 ）产生强大的内建电场， （Quantum Confine Stark Effect, QCSE; 史坦 克效应）大大地降低了 GaN薄膜的发光效率.在一些非C面蓝宝石衬底（如R面或M面）和其他一些特殊衬底（如铝酸锂 ;LiAlO2 ）上生长的 GaN 薄膜是非极性和半极性的 ,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效 应将得到部分甚至完全的改善 .传统三五族氮化物半导体均成长在 c-plane 蓝宝石基板上， 若把这类化合物成长 于 R-plane 或 M-Plane 上，可使产生的内建电场帄行于磊晶层， 以增加电子电洞对复合的机率。因此，以氮化 物磊晶薄膜为主的 LED 结构成长 R-

12、plane 或 M-Plane 蓝宝石基板上， 相比于传统的 C 面蓝宝石磊晶 ,将可有效 解决 LED 内部量子效率效率低落之问题，并增加元件的发光强度。最新消息据称非极性LED 能使白光的发光效率提高两倍 .） n# n u - Q$ C* ! G% L由于无极性GaN具有比传统c轴GaN更具有潜力来制作高效率元件，而许多国际大厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于 R-plane 或 M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加$ q- g9 F* i- J- 4 H W9 U 外延片厂家因为技术及工艺的不同，对蓝宝石基板的要求也不同，比如厚度 ，晶向等.6 j

13、0 乙 k! # F. . W; z下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数（以成熟的C面2英寸蓝宝石基板为例子）.更多的则是外延片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求来向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板 .即客户定制化 .! J# o9 c- M( B8 c) 5 u/ n 分别为 :A: 台湾桃园兆晶科技股份有限公司2 X5 e5 j) ?* U* o3 y$ y8 c NB: 台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司; I( h5 u) P9 j1 R*a5 q9 M, mC: 美国 Crystal systems 公司# R# ?4 S$ o l.nD:

14、俄罗斯 Cradley Crystals 公司 # 19 a5 A8 JO ?: E; F: % p H/ l6 p3 X0 a7 3 H9 F# J9 X2 j6 G z* i# Y- c5 F8 c% i6 o5 b- Q5 V 蓝宝石（ -Al2O3 ）又称白宝石，是世界上硬度仅次于金刚石的晶体材料。其 结构中的氧原子以接近 HCP （ hexagonal closed packed ）的方式排列，其中氧原子间的八面体配位约有 2/3 的空隙是由铝原子所填充，由此使它具有强度、硬度高（莫氏硬度9），耐高温（熔点达2050 C ）、耐磨擦、耐腐蚀能力强，化学性质稳定，一般不溶于水，不受酸腐

15、蚀，只有在高温下（3000C以上）才能为氢氟酸（HF）、磷酸（H 2PO4） 以及熔化的苛性钾 （KOH） 所侵蚀；且具有同氮化镓等半导体材料结合匹配性好、光透性能、电绝缘性能 优良等一系列特性。 7 S4 g1 Q M8 x2 M淘股吧 : A; F7 S ?） f6 h 1 e 蓝宝石单晶首先是作为红外窗口材料而提出。 因其具有优良的光学、机械、化学 和电性能，特别是具有中波红外透过率高等特性，从0.190呵 至5.5呵 波段均具有很高的光学透过率，因此被广泛用作微波电子管介质材料，超声波传导元件，延迟线，波导激光器腔体及精密仪器轴承，天帄刀口等光 学元件以及红外军事装置、空间飞行器、高强度激光器的窗口材料。以白宝石单晶片为绝缘衬底材料的SOS器件则具有高集成度、高速度、低功耗和抗辐射能力强等优点。近年来民用手表的表面大量使用白蓝宝石，其特点是光洁度高、硬度高、耐磨损。表 1 给出了蓝宝石单晶的基本性能。 . F） d+ e a） v/ W3 |# t K 表 1 蓝宝石单晶材料基本性能$ . l1 v7 U % M0 b2 D( P晶体性能g. _- a5 # / I4 K( n) k; n$ 化学式 -Al2O37 |$ C6 b2 w$ s- S+ p * e式量 10