LED用蓝宝石基板(衬底)简介

一、蓝宝石介绍

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℃)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Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ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,使得蓝宝石芯片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

下图则分别为蓝宝石的切面图;晶体结构图上视图;晶体结构侧视图;Al2O3分之结构图;蓝宝石结晶面示意图:


最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性将由制程决定


 

                           (a)图从C轴俯看                          (b)图从C轴侧看


二、蓝宝石晶体的生长方法
 
 蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:
 
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、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(Czochralskimethod)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。
  
两种方法的晶体生长示意图如下:

柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图

三、蓝宝石衬底加工流程:
 
蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成。其相关制造流程如下:
 
1、长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体。
 
2、定向:确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工。
 
3、掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒。
 
4、滚磨:用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度。
 
5、品检:确保晶棒品质以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格。
 
6、定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工。
 
7、切片::将蓝宝石晶棒切成薄薄的芯片。
 
8、研磨::去除切片时造成的芯片切割损伤层及改善芯片的平坦度。
 
9、倒角:将芯片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷。
 
10、抛光:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度。
 
11、清洗:清除芯片表面的污染物(如:微尘颗粒、金属、有机玷污物等)。
 
12、品检::以高精密检测仪器检验芯片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求。

四、蓝宝石基板应用种类
 
广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:
 
1、C-Plane蓝宝石基板
 
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。
  
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年开始提供白光LED。从而奠定了日亚化学在LED领域的先头地位。

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。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使用蓝宝石基板进行MOCVD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。
 
2、R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
 
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。

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(蓝宝石基板上的凹凸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英吋是成熟产品,价格逐渐稳定,而大尺寸(如6/8英吋)的普通蓝宝石基板与2英吋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。
                                                                                                 
奈米级图案化蓝宝石基板(来源:和椿科技)

3、图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
 
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,并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。

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平行于磊晶层,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-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.

由于无极性GaN具有比传统c轴GaNN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。

下图为半极性和无极性面的简单示意图


无极性面是指极性面法线方向上的面,而半极性面则是介于极性面和无极性面之间的面

五、蓝宝石基板的主要技术参数
 
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。

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英吋蓝宝石基板为例子).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。分别为:
 
A:台湾桃园兆晶科技股份有限公司C面2英吋蓝宝石基板技术参数

 

B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英吋蓝宝石基板技术参数

C:美国 Crystal systems 公司C面2英吋蓝宝石基板技术参数

D:俄罗斯 Cradley Crystals公司C面2英吋蓝宝石基板技术参数

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