全球十大蓝宝石晶棒厂商 高工LED市场调研分析-蓝宝石衬底
2011年全球十大蓝宝石晶棒厂商产能扩充一倍
国际市场，全球七大蓝宝石晶棒厂商2011年产能约在去年的基础上翻一番，达到500万毫米/月（约合650万片2英寸基板）。其中Rubicon仍将在2011年占据全球龙头地位，不过，韩厂Sapphire Technology Company (STC)因扩产脚步相对较快，有望于2011年底接近Rubicon并在2012年实现超越。
2011年随着扩产计划的实施，Rubicon、STC、Monocrystal三大厂商将占据全球蓝宝石晶棒约四成产能，这个比例较去年下滑17%。这个现象表明全球蓝宝石晶棒的产能分布开始趋于平均，同时后来者开始发力扩充产能赶超三大巨头，其中最为明显的就是韩厂STC首次挤压日本两大厂商及俄罗斯Monocrystal跃居第二位。2011年虽全球蓝宝石晶棒主要厂商扩产速度不一，但依其扩产目标来看，STC以新增产能45万毫米位居首位，这个趋势可能导致2011年Rubicon被STC挤压后退至老二的位置。
与此同时，随着台厂越峰积极扩产，2011年底产能可望跃升至全球第5位，而导致日厂京瓷（Kyocera）与并木精密宝石（Namiki Precision Jewel）排名将分别后退至第6位与第7位。
2011年全球前十大蓝宝石晶棒厂商排名及月产能扩充计划（2英寸计算）
数据来自：高工LED产业研究所（GLII）市场调研，目前1毫米厚度蓝宝石晶棒可以切割成大约1.2-1.4片基板（衬底）
除了韩厂STC及Astek挤进全球前十大厂商行列之外，三星LED近日公告称将与住友化学合资成立LED蓝宝石公司，新公司初期资本额将为800亿韩元左右（约7200万美元），将由三星LED与住友化学各持股一半，业务涵盖LED用蓝宝石晶棒生长至切割。
合资公司计划于2011年完成工厂兴建，且自2012年初起量产。届时年产能达到2寸500万片，或4寸120万片。上述产能与目前日厂京瓷蓝宝石晶棒产能相当。
除住友化学外，与三星集团关系密切的Hansol Technics已定下LED用蓝宝石晶棒的年产能目标，预计在2012年底将升至420万毫米/年。若将两大项目的年产能相加，至2012年两家合计将可供应近千万片2英寸蓝宝石基板。
从三星LED近期在上游LED用蓝宝石事业布局动作来看，可明显看出三星LED欲确保蓝宝石晶棒及基板来源多角化，以提升其控管上游蓝宝石材料成本能力。住友化学是全球第一大蓝宝石长晶所需原料氧化铝的供应商，因此未来三星等韩厂在蓝宝石领域的竞争力将不可小视。
一季度国内蓝宝石新增投资再创新高产能释放要到2012年
2010年国内上游外延领域的MOCVD规划数字不断刷新引发的蝴蝶效应，导致新一轮蓝宝石长晶及衬底项目投资浪潮。
进入2011年，根据高工LED产业研究所监测数据显示，仅一季度国内已确定新增蓝宝石项目投资额就达到70亿元人民币，涉及7个项目约4100万片/年产能（2英寸，全部达成后产能）。这个数字已经超过2010年全年规划蓝宝石衬底投资项目产能（约3500万片/年）。
尽管截止一季度末，中国蓝宝石新增产能规划已经突破7000万片/年，约合每月450
万毫米晶棒产能，这个数字已经达到2011年全球产能的70%。其中按照规划，协鑫光电与香港青朴国际两个项目如果全部达成，届时产能将分别达到190万毫米/月和100万毫米/月，将计入全球前十大蓝宝石晶棒厂商行列。其中协鑫光电更是有望冲击第一大厂的宝座。
但根据GLII对国内规划项目的实际实施情况调查来看，最终晶棒的产能释放并不是很乐观。其中仅协鑫光电一期170台长晶炉项目已经开始动工建设，其余新增项目均处于未开工阶段。而国内已经处于量产的企业中，除云南蓝晶、重庆四联合计2011年将扩充晶棒产能约70-80毫米/月之外，其余原先规划的长晶项目将有可能以外购晶棒进行后端切割研磨工序为主。
以目前国内上游外延厂蓝宝石采购链来看，台湾晶美2010年在大陆的蓝宝石基板市场市占率超过六成，其余份额主要有蓝晶、焦作科瑞斯达、青岛嘉星光电、武汉东骏等厂商瓜分。
台厂率先下调二季度蓝宝石基板价格
2011年3月底，台湾二季度蓝宝石基板价格出炉，跌幅介于3%至5%之间，一季度2英寸平均价格30美元计算，二季度定价将介于28.5至29.1美元之间，相较之前下游外延厂27美元的心理预期高出约7个百分点。
外延长第二季的毛利可望逐渐回升，上游蓝宝石基板厂因为产能扩张之故，价格微跌无损于毛利率，因此第二季蓝宝石2英寸基板报价结果可谓皆大欢喜。
以销售蓝宝石晶棒为主的尚志半导体表示，晶棒的价格第二季与第一季约略持平，蓝宝石晶棒的价格为24至25美元/毫米，晶棒价格的优势甚至超越基板。
由于蓝宝石基板4英寸价格优于2英寸，第二季的价格大约在120美元至130美元之间，兆晶、兆远等基板大厂生产的基板尺寸，也逐渐增加4英寸的比重以提高整体的毛利率。
上下游厂商对蓝宝石衬底价格各持已见
按照GLII对全球蓝宝石衬底价格的监测数据显示，2009年蓝宝石衬底价格低至10美元/片，2010年出现供不应求的紧缺状况，价格一度飙升至35美元/片，尽管台湾厂商已经在轻微下调今年二季度蓝宝石衬底出厂价格3~5个百分点，但未来市场定价仍扑朔迷离，降价或不降价尚待时间才能验证。
目前国内对于未来蓝宝石衬底的价格走势存在两个派系。
其中蓝宝石厂商一方普遍认为目前的降价预期主要是一些外延厂的炒作和造势，外延厂更多是考虑到自身产品的高毛利率受到牵制。根据GLII对外延厂商的调研数据显示，2010年第一季度，蓝宝石基板占外延片成本比重约10%，第二季增长到14%，第三季大幅上涨，使得蓝宝石基板占成本比率上调到15%~20%，四季度成本比重更是攀升至20%~30%。
近日国内一家蓝宝石衬底企业高层对高工LED记者表示，今年上半年蓝宝石衬底的市场不会有什么大变化，虽然受到日本海啸的影响，但是影响不大。下半年价格微降1~2美元，但是仍会保持在28~30美元/片（2英寸）之间，绝对不会低于28美元/片。同时他还指出，2011年大尺寸蓝宝石衬底（3、4、6英寸）将逐渐开始占据国内市场的主流，预计到年底，
份额有望达到50%。
除了产品结构调整，作为蓝宝石的主要原料高纯度氧化铝粉的价格也是水涨船高。根据高工LED产业研究所的调查，2011年1季度，国内市场高纯度氧化铝粉的价格为每吨405美元左右，而2008年均价仅为200美元/吨，两年时间氧化铝粉价格就上涨了1倍。自从氧化铝价格刷新了自2009年以来的最高位之后，由于市场需求持续攀升，近日一份报告称，“估计2011年，氧化铝供应仍将紧俏，价格仍将维持高位。”
而对于外延厂商一方而言，因为2009年底蓝宝石衬底价格曾一度降至12美元/片（2英寸），所以从下游厂商的角度而言，如果一旦蓝宝石产能规模上去了，降价肯定是市场必然的走势。
2011年一季度国内新增蓝宝石衬底项目
2011年蓝宝石衬底价格将在30美元左右浮动
进入2011年一季度，受上一季度末应用市场淡季效应尤其是LED背光电视厂商库存调整影响，多数LED上游芯片及封装厂商均出现库存增加的情况。
根据GLII监测数据显示，全球几大主要LED厂商一季度较上季营收环比下滑5%~10%，受此影响2011年一季度全球LED整体营收将于上季持平。二季度，受电视整机厂商陆续补充大尺寸液晶面板库存以及中国内地LED照明工程招标逐步释放，尤其是日本3.11地震后对LED节能照明的需求暴增，全球主要背光及照明芯片与封装厂商的营收将有望出现回升势头。
根据GLII近日发布的2011年中国上游产业研究报告数据显示，2011年全球将新增安装到位约1200台MOCVD，因此粗略估算2011年全球上游厂商对蓝宝石晶棒新增年需求量约
2500~2600万毫米。而2011年全球蓝宝石晶棒厂商的产能有望新增约3400万毫米，考虑到蓝宝石长晶调试工序较MOCVD多出2-3个月，因此GLII认为2011年全球蓝宝石衬底的价格将维持在30美元左右（上下浮动5%~10%）,不会出现较大的降价幅度。
2008-2011年一季度全球蓝宝石衬底（2英寸）价格走势图
数据来自：高工LED产业研究生（GLII）制表
世界蓝宝石龙头搭上LED产业高速发展的顺风车
中国LED产业大规模扩张，但几乎没有进入衬底领域。产业链缺失限制了中国LED产业的发展，大量购进的MOCVD建成之日就面临衬底紧缺的局面。
目前，世界LED主要采用蓝宝石衬底，约占90%以上。无论从成熟度及价格，蓝宝石衬底都优于其他衬底，高亮白、蓝、绿LED芯片一般在蓝宝石衬底上生长。2011年，LED行业仍存在蓝宝石衬底紧缺、价格上涨的巨大风险。
表1：LED衬底种类及其特征
资料来源：实地资本
蓝宝石晶体原材料为氧化铝碎晶，生产利用率大于97%，已经完全国产化。蓝宝石单晶产品即为蓝宝石坯料，可直接出售，不合格品可直接作为原材料再次加工。其他消耗材料如钨钼材料、金刚石刀具、传感器、仪表等均国产化。
蓝宝石环节的短板主要在于关键设备---长晶炉依赖进口。国内主要的蓝宝石晶体炉厂家主要都是高校研究机构，包括西安理工大学、哈尔滨工业大学以及重庆第二十六研究所等。但国内目前的生产技术只能生产2英寸以下的蓝宝石晶棒，长成的晶体与氮化镓（GaN）的晶格错位较大，无法用于LED的蓝宝石衬底领域，大多用于手表表面外壳等。
Rubicon作为蓝宝石产品的世界龙头，其优势在于：
优势一：拥有蓝宝石完整的产业链
Rubicon是蓝宝石衬底的最大生产商，拥有从蓝宝石晶棒、切片、圆片、基板（衬底）完整的产业链。
完整的蓝宝石产业链使公司能够生产蓝宝石晶体并将其加工为蓝宝石晶棒，并可根据客
户需求制成不同方向和量纲的片状蓝宝石，然后经过精研、磨边、退火工艺将其加工为蓝宝石圆片，公司在6、8英寸高度清洁的蓝宝石基板产品上有专利，可用以生产SOS PFICs及其他需要大尺度高度剖光衬底的领域。覆盖全产业链使公司能够获得更高的营运效率，生产更高质量和精度的产品，降低成本，拓宽产品线，最大程度保护专利不外泄。
优势二：拥有ES2专利技术
生产蓝宝石晶棒的工艺主要有泡生法（KY法、凯氏长晶法）、提拉法（CZ法、柴氏拉晶法）、温度梯度法（TGT法）、EFG法等，其中泡生法为主流工艺，生产的蓝宝石晶体约占70%。
Rubicon采取ES2专利技术，ES2专利由泡生法演进而来，这种技术可以是温差最小，在密闭空间生长晶体的限制更少，压力更低，晶体熔化也更易把握，从熔化到晶体生成的温差更小，ES2技术还包含退伙工艺，用这种工艺可以再晶体生长过程中减压。采用此技术，Rubicon能生产高品质的梨形蓝宝石，并得以将8英寸产品商业化。
ES2专利技术全部自动化，采用闭环控制系统，一个技术工人可同时操作几台生长炉，避免人为操作不当带来的损失，同时也降低了成本。提拉法和EFG法由于压力较大，晶体整体质量相对较低，而且需要更多时间减压，使成本上升，产量降低，在大直径产品中表现更为明显。提拉法在氧化铝熔化时必须旋转、拉伸晶体，温差更大从而压力增大，使产品质量下降。
优势三：产品性能更佳
ES2专利可生产纯度更高、错位度更低、一致性更高的产品。产品错位度（10-100/CM2）低于行业标准水平（Sapphire Material, Manufacturing, Applications by E. Dobrovinskaya, L. Lytvynov and V. Pishchik等公司为5000-100000/CM2），纯度高达99.999%，因此可用于制造光学器件（需要从紫外线到中红外线的转换）。
Rubicon的产品系列包括：
Rubicon的产品主要用于LED领域，具有替代荧光灯、白炽灯的潜力；还包括SOS PFICs (SOS:silicon-on-sapphire)领域、光电镜片、光电窗口、蓝色激光二极管基板，有替代石
表1:2010年Rubicon产品结构、尺寸、方向、用途
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
由于晶体结构对称性，蓝宝石有不同的平面方向，每种有不同的物理、化学、电学特征，从而有不同的用途。比如LED一半用C平面晶体，SOS制造商一半要求R平面晶体。目前公司的主力产品为2、3、4英寸LED用蓝宝石晶体棒（客户为基片制造商）；6英寸蓝宝石基板（客户为SOSRFICs等半导体设备制造商，少部分为LED外延生产商、军用航空航天、传感器产品制造商）。2008年8英寸产品研发成功；2010年8英寸主要供研发用；2009年12英寸产品研发成功，但尚未大规模商业化，2010年12寸及以上尺寸产品圆形、矩形产品均可以生产，为下一代LED、SOSPFICs、光电窗口做技术储备。
大尺寸蓝宝石晶圆具有更好的成本效益或经济效益，同时那些能制造大尺寸晶圆的LED 工艺设备商业正在帮助LED厂商去改善他们的工艺，提高芯片的质量，总而在总体上减少综合芯片成本。
2011年Rubicon的战略产品是4英寸蓝宝石基板，6英寸及以上的订单需求有所增加，2012年一季度估计公司有能力将8英寸产品成功商业化。
从Rubicon的销售结构看，其畅销产品为蓝宝石晶棒、基板。蓝宝石晶棒由39%稳步上
表2:2007-2010Rubicon蓝宝石收入占比
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
2010年Rubicon的办公地点分布在美国及马来西亚的5处，2010年4季度在美国
表3：Rebicon办公室分布及其分工
数据来源：Rubicon各年财产报整理分析
2008、2009年公司销售受金融危机影响大幅下降，主要就是因为LED产品用蓝宝石需求不振，公司在需求减少的同时还被迫降价。2010年，消费电子用蓝宝石需求得以重振，尤其是液晶电视LED背光的需求，普通照明市场也得以恢复。
表4:2006-2010年Rubicon营业收入、毛利、净利
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
2010年，蓝宝石晶棒的售价增加对蓝宝石晶棒收入的贡献达到67%，而蓝宝石基板的售价增加对蓝宝石基板收入的贡献为20%。说明蓝宝石晶棒的售价增幅更高，毛利也更高。
表5: 2010年Rubicon新增营业收入
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
亚洲客户是Rubicon的主要客户，2010因亚洲厂商MOCVD的激增，亚洲销售占比由70%
表6: 2007-2010年Rubicon营业收入全球分布
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
表7: 2006-2010年Rubicon营业成本、毛利
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
2010年Rubicon营业成本主要为原材料、人力成本、租金、公共事业费用、折旧、过期及剩余储备、运费、保费。其中公共事业费用占13%、12%、13%。为节省费用，电费签长期合同，原材料因为供货方不同意，只能签订短期合同。
表8: 2006-2010年Rubicon主要费用
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
公司风险主要为：
风险一：公司原料来源过度集中，如氧化铝等，若供应商不能供货，一时难以找到替代厂商。
风险二：销售渠道单一，全部产品均通过illinois州的bensenville办公室以直销方式出售。
风险三：客户过于集中，除了前三大客户，其余客户占比均不超过10%。而且前三大客户
表9: 2008-2010年Rubicon前三大客户名称及其销售收入占比
数据来源：Rubicon各年财报整理分析
风险四：行业竞争趋于激烈，韩国有望超越
因韩国、台湾与大陆等地区LED厂自2009年以来陆续扩充MOCVD设备产能，带动全球蓝宝石晶棒需求增加，然而2009年全球蓝宝石晶棒厂扩产趋于保守，致使2010年全球蓝宝石晶棒供货不足，以2寸蓝宝石基板为例，其价格已由2009年上半的7美元持续上涨至2010年底的30美元左右，于此背景下，2010年下半起全球主要蓝宝石晶棒厂纷纷扩产，DIGITIMES Research认为2011年全球蓝宝石长晶、蓝宝石晶棒产能产能年增率近100%。因各厂扩产脚步不一，且蓝宝石晶棒新进业者家数渐增，此将导致2011年全球蓝宝石晶棒厂商别产能占有率产生变化。
从全球蓝宝石晶棒厂商别月产能来看，美商Rubicon于2009年至2010年上半居全球龙头地位，不过，韩厂Sapphire Technology Company (STC)因扩产脚步相对较快，已于2010年第3季超越Rubicon，主要因为STC于韩国政府扶植中获资金支持，有利于2011年（含）后其加速蓝宝石晶棒扩产脚步。
但依其扩产目标来看，2011年STC可望跃居全球蓝宝石晶棒龙头地位，此将导致Rubicon 与俄罗斯Monocrystal排名分别后退至第2与第3，台厂越峰积极扩产，2011年底可望跃升至全球第4地位，故日厂京瓷（Kyocera）并木精密宝石（Namiki Precision Jewel；以下简称并木）排名将分别后退至第5与第6；而2011年韩厂Astek亦可望居第7地位，其于全球蓝宝石晶棒市场影响力将上扬。
预测2011年底美国、俄罗斯与日本地区晶棒厂于全球合计月产能占有率将较2010年底下滑6.7%；相较之下，因韩厂STC可望居全球晶棒厂产能之冠，且另一韩厂Astek于2011年产能占有率亦可望上扬至5.3%，考量韩国尚有Hansol LCD、LG Siltron等业者已自2010年以来陆续跨足蓝宝石晶棒事业，预料2011年韩厂于全球晶棒产业地位上升。
。蓝宝石(Al2O3),硅 (Si),碳化硅(SiC)LED衬底材料的选用比较)
?1、蓝宝石（Al2O3）,硅(Si),碳化硅（SiC）LED衬底材料的选用 比较 ?通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。 ?蓝宝石衬底有许多的优点： 首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好； 其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中； 最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。 因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED 芯片。 ? 图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片[/url] 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的
方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact ,水平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。 图2 采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片[/url]
图案化蓝宝石衬底的制备方法及关键技术分析
Material Sciences 材料科学, 2020, 10(1), 63-74 Published Online January 2020 in Hans. https://www.360docs.net/doc/ba8164443.html,/journal/ms https://https://www.360docs.net/doc/ba8164443.html,/10.12677/ms.2020.101009 Study of the Preparation Methods and Key Techniques of Patterned Sapphire Substrate Zhiyuan Lai1, Kaihong Qiu2, Xiang Hou2, Jiangtao Zhang1, Zhongwei Hu1* 1Institute of Manufacturing Engineering, Huaqiao University, Xiamen Fujian 2Fujian Zoomking Technology Co., Ltd., Longyan Fujian Received: Dec. 31st, 2019; accepted: Jan. 13th, 2020; published: Jan. 20th, 2020 Abstract The patterned sapphire substrate (PSS) is a new technology developed in recent years to improve the luminous rate of LED. This paper mainly introduces the principle of patterned sapphire sub-strate to improve the light-emitting rate of GaN-based LED, the effect of surface microstructure (geometry and size) on the luminous efficiency of LED, and focuses on the key technologies in the preparation of patterned sapphire substrates, including the preparation of mask and graphic transfer technology, as well as two main methods of substrate preparation are: dry etching and wet corrosion, and the advantages and disadvantages of the two preparation methods are com-pared. Finally, it is pointed out that the nano-patterned sapphire substrate is the key development direction of the future. Keywords Patterned Sapphire Substrate, Gallium Nitride (GaN), Mask, Etching 图案化蓝宝石衬底的制备方法及关键技术 分析 赖志远1，仇凯弘2，侯想2，张江涛1，胡中伟1 * 1华侨大学制造工程研究院，福建厦门 2福建中晶科技有限公司，福建龙岩 收稿日期：2019年12月31日；录用日期：2020年1月13日；发布日期：2020年1月20日 *通讯作者。
在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法
说明书 在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法 技术领域 本发明涉及氮化镓（GaN）基Ⅲ族氮化物的异质外延生长方法，特别涉及一种在图形化蓝宝石衬底（PSS，Patterned Sapphire Substrate）上生长高质量GaN薄膜的方法。 背景技术 GaN基Ⅲ族氮化物是宽禁带直接带隙半导体材料，因其优异的电学性能和物理、化学稳定性，是制造发光二极管（LED，Light Emitting Diode）、短波长激光器、高功率晶体管、紫外光探测器等的理想材料。尽管GaN基LED早已实现产业化，但目前LED器件的发光效率仍然较低，有待进一步提高。 蓝宝石（Al2O3）是异质外延GaN薄膜最为通用的一种衬底材料，但由于蓝宝石与GaN外延层的晶格常数和热膨胀系数的失配，会引发界面处大量位错和缺陷的产生，缺陷密度高达108—1010/cm3，造成载流子泄露和非辐射复合中心增加，从而降低器件的内量子效率；另一方面由于GaN材料（折射率为2.5）和空气（折射率为1）的折射率差异较大，有源区产生的光子有70%在GaN层上下两个界面处发生多次全反射，降低了器件的光提取效率。图形化衬底技术通过在衬底表面制作细微结构图形，图形的存在有利于GaN外延层中的应力弛豫，且能抑制外延材料生长过程中向上延升的位错，从而提高器件的内量子效率；而且图形化衬底能使原本在临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射，因此提高了光提取效率。 对本领域技术人员而言，基于蓝宝石衬底的低温生长缓冲层和高温生长GaN外延层的“两步法”工艺是一项成熟技术。但是与非图形衬底相比，图形化衬底表面均匀分布的图形将使GaN初期的生长模式发生较大变化，如直接采用普通蓝宝石衬底上的GaN生长工艺，可能会导致GaN薄膜出现表面粗糙、晶体质量差的现象，所以基于图形化衬底的GaN生长工艺参数也需要作相应的改变。其工艺应保证如下要求：a、表面平整；b、晶体质量良好。 发明内容 本发明的目的在于提供一种在图形化蓝宝石衬底上生长高质量GaN薄膜的方法，该方法通过在生长初期采用低Ⅴ/Ⅲ比（氨气与镓源摩尔流量比）生长来改变生长模式，以获得表面平整及晶体质量良好的GaN薄膜。 本发明采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）技术。在MOCVD外延生长GaN材料过程中，在位监控是
LED与蓝宝石衬底
LED与蓝宝石衬底 LED（Light-Emitting Diode，缩写LED）是发光二极管的简称。发光二极管的发光效率是白炽灯的10倍，其寿命可达10以上，具有节能和体积小的特点，产品主要用于液晶电视机、汽车、照明、交通信号、景观及显示牌。 2009年下半年开始，LED市场出现大飞跃，作为高成长性的新兴产业，预计到2015年，LED产业规模将突破5000亿元，其中普通照明行业1600亿元，大尺寸液晶电视背光行业1200亿元，汽车照明行业200亿元、普通照明行业1600亿元，景观、显示等行业1000亿元。 LED产业链条大致可以分为三个部分，分别是上游基片生长、外延片制造，中游的芯片封装和下游的应用产品。在整个产业链中，最核心的部分在基片生长和外延片制造环节，二者技术含量比较高，占全行业近70%的产值和利润。 LED的核心部分是外延片。蓝绿光LED是在蓝宝石基片上生长GaN（氮化镓）形成PN结，见图1。 图1 LED外延片结构
（2）几种LED衬底： 当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。 蓝宝石（Al2O3） 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石（Al2O3）衬底的生产技术成熟、价格适中，化学稳定性好、不吸收可见光、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。但蓝宝石导热性差的缺点，在大功率器件中显得突出。 碳化硅衬底 除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。采用SiC材料作为衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高。 硅衬底 在硅衬底上制备发光二极管是LED领域梦寐以求的事情，但目前在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。硅衬底对光的吸收严重，LED节能灯出光效率低。
国内生产蓝宝石衬底的有哪几家
国内生产蓝宝石衬底的有哪几家？ 如题，最近对上上游的材料供应商感兴趣，请问国内有哪几家？ 过去，晶粒厂多半向俄罗斯、日本、美国采购蓝宝石基板，不过包括越峰、鑫晶钻以及太阳能厂中美晶、合晶，都注意到这块市场。太阳能厂中美晶、合晶从去年起，也开始跨足蓝宝石基板切割、甚至长晶，都在显示出LED上下游产值已愈滚愈大。中美晶表示，中美晶之前是向其它业者买进晶棒，切割、研磨、抛光等制程后，才出货给晶粒厂切割成晶粒。但从今年3月起，中美晶打算直接自行长晶，2英寸晶棒仍然向日本、美国采购，但3英寸、4英寸晶棒将自行发展，原因在于“外购晶棒，切割后出售给晶粒厂”的模式获利有限。 西方的蓝宝石生产商停止向台湾的GaN LED生产商供应产品，他们宁愿在电子基材市场的交易中获取利润。市场分析机构Yole Développement在今年的产业报告中强调，“巨大的压力”迫使2英寸蓝宝石晶片的价格降至17美元，这样芯片制造商就能将每个裸片价格压到2-3美分。据该篇报告的作者Philippe Roussel表示，尽管美国Rubicon置身其中，现在台湾LED制造业仍是亚洲和俄国蓝宝石供应商的温床。 尽管全球的实验室中有其他多种技术在开发当中，2英寸蓝宝石晶片在LED制造业中仍然保持主导地位，而台湾是主要的市场。图片来源。其他的供应商则关注全球的其他市场，包括一般售价25美元的2英寸蓝宝石衬底，以及正要推出的4英寸衬底，售价在170-180美元之间。巨大的价格差异把全球领先的LED制造商（大部分在台湾之外）推至浪尖，酌情开始生产4英寸蓝宝石。据悉，Osram和Showa Denko已经开始将部分生产转至更大尺寸的衬底上了。但Roussel认为此举要谨慎。 Roussel在“Sapphire market 2008”报告中指出，去年面向LED产业的蓝宝石衬底产值超过1亿美元，年复合增长率是15%，蓝宝石衬底市场近期有些动荡，但销售额有望稳健成长。而针对RF应用的蓝宝石上硅（SoS）业务将于2011年超过1亿美元。由于Peregrine半导体公司力挽颓势，GaAs RF市场将不会立即受威胁。然而他也指出其中的症结：这个处境很尴尬，客户也不喜欢由一家公司掌控所有的专利。现在Peregrine公司正通过授权日本的Oki 来分散客户的风险，另外还将一些生产外包给代工厂。Peregrine的重组无疑给Rubicon的Q4收入有所影响。 结合LED和SoS两大市场，到2012年蓝宝石业务总计4亿美元。其中，亚洲的蓝宝石生产商所占市场份额67%，由俄国Monocrystal和法国Saint-Gobain为代表的欧洲厂商占了20%的总销售额，剩余的就是Rubicon执掌的北美市场。 俄国晶体专家、合成蓝宝石和其他先进电子材料市场的领军者Monocrystal公司表示，它的超大面积晶片将通过制造低本高效的LED芯片，从而加快步入固态照明领域。今年八月，该公司就已经开始为LED制造商批量生产这种8英寸的c面蓝宝石衬底。通过采用适合大面积蓝宝石生长的先进技术，Monocrystal能快速地提高新一代蓝宝石晶体的产量。已知在2005年该公司的大面积蓝宝石晶体的产量超过了65kg。 蓝宝石衬底制造商Rubicon宣布在上个月底获得一笔6英寸蓝宝石订单，目前只用于研究；但在18个月内，这家台湾LCD制造商进军LED制造业，期待在6英寸蓝宝石上获取更大突破，提高市场竞争力。Rubicon的CEO Raja Parvez说，“我们每隔四周到六周就要拜访客户，我们看到了这个领域内有更大的进步。我预测将会12-18个月内就能看到批量生产。”
蓝宝石衬底
蓝宝石衬底 展开 对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪 种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底： 〃蓝宝石（Al2O3）、硅（Si）、碳化硅（Sic） 蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω〃cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400μm减到100μm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m〃K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact ,水平接触）和 V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED
蓝宝石晶体材料应用及市场需求分析
蓝宝石晶体材料应用及市场需求分析 蓝宝石晶体材料是蓝宝石单晶体的原材料，是生产LED衬底、蓝宝石视窗等产业的上游产业，因此可分析其下游产业趋势来确定其市场需求。 据预计，未来LED蓝宝石衬底市场需求量年增速超过30%，蓝宝石视窗则受益于新机型屏幕升级和智能穿戴设备的潜在高速增长，全球性的蓝宝石经济即将到来。 LED市场对蓝宝石晶体材料的需求分析 图1 蓝宝石材料的应用及趋势 1）LED衬底 LED是一种节能环保、寿命长和多用途的光源，其能量转换效率大大高于白炽灯和节能灯。衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石，不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。 衬底材料的选择取决于很多条件，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的
研发和生产。目前能用于生产的衬底只有三种，即蓝宝石Al2O3衬底和碳化硅SiC衬底以及Si衬底等。蓝宝石的性价比不断提升将成为LED上游衬底材料的最优选择。 由图1所示，LED衬底可应用于照明、信息、笔记本电脑等诸多领域，市场整体保持快速增长，尤其是LED照明市场应用扩张明显，而蓝宝石晶体材料是LED上游衬底材料的最优选择，受其影响，也将迎来高速增长。 蓝宝石由于性能优良是最为理想的衬底材料，并且被广泛应用于光电元件中。蓝宝石的应用领域主要涉及衬底材料，军事、武器方面的应用及消费性电子智能终端等。衬底依旧是蓝宝石的重要应用领域，以LED衬底材料为主。目前来看，蓝宝石衬底材料应用为蓝宝石的最主要应用，按照法国Yole统计，蓝宝石衬底材料应用占比约75%，非衬底材料应用占比约25%。其中衬底材料中主要是半导体照明（LED）衬底材料及SOS相关产品使用，其中LED衬底材料占比约95%以上，可见LED衬底目前是蓝宝石市场的主要驱动力，现在主要应用在LED照明市场。 2、LED照明市场分析 LED应用于照明，是继日光灯、节能灯后的第三次革命。LED 的发光效率，是白炽灯的8倍，是荧光灯的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以不会发热，不产生有害辐射。而且LED的光通量半衰期大于5万小时，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍，LED这种节能、长寿的特性，使其取代其他灯具成为主流照明产品是必然趋势。另一方面，LED在大尺寸光源、景观照明、汽车车灯、低温照明等应用市场将得到进一步发展，逐步成为推动LED市场发
蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一
蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一，其单晶制备工艺成熟。 GaN为蓝光LED制作基材。 一、GaN外延层的衬底材料 1、SiC 与GaN晶格失配度小，只有3.4%，但其热膨胀系数与GaN差别较大，易导致GaN外延层断裂， 并制造成本高，为蓝宝石的10倍。 2、Si 成本低，与GaN晶格失配度大，达到17%，生长GaN比较难，与蓝宝石比较发光效率太低。 3、蓝宝石 晶体结构相同（六方对称的纤锌矿晶体结构），与GaN晶格失配度大，达到13%，易导致GaN 外延层高位错密度（108—109/cm2）。为此，在蓝宝石衬底上AlN或低温GaN外延层或SiO2层等，先进方法可使GaN外延层位错密度达到106/cm2水平。 二、蓝宝石、GaN的品质对光致发光的影响 蓝宝石单晶生长技术复杂，获得低杂质、低位错、低缺陷的单晶比较困难。蓝宝石单晶质量对GaN外延层的质量有直接的影响，其杂质和缺陷会影响GaN外延层质量，从而影响器件质量（发 光效率、漏电极、寿命等）。 蓝宝石单晶的位错密度一般为104/cm2数量级，它对GaN外延层位错密度（108—109/cm2）影 响不大。 三、蓝宝石衬底制作 主要包括粘片、粗磨、倒角、抛光、清洗等，将2英寸蓝宝石衬底由350—450μm（4英寸600μm 左右）减到小于100μm（4英寸要厚一些） 四、蓝宝石基板 市场上2英寸蓝宝石基板的主要技术参数： 高纯度—— 99.99%以上（4—5N） 晶向——主要是C面，C轴（0001）±0.3° 翘曲度——20μm 厚度——330μm—430μm±25μm 表面粗糙度—— Ra<0.3nm 背面粗糙度——Ra<1μm（不是很严格） yq_chu666 at 2010-7-06 08:53:02 这是美国公司的要求吧？ 如何降低翘曲、弯曲呀？ ljw.jump at 2010-7-06 16:41:37 国内做蓝宝石的厂家我知道有个不错的，在安徽吧 qw905 at 2010-7-06 18:26:50 还是哈工大与俄罗斯合作的泡生法-钻孔取棒最成功！ qw905 at 2010-7-06 18:29:06 一篇蓝宝石研发总结 藍寶石單晶生長技術研發Sapphire Crystal Instruction.pdf (2010-07-06 18:29:06, Size: 1.67 MB, Downloads: 28) HP-led at 2010-7-20 12:00:50 在云南，不过他去年不咋地，今年慢慢恢复生产
国内LED蓝宝石衬底行业发展分析(2010).
LED 蓝宝石衬底行业发展分析 随着全球半导体照明产业的迅猛发展，特别是LED 在LCD-TV 背光、通用照明等应用领域的迅速扩展，LED 芯片的需求也随之大幅增加，直接带动了衬底材料和衬底片市场需求的大发展。 目前，规模化用于LED 外延生长的衬底材料主要有两种，即蓝宝石和碳化硅。其中，蓝宝石衬底以绝对的成本优势占据主流地位，是GaN 外延生长中使用最成熟的衬底产品，全球主要外延芯片企业，如晶元光电、Osram 、日亚化学、丰田合成、首尔半导体等都采用蓝宝石衬底。Cree 是全球为数不多的采用碳化硅衬底技术的公司，其优势在于掌握成熟的碳化硅单晶生长技术，形成了其在碳化硅衬底加工制备及外延生长的优势。另外，Si 衬底被认为是非常有发展潜力的衬底产品，但在Si 衬底上进行GaN 材料生产的外延技术尚不十分成熟，其大规模应用还需要技术上取得进一步突破。而其它诸如GaN 、ZnO 衬底还处于研发、试验阶段，要实现大规模产业化还需较长的时间。 综合衡量产业化技术水平和使用成本，在3-5年内，对于大部分LED 外延芯片企业而言，成本低、产业体系完善的蓝宝石衬底显然是更为明智的选择。因此，蓝宝石依旧将是GaN 外延生产的主流衬底材料，占据全球约90%以上的LED 衬底市场份额。 一、国际蓝宝石衬底产业发展态势 目前，全球最大的LED 蓝宝石衬底生产厂商包括美国的Rubicon 、俄罗斯的Monocrytal 、韩国的STC 和我国台湾的越峰等。2010年，全球LED 蓝宝石单晶的实际月产量为150万毫米（2英寸），相当于月产180万片2英寸衬底，上述4大厂商的产量约为全球产量的70%左右。 随着全球蓝宝石衬底需求的激增，国际主要生产企业都在进行大规模的产能扩充，美国Rubicon 公司计划在2011年将产能由500万片/年提升到1200万片/年，
LED芯片常用衬底材料
LED芯片常用衬底材料选用比较 对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底： 1. 蓝宝石（Al2O3） 2. 硅 (Si) 3. 碳化硅（SiC） 蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L 接触（Laterial-cONtact ,水平接触）和 V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。
LED衬底都有哪些材料
LED衬底材料有哪些种类 对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底： ·蓝宝石（Al2O3） ·硅 (Si) ·碳化硅（SiC） 蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使 用蓝宝石衬底做成的LED 芯片。 使用蓝宝石作为衬底 也存在一些问题，例如晶 格失配和热应力失配，这 会在外延层中产生大量缺 陷，同时给后续的器件加 工工艺造成困难。蓝宝石 是一种绝缘体，常温下的 电阻率大于1011?·cm， 在这种情况下无法制作垂 直结构的器件；通常只在 外延层上表面制作n型 和p型电极（如图1所 示）。在上表面制作两个 电极，造成了有效发光面图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片
积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact , 水平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。
蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明
蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明 长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体 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 掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒 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 品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格 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 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的芯片 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 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 抛光:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 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) 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 柱状与孔状图形衬底对MOVPE生长GaN体材料及LED器件的影响 江洋罗毅汪莱李洪涛席光义赵维韩彦军 【摘要】：在柱状图形蓝宝石衬底(PSS-p)和孔状图形蓝宝石衬底(PSS-h)上外延了GaN体材料和LED结构并进行了详细对比和分析.X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)测试结果表明,PSS-h上体材料的晶体质量和表面形貌都优于PSS-p上体材料的特性,通过断面扫面电子显微镜(SEM)照片看出PSS-h上GaN的侧向生长是导致这种差异的原因.另外,基于PSS-p和PSS-h上外延的LED材料制作而成的器件结果表明,其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底(CSS)分别提高了46%和33%.通过变温光荧光谱(PL)分析发现,样品的内量子效率十分接近.因此,可以推断PSS-h上侧向外延中存留的空气隙则会影响光提取效率的提高. 【作者单位】：清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室; 【关键词】：蓝宝石图形衬底氮化镓发光二极管侧向生长光提取效率内量子效率原子力显微镜体材料蓝宝石衬底晶体质量 【基金】：国家自然科学基金(批准号:60536020,60723002)国家重点基础研究发展计划“973”(批准号:2006CB302801,2006CB302804,2006CB302806,2006CB921106)国家高技术研究发展计划“863”(批准号:2006AA03A105)北京市科委重大计划(批准号:D0404003040321)资助的课题~~ 1·引言利用GaN基大功率LED作为一种新型高效的固体光源,具有能耗小、高功率、寿命长、体积小、环保等显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明工具,被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一[1,2].目前使用最广泛的外延GaN材料的衬底是成本较低的蓝
LED图形化蓝宝石衬底
LED图形化蓝宝石衬底 项目可行性报告 一、立项的背景和意义 在大尺寸背光源渗透率快速提升、照明产品需求逐步扩大等新兴应用领域快速发展的带动下，近几年，全球LED市场保持了快速的增长，成为半导体行业中的发展亮点。 LED因其节能、环保、长寿命、耗能低、体积小、应用灵活、控制方便等特点，LED的应用前景非常广阔，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等领域。在资源日渐衰竭的今日，环保、节能是各产业发展的重心，LED的出现为人类的生活世界带来新革命、新科技。 近年来，随着全球半导体照明产业升温，欧、美、日等纷纷推出半导体照明计划。 白光LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED的应用市场非常广泛，也是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。目前，白色LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。 蓝宝石晶体是目前半导体照明产业发展过程中使用最为广泛的的衬底材料，蓝宝石具有高强度、高熔点、物理化学性能稳定等特性，在军事、航天航空、光学、生物、分析、半导体基片以及在高
速信息处理、电子光子装置的微型化、智能化方面得到广泛的应用。 随着半导体照明技术的不断发展，LED越来越多的进入到各种照明领域中。LED照明市场的迅速发展，成为蓝宝石应用市场扩展的又一重要力量。 LED产业中提高器件的内量子效率和光萃取效率是一个一直困扰产业界的问题，业内技术人员不断尝试各种方法去提高器件的发光效率，其中影响内量子效率和光萃取效率的因素主要是衬底与外延层的晶格失配合热膨胀系数适配，以及不同材料间由于折射率不同造成的光全反射，从而使光无法出射的问题。 蓝宝石衬底和氮化镓材料存在巨大的晶格失配（16%）和热膨胀系数失配（34%），所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度（109——1011cm-2），这会引起载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，降低器件的内量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率（2.4）高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5），使得有源区产生的光子在GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。图形化衬底技术通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延。 图形化的界面改变了GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率；同时，粗糙化的GaN蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使得原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取效率。 基于图形化衬底（简称PSS）的外延材料制成的LED器件参数表
芯片 衬底的介绍及优劣
三种芯片衬底的介绍及优劣 蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED 器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400μm减到100μm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L 接触（Laterial-contact ,水平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。
LED用蓝宝石基板(衬底)详细介绍(附图)
OFweek分享：LED用蓝宝石基板(衬底)详细介绍（附图） 1:蓝宝石详细介绍 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，使得蓝宝石晶片成为制作白/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
2 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(Se edC rystal，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:
GaN基LED衬底材料的选用与性能
GaN基LED衬底材料的选用与比较GaN基芯片是制备蓝、绿光LED的基本材料，也是目前市场上大功率照明LED发展的主要趋势。 对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底： ·蓝宝石（Al2O3） ·硅(Si) ·碳化硅（SiC） 蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LE D芯片。 图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。 由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在使用LED 器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact ,水平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。 图2 采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片