蓝宝石结构
蓝宝石晶体生长技术
掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用
α- Al2O3 :C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点： （1）热释光灵敏度高，为常用热释光晶体LiF:(Mg,Ti)的40—60 倍；187℃附近的发光峰型单一，有效原子序数相对较低(10.2)； （2）低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性—亚线 性，线性响应范围宽(10-6—10Gy)；
（3）α- Al2O3 :C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应 的最佳峰值，在低剂量条件下， α- Al2O3 :C晶体探测器可重复使 用且无需退火处理。
蓝宝石单晶最早于20世纪50年代被美国Wisconsin大学的Daniels发 现具有优良的热释光(thermoluminescence，TL)性能，但它对γ射线的 热释光灵敏度很低。为改善蓝宝石单晶的热释光性能，相继研制了一 系列掺杂的蓝宝石单晶热释光材料，如α- Al2O3 :(Mg，Ti，Y)、 αAl2O3 :Cr和α- Al2O3 : (Si，Ti)。1990年，Akselrod等采用提拉法生长 了一种优良的新型热释光材料α- Al2O3 :C晶体。1995年，Markey等首 次研究了α- Al2O3 :C晶体的光释光(optical stimulated luminescence， OSL)性能。 目前，美国Landauer公司研制生产的α- Al2O3 :C热释光剂量计已被 欧美国家广泛使用。 国内关于α- Al2O3 :C晶体生长以及α- Al2O3 :C剂量计的研制起步较 晚。2008年，中国科学院上海硅酸盐研究所杨新波等采用导向温梯法 和导模法分别生长了可用于制造高灵敏度热释光探测器、热释光和光 释光探测器的α- Al2O3 :C晶体。
（4）热力学特性：2050℃左右的熔点，加之优越的化学、机械 及光学特性，使蓝宝石晶体广泛应用于许多苛刻的加工环境中。 （5）耐磨损性：由于具有很高的硬度和透明度，是蓝宝石晶体 常用于制作耐磨损窗口或其他精密机械零件。 （6）介电性能：有电介质绝缘、恒定的介电常数。 （7）蓝宝石还具有高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、显著的抗 热冲击性等性能。
Al2O3
蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
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晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶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:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(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晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
蓝宝石切面图图
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
蓝宝石(Al2O3)特性表
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热
2:图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
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.
蓝宝石衬底简介
外延部 2010-12-16
一.LED蓝宝石简介
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.。具有耐高温、抗腐蚀、高硬度、熔点高（2045℃） 等特点。 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.
<10 μ m
0.20°±0.05
50.8± 0.05mm
16.0± 1mm
0°±0. 25°
<0.2nm
0.8～ 1.2μ m
科 瑞
430±15 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
0.20°±0.1
50.8± 0.1mm
16.0± ;0.2nm
0.5～ 1.0μ m
晶 美
430±15 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<15 μ m
0.20°±0.1
50.8± 0.25mm
16.0± 1.0mm
0°±0. 25°
<1nm
0.8～ 1.3μ m
谢 谢！
晶棒
机械加工
基片
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晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶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:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(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晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
蓝宝石基本知识
蓝宝石基本知识1、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，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.2、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(SeedC 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.蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成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.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。
蓝宝石结构
在材料科学中讨论有关晶体生长、变形、相变及性能等问题时，常须设计晶体中原子位置、原子列的方向（称为晶向）和原子构成的平面（称为晶面）。
为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通常采用迷了指数来统一标定晶向指数和晶面指数。
晶向指数：以O点为原点的矢量在坐标轴XYZ上的投影位u、v、w，并用化为最简的[uvw]来表示晶向指数，相同的晶向指数表示所有互相平行、方向一致的晶向。
若所选矢量不过原点，则对其进行平移得到以原点为出发点并与原矢量平行的新矢量，新矢量的晶面指数[uvw]与原矢量相同，如图1所示。
晶面指数：在以O点位原点的XYZ坐标系中，晶面在X,Y,Z坐标轴上的截距的倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为（hkl）相同的晶面指数表示着一组相互平行的晶面。
若坐标轴位于所选晶面上，使得晶面对坐标轴无截距，则可对晶面进行适当平移，如图2所示。
以上晶面指数与晶面指数的标定是基于XYZ坐标系，在七大晶系中，他适用于三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系以及立方晶系，但对于三方晶系和六方晶系，他们的晶轴有四根，即a1、a2、a3、c四轴，其中c轴a1、a2、a3皆正交，a1、a2、a3之间的夹角为120°具有高度对称性，若采用先前的[uvw]和（hkl）的方法来表示晶向与晶面，会使得这种标定方法的晶面指数和晶向指数不能显示出三方/六方晶系的对称性，晶体学上等价的晶面与晶向其指数却不相同，因此为了克服这一缺点，通常采用另一专用于三方/六方晶系的指数[uvtw]和（hkil）来表征他们的晶向与晶面。
蓝宝石属于六方晶系，因此晶向指数与晶面指数的标定应分别采用[uvtw]和（hlik）的表示方法。
对于晶向指数，可以先以a1a2c三坐标系确定出[UVW]，在通过公式U=u-t,V=v-t,W=wU=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(u+v),w=W换算出[uvtw]，以保证其唯一性。
蓝宝石衬底详细介绍
(a)图从C轴俯看
(b)图从C轴侧看
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热 热导率 折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
蓝宝石(Al2O3)特性表
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Rplane 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
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.
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.
11.5(∥c), 9.3(⊥c)
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:
蓝宝石特性
1.2 蓝宝石晶体成分与一般性质蓝宝石晶体是纯净氧化铝最基本的单晶形态。
化学成分是三氧化二铝(A12O3),晶型为α- A12O3，分子量为101.9612，在20℃时的密度为3.98克/毫升。
蓝宝石的化学性能非常稳定，一般不溶于水和酸、碱腐蚀，只有在高温下（300℃以上）可被氢氟酸（HF）、磷酸（H3PO4）和熔化的氢氧化钾（KOH）所腐蚀。
蓝宝石的硬度很高，仅次于金刚石。
它具有很好的透光性、热传导性和电气绝缘性，力学性能也很好。
蓝宝石的熔点为2050℃，沸点为3500℃，最高工作温度约1900℃。
1.3蓝宝石的晶体结构蓝宝石晶体（α- A12O3）是一种简单配位型氧化物晶体，属六方晶系，其晶格常数为：a=b=0.4785nm，c=1.2991nm，α=β=90°,γ= 120°[6] ,蓝宝石C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小（与GaN之间失配率小于4％）蓝宝石晶体不同取向面的图形如下：2图1：蓝宝石晶体结构侧面图[7]图2：蓝宝石晶体切面图[8]图3：A12O3的分子结构图[7]图4：蓝宝石晶体结构上视图[7]3图5：蓝宝石结晶面示意图[8]在蓝宝石的应用上，有三个方向面是较为重要的。
即C面——（0001）面，r面——（1-102）和a面——（10-10），图5表示出了蓝宝石晶体结构的表示法及重要的方向。
下表表示蓝宝石晶体的一些物理性质：表1 氧化铝(Al2O3)特性表分子式Al2O3密度 3.95-4.1 g/cm3晶体结构六方晶格晶格常数 a =4.758Å , c =12.991Å单位晶胞中的分子数 2莫氏硬度9 (仅次于钻石:10)熔点2050 ℃沸点3500 ℃热膨胀系数 5.8×10-6 /K比热0.418 W.s/g/k热导率25.12 W/m/k (@ 100℃)折射率no =1.768 ne =1.760dn/dt 13x10 -6 /K(@633nm)透光特性T≈80% (0.3～5μm)介电常数11.5(∥c), 9.3(⊥c)1.4 蓝宝石晶体的重要性质1.4.1 蓝宝石的热学性质1.4.1.1蓝宝石的热膨胀系数蓝宝石的热膨胀性能具有各向异性的特点，其热膨胀系数随温度的变化如下： 4图6：蓝宝石晶体热膨胀系数与温度之间的关系[9]从图中可以看出，无论平行于C方向还是垂直于C方向，它的热膨胀系数都不太大，相差也较小。
corundum结构
corundum结构
蓝宝石（corundum）是一种宝石，其化学名称为铝氧化物（Al2O3）。
它是铝矿石晶体的一种变种，具有六方晶系的结构。
以下是关于蓝宝石（corundum）结构的一些基本信息：
化学成分：蓝宝石的化学式为Al2O3，即由铝和氧组成。
这使其属于氧化物矿物。
结晶结构：蓝宝石的晶体结构属于六方晶系（又称为六角晶系）。
在这种结构中，晶体分为六个六边形的晶面，它们共享一个中心点。
这种结构在空间中的排列形成了六边形的晶胞。
晶体外观：蓝宝石的六方晶系结构在其晶体外观上表现为六边形的形状，这是其独特的特征。
这种结构也是为什么蓝宝石在未经染色的情况下通常呈淡蓝色的原因。
颜色：蓝宝石的颜色来自于其中的微量元素，通常是铁和铬。
纯净的蓝宝石是无色的，而其中包含微量元素的变异导致了其在宝石市场上不同颜色的种类，包括蓝色、粉红色、黄色等。
蓝宝石是一种重要的宝石，广泛用于珠宝制作。
其硬度较高，仅次于钻石，因此在饰品中具有较高的耐久性。
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在材料科学中讨论有关晶体生长、变形、相变及性能等问题时，常须设计晶体中原子位置、原子列的方向（称为晶向）和原子构成的平面（称为晶面）。
为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通常采用迷了指数来统一标定晶向指数和晶面指数。
晶向指数：以O点为原点的矢量在坐标轴XYZ上的投影位u、v、w，并用化为最简的[uvw]来表示晶向指数，相同的晶向指数表示所有互相平行、方向一致的晶向。
若所选矢量不过原点，则对其进行平移得到以原点为出发点并与原矢量平行的新矢量，新矢量的晶面指数[uvw]与原矢量相同，如图1所示。
晶面指数：在以O点位原点的XYZ坐标系中，晶面在X,Y,Z坐标轴上的截距的倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为（hkl）相同的晶面指数表示着一组相互平行的晶面。
若坐标轴位于所选晶面上，使得晶面对坐标轴无截距，则可对晶面进行适当平移，如图2所示。
以上晶面指数与晶面指数的标定是基于XYZ坐标系，在七大晶系中，他适用于三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系以及立方晶系，但对于三方晶系和六方晶系，他们的晶轴有四根，即a1、a2、a3、c四轴，其中c轴a1、a2、a3皆正交，a1、a2、a3之间的夹角为120°具有高度对称性，若采用先前的[uvw]和（hkl）的方法来表示晶向与晶面，会使得这种标定方法的晶面指数和晶向指数不能显示出三方/六方晶系的对称性，晶体学上等价的晶面与晶向其指数却不相同，因此为了克服这一缺点，通常采用另一专用于三方/六方晶系的指数[uvtw]和（hkil）来表征他们的晶向与晶面。
蓝宝石属于六方晶系，因此晶向指数与晶面指数的标定应分别采用[uvtw]和（hlik）的表示方法。
对于晶向指数，可以先以a1a2c三坐标系确定出[UVW]，在通过公式
U=u-t,V=v-t,W=w
U=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(u+v),w=W
换算出[uvtw]，以保证其唯一性。
对于晶面指数，同样也可以先以a1a2c三坐标系确定出（hkl）再通过i=-（h+k）换算到（hkil）的晶面指数。
对于我们来说，主要研究的是蓝宝石的晶面。
常见的蓝宝石密排六方晶胞中的晶面如图3所示。
在晶胞中，指数相同的晶面与晶向互相垂直。
因此，对蓝宝石来说，与a向垂直的晶面称为a面，与c向垂直的面称为c面，与m向垂直的面称为m面，与r向垂直的面称为r面。
蓝宝石晶胞各面的切面图如图4所示。
从图4、5可以看出，a、c、m三面是相互正交的三个面，r面为非极性面也是目前研究较多的一类面，。
一个蓝宝石六方晶胞中包含6个a面（两种），2个c面，3个m面和6个r面（两种）。
之前我们讨论过的开a面平边使得r面位
于a面平边的9点钟方向，则是指如图5所示的红色a面，这种a面在晶胞中具有三种。
XRD原理
X射线照射到晶体中阵点上的各个原子时发生散射，部分散射光会发生衍射，而晶体中固定阵点的原子具有周期排列的特性，使衍射波之间存在固定的相位关系，从而发生干涉，周期性固定的原子排列会使干涉出现固定的加强或减弱。
根据布拉格方程2dsinθ=nλ，若两相邻原子面上的原子的散射波在原子面反射方向的光程差是波长的整数倍，则干涉加强。
光程差R=2dsinθ，如图6所示。
XRD晶面衍射角：a面，θ=18°55′ c面，θ=20°50′ m面，θ=34°6′ r面，θ1=26°17′,θ2=12°48′。