LED蓝宝石衬底
蓝宝石衬底详细介绍
两种方法的晶体生长示意图如下:
3 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:
蓝宝石晶体 晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
蓝宝石晶棒加工流程
机械加工
晶体
晶棒
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
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.
热导率
折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
25.12W/m/k (@ 100℃)
no =1.768 ne =1.760 13x10 -6 /K(@633nm) T≈80% (0.3～5μ m) 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: 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.
三种LED衬底比较
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：·蓝宝石（Al2O3）·硅 (Si)碳化硅（SiC）[/url]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。
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
硅衬底PK蓝宝石衬底,胜负几何？
硅衬底PK蓝宝石衬底，胜负几何？
基于氮化镓的蓝/白光LED的芯片结构强烈依赖于所用的衬底材料。
目前
大部分厂商采用蓝宝石作为衬底材料，芯片结构主要分为4类，如正装芯片结构
这类芯片广泛被中低功率的封装产品所采用，优点是价格低；缺点是由于蓝宝石导热性能差，所以芯片散热较差，P型材料的导电性也较差，因此注入电流受到限制。
此外，芯片是五面发光的，通常需要将将芯片置于支架内，如倒装结构
为了克服传统正装结构散热较差、注入电流受限等缺陷，有科学家提出了倒装结构。
热可以由芯片直接传递到如陶瓷等基底材料上，而不用通过导热能力较差的蓝宝石衬底，因此注入电流可以显著提高；单位面积的光通量也可以显著提升。
缺点是芯片是五面发光的，给需要精确二次光学设计的场合，如小角度射灯、手机闪光灯、车灯、超薄背光及平板灯等带来了诸多的不便，此外，也存在正装五面出光芯片所面临的颜色不均匀的问题。
薄膜倒装结构
为了解决倒装结构存在的问题，有人提出了薄膜倒装结构，在倒装芯片的基础上，通过用激光剥离技术去除了蓝宝石衬底，得到单面发光的薄膜芯片。
薄膜芯片具有出光效率高、出光集中于芯片正上方，利于二次光学设计，此外也具体非常好的表面颜色均匀性。
但是要用到工艺复杂的激光剥离技术，成本高、良率低，芯片本身也容易存在缺陷，另外，由于是倒装结构，在芯片和(陶瓷)衬底之间有间隙，一定程度上降低了芯片的导热能力；同时，由于芯片非常薄，在使用中容易出现芯片裂痕、漏电等问题。
垂直结构。
蓝宝石衬底详细介绍
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
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
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
Al2O3 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å 9 2045℃ 3000℃ 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k (仅次于钻石:10)
热导率
折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
25.12W/m/k (@ 100℃)
no =1.768 ne =1.760 13x10 -6 /K(@633nm) T≈80% (0.3～5μ m) 11.5(∥c), 9.3(⊥c)
1:C-Plane蓝宝石基板
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.
蓝宝石衬底折射率
蓝宝石衬底折射率蓝宝石是一种宝石，它的化学式为Al2O3。
蓝宝石的颜色通常为蓝色，但也有其他颜色的变种，如黄色和粉红色。
蓝宝石的独特之处在于它的高硬度和优异的光学性能。
在光学领域中，蓝宝石经常被用作衬底材料，用于制备各种光学器件，如激光、LED和光传感器。
蓝宝石的衬底折射率是光学设计中一个非常重要的参数，下面将介绍蓝宝石的折射率及其相关参考内容。
折射率是光线从一种介质进入另一种介质时发生折射的程度的度量。
折射率是一个无量纲的数值，通常用符号n表示。
蓝宝石的折射率依赖于光的波长。
（如果文中不得出现链接，我就可以给出一个波长-折射率的表格和一个图示来解释该折射率的依赖性。
）在蓝宝石的常见波长范围内，其折射率通常在1.759到1.778之间变化。
例如，对于波长为589.3纳米的黄光，蓝宝石的折射率约为1.768。
然而，对于其他波长的光，蓝宝石的折射率可能会有所不同。
通过使用较长或较短的波长，可以改变蓝宝石的折射率，而这也是光学器件设计中的一种常见方法。
蓝宝石的折射率对于激光和光导纤维等应用非常重要。
通过了解材料的折射率，可以计算出光线在器件中的传播路径和传播速度。
这些信息对于设计和优化光学器件性能非常关键，特别是激光器和光传感器等高精度设备。
为光学技术和科学研究提供基础参考，已经研究并建立了蓝宝石的折射率的各种数据库和文献。
这些参考内容通常包括蓝宝石在各种波长下的折射率值，如IR index和visible index等。
例如，拓扑光子学研究中的一个常见参考文献是Palik在1985年出版的手册《Palik's Handbook of Optical Constants of Solids》。
该手册收集了蓝宝石在可见光和红外光波段的折射率数据。
除了这些参考文献外，还可以通过使用在线数据库和计算工具来获取蓝宝石的折射率数据。
这些数据库和工具通常由研究机构和光学公司提供，旨在为光学工程师和科学家提供便利。
LED用蓝宝石衬底抛光技术进展
ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｃ， ｉ
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｓ ａ ｐ ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ ； Ｐ ｏ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ； Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐ ｏ ｉ ｆ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ （ Ｃ ＭＰ）
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ｉｎ ｆ ｓ ｉ ｈ ｉ ｎ ｇ 。 ｌｏ ｆ ａ ｔ ｐ ｏ ｌ ｓ ｉ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｍ ｅ ｒ ｉ ｔ ，ｄ ｅｍ ｅ ｒ ｉ ｔ ｎｄ ａ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ． Ｎ ｏ ｗ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｓ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｑ ｕ ｌｉ ａ ｔ ｙ ｆ ｏ ｓ ｐｐ ａ ｈ ｉ ｒ ｅ ｓ ｕ ￣ Ｃ ａ ｃ ｅ ｏ ｂ ｔ ｉ ａ ｎ ｅ ｄ ｓ ｉ ｔ ｈ ｔ ａ ｔ ｈ ｅ Ｒ ａ ｓ ｉ ０ ． １ ｎ ｍ， ｌａ ｆ ｔ ｅｓ ｎ ｓ ｓ ｉ ０ ． ５ １ ｘ ｍ ．Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ｎｃ ａ ｅ ｆｐ ｏ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ，ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ ，
2024年蓝宝石衬底市场发展现状
蓝宝石衬底市场发展现状简介蓝宝石衬底是一种高品质的材料，广泛应用于光电子、半导体等领域。
随着科技的不断发展，蓝宝石衬底市场也迎来了快速增长。
本文将对蓝宝石衬底市场的发展现状进行综述，分析其市场规模、应用领域以及主要厂商等方面的情况。
市场规模蓝宝石衬底市场在过去几年里呈现出快速增长的趋势。
据市场研究公司的数据显示，蓝宝石衬底市场的年复合增长率达到了10%以上。
这主要得益于蓝宝石衬底在光电子、半导体等领域的广泛应用。
应用领域蓝宝石衬底在光电子、半导体等领域有着广泛的应用。
在光电子领域，蓝宝石衬底可用于制作LED（发光二极管）芯片，具有优异的光电性能和机械性能，被视为制作高亮度、高效率LED的最佳选择。
在半导体领域，蓝宝石衬底可用于制作集成电路和激光二极管等器件，具有优异的电学性能和热学性能。
主要厂商目前，蓝宝石衬底市场的竞争较为激烈，主要厂商包括：1.Rubicon Technology：作为蓝宝石衬底市场的领导者之一，RubiconTechnology在蓝宝石衬底领域拥有丰富的经验和技术优势。
公司的产品质量和稳定性备受市场认可。
2.Crystal Applied Technology：Crystal Applied Technology是一家蓝宝石衬底制造商，公司专注于研发和生产高质量的蓝宝石衬底产品。
公司拥有先进的生产设备和技术，能够满足不同客户的需求。
3.Monocrystal：Monocrystal是一家全球领先的蓝宝石衬底制造商，公司产品广泛应用于LED、光通信和半导体领域。
公司致力于提供高品质、高性能的蓝宝石衬底产品。
发展趋势随着LED技术的进一步发展，蓝宝石衬底市场将持续增长。
未来，随着5G等新兴技术的应用，对光电子和半导体领域的需求将进一步增加，这将为蓝宝石衬底市场带来更多机遇。
同时，随着技术的进步，蓝宝石衬底产品的性能将得到进一步提升，开拓更多应用领域。
结论总的来说，蓝宝石衬底市场在光电子、半导体等领域发展迅速，市场规模不断扩大。
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LED蓝宝石衬底
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
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.
蓝宝石晶体的应用：
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。
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。