一、藍(lán)寶石介紹
藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高（2045℃）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石芯片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料。
下圖則分別為藍(lán)寶石的切面圖；晶體結(jié)構(gòu)圖上視圖；晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖；藍(lán)寶石結(jié)晶面示意圖：
最常用來做GaN磊晶的是C面(0001)這個(gè)不具極性的面,所以GaN的極性將由制程決定
(a)圖從C軸俯看 (b)圖從C軸側(cè)看
四、藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類
廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種：
1、C-Plane藍(lán)寶石基板
這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長(zhǎng)的藍(lán)寶石基板面.這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石晶體沿C軸生長(zhǎng)的工藝成熟、成本相對(duì)較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定。
C-Plane藍(lán)寶石基板是普遍使用的藍(lán)寶石基板。1993年日本的赤崎勇教授與當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)的中村修二博士等人，突破了InGaN與藍(lán)寶石基板晶格不匹配（緩沖層）、p型材料活化等等問題后，終于在1993年底日亞化學(xué)得以首先開發(fā)出藍(lán)光LED。以后的幾年里日亞化學(xué)以藍(lán)寶石為基板，使用InGaN材料，通過MOCVD技術(shù)并不斷加以改進(jìn)藍(lán)寶石基板與磊晶技術(shù)，提高藍(lán)光的發(fā)光效率，同時(shí)1997年開發(fā)出紫外LED，1999年藍(lán)紫色LED樣品開始出貨，2001年開始提供白光LED。從而奠定了日亞化學(xué)在LED領(lǐng)域的先頭地位。
臺(tái)灣緊緊跟隨日本的LED技術(shù)，臺(tái)灣LED的發(fā)展先是從日本購(gòu)買外延片加工,進(jìn)而買來MOCVD機(jī)臺(tái)和藍(lán)寶石基板來進(jìn)行磊晶，之后臺(tái)灣本土廠商又對(duì)藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)和加工技術(shù)進(jìn)行研究生產(chǎn),通過自主研發(fā)，取得LED專利授權(quán)等方式從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體、基板、外延片的生產(chǎn)、外延片的加工等等自主的生產(chǎn)技術(shù)能力，一步一步奠定了臺(tái)灣在LED上游業(yè)務(wù)中的重要地位。目前大部分的藍(lán)光/綠光/白光LED產(chǎn)品都是以日本臺(tái)灣為代表的使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行MOCVD磊晶生產(chǎn)的產(chǎn)品.使得藍(lán)寶石基板有很大的普遍性,以美國(guó)Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后。
2、R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板
主要用來生長(zhǎng)非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發(fā)光效率.通常在藍(lán)寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長(zhǎng)的，而c軸是GaN的極性軸，導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，發(fā)光效率會(huì)因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。
以蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出微米級(jí)或納米級(jí)的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會(huì)產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時(shí)GaN薄膜成長(zhǎng)于圖案化藍(lán)寶石基板上會(huì)產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長(zhǎng)于一般藍(lán)寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前臺(tái)灣生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達(dá).藍(lán)寶石基板中2/4英吋是成熟產(chǎn)品,價(jià)格逐漸穩(wěn)定,而大尺寸(如6/8英吋)的普通藍(lán)寶石基板與2英吋圖案化藍(lán)寶石基板處于成長(zhǎng)期,價(jià)格也較高,其生產(chǎn)商也是主推大尺寸與圖案化藍(lán)寶石基板,同時(shí)也積極
增加產(chǎn)能.目前大陸還沒有廠家能生產(chǎn)出圖案化藍(lán)寶石基板。
奈米級(jí)圖案化藍(lán)寶石基板(來源：和椿科技)
3、圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡(jiǎn)稱PSS)
以成長(zhǎng)(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出納米級(jí)特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時(shí)減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。
通常，C面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN薄膜是沿著其極性軸即ｃ軸方向生長(zhǎng)的，薄膜具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)建電場(chǎng)，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應(yīng))大大地降低了GaN薄膜的發(fā)光效率.在一些非C面藍(lán)寶石襯底(如R面或M面)和其他一些特殊襯底(如鋁酸鋰;LiAlO2 )上生長(zhǎng)的GaN薄膜是非極性和半極性的,上述由極化場(chǎng)引起的在發(fā)光器件中產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)將得到部分甚至完全的改善.傳統(tǒng)三五族氮化物半導(dǎo)體均成長(zhǎng)在c-plane藍(lán)寶石基板上，若把這類化合物成長(zhǎng)于R-plane或M-Plane上，可使產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)平行于磊晶層，以增加電子電洞對(duì)復(fù)合的機(jī)率。因此，以氮化物磊晶薄膜為主的LED結(jié)構(gòu)成長(zhǎng)R-plane或M-Plane藍(lán)寶石基板上，相比于傳統(tǒng)的C面藍(lán)寶石磊晶,將可有效解決LED內(nèi)部量子效率效率低落之問題，并增加元件的發(fā)光強(qiáng)度。最新消息據(jù)稱非極性LED能使白光的發(fā)光效率提高兩倍.
由于無極性GaN具有比傳統(tǒng)c軸GaNＮ更具有潛力來制作高效率元件,而許多國(guó)際大廠與研究單位都加大了對(duì)此類磊晶技術(shù)的研究與生產(chǎn).因此對(duì)于R-plane或M-Plane藍(lán)寶石基板的需求與要求也是相應(yīng)地增加。
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