LED藍寶石基板

藍寶石(Al2O3，英文名為Sapphire)為製成氮化鎵(GaN)磊晶發光層的主要基板材質，GaN可用來製作超高亮度藍光、綠光、藍綠光、白光LED。1993年日亞化(Nichia)開發出以氮化鎵(GaN)為材質的藍光LED，配合MOVPE(有機金屬氣相磊晶法)的磊晶技術，可製造出高亮度的藍光LED。

LED藍寶石基板
LED藍寶石基板照片來自

藍寶石的組成為氧化鋁(A12O3)是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合，晶體結構為六方晶格結構，藍寶石的光學穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都有很好的透光性，並且具備高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、熔點高(20452度C)等特點，常作為光電元件材料。就超高亮度白/藍光LED品質取決於氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質，因此與所採用的藍寶石基板表面加工品質有關，藍寶石(單晶A12O3)C面與III-V和II-VI族沈積薄膜之間的晶格常數失配率小，同時符合GaN磊晶製程耐高溫的要求，因此藍寶石基板成為製作白/藍/綠光LED的關鍵材料。

藍光LED晶粒的長晶材料的藍寶石基板是由藍寶石晶棒切割而成，藍寶石晶棒是將氧化鋁(Al2O3)的單晶作為長晶的基礎，採拉晶法培育生長，培育方法因各家廠商參數不同而有不同純度。

藍寶石長晶技術尚未統一，關鍵技術多由美國、日本、俄羅斯廠商所掌握，其中美國、日本對長晶技術有所保留，以至於其他國家難取得關鍵技術，因此台灣廠商技術主要來自於俄羅斯。現以柴氏拉晶法(CZ)和凱氏長晶法(KY)為主流技術，其中最成熟也最主流KY法，其鑽取率可達40-42%，就28公斤晶柱而言，長晶所需花費時間約10天，而65公斤的則需要12-14天，大公斤的晶柱所需花的時間不會高出太多，但有良率難控制的問題。

藍寶石晶體的生長方法常用的有兩種：

1、柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。於是熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，並伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固於晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠。

2、凱氏長晶法(Kyropoulos method)，簡稱KY法。大陸稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控製冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最後凝固成一整個單晶晶碇。

藍寶石基片的原材料是晶棒，晶棒由藍寶石晶體加工而成。其相關製造流程如下：

1、長晶： 利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體。

2、定向：確保藍寶石晶體在掏棒機台上的正確位置，便於掏棒加工。

3、掏棒： 以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒。

4、滾磨：用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度。

5、品檢：確保晶棒品質以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規格。

6、定向：在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便於精準切片加工。

7、切片：:將藍寶石晶棒切成薄薄的晶元。

8、研磨：:去除切片時造成的晶元切割損傷層及改善晶元的平坦度。

9、倒角：將晶元邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機械強度，避免應力集中造成缺陷。

10、拋光：改善晶元粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度。

11、清洗：清除晶元表面的污染物(如:微塵顆粒、金屬、有機玷污物等)。

12、品檢：:以高精密檢測儀器檢驗晶元品質(平坦度,表面微塵顆粒等)，以合乎客戶要求。

細分藍寶石基板：

1.C-Plane藍寶石基板：為最普遍使用的，主要為藍寶石晶體沿C軸生長的技術成熟、成本也較低、物化性能穩定，所以C面進行磊晶技術較成熟穩定。

2.R-Plane或M-Plane藍寶石基板：主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發光效率。一般藍寶石基板製作外延膜是沿C軸生長，C軸是GaN的極性軸，會使GaN有源層量子阱中出現很強的內建電場，導致發光效率降低，非極性面GaN外延薄膜，可以克服這問題。

3.圖案化藍寶石基板(簡稱PSS)：以成長或蝕刻方式在藍寶石基板上設計製作出奈米級特定規則的微結構圖案藉以控制LED之輸出光形式，並可同時減少生長在藍寶石基板上的GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質量，並提升LED內部質量效率，增加光萃取率。

藍光LED磊晶長晶可採用藍寶石(Sapphire)與碳化矽(SiC)作為基板材質，因為碳化矽基板單價高，因此在氮化鎵系發光二極體的生產上，以藍寶石基板應用較為普遍。藍寶石基板具有價格便宜、硬度高、耐高溫、耐化學侵蝕特性，但低導熱與導電特性，使LED效能不佳，不過因為低功率LED產生熱有限，因此藍寶石基板在低功率市場具有優勢。

因為藍寶石基板本身並不導電，因此成長於藍寶石基板上方的InGaN元件，必須將元件的電極利用製程技術製作在同側，而SiC基板可導電，因此LED的電極可做在二邊，晶粒的尺寸可縮小，因此可降低晶粒成本，封裝製作也比較容易。

LED基板材料選擇，主要考量在於基板晶格係數及熱膨脹係數與基板上磊晶層材料的相似程度，只要基板晶格係數與磊晶層材料匹配程度愈高，則磊晶層所產生的缺陷則愈少。晶格常數匹配度較高的碳化矽基板，更適合GaN磊晶製作，而碳化矽基板除在晶格匹配度上較藍寶石基板為佳以外，因為碳化矽本身為半導體材料，適合利用半導體製程技術進行加工，因此利用半導體製程方式，在碳化矽基板進行幾何形狀處理，以降低光線在晶粒中的內全反射現象，使晶粒的取出效率可大幅提升。

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