LED蓝宝石基板

蓝宝石(Al2O3，英文名为Sapphire)为制成氮化镓(GaN)磊晶发光层的主要基板材质，GaN可用来制作超高亮度蓝光、绿光、蓝绿光、白光LED。1993年日亚化(Nichia)开发出以氮化镓(GaN)为材质的蓝光LED，配合MOVPE(有机金属气相磊晶法)的磊晶技术，可制造出高亮度的蓝光LED。

LED蓝宝石基板
LED蓝宝石基板照片来自

蓝宝石的组成为氧化铝(A12O3)是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合，晶体结构为六方晶格结构，蓝宝石的光学穿透带很宽，从近紫外光(190nm)到中红外线都有很好的透光性，并且具备高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、熔点高(20452度C)等特点，常作为光电元件材料。就超高亮度白/蓝光LED品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，因此与所采用的蓝宝石基板表面加工品质有关，蓝宝石(单晶A12O3)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磊晶制程耐高温的要求，因此蓝宝石基板成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

蓝光LED晶粒的长晶材料的蓝宝石基板是由蓝宝石晶棒切割而成，蓝宝石晶棒是将氧化铝(Al2O3)的单晶作为长晶的基础，采拉晶法培育生长，培育方法因各家厂商参数不同而有不同纯度。

蓝宝石长晶技术尚未统一，关键技术多由美国、日本、俄罗斯厂商所掌握，其中美国、日本对长晶技术有所保留，以至于其他国家难取得关键技术，因此台湾厂商技术主要来自于俄罗斯。现以柴氏拉晶法(CZ)和凯氏长晶法(KY)为主流技术，其中最成熟也最主流KY法，其钻取率可达40-42%，就28公斤晶柱而言，长晶所需花费时间约10天，而65公斤的则需要12-14天，大公斤的晶柱所需花的时间不会高出太多，但有良率难控制的问题。

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，随著晶种的向上拉升，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：

1、长晶： 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体。

2、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。

3、掏棒： 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒。

4、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。

5、品检：确保晶棒品质以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格。

6、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。

7、切片：:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶元。

8、研磨：:去除切片时造成的晶元切割损伤层及改善晶元的平坦度。

9、倒角：将晶元边缘修整成圆弧状，改善薄片边缘的机械强度，避免应力集中造成缺陷。

10、抛光：改善晶元粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度。

11、清洗：清除晶元表面的污染物(如:微尘颗粒、金属、有机玷污物等)。

12、品检：:以高精密检测仪器检验晶元品质(平坦度,表面微尘颗粒等)，以合乎客户要求。

细分蓝宝石基板：

1.C-Plane蓝宝石基板：为最普遍使用的，主要为蓝宝石晶体沿C轴生长的技术成熟、成本也较低、物化性能稳定，所以C面进行磊晶技术较成熟稳定。

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。一般蓝宝石基板制作外延膜是沿C轴生长，C轴是GaN的极性轴，会使GaN有源层量子阱中出现很强的内建电场，导致发光效率降低，非极性面GaN外延薄膜，可以克服这问题。

3.图案化蓝宝石基板(简称PSS)：以成长或蚀刻方式在蓝宝石基板上设计制作出奈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的GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部质量效率，增加光萃取率。

蓝光LED磊晶长晶可采用蓝宝石(Sapphire)与碳化矽(SiC)作为基板材质，因为碳化矽基板单价高，因此在氮化镓系发光二极体的生产上，以蓝宝石基板应用较为普遍。蓝宝石基板具有价格便宜、硬度高、耐高温、耐化学侵蚀特性，但低导热与导电特性，使LED效能不佳，不过因为低功率LED产生热有限，因此蓝宝石基板在低功率市场具有优势。

因为蓝宝石基板本身并不导电，因此成长于蓝宝石基板上方的InGaN元件，必须将元件的电极利用制程技术制作在同侧，而SiC基板可导电，因此LED的电极可做在二边，晶粒的尺寸可缩小，因此可降低晶粒成本，封装制作也比较容易。

LED基板材料选择，主要考量在于基板晶格系数及热膨胀系数与基板上磊晶层材料的相似程度，只要基板晶格系数与磊晶层材料匹配程度愈高，则磊晶层所产生的缺陷则愈少。晶格常数匹配度较高的碳化矽基板，更适合GaN磊晶制作，而碳化矽基板除在晶格匹配度上较蓝宝石基板为佳以外，因为碳化矽本身为半导体材料，适合利用半导体制程技术进行加工，因此利用半导体制程方式，在碳化矽基板进行几何形状处理，以降低光线在晶粒中的内全反射现象，使晶粒的取出效率可大幅提升。

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