LED用藍(lán)寶石襯底介紹

1、LED藍(lán)寶石基板介紹,藍(lán)寶石切面圖圖 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,藍(lán)寶石(Al2O3)特性表,2 藍(lán)寶石晶體的生長方法 藍(lán)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(diǎn)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。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，

2、并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)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(diǎn)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(jié)構(gòu)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(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一

3、整個(gè)單晶晶碇. 兩種方法的晶體生長示意圖如下,柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意圖 圖6,凱氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意圖 圖7,3 藍(lán)寶石襯底加工流程,藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成.其相關(guān)制造流程如下: 藍(lán)寶石晶體 晶棒 晶棒 基片,藍(lán)寶石晶棒制造工藝流程藍(lán)寶石晶棒加工流程 晶體 晶棒,長晶: 利用長晶爐生長尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體 定向: 確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機(jī)臺(tái)上的正確位置,便于掏棒加工 掏棒: 以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒 滾磨: 用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度 品檢:

4、確保晶棒品質(zhì)以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格,機(jī)械加工,藍(lán)寶石基片制造工藝流程 晶棒 基片 定向:在切片機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置,以便于精準(zhǔn)切片加工 切片:將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片時(shí)造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度 倒角:將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機(jī)械強(qiáng)度,避免應(yīng)力集中造成缺陷 拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微塵顆粒,金屬,有機(jī)玷污物等) 品檢:以高精密檢測(cè)儀器檢驗(yàn)晶片品質(zhì)(平坦度,表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求,機(jī)械加工,4 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

5、: 1:C-Plane藍(lán)寶石基板 這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍(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. 2:R-Plane或M-Plane藍(lán)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(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。 3:圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS) 以成長(Gr

6、owth)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,1:C-Plane藍(lán)寶石基板,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

7、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MOC

8、VD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Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后,2:圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS,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。與成長于一般藍(lán)寶石基板的LED相比

9、,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英寸是成熟產(chǎn)品,價(jià)格逐漸穩(wěn)定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通藍(lán)寶石基板與2英寸圖案化藍(lán)寶石基板處于成長期,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,圖9:納米圖案化藍(lán)寶石基板圖,3:R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板,通常，C面藍(lán)寶石襯底上生長的薄膜是沿著其極性軸即軸方向生長的，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,

10、QCSE;史坦克效應(yīng))大大地降低了薄膜的發(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)體均成長在c-plane 藍(lán)寶石基板上，若把這類化合物成長于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

11、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. 由于無極性具有比傳統(tǒng)c軸更具有潛力來制作高效率元件,而許多國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. 下圖為半極性和無極性面的簡單示意圖,圖10:半極性和無極性面的簡單示意圖,無極性面是指極性面法線方向上的面，而半極性面則是介于極性面和無極性面之間的面,5 藍(lán)寶石基板的主要技術(shù)參數(shù),外延片廠家因?yàn)榧夹g(shù)及工藝的不同,對(duì)藍(lán)寶石基板的要求也不同,比如厚度,晶向等. 下面列出幾個(gè)廠家生產(chǎn)的藍(lán)寶石基板的一些基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)(以成熟的C面2英寸藍(lán)寶石基板為例子).更多的則是外延片廠家根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)以及所生產(chǎn)的外延片質(zhì)量要求來向藍(lán)寶石基板廠家定制合乎自身使用要求的藍(lán)寶石基板.即客戶定制化. 分別為:A:臺(tái)灣桃園兆晶科技股份有限公司 B:臺(tái)灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司 C:美國 Crystal systems 公司 D:俄羅斯