2024年4月11日发(作者：)

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。

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

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(蓝宝石基板上的凹击图

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.

通常，C面蓝宝石衬底上生长的ＧａＮ薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的，薄膜具

有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强大的内建电场，(Quantu

m Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效应)大大地降低了ＧａＮ薄膜的发光效率. 在一些

非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面)和其他一些特殊衬底(如铝酸锂;LiAlO2 )上生长的GaN

薄膜是非极性和半极性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚

至完全的改善.传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若把这类化合物

成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生的内建电场平行于磊晶层，以增加电子电洞对复

合的机率。因此，以氮化物磊晶薄膜为主的LED结构成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板

上，相比于传统的C面蓝宝石磊晶,将可有效解决LED内部量子效率效率低落之问题，并增

加元件的发光强度。最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍.

由于无极性ＧａＮ具有比传统c轴ＧａＮ更具有潜力来制作高效率元件,而许多国际大

厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于R-plane 或M-Plane 蓝宝石

基板的需求与要求也是相应地增加

外延片厂家因为技术及工艺的不同,对蓝宝石基板的要求也不同,比如厚度,晶向等.

下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数(以成熟的C面2英寸蓝宝石

基板为例子).更多的则是外延片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求来

向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板.即客户定制化.

分别为:A:台湾桃园兆晶科技股份有限公司

B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司

C:美国 Crystal systems 公司

D:俄罗斯 Cradley Crystals公司

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【 · 原创:

zkdyy

2010-08-20 11:03

只看该作者(-1)

】

蓝宝石（-Al2O3）又称白宝石，是世界上硬度仅次于金刚石的晶体材料。其结构中的

氧原子以接近HCP（hexagonal closed packed）的方式排列，其中氧原子间的八面体配位

约有2/3的空隙是由铝原子所填充，由此使它具有强度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高温(熔点

达2050℃)、耐磨擦、耐腐蚀能力强，化学性质稳定，一般不溶于水，不受酸腐蚀，只有在

高温下(3000C以上)才能为氢氟酸(HF)、磷酸(H2PO4)以及熔化的苛性钾(KOH)所侵蚀；且

具有同氮化镓等半导体材料结合匹配性好、光透性能、电绝缘性能优良等一系列特性。

蓝宝石单晶首先是作为红外窗口材料而提出。因其具有优良的光学、机械、化学和电性

能，特别是具有中波红外透过率高等特性，从0.190μm至5.5μm波段均具有很高的光学透

过率，因此被广泛用作微波电子管介质材料，超声波传导元件，延迟线，波导激光器腔体及

精密仪器轴承，天平刀口等光学元件以及红外军事装置、空间飞行器、高强度激光器的窗口

材料。以白宝石单晶片为绝缘衬底材料的SOS器件则具有高集成度、高速度、低功耗和抗

辐射能力强等优点。近年来民用手表的表面大量使用白蓝宝石，其特点是光洁度高、硬度高、

耐磨损。表1给出了蓝宝石单晶的基本性能。

表1 蓝宝石单晶材料基本性能

晶体性能

化学式 -Al2O3

式量 101.9612

晶系 六方晶系

晶格常数及方向 a=4.758Å(0001)，c=12.991Å

空间群 R3c

单位晶胞中的分子数 2

光学性能

透过波段/m 0.14-6