蓝宝石结构
蓝宝石晶体生长技术
掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用
α- Al2O3 :C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点： （1）热释光灵敏度高，为常用热释光晶体LiF:(Mg,Ti)的40—60 倍；187℃附近的发光峰型单一，有效原子序数相对较低(10.2)； （2）低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性—亚线 性，线性响应范围宽(10-6—10Gy)；
（3）α- Al2O3 :C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应 的最佳峰值，在低剂量条件下， α- Al2O3 :C晶体探测器可重复使 用且无需退火处理。
蓝宝石单晶最早于20世纪50年代被美国Wisconsin大学的Daniels发 现具有优良的热释光(thermoluminescence，TL)性能，但它对γ射线的 热释光灵敏度很低。为改善蓝宝石单晶的热释光性能，相继研制了一 系列掺杂的蓝宝石单晶热释光材料，如α- Al2O3 :(Mg，Ti，Y)、 αAl2O3 :Cr和α- Al2O3 : (Si，Ti)。1990年，Akselrod等采用提拉法生长 了一种优良的新型热释光材料α- Al2O3 :C晶体。1995年，Markey等首 次研究了α- Al2O3 :C晶体的光释光(optical stimulated luminescence， OSL)性能。 目前，美国Landauer公司研制生产的α- Al2O3 :C热释光剂量计已被 欧美国家广泛使用。 国内关于α- Al2O3 :C晶体生长以及α- Al2O3 :C剂量计的研制起步较 晚。2008年，中国科学院上海硅酸盐研究所杨新波等采用导向温梯法 和导模法分别生长了可用于制造高灵敏度热释光探测器、热释光和光 释光探测器的α- Al2O3 :C晶体。
（4）热力学特性：2050℃左右的熔点，加之优越的化学、机械 及光学特性，使蓝宝石晶体广泛应用于许多苛刻的加工环境中。 （5）耐磨损性：由于具有很高的硬度和透明度，是蓝宝石晶体 常用于制作耐磨损窗口或其他精密机械零件。 （6）介电性能：有电介质绝缘、恒定的介电常数。 （7）蓝宝石还具有高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、显著的抗 热冲击性等性能。
Al2O3
蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
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 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
蓝宝石切面图图
晶体结构图上视图
晶体结构侧视图
Al2O3分之结构图
蓝宝石结晶面示意图
最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性 将由制程决定 (a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看
蓝宝石(Al2O3)特性表
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热
2:图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
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(蓝宝石基板上的凹凸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.
蓝宝石衬底简介
外延部 2010-12-16
一.LED蓝宝石简介
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两 个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格 结构.。具有耐高温、抗腐蚀、高硬度、熔点高（2045℃） 等特点。 目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶 (GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝 石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为 制作白/蓝/绿光LED的关键材料.
<10 μ m
0.20°±0.05
50.8± 0.05mm
16.0± 1mm
0°±0. 25°
<0.2nm
0.8～ 1.2μ m
科 瑞
430±15 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
0.20°±0.1
50.8± 0.1mm
16.0± ;0.2nm
0.5～ 1.0μ m
晶 美
430±15 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<15 μ m
0.20°±0.1
50.8± 0.25mm
16.0± 1.0mm
0°±0. 25°
<1nm
0.8～ 1.3μ m
谢 谢！
晶棒
机械加工
基片
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 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
蓝宝石基本知识
蓝宝石基本知识1、蓝宝石介绍蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。
目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.2、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，随着晶种的向上拉升，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(SeedC rystal，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。
蓝宝石结构
在材料科学中讨论有关晶体生长、变形、相变及性能等问题时，常须设计晶体中原子位置、原子列的方向（称为晶向）和原子构成的平面（称为晶面）。
为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通常采用迷了指数来统一标定晶向指数和晶面指数。
晶向指数：以O点为原点的矢量在坐标轴XYZ上的投影位u、v、w，并用化为最简的[uvw]来表示晶向指数，相同的晶向指数表示所有互相平行、方向一致的晶向。
若所选矢量不过原点，则对其进行平移得到以原点为出发点并与原矢量平行的新矢量，新矢量的晶面指数[uvw]与原矢量相同，如图1所示。
晶面指数：在以O点位原点的XYZ坐标系中，晶面在X,Y,Z坐标轴上的截距的倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为（hkl）相同的晶面指数表示着一组相互平行的晶面。
若坐标轴位于所选晶面上，使得晶面对坐标轴无截距，则可对晶面进行适当平移，如图2所示。
以上晶面指数与晶面指数的标定是基于XYZ坐标系，在七大晶系中，他适用于三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系以及立方晶系，但对于三方晶系和六方晶系，他们的晶轴有四根，即a1、a2、a3、c四轴，其中c轴a1、a2、a3皆正交，a1、a2、a3之间的夹角为120°具有高度对称性，若采用先前的[uvw]和（hkl）的方法来表示晶向与晶面，会使得这种标定方法的晶面指数和晶向指数不能显示出三方/六方晶系的对称性，晶体学上等价的晶面与晶向其指数却不相同，因此为了克服这一缺点，通常采用另一专用于三方/六方晶系的指数[uvtw]和（hkil）来表征他们的晶向与晶面。
蓝宝石属于六方晶系，因此晶向指数与晶面指数的标定应分别采用[uvtw]和（hlik）的表示方法。
对于晶向指数，可以先以a1a2c三坐标系确定出[UVW]，在通过公式U=u-t,V=v-t,W=wU=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(u+v),w=W换算出[uvtw]，以保证其唯一性。
蓝宝石衬底详细介绍
(a)图从C轴俯看
(b)图从C轴侧看
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热 热导率 折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
蓝宝石(Al2O3)特性表
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Rplane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加.
下图为半极性和无极性面的简单示意图
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.
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.
11.5(∥c), 9.3(⊥c)
2 蓝宝石晶体的生长方法
蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:
蓝宝石特性
1.2 蓝宝石晶体成分与一般性质蓝宝石晶体是纯净氧化铝最基本的单晶形态。
化学成分是三氧化二铝(A12O3),晶型为α- A12O3，分子量为101.9612，在20℃时的密度为3.98克/毫升。
蓝宝石的化学性能非常稳定，一般不溶于水和酸、碱腐蚀，只有在高温下（300℃以上）可被氢氟酸（HF）、磷酸（H3PO4）和熔化的氢氧化钾（KOH）所腐蚀。
蓝宝石的硬度很高，仅次于金刚石。
它具有很好的透光性、热传导性和电气绝缘性，力学性能也很好。
蓝宝石的熔点为2050℃，沸点为3500℃，最高工作温度约1900℃。
1.3蓝宝石的晶体结构蓝宝石晶体（α- A12O3）是一种简单配位型氧化物晶体，属六方晶系，其晶格常数为：a=b=0.4785nm，c=1.2991nm，α=β=90°,γ= 120°[6] ,蓝宝石C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小（与GaN之间失配率小于4％）蓝宝石晶体不同取向面的图形如下：2图1：蓝宝石晶体结构侧面图[7]图2：蓝宝石晶体切面图[8]图3：A12O3的分子结构图[7]图4：蓝宝石晶体结构上视图[7]3图5：蓝宝石结晶面示意图[8]在蓝宝石的应用上，有三个方向面是较为重要的。
即C面——（0001）面，r面——（1-102）和a面——（10-10），图5表示出了蓝宝石晶体结构的表示法及重要的方向。
下表表示蓝宝石晶体的一些物理性质：表1 氧化铝(Al2O3)特性表分子式Al2O3密度 3.95-4.1 g/cm3晶体结构六方晶格晶格常数 a =4.758Å , c =12.991Å单位晶胞中的分子数 2莫氏硬度9 (仅次于钻石:10)熔点2050 ℃沸点3500 ℃热膨胀系数 5.8×10-6 /K比热0.418 W.s/g/k热导率25.12 W/m/k (@ 100℃)折射率no =1.768 ne =1.760dn/dt 13x10 -6 /K(@633nm)透光特性T≈80% (0.3～5μm)介电常数11.5(∥c), 9.3(⊥c)1.4 蓝宝石晶体的重要性质1.4.1 蓝宝石的热学性质1.4.1.1蓝宝石的热膨胀系数蓝宝石的热膨胀性能具有各向异性的特点，其热膨胀系数随温度的变化如下： 4图6：蓝宝石晶体热膨胀系数与温度之间的关系[9]从图中可以看出，无论平行于C方向还是垂直于C方向，它的热膨胀系数都不太大，相差也较小。
corundum结构
corundum结构
蓝宝石（corundum）是一种宝石，其化学名称为铝氧化物（Al2O3）。
它是铝矿石晶体的一种变种，具有六方晶系的结构。
以下是关于蓝宝石（corundum）结构的一些基本信息：
化学成分：蓝宝石的化学式为Al2O3，即由铝和氧组成。
这使其属于氧化物矿物。
结晶结构：蓝宝石的晶体结构属于六方晶系（又称为六角晶系）。
在这种结构中，晶体分为六个六边形的晶面，它们共享一个中心点。
这种结构在空间中的排列形成了六边形的晶胞。
晶体外观：蓝宝石的六方晶系结构在其晶体外观上表现为六边形的形状，这是其独特的特征。
这种结构也是为什么蓝宝石在未经染色的情况下通常呈淡蓝色的原因。
颜色：蓝宝石的颜色来自于其中的微量元素，通常是铁和铬。
纯净的蓝宝石是无色的，而其中包含微量元素的变异导致了其在宝石市场上不同颜色的种类，包括蓝色、粉红色、黄色等。
蓝宝石是一种重要的宝石，广泛用于珠宝制作。
其硬度较高，仅次于钻石，因此在饰品中具有较高的耐久性。
蓝宝石衬底简介
五.蓝宝石衬底的应用
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。
二.蓝宝石晶体结构
蓝宝石切面图
晶体结构图上视图
三.蓝宝石(Al2O3)特性
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 Al2O3 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å
莫氏硬度
熔点 沸点 热膨胀系数 比热 热导率 折射率
9 (仅次于钻石:10)
2045℃ 3000℃ 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k 25.12W/m/k no =1.768 ne =1.760
一.LED蓝宝石简介
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两 个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格 结构.。具有耐高温、抗腐蚀、高硬度、熔点高（2045℃） 等特点。 目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶 (GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝 石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为 制作白/蓝/绿光LED的关键材料.
<10 μ m
蓝宝石分子晶向解析
1、晶向的本质就是蓝宝石分子结构的问题:上图为分子结构图,主要写了蓝宝石单晶六方晶系。
2、蓝宝石晶向成像原理。
蓝宝石在这种分子结构的情况下,会有不同方向的分子层面,对X射线会有反射作用,从而产生晶向。
详细见下图:分子层形成了C面分子层形成了M面分子层形成了A面分子层形成了R面分子层形成了N面3、晶向值形成的原因:X射线在经过分子层后,会产生折射与反射。
在特定的某个角度入射会让反射的X光呈现平行状态(如下图),接收器接受的X射线强度比较大,该角度称为晶向值。
但由于各个面的分子层间隙不同,所以产生的晶向值也不同。
标准晶向值如下:C面:20°50′A面:18°55′M面:34°06′R面:26°16′N面:21°43′入射角,也叫做晶向值。
分子层间隙,各晶向分子层间隙不同,晶向值也不同。
4、分子晶向图在下图中可以直观的瞧出蓝宝石分子晶向。
5、蓝宝石分子结构,对其物理性能的影响。
a、光学性能:C轴均有晶光性,其她轴具有负光性。
(所以一般衬底行业都用C向晶片。
)b、硬度:A向硬度明显高于C向,具体表现在耐磨,耐刮,硬度高。
(我们磨A向砂轮需要特制的,或者明显降低研磨效率。
A向晶片大多用于作为窗口材料,如手表镜片)c、切割时M面易开裂:C面为平面,最好切。
A面为Z型锯齿状面,比较好切。
M面为阶梯锯齿状,不好切,容易切裂。
切割示意图如下:C向切割,平面,比较好切,不容易切裂A向切割,锯齿面,比较好切,不容易切裂M向切割,阶梯状锯齿面,不好切,很容易切裂6、晶向对其其她性能的影响。
未知,有其她的客户反馈,以OF面为底面2寸晶棒在R9点钟方向的晶棒不容易裂片,也有其她客户反馈,以OF面为底面4寸晶棒在R3点钟方向的晶棒不容易裂片。
个人觉得,因为蓝宝石的结构的对称性,R3与R9并没有太大的区别,只就是分子有些不同,具体应该考虑使用的方面,通过实验确定。
两个N面的夹角线,无晶向。
蓝宝石晶体介绍
蓝宝石介绍蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。
目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.2、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，随着晶种的向上拉升，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.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。
蓝宝石晶体结构
蓝宝石晶体结构
蓝宝石（Sapphire）是一种迷人的宝石，它的化学式为Al2O3（氧化铝）。
蓝宝石属于晶体结构为六方晶系（Hexagonal System）的矿物，其晶胞参数为a=b=4.756 Å（埃），c=12.998 Å，空间群为P63mc。
蓝宝石的晶体结构是由氧化铝（Al2O3）分子组成的三维晶体结构，由一个六角形的氧原子环和铝原子组成。
在晶格中，每个氧原子有6个相邻的铝原子，每个铝原子也有6个相邻的氧原子，形成了非常稳定的结构。
蓝宝石的颜色多样性，这是由于其中的某些阴离子（阳离子）被其他元素替换进去，其颜色由于颜色中心（Color Center）的形成而出现，导致一些电子被激发到一个高能级中，这就导致了替代物质时特殊的强吸收和反射。
总之，蓝宝石的晶体结构非常坚硬和稳定，这使得它在Jewellry和科技领域都有很多用途。
蓝宝石制作工作原理
蓝宝石是由铝和氧组成的宝石，其结晶形态为六方晶系。
蓝宝石制作的工作原理主要涉及以下几个步骤：
原材料选择：首先需要选取适合制作蓝宝石的原材料，常用的是铝矾土。
铝矾土是一种含铝和氧的矿石，经过处理后可以提取出铝氧化物。
净化处理：提取出的铝氧化物需要经过净化处理，以去除杂质。
这些杂质会对蓝宝石的质量和颜色产生影响。
结晶生长：净化后的铝氧化物通过熔炼和混合成蓝宝石的原料溶液。
这个溶液会被放置在特殊的容器中，通过控制温度慢慢冷却。
结晶形成：随着温度的下降，蓝宝石原料溶液中的铝氧化物会逐渐形成结晶。
该过程需要一段时间，可以得到具有六边形结晶形态的蓝宝石。
切割和抛光：经过结晶的蓝宝石需要进行切割和抛光处理，以获得所需的形状和光泽度。
这一步骤通常由专业技术人员进行。
需要注意的是，蓝宝石的制作需要高温高压条件，并且还需要控制好原料的成分和结晶过程的条件，才能获得高质量的蓝宝石。
这是一个复杂的工艺过程，需要专业的设备和技术来完成。
蓝宝石晶体介绍
蓝宝石晶体介绍1、蓝宝石晶体介绍' N- Q* y+ R5 P* C 蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。
目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.4 C% ?) j9 V0 |. W2 B% y5 w2 [0 H1 f' f9 h. z7 s2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:2 c: c7 }" N: x0 H3 ~ 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，随着晶种的向上拉升，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 p/ f1 ?8 x5 J0 {9 T3 @' k2: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(Czochralskime thod)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.. J+ K6 Y% m$ ~0 m0 f4 c5 v, k. h- U2 O: ` c ; h- h6 w# N0 U+ l, N2 h5 J6 E# l' G7 k蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成# h5 `% W5 a! _1 I7 a( H[淘股吧]C7 _7 b( @+ f( C7 W n 广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:, p, O, N* ^2 K# N2 M - O5 I2 h S2 q2 h6 ?: x1:C-Plane蓝宝石基板5 c, H( p6 J0 @3 T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.3 i) D2 I) m6 C) [" e0 m9 N, D) D5 a 2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板3 q0 P8 l! W7 U$ ~2 B1 ~2 s 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。
蓝宝石介绍
目录
➢1 ➢2 ➢3 ➢4
蓝宝石的介绍 蓝宝石晶体主要用途 蓝宝石的制造过程 蓝宝石的市场分析
蓝宝石的介绍
蓝宝石是一种氧化铝（Al2O3）的单晶，又称为刚玉，就颜色而言， 单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，在自然界中当蓝宝石在生长时， 晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时，会使晶体呈现蓝色，蓝宝 石由此得名。蓝宝石由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成, 其晶体结构为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及RPlane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都 具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜 片材料及光罩材料上，它具有耐高温、抗腐蚀、高硬度（莫氏硬度为9， 仅次于钻石）、高耐磨、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一 种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮 度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶 品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶 Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为 制作白/蓝/绿光LED的关键材料。
民用航天、军工用蓝宝石
图1 光电跟踪系统蓝宝石窗口
透波窗口、整 流罩、光电窗 口、护板、陀 螺、耐磨轴承 等部件。
图2 蓝宝石晶体的整流罩应用
军用光学蓝宝石
图3 战斗机光电吊舱
图4 潜基光电设备——潜艇光电桅杆
军用光电设备，如：光电吊舱 、光电跟踪仪、 红外警戒系统 、潜舰光电桅杆等 。
民用蓝宝石领域
炉内保温系统剖面图
蓝宝石晶体介绍
蓝宝石晶体介绍1、蓝宝石晶体介绍' N- Q* y+ R5 P* C 蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。
目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )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 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.4 C% ?) j9 V0 |. W2 B% y5 w2 [0 H1 f' f9 h. z7 s2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:2 c: c7 }" N: x0 H3 ~ 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，随着晶种的向上拉升，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 p/ f1 ?8 x5 J0 {9 T3 @' k2: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(Czochralskime thod)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.. J+ K6 Y% m$ ~0 m0 f4 c5 v, k. h- U2 O: ` c ; h- h6 w# N0 U+ l, N2 h5 J6 E# l' G7 k蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成# h5 `% W5 a! _1 I7 a( H[淘股吧]C7 _7 b( @+ f( C7 W n 广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:, p, O, N* ^2 K# N2 M - O5 I2 h S2 q2 h6 ?: x1:C-Plane蓝宝石基板5 c, H( p6 J0 @3 T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.3 i) D2 I) m6 C) [" e0 m9 N, D) D5 a 2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板3 q0 P8 l! W7 U$ ~2 B1 ~2 s 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。
蓝宝石晶格常数
蓝宝石晶格常数1. 简介蓝宝石是一种宝石，其化学名为铝酸铝（Al2O3）。
它具有高硬度、高透明度和良好的抗化学腐蚀性能，因此被广泛应用于光学、电子和化工等领域。
在研究和生产中，了解蓝宝石的晶格常数对于实现其优异性能至关重要。
晶格常数是描述晶体结构的重要参数之一。
在晶体中，原子或离子按照一定规律排列形成晶格结构。
晶格常数指的是晶体中原子或离子排列的周期性重复性质。
本文将介绍蓝宝石的晶格常数及其相关知识。
2. 蓝宝石的结构蓝宝石具有六方最密堆积结构（hexagonal close-packed, HCP），也称为纤锥结构。
这种结构可以通过堆积等效球模型进行描述。
在HCP结构中，每个原子或离子被周围最近邻6个原子或离子包围。
其中，三个位于同一水平面上，另外三个位于上下两个水平面。
这种排列方式使得蓝宝石具有较高的密度和强度。
3. 晶格常数的定义和计算方法晶格常数是描述晶体结构的参数，通常使用单位胞（unit cell）来进行计算。
单位胞是最小重复单元，可以通过平移变换得到整个晶体结构。
对于六方晶系的蓝宝石，其单位胞可以用一个平行四边形来表示。
由于蓝宝石具有六方最密堆积结构，在单位胞中包含两个原子或离子。
晶格常数a和c分别指的是单位胞中两条边的长度，如下图所示：根据图中所示，可以通过测量实验或理论计算来确定蓝宝石的晶格常数。
4. 蓝宝石的晶格常数实验表明，蓝宝石的晶格常数a约为4.758 Å（埃），c约为12.992 Å。
其中，1 Å等于10^-10米。
这些数值代表了蓝宝石晶体结构中原子或离子之间的距离。
通过测量这些距离，可以了解蓝宝石的晶体结构和性质。
5. 晶格常数的影响因素晶格常数受到多种因素的影响，包括晶体内部原子或离子的尺寸、电荷、化学键等。
在蓝宝石中，铝和氧原子之间通过共价键相互连接，形成稳定的结构。
如果改变了晶体中原子或离子的尺寸或电荷，晶格常数也会相应改变。
这可能导致蓝宝石的物理和化学性质发生变化。
蓝宝石成分
蓝宝石成分蓝宝石是一种独特的宝石，也是最为珍贵的宝石之一。
它的价值广受众多收藏家的追捧，也令它成为今日最贵重的宝石之一。
本文旨在深入了解蓝宝石的成分。
蓝宝石是一种硅酸盐族矿物，其化学式为AlO内嵌有微量的Ti （IV）和Fe（III）元素。
它的内部结构是长方型的结晶系统，由六方晶所形成，外部颜色取决于它内部所含有的元素组成。
如果内部含有大量的Ti（IV），它就会呈现出纯蓝色；如果内部含有大量的Fe （III），它就会呈现出深蓝色；如果内部含有较少的Ti（IV）和Fe （III），它就会呈现出皂白色。
此外，蓝宝石还含有其他成分，例如碳、磷、钙、铁、锰、铜、铅等轻元素。
它们可以通过X射线衍射法分析，从而确定其结构和成分的精确度。
在蓝宝石的X射线衍射分析中，可以检测到许多微细的细节，从而使其可以更好地识别出不同的蓝宝石种类。
蓝宝石的另一个主要成分是水晶体，其中可以形成几种复杂的水晶结构。
它们通常包括有偏磷酸钾、双钙氢磷酸钾、钠钙氢磷酸盐等。
从化学成分来看，它们可以添加到蓝宝石中，使其变得更加闪亮，而其中的钠和镁离子可以吸收光线，使蓝宝石散发出更加闪亮的光芒。
此外，水晶体可以提升蓝宝石的抗压性，使其能够更好地承受生活的磨损。
此外，蓝宝石中也含有一定量的金属离子，如钴，铜，铁，锰等离子，这些离子影响蓝宝石的色泽和质地，使蓝宝石显得更加闪亮耀眼。
此外，还有一些微量元素，如钙，磷，锶等，这些元素可以添加到蓝宝石中，使它更加美丽耀眼，耐磨损性更强。
从上面内容来看，蓝宝石的主要成分是AlO嵌入有微量的Ti（IV）和Fe（III）元素，添加了水晶体，以及一些微量的金属离子和元素，以及一定的结构等。
这些成分的组成决定了蓝宝石色泽闪光的效果，也是蓝宝石这种珍贵的宝石的最大特色。
所以，收藏家一定要把握蓝宝石成分，才能更好地判断其真伪。
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在材料科学中讨论有关晶体生长、变形、相变及性能等问题时，常须设计晶体中原子位置、原子列的方向（称为晶向）和原子构成的平面（称为晶面）。
为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通常采用迷了指数来统一标定晶向指数和晶面指数。
晶向指数：以O点为原点的矢量在坐标轴XYZ上的投影位u、v、w，并用化为最简的[uvw]来表示晶向指数，相同的晶向指数表示所有互相平行、方向一致的晶向。
若所选矢量不过原点，则对其进行平移得到以原点为出发点并与原矢量平行的新矢量，新矢量的晶面指数[uvw]与原矢量相同，如图1所示。
晶面指数：在以O点位原点的XYZ坐标系中，晶面在X,Y,Z坐标轴上的截距的倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为（hkl）相同的晶面指数表示着一组相互平行的晶面。
若坐标轴位于所选晶面上，使得晶面对坐标轴无截距，则可对晶面进行适当平移，如图2所示。
以上晶面指数与晶面指数的标定是基于XYZ坐标系，在七大晶系中，他适用于三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系以及立方晶系，但对于三方晶系和六方晶系，他们的晶轴有四根，即a1、a2、a3、c四轴，其中c轴a1、a2、a3皆正交，a1、a2、a3之间的夹角为120°具有高度对称性，若采用先前的[uvw]和（hkl）的方法来表示晶向与晶面，会使得这种标定方法的晶面指数和晶向指数不能显示出三方/六方晶系的对称性，晶体学上等价的晶面与晶向其指数却不相同，因此为了克服这一缺点，通常采用另一专用于三方/六方晶系的指数[uvtw]和（hkil）来表征他们的晶向与晶面。
蓝宝石属于六方晶系，因此晶向指数与晶面指数的标定应分别采用[uvtw]和（hlik）的表示方法。
对于晶向指数，可以先以a1a2c三坐标系确定出[UVW]，在通过公式
U=u-t,V=v-t,W=w
U=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(u+v),w=W
换算出[uvtw]，以保证其唯一性。
对于晶面指数，同样也可以先以a1a2c三坐标系确定出（hkl）再通过i=-（h+k）换算到（hkil）的晶面指数。
对于我们来说，主要研究的是蓝宝石的晶面。
常见的蓝宝石密排六方晶胞中的晶面如图3所示。
在晶胞中，指数相同的晶面与晶向互相垂直。
因此，对蓝宝石来说，与a向垂直的晶面称为a面，与c向垂直的面称为c面，与m向垂直的面称为m面，与r向垂直的面称为r面。
蓝宝石晶胞各面的切面图如图4所示。
从图4、5可以看出，a、c、m三面是相互正交的三个面，r面为非极性面也是目前研究较多的一类面，。
一个蓝宝石六方晶胞中包含6个a面（两种），2个c面，3个m面和6个r面（两种）。
之前我们讨论过的开a面平边使得r面位
于a面平边的9点钟方向，则是指如图5所示的红色a面，这种a面在晶胞中具有三种。
XRD原理
X射线照射到晶体中阵点上的各个原子时发生散射，部分散射光会发生衍射，而晶体中固定阵点的原子具有周期排列的特性，使衍射波之间存在固定的相位关系，从而发生干涉，周期性固定的原子排列会使干涉出现固定的加强或减弱。
根据布拉格方程2dsinθ=nλ，若两相邻原子面上的原子的散射波在原子面反射方向的光程差是波长的整数倍，则干涉加强。
光程差R=2dsinθ，如图6所示。
XRD晶面衍射角：a面，θ=18°55′ c面，θ=20°50′ m面，θ=34°6′ r面，θ1=26°17′,θ2=12°48′。