LED用蓝宝石基板(衬底)详细介绍
三种LED衬底比较
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。
应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。
目前市面上一般有三种材料可作为衬底：·蓝宝石（Al2O3）·硅 (Si)碳化硅（SiC）[/url]蓝宝石衬底通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。
蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。
在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。
添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。
因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
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
Al2O3
4 蓝宝石基板应用种类 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
Package
规格 Specifications
高纯度（> 99。996%） 单晶Al2O3， C轴（0001）±0.3° 50.8±0.2mm 330μm/430μm±25μm ＜10μm ＜10μm A面（11-20）±0.5 °
16±1.2mm
epi-ready polished （外延开盒即用） Ra＜0.3nm
两种方法的晶体生长示意图如下:
第5页，共21页。
柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图
图6
第6页，共21页。
凯氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意图
图7
第7页，共21页。
3 蓝宝石衬底加工流程
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:
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.
第12页，共21页。
2:图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
(a)图从C轴俯看
(b)图从C轴侧看
第3页，共21页。
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
LED芯片常用衬底材料
LED芯片常用衬底材料对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。
应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。
目前市面上一般有三种材料可作为衬底：1.蓝宝石（Al2O3）2.硅(Si)3.碳化硅（SiC）蓝宝石衬底通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。
蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
图1蓝宝石作为衬底的LED芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。
在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。
添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。
因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
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LED衬底工艺流程
热导
衬底作为芯片散热的主要 通道，将芯片产生的热量 传导至外部。
光学特性
衬底对芯片的光学性能有 影响，如光的吸收、反射 和折射等。
LED衬底材料的种类
蓝宝石
常用作LED衬底材料，具有较高的硬度、化学稳定 性和高热导率。
硅
具有高热导率、低成本和成熟的半导体制造工艺。
碳化硅
具有高热导率、高硬度、高化学稳定性和高抗腐 蚀性。
蓝宝石LED衬底工艺流程
• 引言 • LED衬底概述 • 蓝宝石LED衬底制备工艺流程 • 工艺流程中的关键技术 • 工艺流程中的问题与解决方案 • 结论
01
引言
主题简介
01
蓝宝石LED衬底是LED产业中的重 要组成部分，其工艺流程涉及多 个环节和关键技术。
02
蓝宝石LED衬底具有优异的光学 、热学和机械性能，广泛应用于 照明、显示、背光等领域。
晶体切割
将晶体切割成适当的大小 和形状，以满足后续加工 需求。
切割与研磨的关键技术
切片
抛光
使用刀片或激光将衬底切成适当的大 小。
通过抛光剂和抛光盘对衬底表面进行 抛光，以提高表面光洁度和平整度。
研磨
通过研磨剂和研磨盘对衬底表面进行 研磨，以去除切割痕迹和表面缺陷。
抛光处理的关键技术
选择性抛光
根据衬底表面的不同区域选择不 同的抛光参数，以实现局部抛光。
研究更精确的光刻技术
随着LED芯片尺寸的不断减小，需要更精确的光刻技术来制作更精细 的图案。
发展新型蓝宝石衬底材料
为了满足LED行业的发展需求，需要研究和发展新型蓝宝石衬底材料， 提高其性能和稳定性。
深入研究退火处理技术
退火处理对蓝宝石衬底的性能有很大影响，需要进一步深入研究退火 处理技术，优化退火工艺参数，提高蓝宝石衬底的性能。
LED用蓝宝石基板衬底详细介绍
未来展望
技术创新
随着科技的不断进步，蓝宝石基板衬底技术将不断突破， 提高晶体质量、降低成本、优化散热性能等方面将取得更 多进展。
市场需求增长
随着LED照明、显示等领域的快速发展，蓝宝石基板衬底 的市场需求将持续增长，为产业发展带来更多机遇。
产业链协同发展
蓝宝石基板衬底产业的发展需要与LED芯片、封装等环节 紧密合作，形成协同发展的产业链，共同推动LED产业的 进步。
LED用蓝宝石基板衬底详 细介绍
• LED与蓝宝石基板衬底概述 • LED用蓝宝石基板衬底的应用 • LED用蓝宝石基板衬底的特性 • LED用蓝宝石基板衬底的生产工艺 • LED用蓝宝石基板衬底的挑战与展望
01
LED与蓝宝石基板衬底概述
LED简介
01
02
03
LED简介
LED（Light Emitting Diode）是一种固态电子 器件，通过电流激发半导 体材料产生可见光。
抗氧化性
蓝宝石不易氧化，能够延 长LED的使用寿命。
环境适应性
蓝宝石可以在各种环境下 稳定工作，适应性强。
光学特性
高透光性
蓝宝石具有高透光性，能够让更 多的光线通过，从而提高LED的
亮度和发光效率。
抗光反射
蓝宝石具有很好的抗光反射性能， 可以减少光线的散射和反射，提
高LED的出光效果。
色彩稳定性
蓝宝石的折射率和色散性能稳定， 能够保证LED的色彩稳定性。
市场挑战
成本压力
蓝宝石基板作为高端LED芯片的衬底材料，成本较高，需要不断 降低生产成本以适应市场需求。
竞争激烈
随着LED市场的竞争加剧，蓝宝石基板衬底面临着来自其他材料的 竞争压力，如硅基、碳化硅基等。
蓝宝石衬底详细介绍
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
3:R-Plane或M-Plane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，(Quantum 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.
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。
1:C-Plane蓝宝石基板
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.
蓝宝石衬底用途
蓝宝石衬底用途蓝宝石衬底是一种广泛应用于科技领域的材料，具有多种用途和优势。
本文将介绍蓝宝石衬底的特性、应用领域以及未来发展趋势。
蓝宝石衬底具有优异的物理和化学性质。
它的硬度非常高，仅次于金刚石，因此具有出色的耐磨性和耐腐蚀性。
此外，蓝宝石衬底具有良好的热导性和电绝缘性能，使其成为制造高性能电子器件的理想选择。
蓝宝石衬底在光电子领域有着广泛的应用。
由于其晶体结构的特殊性质，蓝宝石衬底能够提供优异的光学性能。
它具有高透明度和低自发光特性，使其成为制造激光器、LED和光电探测器等器件的理想基底材料。
此外，蓝宝石衬底还可以用于制造光学窗口、光学镜片和光学纤维等光学元件。
除了光电子领域，蓝宝石衬底还在半导体领域发挥着重要作用。
由于其晶格结构的稳定性和高纯度的特性，蓝宝石衬底被广泛应用于制造集成电路和功率器件。
它可以作为衬底材料，提供良好的晶体生长平台，用于制备高质量的半导体薄膜。
此外，蓝宝石衬底还可以用于制造高频电子器件和微波器件，具有优异的高温稳定性和低损耗特性。
蓝宝石衬底还在生物医学领域展现出巨大潜力。
由于其生物相容性和抗腐蚀性能，蓝宝石衬底可以用于制造生物传感器、人工关节和植入式医疗器械等。
它的高透明度和低自发光特性也使其成为显微镜镜片和光学探针的理想选择。
未来，随着科技的不断进步，蓝宝石衬底的应用领域将进一步扩展。
例如，蓝宝石衬底可以用于制造高效能太阳能电池，提高太阳能转换效率。
此外，蓝宝石衬底还可以用于制造高功率电子器件，满足日益增长的能源需求。
同时，蓝宝石衬底在量子技术和纳米技术领域也有着广阔的应用前景。
蓝宝石衬底作为一种优异的材料，在光电子、半导体和生物医学领域具有广泛的应用。
随着科技的不断发展，蓝宝石衬底的应用前景将更加广阔。
相信在不久的将来，蓝宝石衬底将继续发挥重要作用，推动科技进步和社会发展。
关于LED蓝宝石衬底的调研报告
关于LED蓝宝石衬底的调研报告1:蓝宝石详细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.下图则分别为蓝宝石的切面图;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: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.3 蓝宝石衬底加工流程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:蓝宝石晶体晶棒晶棒基片4 蓝宝石基板应用种类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。
蓝宝石衬底介绍
蓝宝石衬底介绍led用衬底材料一般有蓝宝石衬底，碳化硅衬底及硅衬底三种，其中蓝宝石衬底应用最广泛，因为其加工方法以及加工成本等与其他两种相比较都有不小的优势。
虽说在晶格匹配上面是氮化镓衬底砷化镓衬底最为匹配，但其生产加工方法要比碳化硅及硅等都更难上加难。
目前，GaN基LED的衬底材料很多，但可用于商业化的衬底只有蓝宝石和碳化硅两种。
Gan、Si和ZnO等其他衬底仍处于研发阶段，离工业化还有一定距离。
一、红黄光led红色LED主要有gap（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGaInP（四元系）。
Gap和GaAs主要用作衬底，蓝宝石Al 2O 3和硅衬底尚未工业化。
1、gaas衬底：在使用lpe生长红光led时，一般使用algaas外延层，而使用mocvd生长红黄光led时，一般生长alingap外延结构。
外延层生长在gaas衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。
2.Gap衬底：当使用LPE生长红色和黄色LED时，通常使用Gap外延层，波长范围为565-700nm；当使用VPE生长红色和黄色LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm之间；当使用MOCVD时，通常会生长AlInGaP外延结构。
这种结构解决了GaAs衬底光吸收的缺点，直接在透明衬底上生长LED结构，但缺点是晶格失配。
生长InGaP和AlGaInP结构需要缓冲层。
此外，基于gap的iii-n-v材料体系也引起了广泛的兴趣。
这种材料结构不仅可以改变带宽，而且当只添加0.5%的氮时，也可以改变带隙从间接到直接，并且在红色区域（650 nm）有很强的发光效应。
使用这种结构制造led，可以从Gan P晶格匹配异质结构一步外延形成led结构，并且可以省略GaAs衬底去除和晶圆键合透明衬底的复杂过程。
二、蓝绿光led用于氮化镓研究的衬底材料很多，但只有两种可用于生产的衬底，即蓝宝石al2o3和碳化硅SiC。
《led蓝宝石基板》课件
基础知识
LED蓝宝石基板
蓝宝石基板是一种由蓝宝石材料制成的基板，用于制造LED器件，具有优异的电学和光学特 性。
组成和工作原理
蓝宝石基板由单晶蓝宝石材料组成，通过特定的制造工艺形成晶体结构，实现LED器件的正 常工作。
制造工艺
1
主要工艺流程
蓝宝石基板的制造包括锯片切割、研磨和抛光等工艺步骤，确保基板表面的平整 度和光洁度。
应用
LED蓝宝石基板广泛应用于照明行业、显示屏、激光器、电子器件等领域，推动光电技术的 发展。
结论
1 重要性和应用
蓝宝石基板在LED行业中起着关键的作用，为LED器件的性能和可靠性提供支持。
2 未来发展方向
未来，LED蓝宝石基板将继续改进工艺和优化性能，推动LED技术在各个领域的应用更加 广泛。
2
生长方法和晶体生长工艺
蓝宝石基板生长方法包括Czochralski生长法和气相生长法，通过控制生长条件 实现蓝宝程中，需要注意晶体生长速度、温度控制以及晶体缺陷的处 理，确保基板质量。
特性及应用
优点和特性
LED蓝宝石基板具有优异的热导性、光学性能和电学特性，适用于高功率和高亮度的LED器 件。
《LED蓝宝石基板》PPT 课件
本课件将介绍LED蓝宝石基板的制造工艺、特性及应用。通过本课件，你将 深入了解蓝宝石基板在LED行业的重要性和潜力。
简介
概述
蓝宝石基板是一种用于制造LED器件的重要材料，具有高热导性和优异的光学性能。
应用领域
LED蓝宝石基板广泛应用于照明、显示、激光器等领域，为光电行业提供关键的技术支持。
2024年LED蓝宝石衬底市场发展现状
2024年LED蓝宝石衬底市场发展现状引言LED蓝宝石衬底作为一种新兴的材料，在LED领域具有广泛的应用前景。
本文将对LED蓝宝石衬底市场的发展现状进行探讨。
首先，我们将介绍LED蓝宝石衬底的基本概念和特点，然后通过对市场规模、主要厂商、应用领域和发展趋势的分析，全面了解LED蓝宝石衬底市场的现状。
1. LED蓝宝石衬底的基本概念和特点1.1 基本概念LED蓝宝石衬底是一种以蓝宝石为基础材料制造的衬底，广泛应用于半导体领域。
它的独特结构和性能使其成为LED芯片制造的理想材料。
1.2 特点LED蓝宝石衬底具有以下几个显著的特点：•高热导率：LED蓝宝石衬底具有较高的热导率，能有效散热，提高LED 芯片的效率和寿命。
•光学透明性：蓝宝石晶体具有优异的光学透明性，能够让光线透过，提高LED芯片的发光效果。
•优异的机械稳定性：LED蓝宝石衬底具有优异的机械稳定性，能够保证LED芯片在运行过程中的可靠性和稳定性。
2. LED蓝宝石衬底市场规模2.1 市场概况目前，全球LED蓝宝石衬底市场规模不断扩大。
LED蓝宝石衬底在LED芯片制造中的重要性逐渐受到认可，并得到了广泛应用。
2.2 市场主要厂商在全球LED蓝宝石衬底市场中，主要厂商包括： - Rubicon Technology - Monocrystal - Crystal Applied Technology - Silian Tech - Crystaland - Crystalwise Technology - Kyocera - Namiki这些厂商通过技术研发、生产扩张和市场推广等方式，积极推动着市场的发展。
3. LED蓝宝石衬底的应用领域目前，LED蓝宝石衬底广泛应用于以下几个领域：3.1 LED照明随着LED照明市场的快速崛起，LED蓝宝石衬底作为一种关键材料得到了广泛应用。
LED蓝宝石衬底能够提供高亮度的光线，并具有优异的散热性能，提高了LED 照明产品的效率和寿命。
led蓝宝石基板
技术发展方向
高效化
通过改进LED芯片结构和封装工 艺，提高LED的发光效率和寿命，
降低能耗和成本。
小型化
随着消费电子产品对轻薄短小的 需求增加，LED蓝宝石基板需要 进一步减小尺寸和重量，提高集
成度。
智能化
结合物联网、人工智能等技术， 实现LED蓝宝石基板的智能化控 制和自适应调节，提高产品的智
能化水平。
通过改进生产工艺和设备，提高蓝宝石基板的产量和良品率，可以降低单位产品的成本。此外，企业还可以采用 智能制造技术，实现自动化、信息化生产，进一步提高生产效率。
技术创新
总结词
技术创新是推动LED蓝宝石基板产业发展的关键动力。
详细描述
随着科技的不断发展，LED蓝宝石基板产业也在不断创新。企业需要加大技术研发投入，积极探索新 的材料和工艺，以提高产品的性能和降低成本。同时，还需要加强与科研机构和高校的合作，共同推 动技术创新和产业发展。
总结词
LED蓝宝石基板具有优异的光学性能，能够满足各种光学应 用的需求。
详细描述
蓝宝石基板透明度高，能够透过短波长的光线，是制造LED 灯具和显示器的理想材料。同时，蓝宝石基板的折射率较高 ，能够有效地引导光线，提高LED的出光效率和亮度。此外 ，蓝宝石基板的表面光洁度高，能够减少光线的散射和反射 损失，提高LED的光效和亮度均匀性。
制造工艺
原材料
表面处理
采用高质量的蓝宝石晶体作为原材料。
在蓝宝石基板上进行金属化处理，以 实现LED芯片与基板的良好接触。
加工工艺
通过切割、研磨、抛光等工艺，将蓝 宝石晶体加工成所需的形状和尺寸。
应用领域
01
02
03
照明
LED蓝宝石基板广泛应用 于照明领域，如LED灯具、 背光显示等。
LED用蓝宝石衬底介绍
蓝宝石<Al2O3>特性表
Al2O3
3.95-4.1克/立方厘米
六方晶格
a=4.785Å , c=12.991Å
9
(仅次于钻石:10)
2045℃
3000℃
5.8×10 -6 /K
0.418W.s/g/k
25.12W/m/k (@ 100℃)
no =1.768 ne =1.760
13x10 -6 /K(@633nm)
5 蓝宝石基板的主要技术参数
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.
目前大部分的蓝光/绿光/白光LED产品都是以日本##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.
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##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.
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蓝宝石切面图图
晶体结构图上视图பைடு நூலகம்
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 蓝宝石(Al2O3)特性表 (Al2O3)
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
4 蓝宝石基板应用种类 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。
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
3:R-Plane或 Plane蓝宝石基板 3:R-Plane或M-Plane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，(Quantum 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:图案化蓝宝石基板 2:图案化蓝宝石基板 Substrate简称 简称PSS) (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.
A:台湾兆晶科技股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数 A:台湾兆晶科技股份有限公司C 台湾兆晶科技股份有限公司
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 翘曲度 BOW
定位面方向 Primary Flat Location 定位边长 Primary Flat Length 正面 Front Surface 表面粗糙度 Surface Roughness 背面 包装 Backside Package
B:台湾中美矽晶制品制品股份有限公司C B:台湾中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数 台湾中美矽晶制品制品股份有限公司
柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图
图6
凯氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意图
图7
3 蓝宝石衬底加工流程
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: 蓝宝石晶体 晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
蓝宝石晶棒加工流程
机械加工
晶体
晶棒
长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体 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 掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒 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 品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 对M轴偏离角度 Off-set Angle toward M-axis 对A轴偏离角度 Off-set Angle toward A-axis 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 表面总平整度TIR 弯曲度 翘曲度 WARP BOW
高纯度（> 99。996%） 单晶Al2O3， C轴（0001）±0.3° 50.8±0.2mm 330μm/430μm±25μm ＜10μm ＜10μm A面（11-20）±0.5 ° 16±1.2mm epi-ready polished （外延开盒即用） Ra＜0.3nm Ra=0.5~1.2μm 洁净室内真空冲氮包装
1:C-Plane蓝宝石基板 1:C-Plane蓝宝石基板
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.
Al2O3 3.95-4.1克 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å 9 2045℃ 2045℃ 3000℃ 3000℃ 5.8× 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k 100℃) 25.12W/m/k (@ 100℃) no =1.768 ne =1.760 13x10 -6 /K(@633nm) (0.3～ T≈80% (0.3～5μm) 11.5(∥c), 11.5(∥c), 9.3(⊥c) (仅次于钻石:10) (仅次于钻石:10) 仅次于钻石
LED蓝宝石基板介绍 1:蓝宝石详细介绍 1:蓝宝石详细介绍
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APlane,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. 下图则分别为蓝宝石的切面图;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
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: 1:柴氏拉晶法 柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔 柴氏拉晶法 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 凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理 凯氏长晶法 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. 两种方法的晶体生长示意图如下: