蓝宝石衬底简介
LED与蓝宝石衬底
LED与蓝宝石衬底LED（Light-Emitting Diode，缩写LED）是发光二极管的简称。
发光二极管的发光效率是白炽灯的10倍，其寿命可达10以上，具有节能和体积小的特点，产品主要用于液晶电视机、汽车、照明、交通信号、景观及显示牌。
2009年下半年开始，LED市场出现大飞跃，作为高成长性的新兴产业，预计到2015年，LED产业规模将突破5000亿元，其中普通照明行业1600亿元，大尺寸液晶电视背光行业1200亿元，汽车照明行业200亿元、普通照明行业1600亿元，景观、显示等行业1000亿元。
LED产业链条大致可以分为三个部分，分别是上游基片生长、外延片制造，中游的芯片封装和下游的应用产品。
在整个产业链中，最核心的部分在基片生长和外延片制造环节，二者技术含量比较高，占全行业近70%的产值和利润。
LED的核心部分是外延片。
蓝绿光LED是在蓝宝石基片上生长GaN（氮化镓）形成PN结，见图1。
图1 LED外延片结构（2）几种LED衬底：当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。
蓝宝石（Al2O3）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（Al2O3）衬底的生产技术成熟、价格适中，化学稳定性好、不吸收可见光、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。
但蓝宝石导热性差的缺点，在大功率器件中显得突出。
碳化硅衬底除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。
采用SiC材料作为衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。
但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。
蓝宝石衬底片项目可研简介
蓝宝石衬底片项目可研报告2010．5蓝宝石衬底片项目可研简介一、市场分析以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带第三代半导体材料近年来发展十分迅速，氮化镓（GaN）基半导体材料具有发光效率高、良好的导热率、耐高温、抗辐射、高强度和高硬度等特性，可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光二级管（又称激光器）。
但氮化镓（GaN）材料本身不能生长出单晶，必须生长在与其结构相类似的衬底材料上。
目前国际上公认的衬底材料为蓝宝石晶体。
二、项目技术路线：本课题组拥有自主知识产权的蓝宝石晶体生长关键技术及设备制造技术。
可以直接生长C向、A向、M向、R向等晶向的蓝宝石晶体。
运用该技术生长晶体具有周期短，消耗小，生产效率高、生长工艺简便、质量稳定等独特的技术优势，与其它方法生长的晶体质量相比没有差别。
选用的单晶生长炉可使用多种方法生长多种晶体材料，该设备具有与计算机相匹配的界面接口，实现多台生长炉的全面计算机监控及晶体生长过程全自动控制，具有生长过程的稳定，生长的晶体质量合格率高、一致性好等优点。
加工工艺：晶体初加工：公司依据客户的需求，采用高精度定向仪对通过初检的晶棒进行定向，之后将晶棒在精密机械加工设备上加工成符合标准的蓝宝石晶棒。
晶棒切割：公司引进了日本TAKATORI（高鸟）多线切割机，将标准的蓝宝石晶棒切割成片。
切割后基片的厚度大约为0.52mm/片。
晶片精磨、精抛光：切割好的晶片经过初磨加工可达到研磨片的标准，再经过精抛光，生产出的抛光片可以达到表面粗糙度Ra<0.2nm。
晶片清洗、包装：通过检验的抛光片，在洁净级别为100级局部10级的洁净室中完成清洗和包装。
公司生产出的epi-ready晶片经多家用户试用检测，达到国际同类产品水平。
三、项目概况：项目完成后，形成年产晶片100万片的生产能力。
1）、项目主要内容（一）建设蓝宝石晶体和开盒即用蓝宝石基片生产线、自动检测线等。
（二）拟新增用地200亩，建设拉晶及晶体加工车间及必要的辅助设施、新增建筑面积12298平方米。
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
蓝宝石衬底折射率
蓝宝石衬底折射率摘要：一、蓝宝石衬底简介二、蓝宝石衬底折射率的概念与计算三、蓝宝石衬底折射率在实际应用中的重要性四、提高蓝宝石衬底折射率的方法五、总结正文：蓝宝石衬底是一种具有高折射率的材料，广泛应用于光学领域。
蓝宝石衬底以其卓越的物理性能和稳定的化学性质在光学行业中占据重要地位。
本文将详细介绍蓝宝石衬底折射率的概念、计算方法以及在实际应用中的重要性，还将探讨如何提高蓝宝石衬底的折射率。
一、蓝宝石衬底简介蓝宝石衬底是一种由氧化铝（Al2O3）组成的无机非晶材料，具有高硬度、高熔点、高折射率等特点。
蓝宝石衬底在光学领域有着广泛的应用，如制作蓝宝石窗口、光学镜片等。
二、蓝宝石衬底折射率的概念与计算折射率是描述光在某种介质中传播速度与在真空中传播速度之比的一个物理量。
蓝宝石衬底的折射率与其材料性质、制备工艺等因素密切相关。
折射率的计算公式为：n = c / v，其中n为折射率，c为光在真空中的速度，v为光在蓝宝石衬底中的速度。
三、蓝宝石衬底折射率在实际应用中的重要性蓝宝石衬底的折射率对其在光学领域的应用具有重要意义。
高折射率意味着光在蓝宝石衬底中的传播速度较慢，这有助于提高光学器件的成像质量。
此外，折射率的不同还可以用于制作光栅、光开关等光学元件。
在实际应用中，蓝宝石衬底折射率的合理选择与优化有助于提高光学系统的性能。
四、提高蓝宝石衬底折射率的方法提高蓝宝石衬底折射率的方法主要有以下几点：1.优化制备工艺：采用高品质的制备工艺，如化学气相沉积、物理气相沉积等，以获得具有高折射率的蓝宝石衬底。
2.控制晶体生长：通过调整生长条件，如生长速率、生长方向等，实现蓝宝石衬底晶体结构的优化，提高折射率。
3.表面处理：对蓝宝石衬底进行表面处理，如抛光、清洗等，以降低表面粗糙度，减少光散射，提高折射率。
4.掺杂改性：通过向蓝宝石衬底中掺杂不同元素，如钛、氮等，改变其材料性质，提高折射率。
五、总结蓝宝石衬底折射率是衡量蓝宝石衬底性能的重要指标，其在光学领域的应用具有重要意义。
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。
蓝宝石衬底、LED衬底“四剑客”布局如哪般!
蓝宝石衬底、LED衬底“四剑客”布局如哪般！来源微信公众号：蓝宝石材料蓝宝石材料资讯公众号，每天晚上10点左右推送，都是精华内容哦。
目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石（Al2O3）、SiC和Si，Cree公司用SiC为衬底，东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化，其余的大部分以蓝宝石为主。
全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中有80多家是近两年加入的。
2012年的需求量约9600万片（以2″计算），其中蓝宝石图形化衬底（PSS）占70%~80%，目前仍以2″和4″衬底片为主，由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以预测几年后将以6″为主。
由于生产能力过大，供大于求，致使蓝宝石晶片价格大幅度下降，大约为每片7~8美元。
在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长，取出C轴向的晶片，材料利用率过低，2″为35%左右，6″约为20%。
据有资料显示：采用CHES法直接按C轴向生长，材料利用率可达75%，而且减少了张力和应力，从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度，因此，极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。
近几年全球正在研究很多LED的新衬底，取得了很大成果。
中国生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约30家左右，生产能力已达1亿片/年（以2″计算），超过全球的需求量。
而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多，企业的竞争力较差，企业走向转型、整合、兼并是必然的。
另外，还有山东华光采用SiC衬底生长LED，南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED，均取得较好成果。
蓝宝石衬底（1）图形衬底衬底是支撑外延薄膜的基底，由于缺乏同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。
发展至今，蓝宝石已经成为性价比最高的衬底，使用最为广泛。
由于GaN的折射率比蓝宝石高，为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射，目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。
LED图形化蓝宝石衬底
LED图形化蓝宝石衬底项目可行性报告一、立项的背景和意义在大尺寸背光源渗透率快速提升、照明产品需求逐步扩大等新兴应用领域快速发展的带动下，近几年，全球LED市场保持了快速的增长，成为半导体行业中的发展亮点。
LED因其节能、环保、长寿命、耗能低、体积小、应用灵活、控制方便等特点，LED的应用前景非常广阔，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等领域。
在资源日渐衰竭的今日，环保、节能是各产业发展的重心，LED的出现为人类的生活世界带来新革命、新科技。
近年来，随着全球半导体照明产业升温，欧、美、日等纷纷推出半导体照明计划。
白光LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。
白光LED的应用市场非常广泛，也是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。
目前，白色LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。
蓝宝石晶体是目前半导体照明产业发展过程中使用最为广泛的的衬底材料，蓝宝石具有高强度、高熔点、物理化学性能稳定等特性，在军事、航天航空、光学、生物、分析、半导体基片以及在高速信息处理、电子光子装置的微型化、智能化方面得到广泛的应用。
随着半导体照明技术的不断发展，LED越来越多的进入到各种照明领域中。
LED照明市场的迅速发展，成为蓝宝石应用市场扩展的又一重要力量。
LED产业中提高器件的内量子效率和光萃取效率是一个一直困扰产业界的问题，业内技术人员不断尝试各种方法去提高器件的发光效率，其中影响内量子效率和光萃取效率的因素主要是衬底与外延层的晶格失配合热膨胀系数适配，以及不同材料间由于折射率不同造成的光全反射，从而使光无法出射的问题。
蓝宝石衬底和氮化镓材料存在巨大的晶格失配（16%）和热膨胀系数失配（34%），所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度（109——1011cm-2），这会引起载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，降低器件的内量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率（2.4）高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5），使得有源区产生的光子在GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。
蓝宝石衬底折射率
蓝宝石衬底折射率蓝宝石是一种宝石，它的化学式为Al2O3。
蓝宝石的颜色通常为蓝色，但也有其他颜色的变种，如黄色和粉红色。
蓝宝石的独特之处在于它的高硬度和优异的光学性能。
在光学领域中，蓝宝石经常被用作衬底材料，用于制备各种光学器件，如激光、LED和光传感器。
蓝宝石的衬底折射率是光学设计中一个非常重要的参数，下面将介绍蓝宝石的折射率及其相关参考内容。
折射率是光线从一种介质进入另一种介质时发生折射的程度的度量。
折射率是一个无量纲的数值，通常用符号n表示。
蓝宝石的折射率依赖于光的波长。
（如果文中不得出现链接，我就可以给出一个波长-折射率的表格和一个图示来解释该折射率的依赖性。
）在蓝宝石的常见波长范围内，其折射率通常在1.759到1.778之间变化。
例如，对于波长为589.3纳米的黄光，蓝宝石的折射率约为1.768。
然而，对于其他波长的光，蓝宝石的折射率可能会有所不同。
通过使用较长或较短的波长，可以改变蓝宝石的折射率，而这也是光学器件设计中的一种常见方法。
蓝宝石的折射率对于激光和光导纤维等应用非常重要。
通过了解材料的折射率，可以计算出光线在器件中的传播路径和传播速度。
这些信息对于设计和优化光学器件性能非常关键，特别是激光器和光传感器等高精度设备。
为光学技术和科学研究提供基础参考，已经研究并建立了蓝宝石的折射率的各种数据库和文献。
这些参考内容通常包括蓝宝石在各种波长下的折射率值，如IR index和visible index等。
例如，拓扑光子学研究中的一个常见参考文献是Palik在1985年出版的手册《Palik's Handbook of Optical Constants of Solids》。
该手册收集了蓝宝石在可见光和红外光波段的折射率数据。
除了这些参考文献外，还可以通过使用在线数据库和计算工具来获取蓝宝石的折射率数据。
这些数据库和工具通常由研究机构和光学公司提供，旨在为光学工程师和科学家提供便利。
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.
蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明
蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明长晶: 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芯片研磨:去除切片时造成的芯片切割损伤层及改善芯片的平坦度倒角:将芯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:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度清洗:清除芯片表面的污染物(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芯片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求柱状与孔状图形衬底对MOVPE生长GaN体材料及LED器件的影响江洋罗毅汪莱李洪涛席光义赵维韩彦军【摘要】：在柱状图形蓝宝石衬底(PSS-p)和孔状图形蓝宝石衬底(PSS-h)上外延了GaN体材料和LED结构并进行了详细对比和分析.X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)测试结果表明,PSS-h上体材料的晶体质量和表面形貌都优于PSS-p上体材料的特性,通过断面扫面电子显微镜(SEM)照片看出PSS-h上GaN的侧向生长是导致这种差异的原因.另外,基于PSS-p和PSS-h上外延的LED材料制作而成的器件结果表明,其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底(CSS)分别提高了46%和33%.通过变温光荧光谱(PL)分析发现,样品的内量子效率十分接近.因此,可以推断PSS-h上侧向外延中存留的空气隙则会影响光提取效率的提高.【作者单位】：清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室;【关键词】：蓝宝石图形衬底氮化镓发光二极管侧向生长光提取效率内量子效率原子力显微镜体材料蓝宝石衬底晶体质量【基金】：国家自然科学基金(批准号:60536020,60723002)国家重点基础研究发展计划“973”(批准号:2006CB302801,2006CB302804,2006CB302806,2006CB921106)国家高技术研究发展计划“863”(批准号:2006AA03A105)北京市科委重大计划(批准号:D0404003040321)资助的课题~~1·引言利用GaN基大功率LED作为一种新型高效的固体光源,具有能耗小、高功率、寿命长、体积小、环保等显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明工具,被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一[1,2].目前使用最广泛的外延GaN材料的衬底是成本较低的蓝。
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。
蓝宝石衬底详细介绍
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。
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
Al2O3 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å 9 2045℃ 3000℃ 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k (仅次于钻石:10)
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
2024年图形化蓝宝石衬底市场发展现状
2024年图形化蓝宝石衬底市场发展现状引言蓝宝石衬底是一种广泛应用于半导体和光电子等领域的基础材料。
随着科技的快速发展，图形化蓝宝石衬底在各个行业中的应用逐渐增多。
本文将对图形化蓝宝石衬底市场的发展现状进行分析和总结。
市场规模目前，图形化蓝宝石衬底市场呈现稳步增长的态势。
据统计，2019年全球图形化蓝宝石衬底市场规模达到X亿美元，预计到2025年将有望达到Y亿美元，年复合增长率为Z%。
应用领域光电子随着人们对高质量显示器件需求的不断增加，图形化蓝宝石衬底在光电子领域的应用日益广泛。
其在平板显示器和LED照明等领域中发挥着重要作用。
预计未来几年，光电子领域对图形化蓝宝石衬底的需求将持续增长。
半导体图形化蓝宝石衬底在半导体领域有着广泛的应用。
它可用于制备高性能集成电路、功率器件和光电传感器等。
随着半导体市场的不断扩大，图形化蓝宝石衬底的需求也在不断增加。
其他领域除了光电子和半导体领域，图形化蓝宝石衬底还在其他领域中有一定的应用。
例如，它被广泛应用于光学镜片、机械零件和人工关节等领域。
市场竞争格局目前，全球图形化蓝宝石衬底市场竞争激烈，市场上存在着多家知名制造商。
一方面，传统的大型制造商在技术研发和生产能力方面具有一定优势；另一方面，新兴制造商通过技术创新和成本控制等方式不断挑战传统制造商的地位。
技术发展趋势更高质量的衬底随着市场对高质量蓝宝石衬底需求的增加，制造商在技术研发方面不断努力，致力于生产更高质量的图形化蓝宝石衬底。
例如，提高衬底的晶体结构和表面平整度，以满足需求日益增长的高端应用。
制造成本的降低制造成本是影响图形化蓝宝石衬底市场发展的重要因素。
随着制造技术的不断进步和规模效应的发挥，预计未来几年图形化蓝宝石衬底的制造成本将进一步降低，从而促进市场的快速增长。
可持续发展在当前全球对环境保护的关注日益增加的背景下，可持续发展成为图形化蓝宝石衬底市场的一个重要主题。
制造商将更加注重环境友好型材料的研发和应用，以减少对环境的影响。
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。
2024年LED蓝宝石衬底市场前景分析
2024年LED蓝宝石衬底市场前景分析1.引言蓝宝石衬底作为一种新型的材料，在LED (Light Emitting Diode) 工业中具有广阔的应用前景。
本文将对LED蓝宝石衬底市场前景进行分析，以便为相关行业提供参考。
2.市场规模与趋势随着LED技术的不断发展，蓝宝石衬底在LED市场中的需求也随之增加。
目前，全球LED市场规模不断扩大，预计在未来几年仍将保持稳定的增长趋势。
蓝宝石衬底作为一种理想的材料，被广泛应用于LED芯片的制造过程中，因而在市场中占据重要位置。
3.优势与应用LED蓝宝石衬底具有多重优势。
首先，它具有良好的激光结构应力匹配性能，使得LED芯片具有稳定的性能和长寿命。
其次，蓝宝石衬底具有优异的导热性能，能够为LED芯片提供良好的散热条件，从而提高LED的工作效率。
此外，蓝宝石衬底还具有优异的光学特性，使得LED芯片具有良好的发光效果和颜色稳定性。
LED蓝宝石衬底的应用领域广泛。
在照明行业中，LED蓝宝石衬底可用于制造高效节能的LED灯具，以替代传统的照明设备。
在电子显示行业中，蓝宝石衬底可用于制造高清晰度的LED显示屏，应用于电视、手机和平板等产品中。
此外，在激光技术领域，蓝宝石衬底还可用于制造高功率激光器和激光传感器等设备。
4.市场竞争态势目前，全球LED蓝宝石衬底市场竞争激烈，主要由少数几家大型企业主导。
这些企业拥有先进的生产工艺和技术实力，能够生产高质量的LED蓝宝石衬底产品。
此外，它们还具备较强的市场销售能力和品牌影响力，使得其在市场中占据较大份额。
5.市场机遇与挑战LED蓝宝石衬底市场面临着一些机遇和挑战。
随着技术的进步和成本的降低，LED蓝宝石衬底的价格逐渐下降，使得更多的企业可以采用该材料来制造LED产品。
此外，政府对于节能减排的政策支持也为LED蓝宝石衬底市场提供了机遇。
然而，市场上存在一些潜在的挑战。
首先，蓝宝石衬底的生产成本仍然较高，限制了其在某些领域的应用。
中国蓝宝石衬底市场现状及企业格局
中国蓝宝石衬底市场现状及企业格局蓝宝石的莫氏硬度为9，仅次于钻石的硬度，同时蓝宝石的物理、化学、光学等性能优异，具有抗震性高、透光性高、耐磨性优良、介电特性极好、热导率高以及耐腐蚀性高等特点，市场空间非常广阔。
但由于天然蓝宝石产量较少，且质量和尺寸无法满足大量的工业需求和军用需求，人工合成蓝宝石市场被迅速催生。
目前人工蓝宝石合成技术成熟，应用领域主要集中在LED衬底、光学晶片、通信及消费电子等领域。
蓝宝石衬底片是指蓝宝石晶锭经过掏棒、晶棒加工、切片、研磨、退火、抛光、清洗等工艺流程后形成的中间产品，图形化蓝宝石衬底生产的原材料。
而PSS衬底则是在蓝宝石抛光衬底片之上进行表面图形化处理后的衬底片，可提高出光效率。
中国蓝宝石行业产业链的下游应用领域主要包括LED、光学、光通信、军工以及其他领域。
其中LED衬底材料是蓝宝石行业最大的下游应用领域，在下游消费中的占比达到高达80%。
LED行业的发展对蓝宝石行业的发展具有至关重要的作用，LED 应用领域在蓝宝石行业产业链中的议价能力最强。
蓝宝石材料在LED衬底的应用在所有的下游消费中的占比为80%，因此LED行业的景气度对蓝宝石行业的走势会产生直接影响。
受LED相关产业政策的推动，蓝宝石材料的需求量稳步提升，市场规模持续保持增长态势。
LED衬底材料主要包括蓝宝石、碳化硅、硅以及氮化镓，其中，LED芯片、外延片所用衬底大多为蓝宝石衬底和碳化硅衬底，而蓝宝石的市场占有率约为90%以上。
根据《2020-2026年中国蓝宝石衬底行业市场深度监测及发展趋势研究报告》数据显示：由于下游LED的产业驱动以及政策加持的影响，LED行业需求对蓝宝石行业具有较强的导向作用，蓝宝石企业的研究投入多集中于LED领域中蓝宝石衬底的应用。
经过多年发展，蓝宝石衬底在LED中的应用已经逐步走向成熟。
2019年中国蓝宝石衬底市场规模已经达到33.63亿元。
近些年蓝宝石衬底行业需求快速增长的吸引，蓝宝石衬底行业内现有企业纷纷迅速扩充产能，行业外或产业上下游的部分企业受到行业前景的吸引及产业政策的推动，通过引进技术、设备等方式加速进入蓝宝石衬底生产加工领域。
蓝宝石衬底折射率
蓝宝石衬底折射率
摘要：
1.蓝宝石衬底的概述
2.蓝宝石衬底的折射率
3.蓝宝石衬底折射率的应用
4.蓝宝石衬底折射率的测量方法
5.总结
正文：
【1.蓝宝石衬底的概述】
蓝宝石衬底是一种用于制作LED（发光二极管）的基板材料，具有高导热性、高硬度和良好的抗磨损性能。
由于其优异的物理和化学性质，蓝宝石衬底被广泛应用于LED 照明、显示及其他光电子器件领域。
【2.蓝宝石衬底的折射率】
蓝宝石衬底的折射率是指蓝宝石材料对光的传播速度与真空中光速的比值。
蓝宝石的折射率通常在1.76 至1.80 之间，这意味着光在蓝宝石中的传播速度较慢，会在蓝宝石表面产生全反射现象。
全反射使得光线在蓝宝石表面不会发生损失，有利于光能的输出。
【3.蓝宝石衬底折射率的应用】
蓝宝石衬底折射率的应用主要体现在LED 的制备过程中。
由于蓝宝石具有良好的折射性能，可以提高LED 的光输出效率。
在LED 制作过程中，通过在蓝宝石衬底上生长半导体材料，形成PN 结，当电流通过时，产生光子，
实现光的发射。
【4.蓝宝石衬底折射率的测量方法】
蓝宝石衬底折射率的测量方法有多种，常见的有光纤法、光栅法和干涉法等。
这些方法的基本原理都是通过测量光在蓝宝石中的传播速度来计算折射率。
不同的测量方法对应的测量精度和适用范围有所不同，需要根据实际需求选择合适的测量方法。
【5.总结】
蓝宝石衬底折射率对于LED 的制备和性能优化具有重要意义。
通过选择合适的蓝宝石衬底材料和合理的制备工艺，可以提高LED 的光输出效率，从而实现更高效、节能的光源应用。
蓝宝石等LED衬底材料的选择比较
蓝宝石（Al2O3）,硅(Si),碳化硅（SiC）作为LED衬底材料的选用比较衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。
不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。
衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：•[1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；•[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；•[3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；•[4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；•[5]导电性好，能制成上下结构；•[6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；•[7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；•[8]价格低廉；•[9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。
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）。
一、几种衬底材料的介绍（一）蓝宝石通常，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。
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。
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。
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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
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°±0.150.8± 0.1mm16.0± 1.0mm
0°±0. 20°
<0.2nm
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
四.蓝宝石晶棒制造工艺流程
机械加工
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
六：常用衬底参数的认识
OF Thicknes s diamet er orienta tion Roughness front Ra(nm) back Ra(nm) BOW TTV LTV TIR warp orientatiion length
蓝 晶
430±10 μ m
-6μ m～ 0μ m 10μ m～ 0μ m -6μ m～ 6μ m
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。
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！