LED用藍寶石基板(襯底)簡介

2017-08-11 20:17:00
暢想照明
原創
637

一、藍寶石介紹

藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3),是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成,其晶體結構為六方晶格結構。它常被應用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍寶石的光學穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上,它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高(2045℃)等特點,它是一種相當難加工的材料,因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質,而氮化鎵磊晶品質則與所使用的藍寶石基板表面加工品質息息相關,藍寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小,同時符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求,使得藍寶石芯片成為制作白/藍/綠光LED的關鍵材料。

下圖則分別為藍寶石的切面圖;晶體結構圖上視圖;晶體結構側視圖;Al2O3分之結構圖;藍寶石結晶面示意圖:


最常用來做GaN磊晶的是C面(0001)這個不具極性的面,所以GaN的極性將由制程決定


 

                           (a)圖從C軸俯看                          (b)圖從C軸側看


二、藍寶石晶體的生長方法
 
 藍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構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升,并伴隨以一定的轉速旋轉,隨著晶種的向上拉升,熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上,進而形成一軸對稱的單晶晶錠。
 
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構的單晶,晶種以極緩慢的速度往上拉升,但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸,待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定后,晶種便不再拉升,也沒有作旋轉,僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固,最后凝固成一整個單晶晶碇。
  
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

三、藍寶石襯底加工流程:
 
藍寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍寶石晶體加工而成。其相關制造流程如下:
 
1、長晶: 利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體。
 
2、定向:確保藍寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置,便于掏棒加工。
 
3、掏棒: 以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒。
 
4、滾磨:用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度。
 
5、品檢:確保晶棒品質以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規格。
 
6、定向:在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工。
 
7、切片::將藍寶石晶棒切成薄薄的芯片。
 
8、研磨::去除切片時造成的芯片切割損傷層及改善芯片的平坦度。
 
9、倒角:將芯片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度,避免應力集中造成缺陷。
 
10、拋光:改善芯片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度。
 
11、清洗:清除芯片表面的污染物(如:微塵顆粒、金屬、有機玷污物等)。
 
12、品檢::以高精密檢測儀器檢驗芯片品質(平坦度,表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求。

四、藍寶石基板應用種類
 
廣大外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種:
 
1、C-Plane藍寶石基板
 
這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩定,在C面進行磊晶的技術成熟穩定。
  
C-Plane藍寶石基板是普遍使用的藍寶石基板。1993年日本的赤崎勇教授與當時在日亞化學的中村修二博士等人,突破了InGaN 與藍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 年底日亞化學得以首先開發出藍光LED。以后的幾年里日亞化學以藍寶石為基板,使用InGaN材料,通過MOCVD 技術并不斷加以改進藍寶石基板與磊晶技術,提高藍光的發光效率,同時1997年開發出紫外LED,1999年藍紫色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在LED領域的先頭地位。

臺灣緊緊跟隨日本的LED技術,臺灣LED的發展先是從日本購買外延片加工,進而買來MOCVD機臺和藍寶石基板來進行磊晶,之后臺灣本土廠商又對藍寶石晶體的生長和加工技術進行研究生產,通過自主研發,取得LED專利授權等方式從而實現藍寶石晶體、基板、外延片的生產、外延片的加工等等自主的生產技術能力,一步一步奠定了臺灣在LED上游業務中的重要地位。目前大部分的藍光/綠光/白光LED產品都是以日本臺灣為代表的使用藍寶石基板進行MOCVD磊晶生產的產品.使得藍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產品則跟隨其后。
 
2、R-Plane或M-Plane藍寶石基板
 
主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的,而c軸是GaN的極性軸,導致GaN基器件有源層量子阱中出現很強的內建電場,發光效率會因此降低,發展非極性面GaN外延,克服這一物理現象,使發光效率提高。

以蝕刻(在藍寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍寶石基板上設計制作出微米級或納米級的具有微結構特定規則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時GaN薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產生橫向磊晶的效果,減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷,改善磊晶質量,并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。與成長于一般藍寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前臺灣生產圖案化藍寶石有中美矽晶、合晶、兆晶,兆達.藍寶石基板中2/4英吋是成熟產品,價格逐漸穩定,而大尺寸(如6/8英吋)的普通藍寶石基板與2英吋圖案化藍寶石基板處于成長期,價格也較高,其生產商也是主推大尺寸與圖案化藍寶石基板,同時也積極
增加產能.目前大陸還沒有廠家能生產出圖案化藍寶石基板。
                                                                                                 
奈米級圖案化藍寶石基板(來源:和椿科技)

3、圖案化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)
 
以成長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍寶石基板上設計制作出納米級特定規則的微結構圖案藉以控制LED之輸出光形式,并可同時減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷,改善磊晶質量,并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。

通常,C面藍寶石襯底上生長的GaN薄膜是沿著其極性軸即c軸方向生長的,薄膜具有自發極化和壓電極化效應,導致薄膜內部(有源層量子阱)產生強大的內建電場,(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應)大大地降低了GaN薄膜的發光效率. 在一些非C面藍寶石襯底(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,上述由極化場引起的在發光器件中產生的負面效應將得到部分甚至完全的改善.傳統三五族氮化物半導體均成長在c-plane 藍寶石基板上,若把這類化合物成長于R-plane 或M-Plane上,可使產生的內建電場平行于磊晶層,以增加電子電洞對復合的機率。因此,以氮化物磊晶薄膜為主的LED結構成長R-plane 或M-Plane藍寶石基板上,相比于傳統的C面藍寶石磊晶,將可有效解決LED內部量子效率效率低落之問題,并增加元件的發光強度。最新消息據稱非極性LED能使白光的發光效率提高兩倍.

由于無極性GaN具有比傳統c軸GaNN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此類磊晶技術的研究與生產.因此對于R-plane 或M-Plane 藍寶石基板的需求與要求也是相應地增加。

下圖為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

五、藍寶石基板的主要技術參數
 
外延片廠家因為技術及工藝的不同,對藍寶石基板的要求也不同,比如厚度、晶向等。

下面列出幾個廠家生產的藍寶石基板的一些基礎技術參數(以成熟的C面2英吋藍寶石基板為例子).更多的則是外延片廠家根據自身的技術特點以及所生產的外延片質量要求來向藍寶石基板廠家定制合乎自身使用要求的藍寶石基板,即客戶定制化。分別為:
 
A:臺灣桃園兆晶科技股份有限公司C面2英吋藍寶石基板技術參數

 

B:臺灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英吋藍寶石基板技術參數

C:美國 Crystal systems 公司C面2英吋藍寶石基板技術參數

D:俄羅斯 Cradley Crystals公司C面2英吋藍寶石基板技術參數


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