LED用蓝宝石基板(衬底)详细介绍_加工制程与技术参数.ppt

1、介绍了发光二极管蓝宝石衬底，详细介绍了1:蓝宝石。蓝宝石的成分是氧化铝(Al2O3)，它是由三个氧原子和两个铝原子通过共价键结合而成，其晶体结构为六方晶格结构。它经常用在飞机、飞机和飞机上。由于蓝宝石具有宽的光透射带，从近紫外光(190纳米)到中红外光都具有良好的透光率，因此被广泛应用于光学元件、红外器件、高强度激光透镜材料和掩模材料中。它具有高声速、耐高温、耐腐蚀、高硬度、高透光率和高熔点(2045)等特点。它是一种很难加工的材料，所以经常被用作光电元件的材料。目前，超高亮度白光/蓝光发光二极管的质量取决于氮化镓外延层的材料质量，这与所用蓝宝石衬底的表面加工质量密切相关。蓝宝石(单晶Al2O

2、3 )C表面与系列沉积薄膜晶格常数失配率小，满足氮化镓外延工艺耐高温的要求，使蓝宝石芯片成为制作白/蓝/绿发光二极管的关键材料。下图分别是蓝宝石晶体结构图的俯视图；晶体结构的侧视图；Al2O3结构图；蓝宝石晶面示意图、蓝宝石截面图图晶体结构图、晶体结构俯视图、Al2O3结构侧视图、蓝宝石晶面示意图、C面(0001)，没有极性，最常用于氮化镓外延生长，所以氮化镓的极性将由制造工艺决定。从C轴向下看的图形。从C轴向下看的图，蓝宝石(Al2O3)特性表。2蓝宝石晶体的生长方法蓝宝石晶体有两种常用的生长方法：-1:直拉法(简称直拉法)。首先，原料被加热到熔点并熔化以形成熔融汤，然后单晶籽晶接触熔融汤的

3、表面，由于温度差导致籽晶和熔融汤之间的固液界面处过冷。然后，熔化的汤开始在籽晶表面凝固，并生长出与籽晶具有相同晶体结构的单晶。同时，籽晶以非常慢的速度被拉起，并以一定的速度旋转。当籽晶被提拉时，熔化的汤在籽晶的液-固界面上逐渐凝固，从而形成轴对称的单晶锭。kyropoulos方法，简称KY方法，在mainland China被称为Kyropoulos方法。其原理类似于Czochralskimethod。将原料加热至熔点并熔化形成熔汤，然后将熔汤表面与单晶籽晶(也称为籽晶棒)接触，在籽晶和熔汤之间的固液界面上生长出与籽晶具有相同晶体结构的单晶，籽晶以非常慢的速度被提拉，但是籽晶被提拉一段时间形成

4、晶体颈， 并且在熔融汤和籽晶之间的界面的凝固速率稳定后，籽晶不再被拉起或旋转。 只有通过控制冷却速度，单晶才能从上到下逐渐凝固，最终凝固成一个完整的单晶块。两种方法的晶体生长图如下：直拉法的原理图如图6所示，Kyropoulos法的原理图如图7所示，蓝宝石衬底加工流程如图3所示。蓝宝石衬底的原材料是由蓝宝石晶体加工而成的晶棒。其相关制造工艺如下：蓝宝石晶棒衬底，蓝宝石晶棒制造工艺蓝宝石晶棒加工工艺晶棒，长晶：使用长晶炉生长大尺寸高质量单晶蓝宝石晶3360晶向，确保蓝宝石晶体在棒料切割机上的正确位置。切割棒：以特定方式切割蓝宝石晶体非常方便。轧机用外圆磨床磨削晶棒的外圆，以获得精确的外圆尺寸精度

5、。质量检测：确保晶体棒的质量，以及切割晶体棒的尺寸和方向是否符合客户规格。蓝宝石衬底制造工艺流程晶体棒衬底方向：精确定位切片器上蓝宝石晶体棒的位置，以便于精确切片处理。切片：将蓝宝石晶体棒切割成薄晶片。研磨：去除晶片切割损伤层并提高晶片平整度。倒角：将晶片边缘修整成弧形并提高晶片边缘的机械强度。避免应力集中造成的缺陷。抛光：提高了晶片的粗糙度，使其表面达到外延晶片的精度。清洁：去除污染物(如：灰尘颗粒、金属、有机污染物等。)在晶片表面上。质量检测：使用高精度检测仪器来检测晶圆质量(平整度、表面灰尘颗粒等)。)以满足客户要求。机械加工、4外延晶片制造商使用的蓝宝石衬底分为三种类型：13360c平

6、面蓝宝石衬底，制造商通常用于氮化镓生长。这主要是由于沿c轴生长蓝宝石晶体的工艺成熟，成本相对较低，物理化学性质稳定。碳平面外延生长技术成熟稳定。蓝宝石衬底主要用于生长非极性/半极性氮化镓外延薄膜，以提高发光效率。通常，在蓝宝石衬底上制备的氮化镓外延膜沿C轴生长，C轴是氮化镓的极轴，在氮化镓基器件的有源层的量子阱中产生很强的内置电场，这将降低发光效率。图形蓝宝石衬底(PSS)是在蓝宝石衬底上通过生长或刻蚀设计制作的，以控制发光二极管的输出光形式，减少蓝宝石衬底上生长的氮化镓之间的列差缺陷，提高外延质量，提高发光二极管的内部量子效率，提高光提取效率。1:C平面蓝宝石衬底，C平面蓝宝石衬底是一种常用

7、的蓝宝石衬底。1993年，日本的赤崎勇教授和当时在日本-亚洲化学的中村修二博士突破了InGaN和蓝宝石衬底之间的晶格失配(缓冲层)、p型材料的激活等问题。最后，在1993年底，日兴化学首次开发了蓝色发光二极管。在随后的几年中，日兴化学公司使用蓝宝石作为衬底，InGaN材料，通过金属有机化学气相沉积技术改进了蓝宝石衬底和外延技术，提高了蓝光的发光效率。同时，它在1997年开发了紫外发光二极管，在1999年运输了蓝紫色发光二极管样品，并在2001年提供了白色发光二极管。因此，日亚化学确立了其在发光二极管领域的领先地位。台湾紧跟日本的发光二极管技术。台湾发展发光二极管首先从日本购买外延晶片加工，然后

8、购买金属有机化学气相沉积机和蓝宝石衬底进行外延生长。后来，台湾本土厂商研究生产蓝宝石晶体的生长和加工技术，通过自主研发和获得发光二极管专利授权，实现蓝宝石晶体、衬底和外延片的生产。外延晶片加工等自主生产技术能力逐步确立了台湾在LED上游业务中的重要地位。目前，大多数蓝/绿/白发光二极管产品都是采用以日本台湾为代表的蓝宝石衬底的MOCVD外延生产产品，使得蓝宝石衬底非常普及，其次是以美国Cree公司使用的SiC衬底为代表的发光二极管产品。2:图案蓝宝石衬底(简称PSS)，通过刻蚀(蓝宝石碳表面干法刻蚀/湿法刻蚀)，在蓝宝石衬底上设计制作具有特定微结构规则的微米级或纳米级图案，从而控制发光二极管的

9、输出光形式(蓝宝石衬底上的凹凸图案可以产生光散射或折射效应，提高光提取率)，同时生长在图案蓝宝石衬底上的氮化镓薄膜可以产生横向外延效应， 从而减少蓝宝石衬底上生长的氮化镓之间的行差缺陷，提高外延质量，提高发光二极管的内部量子效率，提高光提取效率。 与普通蓝宝石衬底上生长的发光二极管相比，亮度提高了70%以上。目前，台湾生产的图案化蓝宝石有中美硅、共晶、巨晶等，2/4英寸蓝宝石衬底是成熟产品，价格逐渐稳定。然而，大尺寸(如6/8英寸)普通蓝宝石衬底和2英寸图案蓝宝石衬底正处于成长阶段，其价格也较高，制造商主要推动大尺寸，同时也在积极增加产能。目前，mainland China没有制造商能够生产图

10、案化蓝宝石衬底。图9:纳米图案化蓝宝石衬底， R平面或M平面蓝宝石衬底。通常，生长在碳平面蓝宝石衬底上的薄膜沿其极轴生长，具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜(有源层量子阱)内部的强内置电场，叠加效应大大降低了薄膜的发光效率。在一些非c蓝宝石衬底(如r或m)和其他特殊衬底(如铝酸锂；在LiAlO2上生长的氮化镓薄膜是非极性和半极性的，由发光器件中的偏振场引起的上述负面效应将得到部分甚至完全改善。传统的iii族氮化物半导体都生长在c面蓝宝石衬底上。如果这些化合物生长在R面或M面上，内置电场可以平行于外延层，从而增加电子空穴对的复合概率。因此，与传统的在R面或M面蓝宝石衬底上外延生长碳面蓝宝石相比

11、，基于氮化物外延薄膜的发光二极管结构可以有效解决发光二极管内部量子效率低的问题，提高器件的发光强度。根据最新消息，非极性发光二极管可以将白光的发光效率提高两倍。由于非极性发光二极管比传统的C轴更有潜力制造高效率器件，许多国际制造商和研究机构都增加了这种外延技术的研究和生产。因此，对R面或M面蓝宝石衬底的需求和要求也相应增加。下图是半极性和非极性表面的简单示意图。图10:半极性和非极性表面的简单示意图。非极性表面是指极性表面法线方向上的表面，而半极性表面位于极性表面和非极性表面之间。5蓝宝石衬底的主要技术参数，外延片制造商由于工艺和工艺的不同，对蓝宝石衬底有不同的要求，如厚度、晶体取向等。以下列举了几家厂商生产的蓝宝石衬底的一些基本技术参数(以成熟的C面2英寸蓝宝石衬底为例)，此外，外延片厂商根据自己的技术特点和质量要求，即客户定制，从蓝宝石