LED藍(lán)寶石基板ppt課件

1、 LED藍(lán)寶石基板介紹 1:藍(lán)寶石詳細(xì)介紹 藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu).它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光學(xué)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(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)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(diǎn)高2045）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來(lái)作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶

2、石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石(單晶Al2O3 )C面與-和-族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料. 下圖則分別為藍(lán)寶石的切面圖;晶體結(jié)構(gòu)圖上視圖;晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖; Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖;藍(lán)寶石結(jié)晶面示意圖藍(lán)寶石結(jié)晶面示意圖最常用來(lái)做GaN磊晶的是C面(0001)這個(gè)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(cè)看藍(lán)寶石藍(lán)寶石(Al2O3)(Al2O3)特性表特性表分子式分子式Al2O3Al2O3密度密度3.95-4.13.95-4.1克克/ /立方厘米立方厘米晶體結(jié)構(gòu)

3、晶體結(jié)構(gòu)六方晶格六方晶格晶格常數(shù)晶格常數(shù)a=4.785 , c=12.991a=4.785 , c=12.991莫氏硬度莫氏硬度9 (9 (僅次于鉆石僅次于鉆石:10):10)熔點(diǎn)熔點(diǎn)20452045沸點(diǎn)沸點(diǎn)30003000熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)5.85.810 -6 /K10 -6 /K比熱比熱0.418W.s/g/k0.418W.s/g/k熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率25.12W/m/k ( 10025.12W/m/k ( 100)折射率折射率no =1.768 ne =1.760no =1.768 ne =1.760dn/dtdn/dt13x10 -6 /K(633nm)13x10 -6 /K(633nm

4、)透光特性透光特性T80% (0.3T80% (0.35m)5m)介電常數(shù)介電常數(shù)11.5(11.5(c), 9.3(c)c), 9.3(c)2 2 藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法 藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法常用的有兩種藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法常用的有兩種: : 1: 1:柴氏拉晶法柴氏拉晶法(Czochralski method),(Czochralski method),簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱CZCZ法法. .先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔先將原料加熱至熔點(diǎn)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(guò)冷

5、。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶上因溫度差而形成過(guò)冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，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(jìn)而形成一轉(zhuǎn)，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(jìn)而形成一軸對(duì)稱的單晶晶錠軸對(duì)稱的單晶晶錠. . 2: 2:凱氏長(zhǎng)晶法凱氏長(zhǎng)晶法(Kyropoulos method),(Kyropoulos method),簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱KYKY法法, ,大陸稱之為泡生法大陸稱之為泡生法. .其原理其原

6、理與柴氏拉晶法與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal(SeedCrystal，又稱籽晶棒，又稱籽晶棒) )接觸到熔湯表面，在晶種與接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速熔湯的固液界面上開始生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)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(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的

7、凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒(méi)有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒(méi)有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇. . 兩種方法的晶體生長(zhǎng)示意圖如下兩種方法的晶體生長(zhǎng)示意圖如下: :3 3 藍(lán)寶石襯底加工流程藍(lán)寶石襯底加工流程 藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成.其相關(guān)制造流程如下: 藍(lán)寶石晶體 晶棒 晶棒 基片 藍(lán)寶石晶棒制造工藝流程藍(lán)寶石晶棒加工流程 晶體 晶棒長(zhǎng)晶長(zhǎng)晶: : 利用長(zhǎng)晶爐生長(zhǎng)尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體利用長(zhǎng)晶爐生長(zhǎng)尺寸大且高品質(zhì)的單

8、晶藍(lán)寶石晶體定向定向: : 確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機(jī)臺(tái)上的正確位置確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機(jī)臺(tái)上的正確位置, ,便于掏棒加工便于掏棒加工掏棒掏棒: : 以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒滾磨滾磨: : 用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削, ,得到精確的外圓尺寸精度得到精確的外圓尺寸精度品檢品檢: : 確保晶棒品質(zhì)以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格確保晶棒品質(zhì)以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格 機(jī)械加工 藍(lán)寶石基片制造工藝流程藍(lán)寶石基片制造工藝流程晶棒晶棒 基片基片定向定向:在切片機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置在切片

9、機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置,以便于精準(zhǔn)切片加以便于精準(zhǔn)切片加工工切片切片:將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片研磨研磨:去除切片時(shí)造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度去除切片時(shí)造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度倒角倒角:將晶片邊緣修整成圓弧狀將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機(jī)械強(qiáng)度改善薄片邊緣的機(jī)械強(qiáng)度,避免應(yīng)避免應(yīng)力集中造成缺陷力集中造成缺陷拋光拋光:改善晶片粗糙度改善晶片粗糙度,使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度清洗清洗:清除晶片表面的污染物清除晶片表面的污染物(如如:微塵顆粒微塵顆粒,金屬金屬,有機(jī)玷污物等有機(jī)玷污物等)品檢品檢:以

10、高精密檢測(cè)儀器檢驗(yàn)晶片品質(zhì)以高精密檢測(cè)儀器檢驗(yàn)晶片品質(zhì)(平坦度平坦度,表面微塵顆粒等表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求以合乎客戶要求 機(jī)械加工4 4 藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類 廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種:1:C-Plane藍(lán)寶石基板 這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長(zhǎng)的藍(lán)寶石基板面.這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石晶體沿C軸生長(zhǎng)的工藝成熟、成本相對(duì)較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定.2:R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板 主要用來(lái)生長(zhǎng)非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發(fā)光效率.通常在藍(lán)寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長(zhǎng)的，而c軸是GaN的極性軸，導(dǎo)致GaN

11、基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，發(fā)光效率會(huì)因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。3:圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡(jiǎn)稱PSS) 以成長(zhǎng)(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出納米級(jí)特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時(shí)減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。 1:C-Plane1:C-Plane藍(lán)寶石基板藍(lán)寶石基板C-Plane藍(lán)寶石基板是普遍使用的藍(lán)寶石基板.1993年日本的赤崎勇教授與當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)的中村

12、修二博士等人，突破了InGaN 與藍(lán)寶石基板晶格不匹配緩沖層）、p 型材料活化等等問(wèn)題后，終于在1993 年底日亞化學(xué)得以首先開發(fā)出藍(lán)光LED.以后的幾年里日亞化學(xué)以藍(lán)寶石為基板,使用InGaN材料,通過(guò)MOCVD 技術(shù)并不斷加以改進(jìn)藍(lán)寶石基板與磊晶技術(shù),提高藍(lán)光的發(fā)光效率,同時(shí)2019年開發(fā)出紫外LED，2019年藍(lán)紫色LED樣品開始出貨，2019年開始提供白光LED。從而奠定了日亞化學(xué)在LED領(lǐng)域的先頭地位.臺(tái)灣緊緊跟隨日本的LED技術(shù),臺(tái)灣LED的發(fā)展先是從日本購(gòu)買外延片加工,進(jìn)而買來(lái)MOCVD機(jī)臺(tái)和藍(lán)寶石基板來(lái)進(jìn)行磊晶,之后臺(tái)灣本土廠商又對(duì)藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)和加工技術(shù)進(jìn)行研究生產(chǎn),通過(guò)自

13、主研發(fā),取得LED專利授權(quán)等方式從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體,基板,外延片的生產(chǎn),外延片的加工等等自主的生產(chǎn)技術(shù)能力,一步一步奠定了臺(tái)灣在LED上游業(yè)務(wù)中的重要地位.目前大部分的藍(lán)光/綠光/白光LED產(chǎn)品都是以日本臺(tái)灣為代表的使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行MOCVD磊晶生產(chǎn)的產(chǎn)品.使得藍(lán)寶石基板有很大的普遍性,以美國(guó)Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后.2:2:圖案化藍(lán)寶石基板圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate(Pattern Sapphire Substrate簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PSS)PSS)以蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出微

14、米級(jí)或納米級(jí)的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會(huì)產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時(shí)GaN薄膜成長(zhǎng)于圖案化藍(lán)寶石基板上會(huì)產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長(zhǎng)于一般藍(lán)寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前臺(tái)灣生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達(dá).藍(lán)寶石基板中2/4英寸是成熟產(chǎn)品,價(jià)格逐漸穩(wěn)定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通藍(lán)寶石基板與2英寸圖案化藍(lán)寶石基板處于成長(zhǎng)期,價(jià)格也較高,其生產(chǎn)商也是主推大尺寸與圖案化藍(lán)寶石基板,同時(shí)也積極增加產(chǎn)能

15、.目前大陸還沒(méi)有廠家能生產(chǎn)出圖案化藍(lán)寶石基板.圖9:納米圖案化藍(lán)寶石基板圖3:R-Plane3:R-Plane或或M-PlaneM-Plane藍(lán)寶石基板藍(lán)寶石基板通常，C面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的薄膜是沿著其極性軸即軸方向生長(zhǎng)的，薄膜具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)建電場(chǎng)，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應(yīng))大大地降低了薄膜的發(fā)光效率. 在一些非C面藍(lán)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(zhǎng)的GaN薄膜是非極性和半極性的,上述由極化場(chǎng)引起的在發(fā)光器件中產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)將得到部分甚至完全的改善.傳統(tǒng)三五族氮化物半導(dǎo)體均成長(zhǎng)在c-plane 藍(lán)寶石基板上，若把這類化合物成長(zhǎng)于R-plane 或M-Plane上，可使產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)平行于磊晶層，以增加電子