LED蓝宝石基板蓝宝石(Al2O3,英文名为Sapphire)为制成氮化镓.PDF

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LED蓝宝石基板蓝宝石(Al2O3,英文名为Sapphire)为制成氮化镓

LED藍寶石基板 藍寶石 (Al2O3 ,英文名為Sapphire)為製成氮化鎵(GaN磊晶) 發光層的主要 基板材質, GaN可用來製作超高亮度藍光、綠光、藍綠光、白光 LED 。1993 年日亞化 (Nichia) 開發出以氮化鎵 (GaN)為材質的藍光 LED ,配合MOVPE(有機金屬氣相磊晶法的磊) 晶技術,可製造出高亮度的藍光 LED 。 藍寶石的組成為氧化鋁(A12O3)是由三個氧原子和兩個鋁原子以 共價鍵型式結合, 晶體 結構為六方晶格結構,藍寶石的光學穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外 線都有很好的透光性,並且具備高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、熔點高(20452 度 C) 等特點,常作為光電元件材料。就超高亮度白藍光/ LED品質取決於氮化鎵磊 晶 (GaN)的材料品質,因此與所採用的藍寶石基板表面加工品質有關,藍寶石 單晶( A12O3)C面與 III-V和 II-VI 族沈積薄膜之間的晶格常數 失配率小,同時符合GaN 磊晶製程耐高溫的要求,因此藍寶石基板成為製作白藍/ /綠光LED的關鍵材料。 藍光 LED晶粒的長晶材料的藍寶石基板是由藍寶石晶棒切割而成,藍寶石晶棒是將 氧化鋁 (Al2O3)的單晶作為長晶的基礎,採拉晶法培育生長,培育方法因各家廠商參 數不同而有不同純度。 藍寶石長晶技術尚未統一,關鍵技術多由美國、日本、俄羅斯廠商所掌握,其中美 國、日本對長晶技術有所保留,以至於其他國家難取得關鍵技術,因此台灣廠商技 術主要來自於俄羅斯。現以柴氏拉晶法 (CZ)和凱氏長晶法(KY)為主流技術,其中最 成熟也最主流KY 法,其鑽取率可達40-42% ,就28 公斤晶柱而言,長晶所需花費 時間約 10 天,而65 公斤的則需要12-14 天,大公斤的晶柱所需花的時間不會高出 太多,但有良率難控制的問題。 國家 藍寶石長晶技術 美國 Rubicon 採ES2 技術。 Crystal Systems 採熱交換器長晶法(HEM) 。 (Crystal Systems已被 GT Solar被購) 。 日本 柴氏拉晶法(CZ) 、導模法(EFG) 。 俄羅斯凱氏長晶法 (KY) 。 藍寶石晶體常用生長方法: 1.柴氏拉晶法簡稱( CZ 法) :是將原料加熱至熔點後熔化成熔湯,再利用單晶晶體接 觸熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面 上因溫度差異而形成過冷,因此熔湯開始在 晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶,晶種同時以緩慢的速度往上拉升, 並以一定的轉速旋轉,熔湯逐漸凝固於晶種液固界面上,形成一軸對稱的單晶晶錠。 2.凱氏長晶法 簡稱( KY 法) :原與CZ 法類似,將原料加熱至熔點後熔化成熔湯,再 以單晶之晶種接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶 1 體結構的單晶,晶種以緩慢的速度往上拉升,但在晶種往上拉形成晶頸後,等熔湯 與晶種界面的凝固速度穩定後,晶種即不再拉升,也不做旋轉,僅控制冷卻速度使 單晶從上方逐漸往下凝固,凝固為 一整個單晶晶錠。 細分藍寶石基板: 1.C-Plane藍寶石基板:為最普遍使用的,主要為藍寶石晶體沿 C軸生長的技術成熟、 成本也較低、物化性能穩定,所以C面進行磊晶技術較成熟穩定。 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。一般藍寶石基板製作外延膜是沿C軸生長,C軸是 GaN的極性軸, 會使 GaN有源層量子阱中出現很強的內建電場,導致發光效率降低,非極性面 GaN 外延薄膜,可以克服這問題。 3.圖案化藍寶石基板 簡稱( PSS) :以成長或蝕刻 方式在藍寶石基板上設計製作出奈米 級特定規則的微結構圖案藉以控制 LED 之輸出光形式,並可同時減少生長在藍寶石 基板上的GaN 之間的差排缺陷,改善磊晶質量,並提升 LED內部質量效率,增加 光萃取率。 藍光 LED磊晶長晶可採用藍寶石 (Sapphire)與碳化矽(SiC)作為基板材質,因為碳化 矽基板單價高,因此在氮化鎵

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