LED用藍寶石基板的技術發展之路
2021-01-07 18:19:39
藍寶石的組成成份為三氧化二鋁，在上世紀60年代藍寶石材料就已經作為基板材料用來形成半導體器件。由于藍寶石具有高強度、高硬度、高耐磨性、高耐熱性、高抗磨損能力和高抗化學能力，即使重復使用基板主體,也不會使其退化和損壞，可以增加再循環頻率,并能夠減少制造成本，節省資源，因而很適合用來替代其它昂貴的基板材料。目前市場上主流的超高亮度的LED的品質取決于氮化鎵晶體層的質量，而氮化鎵結晶層的質量則與所使用的藍寶石基板的品質緊密相關，這也是研發人員注重藍寶石基板領域的研發和專利布局的原因。
由于藍寶石具有上述優良特性，其基板可以重復作為基板主體使用，因而可用作LED的犧牲基板。作為犧牲基板時的相關專利申請主要涉及對分離層的結構和材料進行改進，在藍寶石基板上形成分離層和半導體薄膜來形成半導體器件能夠降低工藝難度和成本。
藍寶石的結晶取向決定了其是否可大規模應用于LED器件，該領域技術人員很早就考慮了藍寶石的結晶取向對器件特性的影響，早期專利布局方向主要為C面基板。目前C面藍寶石基板是該領域比較成熟且常用的基板，其制造成本低，物理化學性能穩定。但是C軸基板會出現不必要內建電場的缺點，因而該領域技術人員也研發了其它結晶取向的藍寶石基板，相關專利布局也逐步轉向M軸基板等方向。例如通過在藍寶石基板的主面上生長ZnO基化合物半導體層來形成發光器件，該主面垂直于其C面，結果可以獲得具有高性能的ZnO基化合物的裝置，如結晶度非常優異且具有高發光效率的LED。研究人員還研發出采用M面藍寶石基板形成發光器件的技術，M軸晶向的藍寶石基板也能夠克服C軸基板出現不必要內建電場的缺點，更有效提高發光效率。例如為了進一步提高藍寶石基板的適用性，在M面生長氮化鎵外延層，在藍寶石基板的M面作為生長面時，在結晶生長的工序之前制作相對于上述M面以預先設定的微小角度傾斜的面的切割工序，則能夠提高量子效率，消除壓電電場的影響。
隨后，該領域的專利布局方向轉向對藍寶石基板表面的處理，在基板上形成粗糙圖案能夠提高氮化鎵層的品質，從而提高器件的發光效率。例如專利申請CN1742381A、TW200807747A中公開了通過在藍寶石基板表面形成凹凸結構來提高量子效率，然而對凹凸結構任意的粗糙化，則可能會降低結晶性或降低內量子效率，因而需要對凹凸結構的粗糙化提出更高要求，以保證結晶性能。例如為了能夠更好地提高內量子效率或降低位錯密度，可以對凹凸結構的具體結構特征作進一步的選擇或限定，或改進圖案化工藝水平。為了獲得不同晶向結構的外延層，還可以在具有傾斜側壁的圖案化藍寶石基材上通過工藝參數的控制來形成外延層結構。目前圖案化表面的藍寶石基板已經成為主流基板材料，國內在圖案化藍寶石基板的加工制造上仍存在技術壁壘。
藍寶石基板與三族化合物的晶格不匹配難以生長單晶層，因而相關專利申請公開了可以在外延層和藍寶石基板之間形成多孔結構或緩沖層結構來克服該缺陷，可以根據不同的多孔結構或緩沖層選擇不同的制造技術。近年來由于具有圖案化表面的藍寶石基板已經成為主流基板材料，因而為了進一步提高外延層的結晶性能、生長質量和出光率，專利申請開始朝向復合基板結構布局。技術研發通常會基于藍寶石基板形成復合基板結構并對緩沖層的參數作進一步改進，在圖案化藍寶石基板上形成具有特定厚度的緩沖層結構以提高層之間的晶格匹配。
另外，為了提供較好的藍寶石原始晶體材料，發明人也著重對原材料加工工藝和切割工藝進行研發與專利布局，例如相關專利通過改進加工技術以制造更大尺寸的藍寶石基板、使用金剛線技術進行切割等，以利于大規模制造和生產藍寶石基材。
雖然藍寶石材料的加工、基板的表面處理技術目前已經較為成熟，國內企業也已經能夠提供較好的藍寶石基板材料，但是由于高端藍寶石基板的制造技術仍掌握在國外企業手中，國內企業仍需在高端藍寶石基板上加大研發投入和專利布局，克服技術障礙占領技術高地。新型LED技術的發展，例如MICRO?LED、大功率LED技術的興起與發展，對藍寶石基板的表面處理技術提出了新的需求，相關企業應把握好歷史機遇，緊跟LED技術的發展趨勢，爭取實現彎道超車。
