关于LED衬底材料

可惜天富热电的碳化硅，成本过高了，基本竞争不过蓝宝石晶体材料，目前也不是国际市场的主流。

蓝宝石材料是氮化物半导体衬底、集成电路衬底的首选材料，在特殊要求环境下，还没有替代产品，随着电子信息技术的发展，尤其是半导体照明产业的飞速发展，对蓝宝石基片的市场需求也越来越强烈。
蓝宝石材料在LED应用领域一直处于供不应求的状况，台湾新竹工业园（台湾主要LED生产园区，产能占世界总产能近32%）2007年度的产业发展报告很清楚的说明了这一点。“台湾市场目前2英寸晶棒月供应量为120K/M, 90%以上依赖Rubicon供应材料，数量约为100K/M, 台湾市场目前可供应磊晶的2英寸蓝宝石抛光片基板约为220K/M pcs, 台湾市场目前磊晶需求的抛光片约为400K/M pcs。需求远远大于生产能力”。
目前国际各家大的蓝宝石生产厂纷纷将生产重心转向利润率更高的3-6英寸晶棒，使得2英寸晶棒价格由2006年底的8.2$/mm,上涨到4月中旬的9.1$/mm，上涨幅度大于10%，该价格由于产能的严重不足将在高位维持很长一段时间。表2是全球主要蓝宝石供应商的供应能力情况
表2 全球主要蓝宝石供应商的供应能力情况
供货商名称 所在地 晶棒产能(mm/m) 主要供应地区及规模
Monocrystal 俄罗斯 150K (2”) 欧、美、日本（3” 、4” 、6”）为主
Rubicon 美国 150K (2”) 台湾（２”）、欧、美、日本（3” 、4” 、6”）
Kyocera 日本 200K (2”) 自给自足
Atlas等 俄罗斯 50K (2”)、 欧、美
STC 韩国 15K(2”) 韩国、台湾
随着对降低成本的要求，该部分市场的竞争会趋于白热化，高技术、低成本将成为该类产品发展的主题。

困扰我国航空航天用高品质蓝宝石窗口部件产业化的主要问题集中在以下几个方面：
技术及装备落后。与美国、俄罗斯、乌克兰等国相比，我国用来生长晶体的单晶炉大多技术原理方法落后，设备自动化程度低，晶体尺寸小，质量难以达到光学级水平，材料利用率低，成本高。产品市场竞争力弱。
蓝宝石材料的低成本、高利用率成型及机械加工是技术瓶颈。蓝宝石材料硬度高、脆性大，半导体衬底材料加工需要定向精度在0.2度以内，并且晶轴的偏转方向是固定的，国内传统的蓝宝石加工技术是采用切割后再滚圆，很难达到国际标准要求的定向、表面损伤层厚度的要求，目前国内的小批量加工技术问题较多，产品质量稳定性、一致性差，并且质量检验标准与国际公认标准有明显距离，产能、技术保障等的局限难以争取长久的大用户。
成果转化及规模生产不足。我国在晶体材料方面虽取得了一定的研究成果，但这些成果大多只能提供样品，不能批量生产，难以创造更高经济效益。即使能够批量生产的产品，但加工尺寸及精度与国外相比均有较大差距，规模化生产不足，对来自国内外的大订单，一般难以满足供货量和货期的要求。

蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成
  广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:

1:C-Plane蓝宝石基板
  这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在C面进行磊晶的技术成熟稳定.

2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
  主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。

3:图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
  以成长(Growth)或蚀刻(Etching)的方式,在蓝宝石基板上设计制作出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。
  C-Plane蓝宝石基板是普遍使用的蓝宝石基板.1993年日本的赤崎勇教授与当时在日亚化学的中村修二博士等人，突破了InGaN 与蓝宝石基板晶格不匹配（缓冲层）、p 型材料活化等等问题后，终于在1993 年底日亚化学得以首先开发出蓝光LED.以后的几年里日亚化学以蓝宝石为基板,使用InGaN材料,通过MOCVD 技术并不断加以改进蓝宝石基板与磊晶技术,提高蓝光的发光效率,同时1997年开发出紫外LED，1999年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。从而奠定了日亚化学在LED领域的先头地位.
台湾紧紧跟随日本的LED技术,台湾LED的发展先是从日本购买外延片加工,进而买来MOCVD机台和蓝宝石基板来进行磊晶,之后台湾本土厂商又对蓝宝石晶体的生长和加工技术进行研究生产,通过自主研发,取得LED专利授权等方式从而实现蓝宝石晶体,基板,外延片的生产,外延片的加工等等自主的生产技术能力,一步一步奠定了台湾在LED上游业务中的重要地位.
目前大部分的蓝光/绿光/白光LED产品都是以日本台湾为代表的使用蓝宝石基板进行MOCVD磊晶生产的产品.使得蓝宝石基板有很大的普遍性,以美国Cree公司使用SiC为基板为代表的LED产品则跟随其后
以蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式,在蓝宝石基板上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制LED之输出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前台湾生产图案化蓝宝石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆达.蓝宝石基板中2/4英寸是成熟产品,价格逐渐稳定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通蓝宝石基板与2英寸图案化蓝宝石基板处于成长期,价格也较高,其生产商也是主推大尺寸与图案化蓝宝石基板,同时也积极增加产能.目前大陆还没有厂家能生产出图案化蓝宝石基板.
通常，C面蓝宝石衬底上生长的ＧａＮ薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的，薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强大的内建电场，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效应)地降低了ＧａＮ薄膜的发光效率. 在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面)和其他一些特殊衬底(如铝酸锂;LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至完全的改善.传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若把这类化合物成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生的内建电场平行于磊晶层，以增加电子电洞对复合的机率。因此，以氮化物磊晶薄膜为主的LED结构成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板上，相比于传统的C面蓝宝石磊晶,将可有效解决LED内部量子效率效率低落之问题，并增加元件的发光强度。最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍.
由于无极性ＧａＮ具有比传统c轴ＧａＮ更具有潜力来制作高效率元件,而许多国际大厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于R-plane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加
外延片厂家因为技术及工艺的不同,对蓝宝石基板的要求也不同,比如厚度,晶向等.
下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数(以成熟的C面2英寸蓝宝石基板为例子).更多的则是外延片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求来向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板.即客户定制化.
 分别为:A:台湾桃园兆晶科技股份有限公司
  B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司
  C:美国 Crystal systems 公司
  D:俄罗斯 Cradley Crystals公司