LED用藍(lán)寶石基板的技術(shù)發(fā)展之路
2021-01-07 18:19:39
藍(lán)寶石的組成成份為三氧化二鋁，在上世紀(jì)60年代藍(lán)寶石材料就已經(jīng)作為基板材料用來形成半導(dǎo)體器件。由于藍(lán)寶石具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高耐熱性、高抗磨損能力和高抗化學(xué)能力，即使重復(fù)使用基板主體,也不會使其退化和損壞，可以增加再循環(huán)頻率,并能夠減少制造成本，節(jié)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(zhì)取決于氮化鎵晶體層的質(zhì)量，而氮化鎵結(jié)晶層的質(zhì)量則與所使用的藍(lán)寶石基板的品質(zhì)緊密相關(guān)，這也是研發(fā)人員注重藍(lán)寶石基板領(lǐng)域的研發(fā)和專利布局的原因。
由于藍(lán)寶石具有上述優(yōu)良特性，其基板可以重復(fù)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(guān)專利申請主要涉及對分離層的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行改進(jìn)，在藍(lán)寶石基板上形成分離層和半導(dǎo)體薄膜來形成半導(dǎo)體器件能夠降低工藝難度和成本。
藍(lán)寶石的結(jié)晶取向決定了其是否可大規(guī)模應(yīng)用于LED器件，該領(lǐng)域技術(shù)人員很早就考慮了藍(lán)寶石的結(jié)晶取向?qū)ζ骷匦缘挠绊懀缙趯＠季址较蛑饕獮镃面基板。目前C面藍(lán)寶石基板是該領(lǐng)域比較成熟且常用的基板，其制造成本低，物理化學(xué)性能穩(wěn)定。但是C軸基板會出現(xiàn)不必要內(nèi)建電場的缺點，因而該領(lǐng)域技術(shù)人員也研發(fā)了其它結(jié)晶取向的藍(lán)寶石基板，相關(guān)專利布局也逐步轉(zhuǎn)向M軸基板等方向。例如通過在藍(lán)寶石基板的主面上生長ZnO基化合物半導(dǎo)體層來形成發(fā)光器件，該主面垂直于其C面，結(jié)果可以獲得具有高性能的ZnO基化合物的裝置，如結(jié)晶度非常優(yōu)異且具有高發(fā)光效率的LED。研究人員還研發(fā)出采用M面藍(lán)寶石基板形成發(fā)光器件的技術(shù)，M軸晶向的藍(lán)寶石基板也能夠克服C軸基板出現(xiàn)不必要內(nèi)建電場的缺點，更有效提高發(fā)光效率。例如為了進(jìn)一步提高藍(lán)寶石基板的適用性，在M面生長氮化鎵外延層，在藍(lán)寶石基板的M面作為生長面時，在結(jié)晶生長的工序之前制作相對于上述M面以預(yù)先設(shè)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(lǐng)域的專利布局方向轉(zhuǎn)向?qū)λ{(lán)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(zhì)，從而提高器件的發(fā)光效率。例如專利申請CN1742381A、TW200807747A中公開了通過在藍(lán)寶石基板表面形成凹凸結(jié)構(gòu)來提高量子效率，然而對凹凸結(jié)構(gòu)任意的粗糙化，則可能會降低結(jié)晶性或降低內(nèi)量子效率，因而需要對凹凸結(jié)構(gòu)的粗糙化提出更高要求，以保證結(jié)晶性能。例如為了能夠更好地提高內(nèi)量子效率或降低位錯密度，可以對凹凸結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)特征作進(jìn)一步的選擇或限定，或改進(jìn)圖案化工藝水平。為了獲得不同晶向結(jié)構(gòu)的外延層，還可以在具有傾斜側(cè)壁的圖案化藍(lán)寶石基材上通過工藝參數(shù)的控制來形成外延層結(jié)構(gòu)。目前圖案化表面的藍(lán)寶石基板已經(jīng)成為主流基板材料，國內(nèi)在圖案化藍(lán)寶石基板的加工制造上仍存在技術(shù)壁壘。
藍(lán)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(guān)專利申請公開了可以在外延層和藍(lán)寶石基板之間形成多孔結(jié)構(gòu)或緩沖層結(jié)構(gòu)來克服該缺陷，可以根據(jù)不同的多孔結(jié)構(gòu)或緩沖層選擇不同的制造技術(shù)。近年來由于具有圖案化表面的藍(lán)寶石基板已經(jīng)成為主流基板材料，因而為了進(jìn)一步提高外延層的結(jié)晶性能、生長質(zhì)量和出光率，專利申請開始朝向復(fù)合基板結(jié)構(gòu)布局。技術(shù)研發(fā)通常會基于藍(lán)寶石基板形成復(fù)合基板結(jié)構(gòu)并對緩沖層的參數(shù)作進(jìn)一步改進(jìn)，在圖案化藍(lán)寶石基板上形成具有特定厚度的緩沖層結(jié)構(gòu)以提高層之間的晶格匹配。
另外，為了提供較好的藍(lán)寶石原始晶體材料，發(fā)明人也著重對原材料加工工藝和切割工藝進(jìn)行研發(fā)與專利布局，例如相關(guān)專利通過改進(jìn)加工技術(shù)以制造更大尺寸的藍(lán)寶石基板、使用金剛線技術(shù)進(jìn)行切割等，以利于大規(guī)模制造和生產(chǎn)藍(lán)寶石基材。
雖然藍(lán)寶石材料的加工、基板的表面處理技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)企業(yè)也已經(jīng)能夠提供較好的藍(lán)寶石基板材料，但是由于高端藍(lán)寶石基板的制造技術(shù)仍掌握在國外企業(yè)手中，國內(nèi)企業(yè)仍需在高端藍(lán)寶石基板上加大研發(fā)投入和專利布局，克服技術(shù)障礙占領(lǐng)技術(shù)高地。新型LED技術(shù)的發(fā)展，例如MICRO?LED、大功率LED技術(shù)的興起與發(fā)展，對藍(lán)寶石基板的表面處理技術(shù)提出了新的需求，相關(guān)企業(yè)應(yīng)把握好歷史機(jī)遇，緊跟LED技術(shù)的發(fā)展趨勢，爭取實現(xiàn)彎道超車。
