LED用蓝宝石基板的技术发展之路

蓝宝石的组成成份为三氧化二铝，在上世纪60年代蓝宝石材料就已经作为基板材料用来形成半导体器件。由于蓝宝石具有高强度、高硬度、高耐磨性、高耐热性、高抗磨损能力和高抗化学能力，即使重复使用基板主体,也不会使其退化和损坏，可以增加再循环频率,并能够减少制造成本，节省资源，因而很适合用来替代其它昂贵的基板材料。目前市场上主流的超高亮度的LED的品质取决于氮化镓晶体层的质量，而氮化镓结晶层的质量则与所使用的蓝宝石基板的品质紧密相关，这也是研发人员注重蓝宝石基板领域的研发和专利布局的原因。

由于蓝宝石具有上述优良特性，其基板可以重复作为基板主体使用，因而可用作LED的牺牲基板。作为牺牲基板时的相关专利申请主要涉及对分离层的结构和材料进行改进，在蓝宝石基板上形成分离层和半导体薄膜来形成半导体器件能够降低工艺难度和成本。

蓝宝石的结晶取向决定了其是否可大规模应用于LED器件，该领域技术人员很早就考虑了蓝宝石的结晶取向对器件特性的影响，早期专利布局方向主要为C面基板。目前C面蓝宝石基板是该领域比较成熟且常用的基板，其制造成本低，物理化学性能稳定。但是C轴基板会出现不必要内建电场的缺点，因而该领域技术人员也研发了其它结晶取向的蓝宝石基板，相关专利布局也逐步转向M轴基板等方向。例如通过在蓝宝石基板的主面上生长ZnO基化合物半导体层来形成发光器件，该主面垂直于其C面，结果可以获得具有高性能的ZnO基化合物的装置，如结晶度非常优异且具有高发光效率的LED。研究人员还研发出采用M面蓝宝石基板形成发光器件的技术，M轴晶向的蓝宝石基板也能够克服C轴基板出现不必要内建电场的缺点，更有效提高发光效率。例如为了进一步提高蓝宝石基板的适用性，在M面生长氮化镓外延层，在蓝宝石基板的M面作为生长面时，在结晶生长的工序之前制作相对于上述M面以预先设定的微小角度倾斜的面的切割工序，则能够提高量子效率，消除压电电场的影响。

随后，该领域的专利布局方向转向对蓝宝石基板表面的处理，在基板上形成粗糙图案能够提高氮化镓层的品质，从而提高器件的发光效率。例如专利申请CN1742381A、TW200807747A中公开了通过在蓝宝石基板表面形成凹凸结构来提高量子效率，然而对凹凸结构任意的粗糙化，则可能会降低结晶性或降低内量子效率，因而需要对凹凸结构的粗糙化提出更高要求，以保证结晶性能。例如为了能够更好地提高内量子效率或降低位错密度，可以对凹凸结构的具体结构特征作进一步的选择或限定，或改进图案化工艺水平。为了获得不同晶向结构的外延层，还可以在具有倾斜侧壁的图案化蓝宝石基材上通过工艺参数的控制来形成外延层结构。目前图案化表面的蓝宝石基板已经成为主流基板材料，国内在图案化蓝宝石基板的加工制造上仍存在技术壁垒。

蓝宝石基板与三族化合物的晶格不匹配难以生长单晶层，因而相关专利申请公开了可以在外延层和蓝宝石基板之间形成多孔结构或缓冲层结构来克服该缺陷，可以根据不同的多孔结构或缓冲层选择不同的制造技术。近年来由于具有图案化表面的蓝宝石基板已经成为主流基板材料，因而为了进一步提高外延层的结晶性能、生长质量和出光率，专利申请开始朝向复合基板结构布局。技术研发通常会基于蓝宝石基板形成复合基板结构并对缓冲层的参数作进一步改进，在图案化蓝宝石基板上形成具有特定厚度的缓冲层结构以提高层之间的晶格匹配。

另外，为了提供较好的蓝宝石原始晶体材料，发明人也着重对原材料加工工艺和切割工艺进行研发与专利布局，例如相关专利通过改进加工技术以制造更大尺寸的蓝宝石基板、使用金刚线技术进行切割等，以利于大规模制造和生产蓝宝石基材。

虽然蓝宝石材料的加工、基板的表面处理技术目前已经较为成熟，国内企业也已经能够提供较好的蓝宝石基板材料，但是由于高端蓝宝石基板的制造技术仍掌握在国外企业手中，国内企业仍需在高端蓝宝石基板上加大研发投入和专利布局，克服技术障碍占领技术高地。新型LED技术的发展，例如MICRO LED、大功率LED技术的兴起与发展，对蓝宝石基板的表面处理技术提出了新的需求，相关企业应把握好历史机遇，紧跟LED技术的发展趋势，争取实现弯道超车。（作者：徐健）