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(huì)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(chǎng)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(shí)的相關(guān)專利申請(qǐng)主要涉及對(duì)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?,早期專利布局方向主要為C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(huì)出現(xiàn)不必要內(nèi)建電場(chǎng)的缺點(diǎn),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(chǎng)的缺點(diǎn),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(shí),在結(jié)晶生長的工序之前制作相對(duì)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(chǎng)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(qǐng)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(duì)凹凸結(jié)構(gòu)任意的粗糙化,則可能會(huì)降低結(jié)晶性或降低內(nèi)量子效率,因而需要對(duì)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(cuò)密度,可以對(duì)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(qǐng)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(qǐng)開始朝向復(fù)合基板結(jié)構(gòu)布局。技術(shù)研發(fā)通常會(huì)基于藍(lán)寶石基板形成復(fù)合基板結(jié)構(gòu)并對(duì)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(duì)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(duì)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(shì),爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)彎道超車。
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