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蓝宝石衬底上能长些啥？

日期：2022-03-22 浏览次数：次

在(zai)基片(pian)/衬底材料领域，无疑占据着龙头地位。举个LED芯片的例子，从衬底材料的使(shi)用(yong)来(lai)看，除了Cree采用碳化硅衬底、晶能采用硅衬底，目前世界上绝大多数的芯片制造商都采用蓝宝石衬底。

蓝宝石

蓝宝石是(shi)一种氧化物晶体(ti)(ti)，又(you)名刚玉，主要化学成分是(shi)氧化铝(Al₂O₃)，纯净(jing)的氧化铝(lv)晶体呈无色透明状

这里提到的衬底(di)(substrate)其实(shi)是指用于外延(yan)生长晶体薄膜的单晶晶片，也(ye)叫(jiao)基片。它既可(ke)以(yi)在半导(dao)(dao)体领(ling)域中直(zhi)接进(jin)入晶圆制造环节生产半导(dao)(dao)体器件，也(ye)可(ke)以(yi)在经过切(qie)、磨、抛等仔细(xi)加工后(hou)，在一(yi)定(ding)条件下作为外延(yan)生长的基础，让(rang)同种(zhong)或(huo)另一(yi)种(zhong)单晶体在其表(biao)面上定(ding)向生长。

衬底(di)(di)本(ben)身(shen)可能有某种特(te)殊功(gong)能和(he)用(yong)途(tu)，也可能只(zhi)是(shi)用(yong)来作新(xin)材料(liao)的衬底(di)(di)，本(ben)身(shen)并无其(qi)它特(te)别(bie)用(yong)途(tu)。以往作为薄膜(mo)衬底(di)(di)的材料(liao)有玻璃、陶瓷和(he)金属板材等，但现在(zai)比较主流的就是(shi)蓝宝石、Si、SiC等，其中蓝宝石的用量尤其大。

蓝宝石衬底

蓝宝石(shi)衬(chen)底

那蓝宝(bao)石为什么(me)能受欢(huan)迎呢，主要有以下几个原因(yin)：

①蓝宝(bao)石衬底的(de)生产技(ji)术(shu)成熟、器(qi)件质量较(jiao)好；

②蓝宝石的稳(wen)定性很(hen)好，能够运(yun)用在高温生长过程(cheng)中；

③蓝宝(bao)石(shi)的机械强(qiang)度高，易(yi)于(yu)处理和清洗。

目前，包括(kuo)半导(dao)体(ti)在内许多材(cai)料生(sheng)产都(dou)会采(cai)用蓝(lan)宝(bao)(bao)石作为基片(pian)/衬底(di)。而(er)(er)生(sheng)产蓝(lan)宝(bao)(bao)石晶(jing)体(ti)主要消耗的(de)原料为高(gao)纯氧化(hua)铝，高(gao)纯度的(de)氧化(hua)铝粉可以提高(gao)蓝(lan)宝(bao)(bao)石晶(jing)体(ti)的(de)纯度和透光(guang)性(xing)，进(jin)而(er)(er)提升蓝(lan)宝(bao)(bao)石材(cai)料的(de)使用性(xing)能。

二、蓝宝石衬底可生长(zhang)的材料(liao)

蓝(lan)宝(bao)石单晶因(yin)其优(you)良的机械性(xing)能、介(jie)电(dian)性(xing)能（适中的介(jie)电(dian)常数和较低的介(jie)电(dian)损(sun)耗）、化学(xue)稳定性(xing)以(yi)及高表面平滑度(du)而(er)成为(wei)制备高温(wen)超导薄膜、红外光学(xue)材料、微电(dian)子器件等的最(zui)优(you)质基片和衬底材料。

目前能够在蓝(lan)宝石衬底上生长(zhang)的(de)材料有很(hen)多，以下(xia)小编就挑一些最近比较(jiao)受大家(jia)关注的(de)领(ling)域来讲讲~

1.光电器件

蓝宝石衬(chen)底在该领(ling)域能生(sheng)长的代表材料(liao)就(jiu)是氮(dan)化镓(jia)(GaN)。GaN的鼎鼎大名响彻材料界，所以这里就不多加介绍了。蓝宝(bao)石晶体结构与GaN相同，为六方结构。蓝宝石的带隙宽、折射率低(1.7)、化学稳定性好，在1000℃高温也不与氢气发生反应，可用于高温生长，透光、技术成熟。目前蓝宝石作为衬底，生产技术成熟、器件质量、稳定性都较好，能够运用在高温生长过程中，机械强度高，易于处理和清洗，由于衬底性能限制，很难应用到(dao)射频(pin)和功(gong)率领域（不(bu)过也不(bu)一定，具(ju)体可看下文），目前应用于LED产业，主流为4英寸。

PS：目前蓝宝石在(zai)LED衬底的应用(yong)在(zai)所有下游(you)消费中的占(zhan)比(bi)为80%，受相关政策的推动近年蓝宝石的需(xu)求(qiu)量稳(wen)步提升(sheng)，市场规(gui)模也(ye)持续保(bao)持着增长趋势。

另(ling)外值得一提的是(shi)，如果想要改善GaN薄膜的晶体(ti)质量(liang)，也可以选择生长良好的AIN薄膜作(zuo)为(wei)GaN的缓冲层（AIN与GaN有(you)更(geng)好的晶格匹配和热匹配）。与Si相比，蓝(lan)宝石衬(chen)底与AIN有(you)更(geng)好的晶格匹(pi)配，而和(he)硬度极高(gao)的6H-SiC相比，蓝(lan)宝石更(geng)能被(bei)抛光出(chu)更(geng)高(gao)的表面(mian)质(zhi)量(liang)，提高(gao)薄膜的质(zhi)量(liang)，因此(ci)已经(jing)成功运用(yong)到Ⅲ族氮化物的生长。相关报道(dao)已(yi)经证明，采用金属(shu)有机化(hua)学物(wu)气相沉积或者分子(zi)束外延的(de)方法制备(bei) AIN 薄膜，由于蓝宝石的稳定性及共享的 c 轴六角空间群，（0001）取向的蓝宝石是AlN薄膜外延生长的合适衬底。

氮化铝薄膜作为蓝宝石衬底上的缓冲层

氮化铝薄膜作为蓝宝石衬底上(shang)的(de)缓冲(chong)层

蓝宝石衬底上生长的AlN薄膜SEM截面图

蓝宝石(shi)衬底上生长的(de)AlN薄膜SEM截面图

2.毫米波(bo)射频芯片

虽然上(shang)面说了蓝宝石很难(nan)应用(yong)到射频(pin)和功(gong)率领域，但也有(you)勇士明知(zhi)山有(you)虎(hu)偏向虎(hu)山行。去年10月GaN功率转换产品全球供应商Transphorm宣布获得美国国防部高级研究计划局一份价值140万美元的合同。根据合同，Transphorm将开发和制造氮极性(N-polar) GaN解决方案。

令人惊奇的是，Transphorm表示他们将(jiang)探索使用蓝宝石衬(chen)底来开(kai)发氮极性氮化镓解决方案(an)，因(yin)为(wei)这样操作的话，成本效益将(jiang)比传统的镓极性SiC解决方案高很多——据(ju)了解(jie)，与(yu)4英(ying)寸SiC相比，4英(ying)寸蓝宝石基GaN晶圆的成本降低(di)了2-3倍左(zuo)右。

蓝宝石衬底上能长些啥？

不(bu)过(guo)这(zhei)项计划还在(zai)进行中，也不(bu)知道何时能成功并(bing)投入商业化。Transphorm首席技(ji)术官兼(jian)联合创(chuang)始人 Mishra博(bo)士是这(zhei)么说(shuo)的：“蓝宝石是具有吸引(yin)力的(de)材料(liao)，但因为(wei)低导(dao)热性一直被忽视。我(wo)(wo)们相信，通过(guo)创新工程，我(wo)(wo)们的(de)项目团(tuan)队可以克服这一限(xian)制，让(rang)射频外(wai)延(yan)客户能够(gou)以美元级实现更高效(xiao)的(de)射频功(gong)率(lv)。”

3.高温(wen)超导薄膜(mo)

现代电子技术，尤其是微波电子无源器件技术，是以薄膜技术的发展为基础的，因此高温超导薄膜成为现代微波电子器件应用中一个重要的研究课题。

根据二(er)流体模型(xing)、高温(wen)超(chao)导材料的(de)(de)(de)微(wei)波(bo)表面(mian)电(dian)阻与频率(lv)的(de)(de)(de)平方成反比(bi)，在(zai)10 GHz频率(lv)液氮温(wen)度下，高温(wen)超(chao)导薄(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)微(wei)波(bo)表面(mian)电(dian)阻比(bi)铜低(di)1~2个数量级(ji)，且用(yong)(yong)高温(wen)超(chao)导薄(bo)膜(mo)制备的(de)(de)(de)微(wei)波(bo)无源(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)具有很高的(de)(de)(de)品质因数，因此在(zai)微(wei)波(bo)领域的(de)(de)(de)应用(yong)(yong)中，以Tl系薄(bo)膜(mo)为代表的(de)(de)(de)高温(wen)超(chao)导薄(bo)膜(mo)可以显著的(de)(de)(de)改善微(wei)波(bo)无源(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)性能，相比(bi)传统材料具有明显的(de)(de)(de)优势。目前，高温(wen)超(chao)导器(qi)件(jian)(jian)尤(you)其是微(wei)波(bo)无源(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)已开(kai)始广泛应用(yong)(yong)于电(dian)子通(tong)信领域，而高温(wen)超(chao)导薄(bo)膜(mo)则是制作超(chao)导微(wei)波(bo)器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)基(ji)本(ben)载(zai)体。

通信卫星是高温超导微波器件

通信卫星是高温超导微波器件的重要应用场合

在制备Tl系高温超导薄膜的众多衬底材料中，蓝宝石和 MgO单晶基片具有适中的介电常数和较低的微波损耗，因此非常适合于在微波领域的应用。特别是大(da)面积的(de)蓝宝石单晶基片(pian)价(jia)格相对(dui)较低，对(dui)高(gao)温超导(dao)薄(bo)膜在微波(bo)领域中的(de)应用和(he)推广有着重(zhong)要的(de)意义。

4.红外光学材料

中红外(wai)波段(duan) 3~5μm 是红外(wai)探测器常用的(de)一(yi)个窗(chuang)口(kou)，探测器在(zai)使用过程可(ke)能受到高能量激光的(de)辐(fu)射而损坏，因(yin)此(ci)有必要在(zai)红外(wai)窗(chuang)口(kou)表面制备(bei)具有激光防护作用的(de)红外(wai)增透膜(mo)。

蓝宝石(shi)晶体在紫外(wai)波段、可见光波段、红(hong)外(wai)波段都具(ju)有良好的透过率，因而常被用(yong)作(zuo)高强度激(ji)光器的窗口材料。但作(zuo)为中红(hong)外(wai)波段3~5μm窗口材料蓝宝石基底的透过率满足不了使用要求，应用于高能激光系统中也非常容易损坏。因此，在蓝宝石衬底表面设计、制备能提高透过率又具有抗激光损伤能力的减反射薄膜来弥补白身性能的不足。

对薄(bo)膜(mo)材料(liao)(liao)的选择，首先要(yao)考(kao)虑的是薄(bo)膜(mo)材料(liao)(liao)的光学性能(neng)(neng)，如折射(she)(she)率、消光系数、透(tou)射(she)(she)波段以及(ji)膜(mo)料(liao)(liao)在设计(ji)波段的吸收、高低折射(she)(she)率的配比(bi)，此(ci)外(wai)还必须考(kao)虑薄(bo)膜(mo)材料(liao)(liao)的机械性能(neng)(neng)。以下(xia)是目前常用的镀膜(mo)材料(liao)(liao)的部分(fen)物(wu)理参数：

镀膜材料的部分物理参数

5.石墨烯

石墨烯材料(liao)的制备技术是(shi)研究(jiu)其(qi)性能和探索其(qi)应用的基础前提。在众多的材料(liao)制备方法中，过渡金属表面化学气相沉积(ji)(CVD)法可以实现大(da)面积(ji)和高质(zhi)量(liang)的石墨烯材料(liao)的制备。该方法的特点是(shi)成本低、工(gong)艺简单并适(shi)合大(da)规(gui)模工(gong)业化生长(zhang)。

传统CVD法制备石墨烯采用Ni、Cu等催化金属衬底，其生长利用(yong)了金属碳高(gao)温溶解和低温析出的原(yuan)理，存在(zai)碳固溶的问(wen)题。蓝宝石(shi)衬底表面致(zhi)密，碳源气体中(zhong)的C原子很难进入衬底内部，不存在碳固溶的问题。而且，蓝宝石表面生长的石墨烯材料无需进行衬底转移，避免了转移过程中引入的杂质，界面和掺杂电荷等散射源。此外，蓝宝石表层石墨烯与衬底之间没有强相互作用力，有利于保持石墨烯本身优良的电学特性。因此，蓝宝石衬底CVD法生长石墨烯在材料制备及应用领域具有非常高的价值。

蓝宝石衬底生长石墨烯的AFM平面图