最後更新:2026年10月8日晶圓製造・基板加工化合物基板(SiC・GaN・藍寶石)中國大陸:蓝宝石衬底

藍寶石基板是什麼

Sapphire Substrate

藍寶石基板是由單晶氧化鋁加工而成的基板,作為 GaN 系藍光 LED 的成長基板支撐了白光 LED 產業。晶格不匹配16%與低熱傳導率是其課題,但藉由低溫緩衝層與 ELO 抑制差排而得以實用化。目前的標準是在表面形成錐狀圖形,使差排彎曲並同時提高光萃取效率的 PSS(圖案化藍寶石基板)。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

藍寶石基板是由單晶氧化鋁(α-Al₂O₃)加工而成的基板,是作為 GaN 系藍光 LED 成長基板使用最廣的材料。在 GaN 自立基板昂貴且難以取得的年代,它是儘管存在晶格不匹配仍能成長 GaN 的實用選項,支撐了量產,成為白光 LED 產業的基礎。

製造方式是以泡生法(Kyropoulos 法)、EFG 法(導模法)、熱交換法等育成大型單晶晶棒(boule),再以套孔鑽鑽取成圓柱狀,用線鋸切片後,經精研(lapping)與研磨完成加工。由於是莫氏硬度9的極硬材料,切割與研磨需要時間與鑽石磨粒,加工成本占價格的很大部分。

作為 GaN 成長基板的課題,在於晶格常數差(約16%)、熱膨脹差以及低熱傳導率。透過插入低溫緩衝層(低溫 GaN 或 AlN)的 ELO(橫向磊晶成長)等技術降低差排密度而得以實用化,但散熱性差仍是高功率元件的限制。此外,由於是絕緣體,需要將電極從上表面引出的橫向結構。

表面通常會施以提升 GaN 成長品質的微細加工。PSS(Patterned Sapphire Substrate:圖案化藍寶石基板)是在表面形成數μm錐狀圖形,使差排往橫向彎曲,同時提高光萃取效率的技術,已成為目前 LED 用藍寶石基板的標準。

近年來,與 GaN-on-Si、GaN 自立基板、SiC 基板之間的競爭加劇,各用途的市場區隔也愈來愈明確。即便如此,在成本與成熟度方面,一般照明與背光用 LED 仍以藍寶石為主力,Micro LED 也帶來了新的需求。從基板到 LED 一貫生產的日亞化學工業等是代表性業者。

藍寶石基板的常見問題

為什麼 LED 一直使用藍寶石基板?
因為在 GaN 自立基板昂貴且難以取得的年代,它是儘管存在晶格不匹配、仍能透過低溫緩衝層與 ELO(橫向磊晶成長)等技術成長 GaN 的實用且便宜的選項。這使白光 LED 的量產成為可能。
什麼是 PSS(圖案化藍寶石基板)?
是在表面形成數μm錐狀圖形的藍寶石基板。它能使成長中 GaN 的差排往橫向彎曲而降低,同時圖形會散射光線、提高 LED 的光萃取效率,因此已成為目前 LED 用藍寶石基板的標準。
藍寶石基板的弱點是什麼?
熱傳導率低、不利散熱,在高功率元件中會形成限制;由於是絕緣體,需要將電極從上表面引出的橫向結構;而且因莫氏硬度9的硬度,切割與研磨的加工成本很高。

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