蓝宝石介绍.ppt
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1、蓝宝石的应用,目录,蓝宝石的介绍,蓝宝石是一种氧化铝(Al2O3)的单晶,又称为刚玉,就颜色而言,单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的,在自然界中当蓝宝石在生长时,晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时,会使晶体呈现蓝色,蓝宝石由此得名。蓝宝石由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上,它具有耐高温、抗腐蚀、高硬度(莫氏硬度为9,仅次于钻石)、高耐
2、磨、高透光性、熔点高(2045)等特点,它是一种相当难加工的材料,因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质,而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关,蓝宝石(单晶Al2O3)C面与-和-族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小,同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求,使得蓝宝石晶片成为,制作白/蓝/绿光LED的关键材料。,蓝宝石特性,蓝宝石晶体主要用途,半导体照明,LED是新一代光源,被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域。目前,世界各个主要国家和地区纷纷制定LED技术与产业发展计划。高工LED产业研究所(GLII)统计
3、数据显示,2013年中国LED行业依旧保持快速增长态势,全年中国LED行业总产值规模为2638亿元(不含中国港澳台地区),同比增长28%。其中,上游芯片产值超过80亿元,中游封装产值超过470亿元,下游应用产值超过2000亿元。蓝宝石在照明行业主要用作LED 衬底,即LED基板,也有称之为支撑衬底。衬底是外延层生长的基板,在生产和制作过程中,起到支撑和固定的作用。它与外延层的特性配合要求比较严格,否则会影响到外延层的生长或是芯片的品质。对于制作LED 芯片来说,衬底材料的选用是首要考虑的问题。目前蓝宝石衬底LED 产品市场占有率高达90%以上。,名词解释,LED:即发光二极管,是一种固态的半导
4、体器件,它可以直接把电转化为光。当二极管正向偏置时电子与空穴复合时能辐射出可见光。LED外延片:LED内部的晶片生产的原材料,它是在蓝宝石衬底上通过化学气相沉积技术(MOCVD)生长出来的一层薄膜。之后在外延片上注入基区和发射区,再通过切割等工艺,就可以形成LED晶片。LED晶片通过封装工艺,才会形成我们看到的LED灯珠。MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀):气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。白光LED:通常采用两种方法形成,第一种是多种单色光混合方法,蓝、红、绿混合;第二种是利用“蓝光技术”与黄荧光粉配合刺激肉眼中的红光和绿光受体形成白光。,LED产品,L
5、ED制造流程,LED的发光原理:是电子穿过一层半导体材料时,激发该半导体材料将电能转化为光能。然而,单层半导体的发光能力很弱,所以要将很多层单层材料叠加起来,压成类似千层糕那样的复合材料,这就是“外延片”。所以,LED的发光效率决定于在同等厚度里,能压入多少层。单层材料越薄,能叠加的层数越多,发光效率就越高。现在一般每层厚度仅为2-20微米,这也决定了外延片生产是整个LED生产流程中最困难的部分。切割LED核心:相当于从钨丝材料中抽出灯丝,不同的是,切割后的外延片是方块形。由于外延片这种特殊结构,想要完整无损地切割出发光核心,非常困难。不仅需要真空环境,还要专业的切割机。目前世界上只有两个厂家
6、生产这种切割机。将核心放入LED芯片:芯片之于LED,正如灯座之于灯泡,是供电部分。“芯片”是实现LED理想效果非常重要的装备,因为LED对电流的要求非常高。封装LED芯片成发光体:将LED芯片封装成为发光体,正如给灯丝灯座加上灯罩做成灯泡。灯罩形状可依据所需而不同,但封装技术决定了发光体的使用寿命。照明应用:就像运用白炽灯泡一样,根据不同功能和需要,装配成不同的LED产品。对LED照明来说,前三步的外延片、切割和芯片是上游,第四步的封装是中游,第五步的应用则是下游,LED结构,LED发光二极管的结构:主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和
7、N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。,图案化蓝宝石基板,图形化蓝宝石衬底(PatternedSapphire Substrate,PSS),也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜,用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形,利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石,并去掉掩膜,再在其上生长GaN材料,使GaN材料的纵向外延变为横向外延。一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度,从而减小有源区的非辐射复合,减小反向漏电流,提高LED的寿命;另一方面有源区发出的光,经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射,改
8、变了全反射光的出射角,增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率,从而提高了光的提取效率。综合这两方面的原因,使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高,同时反向漏电流减小,LED的寿命也得到了延长。,纳米图案化蓝宝石基板图,电子产品精密仪器,消费电子蓝宝石,图1 iphone 蓝宝石玻璃镜头,图2 iphone5S 蓝宝石指纹传感器,今年苹果购厂房用于蓝宝石玻璃生产的厂商 GT Advance目前在新厂房所在地梅萨市发布了招聘启事,表示将扩大蓝宝石生产,iPhone6将首次用上蓝宝石玻璃,预计蓝宝石产业将迎来非常好的发展机遇。,全球智能电子看苹果,小道消息:,苹果现任CEO蒂姆
9、.库克日前在接受美国ABC电视台采访时终于承认,此前采购的大批蓝宝石,将会在接下来的日子里被工厂加工为蓝宝石玻璃,并有望于2014年应用到新的设备上。而库克口中的新设备,在接下来的对话中,被间接证实为智能手表iWatch。,有外媒报道,苹果宣布一项与GTAdvancedTechnologies公司的合作计划,为后者投资5.78亿美元用于扩大生产蓝宝石时所用的ASF熔炉的保有量,预计可生产1亿2亿块蓝宝石玻璃屏幕,并由其合作伙伴GT Advance在亚利桑那州的工厂进行生产。,网易财经引述业界人士的说法预估,今年智慧手机与移动设备的蓝宝石晶棒需求比例将从2013年的5%上升到20%。中国证券网更
10、引述研究报告指出,只要有2000万部手机的萤幕采用蓝宝石材质,就等于目前整个LED产业的用量,将使得蓝宝石供不应求。,东方证券更进一步测算,如果蓝宝石应用在手机镜头、Home、屏幕保护玻璃,截至2016年全球智能手机按16.58亿部计算,其中手机镜头蓝宝石应用渗透率达80%,Home键蓝宝石应用达25%,手机屏幕蓝宝石应用达15%,2016年蓝宝石应用市场新增空间近50亿美元,将是LED衬底材料的5倍以上空间。,民用航天、军工用蓝宝石,透波窗口、整流罩、光电窗口、护板、陀螺、耐磨轴承等部件。,图1 光电跟踪系统蓝宝石窗口,图2 蓝宝石晶体的整流罩应用,军用光学蓝宝石,图3 战斗机光电吊舱,图4
11、 潜基光电设备潜艇光电桅杆,军用光电设备,如:光电吊舱、光电跟踪仪、红外警戒系统、潜舰光电桅杆等。,民用蓝宝石领域,蓝宝石制造过程,蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成.其相关制造流程如下:蓝宝石晶体 晶棒 晶棒 衬底,长晶:利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体定向:确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工掏棒:以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒滚磨:用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度品检:确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格,机械加工,蓝宝石晶棒制造工艺流程,晶体,晶棒,定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便
12、于精准切片加工切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等)品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求,机械加工,蓝宝石基片制造工艺流程,晶棒,基片,蓝宝石长晶方法介绍,为何使用蓝宝石当 LED衬底材料,可用于LED衬底的材料主要有单晶硅(Si)、碳化硅(Sic)、蓝宝石(Al2O3)、氮化镓(GaN)等。由于单晶硅晶格匹配太差,实验进
13、展缓慢无法实现商业化应用;碳化硅单晶成本价格较高,目前市价约是蓝宝石晶体的5倍以上,且只有美国科瑞(Cree)公司掌握成熟技术,目前占市场应用不到10%;氮化镓单晶制备更是困难,虽然同质外延质量最好,但价格是蓝宝石晶体的上百倍。综上所述,预计在未来5到10年范围,蓝宝石单晶是LED衬底材料的理想选择。,单晶蓝宝石长晶方法,蓝宝石单晶的制备工艺路线较多,其中比较典型有以下几种:提拉法(CZ)坩埚下降法(B-S)热交换法(HEM)泡生法(KY)除了以上几项主流的方法外,还有温度梯度法(TGT)、焰熔法、导模法(EFG)、水平结晶法(HDC)等,提拉法(CZ),拉晶法又称柴氏拉晶法(Czochral
14、ski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再利用一单晶晶种接触到熔汤表面,在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升,并伴随以一定的转速旋转,随着晶种的向上拉升,熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上,进而形成一轴对称的单晶晶锭.,坩埚上方有一根可以旋转和升降的提拉杆,杆的下端有一个夹头,其上装有一根籽晶。降低提拉杆,使籽晶插入熔体中,只要熔体的温度适中,籽晶既不熔解,也不长大,然后缓慢向上提拉和转动籽晶杆,同时缓慢降低加热功率,籽晶逐渐长粗。小心地调节加热功率,就能得到所需直径的晶体
15、。整个生长装置安放在一个外罩里,以保证生长环境有所需要的气体和压力。,提拉法生长方式示意图,有关工艺参数控制,1)加热方式 提拉法生长晶体的加热方法一般采用电阻加热和高频感应加热,在无坩埚生长时可采用激光加热、电子束加热、等离子体加热和弧光成像加热等加热方式2)晶体直径的控制 提拉法生长的晶体直径的控制方法很多,有人工直接用眼睛观察进行控制,也有自动控制。自动控制的方法目前一般有利用弯月面的光反射、晶体外形成像法、称重等法,炉内保温系统剖面图,提拉法生长晶体的优点,1)在生长过程中,可以直接观察晶体的生长状况,这为控制晶体外形提供了有利条件2)晶体在熔体的自内表面处生长,而不与坩埚相接触,能够
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