[發明專利]藍寶石晶體生長方法

無效

• 申請號: 200610167773.4
• 申請日: 2006-12-18
• 公開（公告）號: CN101205628A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發明（設計）人: 莊育豐
• 申請（專利權）人: 莊育豐
• 主分類號: C30B29/20
• 分類號: C30B29/20;C30B1/00
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司
• 代理人: 程殿軍

技術領域

本發明涉及一種藍寶石晶體生長方法，屬于單晶藍寶石(氧化鋁單晶)長晶技術領域，

背景技術

目前，單晶藍寶石基板在現代科技產品的運用十分重要，以光電產業的發光二極管(LED)為例，氮化鎵(GaN)的材料研究已超過二十年，但一直因為沒有晶格常數配合的基板(Substrate)，所以晶體長不好，并且p型氮化鎵不易制成，所以進展緩慢，這些問題一直到1983年，日本的田貞史博士(S.Yoshida)等人用氮化鋁(AlN)在藍寶石(Sapphire)基板上先用高溫成長做緩沖層，再在其上生長氮化鎵時，結晶較好，之后名古屋大學的赤崎勇教授(I.Akasaki)等人發現以有機金屬氣相沉積法(MOCVD或OMVPE)均勻的在低溫(約600℃)長一層薄的氮化鋁，再在其上以高溫(約1000℃左右)成長氮化鎵可以得到像鏡面的材料。1991年日亞公司(Nichia?Co.)研究員中村修二(S.Nakamura)改用非晶體氮化鎵以低溫先成長為緩沖層(Buffer?Layer)，再以高溫成長氮化鎵時，也得到鏡面般平坦的膜。另一個如何做p-GaN的問題也獲得突破，1989年赤崎勇教授等人首先將鎂(Mg)摻雜在氮化鎵里使其成長，長成后進行電子束照射得到p型氮化鎵，后來日亞公司的中村修二發現電子束，不過是使氮化鎵的溫度升高，使Ma-H中的氫分離而鎂受子被活性化產生低阻抗的氮化鎵，他發現如果以700℃左右的熱退火也可將氫趕走，使鎂活性化而完成p型的工作。利用以上二個發現，日亞公司1993年宣布成功開發光度一燭光(Cd)的GaN藍光發光二極管(LED)，壽命長達數萬小時。此消息發表后，立刻引起全世界的注意，目前全球各地已有很多團體在研究此類材料的制造、性質及應用。以中國臺灣專利為例，發明第I245440號名稱為發光二極管專利(參照2005年12月11日專利公告)，其包含有：一基板；一成核層，設置于該基板上，且是由AlxGa1-xN所形成，以解決晶格不匹配的現象，其中0≤x≤1；一緩沖層，設置于該成核層上；一n型接觸層，設置于該緩沖層上，且電性連接于一n型電極，該n型接觸層是由n-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.3；一n型被覆層，設置于該n型接觸層上，且是由n-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.3；一發光層，設置于該n型披覆層上；一p型阻障層，形成于該發光層上，防止載子溢流，該p型阻障層是由p-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.4；一p型被覆層，形成于該p型阻障層之上，以局限載子，該p型被覆層是由p-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.3；及一p型接觸層，是位于該p型被覆層之上，且電性連接于一p型電極，該p型接觸層由p-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.15；其中，當于該n型電極與該p型電極施加一適當的順向偏壓時，即可激發該發光層產生波長為300-380奈米的光線輸出。而其中該基板是選自由藍寶石基板、硅基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、氮化鋁鎵基板及氧化鋅基板所成組合之一。而由于藍寶石基板(氧化鋁單晶)的晶格與氮化鎵非常接近，是非常適合的基板材料，故藍寶石基板之長成技術也就格外的重要了。

另外，生產藍寶石基板主要的關鍵技術在于2050℃高溫中將氧化鋁粉末熔化及生長晶體，而通常藍寶石長晶方法大體包括有以下幾種：

火焰融熔法(Flame?Fusion)：火焰融熔法是利用氫氣、氧氣燃燒高溫的火炬，將從上而下掉落的氧化鋁粉融化，液融滴在下盤承接的晶種上而固化，有如鐘乳石洞內的石筍成長般的變大。此種氧化鋁單晶最大可達直徑3厘米，但其內部可能含有氣泡，及未融化的氧化鋁粉及殘留應力等瑕疵，故只適用于手表表面的藍寶石玻璃、藍寶石齒輪(Gear)及裝飾品等用途。世界生產此種藍寶石的工廠發跡于歐洲，例如法國的Bircon聞名于世。

助熔法(Flux?Growth)：助熔法則是利用助熔劑，如氧化鉛、氟化鋁及氟化鈉等，將氧化鋁在低于2050℃溶解，再經由液體慢慢冷卻，過飽和析出。此種方法是傳統實驗室培育新材料的方法，不適用于工業界的量產。目前是以此生產寶石等裝飾品的公司，如美國JO?Crystal及Chatham。