[发明专利]蓝宝石晶体生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓝宝石晶体生长方法，属于单晶蓝宝石(氧化铝单晶)长晶技术领域，

背景技术

目前，单晶蓝宝石基板在现代科技产品的运用十分重要，以光电产业的发光二极管(LED)为例，氮化镓(GaN)的材料研究已超过二十年，但一直因为没有晶格常数配合的基板(Substrate)，所以晶体长不好，并且p型氮化镓不易制成，所以进展缓慢，这些问题一直到1983年，日本的田贞史博士(S.Yoshida)等人用氮化铝(AlN)在蓝宝石(Sapphire)基板上先用高温成长做缓冲层，再在其上生长氮化镓时，结晶较好，之后名古屋大学的赤崎勇教授(I.Akasaki)等人发现以有机金属气相沉积法(MOCVD或OMVPE)均匀的在低温(约600℃)长一层薄的氮化铝，再在其上以高温(约1000℃左右)成长氮化镓可以得到像镜面的材料。1991年日亚公司(Nichia Co.)研究员中村修二(S.Nakamura)改用非晶体氮化镓以低温先成长为缓冲层(Buffer Layer)，再以高温成长氮化镓时，也得到镜面般平坦的膜。另一个如何做p-GaN的问题也获得突破，1989年赤崎勇教授等人首先将镁(Mg)掺杂在氮化镓里使其成长，长成后进行电子束照射得到p型氮化镓，后来日亚公司的中村修二发现电子束，不过是使氮化镓的温度升高，使Ma-H中的氢分离而镁受子被活性化产生低阻抗的氮化镓，他发现如果以700℃左右的热退火也可将氢赶走，使镁活性化而完成p型的工作。利用以上二个发现，日亚公司1993年宣布成功开发光度一烛光(Cd)的GaN蓝光发光二极管(LED)，寿命长达数万小时。此消息发表后，立刻引起全世界的注意，目前全球各地已有很多团体在研究此类材料的制造、性质及应用。以中国台湾专利为例，发明第I245440号名称为发光二极管专利(参照2005年12月11日专利公告)，其包含有：一基板；一成核层，设置于该基板上，且是由AlxGa1-xN所形成，以解决晶格不匹配的现象，其中0≤x≤1；一缓冲层，设置于该成核层上；一n型接触层，设置于该缓冲层上，且电性连接于一n型电极，该n型接触层是由n-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.3；一n型被覆层，设置于该n型接触层上，且是由n-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.3；一发光层，设置于该n型披覆层上；一p型阻障层，形成于该发光层上，防止载子溢流，该p型阻障层是由p-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.4；一p型被覆层，形成于该p型阻障层之上，以局限载子，该p型被覆层是由p-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.3；及一p型接触层，是位于该p型被覆层之上，且电性连接于一p型电极，该p型接触层由p-AlxGa1-xN所形成，其中0≤x≤0.15；其中，当于该n型电极与该p型电极施加一适当的顺向偏压时，即可激发该发光层产生波长为300-380奈米的光线输出。而其中该基板是选自由蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、氮化镓基板、氮化铝基板、氮化铝镓基板及氧化锌基板所成组合之一。而由于蓝宝石基板(氧化铝单晶)的晶格与氮化镓非常接近，是非常适合的基板材料，故蓝宝石基板之长成技术也就格外的重要了。

另外，生产蓝宝石基板主要的关键技术在于2050℃高温中将氧化铝粉末熔化及生长晶体，而通常蓝宝石长晶方法大体包括有以下几种：

火焰融熔法(Flame Fusion)：火焰融熔法是利用氢气、氧气燃烧高温的火炬，将从上而下掉落的氧化铝粉融化，液融滴在下盘承接的晶种上而固化，有如钟乳石洞内的石笋成长般的变大。此种氧化铝单晶最大可达直径3厘米，但其内部可能含有气泡，及未融化的氧化铝粉及残留应力等瑕疵，故只适用于手表表面的蓝宝石玻璃、蓝宝石齿轮(Gear)及装饰品等用途。世界生产此种蓝宝石的工厂发迹于欧洲，例如法国的Bircon闻名于世。

助熔法(Flux Growth)：助熔法则是利用助熔剂，如氧化铅、氟化铝及氟化钠等，将氧化铝在低于2050℃溶解，再经由液体慢慢冷却，过饱和析出。此种方法是传统实验室培育新材料的方法，不适用于工业界的量产。目前是以此生产宝石等装饰品的公司，如美国JO Crystal及Chatham。