藍寶石是氧化鋁的單晶，屬三方晶系、六方結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成，排列十分緊密，具有較強的結(jié)合鏈和晶格能量，同時其晶體內(nèi)部幾乎沒有雜質(zhì)或缺陷，因此具有出色的電絕緣性、透明度、良好的導(dǎo)熱性和高剛性特性，廣泛用作光學(xué)窗口及高性能基板材料。不過藍寶石分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在各向異性，對不同晶向進行加工和使用，其對應(yīng)物理性能的影響也大不一樣，因此用途也存在差異。通常來說，藍寶石襯底有C、R、A和M平面方向可供選擇。

氮化鎵（GaN）材料作為寬禁帶第三代半導(dǎo)體，擁有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。不過由于GaN熔點高，目前難以得到大尺寸的單晶材料，因此常見的方式是在其他襯底上進行異質(zhì)外延生長，對于襯底材料有較高的要求。

GaN應(yīng)用的三大領(lǐng)域

相比其他晶面的藍寶石襯底，C面（<0001>取向）藍寶石晶片與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族（如GaN）沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率相對較小，且連兩者與可作為緩沖層的AlN薄膜之間的晶格常數(shù)失配率更小，同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，因此是GaN生長常用的襯底材料，可用于制作白/藍/綠光LED、激光二極管、紅外探測儀等。

在以氮化鋁薄膜作為緩沖層的藍寶石襯底上生長GaN

值得一提的是，C面藍寶石襯底上生長的GaN薄膜是沿著其極性軸即ｃ軸方向生長的，其不僅生長工藝和進磊晶的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩(wěn)定，而且加工性能也更好。C向藍寶石晶片的原子之間是以O(shè)-Al-Al-O-Al-Al-O的排列方式鍵合，而M向和A向藍寶石晶體則以Al-O-Al-O鍵合，由于Al-Al比Al-O鍵能小且鍵合要弱，因此相比M向和A向藍寶石晶體，C向藍寶石的加工主要是將Al-Al鍵打開，更易于加工，能夠獲得更高的表面質(zhì)量，進而獲得更好的氮化鎵磊晶品質(zhì)，能夠提升超高亮度白/藍光LED的品質(zhì)。不過在另一方面，這種沿ｃ軸方向生長的薄膜具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)產(chǎn)生強大的內(nèi)建電場，大大地降低了GaN薄膜的發(fā)光效率。

藍寶石單晶因其卓越的綜合性能，尤其是優(yōu)異的透過性，可以增強紅外線的穿透效果，成為了理想的中紅外窗口材料，在軍用光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。其中A面藍寶石為極性面（C面）法線方向上的面，為無極性面。通常a向生長的藍寶石晶體質(zhì)量優(yōu)于c向生長的晶體，具有更少的位錯、更少的鑲嵌結(jié)構(gòu)和更完整的晶體結(jié)構(gòu)等，因此具有更好的透光性能，同時由于A面上Al-O-Al-O的原子鍵合方式，使得a向藍寶石的硬度、耐磨性都要明顯高于c向，因此A向晶片大多用于作為窗口材料；除此之外，A向藍寶石還具有均勻的介電常數(shù)和高絕緣特性，因此可應(yīng)用于混合微電子技術(shù)中，也可用于高超導(dǎo)體的生長，如利用TlBaCaCuO（TbBaCaCuO）、Tl-2212，在藍寶石氧化鈰（CeO2）復(fù)合襯底上生長異質(zhì)外延超導(dǎo)薄膜等。不過，同樣因為Al-O較大的鍵能，在加工上存在較大難度。

A向藍寶石光學(xué)窗口（來源：上海鑫科匯新材料有限公司）

R面是藍寶石的非極性面，因此，藍寶石器件中R平面位置的變化使其具有不同的機械、熱、電氣和光學(xué)特性。一般來說，R面藍寶石襯底優(yōu)選用于硅的異質(zhì)外延沉積，主要用于制造半導(dǎo)體、微波和微電子集成電路應(yīng)用，在制作砣、其它超導(dǎo)組件、高阻電阻器、砷化鎵時亦可應(yīng)用R型基底生長。目前隨著智能手機和平板電腦系統(tǒng)等的普及，R面藍寶石襯底已代替了用于智能手機、平板電腦的現(xiàn)有化合物SAW器件，提供一種能夠改善性能的裝置用基板。

r面藍寶石晶片（來源：武漢晶芯光電有限公司）

M面為藍寶石的半極性面，由于藍寶石在日盲紫外探測中的應(yīng)用前景，寬禁帶MgZnO合金半導(dǎo)體薄膜越來越受到人們的關(guān)注。采用低壓金屬有機化學(xué)氣相沉積（LP-MOCVD）方法在M面（10-10）藍寶石晶片上制備了一系列不同成分的Mg_xZn_1-xO薄膜。

M面（10-10）藍寶石晶片（來源：武漢晶芯光電有限公司）

除此之外，R面或M面用于生長非極性/半極性面外延層時，相比C面藍寶石襯底而言，其能夠部分甚至完全改善由極化場引起的在發(fā)光器件中產(chǎn)生的負面效應(yīng)，因此用作led的襯底材料可有助于提高發(fā)光效率。不過加工或切割時選擇m面為切割面容易開裂，較難制備高質(zhì)量表面的制備。

參考來源：

1. 胥先清.藍寶石孔加工工藝研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.

2. 武漢晶芯光電有限公司產(chǎn)品介紹

3. 《藍寶石｜藍寶石襯底介紹》， 超硬材料與磨料磨具.

4. 《藍寶石陶瓷基板的三個基本方面及自身應(yīng)用里有哪些領(lǐng)域？》.展志科技

5. 《藍寶石晶片加工中的技術(shù)關(guān)鍵-拋光工藝》，MCF半導(dǎo)體.

粉體圈Corange整理