蓝宝石晶体基片产业意义和重要性

1、、蓝宝石晶体、基片产业意义和重要性蓝宝石Sapphire（分子式为AI2O3）晶体是一种具有集优良光学性能、 物理性能和化学性能的独特结合体。作为最硬的氧化物晶体，蓝宝石由 于其光学和物理特性而被运用于各种要求苛刻的领域。蓝宝石可以在高 温下保持其高强度、优良的热属性和透过率。它有着很好的热特性，极 好的电气特性和介电特性， 并且防化学腐蚀。 随着科学技术的迅猛发展， 蓝宝石（ AI2O3 ）晶体已经成为现代工业，尤其是微电子及光电子产业 极为重要的基础材料。光电子产业作为 21 世纪最大、最活跃的产业之一，在促进国民经 济和科学发展中起到了重要的作用，在国际高科技竞争及国家安全方面 具有极其

2、重要的意义，一些国际著名科学家也纷纷预言，光电子技术发 展将为工业和社会生活带来无以限量的冲击波，并预示光电子时代即将 到来，其规模和社会的影响力将占越来越重的比重。蓝宝石（ AI2O3 ） 晶体是现代工业重要基础材料。除被军用红外装置、导弹、潜艇、卫星 空间技术、 探测和高功率强激光等尖端科技广泛应用外， 它还为微电子、 光电子，半导体、光通信、信息显示、精密机械、国防军事及国内外重 大科学工程等众多热点领域技术发展尤其是蓝（白）光 LED 照明产业 提供了窗口材料。二、蓝宝石衬底基片技术(一)中科院上海光机所：该所在蓝宝石晶体材料研究方面世界排 名第七，中国排名第一，是我国晶体材料研发基地

3、和材料科学高级人才 培训基地。获得三项国家科技进步奖、数十项国家级奖励和六项核心专 利技术。目前世界上只有极少数国家能生长出满足衬底质量和尺寸要求的AI2O3晶体。中科院上海光机所从事蓝宝石晶体材料研究已有20多年的历史。 70 年代末，上海光机所创立了导向温梯法 (TGT) ，88 年获得专利 权。在 “八五 ”和“九五”863计划的支持下，成功生长出具有国际领先水 平的钛宝石和蓝宝石晶体， 常规钛宝石、 标准化蓝宝石衬底由 50X0.4mm 已达到产业化水平。更大尺寸 (第二代和第三代 )的蓝宝石衬底和特殊要 求的钛宝石晶体正在发展之中。该所采用具有自主知识产权的温梯法批 量生产 F2-3

4、 英寸蓝宝石衬底基片，拥有数项核心专利，曾获得2003 年度国家科技进步奖。1、F2-3 英寸蓝宝石衬底基片项目技术创新点：(1 )、采用氢气氛中感应加热钼钳埚提拉法生长2-3英寸外延用蓝宝石衬底晶体，解决了长期以来钼钳埚生长技术由于 “钼衣 ”问题而不 能产业化的难题，这一创新大大降低了蓝宝石基片的成本，具有重大技术经济意义（ 2）、首次使用电子束技术提纯 AL203 材料达到 ppm 级，保证低 “杂 质效应 ”优质蓝宝石的产品质量。（ 3）、自主开发成功计算机自控上称重晶体生长技术，解决了晶体 生长等径自控问题，明显提高了产品成品率。（ 4）、突破了国际上公认的高掺杂的难关，蓝宝石晶体的

5、弱吸收和 光学均匀性、 Ti:al203 晶体的掺杂浓度和峰值吸收系数等处于国际领先 水平，成为继美国之后，能提供实用化优质晶体的国家。2、大尺寸优质蓝宝石晶体衬底材料70年代末，上海光机所创立了导向温梯法（ TGT ），88 年获得专利 权。在 “八五 ”和“九五”863计划的支持下，用温梯法成功生长了尺寸达ll5x80mm3的大尺寸优质蓝宝石晶体，晶体外形完整，等径部位不开 裂。分析比较了不同纯度的 Al2O3 原料对晶体质量的影响。 建立了特殊 的高温退火装置，耐火温度 1600 C。通过以上工艺，已经成功地解决 了蓝宝石晶体的着色现象，并极大地减小了晶体的光吸收。较好地解决 了大尺寸蓝

6、宝石晶体的加工问题，面形精度获得明显提高。本项目生产 出的蓝宝石晶体具有国际领先水平，标准化蓝宝石衬底构0X0.4mm已 达到产业化水平，更大尺寸(第二代和第三代)的蓝宝石衬底和特殊要求的钛宝石晶体正在发展之中。 目前四英寸蓝宝石晶体的研制取得以下研究成果：(1) 、稳定生长尺寸120x80mm勺优质AI2O3晶体，成品率 >80 ；(2) 、大面积光学均匀性An< 10-5;光损耗v 10-4/cm ;(3) 、位错密度：<5xlo2/m2;双晶衍射摇摆曲线：FWH1M20"( 4)、美国 LIGO 工程对于我研究小组生长勺大尺寸蓝宝石晶体110 80mm进行了

7、1064nm处的弱吸收测试，结果：吸收系数为35-65pp/cm，优于美国 CRYSTAL SYSTEM Inc. ( CSI )公司提供的样品(80ppm/cm )。通过改进生长工艺，建立更合适的温度梯度，有效地提 高了蓝宝石晶体的光学均匀性，PV值达17nm，优于美国CSI公司的30nm;( 5)、已向美国国家自然科学基金委重大项目LIGO 计划提供大尺寸蓝宝石晶体样品，并己提出了第二期研究计划;(6) 、向国内从事 GaN 的研究单位提供各类蓝宝石衬底基片 100 多片;(7) 、将向国家反导、反卫星 “氧一碘强激光工程 ”项目提供 5块100mm左右的大尺寸晶体作强激光窗口。该项研究现

8、处于小批量生产阶段，氮化镓是继硅单晶之后，人类所 发现的最重要的新材料， 其市场刚刚启动， 1998 年市场销售额年 5亿美 元， 1 999年 9亿美元， 目前每年正以 40%的速度迅速增加。 它所需要的 蓝宝石衬底，将以同样的增速发展，市场前景十分可观。仅氮化物半导体所需衬底材料，每年约需 100万片（构0X0.4mm ）, 1999年市场销 售额0.6亿美元；2000年1亿美元。已取得的经济和社会效益：自 “九五 ”立项以来，实验室阶段：向美 国、日本、法国、以色列等国家和地区出口钛宝石激光棒 100 多根和蓝 宝石晶体。出口创汇 20多万美元，国内创汇 30万人民币。成为继美国 之后能

9、提供实用化优质大尺寸蓝宝石晶体的国家，代表了我国在此领域 的地位和水平。售额 0 . 6亿美元； 20 0 0年1亿美元。（二）中科院长春光机所：由中国科学院长春光机所、厦门大学共 同承担的国家自然科学基金委员会重点项目 “氧化锌基单晶薄膜材料、 物性及器件研究 ”，经过两年的刻苦攻关，在国内率先获得了氧化锌同 质结的电致发光，并且在国际上首次实现了蓝宝石衬底生长的氧化锌二 极管室温电致发光，为今后氧化锌蓝紫外发光和激光二极管的发展奠定 了实验基础。此外，项目组采用分子束方法，通过优化生长工艺，制备 出了高质量氧化锌单晶薄膜，并观测到了强的自由激子发光。在此基础 上，采用不同的气源，通过原位调

10、节反应粒子种类，在蓝宝石衬底上成 功制备出了氮掺杂的 p 型氧化锌薄膜，进而获得氧化锌同质 pn 结。由于短波长激光器对提高光通信的带宽、光信息的存储密度和读取 速度有重要的意义，并且在半导体白光照明、医学及生物等高科技领域 具有广泛的用途，所以氧化锌的研究引起了全世界科学家的高度重视。 继上世纪 90 年代初氮化镓蓝光二极管研究取得突破进展后，氧化锌成 为人们获得蓝 /紫外发光和激光的新型半导体光电子材料， 并已经成为国 际前沿领域的热点课题。和氮化镓相比，氧化锌具有更高的热稳定性和 化学稳定性，对环境友好，对衬底没有苛刻的要求，并且可以用多种方 法来制备氧化锌薄膜，生长所需的衬底温度也比氮

11、化镓低的多，其很高 的激子束缚能，使得其在室温下会获得高效的紫外激子发光和激光。自 1996 年香港科学家首次报道了氧化锌薄膜室温下的近紫外光泵浦受激 光发射以来，氧化锌的研究虽然取得了一些进展，但由于强的自补偿效 应，高质量 p 型氧化锌的制备成为阻碍氧化锌发展的一个难题。 直到 2004 年，日本的研究组才在铝镁酸钪衬底上获得了氧化锌同质 pn 结的电致 发光。三、产品市场前景一）在氮化物半导体的应用方面2000年，蓝宝石（Al 2O3）仅做为氮化物半导体的衬底市场规模US$1.5 亿，至 2040 年，其国际市场将保持 >40% 左右的增速。如果考虑 白光 LED 部分用作照明，其

12、市场潜力巨大。 Boston 大学 D. Fraser 教授 预测，低功率蓝光 LED 、LD 将成为 80 亿美元市场的彩色复印机、打印 机和传真机的关键元件，并将使 100亿美元的光存储市场有重大突破。国内已建立和在建的氮化镓（GaN /AI2O3）外延片生产线有 6条，其芯 片和配套下游产品（封装等）国内也已有一定规模，将在未来2-3 年内形成产业链，但所用蓝宝石衬底基片均从国外进口。（二）在蓝（白）光 LED 的应用方面2002年蓝宝石衬底基片市场已发展到 30亿美元， 2003年34亿美 元，年复增长率 12%。有关专家预测：到 2007 年市场规模将会达到 50 亿美元。因蓝（白）

13、光 LED 和普通照明灯相比，发光亮度提高15 倍，使用寿命提高50倍。目前世界著名照明行业的生产商（Orsam,菲利浦等），都在投资蓝（白）光 LED 产业， 因为传统照明的市场将迅速消失， LED 照明市场将无限扩大。目前，中国、美国、日本、韩国、德国、台 湾地区等，都制定了蓝（白）光 LED 的发展计划及扶持政策，大力支 持 LED 的产业发展。国内外有关专家预测，蓝宝石衬底基片的市场生 命力最少将保持 50 年以上三）在高亮度发光二级管的应用方面由于蓝宝石的绝缘性好， 介电损耗小， 耐高温， 耐薰硷腐蚀。 导热性好， 在机械强度足够高。且能加工成平整的表面。透光波段宽。因此广泛用 于工业，国防，科研多个领域 （如耐高温红外线窗口等 ）。同时也是一种 用途广泛的发光二极管 （HB LED） 的上好的衬底材料。