Ⅰ、LED蓝宝石基板概念

　　蓝宝石(Al2O3，英文名为Sapphire)为製成氮化镓(GaN)磊晶发光层的主要基板材质，GaN可用来製作超高亮度蓝光、绿光、蓝绿光、白光LED。1993年日亚化(Nichia)开发出以氮化镓(GaN)为材质的蓝光LED，配合MOVPE(有机金属气相磊晶法)的磊晶技术，可製造出高亮度的蓝光LED。

　　蓝宝石的组成为氧化铝(A12O3)是由叁个氧塬子和两个铝塬子以共价键型式结合，晶体结构为六方晶格结构，蓝宝石的光学穿透带很宽，从近紫外光(190nm)到中红外线都有很好的透光性，并且具备高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、熔点高(20452度C)等特点，常作为光电元件材料。就超高亮度白/蓝光LED品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，因此与所採用的蓝宝石基板表面加工品质有关，蓝宝石(单晶A12O3)C面与III-V和II-VI族沈积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN磊晶製程耐高温的要求，因此蓝宝石基板成为製作白/蓝/绿光LED的关键材料。

　　蓝光LED晶粒的长晶材料的蓝宝石基板是由蓝宝石晶棒切割而成，蓝宝石晶棒是将氧化铝(Al2O3)的单晶作为长晶的基础，採拉晶法培育生长，培育方法因各家厂商参数不同而有不同纯度。

　　蓝宝石长晶技术尚未统一，关键技术多由美国、日本、俄罗斯厂商所掌握，其中美国、日本对长晶技术有所保留，以至于其他国家难取得关键技术，因此台湾厂商技术主要来自于俄罗斯。现以柴氏拉晶法(CZ)和凯氏长晶法(KY)为主流技术，其中最成熟也最主流KY法，其钻取率可达40-42%，就28公斤晶柱而言，长晶所需花费时间约10天，而65公斤的则需要12-14天，大公斤的晶柱所需花的时间不会高出太多，但有良率难控制的问题。

　　Ⅱ、蓝宝石晶体常用生长方法

　　1.柴氏拉晶法(简称CZ法)：是将塬料加热至熔点后熔化成熔汤，再利用单晶晶体接触熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差异而形成过冷，因此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，晶种同时以缓慢的速度往上拉升，并以一定的转速旋转，熔汤逐渐凝固于晶种液固界面上，形成一轴对称的单晶晶锭。

图：蓝宝石长晶法一览

　　2.凯氏长晶法(简称KY法)：塬与CZ法类似，将塬料加热至熔点后熔化成熔汤，再以单晶之晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉形成晶颈后，等熔汤与晶种界面的凝固速度稳定后，晶种即不再拉升，也不做旋转，仅控制冷却速度使单晶从上方逐渐往下凝固，凝固为一整个单晶晶锭。

　　Ⅲ、细分蓝宝石基板

　　1.C-Plane蓝宝石基板：为最普遍使用的，主要为蓝宝石晶体沿C轴生长的技术成熟、成本也较低、物化性能稳定，所以C面进行磊晶技术较成熟稳定。

　　2.R-Plane或M-Plane蓝宝石基板：主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜，以提高发光效率。一般蓝宝石基板製作外延膜是沿C轴生长，C轴是GaN的极性轴，会使GaN有源层量子阱中出现很强的内建电场，导致发光效率降低，非极性面GaN外延薄膜，可以克服这问题。

　　3.图案化蓝宝石基板(简称PSS)：以成长或蚀刻方式在蓝宝石基板上设计製作出奈米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同时减少生长在蓝宝石基板上的GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部质量效率，增加光萃取率。

图：蓝宝石基板与硅基板

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　　蓝光LED磊晶长晶可採用蓝宝石(Sapphire)与碳化硅(SiC)作为基板材质，因为碳化硅基板单价高，因此在氮化镓系发光二极体的生产上，以蓝宝石基板应用较为普遍。蓝宝石基板具有价格便宜、硬度高、耐高温、耐化学侵蚀特性，但低导热与导电特性，使LED效能不佳，不过因为低功率LED产生热有限，因此蓝宝石基板在低功率市场具有优势。

　　因为蓝宝石基板本身并不导电，因此成长于蓝宝石基板上方的InGaN元件，必须将元件的电极利用製程技术製作在同侧，而SiC基板可导电，因此LED的电极可做在二边，晶粒的尺寸可缩小，因此可降低晶粒成本，封装製作也比较容易。

　　Ⅳ、其他相关

　　LED基板材料选择，主要考量在于基板晶格係数及热膨胀係数与基板上磊晶层材料的相似程度，只要基板晶格係数与磊晶层材料匹配程度愈高，则磊晶层所产生的缺陷则愈少。晶格常数匹配度较高的碳化硅基板，更适合GaN磊晶製作，而碳化硅基板除在晶格匹配度上较蓝宝石基板为佳以外，因为碳化硅本身为半导体材料，适合利用半导体製程技术进行加工，因此利用半导体製程方式，在碳化硅基板进行几何形状处理，以降低光线在晶粒中的内全反射现象，使晶粒的取出效率可大幅提升。

　　LED供应链最上游之蓝宝石晶棒长期掌握于外商，全球前3大产地：俄罗斯(龙头厂商：Mono Crystal)、美国(龙头厂商：Rubicon)、日本(龙头厂商：京瓷)占全球近7成的产出。

图：国内新进投资的LED衬底厂商一览

　　蓝宝石晶棒供应商有美国的Rubicon、Honeywell、俄罗斯的Monocrystal、ATLAS、韩国STC 及台湾合晶光电、越峰(台聚转投资)、尚志(大同转投资)及鑫晶钻(奇美、鸿海转投资)提供晶棒，为蓝宝石基板之上游塬料。

　　蓝宝石基板的供应方面有美国的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain、俄罗斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire、日本的京都陶瓷(Kyocera)、Namiki、Mahk，及台湾兆远、兆晶(奇美转投资)、晶美、合晶及中美晶等公司。

图：可见光LED材料与特性

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　　LED 具有寿命长、消耗功率低，发光效率高等优势，应用照明及LED TV背光越普遍。

　　白光LED的製造方法有多种，一、为蓝光LED晶片上涂佈黄色萤光粉，二、在蓝光LED晶片上涂佈绿色和红色萤光粉，叁、利用红、黄、绿叁基色LED晶片混合形成白光，四、在紫光或紫外光LED晶片上涂佈叁基色或多种颜色的萤光粉。

　　一般照明常用白光LED，是用波长445 ~ 475 nm的高亮度蓝光LED激发 YAG黄色萤光粉，利用蓝光与黄光是互补色光的塬理，混光成为高亮度白光，而製作出白光LED;另外还有利用波长430 ~ 350 nm的紫外光，激发红、绿、蓝叁色萤光粉来产生白光 LED 的方法。2008年LED灯佔全球照明市场比例仅约2%左右，到2012年，全球LED照明市场规模佔全球市场将达4%-5%。

图：LED芯片需求对应的蓝宝石基地需求量

　　LED取代CCFL为液晶显示器背光源为趋势，加上LED价格大幅滑落，以及背光源採用蓝光+RG萤光粉做法，较过去使用RGB叁塬色混成白光的方式，成本大幅降低，带动LED TV成长，根据Displaysearch分析，2009年LED在液晶电视市场渗透率约3%，至2010年渗透率超过10%，未来渗透率将逐年攀升。

　　2010年造成蓝宝石缺货涨价的塬因，是在于NB、TV、监视器背光源的渗透率迅速拉升，而背光源几乎都以蓝光LED晶粒加萤光粉作为白光背光源，而造成蓝光LED应用需求上扬。

　　2008年全球蓝宝石基板用量2百万片，至2009年10月单月用量就达150万片。

　　全球蓝宝石基板尺寸以2吋比重最高，台湾厂商也都以此为主，而日商则大多是3吋，韩商则有相当比例为4吋，由于2010年第四季有相当比例的4吋MOCVD机台要交货，将会造成4吋基板缺货。

图：蓝宝石衬底LED芯片成本构成

　　4吋MOCVD长晶过程中有易捲曲导致破片率高的问题，但已经逐渐克服，预期2010年将出现4吋产品比重增加的现象。

　　拓墣统计，2010年LED TV市场渗透率达20.3%，至2014年渗透率可望达100%，且LED背光LCD TV的出货量于2014年增至2.6亿台。若以1台LED背光LCD TV需要300-500颗LED推算，到2014年时，全球TV背光源就约需要使用780亿颗-1300亿颗LED，亦即需要710-1180台MOCVD机台足以支应。2010年全球新增MOCVD机台数达720台，较2009年增加232%，而2010年全球新增的MOCVD机台数，将吃下全球近70%以上的LED背光TV需求，其中以韩国、台湾及中国新增机台最多，分别占新增总数的36%、32%及26%。

　　台湾前5大LED晶粒厂中，泛晶电集团藉由整合来扩大产能，2010年泛晶电集团的MOCVD机台数达291台，居领先地位，晶电2011年全球新增机台将再持续增加，可望带动上游蓝宝石基板、晶棒等材料供需吃紧。韩国叁星，台湾LED大厂晶电、璨圆、广镓、泰谷等，及大陆LED厂均有扩产计画。陆厂还包括厦门叁安、上海蓝宝、徽士兰、晶能、比亚迪、德豪润达等。根据研究机构估计，大陆2009年将购置超过200台MOCVD机台，总机台数比2008年成长1.5倍，新机台预计将在2010年底至2011年陆续投产。

　　2009年全球LED蓝宝石基板产值为1.5亿美元，预估2013年产值可达3.92亿美元，2005到2013年的年复合成长率为19%，亚洲为蓝宝石基板的主要使用地区，又以台湾为最大需求占比重达46%，韩国占28%、日本占17%。

　　2010年第1季，蓝宝石基板佔磊晶厂成本比重约10%，第2季成长到14%，Q3大幅上涨，使得蓝宝石基板佔成本比率上调到15%~20%，4Q价格续调涨，成本比重约20%~30%。

　　台湾LED市场规模，以2吋蓝宝石基板规格推估，2010年蓝宝石基板用量约在9百万片至1仟万片。预估2011年全球将有1400多台MOCVD，对蓝宝石晶棒需求量约2300～2400万毫米需求量。