藍寶石是氧化鋁的單晶，屬三方晶系、六方結構，其晶體結構是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，排列十分緊密，具有較強的結合鏈和晶格能量，同時其晶體內部幾乎沒有雜質或缺陷，因此具有出色的電絕緣性、透明度、良好的導熱性和高剛性特性，廣泛用作光學窗口及高性能基板材料。不過藍寶石分子結構復雜且存在各向異性，對不同晶向進行加工和使用，其對應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體，擁有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，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外延生長，對于襯底材料有較高的要求。

GaN應用的三大領域

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-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量，進而獲得更好的氮化鎵磊晶品質，能夠提升超高亮度白/藍光LED的品質。不過在另一方面，這種沿ｃ軸方向生長的薄膜具有自發極化和壓電極化效應，導致薄膜內部(有源層量子阱)產生強大的內建電場，大大地降低了GaN薄膜的發光效率。

藍寶石單晶因其卓越的綜合性能，尤其是優異的透過性，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，在軍用光電設備中得到了廣泛的應用。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量優于c向生長的晶體，具有更少的位錯、更少的鑲嵌結構和更完整的晶體結構等，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和高絕緣特性，因此可應用于混合微電子技術中，也可用于高超導體的生長，如利用TlBaCaCuO（TbBaCaCuO）、Tl-2212，在藍寶石氧化鈰（CeO2）復合襯底上生長異質外延超導薄膜等。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、電氣和光學特性。一般來說，R面藍寶石襯底優選用于硅的異質外延沉積，主要用于制造半導體、微波和微電子集成電路應用，在制作砣、其它超導組件、高阻電阻器、砷化鎵時亦可應用R型基底生長。目前隨著智能手機和平板電腦系統等的普及，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用前景，寬禁帶MgZnO合金半導體薄膜越來越受到人們的關注。采用低壓金屬有機化學氣相沉積（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光器件中產生的負面效應，因此用作led的襯底材料可有助于提高發光效率。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].科技創新與應用.

2. 武漢晶芯光電有限公司產品介紹

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用里有哪些領域？》.展志科技

5. 《藍寶石晶片加工中的技術關鍵-拋光工藝》，MCF半導體.

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