一、藍寶石介紹
藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，其晶體結構為六方晶格結構。它常被應用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍寶石的光學穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高（2045℃）等特點，它是一種相當難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質，而氮化鎵磊晶品質則與所使用的藍寶石基板表面加工品質息息相關，藍寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小，同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石芯片成為制作白/藍/綠光LED的關鍵材料。

下圖則分別為藍寶石的切面圖；晶體結構圖上視圖；晶體結構側視圖；Al2O3分之結構圖；藍寶石結晶面示意圖：

最常用來做GaN磊晶的是C面(0001)這個不具極性的面,所以GaN的極性將由制程決定

                     (a)圖從C軸俯看                          (b)圖從C軸側看

四、藍寶石基板應用種類
 
廣大外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種：
 
1、C-Plane藍寶石基板
 
這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩定,在C面進行磊晶的技術成熟穩定。
  
C-Plane藍寶石基板是普遍使用的藍寶石基板。1993年日本的赤崎勇教授與當時在日亞化學的中村修二博士等人，突破了InGaN與藍寶石基板晶格不匹配（緩沖層）、p型材料活化等等問題后，終于在1993年底日亞化學得以首先開發出藍光LED。以后的幾年里日亞化學以藍寶石為基板，使用InGaN材料，通過MOCVD技術并不斷加以改進藍寶石基板與磊晶技術，提高藍光的發光效率，同時1997年開發出紫外LED，1999年藍紫色LED樣品開始出貨，2001年開始提供白光LED。從而奠定了日亞化學在LED領域的先頭地位。

臺灣緊緊跟隨日本的LED技術，臺灣LED的發展先是從日本購買外延片加工,進而買來MOCVD機臺和藍寶石基板來進行磊晶，之后臺灣本土廠商又對藍寶石晶體的生長和加工技術進行研究生產,通過自主研發，取得LED專利授權等方式從而實現藍寶石晶體、基板、外延片的生產、外延片的加工等等自主的生產技術能力，一步一步奠定了臺灣在LED上游業務中的重要地位。目前大部分的藍光/綠光/白光LED產品都是以日本臺灣為代表的使用藍寶石基板進行MOCVD磊晶生產的產品.使得藍寶石基板有很大的普遍性,以美國Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產品則跟隨其后。
 
2、R-Plane或M-Plane藍寶石基板
 
主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的，而c軸是GaN的極性軸，導致GaN基器件有源層量子阱中出現很強的內建電場，發光效率會因此降低，發展非極性面GaN外延，克服這一物理現象，使發光效率提高。

以蝕刻(在藍寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍寶石基板上設計制作出微米級或納米級的具有微結構特定規則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時GaN薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產生橫向磊晶的效果,減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。與成長于一般藍寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前臺灣生產圖案化藍寶石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達.藍寶石基板中2/4英吋是成熟產品,價格逐漸穩定,而大尺寸(如6/8英吋)的普通藍寶石基板與2英吋圖案化藍寶石基板處于成長期,價格也較高,其生產商也是主推大尺寸與圖案化藍寶石基板,同時也積極
增加產能.目前大陸還沒有廠家能生產出圖案化藍寶石基板。

奈米級圖案化藍寶石基板(來源：和椿科技)

3、圖案化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)
 
以成長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍寶石基板上設計制作出納米級特定規則的微結構圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。

通常，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，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，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應)大大地降低了GaN薄膜的發光效率.在一些非C面藍寶石襯底(如R面或M面)和其他一些特殊襯底(如鋁酸鋰;LiAlO2 )上生長的GaN薄膜是非極性和半極性的,上述由極化場引起的在發光器件中產生的負面效應將得到部分甚至完全的改善.傳統三五族氮化物半導體均成長在c-plane藍寶石基板上，若把這類化合物成長于R-plane或M-Plane上，可使產生的內建電場平行于磊晶層，以增加電子電洞對復合的機率。因此，以氮化物磊晶薄膜為主的LED結構成長R-plane或M-Plane藍寶石基板上，相比于傳統的C面藍寶石磊晶,將可有效解決LED內部量子效率效率低落之問題，并增加元件的發光強度。最新消息據稱非極性LED能使白光的發光效率提高兩倍.

由于無極性GaN具有比傳統c軸GaNＮ更具有潛力來制作高效率元件,而許多國際大廠與研究單位都加大了對此類磊晶技術的研究與生產.因此對于R-plane或M-Plane藍寶石基板的需求與要求也是相應地增加。