蓝宝石是氧化铝的单晶，属三方晶系、六方结构，其晶体结构是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，排列十分紧密，具有较强的结合链和晶格能量，同时其晶体内部几乎没有杂质或缺陷，因此具有出色的电绝缘性、透明度、良好的导热性和高刚性特性，广泛用作光学窗口及高性能基板材料。不过蓝宝石分子结构复杂且存在各向异性，对不同晶向进行加工和使用，其对应物理性能的影响也大不一样，因此用途也存在差异。通常来说，蓝宝石衬底有C、R、A和M平面方向可供选择。

氮化镓（GaN）材料作为宽禁带第三代半导体，拥有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。不过由于GaN熔点高，目前难以得到大尺寸的单晶材料，因此常见的方式是在其他衬底上进行异质外延生长，对于衬底材料有较高的要求。

GaN应用的三大领域

相比其他晶面的蓝宝石衬底，C面（<0001>取向）蓝宝石晶片与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族（如GaN）沉积薄膜之间的晶格常数失配率相对较小，且连两者与可作为缓冲层的AlN薄膜之间的晶格常数失配率更小，同时符合GaN磊晶制程中耐高温的要求，因此是GaN生长常用的衬底材料，可用于制作白/蓝/绿光LED、激光二极管、红外探测仪等。

在以氮化铝薄膜作为缓冲层的蓝宝石衬底上生长GaN

值得一提的是，C面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的，其不仅生长工艺和进磊晶的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定，而且加工性能也更好。C向蓝宝石晶片的原子之间是以O-Al-Al-O-Al-Al-O的排列方式键合，而M向和A向蓝宝石晶体则以Al-O-Al-O键合，由于Al-Al比Al-O键能小且键合要弱，因此相比M向和A向蓝宝石晶体，C向蓝宝石的加工主要是将Al-Al键打开，更易于加工，能够获得更高的表面质量，进而获得更好的氮化镓磊晶品质，能够提升超高亮度白/蓝光LED的品质。不过在另一方面，这种沿ｃ轴方向生长的薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强大的内建电场，大大地降低了GaN薄膜的发光效率。

蓝宝石单晶因其卓越的综合性能，尤其是优异的透过性，可以增强红外线的穿透效果，成为了理想的中红外窗口材料，在军用光电设备中得到了广泛的应用。其中A面蓝宝石为极性面（C面）法线方向上的面，为无极性面。通常a向生长的蓝宝石晶体质量优于c向生长的晶体，具有更少的位错、更少的镶嵌结构和更完整的晶体结构等，因此具有更好的透光性能，同时由于A面上Al-O-Al-O的原子键合方式，使得a向蓝宝石的硬度、耐磨性都要明显高于c向，因此A向晶片大多用于作为窗口材料；除此之外，A向蓝宝石还具有均匀的介电常数和高绝缘特性，因此可应用于混合微电子技术中，也可用于高超导体的生长，如利用TlBaCaCuO（TbBaCaCuO）、Tl-2212，在蓝宝石氧化铈（CeO2）复合衬底上生长异质外延超导薄膜等。不过，同样因为Al-O较大的键能，在加工上存在较大难度。

A向蓝宝石光学窗口（来源：上海鑫科汇新材料有限公司）

R面是蓝宝石的非极性面，因此，蓝宝石器件中R平面位置的变化使其具有不同的机械、热、电气和光学特性。一般来说，R面蓝宝石衬底优选用于硅的异质外延沉积，主要用于制造半导体、微波和微电子集成电路应用，在制作砣、其它超导组件、高阻电阻器、砷化镓时亦可应用R型基底生长。目前随着智能手机和平板电脑系统等的普及，R面蓝宝石衬底已代替了用于智能手机、平板电脑的现有化合物SAW器件，提供一种能够改善性能的装置用基板。

r面蓝宝石晶片（来源：武汉晶芯光电有限公司）

M面为蓝宝石的半极性面，由于蓝宝石在日盲紫外探测中的应用前景，宽禁带MgZnO合金半导体薄膜越来越受到人们的关注。采用低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）方法在M面（10-10）蓝宝石晶片上制备了一系列不同成分的Mg_xZn_1-xO薄膜。

M面（10-10）蓝宝石晶片（来源：武汉晶芯光电有限公司）

除此之外，R面或M面用于生长非极性/半极性面外延层时，相比C面蓝宝石衬底而言，其能够部分甚至完全改善由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应，因此用作led的衬底材料可有助于提高发光效率。不过加工或切割时选择m面为切割面容易开裂，较难制备高质量表面的制备。

参考来源：

1. 胥先清.蓝宝石孔加工工艺研究[J].科技创新与应用.

2. 武汉晶芯光电有限公司产品介绍

3. 《蓝宝石｜蓝宝石衬底介绍》， 超硬材料与磨料磨具.

4. 《蓝宝石陶瓷基板的三个基本方面及自身应用里有哪些领域？》.展志科技

5. 《蓝宝石晶片加工中的技术关键-抛光工艺》，MCF半导体.

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