Saphir ist ein Einkristall aus Aluminiumoxid, gehört zum dreiteiligen Kristallsystem mit hexagonaler Struktur. Seine Kristallstruktur besteht aus drei Sauerstoffatomen und zwei Aluminiumatomen in kovalenter Bindungsart, die sehr eng angeordnet sind, mit starker Bindungskette und Gitterenergie Das Kristallinnere weist nahezu keine Verunreinigungen oder Defekte auf und weist daher eine hervorragende elektrische Isolierung, Transparenz, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Steifigkeitseigenschaften auf. Weit verbreitet als optische Fenster- und Hochleistungssubstratmaterialien. Allerdings ist die molekulare Struktur von Saphir komplex und es liegt eine Anisotropie vor, und auch die Auswirkung auf die entsprechenden physikalischen Eigenschaften ist bei der Verarbeitung und Verwendung unterschiedlicher Kristallrichtungen sehr unterschiedlich, sodass auch die Verwendung unterschiedlich ist. Im Allgemeinen sind Saphirsubstrate in den Ebenenrichtungen C, R, A und M erhältlich.
Die Anwendung vonC-Plane-Saphirwafer
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleiter der dritten Generation mit großer Bandlücke, verfügt über eine große direkte Bandlücke, eine starke Atombindung, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine gute chemische Stabilität (nahezu nicht durch Säure korrodiert) und eine starke Anti-Bestrahlungsfähigkeit und hat breite Perspektiven in die Anwendung von Optoelektronik, Hochtemperatur- und Leistungsgeräten und Hochfrequenz-Mikrowellengeräten. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von GaN ist es jedoch schwierig, großformatige Einkristallmaterialien zu erhalten. Daher besteht die übliche Methode darin, Heteroepitaxiewachstum auf anderen Substraten durchzuführen, was höhere Anforderungen an Substratmaterialien stellt.
Verglichen mit demSaphirsubstratBei anderen Kristallflächen ist die Gitterkonstanten-Fehlanpassungsrate zwischen dem C-Ebenen-Saphirwafer (<0001>-Orientierung) und den in den Gruppen Ⅲ-Ⅴ und Ⅱ-Ⅵ abgeschiedenen Filmen (z. B. GaN) relativ gering und die Gitterkonstanten-Fehlanpassung Rate zwischen den beiden und demAlN-FilmeDie als Pufferschicht verwendbare Schicht ist noch kleiner und erfüllt die Anforderungen an eine hohe Temperaturbeständigkeit im GaN-Kristallisationsprozess. Daher ist es ein gängiges Substratmaterial für das GaN-Wachstum, das zur Herstellung von weißen/blauen/grünen LEDs, Laserdioden, Infrarotdetektoren usw. verwendet werden kann.
Es ist erwähnenswert, dass der auf dem C-Ebenen-Saphirsubstrat gewachsene GaN-Film entlang seiner Polachse, also der Richtung der C-Achse, wächst. Dies ist nicht nur ein ausgereifter Wachstumsprozess und Epitaxieprozess, sondern auch relativ kostengünstig und stabil physikalisch und chemischen Eigenschaften, sondern auch eine bessere Verarbeitungsleistung. Die Atome des C-orientierten Saphirwafers sind in einer O-al-al-o-al-O-Anordnung gebunden, während die M-orientierten und A-orientierten Saphirkristalle in einer al-O-al-O-Anordnung gebunden sind. Da Al-Al im Vergleich zu den M-orientierten und A-orientierten Saphirkristallen eine geringere Bindungsenergie und eine schwächere Bindung als Al-O aufweist, dient die Verarbeitung von C-Saphir hauptsächlich dazu, den Al-Al-Schlüssel zu öffnen, der einfacher zu verarbeiten ist und kann eine höhere Oberflächenqualität und dann eine bessere Galliumnitrid-Epitaxiequalität erzielen, was die Qualität von weiß/blauen LEDs mit ultrahoher Helligkeit verbessern kann. Andererseits weisen die entlang der C-Achse gewachsenen Filme spontane und piezoelektrische Polarisationseffekte auf, was zu einem starken internen elektrischen Feld innerhalb der Filme führt (Quantentöpfe der aktiven Schicht), was die Lichtausbeute von GaN-Filmen erheblich verringert.
A-Plane-SaphirwaferAnwendung
Aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung, insbesondere seiner hervorragenden Durchlässigkeit, kann Saphir-Einkristall den Infrarot-Penetrationseffekt verstärken und zu einem idealen Fenstermaterial für den mittleren Infrarotbereich werden, das in militärischen fotoelektrischen Geräten weit verbreitet ist. Wenn ein Saphir eine polare Ebene (C-Ebene) in der Normalenrichtung des Gesichts ist, handelt es sich um eine unpolare Oberfläche. Im Allgemeinen ist die Qualität von A-orientiertem Saphirkristall besser als die von C-orientiertem Kristall, mit weniger Versetzung, weniger Mosaikstruktur und vollständigerer Kristallstruktur, sodass es eine bessere Lichtdurchlässigkeit aufweist. Gleichzeitig sind die Härte und Verschleißfestigkeit von A-orientiertem Saphir aufgrund des Al-O-Al-O-Atombindungsmodus auf Ebene a deutlich höher als die von C-orientiertem Saphir. Daher werden als Fenstermaterialien meist A-Richtungschips verwendet; Darüber hinaus verfügt A-Saphir über eine gleichmäßige Dielektrizitätskonstante und hohe Isolationseigenschaften, sodass er in der hybriden Mikroelektroniktechnologie, aber auch für das Wachstum hervorragender Leiter, wie z. B. die Verwendung von TlBaCaCuO (TbBaCaCuO), Tl-2212, eingesetzt werden kann von heterogenen epitaktischen supraleitenden Filmen auf einem Ceroxid (CeO2)-Saphir-Verbundsubstrat. Aufgrund der großen Bindungsenergie von Al-O ist es jedoch schwieriger zu verarbeiten.
Anwendung vonR/M-Plane-Saphir-Wafer
Die R-Ebene ist die unpolare Oberfläche eines Saphirs. Die Änderung der Position der R-Ebene in einem Saphirgerät führt daher zu unterschiedlichen mechanischen, thermischen, elektrischen und optischen Eigenschaften. Im Allgemeinen wird R-Oberflächen-Saphirsubstrat für die heteroepitaxiale Abscheidung von Silizium bevorzugt, hauptsächlich für Halbleiter-, Mikrowellen- und mikroelektronische integrierte Schaltkreisanwendungen, bei der Herstellung von Blei, anderen supraleitenden Komponenten und hochohmigen Widerständen. Galliumarsenid kann auch für R- verwendet werden. Typ Substratwachstum. Mit der Popularität von Smartphones und Tablet-Computersystemen hat das R-Face-Saphirsubstrat derzeit die bestehenden Verbund-SAW-Geräte für Smartphones und Tablet-Computer ersetzt und bietet ein Substrat für Geräte, die die Leistung verbessern können.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. Juli 2024