Saphir ist ein Einkristall aus Aluminiumoxid und gehört zum dreigliedrigen Kristallsystem mit hexagonaler Struktur. Seine Kristallstruktur besteht aus drei Sauerstoffatomen und zwei Aluminiumatomen in kovalenter Bindungsart, die sehr dicht angeordnet sind und eine starke Bindungskette und Gitterenergie aufweisen. Sein Kristallinneres weist nahezu keine Verunreinigungen oder Defekte auf, sodass er hervorragende elektrische Isolierung, Transparenz, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Steifigkeit aufweist. Er wird häufig als optisches Fenster und Hochleistungssubstratmaterial verwendet. Allerdings ist die Molekularstruktur von Saphir komplex und anisotrop, und die Auswirkungen auf die entsprechenden physikalischen Eigenschaften sind je nach Verarbeitung und Verwendung unterschiedlicher Kristallrichtungen sehr unterschiedlich und daher auch unterschiedlich. Im Allgemeinen sind Saphirsubstrate in den Ebenenrichtungen C, R, A und M erhältlich.
Die Anwendung vonC-Plane-Saphir-Wafer
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleiter der dritten Generation mit großer Bandlücke. Es verfügt über eine große direkte Bandlücke, starke Atombindungen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, gute chemische Stabilität (nahezu säurebeständig) und hohe Bestrahlungsbeständigkeit. Es bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in der Optoelektronik, in Hochtemperatur- und Leistungsbauelementen sowie in Hochfrequenz-Mikrowellengeräten. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von GaN ist es jedoch schwierig, großflächige Einkristalle zu erhalten. Daher wird üblicherweise Heteroepitaxie auf anderen Substraten verwendet, was höhere Anforderungen an das Substratmaterial stellt.
Im Vergleich zumSaphirsubstratBei anderen Kristallflächen ist die Fehlanpassungsrate der Gitterkonstanten zwischen der Saphirscheibe mit C-Ebene (<0001>-Orientierung) und den in den Gruppen Ⅲ-Ⅴ und Ⅱ-Ⅵ abgeschiedenen Filmen (wie z. B. GaN) relativ gering, und die Fehlanpassungsrate der Gitterkonstanten zwischen den beiden und derAlN-FilmeDie als Pufferschicht verwendbare Schicht ist sogar noch kleiner und erfüllt die Anforderungen an die 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 polaren Achse wächst, d. h. in Richtung der C-Achse. Dies gewährleistet nicht nur ein ausgereiftes Wachstum und einen ausgereiften Epitaxieprozess, ist relativ kostengünstig und bietet stabile physikalische und chemische Eigenschaften, sondern weist auch eine bessere Verarbeitungsleistung auf. Die Atome des C-orientierten Saphir-Wafers sind in einer O-Al-Al-O-Al-O-Anordnung gebunden, während die M- und A-orientierten Saphirkristalle in Al-O-Al-O gebunden sind. Da Al-Al im Vergleich zu den M- und A-orientierten Saphirkristallen eine niedrigere 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 eine höhere Oberflächenqualität erzielt werden kann. Anschließend wird eine bessere Galliumnitrid-Epitaxiequalität erzielt, die die Qualität der ultrahellen weiß/blauen LED verbessern kann. Andererseits weisen die entlang der C-Achse gewachsenen Filme spontane und piezoelektrische Polarisationseffekte auf, die zu einem starken internen elektrischen Feld innerhalb der Filme (Quantentöpfe der aktiven Schicht) führen, was die Lichtausbeute von GaN-Filmen stark reduziert.
A-Plane-Saphir-WaferAnwendung
Aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung, insbesondere der hervorragenden Lichtdurchlässigkeit, kann Saphir-Einkristall die Infrarot-Durchdringung verbessern und wird zu einem idealen Fenstermaterial für den mittleren Infrarotbereich, das häufig in militärischen fotoelektrischen Geräten verwendet wird. Wobei A-Saphir eine polare Ebene (C-Ebene) in der Normalenrichtung der Fläche ist, ist eine unpolare Oberfläche. Im Allgemeinen ist die Qualität von A-orientiertem Saphirkristall besser als die von C-orientiertem Kristall, mit weniger Versetzungen, weniger Mosaikstruktur und vollständigerer Kristallstruktur, sodass er eine bessere Lichtdurchlässigkeitsleistung hat. Gleichzeitig sind Härte und Verschleißfestigkeit von A-orientiertem Saphir aufgrund des atomaren Bindungsmodus Al-O-Al-O auf Ebene A wesentlich höher als die von C-orientiertem Saphir. Daher werden A-gerichtete Chips meist als Fenstermaterialien verwendet; Darüber hinaus verfügt A-Saphir über eine gleichmäßige Dielektrizitätskonstante und hohe Isolationseigenschaften, sodass er in der hybriden Mikroelektronik-Technologie sowie für die Herstellung hervorragender Leiter eingesetzt werden kann, beispielsweise durch die Verwendung von TlBaCaCuO (TbBaCaCuO), Tl-2212 und die Herstellung heterogener epitaktischer supraleitender Filme auf Ceroxid-(CeO2)-Saphir-Verbundsubstraten. Aufgrund der hohen Bindungsenergie von Al-O ist die Verarbeitung jedoch schwieriger.
Anwendung vonR/M-Plan-Saphir-Wafer
Die R-Ebene ist die unpolare Oberfläche eines Saphirs. Daher verleiht eine Veränderung der R-Ebene in einem Saphirbauelement diesem unterschiedliche mechanische, thermische, elektrische und optische Eigenschaften. R-Oberflächen-Saphirsubstrate werden generell für die heteroepitaktische Siliziumabscheidung bevorzugt, vor allem für Anwendungen in Halbleitern, Mikrowellen und mikroelektronischen integrierten Schaltkreisen. Auch bei der Herstellung von Blei, anderen supraleitenden Bauteilen und hochohmigen Widerständen kann Galliumarsenid für das Wachstum von R-Typ-Substraten verwendet werden. Mit der zunehmenden Beliebtheit von Smartphones und Tablet-Computern haben R-Oberflächen-Saphirsubstrate die bestehenden zusammengesetzten SAW-Bauelemente für Smartphones und Tablet-Computer ersetzt und bieten ein leistungsfähigeres Substrat für Geräte.
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Veröffentlichungszeit: 16. Juli 2024