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 eng angeordnet sind und eine starke Bindungskette und Gitterenergie aufweisen. Sein Kristallinneres weist nahezu keine Verunreinigungen oder Defekte auf, sodass er über hervorragende elektrische Isolierung, Transparenz, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Steifigkeit verfügt. Er wird häufig als optisches Fenster und Hochleistungssubstratmaterial verwendet. Die Molekülstruktur von Saphir ist jedoch komplex und anisotrop, und die Auswirkungen auf die entsprechenden physikalischen Eigenschaften sind je nach 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-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, eine gute chemische Stabilität (wird durch Säuren kaum angegriffen) und ist sehr beständig gegen Bestrahlung. Es bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in der Optoelektronik, in Hochtemperatur- und Leistungsbauelementen sowie in Hochfrequenz-Mikrowellenbauelementen. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von GaN ist es jedoch schwierig, große Einkristallmaterialien zu erhalten. Daher wird üblicherweise ein Heteroepitaxie-Wachstum auf anderen Substraten durchgeführt, was höhere Anforderungen an das Substratmaterial stellt.
Verglichen mit demSaphirsubstratmit anderen Kristallflächen ist die Gitterkonstanten-Fehlanpassungsrate zwischen der C-Ebene (<0001>-Orientierung) des Saphir-Wafers und den in den Gruppen Ⅲ-Ⅴ und Ⅱ-Ⅵ abgeschiedenen Filmen (wie GaN) relativ gering, und die Gitterkonstanten-Fehlanpassungsrate 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 Epitaxieverfahren, ist relativ kostengünstig und bietet stabile physikalische und chemische Eigenschaften, sondern weist auch eine bessere Verarbeitungsleistung auf. Die Atome des C-orientierten Saphirwafers 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 erzielen 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 seiner hervorragenden Lichtdurchlässigkeit, kann Saphir-Einkristall die Infrarot-Durchdringung verbessern und sich als ideales Fenstermaterial für den mittleren Infrarotbereich eignen, das häufig in militärischen Fotovoltaikgeräten verwendet wird. A-Saphir ist eine polare Ebene (C-Ebene) in Normalenrichtung der Fläche und somit eine unpolare Oberfläche. Im Allgemeinen ist die Qualität von A-orientiertem Saphirkristall besser als die von C-orientiertem Kristall, da er weniger Versetzungen und Mosaikstrukturen sowie eine vollständigere Kristallstruktur aufweist und daher eine bessere Lichtdurchlässigkeit aufweist. Gleichzeitig sind 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 A-orientierte Chips hauptsächlich als Fenstermaterialien verwendet. Darüber hinaus verfügt A-Saphir über eine gleichmäßige Dielektrizitätskonstante und hohe Isolationseigenschaften, sodass er in der hybriden Mikroelektroniktechnologie eingesetzt werden kann, aber auch für das Wachstum hervorragender Leiter, wie z. B. die Verwendung von TlBaCaCuO (TbBaCaCuO), Tl-2212, das Wachstum heterogener epitaktischer supraleitender Filme auf Ceroxid (CeO2)-Saphir-Verbundsubstrat. 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-Ebenen-Position einem Saphirgerät unterschiedliche mechanische, thermische, elektrische und optische Eigenschaften. R-Oberflächen-Saphirsubstrate werden im Allgemeinen für die heteroepitaktische Siliziumabscheidung bevorzugt, hauptsächlich für Anwendungen in den Bereichen Halbleiter, Mikrowellen und mikroelektronische integrierte Schaltkreise. Auch bei der Herstellung von Blei, anderen supraleitenden Komponenten 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-Geräte für Smartphones und Tablet-Computer ersetzt und bieten ein Substrat für Geräte mit verbesserter Leistung.
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Veröffentlichungszeit: 16. Juli 2024