Saphir ist ein Aluminiumoxid-Einkristall und gehört zum dreiteiligen Kristallsystem mit hexagonaler Struktur. Seine Kristallstruktur besteht aus drei Sauerstoff- und zwei Aluminiumatomen, die kovalent gebunden und sehr dicht angeordnet sind. Dadurch weist er starke Bindungsketten und eine hohe Gitterenergie auf. Da sein Kristallinneres nahezu frei von Verunreinigungen und Defekten ist, besitzt er hervorragende elektrische Isolationseigenschaften, Transparenz, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Steifigkeit. Er findet breite Anwendung als optisches Fenstermaterial und als Substratmaterial für Hochleistungsanwendungen. Die Molekülstruktur von Saphir ist jedoch komplex und weist Anisotropie auf. Die Verarbeitung und Anwendung von Saphir in verschiedenen Kristallrichtungen ist sehr unterschiedlich, was sich auch auf die jeweiligen physikalischen Eigenschaften auswirkt. Saphirsubstrate sind üblicherweise in den Ebenen C, R, A und M erhältlich.
Die Anwendung vonC-Ebenen-Saphirwafer
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleiter der dritten Generation mit großem Bandabstand. Es zeichnet sich durch einen großen direkten Bandabstand, starke atomare Bindungen, hohe Wärmeleitfähigkeit, gute chemische Stabilität (nahezu säureunempfindlich) und hohe Strahlungsbeständigkeit aus und bietet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in der Optoelektronik, in Hochtemperatur- und Leistungselektronik sowie in Hochfrequenz-Mikrowellengeräten. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von GaN ist es jedoch schwierig, großflächige Einkristalle herzustellen. Daher wird üblicherweise die Heteroepitaxie auf anderen Substraten angewendet, was höhere Anforderungen an das Substratmaterial stellt.
Im Vergleich zuSaphirsubstratBei anderen Kristallflächen ist die Gitterkonstantenfehlanpassung zwischen dem C-Ebenen-Saphirwafer (<0001>-Orientierung) und den in den Gruppen III-V und II-VI abgeschiedenen Filmen (wie z. B. GaN) relativ gering, und die Gitterkonstantenfehlanpassung zwischen den beiden und demAlN-FilmeEs kann als Pufferschicht verwendet werden, ist noch kleiner und erfüllt die Anforderungen an die Hochtemperaturbeständigkeit im GaN-Kristallisationsprozess. Daher ist es ein gängiges Substratmaterial für das GaN-Wachstum und kann zur Herstellung von weißen/blauen/grünen LEDs, Laserdioden, Infrarotdetektoren usw. verwendet werden.
Erwähnenswert ist, dass der auf dem C-orientierten Saphirsubstrat gewachsene GaN-Film entlang seiner polaren Achse, also in Richtung der C-Achse, wächst. Dies ist nicht nur ein ausgereiftes Wachstums- und Epitaxieverfahren mit vergleichsweise geringen Kosten und stabilen physikalischen und chemischen Eigenschaften, sondern auch mit einer besseren Verarbeitbarkeit. Die Atome des C-orientierten Saphirwafers sind in einer O-Al-Al-O-Al-O-Anordnung gebunden, während die Atome in M- und A-orientierten Saphirkristallen in einer Al-O-Al-O-Anordnung gebunden sind. Da Al-Al eine geringere Bindungsenergie und eine schwächere Bindung als Al-O aufweist, besteht die Verarbeitung von C-Saphir im Vergleich zu M- und A-orientierten Saphirkristallen hauptsächlich darin, die Al-Al-Bindungen zu öffnen. Dies erleichtert die Weiterverarbeitung, führt zu einer höheren Oberflächenqualität und somit zu einer besseren Galliumnitrid-Epitaxiequalität, was wiederum die Qualität von ultrahellen weißen/blauen LEDs verbessert. 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 Leuchtkraft der GaN-Filme stark reduziert.
Saphir-Wafer der A-EbeneAnwendung
Aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung, insbesondere seiner exzellenten Lichtdurchlässigkeit, kann Saphir-Einkristall die Infrarot-Durchdringung verbessern und ist daher ein ideales Fenstermaterial für den mittleren Infrarotbereich, das in militärischen photoelektrischen Geräten weit verbreitet ist. Die a-orientierte Saphir-Oberfläche (C-Ebene) ist senkrecht zur Oberfläche polar, während die c-orientierte Oberfläche unpolar ist. Im Allgemeinen ist die Qualität von a-orientiertem Saphir besser als die von c-orientiertem Kristall. Er weist weniger Versetzungen, eine geringere Mosaikstruktur und eine vollständigere Kristallstruktur auf, was zu einer besseren Lichtdurchlässigkeit führt. Gleichzeitig sind Härte und Verschleißfestigkeit von a-orientiertem Saphir aufgrund der Al-O-Al-O-Bindung auf der a-Ebene deutlich höher als die von c-orientiertem Saphir. Daher werden a-orientierte Saphire meist als Fenstermaterialien verwendet. Saphir besitzt zudem eine gleichmäßige Dielektrizitätskonstante und hohe Isolationseigenschaften und eignet sich daher für die Hybrid-Mikroelektronik, aber auch für das Wachstum hervorragender Leiter, beispielsweise durch die Verwendung von TlBaCaCuO (TbBaCaCuO), Tl-2212 oder das Wachstum heterogener epitaktischer supraleitender Schichten auf Ceroxid (CeO₂)-Saphir-Kompositsubstraten. Aufgrund der hohen Bindungsenergie von Al-O ist die Verarbeitung jedoch schwieriger.
Anwendung vonSaphir-Wafer mit R/M-Ebene
Die R-Ebene ist die unpolare Oberfläche eines Saphirs. Daher beeinflusst die Lage der R-Ebene in einem Saphirbauelement dessen mechanische, thermische, elektrische und optische Eigenschaften. Im Allgemeinen wird Saphirsubstrat mit R-Oberfläche bevorzugt für die heteroepitaktische Abscheidung von Silizium eingesetzt, insbesondere für Anwendungen in der Halbleiter-, Mikrowellen- und Mikroelektronik-Technologie. Auch bei der Herstellung von Blei, anderen supraleitenden Bauelementen und hochohmigen Widerständen findet es Verwendung. Galliumarsenid kann ebenfalls für das Wachstum von R-Substraten genutzt werden. Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Smartphones und Tablet-Computern haben Saphirsubstrate mit R-Oberfläche die bisher in Smartphones und Tablet-Computern verwendeten Compound-SAW-Bauelemente weitgehend abgelöst und bieten nun ein Substrat für leistungsfähigere Geräte.
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Veröffentlichungsdatum: 16. Juli 2024