Wzrost Gan zależy od substratów szafirowych dla nowych zastosowań

Wyobraźcie sobie nowoczesne oświetlenie LED bez materiału, który łączy w sobie wytrzymałość, przejrzystość i stabilność w ekstremalnych temperaturach.w postaci jednokrystalicznej tlenku aluminium (Al2O3), odgrywa tę kluczową rolę, nie tylko jako idealny podłoże do wzrostu III-nitrydu, ale także jako materiał o szerokim zastosowaniu w półprzewodnikach, elektronikach i optyce.

W przeciwieństwie do polikrystalowego tlenku aluminium, struktura jednokrystaliczna szafiru daje mu wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne, które czynią go idealnym do specjalistycznych zastosowań:

• Wyjątkowa stabilność chemiczna:Odporny na różne środki chemiczne, nawet w wysokich temperaturach.
• Doskonałe właściwości elektryczne:Niezwykle wysoka rezystywność (zwykle > 1011 Ω · cm przy ~ 300K), chociaż jej stosunkowo niska przewodność cieplna (< 30 W / (((m · K) w pobliżu temperatury pokojowej) może być ograniczająca dla zastosowań LED.
• Wyższe właściwości dielektryczne:Wysoka wytrzymałość dielektryczna o stałych 11,5 (spore do osi c) i 9,3 (perspektywna do osi c) w temperaturze 298 K w częstotliwościach 103 ∼ 109 Hz.
• Niezwykła wytrzymałość mechaniczna:Wysoka wytrzymałość na uciskanie (~ 2 GPa lub ~ 3 × 105 psi), ale z niższą wytrzymałością na rozciąganie (275 ∼ 400 MPa).
• Wyjątkowa twardość:Twardota węzła 1900 kg/mm2 (spore) i 2200 kg/mm2 ( prostopadła).
• Wysoka refrakcyjność:Utrzymuje właściwości w ekstremalnych upałach.

Synthetic sapphire for electronics consists of ultra-pure single-crystal Al₂O₃ without pores or grain boundaries—distinct from gem-grade sapphires containing trace elements that create characteristic colorsTa czysta forma krystaliczna jest również nazywana α-aluminą lub korundem, reprezentując najbardziej stabilną termodynamicznie fazę wśród wielu polimorfów glinu.

Sapphire's dominance as the substrate of choice for GaN heteroepitaxy stems not only from its hexagonal crystal structure's similarity to GaN's wurtzite form but also from its exceptional chemical and thermal stability. Z punktem topnienia 2323K (2030°C) i punktem wrzenia 3253K (2980°C), szafir pozostaje stabilny nawet podczas epitazji warstwy buforowej GaN w wysokiej temperaturze powyżej 1000°C.

Podczas typowych procesów wzrostu MOCVD GaN, w których wodór służy zarówno jako gaz nośny, jak i jako produkt uboczny krakingu hydrurowego, szafir utrzymuje stabilność, gdy inne materiały rozkładają się.występuje niewielkie rozkładanie powierzchniowe, uwalnianie tlenu z podgrzewanych powierzchni szafiru, który później włącza się do początkowych warstw wzrostu GaN, tworząc cienkie obszary z tlenem w pobliżu interfejsu.

Kompleksowa kryształografia powierzchni szafirów (0001) wymaga starannego przygotowania.Standardowe procedury obejmują wygrzewanie w płynącym wodorze H2 w temperaturze 1000-1100°C w celu restrukturyzacji chemicznej powierzchni przed narażeniem chemicznymMikroskopia siłowa wykazuje, jak czasy wygrzewania w zakresie od 2 do 40 minut rozwijają mikrostruktury stopniowo-terasowe o wysokości stopnia ~ 0,2 nm (jedna monowarstwa).

Bezpośredni wzrost na polerowanym szafirze c-planowym powoduje niską jakość GaN ze względu na znaczące niezgodności siatki (14%) i różnice w rozszerzaniu termicznym.wysokie stężenie pozostałych elektronów (≥1018 cm−3)Rozwiązanie pojawiło się dzięki technologii warstwy buforowej, chociaż zamiast wyeliminować te podstawowe niezgodności, redukuje je.

Nitryzacja stała się kluczowym etapem wstępnej obróbki, w której powierzchnie szafirowe narażone na przepływ NH3 w temperaturze ≥ 800 °C tworzą cienkie warstwy AlN, które poprawiają późniejszy wzrost III-nitrydu.Proces ten modyfikuje energię powierzchniową i zmniejsza niezgodność siatki, wpływając jednocześnie na mikrostrukturę filmuOptymalne czasy nitryzacji poniżej 3 minut powodują gładszą powierzchnię, podczas gdy dłuższe trwania zwiększają chropota poprzez cechy wywołane naprężeniem.

Pomimo zalet szafiru, naukowcy nadal poszukują alternatyw w celu rozwiązania problemu niespójności sieci i rozszerzenia termicznego:

• Karbyd krzemowy (SiC):Drugi najpopularniejszy podłoże III-nitrydu, szczególnie dla niebieskich/zielonych/białych diod LED i HEMT. 4H- i 6H-SiC oferują struktury sześciokątne z lepszym dopasowaniem siatki (~ 3,5% niezgodności vs.GaN) niż szafir.
• Silikon (Si):Ekonomicznie atrakcyjna ze względu na dojrzałą produkcję płytek o dużej średnicy (> 12"), chociaż jakość GaN na Si (((111) nadal pozostaje w tyle za wzrostem na bazie szafiru.
• Węglowodorów:Obiecujący z tylko ~ 1,9% niespójności siatki z GaN, ale cierpi na rozkład w typowych temperaturach wzrostu i wyzwania związane z dyfuzją zanieczyszczeń.
• Substraty GaN w masie:Idealne, ale kosztowne rozwiązanie, wytwarzane za pomocą wzrostu ammonotermalnego lub technik HVPE.obecne ograniczenia cenowe i wielkości płytek uniemożliwiają szerokie przyjęcie diod LED.

Poza epitazją III-nitrydów, szafir jest obiecujący w zaawansowanej syntezie materiałów:

• Wzrost grafenu:Służy jako tańsza alternatywa dla SiC do syntezy grafenu MBE, korzystając z heksagonalnej symetrii powierzchni.
• Wyrównanie nanorurki węglowej:Kroki atomowe na błędnie wyciętym szafirze płaszczyzny c (wysokość 0,2 nm) mogą wzorować wzrost nanorurek o wysoce wyrównanej jednej ścianie poprzez interakcje van der Waals.

Wzornictwo diod Flip-Chip (FC) rozwiązuje dwa krytyczne ograniczenia konwencjonalnych diod diodowych azotanowych: słabą ekstrakcję światła i niską przewodność cieplną szafiru.Umieszczając kontakty na dnie i używając szafiru jako okna wyjścia światła, FCLED osiągają:

• Lepsze rozpraszanie ciepła poprzez bezpośrednie wiązanie metalu
• Poprawiona ekstrakcja światła poprzez grubsze warstwy okien i zmniejszony kontrast wskaźnika załamania (n_safir = 1,76 vs n_powietrze = 1,0)
• Kontakty metalowe, które służą jako lusterka odblaskowe

Further enhancements come from combining conductive omnidirectional reflectors (ODRs) with micro-pillar array (MPA) texturing on sapphire surfaces—creating structures that simultaneously improve electrical contact and photon escape probability.

Badania pokazują, że zmodyfikowane geometrie szafiru zwiększają wydajność diod LED:

• Odcięte odwrócone piramidy poprawiają wydobycie światła
• Podcięte ściany boczne zwiększają wydajność poprzez wiele możliwości ucieczki fotonów
• Takturowane ściany boczne typu fale zwiększają moc wyjściową o ~ 10%
• 22° podcięte ściany boczne znacząco poprawiają emisję światła

Te podejścia łączy wspólna zasada: zwiększenie możliwości fotonów do znajdowania stożków ucieczki w kątach krytycznych.wyroba ścian bocznych o szczególnym nachyleniu, szczególnie obiecujące dla zastosowań o wysokiej jasności.