Растение гана зависит от сапфировых субстратов для новых применений

Представьте современное светодиодное освещение без материала, который сочетает в себе прочность, прозрачность и стабильность при экстремальных температурах.однокристаллическая форма оксида алюминия (Al2O3), играет эту ключевую роль не только как идеальный субстрат для эпитаксиального роста III-нитрида, но и как материал с широкими применениями в полупроводниках, электронике и оптике.

В отличие от поликристаллического оксида алюминия, однокристаллическая структура сапфира дает ему исключительные физические и химические свойства, которые делают его идеальным для специализированных применений:

• Выдающаяся химическая стабильность:Устойчивы к различным химическим агентам, даже при высоких температурах.
• Отличные электрические свойства:Чрезвычайно высокая сопротивляемость (обычно > 1011 Ω·cm при ~ 300K), хотя его относительно низкая теплопроводность (< 30 W / (((m·K) при комнатной температуре) может ограничивать применение светодиодов.
• Высокие диэлектрические свойства:Высокая диэлектрическая прочность с константами 11,5 (параллельно оси c) и 9,3 (перпендикулярно оси c) при 298K на частотах 103~109 Hz.
• Замечательная механическая прочность:Высокая прочность на сжатие (~ 2 GPa или ~ 3 × 105 psi), хотя и с более низкой прочностью на растяжение (275 ~ 400 MPa).
• Необычная твердость:Твердость узла 1900 кг/мм2 (параллельно) и 2200 кг/мм2 (перпендикулярно).
• Высокая рефракторность:Сохраняет свойства при крайней жаре.

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 colorsЭта чистая кристаллическая форма также называется α-алюмином или корундом, представляя собой самую термодинамически стабильную фазу среди многих полиморфов алюминия.

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 stabilityС температурой плавления 2323K (2030°C) и температурой кипения 3253K (2980°C), сапфир остается стабильным даже при эпитаксии буферного слоя GaN при высокой температуре выше 1000°C.

Во время типичных процессов роста MOCVD GaN, когда водород служит как газоносным носителем, так и побочным продуктом гидридного крекинга, сапфир сохраняет стабильность там, где другие материалы разлагаются.происходит незначительное поверхностное распадение, освобождение кислорода от нагретых поверхностей сапфира, который позже включается в первоначальные слои роста GaN, создавая тонкие кислород-допированные области вблизи интерфейса.

Сложная кристаллография (0001) сапфировых поверхностей требует тщательной подготовки.Стандартные процедуры включают отжигание в текущем водороде при 1000-1100 °C для реструктуризации поверхностной химии до воздействия химических веществ.Атомная силовая микроскопия показывает, как время отжига между 2 и 40 минутами развивает микроструктуры с ступенчатой террасой высотой ~ 0,2 нм (один монослой).

Прямой рост на полированном с-плоскости сапфира производит плохое качество GaN из-за значительного несоответствия решетки (14%) и различий в тепловом расширении.высокая концентрация остаточных электронов (≥1018 см−3)Решение было достигнуто с помощью технологии буферного слоя, хотя она скорее уменьшает, чем устраняет эти фундаментальные несоответствия.

Нитридация стала важным этапом предварительной обработки, когда поверхности сапфира, подверженные воздействию NH3 при температуре ≥ 800 °C, образуют тонкие слои AlN, которые улучшают последующий рост III-нитрида.Этот процесс изменяет энергию поверхности и уменьшает несоответствие решетки, влияя на микроструктуру пленкиОптимальные времена нитрирования менее 3 минут приводят к более гладкой поверхности, в то время как более длительные периоды увеличивают шероховатость благодаря характеристикам, вызванным напряжением.

Несмотря на преимущества сапфира, исследователи продолжают исследовать альтернативы для решения проблемы несовпадения решетки и теплового расширения:

• Силиконовый карбид (SiC):Второй по популярности III-нитридный субстрат, особенно для синих/зеленых/белых светодиодов и HEMT. 4H- и 6H-SiC предлагают шестиугольные структуры с лучшим соответствием решетки (~ 3,5% несоответствия противGaN) чем сапфир.
• Кремний (Si):Экономически привлекательный из-за зрелого производства пластинок большого диаметра (> 12"), хотя качество GaN на Si (((111) все еще отстает от роста на основе сапфира.
• Оксид цинка (ZnO):Обещающий с только ~ 1,9% несовместимостью решетки с GaN, но страдает от разложения при типичных температурах роста и проблемах диффузии примесей.
• Субстраты GaN в сыпучей форме:Идеальное, но дорогое решение, полученное с помощью методов аммонотермического роста или HVPE.текущие ограничения цен и размера пластинки препятствуют широкому внедрению светодиодов.

Помимо эпитаксии III-нитридов, сапфир обещает в продвинутом синтезе материалов:

• Растение графена:Служит более дешевой альтернативой SiC для синтеза графена MBE, извлекая выгоду из шестиугольной симметрии поверхности.
• Направление углеродных нанотрубок:Атомные шаги на неправильно разрезанном с-плоскости сапфире (высота 0,2 нм) могут моделировать высоко выравниваемый одностенный рост нанотрубок посредством взаимодействий ван дер Ваальса.

Дизайны светодиодов с флип-чипом (FC) устраняют два критических ограничения обычных нитридных светодиодов: плохая экстракция света и низкая теплопроводность сапфира.Положив на дно контактные лампы и используя сапфир в качестве выходного окна, FCLED достигают:

• Лучшее рассеивание тепла путем прямого соединения металлов
• Улучшенная экстракция света с помощью более толстых оконных слоев и снижение показателя рефракции контраста (n_sapphire=1.76 против n_air=1.0)
• Металлические контактные устройства, работающие как отражающие зеркала

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.

Исследования показывают, как модифицированные сапфировые геометрии повышают эффективность светодиодов:

• Срубленные и перевернутые пирамиды улучшают извлечение света
• Подрезанные боковые стены повышают производительность за счет множества возможностей побега фотонов
• Волнообразные боковые стенки увеличивают мощность ~ 10%
• 22° подрезанные боковые стены значительно улучшают световую эмиссию

Эти подходы имеют общий принцип: увеличение возможностей фотонов находить конусы побега в пределах критических углов.изготовление боковых стен с особым уклоном, показывают особую перспективность для применения с высокой яркостью.