Gan büyümesi yeni uygulamalar için safir substratlarına dayanıyor

Modern LED aydınlatmayı, aşırı sıcaklıklarda dayanıklılık, şeffaflık ve istikrarı birleştiren bir malzeme olmadan hayal edin.Alüminyum oksit (Al2O3) tek kristal şeklinde, sadece III-nitrit epitaksiyel büyüme için ideal bir substrat olarak değil, aynı zamanda yarı iletkenler, elektronik ve optik alanlarında geniş uygulamalara sahip bir malzeme olarak da bu kilit rolü oynar.

Polikristalin alüminyum oksitten farklı olarak, safirin tek kristal yapısı, özel uygulamalar için ideal hale getiren olağanüstü fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir:

• Mükemmel kimyasal kararlılık:Yüksek sıcaklıklarda bile çeşitli kimyasal maddelere dayanıklı.
• Mükemmel elektrik özellikleri:Son derece yüksek direnç (tipik olarak > 1011 Ω · cm ~ 300K'da), nispeten düşük ısı iletkenliği (<30 W / (((m · K) oda sıcaklığında) LED uygulamaları için sınırlayıcı olabilir.
• Üstün dielektrik özellikleri:Yüksek dielektrik sertliği, 10.3 Hz frekanslarında 298K'da 11.5 (c eksenine paralel) ve 9.3 (c eksenine dik) sabitleri ile.
• Dikkat çekici mekanik dayanıklılık:Yüksek basınç dayanıklılığı (~ 2 GPa veya ~ 3 × 105 psi), daha düşük germe dayanıklılığı (275 ∼ 400 MPa) ile.
• Özel sertlik:1900 kg/mm2 (paralel) ve 2200 kg/mm2 (perpendikuler) düğüm sertliği.
• Yüksek kırılganlık:Aşırı sıcaklıklarda özelliklerini korur.

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 colorsBu saf kristalin form, alüminin birçok polimorfu arasında termodinamik olarak en istikrarlı fazı temsil eden α-alümina veya korundum olarak da adlandırılır.

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 stability2323K (2030°C) erime noktası ve 3253K (2980°C) kaynama noktası ile safir, yüksek sıcaklıklı GaN tampon tabakası epitaksi sırasında bile 1000°C'nin üzerinde istikrarlı kalır.

Tipik MOCVD GaN büyüme süreçlerinde hidrojen hem taşıyıcı gaz hem de hidrit kraklamanın yan ürünü olarak hizmet ederken, safir diğer malzemelerin parçalanacağı yerlerde istikrarını korur.küçük bir yüzey parçalanması oluşur ⇒ ısıtılmış safir yüzeylerinden oksijen salınımı, daha sonra ilk GaN büyüme katmanlarına dahil olur, arayüzün yakınında ince oksijenli bölgeleri oluşturur.

(0001) safir yüzeylerinin karmaşık kristallografisi dikkatli bir hazırlık gerektirir.Standart prosedürler, kimyasal maruz kalmadan önce yüzey kimyasalını yeniden yapılandırmak için 1000 ∼ 1100 °C'de akan H2'de kaynatmayı içerir.Atomik kuvvet mikroskobu, 2 ~ 40 dakika arasındaki kızartma zamanlarının ~ 0.2nm adım yüksekliği (bir tek katman) ile adım-teras mikrostructürlerinin nasıl geliştiğini ortaya çıkarır.

Polşlanmış c düzlü safir üzerindeki doğrudan büyüme, önemli ızgara uyumsuzluğu (14%) ve termal genişleme farklılıkları nedeniyle düşük GaN kalitesi üretir.Yüksek kalan elektron konsantrasyonları (≥1018 cm−3)Çözüm, bu temel uyumsuzlukları ortadan kaldırmak yerine azaltmasına rağmen tampon katman teknolojisiyle ortaya çıktı.

Nitridasyon, ≥ 800 °C'de akış NH3'e maruz kalmış safir yüzeylerinin, sonraki III-nitrit büyümesini iyileştiren ince AlN katmanları oluşturduğu önemli bir ön işleme adımı haline geldi.Bu işlem yüzey enerjisini değiştirir ve film mikrostrukturunu etkileyerek ızgara uyumsuzluğunu azaltır, kutupluk, kusur yoğunluğu ve elektronik özellikleri. 3 dakikadan daha az optimum nitritasyon süreleri daha pürüzsüz yüzeyler üretirken, daha uzun süreler stres kaynaklı özellikler sayesinde kabalığı arttırır.

Saphir'in avantajlarına rağmen, araştırmacılar ızgara ve termal genişleme uyumsuzluklarını gidermek için alternatifleri araştırmaya devam ediyorlar:

• Silikon Karbid (SiC):Özellikle mavi/yeşil/beyaz LED'ler ve HEMT'ler için en popüler ikinci III-nitrit altyapısı. 4H- ve 6H-SiC, daha iyi ızgara eşleşmesi (~ 3.5% uyumsuzluk vs.GaN) safirden daha fazla.
• Silikon (Si):Büyük çaplı levhaların (> 12 ") olgunlaşması nedeniyle ekonomik olarak cazip, ancak Si ((111) üzerindeki GaN kalitesi hala safir tabanlı büyümeyi geride bırakıyor.
• Çinko oksit (ZnO):GaN'e sadece% 1.9% ızgara uyumsuzluğu ile umut verici, ancak tipik büyüme sıcaklıklarında ve kirlilik difüzyonu zorluklarında parçalanmaktan muzdarip.
• Toplu GaN substratları:İdeal ancak pahalı çözüm, ammonotermal büyüme veya HVPE teknikleri ile üretilir.Mevcut fiyatlandırma ve wafer boyutu sınırlamaları geniş çapta LED benimsenmesini engelliyor.

III-nitrit epitaksi'nin ötesinde, safir gelişmiş malzeme sentezinde umut verici:

• Grafen büyümesi:MBE grafen sentezi için SiC'ye daha düşük maliyetli bir alternatif olarak hizmet eder ve altıgen yüzey simetrisi ile yararlanır.
• Karbon nanotüp düzeni:Yanlış kesilmiş c düzlemli safir üzerindeki atomik adımlar (0.2nm yüksekliğinde) van der Waals etkileşimleri yoluyla yüksek derecede hizalı tek duvarlı nanotüp büyümesi modeli oluşturabilir.

Flip-chip (FC) LED tasarımları, geleneksel nitrit LED'lerin iki kritik sınırlamasını ele alır: zayıf ışık çekimi ve safirin düşük ısı iletkenliği.Alt tarafına kontaktlar yerleştirerek ve safira ışığı çıkış penceresi olarak kullanarak, FCLED'ler şunları başarıyor:

• Doğrudan metal bağlama yoluyla daha iyi ısı dağılımı
• Daha kalın pencere katmanları yoluyla daha iyi ışık çekimi ve kırılma indeksi kontrastının azalması (n_safir=1.76 vs. n_air=1.0)
• Yansıtıcı aynalar gibi çalışan metal kontaklar

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.

Çalışmalar, modifikasyonlu safir geometrisinin LED verimliliğini nasıl arttırdığını gösteriyor:

• Kısaltılmış ters piramide yapılar ışık çekimini iyileştirir
• Alt kesim yan duvarlar, birden fazla foton kaçış fırsatı sayesinde çıkışı artırır.
• Dalga benzeri dokulu yan duvarlar güç çıkışını %10 oranında artırır
• 22° alt kesilmiş yan duvarlar ışık emisyonunu önemli ölçüde artırır

Bu yaklaşımların ortak prensibi, fotonların kritik açılarda kaçış koni bulma fırsatlarını artırmaktır.Özellikle eğimli yan duvar üretimi, yüksek parlaklık uygulamaları için özellikle umut verici.