サファイアはアルミナの単結晶で、三元結晶系の六方晶構造に属し、その結晶構造は共有結合型の 3 つの酸素原子と 2 つのアルミニウム原子で構成され、非常に密接に配置され、強い結合鎖と格子エネルギーを持ちます。結晶内部には不純物や欠陥がほとんどなく、電気絶縁性、透明性、熱伝導性に優れ、剛性が高いという特性を持っています。光学窓や高性能基板材料として広く使用されています。しかし、サファイアの分子構造は複雑で異方性があり、結晶方向の違いにより加工や用途によって対応する物性への影響も大きく異なるため、用途も異なります。一般に、サファイア基板は C、R、A、M 面方向で入手可能です。
の応用C面サファイアウェーハ
ワイドバンドギャップの第 3 世代半導体である窒化ガリウム (GaN) は、広い直接バンドギャップ、強い原子結合、高い熱伝導率、良好な化学的安定性 (いかなる酸にもほとんど腐食されない) および強力な耐放射線能力を備えており、幅広い用途で使用できる可能性があります。オプトエレクトロニクス、高温および電力デバイス、高周波マイクロ波デバイスの応用。しかし、GaNは融点が高いため、大型の単結晶材料を得ることが難しいため、基板材料に対する要求が高い別の基板上にヘテロエピタキシー成長を行うのが一般的です。
と比較して、サファイア基板他の結晶面と比較すると、C 面 (<0001> 配向) サファイア ウェーハと、III-Ⅴ および II-Ⅵ 族に堆積された膜 (GaN など) との間の格子定数の不一致率は比較的小さく、格子定数の不一致は2 つの間のレートとAlN膜バッファ層として使用できる層はさらに小さく、GaN結晶化プロセスにおける高温耐性の要件を満たします。したがって、これはGaN成長用の一般的な基板材料であり、白色/青色/緑色LED、レーザーダイオード、赤外線検出器などの製造に使用できます。
C面サファイア基板上に成長したGaN膜はその極軸、つまりC軸の方向に沿って成長することは注目に値します。これは成熟した成長プロセスとエピタキシープロセスであるだけでなく、比較的低コストで物理的に安定しています。化学的特性だけでなく、加工性能も優れています。 C 配向のサファイア ウェーハの原子は O-al-al-o-al-O 配列で結合しており、M 配向および A 配向のサファイア結晶は al-O-al-O で結合しています。 Al-Al は、M 配向および A 配向のサファイア結晶と比較して、Al-O よりも結合エネルギーが低く、結合が弱いため、C サファイアの加工は主に、加工が容易な Al-Al キーを開くことになります。 、より高い表面品質を得ることができ、さらにより優れた窒化ガリウムエピタキシャル品質を得ることができ、これにより超高輝度白色/青色 LED の品質を向上させることができます。一方、C軸に沿って成長した膜には自発分極効果と圧電分極効果があり、その結果、膜(活性層量子井戸)内に強い内部電場が生じ、GaN膜の発光効率が大幅に低下します。
サファイア単結晶はその優れた総合性能、特に優れた透過率により赤外線透過効果を高め、理想的な中赤外線窓材となり、軍用光電機器に広く使用されている。サファイアが面の法線方向の極性面（C 面）である場合、 は非極性面です。一般に、A 配向サファイア結晶の品質は C 配向結晶よりも優れており、転位が少なく、モザイク構造が少なく、結晶構造がより完全であるため、光透過性能が優れています。同時に、面a上のAl-O-Al-O原子結合モードにより、A配向サファイアの硬度と耐摩耗性はC配向サファイアよりも大幅に高くなります。したがって、A 方向チップは主に窓材料として使用されます。さらに、サファイアは均一な誘電率と高い絶縁特性も備えているため、ハイブリッドマイクロエレクトロニクス技術に適用できるだけでなく、TlBaCaCuO (TbBaCaCuO)、Tl-2212、成長などの優れた導体の成長にも応用できます。酸化セリウム (CeO2) サファイア複合基板上に異種エピタキシャル超電導膜を形成。ただし、Al-O は結合エネルギーが大きいため、加工がより困難になります。
R 面はサファイアの非極性面であるため、サファイア デバイス内の R 面の位置が変化すると、機械的、熱的、電気的、光学的特性が異なります。一般に、R 面サファイア基板は、主に半導体、マイクロ波、マイクロエレクトロニクス集積回路用途、鉛、その他の超電導部品、高抵抗抵抗器の製造におけるシリコンのヘテロエピタキシャル堆積に適しており、ガリウムヒ素も R 面に使用できます。タイプの基板成長。現在、スマートフォンやタブレット端末の普及に伴い、スマートフォンやタブレット端末に使用されている複合SAWデバイスに代わってR面サファイア基板がデバイスの性能向上に貢献しています。
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投稿日時: 2024 年 7 月 16 日