新しい用途のためにサファイア基板に依存する

現代LED照明を想像してみてください 耐久性や透明性 極端な温度下での安定性を兼ね備えた素材を使わずにアルミオキシド (Al2O3) の単結形半導体,電子機器,光学に幅広い応用を持つ材料として,III-ナイトリドの表軸成長のための理想的な基板としてだけでなく,この重要な役割を果たします.

ポリ結晶型アルミ酸化物とは異なり,サファイルの単結晶構造は,特殊な用途に最適にする例外的な物理的および化学的特性を与えます.

• 優れた化学的安定性高温でも耐性がある
• 優れた電気特性:非常に高い抵抗性 (通常>1011 Ω·cm ~300K),しかし,比較的低い熱伝導性 (<30 W/ (((m·K) 室温に近い) は,LEDアプリケーションに制限を与える可能性があります.
• 優れた電解特性:高い電解強度で常数11.5 (c軸に平行) と9.3 (c軸に垂直) で,周波数103~109Hzで298Kで
• 優れた機械的強度高圧縮強度 (~2 GPaまたは~3×105 psi) は,より低い張力強度 (275~400 MPa) がある.屈曲強度は~1.03 GPa (c軸に平行) と~758 MPa (垂直) を測定する.
• 特殊な硬さ:ノップ硬さ 1900 kg/mm2 (平行) と 2200 kg/mm2 (垂直)
• 高度な屈折性極端な暑さでも 性能を保ちます

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 colorsこの純粋な結晶形はαアルミナまたはコロンドムとも呼ばれ,アルミナの多くのポリモルフの中で熱力学的に最も安定した相を表しています.

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) の溶融点と3253K (2980°C) の沸点を持つサファイアは1000°C以上の高温のGaNバッファ層エピタキシでも安定している.

典型的なMOCVD GaN成長過程で,水素はキャリアガスと水素クラッキングの副産物として機能する.しかし,他の材料が分解するときに,サファイアは安定性を維持します.表面分解が軽く,加熱されたサファイア表面から酸素が放出され,その後最初のGaN成長層に組み込まれます.インターフェースの近くで薄い酸素ドーピングされた領域を作り出す.

(0001) ザファイア表面の複雑な結晶学は,慎重に準備する必要があります.標準手順は,化学的暴露の前に表面化学を再構成するために1000~1100°Cで流れるH2で焼却を伴う.原子力顕微鏡では,2~40分間の焼却時間が,ステップテラスマイクロ構造を~0.2nmのステップ高さ (単層) でどのように形成するかを明らかにします.

磨きされたc平面サファイア上の直接成長は,有意な格子不一致 (14%) と熱膨張差によりGaN品質が低下する.これは広いXRDピーク (15 〜 30 弧分 FWHM) に導きます.高い残留電子濃度 (≥1018cm−3)解決策はバッファ層技術によって実現されましたが,これらの根本的な不一致をなくすのではなく,減少します.

ナイトライデーションは, ≥800°Cで流れるNH3にさらされたサファイア表面が,IIIナイトライドの成長を改善する薄いAlN層を形成する重要な予備処理段階となっています.このプロセスは表面エネルギーを修正し,フィルムマイクロ構造に影響しながら格子不一致を軽減します極度,欠陥密度,および電子特性. 3分未満の最適なナイトライデーション時間は,滑らかな表面を生成し,より長い持続期間は,ストレスの誘発された特徴によって荒さを増加させます.

サファイアが持つ利点にもかかわらず 研究者は 格子と熱膨張の不一致を解決する代替方法を探求し続けています

• シリコンカービッド (SiC):青/緑/白色LEDとHEMTの2番目に人気のあるIII-ナイトリド基板である. 4H-と6H-SiCは,より良い格子マッチング (~3.5%不一致 vs.ガナ) は,サファイアより.
• シリコン (Si):大直径 (>12") のウエフルの製造が成熟したため,経済的に魅力的ですが,Si (((111) のGaN品質は,サファイアベースの成長に依然として遅れをとっています.
• 亜鉛酸化物 (ZnO):GaNとの格子不一致率はわずか ~1.9%で有望だが,典型的な成長温度や不純物拡散の課題で分解に苦しんでいる.
• バルクガナ基質:理想的だが高価なソリューションで,アモノ熱育成またはHVPE技術によって生産される.低部位離散密度 (~105cm−2) を提供しながら,現在の価格設定とウエファーサイズ制限はLEDの普及を妨げています..

3次ナイトリドの石灰化以外は サファイアが先進的な材料合成に 有望なものです

• グラフェンの成長:MBEグラフェン合成のためのSiCの安価な代替として機能し,六角面対称性を得ています.
• 炭素ナノチューブの配置:C平面サファイア (0.2nmの高さ) の不切断の原子ステップは,ヴァン・デル・ワールス相互作用によって高度に並んだ単壁ナノチューブ成長を模範化することができます.

フリップチップ (FC) LED デザインでは,従来のナイトリド LED の2つの重要な限界を解決します. 弱光抽出とサファイアの低熱伝導性.底にコンタクトを置き,ライト出口窓としてサファイアを使用することによってFCLEDは次のことを達成します.

• 直接金属結合によりよりよい熱散
• 厚い窓層による光抽出の改善と屈折率コントラストの減少 (n_サファイア=1.76vsn_空気=1.0)
• メタルコンタクトで反射鏡として機能する

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.

研究によると 変形したサファイア形状が LEDの効率を向上させる

• 切断された逆ピラミッド構造は,光抽出を改善する
• 横壁を切り下ろし,複数の光子脱出の機会を通じて出力を高める
• 波のような質感のあるサイドウォールは,出力量を10%増加させる
• 22° 切断された側面壁は,光排出量を大幅に改善します

これらのアプローチは,重要な角度内で脱出円形を見つけるための光子の機会を増加させるという共通の原則を共有しています.特に傾斜した側壁の製造高明度のアプリケーションでは特に有望である.