새로운 응용 분야를 위해 사피르 기판에 의존하는 Gan 성장

강도, 투명성, 그리고 극한 온도에서도 안정성을 결합하는 물질이 없는 현대 LED 조명을 상상해보세요.알루미늄 산화 (Al2O3) 의 단일 결정 형태, 이 중추적 인 역할을 수행합니다. III-nitride의 대각관성 성장을위한 이상적인 기판뿐만 아니라 반도체, 전자 및 광학에서 광범위한 응용 프로그램을 가진 재료로.

폴리 크리스탈린 알루미늄 산화물과는 달리, 사파이어의 단일 결정 구조는 특수한 물리적 및 화학적 특성을 부여하여 전문 응용 분야에 이상적입니다.

• 뛰어난 화학적 안정성높은 온도에서도 다양한 화학물질에 내성이 있습니다.
• 우수한 전기적 특성:극도로 높은 저항성 (일반적으로 ~ 300K에서 > 1011 Ω · cm), 그러나 상대적으로 낮은 열 전도성 (실온 근처에서 < 30 W / ((m · K)) 은 LED 애플리케이션에 제한적일 수 있습니다.
• 우수한 다이렉트릭 성질:높은 다이렉트릭 강도, 변수 11.5 (c축과 평행) 및 9.3 (c축에 세로) 로 103~109 Hz 주파수에서 298K에서
• 뛰어난 기계적 강도:높은 압축 강도 (~ 2 GPa 또는 ~ 3 × 105 psi) 는 긴장 강도 (275 ~ 400 MPa) 가 낮지만, 굽힘 강도는 ~ 1.03 GPa (c 축과 병렬) 및 ~ 758 MPa (삼각형) 를 측정합니다.
• 특이한 경직성:노프 경도는 1900 kg/mm2 (평행) 및 2200 kg/mm2 (직선) 이다.
• 높은 굴절성:극한의 온도에서도 성질을 유지합니다.

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 colors이 순수한 결정 형태는 α-알루미나 또는 코룬드라고도 불리며 알루미나의 많은 다형성 중 가장 열역학적으로 안정적인 단계를 나타냅니다.

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) 의 녹는점과 3253K (2980°C) 의 끓는점으로, 사파이어는 1000°C 이상의 고온 GaN 완충층 부화에서도 안정적입니다.

전형적인 MOCVD GaN 성장 과정에서 수소는 운반 가스와 하이드라이드 크래킹의 부산물로 작용하지만, 사파이어는 다른 물질이 분해될 때 안정성을 유지합니다.작은 표면 분해가 발생합니다. 가피어 표면에서 산소가 방출되어 나중에 초기 GaN 성장 층에 통합됩니다., 인터페이스 근처에 산소 도핑 얇은 영역을 생성합니다.

(0001) 사파이어 표면의 복잡한 결정학은 신중한 준비가 필요합니다.표준 절차는 화학 물질에 노출되기 전에 표면 화학 구조를 재구성하기 위해 1000~1100°C에서 흐르는 H2에서 굽는 것을 포함합니다.원자력 현미경은 2~40분 사이의 고름 시간이 ~0.2nm 단계 높이의 단계 테라스 미시 구조를 어떻게 개발하는지 보여줍니다.

닦은 c 평면 사피르에 대한 직접 성장은 중요한 격자 불균형 (14%), 열 확장 차이로 인해 GaN 품질이 좋지 않습니다. 이것은 넓은 XRD 피크 (15 ∼ 30 아크 분 FWHM) 로 이어집니다.높은 잔존 전자 농도 (≥1018 cm−3)이 해결책은 버퍼 레이어 기술을 통해 나왔지만 이러한 근본적인 불일치를 제거하기보다는 감소시킵니다.

나이트리레이션은 ≥800°C에서 흐르는 NH3에 노출된 사파이어 표면이 후속 III-나이트라이드 성장을 개선하는 얇은 AlN 층을 형성하는 중요한 전처리 단계가되었습니다.이 과정은 표면 에너지를 수정하고 필름 미세 구조에 영향을 미치는 동시에 격자 불일치를 줄입니다., 극성, 결함 밀도 및 전자적 특성. 3 분 이하의 최적의 질소화 시간은 부드러운 표면을 생성하며, 더 긴 기간은 스트레스 유발 특징으로 거칠성을 증가시킵니다.

사파이어의 장점에도 불구하고 연구자들은 격자와 열 확장 불일치 문제를 해결하기 위한 대안을 계속 탐구하고 있습니다.

• 실리콘 카비드 (SiC):특히 파란색/녹색/백색 LED 및 HEMT에서 가장 인기있는 두 번째 III-나이트라이드 기판입니다. 4H-와 6H-SiC는 더 나은 격자 일치 (~3.5% 미합 vs.자피르보다.
• 실리콘 (Si):경제적으로 매력적 인 것은 큰 지름 (> 12 ") 의 웨이퍼의 성숙한 제조로 인해 Si ((111) 의 GaN 품질은 여전히 사파이어 기반의 성장을 뒤엎고 있습니다.
• 아연산 (ZnO):GaN에 대한 ~1.9%의 격자 불균형으로 유망하지만 전형적인 성장 온도에서 분해와 불순물 확산 과제에 시달립니다.
• 대용량 GaN 기체:이상적이지만 비용이 많이 드는 솔루션으로, 암모노 열성 성장 또는 HVPE 기술을 통해 생산됩니다. 낮은 굴절 밀도를 제공하면서 (~ 105 cm−2),현재 가격 및 웨이퍼 크기의 제한은 LED의 광범위한 채택을 방해합니다..

III-나이트라이드 유해화 이외에도 사파이어는 첨단 물질 합성에서 유망한 것을 보여줍니다.

• 그래핀 성장:MBE 그래핀 합성을 위해 SiC에 저렴한 대안으로 작용하며, 육각형 표면 대칭을 활용합니다.
• 탄소 나노 튜브 정렬:c 평면 사파이어 (0.2nm 높이) 의 원자 단계는 반 데르 발스 상호 작용을 통해 고도로 정렬 된 단일 벽 나노 튜브 성장을 템플릿 할 수 있습니다.

플립 칩 (FC) LED 디자인은 기존의 질소 LED의 두 가지 중요한 한계를 해결합니다. 열 추출이 약하고 사파이어의 열 전도성이 낮습니다.바닥에 콘택트를 설치하고 사파이어를 빛 출구 창으로 사용함으로써, FCLED는 다음을 달성합니다.

• 직접 금속 결합을 통해 더 나은 열 분산
• 더 두꺼운 창층을 통해 빛 추출이 향상되고 굴절 지수 대비가 감소 (n_사피르=1.76 대 n_공기=1.0)
• 반사 미러 역할을 하는 금속 접촉 장치

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.

연구 결과에 따르면 변형된 사파이어 기하학은 LED의 효율성을 높여줍니다.

• 단절 된 뒤집어진 피라미드 구조는 빛 추출을 향상시킵니다.
• 하층 측면 벽은 여러 광자 탈출 기회를 통해 출력을 향상시킵니다.
• 파동 같은 텍스처 된 측면 벽은 ~ 10%의 전력 출력을 증가시킵니다.
• 22° 아래로 절단된 옆벽은 빛 방출을 크게 향상시킵니다.

이 접근법들은 공통적인 원리를 공유합니다. 결정적인 각도 내에서 탈출 콘을 찾는 포톤의 기회를 증가시킵니다.특히 기울어진 옆벽 제조, 높은 밝기 응용 프로그램에 특히 유망합니다.