El zafiro es un monocristal de alúmina, perteneciente al sistema cristalino tripartito, con estructura hexagonal. Su estructura cristalina está compuesta por tres átomos de oxígeno y dos de aluminio unidos mediante enlaces covalentes, dispuestos muy estrechamente, con una fuerte cadena de enlaces y alta energía reticular. Su interior cristalino está prácticamente libre de impurezas y defectos, lo que le confiere excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, transparencia, buena conductividad térmica y alta rigidez. Se utiliza ampliamente como material para ventanas ópticas y sustratos de alto rendimiento. Sin embargo, la estructura molecular del zafiro es compleja y presenta anisotropía, y el procesamiento y uso en diferentes direcciones cristalinas influye considerablemente en sus propiedades físicas, por lo que su aplicación también varía. En general, los sustratos de zafiro están disponibles en las direcciones de los planos C, R, A y M.
La aplicación deoblea de zafiro de plano C
El nitruro de galio (GaN), un semiconductor de tercera generación con una amplia banda prohibida, presenta una banda prohibida directa extensa, enlaces atómicos fuertes, alta conductividad térmica, buena estabilidad química (prácticamente no se corroe con ningún ácido) y una gran resistencia a la radiación, lo que le confiere un amplio potencial para aplicaciones en optoelectrónica, dispositivos de alta temperatura y potencia, y dispositivos de microondas de alta frecuencia. Sin embargo, debido a su elevado punto de fusión, resulta difícil obtener monocristales de gran tamaño, por lo que el método habitual consiste en el crecimiento por heteroepitaxia sobre otros sustratos, lo que impone mayores exigencias a los materiales del sustrato.
En comparación con elsustrato de zafiroCon otras caras cristalinas, la tasa de desajuste de la constante de red entre la oblea de zafiro del plano C (orientación <0001>) y las películas depositadas en los grupos III-V y II-VI (como GaN) es relativamente pequeña, y la tasa de desajuste de la constante de red entre las dos y laPelículas de AlNEste material, que puede utilizarse como capa amortiguadora, es aún más pequeño y cumple con los requisitos de resistencia a altas temperaturas en el proceso de cristalización de GaN. Por lo tanto, es un material de sustrato común para el crecimiento de GaN, que se puede utilizar para fabricar LED blancos/azules/verdes, diodos láser, detectores infrarrojos, etc.
Cabe mencionar que la película de GaN crecida sobre el sustrato de zafiro de plano C se desarrolla a lo largo de su eje polar, es decir, en la dirección del eje C. Este proceso no solo es un proceso de crecimiento y epitaxia maduro, de bajo costo y con propiedades físico-químicas estables, sino que también ofrece un mejor rendimiento de procesamiento. Los átomos de la oblea de zafiro orientada en el plano C se enlazan en una disposición O-Al-Al-O-Al-O, mientras que los cristales de zafiro orientados en los planos M y A se enlazan en Al-O-Al-O. Debido a que el enlace Al-Al tiene una energía de enlace menor y es más débil que el enlace Al-O, en comparación con los cristales de zafiro orientados en los planos M y A, el procesamiento del zafiro de plano C se centra principalmente en abrir la unión Al-Al, lo que facilita el procesamiento y permite obtener una mayor calidad superficial. Esto, a su vez, mejora la calidad epitaxial del nitruro de galio y, por consiguiente, la calidad de los LED blancos/azules de ultra alta luminosidad. Por otro lado, las películas crecidas a lo largo del eje C tienen efectos de polarización espontánea y piezoeléctrica, lo que da como resultado un fuerte campo eléctrico interno dentro de las películas (pozos cuánticos de la capa activa), lo que reduce en gran medida la eficiencia luminosa de las películas de GaN.
oblea de zafiro de plano Asolicitud
Debido a su excelente rendimiento integral, especialmente su excelente transmitancia, el monocristal de zafiro puede mejorar el efecto de penetración infrarroja y convertirse en un material ideal para ventanas de infrarrojo medio, ampliamente utilizado en equipos fotoeléctricos militares. En el zafiro orientado en el plano A, la superficie polar (plano C) en la dirección normal a la cara es no polar. Generalmente, la calidad del cristal de zafiro orientado en el plano A es superior a la del cristal orientado en el plano C, con menor dislocación, menor estructura en mosaico y una estructura cristalina más completa, lo que le confiere un mejor rendimiento de transmisión de luz. Asimismo, debido al modo de enlace atómico Al-O-Al-O en el plano a, la dureza y la resistencia al desgaste del zafiro orientado en el plano A son significativamente mayores que las del zafiro orientado en el plano C. Por lo tanto, los cristales orientados en el plano A se utilizan principalmente como materiales para ventanas. Además, el zafiro posee una constante dieléctrica uniforme y excelentes propiedades aislantes, por lo que se puede aplicar en tecnología microelectrónica híbrida, así como en el crecimiento de conductores de alto rendimiento, como el TlBaCaCuO (TbBaCaCuO) y el Tl-2212, y en el crecimiento de películas superconductoras epitaxiales heterogéneas sobre un sustrato compuesto de zafiro y óxido de cerio (CeO₂). Sin embargo, debido a la elevada energía de enlace del Al-O, su procesamiento resulta más complejo.
Aplicación deLámina de zafiro plano R/M
El plano R es la superficie no polar del zafiro, por lo que la variación en su posición en un dispositivo de zafiro le confiere diferentes propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ópticas. En general, el sustrato de zafiro con superficie R es el preferido para la deposición heteroepitaxial de silicio, principalmente para aplicaciones en semiconductores, microondas y circuitos integrados microelectrónicos. También se utiliza en la producción de plomo, otros componentes superconductores y resistencias de alta resistencia. El arseniuro de galio también puede emplearse para el crecimiento de sustratos de tipo R. Actualmente, gracias a la popularidad de los teléfonos inteligentes y las tabletas, el sustrato de zafiro con cara R ha reemplazado a los dispositivos SAW compuestos tradicionales utilizados en estos dispositivos, ofreciendo un sustrato que permite mejorar su rendimiento.
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Fecha de publicación: 16 de julio de 2024