Le saphir est un monocristal d'alumine appartenant au système cristallin tripartite, de structure hexagonale. Sa structure cristalline est composée de trois atomes d'oxygène et de deux atomes d'aluminium liés par covalence, agencés de manière très compacte, ce qui lui confère une forte énergie de réseau et une grande pureté. Son intérieur cristallin est quasiment exempt d'impuretés et de défauts, ce qui lui confère d'excellentes propriétés d'isolation électrique, de transparence, de conductivité thermique et de rigidité. Il est largement utilisé comme matériau pour les fenêtres optiques et les substrats haute performance. Cependant, la structure moléculaire du saphir est complexe et anisotrope, et l'influence de l'orientation cristalline sur ses propriétés physiques varie considérablement. De ce fait, ses applications diffèrent également. Généralement, les substrats en saphir sont disponibles selon les directions C, R, A et M.
L'application deplaquette de saphir de plan C
Le nitrure de gallium (GaN), semi-conducteur de troisième génération à large bande interdite, présente une large bande interdite directe, des liaisons atomiques fortes, une conductivité thermique élevée, une bonne stabilité chimique (quasi insensible à la corrosion par les acides) et une forte résistance aux radiations. Il offre de vastes perspectives d'application dans l'optoélectronique, les dispositifs haute température et de puissance, ainsi que les dispositifs micro-ondes haute fréquence. Cependant, son point de fusion élevé rend difficile l'obtention de monocristaux de grande taille. La méthode courante consiste donc à réaliser une croissance par hétéroépitaxie sur d'autres substrats, ce qui impose des exigences plus élevées quant aux matériaux de ces derniers.
Comparé àsubstrat de saphirPour les autres faces cristallines, le taux de désaccord de paramètre de maille entre la plaquette de saphir de plan C (orientation <0001>) et les films déposés dans les groupes III-V et II-VI (tels que GaN) est relativement faible, et le taux de désaccord de paramètre de maille entre les deux et leFilms AlNLa couche tampon utilisable est encore plus petite et répond aux exigences de résistance aux hautes températures lors de la cristallisation du GaN. Elle constitue donc un substrat couramment utilisé pour la croissance du GaN et permet la fabrication de LED blanches/bleues/vertes, de diodes laser, de détecteurs infrarouges, etc.
Il convient de mentionner que le film de GaN déposé sur un substrat de saphir de plan C croît selon son axe polaire, c'est-à-dire la direction de l'axe C. Ce procédé de croissance et d'épitaxie, éprouvé et relativement peu coûteux, offre des propriétés physico-chimiques stables et une meilleure facilité de mise en œuvre. Les atomes de la plaquette de saphir de plan C sont liés selon une configuration O-Al-Al-O-Al-O, tandis que ceux des cristaux de saphir de plan M et A sont liés selon une configuration Al-O-Al-O. L'énergie de liaison Al-Al étant plus faible que la liaison Al-O, le traitement du saphir de plan C vise principalement à créer la liaison Al-Al, plus facile à usiner et permettant d'obtenir une meilleure qualité de surface. On obtient ainsi une meilleure qualité d'épitaxie du nitrure de gallium, ce qui améliore la qualité des LED blanches/bleues à ultra-haute luminosité. En revanche, les films cultivés le long de l'axe C présentent des effets de polarisation spontanée et piézoélectrique, ce qui entraîne un champ électrique interne important à l'intérieur des films (puits quantiques de la couche active), réduisant considérablement l'efficacité lumineuse des films de GaN.
plaquette de saphir de plan Aapplication
Grâce à ses excellentes performances globales, et notamment à son excellente transmittance, le monocristal de saphir améliore la pénétration infrarouge et constitue un matériau idéal pour les fenêtres infrarouges moyennes, largement utilisé dans les équipements photoélectriques militaires. Le saphir orienté A (plan polaire C) est une surface non polaire dans la direction normale à sa face. Généralement, la qualité du cristal de saphir orienté A est supérieure à celle du cristal orienté C : il présente moins de dislocations, une structure mosaïque moins prononcée et une structure cristalline plus complète, ce qui lui confère une meilleure transmission de la lumière. Par ailleurs, grâce au mode de liaison atomique Al-O-Al-O sur le plan a, la dureté et la résistance à l'usure du saphir orienté A sont nettement supérieures à celles du saphir orienté C. C'est pourquoi les puces orientées A sont majoritairement utilisées comme matériaux de fenêtre. De plus, le saphir possède une constante diélectrique uniforme et d'excellentes propriétés d'isolation, ce qui le rend utilisable en microélectronique hybride et pour la croissance de conducteurs exceptionnels, comme le TlBaCaCuO (TbBaCaCuO) et le Tl-2212, ainsi que pour la croissance de films supraconducteurs épitaxiaux hétérogènes sur un substrat composite saphir-oxyde de cérium (CeO₂). Cependant, la forte énergie de liaison Al-O complexifie sa mise en œuvre.
Application deplaquette de saphir plan R/M
Le plan R est la surface non polaire du saphir. La variation de la position du plan R dans un dispositif en saphir lui confère des propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques différentes. Généralement, les substrats de saphir à surface R sont privilégiés pour le dépôt hétéroépitaxial de silicium, principalement pour les applications dans les semi-conducteurs, les circuits intégrés micro-ondes et microélectroniques. Ils sont également utilisés pour la production de plomb, d'autres composants supraconducteurs et de résistances à haute impédance. L'arséniure de gallium peut aussi servir à la croissance de substrats de type R. Actuellement, avec la popularité croissante des smartphones et des tablettes, les substrats de saphir à face R remplacent les dispositifs SAW composites utilisés pour ces appareils, offrant ainsi un substrat aux performances améliorées.
En cas d'infraction, contactez delete
Date de publication : 16 juillet 2024