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 en liaison covalente, disposés très étroitement, avec une forte énergie de chaîne et de réseau. Son intérieur cristallin est quasiment exempt d'impuretés et de défauts. Il présente ainsi une excellente isolation électrique, une transparence, une bonne conductivité thermique et une grande rigidité. Il est largement utilisé comme fenêtre optique et comme substrat haute performance. Cependant, la structure moléculaire du saphir est complexe et anisotrope. L'impact sur les propriétés physiques correspondantes varie également selon l'orientation du cristal, ce qui explique ses différentes utilisations. En général, les substrats en saphir sont disponibles dans les directions C, R, A et M.
L'application dePlaquette de saphir plan C
Le nitrure de gallium (GaN), semi-conducteur de troisième génération à large bande interdite, présente une large bande interdite directe, une forte liaison atomique, une conductivité thermique élevée, une bonne stabilité chimique (quasiment insensible à la corrosion par les acides) et une forte capacité anti-irradiation. Il offre de vastes perspectives d'application en optoélectronique, dans les dispositifs haute température et de puissance, ainsi que dans les dispositifs micro-ondes haute fréquence. Cependant, en raison du point de fusion élevé du GaN, il est difficile d'obtenir des monocristallins 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 en termes de matériaux de substrat.
Par rapport à lasubstrat en saphiravec d'autres faces cristallines, le taux de désadaptation de la constante de réseau entre la plaquette de saphir du 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 désadaptation de la constante de réseau entre les deux et lefilms AlNLa couche tampon, encore plus petite, répond aux exigences de résistance à haute température du processus de cristallisation du GaN. C'est donc un substrat courant pour la croissance du GaN, utilisé pour la fabrication de LED blanches, bleues et vertes, de diodes laser, de détecteurs infrarouges, etc.
Il convient de noter que le film GaN développé sur un substrat saphir plan C croît le long de son axe polaire, c'est-à-dire dans la direction de l'axe C. Ce procédé permet non seulement une croissance et un processus d'épitaxie matures, un coût relativement faible, des propriétés physiques et chimiques stables, mais aussi de meilleures performances de traitement. Les atomes de la plaquette de saphir orientée C sont liés selon un arrangement O-al-al-o-al-O, tandis que les cristaux de saphir orientés M et A sont liés selon un arrangement al-O-al-O. L'énergie de liaison d'Al-Al étant plus faible et plus faible que celle d'Al-O, par rapport aux cristaux de saphir orientés M et A, le traitement du saphir C vise principalement à ouvrir la clé Al-Al, plus facile à traiter, permettant d'obtenir une qualité de surface supérieure et une meilleure qualité d'épitaxie au nitrure de gallium, ce qui peut améliorer la qualité des LED blanches/bleues à ultra-haute luminosité. En revanche, les films développés le long de l'axe C présentent des effets de polarisation spontanés et piézoélectriques, ce qui entraîne un fort champ électrique interne à l'intérieur des films (puits quantiques de la couche active), ce qui réduit considérablement l'efficacité lumineuse des films GaN.
Plaquette de saphir plan Aapplication
Grâce à ses excellentes performances globales, et notamment à son excellente transmittance, le monocristal de saphir améliore la pénétration de l'infrarouge et constitue un matériau idéal pour les fenêtres dans l'infrarouge moyen, largement utilisé dans les équipements photoélectriques militaires. Le saphir A, dont la surface est apolaire (plan C) perpendiculaire à la face, présente une surface apolaire. En général, la qualité du cristal de saphir orienté A est supérieure à celle du cristal orienté C, avec moins de dislocations, une structure mosaïque plus fine et une structure cristalline plus complète. Il offre ainsi une meilleure transmission lumineuse. De plus, 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. Par conséquent, les puces orientées A sont principalement utilisées comme matériaux pour les fenêtres. De plus, le saphir A présente une constante diélectrique uniforme et des propriétés d'isolation élevées, ce qui le rend applicable à la technologie microélectronique hybride, mais aussi à la croissance de conducteurs de haute qualité, comme l'utilisation de TlBaCaCuO (TbBaCaCuO), Tl-2212, et la croissance de films supraconducteurs épitaxiaux hétérogènes sur un substrat composite saphir en oxyde de cérium (CeO2). Cependant, en raison de l'énergie de liaison élevée de l'Al-O, son traitement est plus difficile.
Application dePlaquette de saphir plane R/M
Le plan R est la surface apolaire du saphir. Par conséquent, la variation de sa position dans un dispositif en saphir lui confère des propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques différentes. En général, le substrat en saphir à surface R est privilégié pour le dépôt hétéroépitaxial de silicium, principalement pour les applications de semi-conducteurs, de micro-ondes et de circuits intégrés microélectroniques. Il est également utilisé pour la production de plomb, d'autres composants supraconducteurs et de résistances à haute résistance. L'arséniure de gallium peut également être utilisé pour la croissance de substrats de type R. Actuellement, avec la popularité des smartphones et des tablettes, le substrat en saphir à face R a remplacé les dispositifs SAW composés utilisés pour les smartphones et les tablettes, offrant ainsi un substrat pour des dispositifs aux performances améliorées.
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Date de publication : 16 juillet 2024