A safira é um monocristal de alumina, pertencente ao sistema cristalino tripartido, com estrutura hexagonal. Sua estrutura cristalina é composta por três átomos de oxigênio e dois átomos de alumínio ligados covalentemente, dispostos de forma muito compacta, com forte coesão e alta energia reticular. Seu interior cristalino é praticamente isento de impurezas ou defeitos, o que lhe confere excelentes características de isolamento elétrico, transparência, boa condutividade térmica e alta rigidez. É amplamente utilizada como janela óptica e substrato de alto desempenho. No entanto, a estrutura molecular da safira é complexa e apresenta anisotropia, e o impacto nas propriedades físicas varia consideravelmente de acordo com a direção de processamento e utilização do cristal, resultando em diferentes aplicações. De modo geral, os substratos de safira estão disponíveis nas direções dos planos C, R, A e M.
A aplicação dewafer de safira do plano C
O nitreto de gálio (GaN), um semicondutor de terceira geração com ampla banda proibida, possui uma banda proibida direta extensa, fortes ligações atômicas, alta condutividade térmica, boa estabilidade química (praticamente não corroído por ácidos) e forte resistência à irradiação, apresentando amplas perspectivas de aplicação em optoeletrônica, dispositivos de alta temperatura e potência, e dispositivos de micro-ondas de alta frequência. Entretanto, devido ao alto ponto de fusão do GaN, é difícil obter materiais monocristalinos de grandes dimensões, sendo o método comum o crescimento heteroepitaxial sobre outros substratos, o que impõe maiores exigências quanto aos materiais do substrato.
Em comparação com osubstrato de safiraCom outras faces cristalinas, a taxa de incompatibilidade da constante de rede entre a pastilha de safira do plano C (orientação <0001>) e os filmes depositados nos grupos III-V e II-VI (como o GaN) é relativamente pequena, e a taxa de incompatibilidade da constante de rede entre os dois e oFilmes AlNA camada que pode ser usada como buffer é ainda menor e atende aos requisitos de resistência a altas temperaturas no processo de cristalização do GaN. Portanto, é um material de substrato comum para o crescimento de GaN, podendo ser usado na fabricação de LEDs brancos/azuis/verdes, diodos laser, detectores infravermelhos e outros dispositivos.
Vale mencionar que o filme de GaN crescido sobre o substrato de safira no plano C cresce ao longo de seu eixo polar, ou seja, na direção do eixo C. Esse processo não só representa um crescimento e epitaxia maduros, como também um custo relativamente baixo e propriedades físico-químicas estáveis, além de um melhor desempenho de processamento. Os átomos da pastilha de safira orientada no plano C estão ligados em um arranjo O-Al-Al-O-Al-O, enquanto os cristais de safira orientados nos planos M e A estão ligados em um arranjo Al-O-Al-O. Como o Al-Al possui menor energia de ligação e ligação mais fraca do que o Al-O, em comparação com os cristais de safira orientados nos planos M e A, o processamento da safira no plano C visa principalmente abrir a chave Al-Al, o que facilita o processamento e permite obter uma qualidade de superfície superior, resultando em uma melhor qualidade epitaxial do nitreto de gálio e, consequentemente, em LEDs brancos/azuis de ultra-alto brilho. Por outro lado, os filmes crescidos ao longo do eixo C apresentam efeitos de polarização espontânea e piezoelétrica, resultando em um forte campo elétrico interno dentro dos filmes (poços quânticos da camada ativa), o que reduz consideravelmente a eficiência luminosa dos filmes de GaN.
wafer de safira de plano Aaplicativo
Devido ao seu excelente desempenho geral, especialmente à sua excelente transmitância, o monocristal de safira pode aumentar o efeito de penetração no infravermelho, tornando-se um material ideal para janelas de infravermelho médio, sendo amplamente utilizado em equipamentos fotoelétricos militares. A safira orientada no plano A (plano C) é uma superfície não polar na direção normal à sua face. Geralmente, a qualidade do cristal de safira orientado no plano A é superior à do cristal orientado no plano C, apresentando menos discordâncias, menos estrutura em mosaico e uma estrutura cristalina mais completa, resultando em melhor desempenho de transmissão de luz. Além disso, devido ao modo de ligação atômica Al-O-Al-O no plano A, a dureza e a resistência ao desgaste da safira orientada no plano A são significativamente maiores do que as da safira orientada no plano C. Portanto, os cristais orientados no plano A são os mais utilizados como materiais para janelas. Além disso, a safira também possui constante dielétrica uniforme e altas propriedades de isolamento, podendo ser aplicada em tecnologia de microeletrônica híbrida, bem como no crescimento de excelentes condutores, como o uso de TlBaCaCuO (TbBaCaCuO), Tl-2212 e o crescimento de filmes supercondutores epitaxiais heterogêneos em substrato composto de óxido de cério (CeO2) e safira. No entanto, devido à alta energia de ligação Al-O, seu processamento é mais complexo.
Aplicação dewafer de safira do plano R/M
O plano R é a superfície não polar da safira, portanto, a variação na posição do plano R em um dispositivo de safira confere diferentes propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ópticas. Em geral, o substrato de safira com superfície R é preferido para a deposição heteroepitaxial de silício, principalmente para aplicações em semicondutores, micro-ondas e circuitos integrados de microeletrônica. Na produção de componentes supercondutores, resistores de alta resistência e arseneto de gálio, também é possível utilizar substratos do tipo R. Atualmente, com a popularização de smartphones e tablets, o substrato de safira com superfície R substituiu os dispositivos SAW compostos utilizados nesses dispositivos, oferecendo um substrato com desempenho aprimorado.
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Data da publicação: 16 de julho de 2024