La crescita di Gan si basa su substrati di zaffiro per nuove applicazioni

Immaginate l'illuminazione LED moderna senza un materiale che combini resistenza, trasparenza e stabilità a temperature estreme.una forma monocristallina di ossido di alluminio (Al2O3)Il nitruro III è un substrato ideale non solo per la crescita epitaxiale del nitruro III, ma anche come materiale con ampie applicazioni nei semiconduttori, nell'elettronica e nell'ottica.

A differenza dell'ossido di alluminio policristallino, la struttura monocristallina dello zaffiro gli conferisce proprietà fisiche e chimiche eccezionali che lo rendono ideale per applicazioni specializzate:

• Esclusiva stabilità chimica:Resistente a vari agenti chimici, anche ad alte temperature.
• Eccellenti proprietà elettriche:Resistività estremamente elevata (in genere > 1011 Ω·cm a ~ 300K), anche se la sua relativamente bassa conducibilità termica (< 30 W / (((m · K) vicino alla temperatura ambiente) può essere limitante per le applicazioni LED.
• Proprietà dielettriche superiori:Alta resistenza dielettrica con costanti di 11,5 (parallele all'asse c) e 9,3 (perpendicolare all'asse c) a 298K su frequenze 103 ∼ 109 Hz.
• Strenua resistenza meccanica:Alta resistenza alla compressione (~ 2 GPa o ~ 3 × 105 psi) anche se con una resistenza alla trazione inferiore (275 ~ 400 MPa).
• Durezza eccezionale:Durezza del nodo di 1900 kg/mm2 (parallelamente) e 2200 kg/mm2 (perpendicolare).
• Alta refrattorezza:Mantiene le sue proprietà sotto il calore estremo.

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 colorsQuesta forma cristallina pura è chiamata anche α-alumina o corindone, rappresentando la fase più termodinamicamente stabile tra i molti polimorfi dell'alumina.

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 stabilityCon un punto di fusione di 2323K (2030°C) e un punto di ebollizione di 3253K (2980°C), lo zaffiro rimane stabile anche durante l'epitaxia dello strato tampone GaN ad alta temperatura sopra i 1000°C.

Durante i tipici processi di crescita del GaN MOCVD in cui l'idrogeno funge da gas vettore e sottoprodotto del cracking degli idruri, lo zaffiro mantiene la stabilità dove altri materiali si decompongono.si verifica una minore decomposizione superficiale  rilascio di ossigeno dalle superfici di zaffiro riscaldate che successivamente si incorpora negli strati iniziali di crescita del GaN, creando sottili regioni dopate di ossigeno vicino all'interfaccia.

La complessa cristallografia delle superfici di zaffiro (0001) richiede un'attenta preparazione.Le procedure standard prevedono il ricottura in H2 in flusso a 1000°C per ristrutturare la chimica superficiale prima dell'esposizione chimica.La microscopia di forza atomica rivela come i tempi di ricottura tra 2 ̊40 minuti sviluppano microstrutture a terrazza a gradini con altezze a gradini di ~ 0,2 nm (un mono strato).

La crescita diretta sul zaffiro a piano c lucido produce una scarsa qualità del GaN a causa di una significativa disadattamento del reticolo (14%) e di differenze di espansione termica.elevate concentrazioni residue di elettroni (≥ 1018 cm−3)La soluzione è stata fornita attraverso la tecnologia del livello tampone, anche se riduce piuttosto che eliminare queste disparità fondamentali.

La nitrurazione è diventata una fase cruciale del pretrattamento, in cui le superfici di zaffiro esposte a NH3 in flusso a ≥ 800 °C formano sottili strati di AlN che migliorano la successiva crescita del nitruro III.Questo processo modifica l'energia superficiale e riduce il disallineamento del reticolo influenzando la microstruttura del filmI tempi di nitrurazione ottimali inferiori a 3 minuti producono superfici più lisce, mentre le durate più lunghe aumentano la rugosità attraverso le caratteristiche indotte dallo stress.

Nonostante i vantaggi dello zaffiro, i ricercatori continuano a esplorare alternative per risolvere le disaggregazioni tra reticolo e espansione termica:

• Carburo di silicio (SiC):Il secondo substrato III-nitruro più popolare, in particolare per LED blu/verdi/bianchi e HEMT.GaN) rispetto allo zaffiro.
• Silicio (Si):Attraente dal punto di vista economico a causa della matura produzione di wafer di grande diametro (> 12"), sebbene la qualità del GaN sul Si (((111) sia ancora in ritardo rispetto alla crescita basata sul zaffiro.
• Ossido di zinco (ZnO):Promettente con solo ~ 1,9% di disallineamento reticolare al GaN, ma soffre di decomposizione a temperature di crescita tipiche e sfide di diffusione delle impurità.
• Substrati di GaN sfusi:La soluzione ideale ma costosa, prodotta mediante la crescita ammonotermica o le tecniche HVPE.I prezzi attuali e le limitazioni delle dimensioni dei wafer ostacolano l'adozione diffusa dei LED.

Al di là dell'epitaxia del nitruro III, lo zaffiro si rivela promettente nella sintesi di materiali avanzati:

• Crescita di grafene:Funge da alternativa a basso costo al SiC per la sintesi del grafene MBE, beneficiando della simmetria esagonale della superficie.
• Allineamento dei nanotubi di carbonio:I passaggi atomici su zaffiri c-piano non tagliati (altezza 0,2 nm) possono modellare la crescita di nanotubi a parete singola altamente allineati attraverso le interazioni di van der Waals.

I disegni a LED a flip-chip (FC) affrontano due limitazioni critiche dei LED a nitruro convenzionali: scarsa estrazione della luce e bassa conduttività termica dello zaffiro.Mettendo i contatti sul fondo e usando lo zaffiro come finestra di uscita di luce, gli FCLED raggiungono:

• Migliore dissipazione del calore attraverso il legame diretto del metallo
• Miglioramento dell'estrazione della luce attraverso strati di finestra più spessi e riduzione del contrasto dell'indice di rifrazione (n_saffiro=1,76 vs. n_aria=1,0)
• Contatti metallici che fungono da specchi riflettenti

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.

Gli studi dimostrano come le geometrie modificate di zaffiro aumentino l'efficienza dei LED:

• Strutture piramidali troncate e invertite migliorano l'estrazione della luce
• Le pareti laterali sottotagliate aumentano l'uscita attraverso molteplici opportunità di fuga dei fotoni
• Le pareti laterali con texture ondulate aumentano la potenza di ~ 10%
• 22° pareti laterali sottotagliate migliorano significativamente l'emissione luminosa

Questi approcci condividono un principio comune: aumentano le possibilità dei fotoni di trovare i coni di fuga all'interno di angoli critici.con un'inclinazione particolare della parete laterale, sono particolarmente promettenti per applicazioni ad alta luminosità.