Le saphir (Al2O3) appartient au système cristallin hexagonal, avec ses orientations cristallines typiquement définies par des plans cristallins (HKL) et des axes cristallins (a, b, c). Les axes cristallins se composent de trois directions: a, b et c. Parmi celles-ci, les axes a et b forment un angle de 60 degrés sur le plan, tandis que l’axe c est perpendiculaire au plan, formant un angle de 120 degrés. Les plans cristallins sont dénotés par les indices de Miller (HKL), où h, k, et l sont des entiers. Dans le système cristallin hexagonal, les plans cristallins communs de saphir comprennent {0001}, {1120}, {1102}, entre autres.

Les différentes orientations cristallines du saphir trouvent des applications spécifiques dans différents domaines:

Saphir C-plane:

Le nitrure de Gallium sur saphir (GaN on Sapphire) est une technologie clé dans la fabrication de semi-conducteurs. GaN, en tant que semi-conducteur de troisième génération à large bande passante, possède des propriétés telles qu’un large bande passante direct, des liaisons atomiques robustes, une conductivité thermique élevée, une excellente stabilité chimique (pratiquement imperméable à la corrosion acide) et une forte résistance aux rayonnements. Ces caractéristiques le rendent prometteur pour des applications en optoélectronique, dans les dispositifs à haute température et à haute puissance, et dans les dispositifs à micro-ondes à haute fréquence. Cependant, en raison de son point de fusion élevé, l’obtention de matériaux monocristallins à grande échelle du GaN reste difficile. Par conséquent, la croissance épitaxiale sur des substrats alternatifs tels que les plaquettes de saphir est commune, des substrats exigeants de haute qualité. Par rapport à d’autres orientations cristalline, les tranches de saphir du plan c présentent une inadéquation constante du réseau relativement minime avec les films déposés des groupes III-V et II-VI, tels que le GaN. Ceci, associé à une inadéquation constante du réseau encore plus petite avec les films AlN, en fait des matériaux de substrat favorisés pour la croissance du GaN. Ils trouvent une application dans la fabrication de LEDs blanches/bleues/vertes, de diodes laser, de détecteurs infrarouges, etc.

A-plane saphir:

Les monocristaux de saphir, en raison de leur performance globale exceptionnelle, la transparence particulièrement remarquable, servent de matériaux de fenêtre infrarouge moyen idéal, augmentant l’effet de pénétration des rayons infrarouges, de ce fait trouver une utilisation répandue dans les appareils optoélectroniques militaires. Parmi ceux-ci, le saphir a plan représente une surface polaire (plan c) direction normale, étant non polaire. Généralement, les cristaux de saphir cultivés dans la direction a présentent une qualité supérieure à ceux dans la direction c, offrant moins de défauts, moins de structures d’inclusion, et une structure cristalline plus complète, offrant par conséquent une meilleure performance de transmission de la lumière. De plus, grâce à la liaison atomique Al-O-Al-O sur le plan a, le saphir a-plan présente une dureté et une résistance à l’usure nettement plus élevées que le saphir c-plan. Par conséquent, les copeaux A-plane sont principalement utilisés comme matériaux de fenêtre. De plus, le saphir A-plane démontre une constante diélectrique uniforme et des caractéristiques d’isolation élevées, ce qui le rend adapté à la technologie de microélectronique hybride et à la croissance de supraconducteurs élevés. Par exemple, il est utilisé dans la croissance de films supraconducteurs hétéroépiaxiaux sur des substrats composites de saphir et d’oxyde de cérium (CeO2). Cependant, des problèmes de traitement se posent en raison de l’énergie de liaison importante de l’al-o.

Saphir R-plane:

Le plan r représente la surface non polaire du saphir, dotant les dispositifs de saphir de diverses propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques basées sur les variations de position du plan r. Typiquement, les substrats de saphir plan r sont préférés pour le dépôt épitaxial hétérogène de silicium, principalement utilisés dans les applications de semi-conducteurs, de micro-ondes et de circuits intégrés microélectroniques. Actuellement, avec la prolifération des smartphones et des tablettes informatiques, les substrats de saphir R-plane ont supplanté les scies composées existantes dans les smartphones et les tablettes, fournissant un substrat pour les dispositifs capables d’améliorer les performances.

M-plane saphir:

Le plan m indique la surface semi-polaire du saphir. En raison des perspectives d’application prometteuses du saphir dans la détection UV aveugle, les films minces de semi-conducteurs en alliage MgZnO à large bande espacent de plus en plus l’attention. Une gamme de films MgxZn1-xO avec diverses compositions sont préparés sur des tranches de saphir m-plan (10-10) en utilisant la technique de dépôt en vapeur chimique organique métallique à basse pression (LP-MOCVD). Dans des expériences ou des études spécifiques, le saphir m-plane peut être utile pour tester les propriétés électriques, optiques ou magnétiques du saphir ou dans la recherche spécialisée sur la croissance des matériaux.

Ces applications soulignent l’importance et la polyvalence des différentes orientations de cristal de saphir dans la fabrication de LED, la croissance de semi-conducteurs, les dispositifs optiques et les domaines de recherche scientifique. Par conséquent, la compréhension des orientations des cristaux est impérative pour atteindre les performances souhaitées lors de la sélection du saphir pour des applications spécifiques.

Liens de produits connexes

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Saphir substrat Wafer