사파이어는 알루미나의 단결정으로, 삼분상 결정계에 속하며 육각형 구조를 갖습니다. 사파이어의 결정 구조는 세 개의 산소 원자와 두 개의 알루미늄 원자가 공유 결합으로 촘촘하게 배열되어 있으며, 강한 결합 사슬과 격자 에너지를 가지고 있습니다. 또한 결정 내부에 불순물이나 결함이 거의 없어 우수한 전기 절연성, 투명성, 뛰어난 열전도율 및 높은 강성을 나타냅니다. 이러한 특성으로 인해 광학 창 및 고성능 기판 소재로 널리 사용됩니다. 그러나 사파이어의 분자 구조는 복잡하고 이방성을 가지며, 결정 방향에 따라 가공 및 사용 방식에 따른 물리적 특성의 차이가 크기 때문에 사용 용도 또한 다양합니다. 일반적으로 사파이어 기판은 C, R, A, M 평면 방향으로 가공할 수 있습니다.
갈륨 질화물(GaN)은 넓은 직접 밴드갭, 강한 원자 결합, 높은 열전도율, 우수한 화학적 안정성(거의 모든 산에 부식되지 않음), 그리고 강력한 내방사선성을 지닌 3세대 광대역 반도체로서 광전자, 고온 및 고출력 소자, 고주파 마이크로파 소자 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높습니다. 그러나 GaN은 융점이 높아 대형 단결정 소재를 얻기 어렵기 때문에 일반적으로 다른 기판 위에 이종 에피택시 성장을 수행하는데, 이는 기판 소재에 대한 요구 조건을 더욱 높입니다.
~와 비교했을 때사파이어 기판다른 결정면과 비교했을 때, C면(<0001> 방향) 사파이어 웨이퍼와 III-Ⅴ 및 II-Ⅵ 그룹(예: GaN)에 증착된 박막 사이의 격자 상수 불일치율은 비교적 작으며, 이 둘 사이의 격자 상수 불일치율은 다른 결정면과의 불일치율과 비교했을 때 상대적으로 작습니다.AlN 필름버퍼층으로 사용될 수 있는 이 물질은 크기가 훨씬 작으며, GaN 결정화 공정에서 요구되는 고온 저항성을 충족합니다. 따라서 GaN 성장을 위한 일반적인 기판 재료이며, 백색/청색/녹색 LED, 레이저 다이오드, 적외선 검출기 등을 제작하는 데 사용될 수 있습니다.
주목할 만한 점은 C면 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 박막이 극축, 즉 C축 방향으로 성장한다는 것입니다. 이는 성숙한 성장 공정 및 에피택시 공정일 뿐만 아니라, 비교적 저렴하고 물리적, 화학적 특성이 안정적이며 가공 성능 또한 우수합니다. C 방향 사파이어 웨이퍼의 원자는 O-Al-Al-O-Al-O 구조로 결합되어 있는 반면, M 방향 및 A 방향 사파이어 결정은 Al-O-Al-O 구조로 결합되어 있습니다. Al-Al 결합은 Al-O 결합보다 결합 에너지가 낮고 결합력이 약하기 때문에, M 방향 및 A 방향 사파이어 결정과 비교했을 때 C 방향 사파이어 가공은 주로 Al-Al 결합을 개방하는 데 중점을 둡니다. 이는 가공을 용이하게 하고 더 높은 표면 품질을 얻을 수 있게 해주며, 결과적으로 더 나은 질화갈륨 에피택시 품질을 확보하여 초고휘도 백색/청색 LED의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 반면, C축을 따라 성장된 박막은 자발적 분극 및 압전 분극 효과를 나타내어 박막 내부(활성층 양자 우물)에 강한 내부 전기장을 생성하며, 이는 GaN 박막의 발광 효율을 크게 감소시킵니다.
A면 사파이어 웨이퍼애플리케이션
사파이어 단결정은 탁월한 종합 성능, 특히 우수한 투과율 덕분에 적외선 투과 효과를 향상시켜 이상적인 중적외선 윈도우 소재로 군용 광전 장비에 널리 사용되고 있습니다. 사파이어에서 A면은 극성면이고 C면은 법선 방향의 비극성면입니다. 일반적으로 A면 사파이어 결정은 C면 사파이어 결정보다 품질이 우수하며, 전위가 적고 모자이크 구조가 적으며 결정 구조가 더욱 완전하여 광 투과 성능이 뛰어납니다. 또한, A면의 Al-O-Al-O 원자 결합 방식으로 인해 A면 사파이어는 C면 사파이어보다 경도와 내마모성이 훨씬 높습니다. 따라서 A면 칩이 윈도우 소재로 주로 사용됩니다. 또한, 사파이어는 균일한 유전 상수와 높은 절연 특성을 가지고 있어 하이브리드 마이크로 전자 기술뿐만 아니라 TlBaCaCuO(TbBaCaCuO), Tl-2212와 같은 초전도체 성장, 산화세륨(CeO2)-사파이어 복합 기판 상의 이종 에피택셜 초전도 박막 성장 등에 적용될 수 있습니다. 그러나 Al-O 결합 에너지가 크기 때문에 가공이 더 어렵다는 단점도 있습니다.
응용 프로그램R/M 평면 사파이어 웨이퍼
R면은 사파이어의 비극성 표면이므로 사파이어 소자에서 R면의 위치 변화는 기계적, 열적, 전기적, 광학적 특성에 영향을 미칩니다. 일반적으로 R면 사파이어 기판은 실리콘 이종 에피택시 증착에 선호되며, 주로 반도체, 마이크로파 및 마이크로 전자 집적 회로 응용 분야에 사용됩니다. 납, 기타 초전도 부품, 고저항 저항기 생산에도 사용되며, 갈륨비소(GAS) 또한 R형 기판 성장에 사용될 수 있습니다. 현재 스마트폰과 태블릿 컴퓨터 시스템의 보급이 확대됨에 따라 R면 사파이어 기판은 스마트폰과 태블릿 컴퓨터에 사용되는 기존 복합 SAW 소자를 대체하여 성능 향상이 가능한 기판으로 자리 잡고 있습니다.
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게시 시간: 2024년 7월 16일