האם ישנם גם הבדלים ביישום פרוסות ספיר עם אוריינטציות גביש שונות?

ספיר הוא גביש יחיד של אלומינה, שייך למערכת גבישים תלת-חלקית, בעל מבנה משושה. מבנה הגביש שלו מורכב משלושה אטומי חמצן ושני אטומי אלומיניום בקשר קוולנטי, המסודרים בצפיפות רבה, עם שרשרת קשר חזקה ואנרגיית סריג, בעוד שפנים הגביש כמעט ללא זיהומים או פגמים, ולכן יש לו בידוד חשמלי מעולה, שקיפות, מוליכות תרמית טובה ומאפייני קשיחות גבוהים. הוא נמצא בשימוש נרחב כחומרי חלון אופטי וחומרי מצע בעלי ביצועים גבוהים. עם זאת, המבנה המולקולרי של ספיר מורכב ויש בו אניזוטרופיה, וההשפעה על התכונות הפיזיקליות המתאימות שונה מאוד עבור עיבוד ושימוש בכיוונים שונים של גביש, ולכן גם השימוש שונה. באופן כללי, מצעי ספיר זמינים בכיוונים של מישור C, R, A ו-M.

היישום שלפרוסת ספיר C-plane

גליום ניטריד (GaN) הוא מוליך למחצה דור שלישי בעל פער פס רחב, בעל פער פס ישיר רחב, קשר אטומי חזק, מוליכות תרמית גבוהה, יציבות כימית טובה (כמעט ולא נשחק על ידי חומצה) ויכולת חזקה נגד קרינה, ויש לו פוטנציאל רחב ביישומי אופטואלקטרוניקה, התקני טמפרטורה והספק גבוהים והתקני מיקרוגל בתדר גבוה. עם זאת, בשל נקודת ההיתוך הגבוהה של GaN, קשה להשיג חומרי גביש יחיד בגודל גדול, ולכן הדרך הנפוצה היא לבצע גידול הטרואפיטקסי על מצעים אחרים, דבר המחייב דרישות גבוהות יותר מחומרי המצע.

בהשוואה ל-מצע ספירעם פנים גבישיות אחרות, קצב אי-ההתאמה של קבוע הסריג בין פרוסת הספיר במישור C (כיוון <0001>) לבין הסרטים שהופקדו בקבוצות Ⅲ-Ⅴ ו- Ⅱ-Ⅵ (כגון GaN) הוא קטן יחסית, וקצב אי-ההתאמה של קבוע הסריג בין השניים לביןסרטי AlNשניתן להשתמש בו כשכבת חיץ הוא קטן אף יותר, והוא עומד בדרישות עמידות בטמפרטורה גבוהה בתהליך התגבשות GaN. לכן, זהו חומר מצע נפוץ לגידול GaN, שניתן להשתמש בו לייצור נוריות LED לבנות/כחולות/ירוקות, דיודות לייזר, גלאי אינפרא אדום וכן הלאה.

ראוי לציין כי סרט ה-GaN הגדל על מצע ספיר במישור C גדל לאורך הציר הקוטבי שלו, כלומר, כיוון ציר ה-C, וזה לא רק תהליך גדילה בוגר ותהליך אפיטקסיה, עלות נמוכה יחסית, תכונות פיזיקליות וכימיות יציבות, אלא גם ביצועי עיבוד טובים יותר. האטומים של פרוסת הספיר בעלת אוריינטציה C קשורים בסידור O-al-al-o-al-O, בעוד שגבישי הספיר בעלי אוריינטציה M ו-A קשורים בסידור al-O-al-O. מכיוון של-Al-Al יש אנרגיית קשר נמוכה יותר וקשר חלש יותר מאשר Al-O, בהשוואה לגבישי ספיר בעלי אוריינטציה M ו-A, עיבוד הספיר C נועד בעיקר לפתוח את מפתח ה-Al-Al, שקל יותר לעבד, ויכול להשיג איכות פני שטח גבוהה יותר, ולאחר מכן להשיג איכות אפיטקסיאלית טובה יותר של גליום ניטריד, מה שיכול לשפר את איכות ה-LED הלבן/כחול בעל בהירות גבוהה במיוחד. מצד שני, לסרטים הגדלים לאורך ציר C יש השפעות קיטוב ספונטניות ופיזואלקטריות, וכתוצאה מכך נוצר שדה חשמלי פנימי חזק בתוך הסרטים (בארות קוונטיות של שכבה פעילה), מה שמפחית מאוד את יעילות האור של סרטי GaN.

פרוסת ספיר במישור Aבַּקָשָׁה

בשל ביצועיו המקיפים המעולים, ובמיוחד העברה מעולה, גביש ספיר יחיד יכול לשפר את אפקט חדירת האינפרא אדום, ולהפוך לחומר חלון אידיאלי לאינפרא אדום בינוני, אשר נמצא בשימוש נרחב בציוד פוטואלקטרי צבאי. כאשר ספיר A הוא מישור קוטבי (מישור C) בכיוון הרגיל של הפנים, הוא משטח לא קוטבי. באופן כללי, איכות גביש ספיר בעל אוריינטציה A טובה יותר מזו של גביש בעל אוריינטציה C, עם פחות תזוזה, פחות מבנה פסיפס ומבנה גבישי שלם יותר, ולכן יש לו ביצועי העברת אור טובים יותר. יחד עם זאת, בשל מצב הקשר האטומי Al-O-Al-O במישור a, הקשיות ועמידות הבלאי של ספיר בעל אוריינטציה A גבוהות משמעותית מאלה של ספיר בעל אוריינטציה C. לכן, שבבים בעלי כיווניות A משמשים בעיקר כחומרי חלון; בנוסף, לספיר A יש גם קבוע דיאלקטרי אחיד ותכונות בידוד גבוהות, כך שניתן ליישם אותו בטכנולוגיית מיקרואלקטרוניקה היברידית, אך גם לגידול מוליכים מעולים, כגון שימוש ב-TlBaCaCuO3 (TbBaCaCuO3), Tl-2212, גידול שכבות מוליכי-על אפיטקסיאליות הטרוגניות על מצע ספיר מרוכב של תחמוצת צריום (CeO2). עם זאת, גם בגלל אנרגיית הקשר הגבוהה של Al-O3, קשה יותר לעבד אותו.

יישום שלפרוסת ספיר מישורית R/M

מישור ה-R הוא המשטח הלא קוטבי של ספיר, כך שהשינוי במיקום מישור ה-R בהתקן ספיר מעניק לו תכונות מכניות, תרמיות, חשמליות ואופטיות שונות. באופן כללי, מצע ספיר בעל פני השטח R עדיף לשקיעה הטרואפיטקסיאלית של סיליקון, בעיקר עבור יישומי מעגלים משולבים של מוליכים למחצה, מיקרוגל ומיקרואלקטרוניקה, בייצור עופרת, רכיבים מוליכי-על אחרים, נגדים בעלי התנגדות גבוהה, גליום ארסניד יכול לשמש גם לגידול מצע מסוג R. כיום, עם הפופולריות של טלפונים חכמים ומערכות מחשבי לוח, מצע ספיר בעל פני השטח R החליף את התקני ה-SAW המורכבים הקיימים המשמשים לטלפונים חכמים וטאבלטים, ומספק מצע למכשירים שיכול לשפר את הביצועים.

אם יש הפרה, צור קשר עם מחיקה