サファイアの組成は酸化アルミニウム（Al 2O 3）であり、その結晶構造は六面体格子構造です。 C 面は最も一般的に使用されるサファイア基板です。光透過帯域が広く、近紫外から中赤外域まで良好な光透過率を有するため、光学部品、赤外デバイス、高輝度レーザーのレンズ材料、マスク材料などに広く使用されています。
現在、超高輝度白色LEDや青色LEDの品質はGaNの材質に依存しており、GaNの品質は使用するサファイア基板の表面加工品質と密接な関係にあります。
最近では、サファイア単結晶の市場は2インチから4インチ、6インチ、8インチへと移行してきています。 LED市場の急速な発展には、大型、高品質、安定した性能のサファイア結晶の成長が必要であり、サファイア成長技術に対する要求がさらに高まっています。しかし、サファイア単結晶の成長過程では、結晶の亀裂、転位、不純物やカラーセンター、気泡など、サファイアの性能に大きな影響を与える欠陥が発生することがよくあります。
以下では、2 種類のサファイア結晶欠陥に焦点を当てます。
成長過程では結晶内部にさまざまな応力が発生し、歪みが生じます。ひずみが結晶自体の弾性限界を超えると、結晶に亀裂が生じます。結晶内の応力には主に次の 3 種類があります。
(1) 熱応力: 熱応力は、結晶の不均一な加熱と温度差によって引き起こされる内部応力の一種で、結晶の不均一な膨張または収縮変形、および結晶の各部分間の相互拘束を引き起こします。したがって、結晶内に温度勾配がある限り、熱応力が発生します。
(2) 化学的ストレス：結晶中のさまざまな成分の不均一な分布によって引き起こされます。
(3) 機械的応力：結晶成長中の機械的振動によって引き起こされます。
サファイア単結晶の成長中、熱応力はすべての応力の中で最も重要な形態です。結晶内に過度の熱応力が発生する主な理由には、次のような側面が含まれます。
ａ．成長速度が速すぎます。
b.温度場が不合理で、温度勾配が大きすぎます。
c.冷却速度が速すぎます。
d.結晶の方向。
e.結晶サイズ。
軽いストレス
中程度のストレス
転位は特殊な構造を持った格子欠陥です。実際の結晶は、結晶化の際に外部環境の作用やさまざまな内部応力を受け、結晶内部の粒子の配列が崩れ、理想的な格子状態に整わなくなり、結晶中に転位と呼ばれる線状の欠陥が生じます。
サファイア結晶の転位の原因には、主に次の 3 つの側面が含まれます。
ａ．一次転位: 選択した種結晶に転位がある場合、成長によって新しい結晶に転位が広がる可能性があります。種結晶中の転位には、種結晶に固有の転位、加工時の過大な応力により発生する転位、種付け時の熱衝撃により発生する転位が含まれる。
b.結晶成長中に転位が発生します。その主な情報源は次のとおりです。
(1) 界面付近の結晶の軸方向および半径方向の温度勾配により熱応力が発生し、両方とも臨界値を超えます。
(2) 成分の偏析による格子定数の変化：融液中に不純物原子が存在するため、凝固過程で結晶が次々と凝固し、その結果組成に差異が生じ、転位が形成される可能性があります。
(3) 点欠陥（空孔や格子間原子）は局所的な応力集中を引き起こします。
(4) 機械的振動の影響により結晶がたわんだり曲がったりし、隣接する結晶ブロック間に位相差が生じ、転位が形成される。
応力集中は結晶内部の双晶や粒界などの界面付近やマイクロクラック付近に発生しやすい。応力が滑り応力を超えると、この領域で結晶が滑ると、この領域で転位が発生します。
