Skład szafiru to tlenek glinu (Al 2O 3), a jego struktura krystaliczna to sześciokątna struktura sieciowa. Najczęściej stosowanym podłożem szafirowym jest płaszczyzna C. Ze względu na szerokie pasmo penetracji optycznej ma dobrą przepuszczalność światła od bliskiego ultrafioletu do średniej podczerwieni, dlatego jest szeroko stosowany w elementach optycznych, urządzeniach na podczerwień, materiałach soczewek laserowych o wysokiej intensywności i materiałach masek.
Obecnie jakość białej i niebieskiej diody LED o bardzo wysokiej jasności zależy od jakości materiału GaN, a jakość GaN jest ściśle związana z jakością obróbki powierzchni użytego podłoża szafirowego.
Ostatnio rynek przeszedł z 2-calowego szafirowego monokryształu na 4-calowe, 6-calowe i 8-calowe. Szybki rozwój rynku LED wymaga wzrostu kryształów szafiru o dużych rozmiarach, wysokiej jakości i stabilnej wydajności, co stawia wyższe wymagania w zakresie technologii wzrostu szafiru. Jednakże w procesie wzrostu monokryształu szafiru często występują pewne defekty, które znacząco wpływają na działanie szafiru, takie jak pęknięcia kryształów, dyslokacje, zanieczyszczenia i centra kolorów, pęcherzyki powietrza itp.
Poniżej skupiamy się na dwóch rodzajach defektów kryształu szafiru.
Podczas procesu wzrostu powstawanie różnych naprężeń wewnątrz kryształu spowoduje odkształcenie. Kiedy odkształcenie jest większe niż granica sprężystości samego kryształu, kryształ pęka. Naprężenia w krysztale obejmują głównie trzy następujące typy:
(1) Naprężenie termiczne: Naprężenie termiczne jest rodzajem naprężenia wewnętrznego spowodowanego nierównomiernym nagrzewaniem kryształu i różnicą temperatur, co powoduje niespójne odkształcenie kryształu podczas rozszerzania lub kurczenia się oraz wzajemne ograniczanie różnych części kryształu. Tak długo jak w krysztale występuje gradient temperatury, będzie występował stres termiczny.
(2) Stres chemiczny: spowodowany nierównomiernym rozmieszczeniem różnych składników w krysztale.
(3) Naprężenia mechaniczne: spowodowane wibracjami mechanicznymi podczas wzrostu kryształów.
Podczas wzrostu monokryształu szafiru najważniejszą formą wszelkiego stresu jest stres termiczny. Do głównych przyczyn nadmiernego naprężenia termicznego w krysztale zaliczają się następujące aspekty:
A. Tempo wzrostu jest zbyt szybkie.
B. Pole temperatury jest nieuzasadnione, a gradient temperatury zbyt duży.
C. Szybkość chłodzenia jest zbyt duża.
D. Orientacja kryształów.
mi. Rozmiar kryształu.
lekki stres
średni stres
Dyslokacja jest wadą sieci o specjalnej strukturze. Rzeczywisty kryształ poddawany jest działaniu środowiska zewnętrznego lub różnych naprężeń wewnętrznych podczas krystalizacji, a układ cząstek wewnątrz kryształu ulega deformacji i nie jest już uporządkowany w idealny stan sieci, co powoduje liniowy defekt w krysztale zwany dyslokacją.
Przyczyny dyslokacji w kryształach szafiru obejmują głównie trzy następujące aspekty:
A. Dyslokacje pierwotne: Jeśli w wybranym krysztale zaszczepiającym występują dyslokacje, można je rozszerzyć na nowe kryształy poprzez wzrost. Dyslokacje w krysztale zaszczepiającym obejmują dyslokacje właściwe kryształowi zaszczepiającemu, dyslokacje powstałe w wyniku nadmiernego naprężenia podczas przetwarzania oraz dyslokacje powstałe w wyniku szoku termicznego podczas zaszczepiania.
B. Dyslokacje powstają podczas wzrostu kryształów. Jego głównymi źródłami są:
(1) Osiowe i promieniowe gradienty temperatury kryształu w pobliżu granicy faz powodują naprężenia termiczne, z których oba przekraczają wartość krytyczną.
(2) Zmiany stałych sieciowych spowodowane segregacją składników: ze względu na obecność atomów zanieczyszczeń w stopie, kryształy będą sukcesywnie krzepnąć w procesie krzepnięcia, co spowoduje różnice w składzie i możliwe powstawanie dyslokacji.
(3) Wady punktowe (pustki i śródmiąższowe) powodują lokalną koncentrację naprężeń.
(4) Pod wpływem wibracji mechanicznych kryształ ugina się lub wygina, a pomiędzy sąsiednimi blokami kryształu występuje różnica faz, tworząc w ten sposób dyslokacje.
Koncentracja naprężeń jest podatna na występowanie w pobliżu granic faz, takich jak bliźniaki i granice ziaren wewnątrz kryształu oraz w pobliżu mikropęknięć. Jeśli naprężenie przekroczy naprężenie poślizgowe, gdy kryształ poślizgnie się w tym obszarze, w tym obszarze wystąpią przemieszczenia.
