Сапфир состоит из оксида алюминия (Al 2O 3), а его кристаллическая структура представляет собой шестигранную решетчатую структуру. C-плоскость является наиболее часто используемой подложкой из сапфира. Благодаря широкой полосе оптического проникновения он имеет хороший коэффициент пропускания света от ближнего ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона, поэтому он широко используется в оптических компонентах, инфракрасных устройствах, материалах линз для лазеров высокой интенсивности и материалах масок.
В настоящее время качество белых и синих светодиодов сверхвысокой яркости зависит от качества материала GaN, а качество GaN тесно связано с качеством обработки поверхности используемой сапфировой подложки.
Недавно рынок перешел от 2-дюймового монокристалла сапфира к 4-дюймовому, 6-дюймовому и 8-дюймовому. Бурное развитие рынка светодиодов требует выращивания сапфировых кристаллов большого размера, высокого качества и стабильной работы, что выдвигает более высокие требования к технологии выращивания сапфира. Однако в процессе выращивания монокристалла сапфира часто возникают некоторые дефекты, которые существенно влияют на характеристики сапфира, такие как кристаллические трещины, дислокации, примеси и центры окраски, пузырьки воздуха и т. д.
Ниже мы остановимся на двух типах дефектов сапфирового кристалла.
В процессе роста возникновение различных напряжений внутри кристалла приведет к его деформации. Когда деформация превышает предел упругости самого кристалла, кристалл трескается. Напряжения в кристалле в основном включают в себя следующие три типа:
(1) Термическое напряжение: Термическое напряжение — это своего рода внутреннее напряжение, вызванное неравномерным нагревом кристалла и разницей температур, что приводит к неравномерному расширению или сжатию кристалла, деформации и взаимному ограничению между различными частями кристалла. Таким образом, пока внутри кристалла существует температурный градиент, будет наблюдаться термическое напряжение.
(2) Химический стресс: вызван неравномерным распределением различных компонентов в кристалле.
(3) Механическое напряжение: вызвано механической вибрацией во время роста кристаллов.
При выращивании монокристалла сапфира термическое напряжение является наиболее важной формой всех напряжений. К основным причинам чрезмерных термических напряжений в кристалле можно отнести следующие аспекты:
а. Темпы роста слишком высоки.
б. Температурное поле необоснованно, а температурный градиент слишком велик.
в. Скорость охлаждения слишком высокая.
д. Кристаллическая ориентация.
е. Размер кристалла.
небольшой стресс
средний стресс
Дислокация – это дефект решетки, имеющий особое строение. Реальный кристалл подвергается действию внешней среды или различным внутренним напряжениям во время кристаллизации, а расположение частиц внутри кристалла деформируется и больше не упорядочивается в идеальное состояние решетки, что приводит к линейному дефекту в кристалле, называемому дислокацией.
Причины дислокаций в кристаллах сапфира в основном включают следующие три аспекта:
а. Первичные дислокации: если в выбранном затравочном кристалле есть дислокации, их можно расширить в новые кристаллы путем роста. Дислокации в затравочном кристалле включают дислокации, присущие затравочному кристаллу, дислокации, возникающие в результате чрезмерного напряжения во время обработки, и дислокации, возникающие в результате теплового удара во время затравки.
б. Дислокации возникают во время роста кристаллов. Его основными источниками являются:
(1) Осевые и радиальные градиенты температуры кристалла вблизи границы раздела создают термические напряжения, оба из которых превышают критическое значение.
(2) Изменения постоянных решетки, вызванные сегрегацией компонентов: из-за присутствия примесных атомов в расплаве кристаллы будут последовательно затвердевать в процессе затвердевания, что приводит к различиям в составе и возможному образованию дислокаций.
(3) Точечные дефекты (вакансии и междоузлия) вызывают локальную концентрацию напряжений.
(4) Влияние механической вибрации заставляет кристалл отклоняться или изгибаться, и между соседними кристаллическими блоками возникает разность фаз, в результате чего образуются дислокации.
Концентрация напряжений склонна возникать вблизи границ раздела, таких как двойники и границы зерен внутри кристалла, а также вблизи микротрещин. Если напряжение превысит напряжение скольжения, то при скольжении кристалла в этой области возникнут дислокации.
