Sestava safirja je aluminijev oksid (Al 2O 3), njegova kristalna struktura pa je heksaedrična mrežna struktura. C-ravnina je najpogosteje uporabljena safirna podlaga. Zaradi širokega pasu optične penetracije ima dobro prepustnost svetlobe od skoraj ultravijoličnega do srednjega infrardečega, zato se pogosto uporablja v optičnih komponentah, infrardečih napravah, materialih za visokointenzivne laserske leče in materialih za maske.
Trenutno je kakovost bele in modre LED ultra visoke svetlosti odvisna od kakovosti materiala GaN, kakovost GaN pa je tesno povezana s kakovostjo obdelave površine uporabljenega safirnega substrata.
Pred kratkim se je trg preusmeril z 2-palčnega safirnega monokristala na 4-palčnega, 6-palčnega in 8-palčnega. Hiter razvoj trga LED zahteva rast safirnih kristalov velike velikosti, visoke kakovosti in stabilnega delovanja, kar postavlja višje zahteve za tehnologijo rasti safirja. Vendar pa v procesu rasti safirnega monokristala pogosto obstajajo nekatere napake, ki pomembno vplivajo na delovanje safirja, kot so kristalne razpoke, dislokacije, nečistoče in barvna središča, zračni mehurčki itd.
Spodaj se osredotočamo na dve vrsti napak na safirnem kristalu.
Med procesom rasti bo ustvarjanje različnih napetosti znotraj kristala povzročilo napetost. Ko je deformacija večja od meje elastičnosti samega kristala, bo kristal počil. Stres v kristalu vključuje predvsem naslednje tri vrste:
(1) Toplotna obremenitev: Toplotna obremenitev je nekakšna notranja obremenitev, ki jo povzroči neenakomerno segrevanje kristala in temperaturna razlika, kar ima za posledico nedosledno širjenje ali krčenje deformacije kristala in medsebojno omejitev med različnimi deli kristala. Torej, dokler obstaja temperaturni gradient znotraj kristala, bo prisotna toplotna obremenitev.
(2) Kemični stres: povzroča neenakomerna porazdelitev različnih komponent v kristalu.
(3) Mehanska obremenitev: povzročajo mehanske vibracije med rastjo kristalov.
Med rastjo monokristala safirja je toplotna obremenitev najpomembnejša oblika vseh obremenitev. Glavni razlogi za prekomerno toplotno obremenitev v kristalu vključujejo naslednje vidike:
a. Stopnja rasti je prehitra.
b. Temperaturno polje je nerazumno in temperaturni gradient je prevelik.
c. Hitrost hlajenja je prehitra.
d. Kristalna orientacija.
e. Velikost kristala.
rahel stres
srednji stres
Dislokacija je defekt mreže s posebno strukturo. Dejanski kristal je med kristalizacijo izpostavljen delovanju zunanjega okolja ali različnim notranjim napetostim, razporeditev delcev znotraj kristala pa se deformira in ni več urejena v idealno mrežno stanje, kar ima za posledico linearno napako v kristalu, imenovano dislokacija.
Vzroki dislokacij v safirnih kristalih vključujejo predvsem naslednje tri vidike:
a. Primarne dislokacije: Če so v izbranem zarodnem kristalu dislokacije, jih je mogoče z rastjo razširiti v nove kristale. Dislokacije v zarodnem kristalu vključujejo dislokacije, ki so lastne začetnemu kristalu, dislokacije, ki nastanejo zaradi čezmernega stresa med obdelavo, in dislokacije, ki nastanejo zaradi toplotnega šoka med zacejanjem.
b. Med rastjo kristalov nastanejo dislokacije. Njegovi glavni viri so:
(1) Aksialni in radialni temperaturni gradient kristala v bližini vmesnika ustvarja toplotno napetost, ki oba presegata kritično vrednost.
(2) Spremembe konstant mrežne mreže, ki jih povzroča segregacija komponent: zaradi prisotnosti atomov nečistoč v talini se bodo kristali med postopkom strjevanja zaporedno strjevali, kar bo povzročilo razlike v sestavi in možno nastajanje dislokacij.
(3) Točkovne napake (prazna mesta in intersticij) povzročajo lokalno koncentracijo napetosti.
(4) Vpliv mehanskih vibracij povzroči, da se kristal odkloni ali upogne, med sosednjimi kristalnimi bloki pa se pojavi fazna razlika, pri čemer nastanejo dislokacije.
Koncentracija napetosti se lahko pojavi v bližini vmesnikov, kot so dvojčki in meje zrn znotraj kristala ter v bližini mikrorazpok. Če napetost presega napetost zdrsa, ko kristal v tem območju zdrsne, pride do dislokacij v tem območju.
