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蓝宝石衬底上能长些啥
来源: | 作者:和宸晶体 | 发布时间: 2022-05-05 | 49 次浏览 | 分享到:
在基片/衬底材料领域,蓝宝石无疑占据着龙头地位。举个LED芯片的例子,从衬底材料的使用来看,除了Cree采用碳化硅衬底、晶能采用硅衬底,目前世界上绝大多数的芯片制造商都采用蓝宝石衬底.

蓝宝石是一种氧化物晶体,又名刚玉,主要化学成分是氧化铝(Al2O3),纯净的氧化铝晶体呈无色透明状.

这里提到的衬底(substrate)其实是指用于外延生长晶体薄膜的单晶晶片,也叫基片。它既可以在半导体领域中直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以在经过切、磨、抛等仔细加工后,在一定条件下作为外延生长的基础,让同种或另一种单晶体在其表面上定向生长。

衬底本身可能有某种特殊功能和用途,也可能只是用来作新材料的衬底,本身并无其它特别用途。以往作为薄膜衬底的材料有玻璃、陶瓷和金属板材等,但现在比较主流的就是蓝宝石、Si、SiC等,其中蓝宝石的用量尤其大。

那蓝宝石为什么能受欢迎呢,主要有以下几个原因:


①蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好;


②蓝宝石的稳定性很好,能够运用在高温生长过程中;


③蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。


目前,包括半导体在内许多材料生产都会采用蓝宝石作为基片/衬底。而生产蓝宝石晶体主要消耗的原料为高纯氧化铝,高纯度的氧化铝粉可以提高蓝宝石晶体的纯度和透光性,进而提升蓝宝石材料的使用性能。


二、蓝宝石衬底可生长的材料


蓝宝石单晶因其优良的机械性能、介电性能(适中的介电常数和较低的介电损耗)、化学稳定性以及高表面平滑度而成为制备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优质基片和衬底材料。


目前能够在蓝宝石衬底上生长的材料有很多,以下小编就挑一些最近比较受大家关注的领域来讲讲~


1.光电器件


蓝宝石衬底在该领域能生长的代表材料就是氮化镓(GaN)。GaN的鼎鼎大名响彻材料界,所以这里就不多加介绍了。蓝宝石晶体结构与GaN相同,为六方结构。蓝宝石的带隙宽、折射率低(1.7)、化学稳定性好,在1000℃高温也不与氢气发生反应,可用于高温生长,透光、技术成熟。目前蓝宝石作为衬底,生产技术成熟、器件质量、稳定性都较好,能够运用在高温生长过程中,机械强度高,易于处理和清洗,由于衬底性能限制,很难应用到射频和功率领域(不过也不一定,具体可看下文),目前应用于LED产业,主流为4英寸。


PS:目前蓝宝石在LED衬底的应用在所有下游消费中的占比为80%,受相关政策的推动近年蓝宝石的需求量稳步提升,市场规模也持续保持着增长趋势。


另外值得一提的是,如果想要改善GaN薄膜的晶体质量,也可以选择生长良好的AIN薄膜作为GaN的缓冲层(AIN与GaN有更好的晶格匹配和热匹配)。与Si相比,蓝宝石衬底与AIN有更好的晶格匹配,而和硬度极高的6H-SiC相比,蓝宝石更能被抛光出更高的表面质量,提高薄膜的质量,因此已经成功运用到Ⅲ族氮化物的生长。相关报道已经证明,采用金属有机化学物气相沉积或者分子束外延的方法制备 AIN 薄膜,由于蓝宝石的稳定性及共享的 c 轴六角空间群,(0001)取向的蓝宝石是AlN薄膜外延生长的合适衬底。

2.毫米波射频芯片


虽然上面说了蓝宝石很难应用到射频和功率领域,但也有勇士明知山有虎偏向虎山行。去年10月GaN功率转换产品全球供应商Transphorm宣布获得美国国防部高级研究计划局一份价值140万美元的合同。根据合同,Transphorm将开发和制造氮极性(N-polar) GaN解决方案。


令人惊奇的是,Transphorm表示他们将探索使用蓝宝石衬底来开发氮极性氮化镓解决方案,因为这样操作的话,成本效益将比传统的镓极性SiC解决方案高很多——据了解,与4英寸SiC相比,4英寸蓝宝石基GaN晶圆的成本降低了2-3倍左右。

不过这项计划还在进行中,也不知道何时能成功并投入商业化。Transphorm首席技术官兼联合创始人 Mishra博士是这么说的:“蓝宝石是具有吸引力的材料,但因为低导热性一直被忽视。我们相信,通过创新工程,我们的项目团队可以克服这一限制,让射频外延客户能够以美元级实现更高效的射频功率。”

3.高温超导薄膜

现代电子技术,尤其是微波电子无源器件技术,是以薄膜技术的发展为基础的,因此高温超导薄膜成为现代微波电子器件应用中一个重要的研究课题。

根据二流体模型、高温超导材料的微波表面电阻与频率的平方成反比,在10 GHz频率液氮温度下,高温超导薄膜的微波表面电阻比铜低1~2个数量级,且用高温超导薄膜制备的微波无源器件具有很高的品质因数,因此在微波领域的应用中,以Tl系薄膜为代表的高温超导薄膜可以显著的改善微波无源器件的性能,相比传统材料具有明显的优势。目前,高温超导器件尤其是微波无源器件已开始广泛应用于电子通信领域,而高温超导薄膜则是制作超导微波器件的基本载体。

在制备Tl系高温超导薄膜的众多衬底材料中,蓝宝石和 MgO单晶基片具有适中的介电常数和较低的微波损耗,因此非常适合于在微波领域的应用。特别是大面积的蓝宝石单晶基片价格相对较低,对高温超导薄膜在微波领域中的应用和推广有着重要的意义。

4.红外光学材料

中红外波段 3~5μm 是红外探测器常用的一个窗口,探测器在使用过程可能受到高能量激光的辐射而损坏,因此有必要在红外窗口表面制备具有激光防护作用的红外增透膜。

蓝宝石晶体在紫外波段、可见光波段、红外波段都具有良好的透过率,因而常被用作高强度激光器的窗口材料。但作为中红外波段3~5μm窗口材料蓝宝石基底的透过率满足不了使用要求,应用于高能激光系统中也非常容易损坏。因此,在蓝宝石衬底表面设计、制备能提高透过率又具有抗激光损伤能力的减反射薄膜来弥补白身性能的不足。

对薄膜材料的选择,首先要考虑的是薄膜材料的光学性能,如折射率、消光系数、透射波段以及膜料在设计波段的吸收、高低折射率的配比,此外还必须考虑薄膜材料的机械性能。以下是目前常用的镀膜材料的部分物理参数:

5.石墨烯


石墨烯材料的制备技术是研究其性能和探索其应用的基础前提。在众多的材料制备方法中,过渡金属表面化学气相沉积(CVD)法可以实现大面积和高质量的石墨烯材料的制备。该方法的特点是成本低、工艺简单并适合大规模工业化生长。


传统CVD法制备石墨烯采用Ni、Cu等催化金属衬底,其生长利用了金属碳高温溶解和低温析出的原理,存在碳固溶的问题。蓝宝石衬底表面致密,碳源气体中的C原子很难进入衬底内部,不存在碳固溶的问题。而且,蓝宝石表面生长的石墨烯材料无需进行衬底转移,避免了转移过程中引入的杂质,界面和掺杂电荷等散射源。此外,蓝宝石表层石墨烯与衬底之间没有强相互作用力,有利于保持石墨烯本身优良的电学特性。因此,蓝宝石衬底CVD法生长石墨烯在材料制备及应用领域具有非常高的价值。