Сапфировые, рубиновые и алюмооксидные подложки, как выбрать

Ни один оксидный субстрат в современном материаловедении не оказал такого влияния на технологию, как сапфир, рубин и глинозем. На первый взгляд, все они принадлежат к одному семейству: оксид алюминия (Al₂O₃). Однако их структура, стоимость, оптические свойства и функциональное использование позволяют использовать их в совершенно разных областях.

Почему сапфир занимает лидирующие позиции в производстве светодиодов

Сапфир - это монокристаллическая форма оксида алюминия. В чистом виде он бесцветен и прозрачен, обладает превосходной твердостью (9 единиц по шкале Мооса) и химической инертностью. Все это делает сапфир идеальной подложкой для светоизлучающих диодов (LED).

1. Кристаллическая структура для эпитаксии

Процесс изготовления светодиодов включает в себя осаждение пленок нитрида галлия (GaN) методом эпитаксии. Эпитаксия работает только в том случае, если подложка способна вместить кристаллическую форму, аналогичную или хотя бы сопоставимую с осаждаемой. Монокристаллическая решетка сапфира выступает в качестве такого шаблона для создания высокочистых пленок GaN с низким уровнем дефектов.

2. Оптическая прозрачность

Светодиоды должны эффективно излучать свет. Сапфир прозрачен в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного, с минимальным поглощением фотонов. Это напрямую окупается более высокой яркостью и эффективностью.

3. Высокотемпературная стабильность

Эпитаксиальный рост происходит при высоких температурах, превышающих 1000°C. Стабильность и форма сапфира не теряются при достижении таких температур, что делает его бесценным в производстве светодиодов.

Помимо светодиодов, сапфировые подложки также используются для изготовления лазерных окон, оптических компонентов и крышек, защищающих бытовую электронику. Однако их относительно высокая цена делает ограниченным их применение в тех областях, где могут работать более дешевые заменители.

Почему алюмооксидная керамика - лучший выбор для электронных схем

В то время как сапфир является монокристаллом, глиноземные подложки представляют собой поликристаллическую керамику. Созданные путем спекания порошков Al₂O₃, глиноземные подложки лишены упорядоченной решетки, которой обладает сапфир, но компенсируют это низкой стоимостью, отличной механической прочностью и высокоразвитыми производственными процессами.

1. Низкая стоимость для крупномасштабного производства

Алюмооксидные подложки обходятся значительно дешевле, чем монокристаллический сапфир. Это делает их практичными для применения на больших площадях, таких как электронные печатные платы.

2. Электрическая изоляция

К преимуществам глинозема относится то, что он может быть электроизолятором. Это является обязательным требованием для подложек, поскольку они должны обеспечивать разделение электрических путей для предотвращения коротких замыканий и помех.

3. Теплопроводность

Современные электронные устройства, особенно силовые модули, выделяют значительное количество тепла. Глиноземные подложки эффективно отводят тепло от активных устройств, сводя к минимуму возможность перегрева. Хотя такие материалы, как нитрид алюминия (AlN), обладают еще лучшей теплопроводностью, глинозем предлагает наилучший компромисс между производительностью и экономичностью.

4. Продуманная обработка

Глиноземистая керамика легко режется, сверлится и печатается с проводящими слоями, что позволяет массово производить толстопленочные схемы, микроволновые устройства и силовую электронику.

Именно поэтому глинозем стал основной подложкой для электронных схем, силовых модулей и теплораспределителей в различных отраслях промышленности - от бытовой электроники до автомобильных систем.

Почему рубин остается краеугольным камнем технологии твердотельных лазеров

Рубин - это, по сути, сапфир с одним отличием: он представляет собой монокристаллическую форму Al₂O₃, легированную следовыми количествами ионов хрома (Cr³⁺). Ионы не только придают рубину красный цвет, но и делают его оптически активным уникальным способом.

1. Оптическая активность благодаря легированию хромом

Ионы Cr³⁺ в рубине поглощают энергию и излучают ее в виде света с определенной длиной волны. При оптической накачке это позволяет получить интенсивный и когерентный красный лазерный луч с длиной волны 694 нм.

2. Сильные механические и химические свойства

Рубин обладает механической твердостью и химической стабильностью сапфира, что позволяет ему выдерживать жесткие условия эксплуатации, необходимые для работы лазеров.

3. Специализированное применение

Оптические свойства рубина делают его чрезвычайно полезным в твердотельных лазерах, которые были первыми успешными лазерами в истории. Но то же легирование хромом, которое делает рубин полезным в лазерах, делает его бесполезным для светодиодов, где требуется прозрачность, и для электронных схем, где стоимость и простота производства в больших количествах важнее оптической активности.

Таким образом, роль рубина очень узкоспециализирована: он блистает в лазерных технологиях, оптическом зондировании и точных приборах, но не в производстве полупроводников или электроники массового спроса.

Как выбрать

Сапфир - мастер светодиодных технологий, где ключевое значение имеют кристаллическая структура и прозрачность. Глинозем используется в электронных схемах и силовых модулях, где изоляция и стоимость имеют первостепенное значение. Рубин, оптическую активность которого стимулирует хром, особенно хорошо подходит для лазеров и научных оптических приборов.

Выбор зависит в основном от того, что для вашего проекта важнее - прозрачность, изоляция или производительность лазера. Чтобы узнать больше о глиноземных подложках, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM). Если вы все еще не уверены, просто пришлите нам детали вашего проекта, и мы поможем вам выбрать правильное решение.