應用 - Applications

微電子領域的襯底基片

硅和砷化鎵分別為傳統半導體材料一代、二代的代表,它們的發展推動了微電子技術、光電子技術的發展,以此為基礎的信息技術帶來了人民生活翻天覆地的變化。但由于材料本身性能的限制,一代、二代半導體材料只能工作在200℃以下的環境中,而且抗輻射、耐高壓擊穿性能等都不能滿足現代電子技術發展對高溫、大功率、高頻、高壓以及抗輻射、能發射藍光的新要求。在這種情況下,新型電子器件材料的選擇推出了第三代半導體,寬帶隙的GaN 與SiC成為第三代半導體材料的代表。在第三代半導體中,GaN  材料越來越受到人們的關注。GaN  具有很多優點:禁帶寬,電子飽和速度高、導熱性能好,擊穿電場高,介電常數小,熱穩定性好,化學穩定性強。因此,第三代半導體的材料特性也終將導致它們會在航空航天、探測、核能開發、衛星、通信、汽車發動機、顯示器、新型光源、激光打印、存儲器等領域有廣闊的應用前景。
       早在20世紀70年代人們就開始探索GaN的生長工藝,但是由于材料生長技術的限制而無法得到高質量的GaN 晶體。隨著生長技術的發展,先后出現了分子束外延(MBE)和化學氣相沉積(CVD)等新的方法,這極大地促進了對 GaN 的研究。藍寶石晶體作為襯底材料,其與GaN 晶體具有相同的結構,具有高溫 下化學穩定、散熱性能好,容易獲得大尺寸以及價格相對便宜等優點,盡管與 GaN  之間存在較大的晶格失配。隨著生長技術的不斷改進,目前已經能在藍寶 石上外延出高質量的GaN 晶體,(0001)面的藍寶石晶片已成為實際應用的最為 理想的襯底材料。SOS 微電子電路
    SOS(Silicon on Sapphire)微電子電路,是指在藍寶石晶片的(1-102)晶面上用異質外延方法生長一層硅單晶膜,然后再在硅單晶膜上制作半導體器件的技術。因SOS 微電子電路具有高速度、低功耗和抗輻照等優點,所以在手表型移動電話,臺式電腦或筆記本電腦,高速、高頻無線電通訊,小衛星、宇宙飛船和航天飛機的發展中都具有特別重要的應用。藍寶石與硅單晶具有相近的熱膨脹系 數。在(1-102)面的藍寶石晶片上,用異質外延方法可以生長出一層(100)面的硅單晶膜,然后再在硅單晶膜上制作半導體器件。晶體結構完整的藍寶石襯底基片, 是保證獲得結構完整的硅單晶膜的主要條件。ZnO、InN 及其它外延膜襯底基片
透紅外窗口材料
    常用的透紅外窗口有硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、砷化鎵(GeAs)、藍寶石(Sapphire)、尖晶石(Spinel)、氧 化鋁氮化鋁(ALON)、氧化釔(Yttria)、氧化鎂(MgO)、金剛石、氟化鎂(MgF2)等。 硫化鋅、硒化鋅、砷化鎵在8-12μm 波段內有良好的透過性能,但高溫下會發生 化學分解而喪失使用性能。金剛石具有優良的機械強度、光學參數和熱導率,但是在650℃時也不會再適用,因會引起氧化和石墨化。許多氧化物也不能使用,因 為劇烈的熱沖擊和壓力會引起材料中氧化物原子的多光子吸收。可以用來制造高 超速導彈整流罩的材料僅有氧化釔、尖晶石、氧化鋁氮化鋁及藍寶石等。藍寶石 單晶作為一種優良透波材料,在紫外、可見光、紅外波段、微波都具有良好的透 波率,可以滿足多模式復合制導(電視、紅外成像、雷達等)的要求;同時藍寶 石單晶具有優良的機械性能、化學穩定性,耐高溫性能好,強度高、硬度大,可 以同時滿足超高音速導彈對透波材料的苛刻要求。在材料的制備工藝方面藍寶石 可以生長單晶,然后加工成型,成品性能與單晶性能相同,而其它材料主要利用 粉末熱壓鑄燒結成型,其在性能上比原來的要稍低。因此,藍寶石單晶已成為先 進國家高速戰斗機、導彈等中波透紅外窗口材料的良好選擇。激光基質、光學元件及其它用途
    藍寶石晶體是優良的激光基質材料,如摻鈦藍寶石晶體是當今國際上較好的寬帶可調諧激光晶體,其可調諧波段范圍為660~1200nm。自1982 年Moulton首次報道實現激光振蕩以來,因其具有很寬的可調諧范圍及很高的增益等優點, 已得到廣泛而充分的研究。藍寶石的光學穿透帶范圍非常寬,從近紫外光波段0.9nm 到中紅外線光波段5.5μm 都具有很好的透光率,且在0.25~4.5μm  的波 段內仍然有80%以上的穿透率;使得大尺寸、高完整性的藍寶石單晶體已被作為美國LICO(Laser interferometer gravitational observatory)工程等測定宇宙重力波的大型干涉裝置中選擇的分光元件的基質材料。藍寶石晶體在民用領域的應 用也已十分廣泛,例如在診治儀器、環保設備、激光設備、化工設備、高真空測 試設備、紡織工業的纖維導絲板,條碼掃描儀的掃描窗口、永不磨損型雷達表的表蒙等。

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