Инженерное мастерство: сапфир HPA как платформа для производства светодиодов

Оксид алюминия высокой чистоты (HPA) — это материал, о котором вы, возможно, не слышали, но он является важным повсеместным компонентом нашей повседневной жизни. Это основной ингредиент в производстве сапфировых кристаллов, которые лежат в основе светодиодов (LED) — небольших источников света, которые освещают все: от наших личных устройств до наших городов.

Спрос на HPA постоянно растет из-за увеличения спроса на сапфиры, вызванного светодиодной промышленностью. Ценность сапфиров как материала для производства светодиодов можно свести к следующим четырем ключевым причинам:

Во-первых, сапфир имеет аналогичный размер кристаллической решетки с нитридом галлия (GaN), основным материалом, используемым при создании синих и белых светодиодов высокой яркости. Такая совместимость решеток приводит к меньшему количеству структурных дефектов, тем самым повышая эффективность производства светодиодов.1

Аналогичным образом, прозрачность является еще одной важной характеристикой, гарантирующей, что генерируемый свет не сталкивается с препятствиями с нижней стороны светодиода, что дает сапфиру преимущество перед кремнием в качестве подложки светодиода.

Более того, высокая теплопроводность сапфира жизненно важна для светодиодов, которые выделяют тепло во время работы. Эффективное рассеивание тепла необходимо для предотвращения повреждения конструкции светодиода и поддержания его срока службы и эффективности.

Наконец, превосходные электроизоляционные свойства сапфира позволяют ему эффективно изолировать активные части светодиода от других компонентов, снижая риск электрических коротких замыканий.

Путь от оксида алюминия высокой чистоты к светодиодам сложен и увлекателен, он включает в себя сочетание химии, инженерии и точного производства, которое часто пересекает международные границы.

Производственная цепочка начинается с HPA, порошка оксида алюминия (Al2O3) высшего качества, производимого с особым вниманием к чистоте. 4N HPA (чистота 99,99%) обычно используется для светодиодов, а еще более чистый вариант, 5N HPA (чистота 99,999%), используется для оптики.

Чистота HPA – это не просто число; это краеугольный камень успешного производства светодиодов. Даже малейшая примесь может вызвать дефекты в конечном продукте, влияя на производительность и эффективность светодиодов.

Производство светодиодов, например, очень чувствительно к воздействию границ зерен с малым углом (LAGB) — небольших кристаллических зерен в сапфировой пластине, которые смещены по сравнению с основным объемом пластины. Они уменьшают адгезию и ухудшают структурное качество эпитаксиального слоя, нанесенного на сапфировую пластину, снижая производительность светодиодных устройств. Чистота ГПК оказывает прямое влияние на возникновение таких дефектов.

Еще одним фактором, который становится все более важным для пользователей HPA, является поддержание экологически чистой цепочки поставок без выбросов углекислого газа.

В поисках высокочистого и экологически чистого глинозема высокой чистоты лидируют такие компании, как Advanced Energy Minerals, базирующаяся в Кэп-Чате, Квебек, Канада (рис. 1). Компания получает сырье исключительно из гидроэнергетики и стремится к 100% экологически чистому производству HPA, работающему исключительно на экологически чистой энергии, начиная с третьего квартала 2023 года.

Производство кристаллов синтетического сапфира, известных как «були», из порошка или монолитов HPA, представляет собой сложный процесс, в котором размер имеет значение.

Сапфировые були служат исходным материалом для тонких пластин (250–150 мкм), которые впоследствии в процессе производства становятся подложками для светодиодов. Диаметр готовых светодиодных пластин определяется размером булей. Этот диаметр может варьироваться от 2 дюймов (сейчас почти устаревший) до 6-8 дюймов (распространенный сегодня) и до 12 дюймов (будущий стандарт).

Для конкуренции необходимо выращивать були большего размера, что более экономически целесообразно.

Для примера: буля весом 90 кг, вмещающая сердечник диаметром 8 дюймов, имеет диаметр дна 30 см и высоту 45 см. Самая большая сапфировая буля, изготовленная на момент написания статьи, весит 800 кг и имеет высоту 70-80 см. Изготовлен он в Китае (рис. 2).

Выращивание таких булей требует точности, опыта и времени. Светодиодный сапфир часто производят методом выращивания Киропулоса2, который позволяет получать самые крупные кристаллы высочайшего качества.