Saphir-, Rubin- und Aluminiumoxid-Substrate, wie man sie auswählt

Kein Substrat auf Oxidbasis hat in der modernen Materialwissenschaft die Technik mehr beeinflusst als Saphir, Rubin und Tonerde. Auf den ersten Blick gehören sie alle zur gleichen Familie: Aluminiumoxid (Al₂O₃). Doch ihre Strukturen, Kosten, optischen Eigenschaften und funktionalen Anwendungen unterscheiden sich stark voneinander.

Warum Saphir in der Led-Herstellung die Oberhand hat

Saphir ist die einkristalline Form von Aluminiumoxid. In seiner reinen Form ist er farblos und transparent, mit einer ausgezeichneten Härte (Mohs 9) und chemischer Inertheit. Diese Eigenschaften machen Saphir zu einem idealen Substrat für Leuchtdioden (LEDs).

1. Kristallstruktur für die Epitaxie

Bei der Herstellung von LEDs werden Schichten aus Galliumnitrid (GaN) durch Epitaxie abgeschieden. Die Epitaxie funktioniert nur, wenn das Substrat in der Lage ist, eine ähnliche oder zumindest vergleichbare Kristallform wie die abzuscheidende Form aufzunehmen. Ein einkristallines Saphir-Gitter dient als solche Vorlage, um hochreine GaN-Schichten mit geringeren Defekten zu erzeugen.

2. Optische Durchsichtigkeit

LEDs müssen eine effiziente Lichtleistung abgeben. Saphir ist in einem breiten Wellenlängenbereich von ultraviolett bis infrarot klar und absorbiert nur minimal Photonen. Dies zahlt sich direkt in Form von höherer Helligkeit und Effizienz aus.

3. Hochtemperaturstabilität

Das epitaktische Wachstum erfolgt bei hohen Temperaturen von über 1000°C. Die Stabilität und die Form von Saphir gehen bei solchen Temperaturen nicht verloren, was ihn für die Herstellung von LEDs unschätzbar macht.

Neben LEDs werden Saphirsubstrate auch für Laserfenster, optische Komponenten und Abdeckungen für Unterhaltungselektronik verwendet. Aufgrund ihres relativ hohen Preises ist ihr Einsatz in Bereichen, in denen billigere Ersatzstoffe eingesetzt werden könnten, jedoch begrenzt.

Warum Aluminiumoxid-Keramik die erste Wahl für elektronische Schaltkreise ist

Während Saphir einkristallin ist, sind Aluminiumoxid-Substrate polykristalline Keramiken. Aluminiumoxid-Substrate werden durch Sintern von Al₂O₃-Pulvern hergestellt und verfügen nicht über das geordnete Gitter, das Saphir besitzt, kompensieren dies aber durch niedrige Kosten, hervorragende mechanische Festigkeit und hochentwickelte Produktionsverfahren.

1. Niedrige Kosten für die Großserienproduktion

Aluminiumoxid-Substrate sind in der Herstellung deutlich billiger als einkristalliner Saphir. Dies macht sie für großflächige Anwendungen wie elektronische Leiterplatten praktisch.

2. Elektrische Isolierung

Zu den Vorteilen von Aluminiumoxid gehört, dass es ein elektrischer Isolator sein kann. Dies ist eine Voraussetzung für Schaltkreissubstrate, da die elektrischen Pfade getrennt bleiben müssen, um Kurzschlüsse und Störungen zu vermeiden.

3. Thermische Leitfähigkeit

Moderne elektronische Geräte, insbesondere Leistungsmodule, erzeugen eine erhebliche Menge an Wärme. Aluminiumoxid-Substrate leiten die Wärme von aktiven Geräten effektiv ab und minimieren so die Möglichkeit einer Überhitzung. Obwohl Materialien wie Aluminiumnitrid (AlN) eine noch bessere Wärmeleitfähigkeit besitzen, bietet Aluminiumoxid den besten Kompromiss zwischen Leistung und Wirtschaftlichkeit.

4. Ausgereifte Verarbeitung

Aluminiumoxidkeramiken lassen sich leicht schneiden, bohren und mit leitenden Schichten bedrucken, was die Massenproduktion von Dickschichtschaltungen, Mikrowellengeräten und Leistungselektronik ermöglicht.

Aus diesem Grund hat sich Aluminiumoxid zum bevorzugten Substrat für elektronische Schaltungen, Leistungsmodule und Wärmespreizer in Branchen von der Unterhaltungselektronik bis zu Automobilsystemen entwickelt.

Warum Rubin nach wie vor ein Eckpfeiler der Festkörperlasertechnologie ist

Rubin ist im Grunde genommen Saphir mit einem Unterschied: Es handelt sich um eine einkristalline Form von Al₂O₃, die mit Spuren von Chrom-Ionen (Cr³⁺) dotiert ist. Die Ionen verleihen dem Rubin nicht nur seine rote Farbe, sondern machen ihn auch auf einzigartige Weise optisch aktiv.

1. Optische Aktivität aufgrund von Chromdotierung

Die Cr³⁺-Ionen in Rubin absorbieren Energie und geben sie als Licht bei einer bestimmten Wellenlänge ab. Durch optisches Pumpen wird so ein intensiver und kohärenter roter Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 694 nm erzeugt.

2. Starke mechanische und chemische Eigenschaften

Rubin besitzt die gleiche mechanische Härte und chemische Stabilität wie Saphir, so dass er den rauen Umgebungsbedingungen, die für den Betrieb von Lasern erforderlich sind, standhalten kann.

3. Spezialisierte Anwendung

Die optischen Eigenschaften von Rubin machen ihn zu einem äußerst nützlichen Material für Festkörperlaser, die die ersten erfolgreichen Laser überhaupt waren. Aber dieselbe Chromdotierung, die Rubin in Lasern nützlich macht, macht Rubin unbrauchbar für LEDs, die Transparenz erfordern, und für elektronische Schaltkreise, wo Kosten und einfache Herstellung in großen Mengen wichtiger sind als optische Aktivität.

Rubin ist also ein sehr spezielles Material: Er eignet sich hervorragend für die Lasertechnik, die optische Sensorik und Präzisionsinstrumente, nicht aber für die Halbleiterherstellung oder die Massenproduktion von Elektronik.

Wie man sich entscheidet

Saphir beherrscht die LED-Technologie, bei der Kristallstruktur und Transparenz von entscheidender Bedeutung sind. Aluminiumoxid eignet sich hervorragend für elektronische Schaltungen und Leistungsmodule, bei denen Isolierung und Kosten eine wichtige Rolle spielen. Rubin, dessen optische Aktivität durch Chrom stimuliert wird, eignet sich besonders gut für Laser und wissenschaftliche optische Geräte.

Die Wahl hängt hauptsächlich davon ab, ob Ihr Projekt Wert auf Klarheit, Isolierung oder Laserleistung legt. Weitere Aluminiumoxid-Substrate finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM). Wenn Sie noch unsicher sind, schicken Sie uns einfach Ihre Projektdetails, und wir werden Ihnen helfen, die richtige Lösung zu empfehlen.