摘要

藍(lán)寶石（α-Al?O?）是一種性能優(yōu)異的功能材料，具有高硬度、高熱導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、LED、光學(xué)窗口、激光器件等領(lǐng)域。本文詳細(xì)探討了藍(lán)寶石在不同晶向（如C向、M向、R向、A向等）下的熱膨脹系數(shù)（CTE）和熱導(dǎo)率（Thermal Conductivity）的變化規(guī)律，并分析其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的影響。此外，作為專業(yè)的藍(lán)寶石材料供應(yīng)商，我們可提供多種晶向（C、M、R、A、C偏A等）和尺寸（2寸至12寸）的藍(lán)寶石襯底，并可定制鍍膜（如增透膜）、光學(xué)元器件（藍(lán)寶石棒、柱等），滿足半導(dǎo)體、光學(xué)及科研領(lǐng)域的需求。

藍(lán)寶石的晶體結(jié)構(gòu)與各向異性

藍(lán)寶石（α-Al?O?）屬于六方晶系，具有各向異性，即其物理性質(zhì)（如熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、硬度等）在不同晶向上存在差異。主要晶向包括：
 

· C向（0001）：最常見，用于LED襯底、光學(xué)窗口等。
 

· A向（11-20）：機(jī)械性能優(yōu)異，適用于高應(yīng)力環(huán)境。
 

· M向（10-10）：常用于激光器、光學(xué)元件。
 

· R向（1-102）：具有特殊的光學(xué)性能，適用于某些激光應(yīng)用。
 

由于晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率在不同晶向上表現(xiàn)不同，直接影響器件的熱穩(wěn)定性。

 

藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)（CTE）

熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）描述材料在溫度變化時(shí)的尺寸變化率。藍(lán)寶石的CTE在不同晶向上差異顯著：

不同晶向的CTE數(shù)據(jù)

分析與討論

· C向藍(lán)寶石：在平行c軸方向（8.3×10??/K）比垂直c軸方向（7.5×10??/K）膨脹略大，可能導(dǎo)致異質(zhì)外延生長(zhǎng)（如GaN-on-Sapphire）時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力。
 

· A向和M向：CTE接近，適用于需要高熱穩(wěn)定性的光學(xué)元件。
 

· R向：CTE較低，適用于高功率激光器，減少熱形變。
 

應(yīng)用影響：在LED外延生長(zhǎng)中，GaN與藍(lán)寶石襯底的CTE不匹配會(huì)導(dǎo)致翹曲和缺陷，因此需優(yōu)化晶向選擇（如C偏A向可降低應(yīng)力）。

藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率（Thermal Conductivity）
 

熱導(dǎo)率衡量材料傳導(dǎo)熱量的能力，藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率同樣具有各向異性：
 

不同晶向的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)（室溫）
 

分析與討論

· C向藍(lán)寶石：沿c軸熱導(dǎo)率最高（35 W/m·K），適用于高功率LED和激光器散熱。
 

· A向和R向：熱導(dǎo)率適中，適合光學(xué)窗口和激光基板。
 

· M向：熱導(dǎo)率略低，但機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高應(yīng)力環(huán)境。
 

應(yīng)用影響：在半導(dǎo)體激光器中，高熱導(dǎo)率可有效降低熱阻，提高器件壽命。因此，C向藍(lán)寶石常用于高功率器件。

 

晶向選擇對(duì)器件性能的影響

 

LED行業(yè)（GaN-on-Sapphire）

· C向襯底：主流選擇，但CTE不匹配可能導(dǎo)致外延層應(yīng)力。
 

· C偏A向（如偏4°）：可減少缺陷密度，提高LED發(fā)光效率。



 

激光器與光學(xué)窗口

· R向或A向：低CTE和高熱導(dǎo)率組合，減少熱形變，適用于高功率激光窗口。



 

高溫傳感器

· M向：機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫，適用于惡劣環(huán)境。

藍(lán)寶石材料供應(yīng)與服務(wù)

作為專業(yè)藍(lán)寶石供應(yīng)商，上海知明提供：
 

· 多種晶向：C、M、R、A、C偏A等，滿足不同熱學(xué)需求。

· 多種尺寸：2寸、3寸、4寸、6寸、8寸、12寸襯底。

· 定制加工：藍(lán)寶石光學(xué)窗口、藍(lán)寶石棒、藍(lán)寶石柱等。

· 鍍膜服務(wù)：增透膜（AR）、高反射膜（HR）等，提升光學(xué)性能。

· 快速供貨：大量現(xiàn)貨，支持小批量定制。


 

結(jié)論
 

藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率具有明顯的各向異性，不同晶向適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景：
 

· C向：高熱導(dǎo)率，適合LED和激光器。

· A向/M向：機(jī)械強(qiáng)度高，適合光學(xué)窗口。

· R向：低CTE，適合高功率激光器。
 

合理選擇晶向可優(yōu)化器件熱管理，提高性能和可靠性。上海知明提供全面的藍(lán)寶石材料解決方案，助力您的科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
 

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