Brillantezza ingegneristica: HPA Sapphire come piattaforma per la produzione di LED

L'allumina ad elevata purezza (HPA) è un materiale di cui potresti non aver sentito parlare, ma è una componente importante e onnipresente della nostra vita quotidiana. È l'ingrediente principale nella produzione dei cristalli di zaffiro, che sono fondamentali per i diodi emettitori di luce (LED): piccole sorgenti luminose che illuminano tutto, dai nostri dispositivi personali alle nostre città.

La domanda di HPA è in costante aumento a causa dell’aumento della domanda di zaffiri, trainata dall’industria dei LED. Il valore degli zaffiri come materiale per la produzione di LED può essere condensato nei seguenti quattro motivi principali:

In primo luogo, lo zaffiro condivide una dimensione del reticolo cristallino simile al nitruro di gallio (GaN), il materiale principale utilizzato nella creazione di LED blu e bianchi ad alta luminosità. Questa compatibilità del reticolo si traduce in un minor numero di difetti strutturali, migliorando così l'efficienza della produzione di LED.1

Allo stesso modo, la trasparenza è un'altra caratteristica cruciale, poiché garantisce che la luce generata non affronti ostacoli dalla parte inferiore del LED, conferendo allo zaffiro un vantaggio rispetto al silicio come substrato del LED.

Inoltre, l'elevata conduttività termica dello zaffiro è vitale per i LED, che generano calore durante il funzionamento. Un'efficiente dissipazione del calore è necessaria per prevenire danni alla struttura del LED e preservarne la durata e l'efficienza.

Infine, le proprietà superiori di isolamento elettrico dello zaffiro gli consentono di isolare efficacemente le parti attive del LED da altri componenti, riducendo il rischio di cortocircuiti elettrici.

Il viaggio dall’allumina ad elevata purezza al LED è complesso e affascinante e coinvolge una miscela di chimica, ingegneria e produzione di precisione che spesso attraversa i confini internazionali.

La catena di produzione inizia con HPA, una polvere di ossido di alluminio (Al2O3) di qualità superiore, prodotta con particolare attenzione alla purezza. 4N HPA (puro al 99,99%) viene generalmente utilizzato per applicazioni LED, mentre una variante ancora più pura, 5N HPA (puro al 99,999%), viene utilizzata per l'ottica.

La purezza dell'HPA non è semplicemente un numero; è la pietra angolare di una produzione LED di successo. Anche la più piccola impurità può causare difetti nel prodotto finale, influenzando le prestazioni e l'efficienza dei LED.

La produzione di LED, ad esempio, è molto sensibile agli effetti dei LAGB (Low Angle Grain Boundaries): piccoli grani di cristallo nel wafer di zaffiro che sono disallineati rispetto al volume del wafer principale. Riducono l'adesione e compromettono la qualità strutturale dello strato epitassiale depositato sul wafer di zaffiro, riducendo le prestazioni del dispositivo LED. La purezza dell'HPA ha un'influenza diretta sulla comparsa di tali difetti.

Un altro fattore che sta diventando sempre più importante per gli utenti HPA è il mantenimento di una catena di approvvigionamento verde senza emissioni di carbonio.

Nella ricerca di un’allumina di elevata purezza e rispettosa dell’ambiente, aziende come Advanced Energy Minerals, con sede a Cap-Chat, Quebec, Canada (Fig. 1), sono all’avanguardia. L’azienda acquista materie prime esclusivamente da energia idroelettrica e si impegna a produrre HPA verdi al 100%, alimentati esclusivamente da energia verde a partire dal terzo trimestre del 2023.

La produzione di cristalli di zaffiro sintetico, noti come "boules", da polvere HPA o monoliti è un processo complesso in cui le dimensioni contano.

Le boule di zaffiro servono come materiale di partenza per wafer sottili (250-150 µm) che successivamente diventano substrati LED durante la produzione. Il diametro dei wafer LED finiti è determinato dalla dimensione delle bocce. Questo diametro può variare da 2” (ormai quasi obsoleto) a 6-8” (comune oggi) a 12” (standard futuro).

La competizione richiede la coltivazione di bocce più grandi, il che è economicamente più fattibile.

Per contesto, una boccia da 90 kg che può ospitare un diametro del nucleo di 8 pollici, ha un diametro inferiore di 30 cm ed è alta 45 cm. La più grande boule di zaffiro prodotta al momento in cui scriviamo pesa 800 kg e misura 70-80 cm di altezza. È stato prodotto in Cina (Fig. 2).

Coltivare queste bocce richiede precisione, esperienza e tempo. Lo zaffiro LED viene spesso prodotto utilizzando il metodo di crescita Kyropoulos,2 che consente di produrre cristalli più grandi della massima qualità.