В ежедневието електронните устройства като смартфони и смарт часовници са се превърнали в незаменими спътници. Тези устройства стават все по-тънки, но и по-мощни. Някога чудили ли сте се какво позволява тяхната непрекъсната еволюция? Отговорът се крие в полупроводниковите материали и днес ще се съсредоточим върху един от най-забележителните сред тях – сапфиреният кристал.
Сапфиреният кристал, съставен предимно от α-Al₂O₃, се състои от три кислородни атома и два алуминиеви атома, свързани ковалентно, образувайки шестоъгълна решетъчна структура. Въпреки че наподобява сапфир от скъпоценен камък на външен вид, индустриалните сапфирени кристали се отличават с превъзходни характеристики. Химически инертен, той е неразтворим във вода и устойчив на киселини и основи, действайки като „химически щит“, който поддържа стабилност в тежки условия. Освен това, той показва отлична оптична прозрачност, позволяваща ефективно пропускане на светлина; силна топлопроводимост, предотвратяваща прегряване; и изключителна електрическа изолация, осигуряваща стабилно предаване на сигнала без изтичане. Механично, сапфирът може да се похвали с твърдост по Моос от 9, втора след диаманта, което го прави изключително устойчив на износване и ерозия – идеален за взискателни приложения.
Тайното оръжие в производството на чипове
(1) Ключов материал за нискоенергийни чипове
С тенденцията на електрониката към миниатюризация и висока производителност, нискоенергийните чипове стават критични. Традиционните чипове страдат от деградация на изолацията при наноразмерни дебелини, което води до изтичане на ток, повишена консумация на енергия и прегряване, което компрометира стабилността и експлоатационния живот.
Изследователи от Шанхайския институт по микросистемни и информационни технологии (SIMIT) към Китайската академия на науките разработиха изкуствени сапфирени диелектрични пластини, използвайки технология за метално-интеркалирано окисление, превръщайки монокристален алуминий в монокристален алуминиев оксид (сапфир). С дебелина от 1 nm, този материал показва ултра-нисък ток на утечка, превъзхождайки конвенционалните аморфни диелектрици с два порядъка по отношение на намаляване на плътността на състоянията и подобрявайки качеството на интерфейса с 2D полупроводници. Интегрирането на това с 2D материали позволява създаването на чипове с ниска консумация на енергия, значително удължавайки живота на батериите в смартфоните и подобрявайки стабилността в приложенията за изкуствен интелект и интернет на нещата.
(2) Перфектният партньор за галиев нитрид (GaN)
В областта на полупроводниците, галиевият нитрид (GaN) се утвърди като блестяща звезда благодарение на своите уникални предимства. Като широколентов полупроводников материал с ширина на забранената зона от 3,4 eV – значително по-голяма от 1,1 eV на силиция – GaN се отличава във високотемпературни, високоволтови и високочестотни приложения. Високата му мобилност на електрони и критичната сила на пробивно поле го правят идеален материал за високомощностни, високотемпературни, високочестотни и високояркостни електронни устройства. В силовата електроника, устройствата на базата на GaN работят на по-високи честоти с по-ниска консумация на енергия, предлагайки превъзходна производителност при преобразуване на мощност и управление на енергията. В микровълновите комуникации GaN позволява създаването на високомощностни, високочестотни компоненти, като например 5G усилватели на мощност, подобрявайки качеството и стабилността на предаване на сигнала.
Сапфиреният кристал се счита за „перфектния партньор“ за GaN. Въпреки че несъответствието в решетката му с GaN е по-голямо от това на силициевия карбид (SiC), сапфирените подложки показват по-ниско термично несъответствие по време на GaN епитаксия, осигурявайки стабилна основа за растеж на GaN. Освен това, отличната топлопроводимост и оптична прозрачност на сапфира улесняват ефективното разсейване на топлината във високомощни GaN устройства, осигурявайки оперативна стабилност и оптимална ефективност на светлинния поток. Неговите превъзходни електрически изолационни свойства допълнително минимизират смущенията на сигнала и загубата на мощност. Комбинацията от сапфир и GaN доведе до разработването на високопроизводителни устройства, включително GaN-базирани светодиоди, които доминират на пазарите на осветление и дисплеи - от битови LED крушки до големи външни екрани - както и лазерни диоди, използвани в оптичните комуникации и прецизната лазерна обработка.
GaN върху сапфирена пластина на XKH
Разширяване на границите на приложенията на полупроводниците
(1) „Щитът“ във военните и аерокосмическите приложения
Оборудването във военните и аерокосмическите приложения често работи при екстремни условия. В космоса космическите кораби са изложени на температури, близки до абсолютната нула, интензивна космическа радиация и предизвикателствата на вакуумната среда. Военните самолети, от друга страна, са изправени пред температури на повърхността над 1000°C поради аеродинамично нагряване по време на полет с висока скорост, както и високи механични натоварвания и електромагнитни смущения.
Уникалните свойства на сапфирения кристал го правят идеален материал за критични компоненти в тези области. Неговата изключителна устойчивост на високи температури – издържаща до 2045°C, като същевременно запазва структурната си цялост – осигурява надеждна работа при термично натоварване. Неговата радиационна твърдост също така запазва функционалността в космическа и ядрена среда, като ефективно екранира чувствителната електроника. Тези качества доведоха до широкото използване на сапфира във високотемпературни инфрачервени (ИЧ) прозорци. В системите за насочване на ракети ИЧ прозорците трябва да поддържат оптична яснота при екстремна топлина и скорост, за да осигурят точно откриване на целта. ИЧ прозорците на базата на сапфир съчетават висока термична стабилност с превъзходна ИЧ пропускливост, което значително подобрява прецизността на насочване. В аерокосмическата индустрия сапфирът защитава оптичните системи на спътниците, позволявайки ясно изображение в тежки орбитални условия.
XKH'sсапфирени оптични прозорци
(2) Новата фондация за свръхпроводници и микроелектроника
В свръхпроводимостта, сапфирът служи като незаменим субстрат за свръхпроводящи тънки филми, които позволяват проводимост с нулево съпротивление – революционизирайки преноса на енергия, магнитно-лев влаковете и ЯМР системите. Високопроизводителните свръхпроводящи филми изискват субстрати със стабилни решетъчни структури, а съвместимостта на сапфира с материали като магнезиев диборид (MgB₂) позволява растежа на филми с подобрена критична плътност на тока и критично магнитно поле. Например, силови кабели, използващи свръхпроводящи филми със сапфирена основа, драстично подобряват ефективността на предаване, като минимизират загубите на енергия.
В микроелектрониката, сапфирените подложки със специфични кристалографски ориентации – като R-равнина (<1-102>) и A-равнина (<11-20>) – позволяват създаването на силициеви епитаксиални слоеве, изработени по поръчка, за усъвършенствани интегрални схеми (ИС). R-равнината сапфир намалява кристалните дефекти във високоскоростните ИС, повишавайки оперативната скорост и стабилност, докато изолационните свойства и равномерната диелектрична проницаемост на A-равнината сапфир оптимизират хибридната микроелектроника и интеграцията на високотемпературни свръхпроводници. Тези подложки са в основата на основните чипове във високопроизводителните изчисления и телекомуникационната инфраструктура.
XKHеАlN-върху-NPSS пластина
Бъдещето на сапфирените кристали в полупроводниците
Сапфирът вече е демонстрирал огромна стойност в полупроводниковата индустрия, от производството на чипове до аерокосмическата индустрия и свръхпроводниците. С напредването на технологиите, неговата роля ще се разширява още повече. В областта на изкуствения интелект, нискоенергийните, високопроизводителни чипове, поддържани от сапфир, ще стимулират напредъка на изкуствения интелект в здравеопазването, транспорта и финансите. В квантовите изчисления, свойствата на сапфира го позиционират като обещаващ кандидат за интеграция на кюбити. Междувременно, устройствата GaN върху сапфир ще отговорят на нарастващите изисквания за 5G/6G комуникационен хардуер. В бъдеще сапфирът ще остане крайъгълен камък на полупроводниковите иновации, задвижвайки технологичния прогрес на човечеството.
Епитаксиалната пластина GaN върху сапфир на XKH
XKH доставя прецизно проектирани сапфирени оптични прозорци и решения от GaN върху сапфирени пластини за авангардни приложения. Използвайки патентовани технологии за растеж на кристали и наномащабно полиране, ние предлагаме ултраплоски сапфирени прозорци с изключително пропускане от UV до IR спектри, идеални за аерокосмическата, отбранителната и мощните лазерни системи.
Време на публикуване: 18 април 2025 г.