У повсякденному житті електронні пристрої, такі як смартфони та розумні годинники, стали незамінними супутниками. Ці пристрої стають дедалі тоншими, але водночас потужнішими. Ви коли-небудь замислювалися, що забезпечує їхню постійну еволюцію? Відповідь криється в напівпровідникових матеріалах, і сьогодні ми зосередимося на одному з найвидатніших серед них — сапфіровому кристалі.
Кришталь сапфіру, що складається переважно з α-Al₂O₃, складається з трьох атомів кисню та двох атомів алюмінію, ковалентно зв'язаних, утворюючи гексагональну структуру решітки. Хоча за зовнішнім виглядом він нагадує сапфір ювелірного класу, промислові кристали сапфіру мають чудові характеристики. Хімічно інертний, він нерозчинний у воді та стійкий до кислот і лугів, діючи як «хімічний щит», який підтримує стабільність у суворих умовах. Крім того, він демонструє чудову оптичну прозорість, що забезпечує ефективне пропускання світла; сильну теплопровідність, що запобігає перегріву; та видатну електроізоляцію, що забезпечує стабільну передачу сигналу без витоку. Механічно сапфір може похвалитися твердістю за шкалою Мооса 9, поступаючись лише алмазу, що робить його дуже стійким до зносу та ерозії — ідеальним для вимогливих застосувань.
Секретна зброя у виробництві мікросхем
(1) Ключовий матеріал для малопотужних мікросхем
Оскільки електроніка прагне мініатюризації та високої продуктивності, малопотужні мікросхеми стали критично важливими. Традиційні мікросхеми страждають від деградації ізоляції при нанорозмірній товщині, що призводить до витоку струму, збільшення споживання енергії та перегріву, що негативно впливає на стабільність та термін служби.
Дослідники Шанхайського інституту мікросистемних та інформаційних технологій (SIMIT) Китайської академії наук розробили штучні діелектричні пластини сапфіру, використовуючи технологію інтеркальованого окислення металами, перетворюючи монокристалічний алюміній на монокристалічний оксид алюмінію (сапфір). При товщині 1 нм цей матеріал демонструє наднизький струм витоку, перевершуючи звичайні аморфні діелектрики на два порядки за зменшенням щільності станів та покращуючи якість інтерфейсу з 2D-напівпровідниками. Інтеграція цього з 2D-матеріалами дозволяє створювати малопотужні чіпи, значно подовжуючи термін служби батарей у смартфонах та підвищуючи стабільність у застосунках штучного інтелекту та Інтернету речей.
(2) Ідеальний партнер для нітриду галію (GaN)
У галузі напівпровідників нітрид галію (GaN) став яскравою зіркою завдяки своїм унікальним перевагам. Як широкозонний напівпровідниковий матеріал із забороненою зоною 3,4 еВ — значно більшою, ніж у кремнію з 1,1 еВ — GaN чудово підходить для застосування в умовах високих температур, високої напруги та високих частот. Його висока рухливість електронів та критична напруженість пробивного поля роблять його ідеальним матеріалом для потужних, високотемпературних, високочастотних та високояскравих електронних пристроїв. У силовій електроніці пристрої на основі GaN працюють на вищих частотах з меншим споживанням енергії, пропонуючи чудову продуктивність у перетворенні енергії та управлінні енергією. У мікрохвильовому зв'язку GaN дозволяє створювати потужні високочастотні компоненти, такі як підсилювачі потужності 5G, підвищуючи якість та стабільність передачі сигналу.
Кришталь сапфіру вважається «ідеальним партнером» для GaN. Хоча його невідповідність кристалічних решіток з GaN вища, ніж у карбіду кремнію (SiC), сапфірові підкладки демонструють меншу теплову невідповідність під час епітаксії GaN, забезпечуючи стабільну основу для росту GaN. Крім того, чудова теплопровідність та оптична прозорість сапфіру сприяють ефективному розсіюванню тепла у високопотужних пристроях GaN, забезпечуючи стабільність роботи та оптимальну ефективність світлового потоку. Його чудові електроізоляційні властивості ще більше мінімізують перешкоди сигналу та втрати потужності. Поєднання сапфіру та GaN призвело до розробки високопродуктивних пристроїв, включаючи світлодіоди на основі GaN, які домінують на ринках освітлення та дисплеїв — від побутових світлодіодних ламп до великих зовнішніх екранів, — а також лазерних діодів, що використовуються в оптичному зв'язку та прецизійній лазерній обробці.
GaN на сапфіровій пластині від XKH
Розширення меж застосування напівпровідників
(1) «Щит» у військових та аерокосмічних застосуваннях
Обладнання у військовому та аерокосмічному застосуванні часто працює в екстремальних умовах. У космосі космічні кораблі зазнають температур, близьких до абсолютного нуля, інтенсивного космічного випромінювання та викликів вакуумного середовища. Тим часом військові літаки стикаються з температурою поверхні, що перевищує 1000°C, через аеродинамічний нагрів під час польоту на високій швидкості, а також високі механічні навантаження та електромагнітні перешкоди.
Унікальні властивості сапфірового кристала роблять його ідеальним матеріалом для критично важливих компонентів у цих галузях. Його виняткова стійкість до високих температур — він витримує до 2045°C, зберігаючи при цьому структурну цілісність — забезпечує надійну роботу при термічних навантаженнях. Його радіаційна стійкість також зберігає функціональність у космічному та ядерному середовищах, ефективно захищаючи чутливу електроніку. Ці властивості призвели до широкого використання сапфіру у високотемпературних інфрачервоних (ІЧ) вікнах. У системах наведення ракет ІЧ-вікна повинні зберігати оптичну чіткість при екстремальних температурах та швидкості, щоб забезпечити точне виявлення цілі. ІЧ-вікна на основі сапфіру поєднують високу термостабільність з чудовим коефіцієнтом пропускання ІЧ, що значно покращує точність наведення. В аерокосмічній галузі сапфір захищає оптичні системи супутників, забезпечуючи чітке зображення в суворих орбітальних умовах.
XKHсапфірові оптичні вікна
(2) Новий фонд надпровідників та мікроелектроніки
У надпровідності сапфір служить незамінною підкладкою для надпровідних тонких плівок, які забезпечують провідність з нульовим опором, що революціонізує передачу енергії, поїзди на магнітній підвісці та системи МРТ. Високопродуктивні надпровідні плівки потребують підкладок зі стабільними ґратчастими структурами, а сумісність сапфіру з такими матеріалами, як диборид магнію (MgB₂), дозволяє вирощувати плівки з підвищеною критичною щільністю струму та критичним магнітним полем. Наприклад, силові кабелі, що використовують надпровідні плівки на основі сапфіру, значно покращують ефективність передачі, мінімізуючи втрати енергії.
У мікроелектроніці сапфірові підкладки зі специфічною кристалографічною орієнтацією, такою як R-площина (<1-102>) та A-площина (<11-20>), дозволяють створювати спеціалізовані кремнієві епітаксіальні шари для передових інтегральних схем (ІС). Сапфір R-площини зменшує кристалічні дефекти у високошвидкісних ІС, підвищуючи швидкість роботи та стабільність, тоді як ізоляційні властивості сапфіру A-площини та рівномірна діелектрична проникність оптимізують гібридну мікроелектроніку та інтеграцію високотемпературних надпровідників. Ці підкладки є основою основних мікросхем у високопродуктивних обчисленнях та телекомунікаційній інфраструктурі.
XKH'sАlN-на-NPSS пластині
Майбутнє сапфірового кристала в напівпровідниках
Сапфір вже продемонстрував величезну цінність у напівпровідниках, від виготовлення мікросхем до аерокосмічної галузі та надпровідників. З розвитком технологій його роль ще більше розширюватиметься. У штучному інтелекті, малопотужні, високопродуктивні чіпи на основі сапфіру сприятимуть розвитку штучного інтелекту в охороні здоров'я, транспорті та фінансах. У квантових обчисленнях матеріальні властивості сапфіру позиціонують його як перспективного кандидата для інтеграції кубітів. Тим часом, пристрої на основі GaN на сапфірі задовольнять зростаючий попит на комунікаційне обладнання 5G/6G. У майбутньому сапфір залишатиметься наріжним каменем напівпровідникових інновацій, рухаючи людство вперед у технологічному прогресі.
Епітаксіальна пластина GaN на сапфірі від XKH
XKH постачає прецизійно спроектовані сапфірові оптичні вікна та рішення на основі GaN на сапфіровій пластині для передових застосувань. Використовуючи запатентовані технології вирощування кристалів та нанорозмірного полірування, ми пропонуємо надплоскі сапфірові вікна з винятковим пропусканням від ультрафіолетового до інфрачервоного спектру, ідеальні для аерокосмічної, оборонної та потужних лазерних систем.
Час публікації: 18 квітня 2025 р.