V vsakdanjem življenju so elektronske naprave, kot so pametni telefoni in pametne ure, postale nepogrešljivi spremljevalci. Te naprave postajajo vse tanjše, a hkrati zmogljivejše. Ste se kdaj vprašali, kaj omogoča njihov nenehen razvoj? Odgovor se skriva v polprevodniških materialih, danes pa se osredotočamo na enega najizjemnejših med njimi – safirni kristal.
Safirni kristal, ki je v glavnem sestavljen iz α-Al₂O₃, sestavljajo trije atomi kisika in dva atoma aluminija, ki so kovalentno vezani in tvorijo šestkotno mrežasto strukturo. Čeprav po videzu spominja na safir draguljarskega razreda, industrijski safirni kristali poudarjajo vrhunsko zmogljivost. Kemično inerten je netopen v vodi in odporen na kisline in alkalije, saj deluje kot "kemični ščit", ki ohranja stabilnost v zahtevnih okoljih. Poleg tega ima odlično optično prosojnost, ki omogoča učinkovit prenos svetlobe; močno toplotno prevodnost, ki preprečuje pregrevanje; in izjemno električno izolacijo, ki zagotavlja stabilen prenos signala brez uhajanja. Mehansko se safir ponaša z Mohsovo trdoto 9, takoj za diamantom, zaradi česar je zelo odporen proti obrabi in eroziji – idealen za zahtevne aplikacije.
Skrivno orožje v proizvodnji čipov
(1) Ključni material za čipe z nizko porabo energije
Ker se elektronika usmerja k miniaturizaciji in visoki zmogljivosti, so čipi z nizko porabo energije postali ključnega pomena. Tradicionalni čipi trpijo zaradi degradacije izolacije pri nanometrskih debelinah, kar vodi do uhajanja toka, povečane porabe energije in pregrevanja, kar ogroža stabilnost in življenjsko dobo.
Raziskovalci na Šanghajskem inštitutu za mikrosisteme in informacijsko tehnologijo (SIMIT) Kitajske akademije znanosti so razvili umetne safirne dielektrične rezine z uporabo tehnologije oksidacije z interkalacijo kovin, s čimer so monokristalni aluminij pretvorili v monokristalni aluminijev oksid (safir). Pri debelini 1 nm ima ta material izjemno nizek uhajalni tok, s čimer za dva velikostna reda prekaša običajne amorfne dielektrike pri zmanjšanju gostote stanj in izboljšuje kakovost vmesnika z 2D polprevodniki. Integracija tega z 2D materiali omogoča izdelavo čipov z nizko porabo energije, kar znatno podaljša življenjsko dobo baterije v pametnih telefonih in izboljša stabilnost v aplikacijah umetne inteligence in interneta stvari.
(2) Popoln partner za galijev nitrid (GaN)
Na področju polprevodnikov se je galijev nitrid (GaN) zaradi svojih edinstvenih prednosti izkazal za sijočo zvezdo. Kot polprevodniški material s široko pasovno vrzeljo, ki znaša 3,4 eV – kar je bistveno več kot pri siliciju z 1,1 eV – se GaN odlično obnese v visokotemperaturnih, visokonapetostnih in visokofrekvenčnih aplikacijah. Zaradi visoke mobilnosti elektronov in kritične prebojne poljske jakosti je idealen material za visokozmogljive, visokotemperaturne, visokofrekvenčne in visokosvetlostne elektronske naprave. V močnostni elektroniki naprave na osnovi GaN delujejo pri višjih frekvencah z manjšo porabo energije, kar ponuja vrhunsko zmogljivost pri pretvorbi moči in upravljanju energije. V mikrovalovnih komunikacijah GaN omogoča visokozmogljive, visokofrekvenčne komponente, kot so 5G ojačevalniki moči, kar izboljšuje kakovost in stabilnost prenosa signala.
Safirni kristal velja za »popolnega partnerja« za GaN. Čeprav je njegova mrežna neusklajenost z GaN večja kot pri silicijevem karbidu (SiC), safirni substrati kažejo manjšo toplotno neusklajenost med epitaksijo GaN, kar zagotavlja stabilno podlago za rast GaN. Poleg tega odlična toplotna prevodnost in optična prosojnost safirja omogočata učinkovito odvajanje toplote v visokozmogljivih GaN napravah, kar zagotavlja stabilnost delovanja in optimalno učinkovitost svetlobnega toka. Njegove vrhunske električne izolacijske lastnosti dodatno zmanjšujejo motnje signalov in izgubo moči. Kombinacija safirja in GaN je privedla do razvoja visokozmogljivih naprav, vključno z LED diodami na osnovi GaN, ki prevladujejo na trgih razsvetljave in prikazovalnikov – od gospodinjskih LED žarnic do velikih zunanjih zaslonov – ter laserskih diod, ki se uporabljajo v optičnih komunikacijah in natančni laserski obdelavi.
XKH-jeva GaN-na-safirni rezini
Širjenje meja polprevodniških aplikacij
(1) »Ščit« v vojaških in vesoljskih aplikacijah
Oprema v vojaških in vesoljskih aplikacijah pogosto deluje v ekstremnih pogojih. V vesolju vesoljska plovila prenašajo temperature skoraj absolutne ničle, intenzivno kozmično sevanje in izzive vakuumskega okolja. Vojaška letala pa se zaradi aerodinamičnega segrevanja med hitrim letom, skupaj z visokimi mehanskimi obremenitvami in elektromagnetnimi motnjami, soočajo s površinskimi temperaturami, ki presegajo 1000 °C.
Zaradi edinstvenih lastnosti safirnega kristala je idealen material za kritične komponente na teh področjih. Njegova izjemna odpornost na visoke temperature – ki prenese do 2045 °C, hkrati pa ohranja strukturno celovitost – zagotavlja zanesljivo delovanje pri toplotnih obremenitvah. Njegova sevalna trdnost ohranja tudi funkcionalnost v kozmičnem in jedrskem okolju ter učinkovito ščiti občutljivo elektroniko. Zaradi teh lastnosti se je safir široko uporabljal v visokotemperaturnih infrardečih (IR) oknih. V sistemih za vodenje raket morajo IR okna ohranjati optično jasnost pri ekstremni vročini in hitrosti, da se zagotovi natančno zaznavanje cilja. IR okna na osnovi safirja združujejo visoko toplotno stabilnost z vrhunsko IR prepustnostjo, kar znatno izboljša natančnost vodenja. V vesoljski industriji safir ščiti satelitske optične sisteme in omogoča jasno slikanje v težkih orbitalnih pogojih.
XKH-jevsafirna optična okna
(2) Nova fundacija za superprevodnike in mikroelektroniko
V superprevodnosti safir služi kot nepogrešljiv substrat za superprevodne tanke filme, ki omogočajo prevodnost z ničelnim uporom – kar revolucionira prenos energije, vlake maglev in sisteme MRI. Visokozmogljivi superprevodni filmi zahtevajo substrate s stabilnimi mrežastimi strukturami, združljivost safirja z materiali, kot je magnezijev diborid (MgB₂), pa omogoča rast filmov z izboljšano kritično gostoto toka in kritičnim magnetnim poljem. Na primer, električni kabli, ki uporabljajo superprevodne filme s safirno podlago, dramatično izboljšajo učinkovitost prenosa z zmanjšanjem izgube energije.
V mikroelektroniki safirni substrati s specifičnimi kristalografskimi orientacijami – kot sta ravnina R (<1-102>) in ravnina A (<11-20>) – omogočajo izdelavo prilagojenih silicijevih epitaksialnih plasti za napredna integrirana vezja (IC). Safir v ravnini R zmanjšuje kristalne napake v visokohitrostnih integriranih vezjih, kar povečuje hitrost delovanja in stabilnost, medtem ko izolacijske lastnosti in enakomerna permitivnost safirja v ravnini A optimizirajo hibridno mikroelektroniko in integracijo visokotemperaturnih superprevodnikov. Ti substrati so osnova za jedrne čipe v visokozmogljivi računalniški in telekomunikacijski infrastrukturi.
XKHjeAlN-na-NPSS rezini
Prihodnost safirnega kristala v polprevodnikih
Safir je že dokazal izjemno vrednost v polprevodnikih, od izdelave čipov do vesoljske in vesoljske industrije ter superprevodnikov. Z napredkom tehnologije se bo njegova vloga še širila. Na področju umetne inteligence bodo nizkoenergijski, visokozmogljivi čipi, podprti s safirjem, spodbudili napredek umetne inteligence v zdravstvu, prometu in financah. V kvantnem računalništvu lastnosti safirja postavljajo safir kot obetavnega kandidata za integracijo kubitov. Medtem bodo naprave GaN na safirju zadovoljile naraščajoče povpraševanje po komunikacijski strojni opremi 5G/6G. Tudi v prihodnje bo safir ostal temelj inovacij na področju polprevodnikov, ki bo poganjal tehnološki napredek človeštva.
XKH-jeva epitaksialna rezina GaN na safirju
XKH ponuja natančno izdelana safirna optična okna in rešitve GaN na safirnih rezinah za najsodobnejše aplikacije. Z uporabo lastniških tehnologij za rast kristalov in poliranje v nanometrskem merilu zagotavljamo ultra ravna safirna okna z izjemnim prenosom od UV do IR spektrov, idealna za vesoljsko industrijo, obrambo in laserske sisteme z veliko močjo.
Čas objave: 18. april 2025