În viața de zi cu zi, dispozitivele electronice precum smartphone-urile și ceasurile inteligente au devenit companionii indispensabili. Aceste dispozitive devin din ce în ce mai subțiri, dar tot mai puternice. V-ați întrebat vreodată ce le permite evoluția continuă? Răspunsul se află în materialele semiconductoare, iar astăzi ne vom concentra asupra unuia dintre cele mai remarcabile dintre ele - cristalul de safir.
Cristalul de safir, compus în principal din α-Al₂O₃, este format din trei atomi de oxigen și doi atomi de aluminiu legați covalent, formând o structură hexagonală de rețea. Deși seamănă ca aspect cu safirul de calitate prețioasă, cristalele industriale de safir pun accent pe performanțe superioare. Inert chimic, este insolubil în apă și rezistent la acizi și alcali, acționând ca un „scut chimic” care menține stabilitatea în medii dure. În plus, prezintă o transparență optică excelentă, permițând o transmitere eficientă a luminii; o conductivitate termică puternică, prevenind supraîncălzirea; și o izolație electrică remarcabilă, asigurând o transmitere stabilă a semnalului, fără scurgeri. Mecanic, safirul se mândrește cu o duritate Mohs de 9, a doua după diamant, ceea ce îl face foarte rezistent la uzură și eroziune - ideal pentru aplicații solicitante.
Arma secretă în fabricarea cipurilor
(1) Material cheie pentru cipuri de consum redus de energie
Pe măsură ce electronica tinde spre miniaturizare și performanță ridicată, cipurile de consum redus de energie au devenit esențiale. Cipurile tradiționale suferă de degradarea izolației la grosimi nanometrice, ceea ce duce la scurgeri de curent, creșterea consumului de energie și supraîncălzire, ceea ce compromite stabilitatea și durata de viață.
Cercetătorii de la Institutul de Microsisteme și Tehnologia Informației din Shanghai (SIMIT), Academia Chineză de Științe, au dezvoltat plachete dielectrice artificiale din safir folosind tehnologia de oxidare intercalată cu metal, transformând aluminiul monocristal în alumină monocristalină (safir). Cu o grosime de 1 nm, acest material prezintă un curent de scurgere ultra-scăzut, depășind dielectricii amorfi convenționali cu două ordine de mărime în reducerea densității de stare și îmbunătățind calitatea interfeței cu semiconductorii 2D. Integrarea acestui material cu materiale 2D permite realizarea de cipuri cu consum redus de energie, prelungind semnificativ durata de viață a bateriei smartphone-urilor și sporind stabilitatea în aplicațiile de inteligență artificială și IoT.
(2) Partenerul perfect pentru nitrură de galiu (GaN)
În domeniul semiconductorilor, nitrura de galiu (GaN) a devenit o stea strălucitoare datorită avantajelor sale unice. Fiind un material semiconductor cu bandă interzisă largă, cu o bandă interzisă de 3,4 eV - semnificativ mai mare decât cea de 1,1 eV a siliciului - GaN excelează în aplicații la temperaturi ridicate, tensiune înaltă și frecvență înaltă. Mobilitatea sa ridicată a electronilor și intensitatea câmpului critic de străpungere îl fac un material ideal pentru dispozitive electronice de mare putere, temperatură înaltă, frecvență înaltă și luminozitate ridicată. În electronica de putere, dispozitivele pe bază de GaN funcționează la frecvențe mai mari cu un consum mai mic de energie, oferind performanțe superioare în conversia puterii și gestionarea energiei. În comunicațiile cu microunde, GaN permite utilizarea componentelor de mare putere și frecvență înaltă, cum ar fi amplificatoarele de putere 5G, îmbunătățind calitatea și stabilitatea transmisiei semnalului.
Cristalul de safir este considerat „partenerul perfect” pentru GaN. Deși nepotrivirea rețelei sale cu GaN este mai mare decât cea a carburii de siliciu (SiC), substraturile de safir prezintă o nepotrivire termică mai mică în timpul epitaxiei GaN, oferind o bază stabilă pentru creșterea GaN. În plus, conductivitatea termică excelentă și transparența optică a safirului facilitează disiparea eficientă a căldurii în dispozitivele GaN de mare putere, asigurând stabilitatea operațională și o eficiență optimă a fluxului luminos. Proprietățile sale superioare de izolație electrică minimizează și mai mult interferențele de semnal și pierderile de putere. Combinația dintre safir și GaN a condus la dezvoltarea de dispozitive de înaltă performanță, inclusiv LED-uri pe bază de GaN, care domină piețele de iluminat și afișaje - de la becuri LED de uz casnic la ecrane mari de exterior - precum și diode laser utilizate în comunicațiile optice și procesarea laser de precizie.
Placheta GaN pe safir de la XKH
Extinderea limitelor aplicațiilor semiconductorilor
(1) „Scutul” în aplicații militare și aerospațiale
Echipamentele din aplicațiile militare și aerospațiale funcționează adesea în condiții extreme. În spațiu, navele spațiale sunt supuse unor temperaturi aproape de zero absolut, radiațiilor cosmice intense și provocărilor unui mediu vid. Între timp, aeronavele militare se confruntă cu temperaturi la suprafață care depășesc 1.000°C din cauza încălzirii aerodinamice în timpul zborului de mare viteză, împreună cu sarcini mecanice mari și interferențe electromagnetice.
Proprietățile unice ale cristalului de safir îl fac un material ideal pentru componentele critice din aceste domenii. Rezistența sa excepțională la temperaturi ridicate - care poate rezista la temperaturi de până la 2.045°C, menținând în același timp integritatea structurală - asigură performanțe fiabile în condiții de stres termic. Duritatea sa la radiații păstrează, de asemenea, funcționalitatea în medii cosmice și nucleare, protejând eficient electronicele sensibile. Aceste atribute au dus la utilizarea pe scară largă a safirului în ferestrele cu infraroșu (IR) la temperaturi ridicate. În sistemele de ghidare a rachetelor, ferestrele IR trebuie să mențină claritatea optică în condiții de căldură și viteză extreme pentru a asigura detectarea precisă a țintei. Ferestrele IR pe bază de safir combină stabilitatea termică ridicată cu o transmitanță IR superioară, îmbunătățind semnificativ precizia ghidării. În industria aerospațială, safirul protejează sistemele optice ale sateliților, permițând imagini clare în condiții orbitale dure.
XKH-uriferestre optice din safir
(2) Noua Fundație pentru Supraconductori și Microelectronică
În supraconductivitate, safirul servește ca substrat indispensabil pentru peliculele subțiri supraconductoare, care permit conducția cu rezistență zero - revoluționând transmisia de putere, trenurile maglev și sistemele RMN. Peliculele supraconductoare de înaltă performanță necesită substraturi cu structuri de rețea stabile, iar compatibilitatea safirului cu materiale precum diborura de magneziu (MgB₂) permite creșterea peliculelor cu densitate critică de curent și câmp magnetic critic îmbunătățite. De exemplu, cablurile de alimentare care utilizează pelicule supraconductoare susținute de safir îmbunătățesc dramatic eficiența transmisiei prin minimizarea pierderilor de energie.
În microelectronică, substraturile de safir cu orientări cristalografice specifice - cum ar fi planul R (<1-102>) și planul A (<11-20>) - permit straturi epitaxiale de siliciu personalizate pentru circuite integrate (CI) avansate. Safirul din planul R reduce defectele cristaline în CI-urile de mare viteză, crescând viteza de operare și stabilitatea, în timp ce proprietățile izolatoare și permitivitatea uniformă ale safirului din planul A optimizează microelectronica hibridă și integrarea supraconductorilor la temperatură înaltă. Aceste substraturi stau la baza cipurilor principale în infrastructura de calcul de înaltă performanță și telecomunicații.
XKH'sOPlachetă lN-on-NPSS
Viitorul cristalului de safir în semiconductori
Safirul a demonstrat deja o valoare imensă în industria semiconductorilor, de la fabricarea de cipuri la industria aerospațială și supraconductori. Pe măsură ce tehnologia avansează, rolul său se va extinde și mai mult. În inteligența artificială, cipurile de înaltă performanță și consum redus de energie, bazate pe safir, vor impulsiona progresele inteligenței artificiale în domeniul sănătății, transporturilor și finanțelor. În informatica cuantică, proprietățile materialelor safirului îl poziționează ca un candidat promițător pentru integrarea qubitilor. Între timp, dispozitivele GaN pe safir vor satisface cerințele tot mai mari de hardware de comunicații 5G/6G. Mergând mai departe, safirul va rămâne o piatră de temelie a inovației în semiconductori, alimentând progresul tehnologic al umanității.
Placheta epitaxială GaN-pe-safir de la XKH
XKH oferă ferestre optice din safir proiectate cu precizie și soluții de napolitane GaN pe safir pentru aplicații de ultimă generație. Utilizând tehnologii brevetate de creștere a cristalelor și lustruire la nanoscală, oferim ferestre ultra-plate din safir cu o transmisie excepțională de la spectrele UV la IR, ideale pentru sistemele aerospațiale, de apărare și lasere de mare putere.
Data publicării: 18 aprilie 2025