Ikdienas dzīvē elektroniskās ierīces, piemēram, viedtālruņi un viedpulksteņi, ir kļuvušas par neaizstājamiem pavadoņiem. Šīs ierīces kļūst arvien plānākas, bet jaudīgākas. Vai esat kādreiz domājuši, kas nodrošina to nepārtraukto attīstību? Atbilde slēpjas pusvadītāju materiālos, un šodien mēs pievēršamies vienam no izcilākajiem no tiem — safīra kristālam.
Safīra kristāls, kas galvenokārt sastāv no α-Al₂O₃, sastāv no trim skābekļa atomiem un diviem alumīnija atomiem, kas kovalenti saistīti, veidojot sešstūra režģa struktūru. Lai gan pēc izskata tas atgādina dārgakmeņu safīru, rūpnieciskie safīra kristāli uzsver izcilu veiktspēju. Ķīmiski inerts, nešķīst ūdenī un ir izturīgs pret skābēm un sārmiem, darbojoties kā "ķīmiskais vairogs", kas saglabā stabilitāti skarbos apstākļos. Turklāt tam piemīt lieliska optiskā caurlaidība, kas nodrošina efektīvu gaismas caurlaidību; spēcīga siltumvadītspēja, kas novērš pārkaršanu; un izcila elektriskā izolācija, kas nodrošina stabilu signāla pārraidi bez noplūdes. Mehāniski safīra cietība pēc Mosa skalas ir 9, kas ir otrajā vietā aiz dimanta, padarot to ļoti izturīgu pret nodilumu un eroziju — ideāli piemērotu sarežģītiem lietojumiem.
Slepenais ierocis mikroshēmu ražošanā
(1) Galvenais materiāls mazjaudas mikroshēmām
Elektronikai attīstoties miniaturizācijas un augstas veiktspējas tendencei, mazjaudas mikroshēmas ir kļuvušas kritiski svarīgas. Tradicionālajām mikroshēmām ir raksturīga izolācijas degradācija nanoskalas biezumā, kas izraisa strāvas noplūdi, palielinātu enerģijas patēriņu un pārkaršanu, kas savukārt apdraud stabilitāti un kalpošanas laiku.
Ķīnas Zinātņu akadēmijas Šanhajas Mikrosistēmu un informācijas tehnoloģiju institūta (SIMIT) pētnieki, izmantojot metālu starpkalibrētas oksidācijas tehnoloģiju, izstrādāja mākslīgā safīra dielektriskās plāksnes, pārveidojot monokristāla alumīniju par monokristāla alumīnija oksīdu (safīru). Ar 1 nm biezumu šis materiāls uzrāda īpaši zemu noplūdes strāvu, pārspējot parastos amorfos dielektriķus par divām lieluma kārtām stāvokļa blīvuma samazināšanā un uzlabojot saskarnes kvalitāti ar 2D pusvadītājiem. Tā integrēšana ar 2D materiāliem ļauj izveidot mazjaudas mikroshēmas, ievērojami pagarinot akumulatora darbības laiku viedtālruņos un uzlabojot stabilitāti mākslīgā intelekta un lietu interneta (MI) lietojumprogrammās.
(2) Ideāls partneris gallija nitrīdam (GaN)
Pusvadītāju jomā gallija nitrīds (GaN) ir kļuvis par spožu zvaigzni, pateicoties tā unikālajām priekšrocībām. Kā platjoslas pusvadītāju materiāls ar joslas spraugu 3,4 eV — ievērojami lielāku nekā silīcija 1,1 eV —, GaN izceļas augstas temperatūras, augstsprieguma un augstas frekvences pielietojumos. Tā augstā elektronu mobilitāte un kritiskā sabrukšanas lauka stiprums padara to par ideālu materiālu augstas jaudas, augstas temperatūras, augstas frekvences un augsta spilgtuma elektroniskām ierīcēm. Jaudas elektronikā GaN bāzes ierīces darbojas augstākās frekvencēs ar zemāku enerģijas patēriņu, piedāvājot izcilu veiktspēju jaudas pārveidošanā un enerģijas pārvaldībā. Mikroviļņu sakaros GaN nodrošina iespēju izmantot augstas jaudas, augstas frekvences komponentus, piemēram, 5G jaudas pastiprinātājus, uzlabojot signāla pārraides kvalitāti un stabilitāti.
Safīra kristāls tiek uzskatīts par GaN “ideālu partneri”. Lai gan tā režģa neatbilstība GaN ir augstāka nekā silīcija karbīdam (SiC), safīra substrātiem GaN epitaksijas laikā ir zemāka termiskā neatbilstība, nodrošinot stabilu pamatu GaN augšanai. Turklāt safīra lieliskā siltumvadītspēja un optiskā caurlaidība veicina efektīvu siltuma izkliedi lieljaudas GaN ierīcēs, nodrošinot darbības stabilitāti un optimālu gaismas izejas efektivitāti. Tā izcilās elektriskās izolācijas īpašības vēl vairāk samazina signāla traucējumus un jaudas zudumus. Safīra un GaN kombinācija ir novedusi pie augstas veiktspējas ierīču izstrādes, tostarp uz GaN balstītām gaismas diodēm (LED), kas dominē apgaismojuma un displeju tirgos — sākot no mājsaimniecības LED spuldzēm līdz lieliem āra ekrāniem —, kā arī lāzerdiodēm, ko izmanto optiskajā sakaros un precīzā lāzerapstrādē.
XKH GaN-on-safīra vafele
Pusvadītāju pielietojumu robežu paplašināšana
(1) “Aizsargs” militārajā un kosmosa lietojumprogrammās
Militārās un kosmosa lietojumprogrammās izmantotās iekārtas bieži darbojas ekstremālos apstākļos. Kosmosā kosmosa kuģi iztur gandrīz absolūtās nulles temperatūru, intensīvu kosmisko starojumu un vakuuma vides izaicinājumus. Tikmēr militārās lidmašīnas saskaras ar virsmas temperatūru, kas pārsniedz 1000 °C aerodinamiskās sakaršanas dēļ ātrgaitas lidojuma laikā, kā arī lielu mehānisko slodžu un elektromagnētisko traucējumu dēļ.
Safīra kristāla unikālās īpašības padara to par ideālu materiālu kritiski svarīgām sastāvdaļām šajās jomās. Tā izcilā augstās temperatūras izturība — iztur līdz pat 2045 °C, saglabājot strukturālo integritāti — nodrošina uzticamu veiktspēju termiskās slodzes apstākļos. Tā starojuma izturība arī saglabā funkcionalitāti kosmiskajā un kodolvidē, efektīvi aizsargājot jutīgu elektroniku. Šīs īpašības ir veicinājušas safīra plašu izmantošanu augstas temperatūras infrasarkanajos (IR) logos. Raķešu vadības sistēmās IR logiem ir jāuztur optiskā skaidrība ekstremālā karstumā un ātrumā, lai nodrošinātu precīzu mērķa noteikšanu. Uz safīra bāzes veidotie IR logi apvieno augstu termisko stabilitāti ar izcilu IR caurlaidību, ievērojami uzlabojot vadības precizitāti. Kosmosā safīrs aizsargā satelītu optiskās sistēmas, nodrošinot skaidru attēlveidošanu skarbos orbitālos apstākļos.
XKHsafīra optiskie logi
(2) Jaunais supravadītāju un mikroelektronikas pamats
Supravadītspējas ziņā safīrs kalpo kā neaizstājams substrāts supravadošām plānām plēvēm, kas nodrošina nulles pretestības vadītspēju, tādējādi revolucionizējot enerģijas pārvadi, maglev vilcienus un MRI sistēmas. Augstas veiktspējas supravadošām plēvēm ir nepieciešami substrāti ar stabilām režģa struktūrām, un safīra saderība ar tādiem materiāliem kā magnija diborīds (MgB₂) ļauj audzēt plēves ar uzlabotu kritiskās strāvas blīvumu un kritisko magnētisko lauku. Piemēram, strāvas kabeļi, kuros izmantotas ar safīra balstītas supravadošas plēves, ievērojami uzlabo pārraides efektivitāti, samazinot enerģijas zudumus.
Mikroelektronikā safīra substrāti ar specifiskām kristalogrāfiskām orientācijām, piemēram, R plakne (<1-102>) un A plakne (<11-20>), ļauj izveidot pielāgotus silīcija epitaksiālos slāņus progresīvām integrētajām shēmām (IC). R plaknes safīrs samazina kristāla defektus ātrdarbīgās IC, palielinot darbības ātrumu un stabilitāti, savukārt A plaknes safīra izolācijas īpašības un vienmērīgā dilatācija optimizē hibrīdmikroelektroniku un augstas temperatūras supravadītāju integrāciju. Šie substrāti ir pamatā kodolu mikroshēmām augstas veiktspējas skaitļošanas un telekomunikāciju infrastruktūrā.
XKH'sAlN-on-NPSS vafele
Safīra kristāla nākotne pusvadītājos
Safīrs jau ir pierādījis milzīgu vērtību pusvadītāju jomā, sākot no mikroshēmu ražošanas līdz kosmosa un supravadītājiem. Tehnoloģijām attīstoties, tā loma vēl vairāk paplašināsies. Mākslīgā intelekta jomā safīra atbalstītas mazjaudas, augstas veiktspējas mikroshēmas veicinās mākslīgā intelekta attīstību veselības aprūpē, transportā un finanšu jomā. Kvantu skaitļošanā safīra materiāla īpašības to novieto kā daudzsološu kandidātu kubitu integrācijai. Tikmēr GaN uz safīra ierīces apmierinās pieaugošo pieprasījumu pēc 5G/6G sakaru aparatūras. Turpmāk safīrs joprojām būs pusvadītāju inovāciju stūrakmens, virzot cilvēces tehnoloģisko progresu.
XKH GaN uz safīra epitaksiālā plāksne
XKH piegādā precīzi konstruētus safīra optiskos logus un GaN uz safīra plākšņu risinājumus vismodernākajām lietojumprogrammām. Izmantojot patentētas kristālu audzēšanas un nanoskalas pulēšanas tehnoloģijas, mēs nodrošinām īpaši plakanus safīra logus ar izcilu caurlaidību no UV līdz IR spektriem, kas ir ideāli piemēroti kosmosa, aizsardzības un lieljaudas lāzersistēmām.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 18. aprīlis