U svakodnevnom životu, elektronički uređaji poput pametnih telefona i pametnih satova postali su neizostavan pratitelj. Ovi uređaji postaju sve tanji, ali i snažniji. Jeste li se ikada pitali što omogućuje njihovu kontinuiranu evoluciju? Odgovor leži u poluvodičkim materijalima, a danas se usredotočujemo na jedan od najistaknutijih među njima - safirni kristal.
Kristal safira, prvenstveno sastavljen od α-Al₂O₃, sastoji se od tri atoma kisika i dva atoma aluminija kovalentno vezana, tvoreći heksagonalnu rešetkastu strukturu. Iako izgledom podsjeća na safir draguljarske kvalitete, industrijski kristali safira ističu vrhunske performanse. Kemijski je inertan, netopljiv u vodi i otporan na kiseline i lužine, djelujući kao "kemijski štit" koji održava stabilnost u teškim uvjetima. Osim toga, pokazuje izvrsnu optičku prozirnost, omogućujući učinkovit prijenos svjetlosti; snažnu toplinsku vodljivost, sprječavajući pregrijavanje; i izvanrednu električnu izolaciju, osiguravajući stabilan prijenos signala bez curenja. Mehanički, safir se može pohvaliti Mohsovom tvrdoćom od 9, odmah iza dijamanta, što ga čini vrlo otpornim na habanje i eroziju - idealnim za zahtjevne primjene.
Tajno oružje u proizvodnji čipova
(1) Ključni materijal za čipove male snage
Kako elektronika teži minijaturizaciji i visokim performansama, čipovi male snage postali su ključni. Tradicionalni čipovi pate od degradacije izolacije pri nanoskalnim debljinama, što dovodi do curenja struje, povećane potrošnje energije i pregrijavanja, što ugrožava stabilnost i vijek trajanja.
Istraživači na Šangajskom institutu za mikrosustave i informacijsku tehnologiju (SIMIT) Kineske akademije znanosti razvili su umjetne safirne dielektrične pločice koristeći tehnologiju oksidacije s interkalacijom metala, pretvarajući monokristalni aluminij u monokristalni aluminijev oksid (safir). S debljinom od 1 nm, ovaj materijal pokazuje ultra nisku struju propuštanja, nadmašujući konvencionalne amorfne dielektrike za dva reda veličine u smanjenju gustoće stanja i poboljšavajući kvalitetu sučelja s 2D poluvodičima. Integracija ovoga s 2D materijalima omogućuje čipove niske potrošnje energije, značajno produžujući vijek trajanja baterije u pametnim telefonima i poboljšavajući stabilnost u AI i IoT aplikacijama.
(2) Savršen partner za galijev nitrid (GaN)
U području poluvodiča, galijev nitrid (GaN) se pojavio kao sjajna zvijezda zbog svojih jedinstvenih prednosti. Kao poluvodički materijal sa širokim energetskim razmakom i energetskim razmakom od 3,4 eV - znatno većim od silicijevih 1,1 eV - GaN se ističe u primjenama na visokim temperaturama, visokim naponima i visokim frekvencijama. Njegova visoka pokretljivost elektrona i kritična jakost probojnog polja čine ga idealnim materijalom za elektroničke uređaje velike snage, visoke temperature, visoke frekvencije i visokog sjaja. U energetskoj elektronici, uređaji temeljeni na GaN-u rade na višim frekvencijama s nižom potrošnjom energije, nudeći vrhunske performanse u pretvorbi energije i upravljanju energijom. U mikrovalnim komunikacijama, GaN omogućuje komponente velike snage i visoke frekvencije poput 5G pojačala snage, poboljšavajući kvalitetu i stabilnost prijenosa signala.
Safirni kristal smatra se „savršenim partnerom“ za GaN. Iako je njegova neusklađenost rešetke s GaN veća nego kod silicijevog karbida (SiC), safirne podloge pokazuju nižu toplinsku neusklađenost tijekom GaN epitaksije, pružajući stabilnu osnovu za rast GaN-a. Osim toga, izvrsna toplinska vodljivost i optička prozirnost safira olakšavaju učinkovito odvođenje topline u GaN uređajima velike snage, osiguravajući operativnu stabilnost i optimalnu učinkovitost svjetlosnog izlaza. Njegova vrhunska svojstva električne izolacije dodatno minimiziraju smetnje signala i gubitak snage. Kombinacija safira i GaN-a dovela je do razvoja visokoučinkovitih uređaja, uključujući LED diode na bazi GaN-a, koje dominiraju tržištima rasvjete i zaslona - od kućanskih LED žarulja do velikih vanjskih ekrana - kao i laserskih dioda koje se koriste u optičkim komunikacijama i preciznoj laserskoj obradi.
XKH-ova GaN-na-safirnoj pločici
Proširenje granica primjene poluvodiča
(1) „Štit“ u vojnim i zrakoplovnim primjenama
Oprema u vojnim i zrakoplovnim primjenama često radi u ekstremnim uvjetima. U svemiru, svemirske letjelice podnose temperature gotovo apsolutne nule, intenzivno kozmičko zračenje i izazove vakuumskog okruženja. Vojni zrakoplovi, s druge strane, suočavaju se s površinskim temperaturama većim od 1000 °C zbog aerodinamičkog zagrijavanja tijekom leta velikom brzinom, uz velika mehanička opterećenja i elektromagnetske smetnje.
Jedinstvena svojstva safirnog kristala čine ga idealnim materijalom za kritične komponente u tim područjima. Njegova iznimna otpornost na visoke temperature - koja može izdržati do 2045 °C uz održavanje strukturnog integriteta - osigurava pouzdane performanse pod toplinskim naprezanjem. Njegova tvrdoća na zračenje također čuva funkcionalnost u kozmičkim i nuklearnim okruženjima, učinkovito zaštićujući osjetljivu elektroniku. Ova svojstva dovela su do široke upotrebe safira u infracrvenim (IR) prozorima za visoke temperature. U sustavima navođenja projektila, IR prozori moraju održavati optičku jasnoću pod ekstremnom toplinom i brzinom kako bi se osiguralo točno otkrivanje cilja. IR prozori na bazi safira kombiniraju visoku toplinsku stabilnost s vrhunskom IR propusnošću, značajno poboljšavajući preciznost navođenja. U zrakoplovstvu, safir štiti satelitske optičke sustave, omogućujući jasno snimanje u teškim orbitalnim uvjetima.
XKH-ovisafirni optički prozori
(2) Nova zaklada za supravodiče i mikroelektroniku
U supravodljivosti, safir služi kao nezamjenjiva podloga za tanke supravodljive filmove, koji omogućuju provođenje s nultim otporom - revolucionirajući prijenos energije, maglev vlakove i MRI sustave. Visokoučinkoviti supravodljivi filmovi zahtijevaju podloge sa stabilnim rešetkastim strukturama, a kompatibilnost safira s materijalima poput magnezijevog diborida (MgB₂) omogućuje rast filmova s poboljšanom kritičnom gustoćom struje i kritičnim magnetskim poljem. Na primjer, energetski kabeli koji koriste supravodljive filmove na safirnoj podlozi dramatično poboljšavaju učinkovitost prijenosa minimiziranjem gubitka energije.
U mikroelektronici, safirne podloge sa specifičnim kristalografskim orijentacijama - kao što su R-ravnina (<1-102>) i A-ravnina (<11-20>) - omogućuju prilagođene silicijske epitaksijalne slojeve za napredne integrirane krugove (IC-ove). Safir u R-ravni smanjuje kristalne defekte u brzim IC-ovima, povećavajući brzinu rada i stabilnost, dok izolacijska svojstva i ujednačena permitivnost safira u A-ravni optimiziraju hibridnu mikroelektroniku i integraciju visokotemperaturnih supravodiča. Ove podloge podupiru jezgrene čipova u visokoučinkovitom računalstvu i telekomunikacijskoj infrastrukturi.
XKH'sAlN-na-NPSS pločici
Budućnost safirnog kristala u poluvodičima
Safir je već pokazao ogromnu vrijednost u poluvodičima, od izrade čipova do zrakoplovstva i supravodiča. Kako tehnologija napreduje, njegova će se uloga dodatno širiti. U umjetnoj inteligenciji, čipovi niske snage i visokih performansi s podrškom safira potaknut će napredak umjetne inteligencije u zdravstvu, prometu i financijama. U kvantnom računarstvu, svojstva safira pozicioniraju ga kao obećavajućeg kandidata za integraciju kubita. U međuvremenu, GaN-na-safiru uređaji zadovoljit će rastuće zahtjeve za 5G/6G komunikacijskim hardverom. U budućnosti će safir ostati temelj inovacija u poluvodičima, pokrećući tehnološki napredak čovječanstva.
XKH-ova GaN-na-safirnoj epitaksijalnoj pločici
XKH isporučuje precizno konstruirane safirne optičke prozore i GaN-na-safirnoj pločici rješenja za vrhunske primjene. Koristeći vlastite tehnologije rasta kristala i poliranja na nanoskalnim razinama, pružamo ultra-ravne safirne prozore s iznimnim prijenosom od UV do IR spektra, idealne za zrakoplovstvo, obranu i laserske sustave velike snage.
Vrijeme objave: 18. travnja 2025.