U svakodnevnom životu, elektronski uređaji poput pametnih telefona i pametnih satova postali su neizostavan pratilac. Ovi uređaji postaju sve tanji, ali i moćniji. Jeste li se ikada zapitali šta omogućava njihovu kontinuiranu evoluciju? Odgovor leži u poluprovodničkim materijalima, a danas se fokusiramo 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, formirajući heksagonalnu rešetkastu strukturu. Iako izgledom podsjeća na safir dragog kamenja, industrijski kristali safira ističu superiorne performanse. Hemijski inertan je, nerastvorljiv u vodi i otporan na kiseline i alkalije, djelujući kao "hemijski štit" koji održava stabilnost u teškim okruženjima. Osim toga, pokazuje odličnu optičku transparentnost, omogućavajući efikasan prijenos svjetlosti; snažnu toplinsku provodljivost, 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 mikrosisteme i informacione tehnologije (SIMIT) Kineske akademije nauka razvili su umjetne safirne dielektrične pločice koristeći tehnologiju oksidacije interkaliranim metalom, pretvarajući monokristalni aluminij u monokristalni aluminijum (safir). Sa debljinom od 1 nm, ovaj materijal pokazuje ultra nisku struju curenja, nadmašujući konvencionalne amorfne dielektrike za dva reda veličine u smanjenju gustoće stanja i poboljšavajući kvalitet interfejsa sa 2D poluprovodnicima. Integracija ovoga sa 2D materijalima omogućava čipove niske potrošnje energije, značajno produžavajući vijek trajanja baterije u pametnim telefonima i poboljšavajući stabilnost u AI i IoT aplikacijama.
(2) Savršen partner za galijum nitrid (GaN)
U oblasti poluprovodnika, galijev nitrid (GaN) se pojavio kao sjajna zvijezda zbog svojih jedinstvenih prednosti. Kao poluprovodnički 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, visokom naponu i visokim frekvencijama. Njegova visoka pokretljivost elektrona i kritična jačina probojnog polja čine ga idealnim materijalom za elektronske uređaje velike snage, visoke temperature, visoke frekvencije i visokog sjaja. U energetskoj elektronici, uređaji bazirani na GaN-u rade na višim frekvencijama sa nižom potrošnjom energije, nudeći superiorne performanse u konverziji energije i upravljanju energijom. U mikrotalasnim komunikacijama, GaN omogućava komponente velike snage i visoke frekvencije kao što su 5G pojačala snage, poboljšavajući kvalitet i stabilnost prijenosa signala.
Safirni kristal se smatra "savršenim partnerom" za GaN. Iako je njegova neusklađenost rešetke sa GaN veća nego kod silicijum karbida (SiC), safirne podloge pokazuju nižu termičku neusklađenost tokom GaN epitaksije, pružajući stabilnu osnovu za rast GaN. Pored toga, odlična toplotna provodljivost i optička transparentnost safira olakšavaju efikasno odvođenje toplote u GaN uređajima velike snage, osiguravajući operativnu stabilnost i optimalnu efikasnost svjetlosnog izlaza. Njegova superiorna svojstva električne izolacije dodatno minimiziraju smetnje signala i gubitak snage. Kombinacija safira i GaN dovela je do razvoja visokoperformansnih uređaja, uključujući LED diode bazirane na GaN-u, koje dominiraju tržištima rasvjete i displeja - od kućnih LED sijalica do velikih vanjskih ekrana - kao i laserske diode koje se koriste u optičkim komunikacijama i preciznoj laserskoj obradi.
XKH-ov GaN na safirnoj pločici
Proširenje granica primjene poluprovodnika
(1) „Štit“ u vojnim i vazduhoplovnim primjenama
Oprema u vojnim i vazduhoplovnim primjenama često radi u ekstremnim uslovima. U svemiru, svemirske letjelice podnose temperature blizu apsolutne nule, intenzivno kosmičko zračenje i izazove vakuumskog okruženja. Vojni avioni, s druge strane, suočavaju se s površinskim temperaturama koje prelaze 1.000°C zbog aerodinamičkog zagrijavanja tokom leta velikom brzinom, zajedno s visokim mehaničkim opterećenjima i elektromagnetnim smetnjama.
Jedinstvena svojstva safirnog kristala čine ga idealnim materijalom za kritične komponente u ovim oblastima. Njegova izuzetna otpornost na visoke temperature - koja može izdržati temperature do 2.045°C uz održavanje strukturnog integriteta - osigurava pouzdane performanse pod termičkim naprezanjem. Njegova otpornost na zračenje također čuva funkcionalnost u kosmičkim i nuklearnim okruženjima, efikasno zaštićujući osjetljivu elektroniku. Ove osobine dovele su do široke upotrebe safira u infracrvenim (IR) prozorima za visoke temperature. U sistemima za navođenje raketa, IR prozori moraju održavati optičku jasnoću pod ekstremnom toplotom i brzinom kako bi se osiguralo precizno otkrivanje cilja. IR prozori na bazi safira kombiniraju visoku termičku stabilnost sa superiornom IR propusnošću, značajno poboljšavajući preciznost navođenja. U vazduhoplovstvu, safir štiti satelitske optičke sisteme, omogućavajući jasno snimanje u teškim orbitalnim uslovima.
XKH-ovisafirni optički prozori
(2) Nova fondacija za superprovodnike i mikroelektroniku
U supravodljivosti, safir služi kao nezamjenjiva podloga za tanke supravodljive filmove, koji omogućavaju provođenje bez otpora – revolucionirajući prijenos energije, maglev vozove i MRI sisteme. Visokoučinkoviti supravodljivi filmovi zahtijevaju podloge sa stabilnim rešetkastim strukturama, a kompatibilnost safira s materijalima poput magnezijum diborida (MgB₂) omogućava rast filmova s poboljšanom kritičnom gustoćom struje i kritičnim magnetskim poljem. Na primjer, energetski kablovi koji koriste supravodljive filmove na safirnoj podlozi dramatično poboljšavaju efikasnost prijenosa minimiziranjem gubitka energije.
U mikroelektronici, safirne podloge sa specifičnim kristalografskim orijentacijama - kao što su R-ravan (<1-102>) i A-ravan (<11-20>) - omogućavaju prilagođene silicijumske epitaksijalne slojeve za napredna integrirana kola (IC). Safir u R-ravni smanjuje kristalne defekte u brzim IC-ima, povećavajući brzinu rada i stabilnost, dok izolacijska svojstva i ujednačena permitivnost safira u A-ravni optimiziraju hibridnu mikroelektroniku i integraciju visokotemperaturnih supravodiča. Ove podloge su osnova jezgarnih čipova u visokoperformansnom računarstvu i telekomunikacijskoj infrastrukturi.
XKH'sAlN-na-NPSS pločici
Budućnost safirnog kristala u poluprovodnicima
Safir je već pokazao ogromnu vrijednost u poluprovodnicima, od proizvodnje čipova do vazduhoplovstva i superprovodnika. Kako tehnologija napreduje, njegova uloga će se dodatno širiti. U vještačkoj inteligenciji, čipovi niske snage i visokih performansi, podržani safirom, pokretat će napredak vještačke inteligencije u zdravstvu, transportu i finansijama. U kvantnom računarstvu, svojstva safira ga pozicioniraju kao obećavajućeg kandidata za integraciju kubita. U međuvremenu, GaN-na-safiru uređaji će zadovoljiti rastuće zahtjeve za 5G/6G komunikacijskim hardverom. U budućnosti, safir će ostati kamen temeljac inovacija u poluprovodnicima, 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 najsavremenije primjene. Koristeći vlastite tehnologije rasta kristala i poliranja na nanoskalnim površinama, pružamo ultra-ravne safirne prozore s izuzetnim prijenosom od UV do IR spektra, idealne za zrakoplovstvo, odbranu i laserske sisteme velike snage.
Vrijeme objave: 18. april 2025.