У свакодневном животу, електронски уређаји попут паметних телефона и паметних сатова постали су незаобилазни пратиоци. Ови уређаји постају све тањи, али и моћнији. Да ли сте се икада запитали шта омогућава њихову континуирану еволуцију? Одговор лежи у полупроводничким материјалима, а данас се фокусирамо на један од најистакнутијих међу њима - сафирни кристал.
Сафирни кристал, првенствено састављен од α-Al₂O₃, састоји се од три атома кисеоника и два атома алуминијума ковалентно везаних, формирајући хексагоналну решеткасту структуру. Иако по изгледу подсећа на сафир драгог камења, индустријски сафирни кристали истичу супериорне перформансе. Хемијски инертан је, нерастворљив у води и отпоран на киселине и алкалије, делујући као „хемијски штит“ који одржава стабилност у тешким условима. Поред тога, показује одличну оптичку транспарентност, омогућавајући ефикасан пренос светлости; јаку топлотну проводљивост, спречавајући прегревање; и изванредну електричну изолацију, обезбеђујући стабилан пренос сигнала без цурења. Механички, сафир се може похвалити Мосовом тврдоћом од 9, другом одмах после дијаманта, што га чини веома отпорним на хабање и ерозију – идеалним за захтевне примене.
Тајно оружје у производњи чипова
(1) Кључни материјал за чипове мале снаге
Како електроника тежи минијатуризацији и високим перформансама, чипови мале потрошње енергије постали су критични. Традиционални чипови пате од деградације изолације при наноразмерним дебљинама, што доводи до цурења струје, повећане потрошње енергије и прегревања, што угрожава стабилност и век трајања.
Истраживачи са Шангајског института за микросистеме и информационе технологије (SIMIT), Кинеске академије наука, развили су вештачке сафирне диелектричне плочице користећи технологију оксидације интеркалираних метала, претварајући монокристални алуминијум у монокристални алуминијум (сафир). Са дебљином од 1 nm, овај материјал показује ултра ниску струју цурења, надмашујући конвенционалне аморфне диелектрике за два реда величине у смањењу густине стања и побољшавајући квалитет интерфејса са 2D полупроводницима. Интеграција овога са 2D материјалима омогућава чипове мале потрошње енергије, значајно продужавајући век трајања батерије у паметним телефонима и побољшавајући стабилност у AI и IoT апликацијама.
(2) Идеалан партнер за галијум нитрид (GaN)
У области полупроводника, галијум нитрид (GaN) се појавио као сјајна звезда захваљујући својим јединственим предностима. Као полупроводнички материјал са широким енергетским процепом од 3,4 eV - знатно већи од силицијумових 1,1 eV - GaN се истиче у применама на високим температурама, високом напону и високим фреквенцијама. Његова висока мобилност електрона и критична јачина пробојног поља чине га идеалним материјалом за електронске уређаје велике снаге, високе температуре, високе фреквенције и великог сјаја. У енергетској електроници, уређаји засновани на GaN-у раде на вишим фреквенцијама са мањом потрошњом енергије, нудећи супериорне перформансе у конверзији снаге и управљању енергијом. У микроталасним комуникацијама, GaN омогућава компоненте велике снаге и високе фреквенције као што су 5G појачала снаге, побољшавајући квалитет и стабилност преноса сигнала.
Сафирни кристал се сматра „савршеним партнером“ за GaN. Иако је његова неусклађеност решетке са GaN већа него код силицијум карбида (SiC), сафирне подлоге показују мању термичку неусклађеност током GaN епитаксе, пружајући стабилну основу за раст GaN. Поред тога, одлична топлотна проводљивост и оптичка транспарентност сафира олакшавају ефикасно одвођење топлоте у GaN уређајима велике снаге, обезбеђујући оперативну стабилност и оптималну ефикасност светлосног излаза. Његова супериорна својства електричне изолације додатно минимизирају сметње сигнала и губитак снаге. Комбинација сафира и GaN довела је до развоја високоперформансних уређаја, укључујући ЛЕД диоде засноване на GaN-у, које доминирају тржиштима осветљења и дисплеја – од кућних ЛЕД сијалица до великих спољних екрана – као и ласерских диода које се користе у оптичким комуникацијама и прецизној ласерској обради.
XKH-ова GaN-на-сафирној плочици
Проширивање граница примене полупроводника
(1) „Штит“ у војним и ваздухопловним применама
Опрема у војним и ваздухопловним применама често ради у екстремним условима. У свемиру, свемирске летелице излажу температурама близу апсолутне нуле, интензивном космичком зрачењу и изазовима вакуумског окружења. Војни авиони, у међувремену, суочавају се са површинским температурама које прелазе 1.000°C због аеродинамичког загревања током лета великом брзином, заједно са великим механичким оптерећењима и електромагнетним сметњама.
Јединствена својства сафирног кристала чине га идеалним материјалом за критичне компоненте у овим областима. Његова изузетна отпорност на високе температуре — која издржава температуре до 2.045°C уз очување структурног интегритета — обезбеђује поуздане перформансе под термичким напрезањем. Његова отпорност на зрачење такође очува функционалност у космичким и нуклеарним окружењима, ефикасно штитећи осетљиву електронику. Ови атрибути су довели до широке употребе сафира у инфрацрвеним (ИЦ) прозорима за високе температуре. У системима за вођење ракета, ИЦ прозори морају да одржавају оптичку јасноћу под екстремном топлотом и брзином како би се осигурало прецизно откривање циља. ИЦ прозори на бази сафира комбинују високу термичку стабилност са супериорном ИЦ пропустљивошћу, значајно побољшавајући прецизност вођења. У ваздухопловству, сафир штити оптичке системе сателита, омогућавајући јасно снимање у тешким орбиталним условима.
XKH-овисафирни оптички прозори
(2) Нова фондација за суперпроводнике и микроелектронику
У суперпроводљивости, сафир служи као неопходна подлога за танке суперпроводљиве филмове, који омогућавају проводљивост са нултим отпором – револуционизујући пренос снаге, маглев возове и МРИ системе. Високоперформансни суперпроводљиви филмови захтевају подлоге са стабилним решеткастим структурама, а компатибилност сафира са материјалима попут магнезијум диборида (MgB₂) омогућава раст филмова са побољшаном критичном густином струје и критичним магнетним пољем. На пример, каблови за напајање који користе суперпроводљиве филмове на сафирној подлози драматично побољшавају ефикасност преноса минимизирањем губитка енергије.
У микроелектроници, сафирне подлоге са специфичним кристалографским оријентацијама — као што су R-раван (<1-102>) и A-раван (<11-20>) — омогућавају прилагођене силицијумске епитаксијалне слојеве за напредна интегрисана кола (ИЦ). R-раван сафир смањује кристалне дефекте у брзим ИЦ-има, повећавајући брзину рада и стабилност, док изолациона својства и уједначена пермитивност сафира A-равни оптимизују хибридну микроелектронику и интеграцију високотемпературних суперпроводника. Ове подлоге су основа основних чипова у високоперформансном рачунарству и телекомуникационој инфраструктури.
XKHјеАlN-на-NPSS плочици
Будућност сафирног кристала у полупроводницима
Сафир је већ показао огромну вредност у полупроводницима, од производње чипова до ваздухопловства и суперпроводника. Како технологија напредује, његова улога ће се додатно проширити. У вештачкој интелигенцији, чипови мале снаге и високих перформанси, подржани сафиром, покренуће напредак вештачке интелигенције у здравству, транспорту и финансијама. У квантном рачунарству, својства материјала сафира га позиционирају као обећавајућег кандидата за интеграцију кубита. У међувремену, GaN-на-сафиру уређаји ће задовољити растуће захтеве за 5G/6G комуникационим хардвером. У будућности, сафир ће остати камен темељац иновација у полупроводницима, покрећући технолошки напредак човечанства.
XKH-ова GaN-на-сафирној епитаксијалној плочици
XKH испоручује прецизно пројектоване сафирне оптичке прозоре и GaN-на-сафирној плочици решења за најсавременије примене. Користећи сопствене технологије раста кристала и полирања на наноразмерама, пружамо ултра-равне сафирне прозоре са изузетним преносом од УВ до ИЦ спектра, идеалне за ваздухопловство, одбрану и системе са великим капацитетом ласера.
Време објаве: 18. април 2025.