I hverdagen har elektroniske enheter som smarttelefoner og smartklokker blitt uunnværlige følgesvenner. Disse enhetene blir stadig slankere og kraftigere. Har du noen gang lurt på hva som muliggjør deres kontinuerlige utvikling? Svaret ligger i halvledermaterialer, og i dag fokuserer vi på et av de mest fremragende blant dem – safirkrystall.
Safirkrystall, hovedsakelig sammensatt av α-Al₂O₃, består av tre oksygenatomer og to aluminiumatomer som er bundet kovalent sammen og danner en sekskantet gitterstruktur. Selv om den ligner safir av edelstenskvalitet i utseende, understreker industrielle safirkrystaller overlegen ytelse. Kjemisk inert, uløselig i vann og motstandsdyktig mot syrer og alkalier, og fungerer som et "kjemisk skjold" som opprettholder stabilitet i tøffe miljøer. I tillegg har den utmerket optisk gjennomsiktighet, noe som muliggjør effektiv lysoverføring; sterk varmeledningsevne, som forhindrer overoppheting; og enestående elektrisk isolasjon, som sikrer stabil signaloverføring uten lekkasje. Mekanisk har safir en Mohs-hardhet på 9, nest etter diamant, noe som gjør den svært slitesterk og erosjonsbestandig – ideell for krevende applikasjoner.
Det hemmelige våpenet i chipproduksjon
(1) Nøkkelmateriale for lavstrømsbrikker
Etter hvert som elektronikk trender mot miniatyrisering og høy ytelse, har laveffektbrikker blitt kritiske. Tradisjonelle brikker lider av isolasjonsdegradering ved nanoskalatykkelser, noe som fører til strømlekkasje, økt strømforbruk og overoppheting, noe som går utover stabilitet og levetid.
Forskere ved Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), det kinesiske vitenskapsakademiet, utviklet kunstige safirdielektriske wafere ved hjelp av metallinterkalert oksidasjonsteknologi, som konverterer enkeltkrystallaluminium til enkeltkrystallalumina (safir). Med en tykkelse på 1 nm viser dette materialet ultralav lekkasjestrøm, og overgår konvensjonelle amorfe dielektriske materialer med to størrelsesordener i reduksjon av tilstandstetthet og forbedrer grensesnittkvaliteten med 2D-halvledere. Integrering av dette med 2D-materialer muliggjør lavstrømsbrikker, noe som forlenger batterilevetiden i smarttelefoner betydelig og forbedrer stabiliteten i AI- og IoT-applikasjoner.
(2) Den perfekte partneren for galliumnitrid (GaN)
Innen halvlederfeltet har galliumnitrid (GaN) dukket opp som en lysende stjerne på grunn av sine unike fordeler. Som et halvledermateriale med bredt båndgap og et båndgap på 3,4 eV – betydelig større enn silisiums 1,1 eV – utmerker GaN seg i høytemperatur-, høyspennings- og høyfrekvensapplikasjoner. Dens høye elektronmobilitet og kritiske gjennombruddsfeltstyrke gjør det til et ideelt materiale for elektroniske enheter med høy effekt, høy temperatur, høy frekvens og høy lysstyrke. Innen kraftelektronikk opererer GaN-baserte enheter ved høyere frekvenser med lavere energiforbruk, og tilbyr overlegen ytelse innen effektomforming og energistyring. Innen mikrobølgekommunikasjon muliggjør GaN høyeffekts- og høyfrekvenskomponenter som 5G-effektforsterkere, noe som forbedrer signaloverføringskvaliteten og stabiliteten.
Safirkrystall regnes som den «perfekte partneren» for GaN. Selv om gitteravviket med GaN er høyere enn for silisiumkarbid (SiC), viser safirsubstrater lavere termisk avvik under GaN-epitaksi, noe som gir et stabilt grunnlag for GaN-vekst. I tillegg letter safirens utmerkede varmeledningsevne og optiske gjennomsiktighet effektiv varmespredning i GaN-enheter med høy effekt, noe som sikrer driftsstabilitet og optimal lysutbytteeffektivitet. De overlegne elektriske isolasjonsegenskapene minimerer signalforstyrrelser og strømtap ytterligere. Kombinasjonen av safir og GaN har ført til utviklingen av høyytelsesenheter, inkludert GaN-baserte LED-er, som dominerer belysnings- og displaymarkedene – fra LED-pærer til store utendørsskjermer – samt laserdioder som brukes i optisk kommunikasjon og presisjonslaserprosessering.
XKHs GaN-på-safir-wafer
Utvider grensene for halvlederapplikasjoner
(1) «Skjoldet» i militære og luftfartsapplikasjoner
Utstyr i militære og luftfartsapplikasjoner opererer ofte under ekstreme forhold. I rommet utholder romfartøy temperaturer nær absolutt null, intens kosmisk stråling og utfordringene med et vakuummiljø. Militærfly, derimot, står overfor overflatetemperaturer som overstiger 1000 °C på grunn av aerodynamisk oppvarming under høyhastighetsflyvning, sammen med høye mekaniske belastninger og elektromagnetisk interferens.
Safirkrystallens unike egenskaper gjør det til et ideelt materiale for kritiske komponenter innen disse feltene. Den eksepsjonelle høytemperaturmotstanden – som tåler opptil 2045 °C samtidig som den opprettholder strukturell integritet – sikrer pålitelig ytelse under termisk belastning. Strålingshardheten bevarer også funksjonaliteten i kosmiske og nukleære miljøer, og beskytter effektivt sensitiv elektronikk. Disse egenskapene har ført til safirs utbredte bruk i infrarøde (IR) vinduer med høy temperatur. I missilstyringssystemer må IR-vinduer opprettholde optisk klarhet under ekstrem varme og hastighet for å sikre nøyaktig måldeteksjon. Safirbaserte IR-vinduer kombinerer høy termisk stabilitet med overlegen IR-transmisjon, noe som forbedrer styringspresisjonen betydelig. Innen luftfart beskytter safir satellittoptiske systemer og muliggjør klar avbildning under tøffe orbitale forhold.
XKH-ersafir optiske vinduer
(2) Det nye grunnlaget for superledere og mikroelektronikk
Innen superledning fungerer safir som et uunnværlig substrat for superledende tynne filmer, som muliggjør nullmotstandsledning – noe som revolusjonerer kraftoverføring, maglev-tog og MR-systemer. Høytytende superledende filmer krever substrater med stabile gitterstrukturer, og safirens kompatibilitet med materialer som magnesiumdiborid (MgB₂) tillater vekst av filmer med forbedret kritisk strømtetthet og kritisk magnetfelt. For eksempel forbedrer kraftkabler som bruker safirstøttede superledende filmer overføringseffektiviteten dramatisk ved å minimere energitap.
Innen mikroelektronikk muliggjør safirsubstrater med spesifikke krystallografiske orienteringer – som R-plan (<1-102>) og A-plan (<11-20>) – skreddersydde silisiumepitaksiale lag for avanserte integrerte kretser (IC-er). R-plan safir reduserer krystalldefekter i høyhastighets-IC-er, noe som øker driftshastighet og stabilitet, mens A-plan safirs isolerende egenskaper og ensartede permittivitet optimaliserer hybrid mikroelektronikk og integrering av høytemperatur superledere. Disse substratene underbygger kjernebrikker i høyytelses databehandling og telekommunikasjonsinfrastruktur.
XKHsENlN-på-NPSS-wafer
Fremtiden for safirkrystall i halvledere
Sapphire har allerede vist enorm verdi på tvers av halvledere, fra chipfabrikasjon til luftfart og superledere. Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil rollen utvides ytterligere. Innen kunstig intelligens vil safirstøttede laveffekts- og høyytelsesbrikker drive fremskritt innen kunstig intelligens innen helsevesen, transport og finans. Innen kvantedatabehandling posisjonerer safirens materialegenskaper den som en lovende kandidat for qubit-integrasjon. Samtidig vil GaN-på-safir-enheter møte den økende etterspørselen etter 5G/6G-kommunikasjonsmaskinvare. Fremover vil safir forbli en hjørnestein i halvlederinnovasjon og drive menneskehetens teknologiske fremskritt.
XKHs epitaksiale wafer av GaN på safir
XKH leverer presisjonskonstruerte safiroptiske vinduer og GaN-på-safir-waferløsninger for banebrytende applikasjoner. Ved å utnytte proprietære krystallvekst- og nanoskala-poleringsteknologier, tilbyr vi ultraflate safirvinduer med eksepsjonell transmisjon fra UV- til IR-spektre, ideelt for luftfart, forsvar og høyeffektslasersystemer.
Publisert: 18. april 2025