В повседневной жизни электронные устройства, такие как смартфоны и умные часы, стали незаменимыми спутниками. Эти устройства становятся все тоньше, но при этом мощнее. Вы когда-нибудь задумывались, что обеспечивает их непрерывную эволюцию? Ответ кроется в полупроводниковых материалах, и сегодня мы сосредоточимся на одном из самых выдающихся среди них — сапфировом стекле.
Сапфировый кристалл, в основном состоящий из α-Al₂O₃, состоит из трех атомов кислорода и двух атомов алюминия, связанных ковалентно, образуя гексагональную решетчатую структуру. Хотя по внешнему виду он напоминает сапфир ювелирного качества, промышленные сапфировые кристаллы подчеркивают превосходные характеристики. Химически инертный, он нерастворим в воде и устойчив к кислотам и щелочам, выступая в качестве «химического щита», который поддерживает стабильность в суровых условиях. Кроме того, он демонстрирует превосходную оптическую прозрачность, обеспечивая эффективную передачу света; сильную теплопроводность, предотвращая перегрев; и выдающуюся электроизоляцию, обеспечивающую стабильную передачу сигнала без утечки. С механической точки зрения сапфир может похвастаться твердостью по Моосу 9, уступая только алмазу, что делает его очень износостойким и устойчивым к эрозии — идеальным для требовательных приложений.
Секретное оружие в производстве чипов
(1) Основной материал для маломощных микросхем
Поскольку электроника стремится к миниатюризации и высокой производительности, маломощные чипы стали критически важными. Традиционные чипы страдают от деградации изоляции при наномасштабной толщине, что приводит к утечке тока, повышенному энергопотреблению и перегреву, что ставит под угрозу стабильность и срок службы.
Исследователи из Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) Китайской академии наук разработали искусственные сапфировые диэлектрические пластины с использованием технологии окисления с интеркалированием металла, преобразуя монокристаллический алюминий в монокристаллический оксид алюминия (сапфир). При толщине 1 нм этот материал демонстрирует сверхнизкий ток утечки, превосходя обычные аморфные диэлектрики на два порядка по снижению плотности состояний и улучшению качества интерфейса с 2D-полупроводниками. Интеграция этого с 2D-материалами позволяет создавать маломощные чипы, значительно продлевая срок службы батареи в смартфонах и повышая стабильность в приложениях AI и IoT.
(2) Идеальный партнер для нитрида галлия (GaN)
В области полупроводников нитрид галлия (GaN) стал яркой звездой благодаря своим уникальным преимуществам. Как широкозонный полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны 3,4 эВ, что значительно больше, чем у кремния 1,1 эВ, GaN отлично подходит для высокотемпературных, высоковольтных и высокочастотных применений. Его высокая подвижность электронов и критическая напряженность поля пробоя делают его идеальным материалом для мощных, высокотемпературных, высокочастотных и высокоярких электронных устройств. В силовой электронике устройства на основе GaN работают на более высоких частотах с меньшим потреблением энергии, обеспечивая превосходную производительность в преобразовании энергии и управлении энергией. В микроволновой связи GaN позволяет использовать мощные, высокочастотные компоненты, такие как усилители мощности 5G, повышая качество и стабильность передачи сигнала.
Сапфировый кристалл считается «идеальным партнером» для GaN. Хотя его несоответствие решетки с GaN выше, чем у карбида кремния (SiC), сапфировые подложки демонстрируют меньшее тепловое несоответствие во время эпитаксии GaN, обеспечивая стабильную основу для роста GaN. Кроме того, превосходная теплопроводность и оптическая прозрачность сапфира способствуют эффективному рассеиванию тепла в мощных устройствах GaN, обеспечивая стабильность работы и оптимальную эффективность светового потока. Его превосходные электроизоляционные свойства дополнительно минимизируют помехи сигнала и потери мощности. Сочетание сапфира и GaN привело к разработке высокопроизводительных устройств, включая светодиоды на основе GaN, которые доминируют на рынках освещения и дисплеев — от бытовых светодиодных ламп до больших уличных экранов, — а также лазерные диоды, используемые в оптической связи и прецизионной лазерной обработке.
GaN-на-сапфировой пластине XKH
Расширение границ применения полупроводников
(1) «Щит» в военных и аэрокосмических приложениях
Оборудование в военных и аэрокосмических приложениях часто работает в экстремальных условиях. В космосе космические аппараты выдерживают температуры, близкие к абсолютному нулю, интенсивное космическое излучение и трудности вакуумной среды. Военные самолеты, тем временем, сталкиваются с температурами поверхности, превышающими 1000°C из-за аэродинамического нагрева во время высокоскоростного полета, а также с высокими механическими нагрузками и электромагнитными помехами.
Уникальные свойства сапфирового кристалла делают его идеальным материалом для критически важных компонентов в этих областях. Его исключительная устойчивость к высоким температурам — выдерживая до 2045 °C при сохранении структурной целостности — обеспечивает надежную работу при термическом напряжении. Его радиационная стойкость также сохраняет функциональность в космических и ядерных средах, эффективно экранируя чувствительную электронику. Эти свойства привели к широкому использованию сапфира в высокотемпературных инфракрасных (ИК) окнах. В системах наведения ракет ИК окна должны сохранять оптическую прозрачность при экстремальных температурах и скоростях, чтобы гарантировать точное обнаружение цели. ИК окна на основе сапфира сочетают высокую термическую стабильность с превосходной ИК-пропускаемостью, значительно повышая точность наведения. В аэрокосмической отрасли сапфир защищает оптические системы спутников, обеспечивая четкое изображение в суровых орбитальных условиях.
XKH-ысапфировые оптические окна
(2) Новый фундамент для сверхпроводников и микроэлектроники
В сверхпроводимости сапфир служит незаменимым субстратом для сверхпроводящих тонких пленок, которые обеспечивают проводимость с нулевым сопротивлением, что произвело революцию в передаче энергии, поездах на магнитной подвеске и системах МРТ. Высокопроизводительные сверхпроводящие пленки требуют субстратов со стабильной структурой решетки, а совместимость сапфира с такими материалами, как диборид магния (MgB₂), позволяет выращивать пленки с повышенной критической плотностью тока и критическим магнитным полем. Например, силовые кабели, использующие сверхпроводящие пленки с поддержкой сапфира, значительно повышают эффективность передачи за счет минимизации потерь энергии.
В микроэлектронике сапфировые подложки с определенными кристаллографическими ориентациями, такими как R-плоскость (<1-102>) и A-плоскость (<11-20>), позволяют создавать индивидуальные эпитаксиальные слои кремния для современных интегральных схем (ИС). Сапфир R-плоскости уменьшает дефекты кристалла в высокоскоростных ИС, повышая скорость работы и стабильность, в то время как изолирующие свойства и равномерная диэлектрическая проницаемость сапфира A-плоскости оптимизируют гибридную микроэлектронику и интеграцию высокотемпературных сверхпроводников. Эти подложки лежат в основе основных чипов в высокопроизводительной вычислительной и телекоммуникационной инфраструктуре.
XKH'sАlN-on-NPSS пластина
Будущее сапфирового кристалла в полупроводниках
Сапфир уже продемонстрировал огромную ценность в полупроводниках, от производства микросхем до аэрокосмической промышленности и сверхпроводников. По мере развития технологий его роль будет расширяться. В области искусственного интеллекта маломощные высокопроизводительные микросхемы на основе сапфира будут способствовать развитию ИИ в здравоохранении, транспорте и финансах. В квантовых вычислениях свойства материала сапфира позиционируют его как перспективного кандидата для интеграции кубитов. Между тем, устройства GaN-на-сапфире будут удовлетворять растущий спрос на коммуникационное оборудование 5G/6G. В дальнейшем сапфир останется краеугольным камнем полупроводниковых инноваций, поддерживая технологический прогресс человечества.
Эпитаксиальная пластина GaN на сапфире от XKH
XKH поставляет прецизионные сапфировые оптические окна и решения GaN-на-сапфировых пластинах для передовых приложений. Используя фирменные технологии выращивания кристаллов и наномасштабной полировки, мы поставляем сверхплоские сапфировые окна с исключительной передачей от УФ до ИК-спектров, идеально подходящие для аэрокосмической, оборонной и высокомощных лазерных систем.
Время публикации: 18 апреля 2025 г.