В повседневной жизни электронные устройства, такие как смартфоны и умные часы, стали незаменимыми спутниками. Эти устройства становятся всё тоньше и мощнее. Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что способствует их непрерывной эволюции? Ответ кроется в полупроводниковых материалах, и сегодня мы рассмотрим один из самых выдающихся из них — сапфировое стекло.
Сапфировое стекло, в основном состоящее из α-Al₂O₃, состоит из трёх атомов кислорода и двух атомов алюминия, ковалентно связанных, образуя гексагональную решётку. Хотя внешне сапфир напоминает ювелирный, промышленные сапфиры отличаются превосходными характеристиками. Химически инертный, он нерастворим в воде и устойчив к воздействию кислот и щелочей, выступая в качестве «химического щита», сохраняющего стабильность в суровых условиях. Кроме того, он обладает превосходной оптической прозрачностью, что обеспечивает эффективное пропускание света; высокой теплопроводностью, предотвращающей перегрев; и превосходной электроизоляцией, гарантирующей стабильную передачу сигнала без утечек. С механической точки зрения сапфир обладает твёрдостью по шкале Мооса 9, уступая только алмазу, что делает его чрезвычайно износостойким и устойчивым к эрозии — идеальным материалом для применения в сложных условиях.
Секретное оружие в производстве чипов
(1) Ключевой материал для маломощных микросхем
В связи с тенденцией к миниатюризации и повышению производительности в электронике маломощные микросхемы стали критически важными. Традиционные микросхемы страдают от ухудшения изоляции при наномасштабной толщине, что приводит к утечке тока, повышенному энергопотреблению и перегреву, что снижает стабильность работы и срок службы.
Исследователи из Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) Китайской академии наук разработали диэлектрические пластины из искусственного сапфира, используя технологию интеркалированного окисления металлами, превращающую монокристаллический алюминий в монокристаллический оксид алюминия (сапфир). При толщине 1 нм этот материал обладает сверхнизким током утечки, превосходя традиционные аморфные диэлектрики на два порядка по снижению плотности состояний и улучшению качества интерфейса с двумерными полупроводниками. Интеграция этого материала с двумерными материалами позволяет создавать маломощные микросхемы, значительно продлевая срок службы аккумуляторов смартфонов и повышая стабильность в приложениях искусственного интеллекта и Интернета вещей.
(2) Идеальный партнер для нитрида галлия (GaN)
В области полупроводников нитрид галлия (GaN) стал яркой звездой благодаря своим уникальным преимуществам. Будучи широкозонным полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны 3,4 эВ, что значительно больше, чем у кремния (1,1 эВ), GaN превосходен в высокотемпературных, высоковольтных и высокочастотных приложениях. Высокая подвижность электронов и критическая напряженность поля пробоя делают его идеальным материалом для мощных, высокотемпературных, высокочастотных и сверхъярких электронных устройств. В силовой электронике устройства на основе GaN работают на более высоких частотах с меньшим энергопотреблением, обеспечивая превосходные характеристики преобразования и управления энергопотреблением. В микроволновой связи GaN позволяет создавать мощные высокочастотные компоненты, такие как усилители мощности 5G, повышая качество и стабильность передачи сигнала.
Сапфировый кристалл считается «идеальным партнёром» для GaN. Хотя его рассогласование решёток с GaN выше, чем у карбида кремния (SiC), сапфировые подложки демонстрируют меньшее тепловое рассогласование во время эпитаксии GaN, обеспечивая стабильную основу для роста GaN. Кроме того, превосходная теплопроводность и оптическая прозрачность сапфира способствуют эффективному рассеиванию тепла в мощных GaN-устройствах, обеспечивая стабильность работы и оптимальную светоотдачу. 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.
Пластина GaN на сапфире от XKH
Расширение границ применения полупроводников
(1) «Щит» в военных и аэрокосмических приложениях
Оборудование военного и аэрокосмического назначения часто работает в экстремальных условиях. В космосе космические аппараты выдерживают воздействие температур, близких к абсолютному нулю, интенсивного космического излучения и сложных условий вакуума. Военные же самолёты сталкиваются с температурой поверхности, превышающей 1000°C, из-за аэродинамического нагрева во время высокоскоростного полёта, а также высоких механических нагрузок и электромагнитных помех.
Уникальные свойства сапфирового кристалла делают его идеальным материалом для изготовления критически важных компонентов в этих областях. Его исключительная термостойкость — выдерживает температуру до 2045 °C с сохранением структурной целостности — обеспечивает надежную работу в условиях термических напряжений. Его радиационная стойкость также сохраняет функциональность в космической и ядерной среде, эффективно защищая 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 для обеспечения точного обнаружения целей. ИК-окна на основе сапфира сочетают в себе высокую термостойкость с превосходным пропусканием ИК-излучения, значительно повышая точность наведения. В аэрокосмической технике сапфир защищает оптические системы спутников, обеспечивая четкое изображение в сложных орбитальных условиях.
XKH-ысапфировые оптические окна
(2) Новый фундамент для сверхпроводников и микроэлектроники
В области сверхпроводимости сапфир служит незаменимой подложкой для тонких сверхпроводящих плёнок, обеспечивающих проводимость с нулевым сопротивлением, что произвело революцию в области передачи электроэнергии, поездов на магнитной подвеске и систем магнитно-резонансной томографии. Высокопроизводительные сверхпроводящие плёнки требуют подложек со стабильной структурой кристаллической решётки, а совместимость сапфира с такими материалами, как диборид магния (MgB₂), позволяет выращивать плёнки с повышенной плотностью критического тока и критическим магнитным полем. Например, силовые кабели с использованием сверхпроводящих плёнок на сапфировой подложке значительно повышают эффективность передачи энергии за счёт минимизации потерь энергии.
В микроэлектронике сапфировые подложки с определённой кристаллографической ориентацией, например, в R-плоскости (<1-102>) и A-плоскости (<11-20>), позволяют создавать специализированные кремниевые эпитаксиальные слои для современных интегральных схем (ИС). Сапфир в R-плоскости снижает количество дефектов кристалла в высокоскоростных ИС, повышая скорость и стабильность работы, в то время как изолирующие свойства и равномерная диэлектрическая проницаемость сапфира в A-плоскости оптимизируют гибридную микроэлектронику и интеграцию высокотемпературных сверхпроводников. Эти подложки лежат в основе основных микросхем в высокопроизводительных вычислительных системах и телекоммуникационной инфраструктуре.
XKH'sАпластина lN-on-NPSS
Будущее сапфирового кристалла в полупроводниках
Сапфир уже продемонстрировал огромную ценность в полупроводниковой промышленности, 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 области квантовых вычислений свойства сапфира делают его перспективным материалом для интеграции кубитов. Кроме того, устройства на основе GaN-сапфира удовлетворят растущий спрос на коммуникационное оборудование 5G/6G. В будущем сапфир останется краеугольным камнем полупроводниковых инноваций, двигая вперед технологический прогресс человечества.
Эпитаксиальная пластина GaN-на-сапфире от XKH
Компания XKH предлагает прецизионные сапфировые оптические окна и решения на основе GaN-сапфировых пластин для самых современных приложений. Используя собственные технологии выращивания кристаллов и нанополировки, мы предлагаем сверхплоские сапфировые окна с исключительным пропусканием в диапазоне от УФ до ИК-диапазона, идеально подходящие для аэрокосмической, оборонной и мощной лазерной техники.
Время публикации: 18 апреля 2025 г.