I dagligdagen er elektroniske enheder som smartphones og smartwatches blevet uundværlige ledsagere. Disse enheder bliver stadig slankere og mere kraftfulde. Har du nogensinde spekuleret på, hvad der muliggør deres kontinuerlige udvikling? Svaret ligger i halvledermaterialer, og i dag fokuserer vi på et af de mest fremragende blandt dem - safirkrystal.
Safirkrystal, der primært består af α-Al₂O₃, består af tre iltatomer og to aluminiumatomer, der er bundet kovalent og danner en hexagonal gitterstruktur. Selvom den ligner safir af ædelstenskvalitet i udseende, understreger industrielle safirkrystaller overlegen ydeevne. Kemisk inert er den uopløselig i vand og modstandsdygtig over for syrer og alkalier, og fungerer som et "kemisk skjold", der opretholder stabilitet i barske miljøer. Derudover udviser den fremragende optisk gennemsigtighed, der muliggør effektiv lystransmission; stærk varmeledningsevne, der forhindrer overophedning; og enestående elektrisk isolering, der sikrer stabil signaltransmission uden lækage. Mekanisk har safir en Mohs-hårdhed på 9, kun overgået af diamant, hvilket gør den meget slid- og erosionsbestandig - ideel til krævende applikationer.
Det hemmelige våben i chipproduktion
(1) Nøglemateriale til lavenergichips
I takt med at elektronik udvikler sig til miniaturisering og høj ydeevne, er lavenergichips blevet kritiske. Traditionelle chips lider af isoleringsnedbrydning ved nanoskalatykkelser, hvilket fører til strømlækage, øget strømforbrug og overophedning, hvilket kompromitterer stabilitet og levetid.
Forskere ved Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) i det kinesiske videnskabsakademi har udviklet dielektriske wafere af kunstig safir ved hjælp af metalinterkaleret oxidationsteknologi, der omdanner enkeltkrystalaluminium til enkeltkrystalaluminiumoxid (safir). Med en tykkelse på 1 nm udviser dette materiale ultralav lækstrøm og overgår konventionelle amorfe dielektriske materialer med to størrelsesordener i reduktion af tilstandstæthed og forbedrer grænsefladekvaliteten med 2D-halvledere. Integration af dette med 2D-materialer muliggør chips med lavt strømforbrug, hvilket forlænger batterilevetiden i smartphones betydeligt og forbedrer stabiliteten i AI- og IoT-applikationer.
(2) Den perfekte partner til galliumnitrid (GaN)
Inden for halvlederfeltet er galliumnitrid (GaN) blevet en lysende stjerne på grund af dets unikke fordele. Som et halvledermateriale med bredt båndgab og et båndgab på 3,4 eV – betydeligt større end siliciums 1,1 eV – udmærker GaN sig i højtemperatur-, højspændings- og højfrekvensapplikationer. Dets høje elektronmobilitet og kritiske gennemslagsfeltstyrke gør det til et ideelt materiale til elektroniske enheder med høj effekt, høj temperatur, høj frekvens og høj lysstyrke. Inden for effektelektronik fungerer GaN-baserede enheder ved højere frekvenser med lavere energiforbrug, hvilket giver overlegen ydeevne inden for effektkonvertering og energistyring. Inden for mikrobølgekommunikation muliggør GaN højeffekt- og højfrekvenskomponenter såsom 5G-effektforstærkere, hvilket forbedrer signaltransmissionskvaliteten og stabiliteten.
Safirkrystal betragtes som den "perfekte partner" for GaN. Selvom dens gittermismatch med GaN er højere end siliciumcarbid (SiC), udviser safirsubstrater lavere termisk mismatch under GaN-epitaksi, hvilket giver et stabilt fundament for GaN-vækst. Derudover letter safirens fremragende varmeledningsevne og optiske gennemsigtighed effektiv varmeafledning i GaN-enheder med høj effekt, hvilket sikrer driftsstabilitet og optimal lysudbytteeffektivitet. Dens overlegne elektriske isoleringsegenskaber minimerer yderligere signalinterferens og strømtab. Kombinationen af safir og GaN har ført til udviklingen af højtydende enheder, herunder GaN-baserede LED'er, som dominerer belysnings- og displaymarkederne - fra LED-pærer til store udendørsskærme - samt laserdioder, der anvendes i optisk kommunikation og præcisionslaserbehandling.
XKHs GaN-på-safir-wafer
Udvidelse af grænserne for halvlederapplikationer
(1) "Skjoldet" i militære og rumfartsmæssige applikationer
Udstyr i militære og rumfartsapplikationer opererer ofte under ekstreme forhold. I rummet udsættes rumfartøjer for temperaturer nær det absolutte nulpunkt, intens kosmisk stråling og udfordringerne ved et vakuummiljø. Militærfly står derimod over for overfladetemperaturer på over 1.000 °C på grund af aerodynamisk opvarmning under højhastighedsflyvning, sammen med høje mekaniske belastninger og elektromagnetisk interferens.
Safirkrystallens unikke egenskaber gør det til et ideelt materiale til kritiske komponenter inden for disse områder. Dens exceptionelle højtemperaturresistens - som kan modstå op til 2.045 °C, samtidig med at den strukturelle integritet opretholdes - sikrer pålidelig ydeevne under termisk belastning. Dens strålingshårdhed bevarer også funktionaliteten i kosmiske og nukleare miljøer og beskytter effektivt følsom elektronik. Disse egenskaber har ført til safirs udbredte anvendelse i infrarøde (IR) vinduer ved høj temperatur. I missilstyringssystemer skal IR-vinduer opretholde optisk klarhed under ekstrem varme og hastighed for at sikre nøjagtig måldetektion. Safirbaserede IR-vinduer kombinerer høj termisk stabilitet med overlegen IR-transmission, hvilket forbedrer styringspræcisionen betydeligt. Inden for luftfart beskytter safir satellitoptiske systemer og muliggør klar billeddannelse under barske orbitale forhold.
XKH'ersafir optiske vinduer
(2) Det nye fundament for superledere og mikroelektronik
Inden for superledning fungerer safir som et uundværligt substrat for superledende tyndfilm, som muliggør nulmodstandsledning – hvilket revolutionerer kraftoverførsel, maglev-tog og MRI-systemer. Højtydende superledende film kræver substrater med stabile gitterstrukturer, og safirs kompatibilitet med materialer som magnesiumdiborid (MgB₂) muliggør vækst af film med forbedret kritisk strømtæthed og kritisk magnetfelt. For eksempel forbedrer strømkabler, der bruger safirunderstøttede superledende film, transmissionseffektiviteten dramatisk ved at minimere energitab.
Inden for mikroelektronik muliggør safirsubstrater med specifikke krystallografiske orienteringer – såsom R-plan (<1-102>) og A-plan (<11-20>) – skræddersyede siliciumepitaksiale lag til avancerede integrerede kredsløb (IC'er). R-plan safir reducerer krystaldefekter i højhastigheds-IC'er, hvilket øger driftshastighed og stabilitet, mens A-plan safirs isolerende egenskaber og ensartede permittivitet optimerer hybrid mikroelektronik og integration af højtemperatursuperledere. Disse substrater understøtter kernechips i højtydende databehandling og telekommunikationsinfrastruktur.
XKH'sENlN-på-NPSS-wafer
Fremtiden for safirkrystal i halvledere
Sapphire har allerede vist enorm værdi på tværs af halvledere, fra chipfremstilling til luftfart og superledere. Efterhånden som teknologien udvikler sig, vil dets rolle udvides yderligere. Inden for kunstig intelligens vil safir-understøttede lavenergi- og højtydende chips drive AI-fremskridt inden for sundhedspleje, transport og finans. Inden for kvanteberegning positionerer safirs materialegenskaber det som en lovende kandidat til qubit-integration. I mellemtiden vil GaN-på-safir-enheder imødekomme den eskalerende efterspørgsel efter 5G/6G-kommunikationshardware. Fremadrettet vil safir forblive en hjørnesten i halvlederinnovation og drive menneskehedens teknologiske fremskridt.
XKHs epitaksiale wafer af GaN på safir
XKH leverer præcisionskonstruerede safiroptiske vinduer og GaN-på-safirwaferløsninger til banebrydende applikationer. Ved at udnytte proprietære krystalvækst- og nanoskalapoleringsteknologier tilbyder vi ultraflade safirvinduer med exceptionel transmission fra UV- til IR-spektre, ideelt til luftfart, forsvar og højtydende lasersystemer.
Opslagstidspunkt: 18. april 2025