У паўсядзённым жыцці электронныя прылады, такія як смартфоны і разумныя гадзіннікі, сталі незаменнымі спадарожнікамі. Гэтыя прылады становяцца ўсё больш тонкімі, але магутнымі. Ці задумваліся вы калі-небудзь, што дазваляе ім пастаянна развівацца? Адказ крыецца ў паўправадніковых матэрыялах, і сёння мы засяродзімся на адным з самых выдатных сярод іх — крышталі сапфіра.
Крышталь сапфіра, які ў асноўным складаецца з α-Al₂O₃, складаецца з трох атамаў кіслароду і двух атамаў алюмінію, звязаных кавалентна, утвараючы шасцігранную структуру рашоткі. Нягледзячы на тое, што па вонкавым выглядзе ён нагадвае сапфір ювелірнага гатунку, прамысловыя крышталі сапфіра маюць выдатныя характарыстыкі. Хімічна інертны, ён нерастваральны ў вадзе і ўстойлівы да кіслот і шчолачаў, дзейнічаючы як «хімічны шчыт», які падтрымлівае стабільнасць у суровых умовах. Акрамя таго, ён валодае выдатнай аптычнай празрыстасцю, што дазваляе эфектыўна прапускаць святло; высокай цеплаправоднасцю, што прадухіляе перагрэў; і выдатнай электрычнай ізаляцыяй, што забяспечвае стабільную перадачу сігналу без уцечкі. Механічна сапфір мае цвёрдасць па Моосу 9, саступаючы толькі алмазу, што робіць яго вельмі ўстойлівым да зносу і эрозіі — ідэальным для патрабавальных ужыванняў.
Сакрэтная зброя ў вытворчасці мікрасхем
(1) Асноўны матэрыял для мікрасхем з нізкім энергаспажываннем
Паколькі электроніка імкнецца да мініяцюрызацыі і высокай прадукцыйнасці, мікрасхемы з нізкім энергаспажываннем сталі крытычна важнымі. Традыцыйныя мікрасхемы пакутуюць ад дэградацыі ізаляцыі пры нанамаштабнай таўшчыні, што прыводзіць да ўцечкі току, павелічэння спажывання энергіі і перагрэву, што пагаршае стабільнасць і тэрмін службы.
Даследчыкі з Шанхайскага інстытута мікрасістэмных і інфармацыйных тэхналогій (SIMIT) Кітайскай акадэміі навук распрацавалі штучныя дыэлектрычныя пласціны сапфіра з выкарыстаннем тэхналогіі акіслення з інтэркаляцыяй металаў, пераўтвараючы монакрышталічны алюміній у монакрышталічны аксід алюмінію (сапфір). Пры таўшчыні 1 нм гэты матэрыял дэманструе звышнізкі ток уцечкі, на два парадкі пераўзыходзячы звычайныя аморфныя дыэлектрыкі па зніжэнні шчыльнасці станаў і паляпшаючы якасць інтэрфейсу з 2D-паўправаднікамі. Інтэграцыя гэтага з 2D-матэрыяламі дазваляе ствараць нізкаэнергетычныя чыпы, значна падаўжаючы тэрмін службы батарэй у смартфонах і павышаючы стабільнасць у прыкладаннях штучнага інтэлекту і Інтэрнэту рэчаў.
(2) Ідэальны партнёр для нітрыду галію (GaN)
У паўправадніковай галіне нітрыд галію (GaN) стаў зоркай дзякуючы сваім унікальным перавагам. Як паўправадніковы матэрыял з шырокай забароненай зонай і шырынёй забароненай зоны 3,4 эВ — значна большай, чым у крэмнію з 1,1 эВ — GaN выдатна падыходзіць для прымянення ў прымяненні пры высокіх тэмпературах, высокім напружанні і высокіх частотах. Яго высокая рухомасць электронаў і крытычная напружанасць поля прабоя робяць яго ідэальным матэрыялам для магутных, высокатэмпературных, высокачастотных і высокаяркасцьных электронных прылад. У сілавой электроніцы прылады на аснове GaN працуюць на больш высокіх частотах з меншым спажываннем энергіі, прапаноўваючы найвышэйшую прадукцыйнасць у пераўтварэнні энергіі і кіраванні энергіяй. У мікрахвалевай сувязі GaN дазваляе ствараць магутныя, высокачастотныя кампаненты, такія як узмацняльнікі магутнасці 5G, паляпшаючы якасць і стабільнасць перадачы сігналу.
Крышталь сапфіра лічыцца «ідэальным партнёрам» для GaN. Нягледзячы на тое, што яго разыходжанне рашоткі з GaN вышэйшае, чым у карбіду крэмнію (SiC), падложкі з сапфіра дэманструюць меншае цеплавое разыходжанне падчас эпітаксіі GaN, што забяспечвае стабільную аснову для росту GaN. Акрамя таго, выдатная цеплаправоднасць і аптычная празрыстасць сапфіра спрыяюць эфектыўнаму рассейванню цяпла ў магутных прыладах GaN, забяспечваючы стабільнасць працы і аптымальную эфектыўнасць святлоаддачы. Яго выдатныя электраізаляцыйныя ўласцівасці яшчэ больш мінімізуюць перашкоды сігналу і страты магутнасці. Спалучэнне сапфіра і GaN прывяло да распрацоўкі высокапрадукцыйных прылад, у тым ліку святлодыёдаў на аснове GaN, якія дамінуюць на рынках асвятлення і дысплеяў — ад бытавых святлодыёдных лямпачак да вялікіх вонкавых экранаў, — а таксама лазерных дыёдаў, якія выкарыстоўваюцца ў аптычнай сувязі і дакладнай лазернай апрацоўцы.
GaN на сапфіравай пласціне ад XKH
Пашырэнне межаў прымянення паўправадніковых прылад
(1) «Шчыт» у ваенных і аэракасмічных мэтах
Абсталяванне ў ваенных і аэракасмічных мэтах часта працуе ў экстрэмальных умовах. У космасе касмічныя караблі сутыкаюцца з тэмпературамі, блізкімі да абсалютнага нуля, інтэнсіўным касмічным выпраменьваннем і выклікамі вакуумнага асяроддзя. Тым часам ваенныя самалёты сутыкаюцца з тэмпературай паверхні, якая перавышае 1000°C з-за аэрадынамічнага нагрэву падчас хуткаснага палёту, а таксама з высокімі механічнымі нагрузкамі і электрамагнітнымі перашкодамі.
Унікальныя ўласцівасці крышталя сапфіра робяць яго ідэальным матэрыялам для крытычна важных кампанентаў у гэтых галінах. Яго выключная ўстойлівасць да высокіх тэмператур — ён вытрымлівае тэмпературу да 2045°C, захоўваючы пры гэтым структурную цэласнасць — забяспечвае надзейную працу пры цеплавых нагрузках. Яго радыяцыйная ўстойлівасць таксама захоўвае функцыянальнасць у касмічных і ядзерных асяроддзях, эфектыўна абараняючы адчувальную электроніку. Гэтыя ўласцівасці прывялі да шырокага выкарыстання сапфіра ў высокатэмпературных інфрачырвоных (ІЧ) вокнах. У сістэмах навядзення ракет ІЧ-вокны павінны падтрымліваць аптычную празрыстасць пры экстрэмальных награваннях і хуткасцях, каб забяспечыць дакладнае выяўленне мэты. ІЧ-вокны на аснове сапфіра спалучаюць высокую цеплавую стабільнасць з выдатным каэфіцыентам прапускання ІЧ, што значна паляпшае дакладнасць навядзення. У аэракасмічнай галіне сапфір абараняе аптычныя сістэмы спадарожнікаў, дазваляючы атрымліваць выразныя выявы ў складаных арбітальных умовах.
XKHсапфіравыя аптычныя вокны
(2) Новы фонд звышправаднікоў і мікраэлектронікі
У звышправоднасці сапфір служыць незаменнай падкладкай для звышправодных тонкіх плёнак, якія забяспечваюць праводнасць з нулявым супраціўленнем, што рэвалюцыянізуе перадачу энергіі, цягнікі на магнітнай падвеске і сістэмы МРТ. Высокапрадукцыйныя звышправодныя плёнкі патрабуюць падкладак са стабільнымі рашоткападобнымі структурамі, і сумяшчальнасць сапфіра з такімі матэрыяламі, як дыборыд магнію (MgB₂), дазваляе вырошчваць плёнкі з палепшанай крытычнай шчыльнасцю току і крытычным магнітным полем. Напрыклад, сілавыя кабелі, якія выкарыстоўваюць звышправодныя плёнкі на падлозе з сапфірам, значна паляпшаюць эфектыўнасць перадачы, мінімізуючы страты энергіі.
У мікраэлектроніцы сапфіравыя падложкі са спецыфічнай крышталяграфічнай арыентацыяй, напрыклад, з R-плоскасцю (<1-102>) і A-плоскасцю (<11-20>), дазваляюць ствараць спецыяльныя крэмніевыя эпітаксіяльныя пласты для перадавых інтэгральных схем (ІС). Сапфір R-плоскасці памяншае колькасць крышталічных дэфектаў у высакахуткасных ІС, павышаючы хуткасць працы і стабільнасць, а ізаляцыйныя ўласцівасці сапфіра A-плоскасці і аднастайная дыэлектрычная пранікальнасць аптымізуюць гібрыдную мікраэлектроніку і інтэграцыю высокатэмпературных звышправаднікоў. Гэтыя падложкі ляжаць у аснове асноўных мікрасхем у высокапрадукцыйных вылічэннях і тэлекамунікацыйнай інфраструктуры.
XKH'ыАlN-на-NPSS пласціне
Будучыня крышталяў сапфіра ў паўправадніковых прыладах
Сапфір ужо прадэманстраваў велізарную каштоўнасць у паўправадніковай прамысловасці, ад вырабу мікрасхем да аэракасмічнай прамысловасці і звышправаднікоў. Па меры развіцця тэхналогій яго роля будзе пашырацца. У галіне штучнага інтэлекту нізкаэнергетычныя, высокапрадукцыйныя чыпы на аснове сапфіра будуць стымуляваць развіццё штучнага інтэлекту ў ахове здароўя, транспарце і фінансах. У квантавых вылічэннях матэрыяльныя ўласцівасці сапфіра даюць яму перспектыўнасць як кандыдатуру для інтэграцыі кубітаў. Тым часам прылады GaN на сапфіры будуць задавальняць растучыя патрабаванні да абсталявання для сувязі 5G/6G. У будучыні сапфір будзе заставацца краевугольным каменем паўправадніковых інавацый, рухаючы тэхналагічны прагрэс чалавецтва.
Эпітаксіяльная пласціна GaN на сапфіры ад XKH
XKH пастаўляе высокадакладныя аптычныя вокны з сапфіра і рашэнні на аснове GaN на сапфіравых пласцінах для перадавых ужыванняў. Выкарыстоўваючы запатэнтаваныя тэхналогіі вырошчвання крышталяў і нанамаштабнай паліроўкі, мы прапануем ультраплоскія сапфіравыя вокны з выключнай прапускальнасцю ад УФ- да ІЧ-спектраў, ідэальныя для аэракасмічнай, абароннай і магутных лазерных сістэм.
Час публікацыі: 18 красавіка 2025 г.