A la vida quotidiana, els dispositius electrònics com els telèfons intel·ligents i els rellotges intel·ligents s'han convertit en companys indispensables. Aquests dispositius són cada cop més prims i potents. Us heu preguntat mai què permet la seva contínua evolució? La resposta rau en els materials semiconductors, i avui ens centrem en un dels més destacats: el cristall de safir.
El cristall de safir, compost principalment d'α-Al₂O₃, consta de tres àtoms d'oxigen i dos àtoms d'alumini units covalentment, formant una estructura de xarxa hexagonal. Tot i que s'assembla al safir de qualitat gemma en aparença, els cristalls de safir industrials destaquen pel seu rendiment superior. Químicament inert, és insoluble en aigua i resistent als àcids i àlcalis, actuant com un "escut químic" que manté l'estabilitat en entorns durs. A més, presenta una excel·lent transparència òptica, que permet una transmissió eficient de la llum; una forta conductivitat tèrmica, que evita el sobreescalfament; i un aïllament elèctric excepcional, que garanteix una transmissió estable del senyal sense fuites. Mecànicament, el safir compta amb una duresa Mohs de 9, només superada pel diamant, cosa que el fa altament resistent al desgast i a l'erosió, ideal per a aplicacions exigents.
L'arma secreta en la fabricació de xips
(1) Material clau per a xips de baixa potència
A mesura que l'electrònica tendeix cap a la miniaturització i l'alt rendiment, els xips de baix consum s'han tornat crítics. Els xips tradicionals pateixen degradació de l'aïllament a gruixos nanomètrics, cosa que provoca fuites de corrent, un augment del consum d'energia i un sobreescalfament, cosa que compromet l'estabilitat i la vida útil.
Investigadors de l'Institut de Microsistemes i Tecnologia de la Informació de Xangai (SIMIT), de l'Acadèmia Xinesa de les Ciències, han desenvolupat oblies dielèctriques de safir artificial mitjançant tecnologia d'oxidació intercalada amb metalls, convertint l'alumini monocristall en alúmina monocristallina (safir). Amb un gruix d'1 nm, aquest material presenta un corrent de fuita ultrabaix, superant els dielèctrics amorfs convencionals en dos ordres de magnitud en la reducció de la densitat d'estat i millorant la qualitat de la interfície amb semiconductors 2D. La integració d'això amb materials 2D permet xips de baix consum, allargant significativament la vida útil de la bateria dels telèfons intel·ligents i millorant l'estabilitat en aplicacions d'IA i IoT.
(2) El soci perfecte per al nitrur de gal·li (GaN)
En el camp dels semiconductors, el nitrur de gal·li (GaN) ha emergit com una estrella brillant a causa dels seus avantatges únics. Com a material semiconductor de banda prohibida ampla amb una banda prohibida de 3,4 eV, significativament més gran que l'1,1 eV del silici, el GaN destaca en aplicacions d'alta temperatura, alt voltatge i alta freqüència. La seva alta mobilitat d'electrons i la seva força de camp de ruptura crítica el converteixen en un material ideal per a dispositius electrònics d'alta potència, alta temperatura, alta freqüència i alta brillantor. En electrònica de potència, els dispositius basats en GaN funcionen a freqüències més altes amb un consum d'energia més baix, oferint un rendiment superior en la conversió de potència i la gestió de l'energia. En les comunicacions per microones, el GaN permet components d'alta potència i alta freqüència com ara amplificadors de potència 5G, millorant la qualitat i l'estabilitat de la transmissió del senyal.
El cristall de safir es considera el "soci perfecte" per al GaN. Tot i que la seva discrepància de xarxa amb el GaN és superior a la del carbur de silici (SiC), els substrats de safir presenten una menor discrepància tèrmica durant l'epitaxia de GaN, proporcionant una base estable per al creixement de GaN. A més, l'excel·lent conductivitat tèrmica i la transparència òptica del safir faciliten una dissipació eficient de la calor en dispositius de GaN d'alta potència, garantint l'estabilitat operativa i una eficiència òptima de sortida de llum. Les seves propietats d'aïllament elèctric superiors minimitzen encara més la interferència del senyal i la pèrdua de potència. La combinació de safir i GaN ha conduït al desenvolupament de dispositius d'alt rendiment, inclosos els LED basats en GaN, que dominen els mercats de la il·luminació i les pantalles, des de bombetes LED domèstiques fins a grans pantalles exteriors, així com els díodes làser utilitzats en comunicacions òptiques i processament làser de precisió.
Oblívia de GaN sobre safir de XKH
Ampliant els límits de les aplicacions dels semiconductors
(1) L'"escut" en aplicacions militars i aeroespacials
Els equips en aplicacions militars i aeroespacials sovint funcionen en condicions extremes. A l'espai, les naus espacials suporten temperatures properes al zero absolut, una radiació còsmica intensa i els reptes d'un entorn de buit. Els avions militars, mentrestant, s'enfronten a temperatures superficials superiors als 1.000 °C a causa de l'escalfament aerodinàmic durant el vol d'alta velocitat, juntament amb elevades càrregues mecàniques i interferències electromagnètiques.
Les propietats úniques del cristall de safir el converteixen en un material ideal per a components crítics en aquests camps. La seva excepcional resistència a altes temperatures (que pot suportar fins a 2.045 °C i mantenir la integritat estructural) garanteix un rendiment fiable sota estrès tèrmic. La seva duresa a la radiació també preserva la funcionalitat en entorns còsmics i nuclears, protegint eficaçment l'electrònica sensible. Aquests atributs han portat a l'ús generalitzat del safir en finestres d'infrarojos (IR) d'alta temperatura. En els sistemes de guia de míssils, les finestres d'IR han de mantenir la claredat òptica sota calor i velocitat extremes per garantir una detecció precisa de l'objectiu. Les finestres d'IR basades en safir combinen una alta estabilitat tèrmica amb una transmitància d'IR superior, millorant significativament la precisió del guiat. En l'aeroespacial, el safir protegeix els sistemes òptics dels satèl·lits, permetent imatges clares en condicions orbitals dures.
XKH'sfinestres òptiques de safir
(2) La Nova Fundació per a Superconductors i Microelectrònica
En superconductivitat, el safir serveix com a substrat indispensable per a les pel·lícules primes superconductores, que permeten la conducció de resistència zero, revolucionant la transmissió de potència, els trens de levitació magnètica i els sistemes de ressonància magnètica. Les pel·lícules superconductores d'alt rendiment requereixen substrats amb estructures de xarxa estables, i la compatibilitat del safir amb materials com el diborur de magnesi (MgB₂) permet el creixement de pel·lícules amb una densitat de corrent crític i un camp magnètic crític millorats. Per exemple, els cables d'alimentació que utilitzen pel·lícules superconductores suportades per safir milloren dràsticament l'eficiència de transmissió minimitzant la pèrdua d'energia.
En microelectrònica, els substrats de safir amb orientacions cristal·logràfiques específiques, com ara el pla R (<1-102>) i el pla A (<11-20>), permeten capes epitaxials de silici a mida per a circuits integrats (CI) avançats. El safir del pla R redueix els defectes cristallins en CI d'alta velocitat, augmentant la velocitat i l'estabilitat operatives, mentre que les propietats aïllants i la permitivitat uniforme del safir del pla A optimitzen la microelectrònica híbrida i la integració de superconductors d'alta temperatura. Aquests substrats sustenten els xips centrals en la computació d'alt rendiment i la infraestructura de telecomunicacions.
XKH'sAlN-on-NPSS Wafer
El futur del cristall de safir en semiconductors
El safir ja ha demostrat un valor immens en els semiconductors, des de la fabricació de xips fins a l'aeroespacial i els superconductors. A mesura que la tecnologia avanci, el seu paper s'ampliarà encara més. En la intel·ligència artificial, els xips de baix consum i alt rendiment amb suport de safir impulsaran els avenços en la IA en l'assistència sanitària, el transport i les finances. En la computació quàntica, les propietats del material del safir el posicionen com un candidat prometedor per a la integració de qubits. Mentrestant, els dispositius GaN sobre safir satisfaran les creixents demandes de maquinari de comunicació 5G/6G. En el futur, el safir seguirà sent una pedra angular de la innovació en semiconductors, impulsant el progrés tecnològic de la humanitat.
Oblia epitaxial de GaN sobre safir de XKH
XKH ofereix finestres òptiques de safir dissenyades amb precisió i solucions de galeta de GaN sobre safir per a aplicacions d'avantguarda. Aprofitant les tecnologies patentades de creixement de cristalls i poliment a nanoescala, oferim finestres de safir ultraplanes amb una transmissió excepcional dels espectres UV a IR, ideals per a sistemes aeroespacials, de defensa i làser d'alta potència.
Data de publicació: 18 d'abril de 2025