A mindennapi életben az olyan elektronikus eszközök, mint az okostelefonok és az okosórák, nélkülözhetetlen társakká váltak. Ezek az eszközök egyre vékonyabbak, ugyanakkor erősebbek is. Elgondolkodott már azon, mi teszi lehetővé a folyamatos fejlődésüket? A válasz a félvezető anyagokban rejlik, és ma ezek közül az egyik legkiemelkedőbbre, a zafírkristályra összpontosítunk.
A zafírkristály, amely elsősorban α-Al₂O₃-ból áll, három oxigénatomból és két alumíniumatomból áll, amelyek kovalensen kötődnek egymáshoz, hatszögletű rácsszerkezetet alkotva. Bár megjelenésében a drágakő minőségű zafírokra hasonlít, az ipari zafírkristályok kiemelik a kiváló teljesítményt. Kémiailag inert, vízben oldhatatlan, savakkal és lúgokkal szemben ellenálló, „kémiai pajzsként” működik, amely stabilitást biztosít zord környezetben. Ezenkívül kiváló optikai átlátszósággal rendelkezik, amely lehetővé teszi a hatékony fényáteresztést; erős hővezető képességgel, amely megakadályozza a túlmelegedést; és kiemelkedő elektromos szigeteléssel, amely stabil jelátvitelt biztosít szivárgás nélkül. Mechanikailag a zafír 9-es Mohs-keménységgel büszkélkedhet, amivel csak a gyémánt után a második, így rendkívül kopás- és erózióálló – ideális igényes alkalmazásokhoz.
A titkos fegyver a chipgyártásban
(1) Az alacsony fogyasztású chipek kulcsfontosságú anyaga
Ahogy az elektronika a miniatürizálás és a nagy teljesítmény felé halad, az alacsony fogyasztású chipek kritikussá váltak. A hagyományos chipek nanoskálájú vastagságnál a szigetelés leromlásától szenvednek, ami áramszivárgáshoz, megnövekedett energiafogyasztáshoz és túlmelegedéshez vezet, ami rontja a stabilitást és az élettartamot.
A Kínai Tudományos Akadémia Sanghaji Mikroszisztéma és Információtechnológiai Intézetének (SIMIT) kutatói fém-interkalációs oxidációs technológiával mesterséges zafír dielektromos lapkákat fejlesztettek ki, amelyek egykristályos alumíniumot egykristályos alumínium-oxiddá (zafírrá) alakítanak. 1 nm vastagságban ez az anyag ultraalacsony szivárgási áramot mutat, két nagyságrenddel felülmúlja a hagyományos amorf dielektrikumokat az állapotsűrűség csökkentésében és javítja a 2D félvezetőkkel való interfész minőségét. Ennek 2D anyagokkal való integrálása lehetővé teszi az alacsony fogyasztású chipek előállítását, jelentősen meghosszabbítva az okostelefonok akkumulátor-élettartamát, és javítva a stabilitást a mesterséges intelligencia és az IoT alkalmazásokban.
(2) A gallium-nitrid (GaN) tökéletes partnere
A félvezetők területén a gallium-nitrid (GaN) egyedi előnyeinek köszönhetően ragyogó csillaggá vált. Széles tiltott sávú félvezető anyagként, amelynek tiltott sávja 3,4 eV – jelentősen nagyobb, mint a szilícium 1,1 eV-os tiltott sávja – a GaN kiválóan alkalmas magas hőmérsékletű, nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz. Nagy elektronmobilitása és kritikus letörési térerőssége ideális anyaggá teszi nagy teljesítményű, magas hőmérsékletű, nagyfrekvenciás és nagy fényerejű elektronikus eszközökhöz. A teljesítményelektronikában a GaN alapú eszközök magasabb frekvenciákon működnek alacsonyabb energiafogyasztással, így kiváló teljesítményt nyújtanak a teljesítményátalakításban és az energiagazdálkodásban. A mikrohullámú kommunikációban a GaN lehetővé teszi a nagy teljesítményű, nagyfrekvenciás alkatrészek, például az 5G teljesítményerősítők használatát, javítva a jelátvitel minőségét és stabilitását.
A zafírkristályt a GaN „tökéletes partnerének” tekintik. Bár a GaN-nal való rácseltérése nagyobb, mint a szilícium-karbidé (SiC), a zafírhordozók alacsonyabb hőeltérést mutatnak a GaN epitaxiája során, ami stabil alapot biztosít a GaN növekedéséhez. Ezenkívül a zafír kiváló hővezető képessége és optikai átlátszósága hatékony hőelvezetést tesz lehetővé a nagy teljesítményű GaN eszközökben, biztosítva a működési stabilitást és az optimális fénykibocsátási hatékonyságot. Kiváló elektromos szigetelő tulajdonságai tovább minimalizálják a jelinterferenciát és a teljesítményveszteséget. A zafír és a GaN kombinációja nagy teljesítményű eszközök kifejlesztéséhez vezetett, beleértve a GaN-alapú LED-eket, amelyek uralják a világítástechnikai és kijelzőpiacokat – a háztartási LED-izzóktól a nagy kültéri képernyőkig –, valamint az optikai kommunikációban és a precíziós lézeres megmunkálásban használt lézerdiódákat.
XKH GaN-on-zafír ostyája
A félvezető alkalmazások határainak kiterjesztése
(1) A „pajzs” a katonai és repülőgépipari alkalmazásokban
A katonai és repülőgépipari berendezések gyakran szélsőséges körülmények között működnek. Az űrben az űrhajók közel abszolút nulla hőmérsékletnek, intenzív kozmikus sugárzásnak és vákuumkörnyezet kihívásainak vannak kitéve. Eközben a katonai repülőgépek felületi hőmérséklete meghaladja az 1000°C-ot a nagy sebességű repülés során fellépő aerodinamikai felmelegedés, valamint a nagy mechanikai terhelések és az elektromágneses interferencia miatt.
A zafírkristály egyedi tulajdonságai ideális anyaggá teszik ezeken a területeken használt kritikus alkatrészekhez. Kivételes magas hőmérsékleti ellenállása – akár 2045°C-ot is kibír, miközben megőrzi szerkezeti integritását – megbízható teljesítményt biztosít hőterhelés alatt is. Sugárzási keménysége a kozmikus és nukleáris környezetben is megőrzi a funkcionalitást, hatékonyan védve az érzékeny elektronikát. Ezek a tulajdonságok vezettek a zafír széles körű elterjedéséhez a magas hőmérsékletű infravörös (IR) ablakokban. A rakétairányító rendszerekben az IR-ablakoknak extrém hő és sebesség mellett is meg kell őrizniük az optikai tisztaságot a pontos célérzékelés biztosítása érdekében. A zafír alapú IR-ablakok a magas hőstabilitást a kiváló IR-áteresztőképességgel ötvözik, jelentősen javítva az irányítás pontosságát. A repülőgépiparban a zafír védi a műholdak optikai rendszereit, lehetővé téve a tiszta képalkotást zord orbitális körülmények között.
XKH-kzafír optikai ablakok
(2) Az új alap a szupravezetők és a mikroelektronika számára
A szupravezetés terén a zafír nélkülözhetetlen hordozóként szolgál a szupravezető vékonyrétegekhez, amelyek lehetővé teszik a nulla ellenállású vezetést – forradalmasítva az erőátvitelt, a maglev vonatokat és az MRI rendszereket. A nagy teljesítményű szupravezető rétegekhez stabil rácsszerkezetű hordozókra van szükség, és a zafír olyan anyagokkal való kompatibilitása, mint a magnézium-diborid (MgB₂), lehetővé teszi a megnövelt kritikus áramsűrűségű és kritikus mágneses térrel rendelkező filmek növekedését. Például a zafírral támogatott szupravezető rétegeket használó erősáramú kábelek drámaian javítják az átviteli hatékonyságot az energiaveszteség minimalizálásával.
A mikroelektronikában a specifikus kristálytani orientációjú zafír szubsztrátok – mint például az R-sík (<1-102>) és az A-sík (<11-20>) – lehetővé teszik a fejlett integrált áramkörök (IC-k) testreszabott szilícium epitaxiális rétegeinek kialakítását. Az R-síkú zafír csökkenti a kristályhibákat a nagysebességű IC-kben, növelve a működési sebességet és stabilitást, míg az A-síkú zafír szigetelő tulajdonságai és egyenletes permittivitása optimalizálja a hibrid mikroelektronikát és a magas hőmérsékletű szupravezető integrációt. Ezek a szubsztrátok képezik a nagy teljesítményű számítástechnikai és telekommunikációs infrastruktúra magchipjeinek alapját.
XKH'sEgylN-on-NPSS ostya
A zafírkristály jövője a félvezetőkben
A zafír már bizonyította hatalmas értékét a félvezetők területén, a chipgyártástól a repülőgépiparon át a szupravezetőkig. A technológia fejlődésével szerepe tovább bővül. A mesterséges intelligencia területén a zafírral támogatott, alacsony energiafogyasztású, nagy teljesítményű chipek fogják előmozdítani a mesterséges intelligencia fejlődését az egészségügyben, a közlekedésben és a pénzügyekben. A kvantum-számítástechnikában a zafír anyagtulajdonságai ígéretes jelöltként teszik lehetővé a qubit integrációját. Eközben a GaN-on-zafír eszközök kielégítik az 5G/6G kommunikációs hardverek iránti növekvő igényeket. A jövőben a zafír továbbra is a félvezető innováció sarokköve marad, amely az emberiség technológiai fejlődését fogja hajtani.
XKH GaN-on-zafír epitaxiális ostyája
Az XKH precíziósan gyártott zafír optikai ablakokat és GaN-on-zafír szeletmegoldásokat kínál élvonalbeli alkalmazásokhoz. Saját fejlesztésű kristálynövekedési és nanoskálájú polírozási technológiákat kihasználva ultralapos zafír ablakokat kínálunk, amelyek kivételes áteresztőképességgel rendelkeznek az UV-től az IR-spektrumig, így ideálisak repülőgépipari, védelmi és nagy teljesítményű lézerrendszerek számára.
Közzététel ideje: 2025. április 18.