I vardagen har elektroniska enheter som smartphones och smartklockor blivit oumbärliga följeslagare. Dessa enheter blir allt smalare och ändå kraftfullare. Har du någonsin undrat vad som möjliggör deras kontinuerliga utveckling? Svaret ligger i halvledarmaterial, och idag fokuserar vi på ett av de mest framstående bland dem – safirkristall.
Safirkristall, som huvudsakligen består av α-Al₂O₃, består av tre syreatomer och två aluminiumatomer som är kovalent bundna och bildar en hexagonal gitterstruktur. Även om den liknar ädelstenskvalitetssafir till utseendet, betonar industriella safirkristaller överlägsen prestanda. Kemiskt inert, olösligt i vatten och resistent mot syror och alkalier, och fungerar som en "kemisk sköld" som bibehåller stabilitet i tuffa miljöer. Dessutom uppvisar den utmärkt optisk transparens, vilket möjliggör effektiv ljusöverföring; stark värmeledningsförmåga, vilket förhindrar överhettning; och enastående elektrisk isolering, vilket säkerställer stabil signalöverföring utan läckage. Mekaniskt har safir en Mohs-hårdhet på 9, näst efter diamant, vilket gör den mycket slitstark och erosionsbeständig – perfekt för krävande applikationer.
Det hemliga vapnet inom chiptillverkning
(1) Viktigt material för lågeffektschips
I takt med att elektroniken utvecklas mot miniatyrisering och hög prestanda har lågeffektschip blivit avgörande. Traditionella chip drabbas av isoleringsnedbrytning vid nanoskalig tjocklek, vilket leder till strömläckage, ökad strömförbrukning och överhettning, vilket äventyrar stabilitet och livslängd.
Forskare vid Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Chinese Academy of Sciences, utvecklade artificiella safirdielektriska wafers med hjälp av metallinterkalerad oxidationsteknik, som omvandlar enkristallaluminium till enkristallaluminiumoxid (safir). Vid en tjocklek på 1 nm uppvisar detta material ultralåg läckström, vilket överträffar konventionella amorfa dielektriska material med två storleksordningar i minskning av tillståndstäthet och förbättrar gränssnittskvaliteten med 2D-halvledare. Integrering av detta med 2D-material möjliggör lågeffektschips, vilket avsevärt förlänger batteritiden i smartphones och förbättrar stabiliteten i AI- och IoT-applikationer.
(2) Den perfekta partnern för galliumnitrid (GaN)
Inom halvledarområdet har galliumnitrid (GaN) framstått som en lysande stjärna tack vare sina unika fördelar. Som ett halvledarmaterial med brett bandgap och ett bandgap på 3,4 eV – betydligt större än kisels 1,1 eV – utmärker sig GaN i högtemperatur-, högspännings- och högfrekvensapplikationer. Dess höga elektronmobilitet och kritiska genombrottsfältstyrka gör det till ett idealiskt material för elektroniska komponenter med hög effekt, hög temperatur, hög frekvens och hög ljusstyrka. Inom kraftelektronik arbetar GaN-baserade komponenter vid högre frekvenser med lägre energiförbrukning, vilket erbjuder överlägsen prestanda inom effektomvandling och energihantering. Inom mikrovågskommunikation möjliggör GaN högeffekts- och högfrekvenskomponenter som 5G-effektförstärkare, vilket förbättrar signalöverföringskvaliteten och stabiliteten.
Safirkristall anses vara den "perfekta partnern" för GaN. Även om dess gittermatchning med GaN är högre än för kiselkarbid (SiC), uppvisar safirsubstrat lägre termisk matchning under GaN-epitaxin, vilket ger en stabil grund för GaN-tillväxt. Dessutom underlättar safirens utmärkta värmeledningsförmåga och optiska transparens effektiv värmeavledning i högpresterande GaN-enheter, vilket säkerställer driftsstabilitet och optimal ljuseffektivitet. Dess överlägsna elektriska isoleringsegenskaper minimerar ytterligare signalstörningar och effektförluster. Kombinationen av safir och GaN har lett till utvecklingen av högpresterande enheter, inklusive GaN-baserade lysdioder, som dominerar belysnings- och displaymarknaderna – från LED-lampor för hushåll till stora utomhusskärmar – samt laserdioder som används i optisk kommunikation och precisionslaserbehandling.
XKHs GaN-på-safir-wafer
Utvidgar gränserna för halvledarapplikationer
(1) ”Skölden” inom militära och rymdtekniska tillämpningar
Utrustning i militära och rymdtekniska tillämpningar arbetar ofta under extrema förhållanden. I rymden utsätts rymdfarkoster för temperaturer nära absoluta nollpunkten, intensiv kosmisk strålning och utmaningarna med en vakuummiljö. Militära flygplan däremot utsätts för yttemperaturer som överstiger 1 000 °C på grund av aerodynamisk uppvärmning under höghastighetsflygning, tillsammans med höga mekaniska belastningar och elektromagnetiska störningar.
Safirkristallens unika egenskaper gör det till ett idealiskt material för kritiska komponenter inom dessa områden. Dess exceptionella högtemperaturbeständighet – som motstår upp till 2 045 °C samtidigt som den bibehåller sin strukturella integritet – säkerställer tillförlitlig prestanda under termisk stress. Dess strålningshårdhet bevarar också funktionaliteten i kosmiska och nukleära miljöer och skyddar effektivt känslig elektronik. Dessa egenskaper har lett till safirs utbredda användning i infraröda (IR) fönster med hög temperatur. I missilstyrningssystem måste IR-fönster bibehålla optisk klarhet under extrem värme och hastighet för att säkerställa noggrann måldetektering. Safirbaserade IR-fönster kombinerar hög termisk stabilitet med överlägsen IR-transmittans, vilket avsevärt förbättrar styrningsprecisionen. Inom flyg- och rymdfart skyddar safir satellitoptiska system och möjliggör tydlig avbildning under hårda omloppsförhållanden.
XKH:ssafir optiska fönster
(2) Den nya grunden för supraledare och mikroelektronik
Inom supraledning fungerar safir som ett oumbärligt substrat för supraledande tunna filmer, vilka möjliggör nollresistansledning – vilket revolutionerar kraftöverföring, maglev-tåg och MRI-system. Högpresterande supraledande filmer kräver substrat med stabila gitterstrukturer, och safirs kompatibilitet med material som magnesiumdiborid (MgB₂) möjliggör tillväxt av filmer med förbättrad kritisk strömtäthet och kritiskt magnetfält. Till exempel förbättrar kraftkablar som använder safirstödda supraledande filmer dramatiskt överföringseffektiviteten genom att minimera energiförlust.
Inom mikroelektronik möjliggör safirsubstrat med specifika kristallografiska orienteringar – såsom R-plan (<1-102>) och A-plan (<11-20>) – skräddarsydda kisel-epitaxiallager för avancerade integrerade kretsar (IC). R-plans safir minskar kristalldefekter i höghastighets-IC:er, vilket ökar driftshastigheten och stabiliteten, medan A-plans safirs isolerande egenskaper och enhetliga permittivitet optimerar hybridmikroelektronik och integration av högtemperatursupraledare. Dessa substrat ligger till grund för kärnchips i högpresterande dator- och telekommunikationsinfrastruktur.
XKHsEnlN-på-NPSS-skiva
Framtiden för safirkristall i halvledare
Sapphire har redan visat enormt värde inom halvledare, från chiptillverkning till flyg- och rymdteknik och supraledare. I takt med att tekniken utvecklas kommer dess roll att expandera ytterligare. Inom artificiell intelligens kommer safirbaserade, energieffektiva och högpresterande chip att driva AI-framsteg inom sjukvård, transport och finans. Inom kvantberäkning positionerar safirs materialegenskaper den som en lovande kandidat för qubit-integration. Samtidigt kommer GaN-på-safir-enheter att möta den ökande efterfrågan på 5G/6G-kommunikationshårdvara. Framöver kommer safir att förbli en hörnsten i halvledarinnovation och driva mänsklighetens tekniska framsteg.
XKHs epitaxialskiva av GaN på safir
XKH levererar precisionskonstruerade safiroptiska fönster och GaN-på-safirwaferlösningar för banbrytande applikationer. Genom att utnyttja egenutvecklade kristalltillväxt- och nanoskalig poleringsteknik tillhandahåller vi ultraplatta safirfönster med exceptionell transmission från UV- till IR-spektra, idealiska för flyg-, försvars- och högpresterande lasersystem.
Publiceringstid: 18 april 2025