V každodennom živote sa elektronické zariadenia, ako sú smartfóny a inteligentné hodinky, stali nepostrádateľnými spoločníkmi. Tieto zariadenia sú čoraz tenšie, ale zároveň výkonnejšie. Premýšľali ste niekedy nad tým, čo umožňuje ich neustály vývoj? Odpoveď spočíva v polovodičových materiáloch a dnes sa zameriame na jeden z najvýznamnejších z nich – zafírový kryštál.
Zafírový kryštál, primárne zložený z α-Al₂O₃, pozostáva z troch atómov kyslíka a dvoch atómov hliníka kovalentne viazaných, ktoré tvoria hexagonálnu mriežkovú štruktúru. Hoci vzhľadom pripomína zafír drahokamovej kvality, priemyselné zafírové kryštály sa vyznačujú vynikajúcim výkonom. Chemicky inertný je nerozpustný vo vode a odolný voči kyselinám a zásadám, čím pôsobí ako „chemický štít“, ktorý udržiava stabilitu v náročných prostrediach. Okrem toho vykazuje vynikajúcu optickú priehľadnosť, ktorá umožňuje efektívny prenos svetla; silnú tepelnú vodivosť, ktorá zabraňuje prehrievaniu; a vynikajúcu elektrickú izoláciu, ktorá zabezpečuje stabilný prenos signálu bez úniku. Mechanicky sa zafír môže pochváliť Mohsovou tvrdosťou 9, druhou hneď po diamante, vďaka čomu je vysoko odolný voči opotrebovaniu a erózii – ideálny pre náročné aplikácie.
Tajná zbraň vo výrobe čipov
(1) Kľúčový materiál pre čipy s nízkou spotrebou energie
Keďže elektronika smeruje k miniaturizácii a vysokému výkonu, čipy s nízkou spotrebou energie sa stali kritickými. Tradičné čipy trpia degradáciou izolácie pri nanoškálových hrúbkach, čo vedie k úniku prúdu, zvýšenej spotrebe energie a prehrievaniu, čo znižuje stabilitu a životnosť.
Výskumníci zo Šanghajského inštitútu mikrosystémových a informačných technológií (SIMIT) Čínskej akadémie vied vyvinuli umelé dielektrické doštičky zo zafíru pomocou technológie oxidácie s interkaláciou kovov, čím premenili monokryštálový hliník na monokryštálový oxid hlinitý (zafír). Pri hrúbke 1 nm vykazuje tento materiál ultranízky zvodový prúd, čím o dva rády prekonáva konvenčné amorfné dielektriká v redukcii hustoty stavov a zlepšuje kvalitu rozhrania s 2D polovodičmi. Integrácia tohto materiálu s 2D materiálmi umožňuje výrobu čipov s nízkou spotrebou energie, čo výrazne predlžuje výdrž batérie v smartfónoch a zvyšuje stabilitu v aplikáciách umelej inteligencie a internetu vecí.
(2) Perfektný partner pre nitrid gália (GaN)
V oblasti polovodičov sa nitrid gália (GaN) vďaka svojim jedinečným výhodám stal žiarivou hviezdou. Ako polovodičový materiál so širokopásmovou medzerou a medzerou pásma 3,4 eV – výrazne väčšou ako kremík s 1,1 eV – GaN vyniká v aplikáciách pri vysokých teplotách, vysokom napätí a vysokých frekvenciách. Jeho vysoká mobilita elektrónov a kritická intenzita prierazného poľa z neho robia ideálny materiál pre elektronické zariadenia s vysokým výkonom, vysokou teplotou, vysokou frekvenciou a vysokým jasom. Vo výkonovej elektronike pracujú zariadenia na báze GaN na vyšších frekvenciách s nižšou spotrebou energie a ponúkajú vynikajúci výkon pri premene energie a riadení energie. V mikrovlnnej komunikácii umožňuje GaN výrobu vysokovýkonných, vysokofrekvenčných komponentov, ako sú výkonové zosilňovače 5G, čím sa zlepšuje kvalita a stabilita prenosu signálu.
Zafírový kryštál sa považuje za „dokonalého partnera“ pre GaN. Hoci jeho mriežkový nesúlad s GaN je vyšší ako u karbidu kremíka (SiC), zafírové substráty vykazujú nižší tepelný nesúlad počas epitaxie GaN, čo poskytuje stabilný základ pre rast GaN. Okrem toho vynikajúca tepelná vodivosť a optická priehľadnosť zafíru uľahčujú efektívny odvod tepla vo vysokovýkonných zariadeniach GaN, čím zabezpečujú prevádzkovú stabilitu a optimálnu účinnosť svetelného výkonu. Jeho vynikajúce elektrické izolačné vlastnosti ďalej minimalizujú rušenie signálu a straty výkonu. Kombinácia zafíru a GaN viedla k vývoju vysokovýkonných zariadení vrátane LED diód na báze GaN, ktoré dominujú na trhu s osvetlením a displejmi – od domácich LED žiaroviek až po veľké vonkajšie obrazovky – ako aj laserových diód používaných v optickej komunikácii a presnom laserovom spracovaní.
GaN na zafírovom plátku od spoločnosti XKH
Rozširovanie hraníc polovodičových aplikácií
(1) „Štít“ vo vojenských a leteckých aplikáciách
Zariadenia vo vojenských a leteckých aplikáciách často pracujú v extrémnych podmienkach. Vo vesmíre kozmické lode čelili teplotám takmer nulovým, intenzívnemu kozmickému žiareniu a výzvam vákuového prostredia. Vojenské lietadlá na druhej strane čelia povrchovým teplotám presahujúcim 1 000 °C v dôsledku aerodynamického ohrevu počas letu vysokou rýchlosťou, spolu s vysokým mechanickým zaťažením a elektromagnetickým rušením.
Vďaka jedinečným vlastnostiam je zafírový kryštál ideálnym materiálom pre kritické komponenty v týchto oblastiach. Jeho výnimočná odolnosť voči vysokým teplotám – odoláva až 2 045 °C pri zachovaní štrukturálnej integrity – zaisťuje spoľahlivý výkon pri tepelnom namáhaní. Jeho radiačná tvrdosť tiež zachováva funkčnosť v kozmickom a jadrovom prostredí a účinne tieni citlivú elektroniku. Tieto vlastnosti viedli k širokému použitiu zafíru vo vysokoteplotných infračervených (IR) oknách. V systémoch navádzania rakiet si musia IR okná zachovať optickú čistotu pri extrémnom teple a rýchlosti, aby sa zabezpečila presná detekcia cieľa. IR okná na báze zafíru kombinujú vysokú tepelnú stabilitu s vynikajúcou priepustnosťou infračerveného žiarenia, čím výrazne zlepšujú presnosť navádzania. V leteckom a kozmickom priemysle zafír chráni optické systémy satelitov a umožňuje jasné zobrazovanie v náročných orbitálnych podmienkach.
XKHzafírové optické okná
(2) Nová nadácia pre supravodiče a mikroelektroniku
V oblasti supravodivosti slúži zafír ako nevyhnutný substrát pre supravodivé tenké vrstvy, ktoré umožňujú vedenie s nulovým odporom – čo predstavuje revolúciu v prenose energie, maglevských vlakoch a systémoch magnetickej rezonancie. Vysoko výkonné supravodivé vrstvy vyžadujú substráty so stabilnými mriežkovými štruktúrami a kompatibilita zafíru s materiálmi, ako je diborid horečnatý (MgB₂), umožňuje rast vrstiev so zvýšenou kritickou hustotou prúdu a kritickým magnetickým poľom. Napríklad silové káble používajúce supravodivé vrstvy na báze zafíru dramaticky zlepšujú účinnosť prenosu minimalizáciou energetických strát.
V mikroelektronike umožňujú zafírové substráty so špecifickými kryštalografickými orientáciami – ako napríklad rovina R (<1-102>) a rovina A (<11-20>) – vytvárať kremíkové epitaxné vrstvy na mieru pre pokročilé integrované obvody (IO). Zafír v rovine R redukuje kryštálové defekty vo vysokorýchlostných IO, čím zvyšuje prevádzkovú rýchlosť a stabilitu, zatiaľ čo izolačné vlastnosti zafíru v rovine A a rovnomerná permitivita optimalizujú hybridnú mikroelektroniku a integráciu vysokoteplotných supravodičov. Tieto substráty sú základom jadra čipov vo vysokovýkonných výpočtoch a telekomunikačnej infraštruktúre.
XKHjeAdoštičku lN-na-NPSS
Budúcnosť zafírových kryštálov v polovodičoch
Zafír už preukázal obrovskú hodnotu v polovodičovom priemysle, od výroby čipov až po letecký priemysel a supravodiče. S pokrokom technológií sa jeho úloha bude ďalej rozširovať. V oblasti umelej inteligencie budú nízkoenergetické a vysokovýkonné čipy s podporou zafíru poháňať pokrok umelej inteligencie v zdravotníctve, doprave a financiách. V kvantových výpočtoch ho materiálové vlastnosti zafíru stavajú do pozície sľubného kandidáta na integráciu qubitov. Zariadenia GaN na zafíre zároveň uspokoja rastúci dopyt po komunikačnom hardvéri 5G/6G. Zafír zostane aj v budúcnosti základným kameňom inovácií v oblasti polovodičov a poháňať technologický pokrok ľudstva.
Epitaxná doštička GaN na zafíre od spoločnosti XKH
Spoločnosť XKH dodáva precízne navrhnuté zafírové optické okná a riešenia GaN na zafírových doštičkách pre špičkové aplikácie. Využívaním vlastných technológií rastu kryštálov a leštenia v nanorozmeroch poskytujeme ultra ploché zafírové okná s výnimočnou priepustnosťou od UV do IR spektier, ideálne pre letecký a obranný priemysel a vysokovýkonné laserové systémy.
Čas uverejnenia: 18. apríla 2025