V každodenním životě se elektronická zařízení, jako jsou chytré telefony a chytré hodinky, stala nepostradatelnými společníky. Tato zařízení jsou stále tenčí a zároveň výkonnější. Přemýšleli jste někdy, co umožňuje jejich neustálý vývoj? Odpověď spočívá v polovodičových materiálech a dnes se zaměříme na jeden z nejvýznamnějších z nich – safírový krystal.
Safírový křišťál, primárně složený z α-Al₂O₃, se skládá ze tří atomů kyslíku a dvou atomů hliníku kovalentně vázaných, které tvoří hexagonální mřížkovou strukturu. Ačkoli svým vzhledem připomíná safír drahokamové kvality, průmyslové safírové krystaly se vyznačují vynikajícím výkonem. Chemicky inertní je nerozpustný ve vodě a odolný vůči kyselinám a zásadám, čímž působí jako „chemický štít“, který udržuje stabilitu v náročných podmínkách. Kromě toho vykazuje vynikající optickou průhlednost, která umožňuje efektivní přenos světla; silnou tepelnou vodivost, která zabraňuje přehřátí; a vynikající elektrickou izolaci, která zajišťuje stabilní přenos signálu bez úniku. Mechanicky se safír pyšní Mohsovou tvrdostí 9, druhou nejvýše po diamantu, což ho činí vysoce odolným proti opotřebení a erozi – ideální pro náročné aplikace.
Tajná zbraň ve výrobě čipů
(1) Klíčový materiál pro čipy s nízkou spotřebou energie
Vzhledem k tomu, že elektronika směřuje k miniaturizaci a vysokému výkonu, staly se čipy s nízkou spotřebou energie kritickými. Tradiční čipy trpí degradací izolace při tloušťkách v nanoměřítku, což vede k úniku proudu, zvýšené spotřebě energie a přehřívání, což snižuje stabilitu a životnost.
Výzkumníci ze Šanghajského institutu mikrosystémů a informačních technologií (SIMIT) Čínské akademie věd vyvinuli umělé safírové dielektrické destičky s využitím technologie oxidace s interkalací kovů, čímž přeměnili monokrystalický hliník na monokrystalický oxid hlinitý (safír). Při tloušťce 1 nm vykazuje tento materiál ultranízký svodový proud, čímž o dva řády překonává konvenční amorfní dielektrika v redukci hustoty stavů a zlepšuje kvalitu rozhraní s 2D polovodiči. Integrace tohoto materiálu s 2D materiály umožňuje výrobu čipů s nízkou spotřebou energie, což výrazně prodlužuje výdrž baterií v chytrých telefonech a zvyšuje stabilitu v aplikacích umělé inteligence a internetu věcí.
(2) Perfektní partner pro nitrid galia (GaN)
V oblasti polovodičů se nitrid galia (GaN) stal zářivou hvězdou díky svým jedinečným výhodám. Jakožto polovodičový materiál s širokým zakázaným pásmem a šířkou zakázaného pásma 3,4 eV – výrazně větší než u křemíku s 1,1 eV – vyniká GaN v aplikacích s vysokými teplotami, vysokým napětím a vysokými frekvencemi. Jeho vysoká mobilita elektronů a kritická intenzita průrazného pole z něj činí ideální materiál pro vysoce výkonná, vysokoteplotní, vysokofrekvenční a jasná elektronická zařízení. Ve výkonové elektronice pracují zařízení na bázi GaN na vyšších frekvencích s nižší spotřebou energie a nabízejí vynikající výkon při přeměně energie a řízení energie. V mikrovlnné komunikaci umožňuje GaN výrobu vysoce výkonných, vysokofrekvenčních součástek, jako jsou výkonové zesilovače 5G, a zvyšuje tak kvalitu a stabilitu přenosu signálu.
Safírový krystal je považován za „dokonalého partnera“ pro GaN. Přestože jeho mřížkový nesoulad s GaN je vyšší než u karbidu křemíku (SiC), safírové substráty vykazují nižší tepelný nesoulad během epitaxe GaN, což poskytuje stabilní základ pro růst GaN. Vynikající tepelná vodivost a optická průhlednost safíru navíc usnadňují efektivní odvod tepla ve vysoce výkonných GaN zařízeních, což zajišťuje provozní stabilitu a optimální účinnost světelného výkonu. Jeho vynikající elektrické izolační vlastnosti dále minimalizují rušení signálu a ztráty výkonu. Kombinace safíru a GaN vedla k vývoji vysoce výkonných zařízení, včetně LED diod na bázi GaN, které dominují na trhu s osvětlením a displeji – od domácích LED žárovek až po velké venkovní obrazovky – a také laserových diod používaných v optické komunikaci a přesném laserovém zpracování.
GaN na safírovém waferu od společnosti XKH
Rozšiřování hranic polovodičových aplikací
(1) „Štít“ ve vojenských a leteckých aplikacích
Zařízení ve vojenských a leteckých aplikacích často pracují v extrémních podmínkách. Ve vesmíru kosmické lodě čelí teplotám téměř nulovým, intenzivnímu kosmickému záření a výzvám vakuového prostředí. Vojenská letadla se naproti tomu potýkají s povrchovými teplotami přesahujícími 1 000 °C v důsledku aerodynamického ohřevu během letu vysokou rychlostí, spolu s vysokým mechanickým zatížením a elektromagnetickým rušením.
Díky jedinečným vlastnostem je safírový křišťál ideálním materiálem pro kritické součástky v těchto oblastech. Jeho výjimečná odolnost vůči vysokým teplotám – odolává teplotám až 2 045 °C při zachování strukturální integrity – zajišťuje spolehlivý výkon při tepelném namáhání. Jeho radiační odolnost také zachovává funkčnost v kosmickém a jaderném prostředí a účinně chrání citlivou elektroniku. Tyto vlastnosti vedly k širokému použití safíru v infračervených (IR) oknech pro vysoké teploty. V systémech navádění raket musí IR okna zachovat optickou čistotu i při extrémním teple a rychlosti, aby byla zajištěna přesná detekce cíle. IR okna na bázi safíru kombinují vysokou tepelnou stabilitu s vynikající propustností infračerveného záření, což výrazně zlepšuje přesnost navádění. V leteckém průmyslu safír chrání optické systémy satelitů a umožňuje jasné zobrazování v náročných orbitálních podmínkách.
XKHsafírová optická okna
(2) Nová nadace pro supravodiče a mikroelektroniku
V oblasti supravodivosti slouží safír jako nepostradatelný substrát pro supravodivé tenké filmy, které umožňují vedení s nulovým odporem – což představuje revoluci v přenosu energie, vlacích maglev a systémech magnetické rezonance. Vysoce výkonné supravodivé filmy vyžadují substráty se stabilní mřížkovou strukturou a kompatibilita safíru s materiály, jako je diborid hořečnatý (MgB₂), umožňuje růst filmů se zvýšenou kritickou hustotou proudu a kritickým magnetickým polem. Například silové kabely s použitím supravodivých filmů na safírové podpoře dramaticky zlepšují účinnost přenosu minimalizací energetických ztrát.
V mikroelektronice umožňují safírové substráty se specifickými krystalografickými orientacemi – jako je rovina R (<1-102>) a rovina A (<11-20>) – vytváření na míru šitých křemíkových epitaxních vrstev pro pokročilé integrované obvody (IO). Safír v rovině R snižuje krystalové defekty ve vysokorychlostních IO, čímž zvyšuje provozní rychlost a stabilitu, zatímco izolační vlastnosti safíru v rovině A a jeho rovnoměrná permitivita optimalizují hybridní mikroelektroniku a integraci vysokoteplotních supravodičů. Tyto substráty jsou základem jádrových čipů ve vysoce výkonné výpočetní a telekomunikační infrastruktuře.
XKHjeAlN-na-NPSS destičce
Budoucnost safírového krystalu v polovodičích
Safír již prokázal nesmírnou hodnotu v oblasti polovodičů, od výroby čipů přes letecký průmysl až po supravodiče. S technologickým pokrokem se jeho role bude dále rozšiřovat. V oblasti umělé inteligence budou nízkoenergetické a vysoce výkonné čipy s podporou safíru pohánět pokrok v oblasti umělé inteligence ve zdravotnictví, dopravě a financích. V kvantových výpočtech ho materiálové vlastnosti safíru staví mezi slibné kandidáty pro integraci qubitů. Zařízení GaN na safíru zároveň uspokojí rostoucí poptávku po komunikačním hardwaru 5G/6G. Safír zůstane i v budoucnu základním kamenem inovací v oblasti polovodičů a pohání technologický pokrok lidstva.
Epitaxní destička GaN na safíru od společnosti XKH
Společnost XKH dodává precizně navržená safírová optická okénka a řešení GaN na safírových destičkách pro špičkové aplikace. Využíváme patentované technologie růstu krystalů a leštění v nanoměřítku a dodáváme ultra plochá safírová okénka s výjimečnou propustností od UV do IR spektra, ideální pro letecký a obranný průmysl a vysoce výkonné laserové systémy.
Čas zveřejnění: 18. dubna 2025
