O minúsculo cristal de safira impulsiona o "grande futuro" dos semicondutores

O minúsculo cristal de safira impulsiona o "grande futuro" dos semicondutores

Na nossa vida diária, dispositivos eletrônicos como telefones celulares e relógios inteligentes tornaram-se nossos companheiros inseparáveis.Estes dispositivos estão a tornar-se cada vez mais finos e leves, ao mesmo tempo em que oferecem funcionalidades mais poderosasAlguma vez se perguntaram o que está por trás da sua evolução contínua? A resposta são os materiais semicondutores, e hoje, vamos nos concentrar em um dos destaques neste campo: o cristal de safira..

O cristal de safira, composto principalmente de α-Al2O3, é formado pela combinação de três átomos de oxigênio e dois átomos de alumínio através de ligação covalente, resultando em uma estrutura cristalina hexagonal.VisualmenteNo entanto, como material semicondutor, o cristal de safira é mais valorizado por suas excelentes propriedades.Tem uma notável estabilidade química., geralmente insolúvel em água e resistente à corrosão por ácidos e bases, atuando como um "guardião de proteção química" que mantém as suas características em vários ambientes químicos.Além disso,, possui boa transmissão luminosa, permitindo que a luz passe suavemente; excelente condutividade térmica, que ajuda a dissipar o calor prontamente para evitar que os dispositivos "aqueçam demais";e excelente isolamento elétricoAlém disso, o cristal de safira possui excelentes propriedades mecânicas, com uma dureza de nove na escala de Mohs,Segundo apenas ao diamante na natureza, tornando-o altamente resistente ao desgaste e à erosão, e capaz de "permanecer firme" em vários ambientes complexos.

A "arma secreta" na fabricação de chips

(I) Material-chave para chips de baixa potência

Hoje em dia, os dispositivos eletrónicos estão a evoluir rapidamente para a miniaturização e o alto desempenho.e fones de ouvido sem fio devem ter uma vida útil da bateria mais longa e uma operação mais rápidaO que impõe exigências extremamente elevadas aos chips, com chips de baixa potência a tornarem-se a procura da indústria.experimentar uma diminuição do desempenho de isolamento dos materiais dielétricos na escala nanométrica, levando a fugas de corrente, aumento do consumo de energia, aquecimento severo do dispositivo e redução da estabilidade e da vida útil.

A equipa de investigação do Instituto de Microssistemas e Tecnologia da Informação de Xangai da Academia Chinesa de Ciências, após anos de investigação dedicada,desenvolvido com êxito wafers dielétricas artificiais de safira, fornecendo um forte apoio técnico para o desenvolvimento de chips de baixa potência.Eles empregaram uma técnica inovadora de oxidação de intercalação de metais para oxidar o alumínio de cristal único em óxido de alumínio de cristal únicoEste material consegue uma corrente de fuga extremamente baixa a uma espessura de 1 nanómetro, resolvendo eficazmente os desafios enfrentados pelos materiais dielétricos tradicionais.Em comparação com os materiais dielétricos amorfos tradicionais, as wafers dielétricas artificiais de safira apresentam vantagens significativas em termos de estrutura e desempenho electrónico,com uma densidade de estado reduzida em duas ordens de magnitude e interfaces muito melhoradas com materiais semicondutores bidimensionaisA equipa de investigação utilizou este material em combinação com materiais bidimensionais para fabricar com êxito dispositivos de chip de baixa potência.Melhorar significativamente a duração da bateria e a eficiência operacional dos chipsEsta conquista significa que, para os smartphones, a duração da bateria será muito prolongada, eliminando a necessidade de carregamento frequente.Os chips de baixa potência permitirão uma operação mais estável e duradoura do dispositivo, impulsionando um desenvolvimento mais rápido nestas áreas.

(II) O "parceiro perfeito" do nitreto de gálio

No campo dos semicondutores, o nitreto de gálio (GaN) destaca-se como uma estrela brilhante devido às suas vantagens únicas.muito maior do que o silício 1.1eV, GaN se destaca em aplicações de alta temperatura, alta tensão e alta frequência, oferecendo alta mobilidade eletrônica e força de campo elétrico de quebra,tornando-o um material ideal para a fabricação de alta potênciaPor exemplo, no campo da electrónica de potência, os dispositivos de potência GaN operam a frequências mais elevadas com menor consumo de energia,Proporcionar vantagens significativas na conversão de energia e gestão da qualidade da energiaNo campo das comunicações de microondas, o GaN é utilizado para fabricar dispositivos de comunicação de microondas de alta potência e alta frequência, como amplificadores de potência nas comunicações móveis 5G,que melhoram a qualidade e a estabilidade da transmissão do sinal.

O cristal de safira e o nitreto de gálio são "parceiros perfeitos".substratos de safira demonstram menor desajuste térmico durante a epitaxia de GaN, proporcionando uma base estável para o crescimento do GaN.A boa condutividade térmica do cristal de safira e a transparência óptica permitem que ele dissipe rapidamente o calor durante a operação a altas temperaturas dos dispositivos GaNAlém disso, o excelente isolamento elétrico do cristal de safira reduz efetivamente a interferência do sinal e a perda de energia.Com base na combinação de cristais de safira e nitreto de gálioNo campo dos LED, os LEDs baseados em GaN tornaram-se o mercado dominante, amplamente utilizados em aplicações de iluminação e exibição,das lâmpadas LED domésticas aos grandes ecrãs exterioresOs lasers desempenham também um papel importante nas comunicações ópticas e no processamento a laser.

Expandir os limites das aplicações de semicondutores

(I) O "Escudo" nos domínios militar e aeroespacial

Os equipamentos militares e aeroespaciais operam frequentemente em ambientes extremamente difíceis.e os desafios colocados pelos ambientes de vácuoO equipamento militar, como os caças, sofre temperaturas superiores a 1000°C devido ao atrito do ar durante o voo a alta velocidade, juntamente com uma elevada sobrecarga e fortes interferências eletromagnéticas.

O cristal de safira, com as suas propriedades únicas, é um material ideal para componentes críticos nestes campos.com um diâmetro superior a 50 mm, mas não superior a 50 mm,, agindo como um resistente "guardião de alta temperatura" para garantir o funcionamento normal do dispositivo.O desempenho do cristal de safira permanece praticamente inalterado., protegendo eficazmente os componentes eletrónicos internos.

Com base nestas características, o cristal de safira é amplamente utilizado na fabricação de janelas infravermelhas resistentes a altas temperaturas. infrared windows are crucial components that must maintain good light transmittance under high temperatures and high-speed flight conditions to allow infrared detectors to accurately capture target infrared signalsAs janelas infravermelhas baseadas em cristais de safira não só suportam altas temperaturas, mas também garantem uma alta transmissão de luz infravermelha, melhorando significativamente a precisão de orientação do míssil.No domínio aeroespacial, os equipamentos ópticos por satélite também dependem do cristal de safira, proporcionando uma protecção estável para os instrumentos ópticos em ambientes espaciais adversos e garantindo imagens de satélite claras e precisas.

(II) A "Nova Fundação" da Supercondutividade e da Microeletrónica

No campo da supercondutividade, o cristal de safira serve como um substrato indispensável para filmes supercondutores.Trens de levitação magnética, e imagens de ressonância magnética nuclear, permitindo a condução elétrica de resistência zero e reduzindo significativamente a perda de energia.A preparação de filmes supercondutores de alto desempenho requer materiais de substrato de alta qualidadeA estrutura cristalina estável do cristal de safira e a boa combinação de rede com materiais supercondutores fornecem uma base estável para o crescimento de uma película supercondutora.Por crescimento epitaxialmente materiais supercondutores como MgB2 (diboreto de magnésio) em cristais de safira, podem ser preparadas películas supercondutoras de alta qualidade, com melhorias significativas na densidade crítica de corrente e nos indicadores críticos de desempenho do campo magnético.O uso de filmes supercondutores baseados em substratos de safira para cabos pode melhorar muito a eficiência da transmissão de energia e reduzir a perda de energia durante a transmissão.

No campo dos circuitos integrados de microeletrônica, o cristal de safira também desempenha um papel importante.,A partir destas características, podem ser produzidas camadas de silício epitaxial com propriedades elétricas específicas.Substratos de safira de plano R são comumente utilizados em circuitos integrados de alta velocidade, proporcionando uma boa correspondência de rede para as camadas epitaxiais de silício, reduzindo os defeitos de cristal e melhorando assim a velocidade e a estabilidade do circuito integrado.devido ao seu elevado isolamento e às suas características uniformes de capacidade, são amplamente utilizadas na tecnologia de microeletrónica híbrida.Eles não só servem como substratos de crescimento para supercondutores de alta temperatura, mas também ajudam a otimizar layouts de circuitos no projeto de circuitos integradosOs dispositivos eletrónicos de ponta, tais como os chips de núcleo dos computadores de alto desempenho e as estações de base de comunicação, são constituídos por substratos de safira.Proporcionar um apoio sólido ao desenvolvimento da tecnologia da microeletrónica.

O Plano Futuro do Cristal de Safira

O cristal de safira já demonstrou um valor de aplicação significativo no campo dos semicondutores, desempenhando um papel indispensável na fabricação de chips, aplicações militares e aeroespaciais,SupercondutividadeA medida que a tecnologia continua a avançar, espera-se que o cristal de safira alcance avanços em mais campos no futuro.Como a demanda pelo desempenho do chip de computação continua a aumentarO cristal de safira, como material-chave, é um dos principais componentes de um chip de baixo consumo e alto desempenho.Espera-se que impulsione o desenvolvimento de chips de inteligência artificial e promova aplicações mais amplas da tecnologia de IA em domínios como a saúde.No campo da computação quântica, embora ainda em seus estágios iniciais, as excelentes propriedades do cristal de safira tornam-no um material candidato potencial para chips quânticos,Apoio a avanços na tecnologia de computação quântica.

A ZMSH é especializada em janelas ópticas de zafiro premium e wafers epitaxiais GaN-on-zafiro adaptados para aplicações de missão crítica.As nossas janelas de safira combinam durabilidade militar com perfeição óptica., com rugosidade de superfície sub-angstrom para transmissão de luz superior em ambientes extremos.A plataforma GaN-on-sapphire alcança um desempenho inovador com a nossa tecnologia proprietária de redução de defeitos, proporcionando uma densidade de dislocação de 3 E6/cm2 para dispositivos RF e optoeletrônicos de alta potência.A ZMSH permite aos clientes ampliar os limites da fotônica e do desempenho da electrónica de potência.

Wafer epitaxial AlN-On-Sapphire da ZMSH