Elektronische apparaten zoals smartphones en smartwatches zijn in het dagelijks leven onmisbare metgezellen geworden. Deze apparaten worden steeds slanker, maar tegelijkertijd krachtiger. Heb je je ooit afgevraagd wat hun voortdurende evolutie mogelijk maakt? Het antwoord ligt in halfgeleidermaterialen, en vandaag richten we ons op een van de meest opvallende daarvan: saffierkristal.
Saffierkristal, voornamelijk samengesteld uit α-Al₂O₃, bestaat uit drie zuurstofatomen en twee aluminiumatomen die covalent gebonden zijn, waardoor een hexagonale roosterstructuur ontstaat. Hoewel het qua uiterlijk lijkt op saffier van edelsteenkwaliteit, benadrukken industriële saffierkristallen superieure prestaties. Het is chemisch inert, onoplosbaar in water en bestand tegen zuren en logen, en fungeert als een "chemisch schild" dat de stabiliteit in zware omstandigheden handhaaft. Bovendien vertoont het een uitstekende optische transparantie, wat zorgt voor een efficiënte lichttransmissie; een sterke thermische geleidbaarheid, wat oververhitting voorkomt; en een uitstekende elektrische isolatie, wat zorgt voor een stabiele signaaloverdracht zonder lekkage. Mechanisch gezien heeft saffier een hardheid van Mohs 9, alleen overtroffen door diamant, waardoor het zeer slijtvast en erosiebestendig is - ideaal voor veeleisende toepassingen.
Het geheime wapen in de chipproductie
(1) Belangrijk materiaal voor chips met een laag vermogen
Naarmate elektronica steeds miniaturiseert en steeds hogere prestaties levert, zijn energiezuinige chips cruciaal geworden. Traditionele chips lijden aan isolatiedegradatie bij nanoschaaldiktes, wat leidt tot lekstroom, een hoger stroomverbruik en oververhitting, wat de stabiliteit en levensduur in gevaar brengt.
Onderzoekers van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben kunstmatige saffier-diëlektrische wafers ontwikkeld met behulp van metaal-geïntercaleerde oxidatietechnologie. Hierbij wordt monokristallijn aluminium omgezet in monokristallijn aluminiumoxide (saffier). Met een dikte van 1 nm vertoont dit materiaal een extreem lage lekstroom, wat conventionele amorfe diëlektrica met twee ordes van grootte overtreft in het verminderen van de toestandsdichtheid en de interfacekwaliteit met 2D-halfgeleiders verbetert. Door dit te integreren met 2D-materialen zijn energiezuinige chips mogelijk, wat de batterijduur van smartphones aanzienlijk verlengt en de stabiliteit in AI- en IoT-toepassingen verbetert.
(2) De perfecte partner voor galliumnitride (GaN)
Galliumnitride (GaN) is een veelbelovende halfgeleider dankzij zijn unieke voordelen. Als halfgeleidermateriaal met een brede bandgap van 3,4 eV – aanzienlijk groter dan de 1,1 eV van silicium – blinkt GaN uit in toepassingen met hoge temperaturen, hoge spanning en hoge frequenties. De hoge elektronenmobiliteit en kritische doorslagsterkte maken het een ideaal materiaal voor elektronische apparaten met een hoog vermogen, hoge temperaturen, hoge frequenties en hoge helderheid. In de vermogenselektronica werken GaN-gebaseerde apparaten op hogere frequenties met een lager energieverbruik, wat zorgt voor superieure prestaties op het gebied van vermogensomzetting en energiebeheer. In microgolfcommunicatie maakt GaN componenten met een hoog vermogen en hoge frequenties mogelijk, zoals 5G-versterkers, waardoor de kwaliteit en stabiliteit van de signaaloverdracht worden verbeterd.
Saffierkristal wordt beschouwd als de "perfecte partner" voor GaN. Hoewel de roostermismatch met GaN hoger is dan die van siliciumcarbide (SiC), vertonen saffiersubstraten een lagere thermische mismatch tijdens GaN-epitaxie, wat een stabiele basis biedt voor GaN-groei. Bovendien vergemakkelijken de uitstekende thermische geleidbaarheid en optische transparantie van saffier een efficiënte warmteafvoer in GaN-apparaten met een hoog vermogen, wat zorgt voor operationele stabiliteit en een optimale lichtopbrengst. De superieure elektrische isolatie-eigenschappen minimaliseren signaalinterferentie en vermogensverlies verder. De combinatie van saffier en GaN heeft geleid tot de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten, waaronder GaN-gebaseerde leds, die de verlichtings- en displaymarkten domineren – van ledlampen voor huishoudelijk gebruik tot grote buitenschermen – evenals laserdiodes die worden gebruikt in optische communicatie en precisielaserbewerking.
De GaN-op-saffierwafer van XKH
Het verleggen van de grenzen van halfgeleidertoepassingen
(1) Het ‘schild’ in militaire en lucht- en ruimtevaarttoepassingen
Apparatuur voor militaire en lucht- en ruimtevaarttoepassingen werkt vaak onder extreme omstandigheden. In de ruimte worden ruimtevaartuigen blootgesteld aan temperaturen rond het absolute nulpunt, intense kosmische straling en de uitdagingen van een vacuümomgeving. Militaire vliegtuigen worden daarentegen blootgesteld aan oppervlaktetemperaturen van meer dan 1000 °C als gevolg van aerodynamische opwarming tijdens hogesnelheidsvluchten, in combinatie met hoge mechanische belastingen en elektromagnetische interferentie.
De unieke eigenschappen van saffierkristal maken het een ideaal materiaal voor kritische componenten in deze sectoren. De uitzonderlijke hoge temperatuurbestendigheid – tot 2045 °C, met behoud van de structurele integriteit – garandeert betrouwbare prestaties onder thermische belasting. De stralingshardheid behoudt ook de functionaliteit in kosmische en nucleaire omgevingen, waardoor gevoelige elektronica effectief wordt afgeschermd. Deze eigenschappen hebben geleid tot het wijdverbreide gebruik van saffier in infraroodvensters (IR) met hoge temperaturen. In raketgeleidingssystemen moeten IR-vensters optische helderheid behouden onder extreme hitte en snelheid om nauwkeurige doeldetectie te garanderen. IR-vensters op basis van saffier combineren een hoge thermische stabiliteit met superieure IR-transmissie, wat de geleidingsprecisie aanzienlijk verbetert. In de lucht- en ruimtevaart beschermt saffier optische satellietsystemen, waardoor heldere beelden mogelijk zijn onder zware baanomstandigheden.
XKH'ssaffier optische vensters
(2) De nieuwe basis voor supergeleiders en micro-elektronica
In supergeleiding fungeert saffier als een onmisbaar substraat voor supergeleidende dunne films, die geleiding zonder weerstand mogelijk maken – een revolutie in energieoverdracht, magneetzweeftreinen en MRI-systemen. Hoogwaardige supergeleidende films vereisen substraten met stabiele roosterstructuren, en de compatibiliteit van saffier met materialen zoals magnesiumdiboride (MgB₂) maakt de groei van films met een hogere kritische stroomdichtheid en kritisch magnetisch veld mogelijk. Zo verbeteren stroomkabels met saffier-ondersteunde supergeleidende films de transmissie-efficiëntie aanzienlijk door energieverlies te minimaliseren.
In de micro-elektronica maken saffiersubstraten met specifieke kristallografische oriëntaties – zoals R-vlak (<1-102>) en A-vlak (<11-20>) – op maat gemaakte epitaxiale siliciumlagen mogelijk voor geavanceerde geïntegreerde schakelingen (IC's). R-vlak saffier vermindert kristaldefecten in snelle IC's, wat de operationele snelheid en stabiliteit verhoogt, terwijl de isolerende eigenschappen en uniforme permittiviteit van A-vlak saffier hybride micro-elektronica en de integratie van hogetemperatuursupergeleiders optimaliseren. Deze substraten vormen de basis voor kernchips in high-performance computing- en telecommunicatie-infrastructuur.
XKH'SAlN-op-NPSS-wafer
De toekomst van saffierkristal in halfgeleiders
Saffier heeft al een enorme waarde bewezen in halfgeleiders, van chipfabricage tot lucht- en ruimtevaart en supergeleiders. Naarmate de technologie vordert, zal de rol ervan verder toenemen. In kunstmatige intelligentie zullen door saffier ondersteunde, energiezuinige, krachtige chips de vooruitgang in AI in de gezondheidszorg, transport en financiën stimuleren. In quantumcomputing positioneren de materiaaleigenschappen van saffier het als een veelbelovende kandidaat voor qubitintegratie. Ondertussen zullen GaN-op-saffier-apparaten voldoen aan de toenemende vraag naar 5G/6G-communicatiehardware. In de toekomst zal saffier een hoeksteen blijven van halfgeleiderinnovatie en de technologische vooruitgang van de mensheid stimuleren.
XKH's GaN-op-saffier epitaxiale wafer
XKH levert nauwkeurig ontworpen optische saffiervensters en GaN-op-saffier waferoplossingen voor geavanceerde toepassingen. Door gebruik te maken van gepatenteerde kristalgroei- en nanoschaalpolijsttechnologieën, leveren wij ultraplatte saffiervensters met een uitzonderlijke transmissie van UV- naar IR-spectra, ideaal voor de lucht- en ruimtevaart, defensie en krachtige lasersystemen.
Plaatsingstijd: 18-04-2025