Il minuscolo cristallo di zaffiro propulsa il "grande futuro" dei semiconduttori

Il minuscolo cristallo di zaffiro propulsa il "grande futuro" dei semiconduttori

Nella nostra vita quotidiana, dispositivi elettronici come telefoni cellulari e smartwatch sono diventati nostri inseparabili compagni.Questi dispositivi stanno diventando sempre più sottili e leggeri offrendo al contempo funzionalità più potentiVi siete mai chiesti cosa si nasconde dietro la loro continua evoluzione? La risposta sono i materiali semiconduttori, e oggi ci concentreremo su uno dei migliori in questo campo: il cristallo di zaffiro.

Il cristallo di zaffiro, composto principalmente da α-Al2O3, è formato dalla combinazione di tre atomi di ossigeno e due atomi di alluminio attraverso un legame covalente, con conseguente struttura cristallina esagonale.VisualeTuttavia, come materiale semiconduttore, il cristallo di zaffiro è più apprezzato per le sue eccellenti proprietà.Mostra una notevole stabilità chimica., generalmente insolubile in acqua e resistente alla corrosione da acidi e basi, che agisce come "guardia chimica" che mantiene le sue caratteristiche in vari ambienti chimici.In aggiunta, vanta una buona trasmissione luminosa, consentendo alla luce di passare senza intoppi; eccellente conduttività termica, che aiuta a dissipare il calore prontamente per evitare che i dispositivi "sovercaldi";e ottimo isolamento elettricoInoltre, il cristallo di zaffiro ha ottime proprietà meccaniche, con una durezza di nove sulla scala di Mohs,secondo solo al diamante in natura, rendendolo altamente resistente all'usura e all'erosione e in grado di "stare fermo" in vari ambienti complessi.

L'"arma segreta" nella produzione di chip

(I) Materiale chiave per i chip a bassa potenza

Oggi, i dispositivi elettronici si stanno rapidamente evolvendo verso la miniaturizzazione e le alte prestazioni.e gli auricolari wireless dovrebbero avere una durata della batteria più lunga e un funzionamento più veloceQuesto pone richieste estremamente elevate ai chip, con i chip a bassa potenza che diventano la ricerca dell'industria.si verifica un calo delle prestazioni di isolamento dei materiali dielettrici a scala nanometrica, con conseguente perdita di corrente, aumento del consumo di energia, riscaldamento grave del dispositivo e riduzione della stabilità e della durata.

Il team di ricerca dell'Istituto di Shanghai di Microsistemi e Tecnologia dell'Informazione dell'Accademia Cinese delle Scienze ha, dopo anni di ricerche dedicate,Wafer dielettriche di zaffiro artificiale sviluppate con successo, fornendo un forte supporto tecnico per lo sviluppo di chip a bassa potenza.Hanno impiegato un'innovativa tecnica di ossidazione da intercalazione metallica per ossidare l'alluminio monocristallino in ossido di alluminio monocristallinoQuesto materiale raggiunge una corrente di fuga estremamente bassa ad uno spessore di 1 nanometro, risolvendo efficacemente le sfide affrontate dai materiali dielettrici tradizionali.Rispetto ai materiali dielettrici amorfi tradizionali, le onde dielettriche di zaffiro artificiale presentano vantaggi significativi in termini di struttura e prestazioni elettroniche,con una densità di stato ridotta di due ordini di grandezza e interfacce molto migliorate con materiali semiconduttori bidimensionaliIl team di ricerca ha utilizzato questo materiale in combinazione con materiali bidimensionali per fabbricare con successo dispositivi a chip a bassa potenza.miglioramento significativo della durata della batteria e dell'efficienza operativa dei chipQuesto risultato significa che per gli smartphone, la durata della batteria sarà notevolmente estesa, eliminando la necessità di ricaricare frequentemente; per campi come l'intelligenza artificiale e l'Internet delle cose, la durata della batteria sarà molto più lunga.i chip a bassa potenza consentiranno un funzionamento del dispositivo più stabile e duraturo, favorendo uno sviluppo più rapido in queste aree.

(II) Il "partner perfetto" del nitruro di gallio

Nel campo dei semiconduttori, il nitruro di gallio (GaN) si distingue come una stella luminosa a causa dei suoi vantaggi unici.molto più grande di quello del silicio.1eV, GaN eccelle nelle applicazioni ad alta temperatura, alta tensione e alta frequenza, offrendo elevata mobilità elettronica e forza del campo elettrico di rottura,rendendolo un materiale ideale per la produzione di alta potenzaPer esempio, nel campo dell'elettronica di potenza, i dispositivi di potenza GaN funzionano a frequenze più elevate con un consumo energetico inferiore,offrendo vantaggi significativi nella conversione di potenza e nella gestione della qualità dell'energiaNel campo delle comunicazioni a microonde, il GaN è utilizzato per la produzione di dispositivi di comunicazione a microonde ad alta potenza e ad alta frequenza, come gli amplificatori di potenza nelle comunicazioni mobili 5G,che migliorano la qualità e la stabilità della trasmissione del segnale.

Il cristallo di zaffiro e il nitruro di gallio sono i "partner perfetti".i substrati di zaffiro mostrano una minore discomformità termica durante l'epitaxia del GaN, fornendo una base stabile per la crescita del GaN.la buona conduttività termica e la trasparenza ottica del cristallo di zaffiro consentono di dissipare rapidamente il calore durante il funzionamento ad alta temperatura dei dispositivi GaNInoltre, l'eccellente isolamento elettrico del cristallo di zaffiro riduce efficacemente le interferenze del segnale e la perdita di potenza.a base di cristallo di zaffiro e nitruro di gallio, sono stati fabbricati molti dispositivi ad alte prestazioni. Nel campo dei LED, i LED a base di GaN sono diventati la corrente principale del mercato, ampiamente utilizzati in applicazioni di illuminazione e visualizzazione,dalle lampadine LED domestiche ai grandi display esterniI laser svolgono anche un ruolo importante nelle comunicazioni ottiche e nell'elaborazione laser.

Ampliare i confini delle applicazioni dei semiconduttori

(I) Lo "scudo" nel campo militare e aerospaziale

L'equipaggiamento militare e aerospaziale opera spesso in ambienti estremamente difficili.e le sfide poste dagli ambienti a vuotoLe apparecchiature militari, come gli aerei da combattimento, subiscono temperature superiori a 1000°C a causa dell'attrito dell'aria durante il volo ad alta velocità, insieme ad un elevato sovraccarico e a forti interferenze elettromagnetiche.

Il cristallo di zaffiro, con le sue proprietà uniche, è un materiale ideale per componenti critici in questi campi.con una temperatura di 2045 °C, mantenendo la stabilità strutturale senza deformazioni o fusioniLa sua forte resistenza alle radiazioni significa che, in ambienti di radiazioni cosmiche e nucleari, la sua resistenza alle radiazioni è molto elevata.le prestazioni del cristallo di zaffiro rimangono quasi invariate, proteggendo efficacemente i componenti elettronici interni.

Sulla base di queste caratteristiche, il cristallo di zaffiro è ampiamente utilizzato nella produzione di finestre a infrarossi resistenti alle alte temperature. 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 signalsLe finestre a infrarossi a base di cristallo di zaffiro non solo resistono alle alte temperature, ma garantiscono anche una elevata trasmissione della luce a infrarossi, migliorando significativamente la precisione di guida del missile.Nel settore aerospaziale, le apparecchiature ottiche satellitari si basano anche sul cristallo di zaffiro, che fornisce una protezione stabile per gli strumenti ottici in ambienti spaziali difficili e garantisce immagini satellitari chiare e accurate.

II) La "nuova fondazione" della superconduttività e della microelettronica

Nel campo della superconduttività, il cristallo di zaffiro funge da substrato indispensabile per i film superconduttori.treni a levitazione magnetica, e la risonanza magnetica nucleare, che consente una conduzione elettrica a resistenza zero e riduce significativamente le perdite di energia.la preparazione di film superconduttori ad alte prestazioni richiede materiali di substrato di alta qualitàLa struttura cristallina stabile del cristallo di zaffiro e la buona compatibilità del reticolo con i materiali superconduttori forniscono una base stabile per la crescita di film superconduttori.Con la crescita epitaxialmente di materiali superconduttori come MgB2 (diboruro di magnesio) su cristalli di zaffiro, possono essere preparati film superconduttori di alta qualità, con miglioramenti significativi della densità critica di corrente e degli indicatori critici delle prestazioni del campo magnetico.l'utilizzo di film superconduttori a base di substrati di zaffiro per i cavi può migliorare notevolmente l'efficienza della trasmissione di potenza e ridurre le perdite di energia durante la trasmissione.

Nel campo dei circuiti integrati microelettronici, il cristallo di zaffiro svolge anche un ruolo importante.,Le proprietà elettriche e le strutture cristalline del silicio sono diverse, e grazie a queste caratteristiche si possono produrre strati epitaxiali di silicio con proprietà elettriche specifiche.I substrati di zaffiro a piano R sono comunemente utilizzati in circuiti integrati ad alta velocità, che fornisce una buona corrispondenza tra reticolo e strati epitaxiali di silicio, riducendo i difetti cristallini e migliorando così la velocità e la stabilità del circuito integrato.a causa delle loro elevate caratteristiche di isolamento e di capacità uniforme, sono ampiamente utilizzati nella tecnologia di microelettronica ibrida.Essi non solo servono come substrati di crescita per i superconduttori ad alta temperatura, ma aiutano anche a ottimizzare i layout dei circuiti nella progettazione di circuiti integrati, migliorando l'integrazione e l'affidabilità dei circuiti. I dispositivi elettronici di fascia alta, come i chip di base dei computer ad alte prestazioni e le stazioni base di comunicazione, sono dotati di substrati di zaffiro.fornire un solido sostegno allo sviluppo della tecnologia microelettronica.

Il futuro del cristallo di zaffiro

Il cristallo di zaffiro ha già dimostrato un significativo valore applicativo nel campo dei semiconduttori, svolgendo un ruolo indispensabile nella produzione di chip, nelle applicazioni militari e aerospaziali,superconduttivitàLa tecnologia continua a progredire, e ci si aspetta che il cristallo di zaffiro raggiunga scoperte in altri campi in futuro.la domanda di performance dei chip continua ad aumentareIl cristallo di zaffiro, come materiale chiave, è stato utilizzato per la produzione di chip ad alte prestazioni e a bassa potenza.si prevede che il progetto promuoverà un ulteriore sviluppo dei chip di intelligenza artificiale e promuoverà applicazioni più ampie della tecnologia AI in settori quali la sanità.Nel campo del calcolo quantistico, sebbene sia ancora nelle sue fasi iniziali, le eccellenti proprietà del cristallo di zaffiro lo rendono un potenziale materiale candidato per i chip quantistici,sostenere le innovazioni nella tecnologia dell'informatica quantistica.

ZMSH è specializzata in finestre ottiche di zaffiro di alta qualità e wafer epitaxiali GaN-on-zaffiro su misura per applicazioni mission-critical.Le nostre finestre di zaffiro combinano durabilità di livello militare con perfezione ottica., con rugosità superficiale sotto angstrom per una trasmissione luminosa superiore in ambienti estremi.La piattaforma GaN-on-sapphire raggiunge prestazioni rivoluzionarie con la nostra tecnologia di riduzione dei difetti., fornendo una densità di dislocazione di 3 E6/cm2 per dispositivi RF e optoelettronici ad alta potenza.ZMSH consente ai clienti di spingere i confini della fotonica e delle prestazioni dell'elettronica di potenza.

Wafer epitaxiale AlN-On-Sapphire di ZMSH