Na vida cotiá, os dispositivos electrónicos como os teléfonos intelixentes e os reloxos intelixentes convertéronse en compañeiros indispensables. Estes dispositivos son cada vez máis delgados e potentes. Algunha vez te preguntaches que permite a súa continua evolución? A resposta está nos materiais semicondutores e, hoxe, centrámonos nun dos máis destacados: o cristal de zafiro.
O cristal de zafiro, composto principalmente por α-Al₂O₃, consta de tres átomos de osíxeno e dous átomos de aluminio unidos covalentemente, formando unha estrutura de rede hexagonal. Aínda que se asemella ao zafiro de calidade xema en aparencia, os cristais de zafiro industriais destacan por un rendemento superior. Quimicamente inerte, é insoluble en auga e resistente aos ácidos e álcalis, actuando como un "escudo químico" que mantén a estabilidade en ambientes agresivos. Ademais, presenta unha excelente transparencia óptica, o que permite unha transmisión eficiente da luz; unha forte condutividade térmica, que evita o sobrequecemento; e un illamento eléctrico excepcional, o que garante unha transmisión estable do sinal sen fugas. Mecanicamente, o zafiro conta cunha dureza Mohs de 9, só superada polo diamante, o que o fai altamente resistente ao desgaste e á erosión, ideal para aplicacións esixentes.
A arma secreta na fabricación de chips
(1) Material clave para chips de baixo consumo
A medida que a electrónica tende cara á miniaturización e ao alto rendemento, os chips de baixo consumo tornáronse fundamentais. Os chips tradicionais sofren a degradación do illamento a grosores nanométricos, o que leva a fugas de corrente, un aumento do consumo de enerxía e sobrequecemento, o que compromete a estabilidade e a vida útil.
Investigadores do Instituto de Microsistemas e Tecnoloxía da Información de Shanghai (SIMIT), da Academia Chinesa das Ciencias, desenvolveron obleas dieléctricas de zafiro artificial mediante tecnoloxía de oxidación intercalada con metal, convertendo o aluminio monocristalino en alúmina monocristalina (zafiro). Cun grosor de 1 nm, este material presenta unha corrente de fuga ultrabaixa, superando os dieléctricos amorfos convencionais en dúas ordes de magnitude na redución da densidade de estado e mellorando a calidade da interface cos semicondutores 2D. A integración disto con materiais 2D permite chips de baixo consumo, prolongando significativamente a duración da batería nos teléfonos intelixentes e mellorando a estabilidade nas aplicacións de IA e IoT.
(2) O socio perfecto para o nitruro de galio (GaN)
No campo dos semicondutores, o nitruro de galio (GaN) emerxeu como unha estrela brillante debido ás súas vantaxes únicas. Como material semicondutor de banda prohibida ampla cun intervalo de banda de 3,4 eV (significativamente maior que o de 1,1 eV do silicio), o GaN destaca en aplicacións de alta temperatura, alta tensión e alta frecuencia. A súa alta mobilidade de electróns e a súa intensidade de campo de ruptura crítica convérteno nun material ideal para dispositivos electrónicos de alta potencia, alta temperatura, alta frecuencia e alto brillo. Na electrónica de potencia, os dispositivos baseados en GaN funcionan a frecuencias máis altas cun menor consumo de enerxía, o que ofrece un rendemento superior na conversión de potencia e na xestión da enerxía. Nas comunicacións por microondas, o GaN permite compoñentes de alta potencia e alta frecuencia, como os amplificadores de potencia 5G, mellorando a calidade e a estabilidade da transmisión do sinal.
O cristal de zafiro considérase o "compañeiro perfecto" para o GaN. Aínda que a súa desaxuste de rede co GaN é maior que a do carburo de silicio (SiC), os substratos de zafiro presentan unha menor desaxuste térmico durante a epitaxia de GaN, o que proporciona unha base estable para o crecemento de GaN. Ademais, a excelente condutividade térmica e a transparencia óptica do zafiro facilitan unha disipación eficiente da calor en dispositivos de GaN de alta potencia, garantindo a estabilidade operativa e unha eficiencia óptima de saída de luz. As súas propiedades superiores de illamento eléctrico minimizan aínda máis a interferencia de sinal e a perda de potencia. A combinación de zafiro e GaN levou ao desenvolvemento de dispositivos de alto rendemento, incluídos os LED baseados en GaN, que dominan os mercados de iluminación e pantallas, desde lámpadas LED domésticas ata grandes pantallas de exterior, así como os díodos láser utilizados en comunicacións ópticas e procesamento láser de precisión.
Oblea de GaN sobre zafiro de XKH
Ampliando os límites das aplicacións de semicondutores
(1) O «escudo» en aplicacións militares e aeroespaciais
Os equipos en aplicacións militares e aeroespaciais adoitan funcionar en condicións extremas. No espazo, as naves espaciais soportan temperaturas próximas ao cero absoluto, unha intensa radiación cósmica e os desafíos dun ambiente de baleiro. Mentres tanto, os avións militares enfróntanse a temperaturas superficiais que superan os 1000 °C debido ao quecemento aerodinámico durante os voos a alta velocidade, xunto con elevadas cargas mecánicas e interferencias electromagnéticas.
As propiedades únicas do cristal de zafiro convérteno nun material ideal para compoñentes críticos nestes campos. A súa excepcional resistencia a altas temperaturas (ata 2045 °C mantendo a integridade estrutural) garante un rendemento fiable baixo tensión térmica. A súa dureza á radiación tamén preserva a funcionalidade en ambientes cósmicos e nucleares, protexendo eficazmente os dispositivos electrónicos sensibles. Estes atributos levaron ao uso xeneralizado do zafiro en fiestras infravermellas (IR) de alta temperatura. Nos sistemas de guía de mísiles, as fiestras IR deben manter a claridade óptica baixo calor e velocidade extremos para garantir unha detección precisa do obxectivo. As fiestras IR baseadas en zafiro combinan unha alta estabilidade térmica cunha transmitancia IR superior, o que mellora significativamente a precisión da guía. No sector aeroespacial, o zafiro protexe os sistemas ópticos dos satélites, o que permite obter imaxes claras en condicións orbitais adversas.
XKH'sfiestras ópticas de zafiro
(2) A nova Fundación para Supercondutores e Microelectrónica
En supercondutividade, o zafiro serve como substrato indispensable para películas delgadas supercondutoras, que permiten a condución de resistencia cero, revolucionando a transmisión de enerxía, os trens de levitación magnética e os sistemas de resonancia magnética. As películas supercondutoras de alto rendemento requiren substratos con estruturas de rede estables, e a compatibilidade do zafiro con materiais como o diboruro de magnesio (MgB₂) permite o crecemento de películas con densidade de corrente crítica e campo magnético crítico mellorados. Por exemplo, os cables de alimentación que usan películas supercondutoras soportadas en zafiro melloran drasticamente a eficiencia da transmisión ao minimizar a perda de enerxía.
En microelectrónica, os substratos de zafiro con orientacións cristalográficas específicas, como o plano R (<1-102>) e o plano A (<11-20>), permiten capas epitaxiais de silicio personalizadas para circuítos integrados (CI) avanzados. O zafiro do plano R reduce os defectos cristalinos nos CI de alta velocidade, o que aumenta a velocidade e a estabilidade operativas, mentres que as propiedades illantes e a permitividade uniforme do zafiro do plano A optimizan a microelectrónica híbrida e a integración de supercondutores de alta temperatura. Estes substratos serven de base para os chips principais na computación de alto rendemento e nas infraestruturas de telecomunicacións.
XKHdeUnhaOblea lN sobre NPSS
O futuro do cristal de zafiro nos semicondutores
O zafiro xa demostrou un valor inmenso en semicondutores, desde a fabricación de chips ata a industria aeroespacial e os supercondutores. A medida que a tecnoloxía avanza, o seu papel ampliarase aínda máis. Na intelixencia artificial, os chips de baixo consumo e alto rendemento soportados por zafiro impulsarán os avances da IA na saúde, o transporte e as finanzas. Na computación cuántica, as propiedades do material do zafiro posicionano como un candidato prometedor para a integración de cúbits. Mentres tanto, os dispositivos de GaN sobre zafiro satisfarán as crecentes demandas de hardware de comunicación 5G/6G. De cara ao futuro, o zafiro seguirá sendo unha pedra angular da innovación en semicondutores, impulsando o progreso tecnolóxico da humanidade.
Oblea epitaxial de GaN sobre zafiro de XKH
XKH ofrece fiestras ópticas de zafiro de enxeñaría de precisión e solucións de obleas de GaN sobre zafiro para aplicacións de vangarda. Aproveitando as tecnoloxías patentadas de crecemento de cristais e pulido a nanoescala, proporcionamos fiestras de zafiro ultraplanas cunha transmisión excepcional de espectros UV a IR, ideais para sistemas aeroespaciais, de defensa e láseres de alta potencia.
Data de publicación: 18 de abril de 2025