El diminuto cristal de zafiro impulsa el "gran futuro" de los semiconductores

El diminuto cristal de zafiro impulsa el "gran futuro" de los semiconductores

En nuestra vida diaria, los dispositivos electrónicos como los teléfonos móviles y los relojes inteligentes se han convertido en nuestros compañeros inseparables.Estos dispositivos se están volviendo cada vez más delgados y ligeros mientras ofrecen funcionalidades más potentes¿Alguna vez te has preguntado qué hay detrás de su continua evolución? La respuesta son los materiales semiconductores, y hoy, nos centraremos en uno de los mejores en este campo: el cristal de zafiro.

El cristal de zafiro, compuesto principalmente de α-Al2O3, se forma por la combinación de tres átomos de oxígeno y dos átomos de aluminio a través de enlaces covalentes, lo que resulta en una estructura cristalina hexagonal.En el plano visualSin embargo, como material semiconductor, el cristal de zafiro es más valorado por sus excelentes propiedades.Tiene una notable estabilidad química., generalmente insoluble en agua y resistente a la corrosión por ácidos y bases, actuando como un "guardián de protección química" que mantiene sus características en diversos entornos químicos.Además, cuenta con una buena transmitancia de luz, lo que permite que la luz pase sin problemas; excelente conductividad térmica, que ayuda a disipar el calor rápidamente para evitar que los dispositivos se "sobrecalenten";y aislamiento eléctrico excepcionalAdemás, el cristal de zafiro tiene excelentes propiedades mecánicas, con una dureza de nueve en la escala de Mohs,Segundo sólo al diamante en la naturaleza, por lo que es altamente resistente al desgaste y la erosión, y capaz de "estar firme" en diversos entornos complejos.

El "arma secreta" en la fabricación de chips

(I) Material clave para los chips de baja potencia

Hoy en día, los dispositivos electrónicos están evolucionando rápidamente hacia la miniaturización y el alto rendimiento.y auriculares inalámbricos se espera que tengan una mayor duración de la batería y un funcionamiento más rápidoEsto impone demandas extremadamente altas a los chips, con chips de baja potencia convirtiéndose en la búsqueda de la industria.experimentan una disminución en el rendimiento aislante de los materiales dieléctricos a escala nanométrica, lo que conduce a una fuga de corriente, un mayor consumo de energía, un calentamiento severo del dispositivo y una menor estabilidad y vida útil.

El equipo de investigación del Instituto de Shanghai de Microsistemas y Tecnología de la Información de la Academia de Ciencias de China ha, después de años de investigación dedicada,se han desarrollado con éxito obleas dieléctricas de zafiro artificial, proporcionando un fuerte apoyo técnico para el desarrollo de chips de baja potencia.Emplearon una innovadora técnica de oxidación por intercalación de metales para oxidar el aluminio de cristal único en óxido de aluminio de cristal únicoEste material logra una corriente de fuga extremadamente baja a un grosor de 1 nanómetro, resolviendo efectivamente los desafíos que enfrentan los materiales dieléctricos tradicionales.En comparación con los materiales dieléctricos amorfos tradicionales, las obleas dieléctricas artificiales de zafiro presentan ventajas significativas en cuanto a estructura y rendimiento electrónico,con una densidad de estado reducida en dos órdenes de magnitud y interfaces muy mejoradas con materiales semiconductores bidimensionalesEl equipo de investigación utilizó este material en combinación con materiales bidimensionales para fabricar con éxito dispositivos de chip de bajo consumo.mejora significativamente la duración de la batería y la eficiencia operativa de los chipsEste logro significa que para los teléfonos inteligentes, la duración de la batería se extenderá en gran medida, eliminando la necesidad de cargar con frecuencia.los chips de baja potencia permitirán un funcionamiento del dispositivo más estable y duradero, impulsando un desarrollo más rápido en estas áreas.

(II) El "compañero perfecto" del nitruro de galio

En el campo de los semiconductores, el nitruro de galio (GaN) destaca como una estrella brillante debido a sus ventajas únicas.mucho más grande que el silicio 1.1eV, GaN sobresale en aplicaciones de alta temperatura, alto voltaje y alta frecuencia, ofreciendo una alta movilidad de electrones y una intensidad de campo eléctrico de descomposición,lo que lo convierte en un material ideal para la fabricación de alta potenciaPor ejemplo, en el campo de la electrónica de potencia, los dispositivos de potencia GaN funcionan a frecuencias más altas con un menor consumo de energía,ofreciendo ventajas significativas en la conversión de energía y la gestión de la calidad de la energíaEn el campo de las comunicaciones de microondas, el GaN se utiliza para fabricar dispositivos de comunicación de microondas de alta potencia y alta frecuencia, como los amplificadores de potencia en las comunicaciones móviles 5G,que mejoran la calidad y la estabilidad de la transmisión de la señal.

El cristal de zafiro y el nitruro de galio son el "compañero perfecto".Los sustratos de zafiro muestran una menor incompatibilidad térmica durante la epitaxia de GaN, proporcionando una base estable para el crecimiento de GaN.La buena conductividad térmica y la transparencia óptica del cristal de zafiro le permiten disipar rápidamente el calor durante el funcionamiento a altas temperaturas de los dispositivos GaNAdemás, el excelente aislamiento eléctrico del cristal de zafiro reduce eficazmente la interferencia de la señal y la pérdida de energía.Basado en la combinación de cristal de zafiro y nitruro de galioEn el campo de los LED, los LED basados en GaN se han convertido en la corriente principal del mercado, ampliamente utilizados en aplicaciones de iluminación y visualización.desde bombillas LED domésticas hasta grandes pantallas al aire libreLos láseres también desempeñan un papel importante en las comunicaciones ópticas y el procesamiento láser.

Ampliando los límites de las aplicaciones de semiconductores

(I) El "Escudo" en el ámbito militar y aeroespacial

En el espacio, las naves espaciales se enfrentan a temperaturas cercanas al cero absoluto, radiación cósmica intensa,y los desafíos planteados por los entornos de vacíoLos equipos militares, como los aviones de combate, experimentan temperaturas superiores a los 1000 °C debido a la fricción del aire durante el vuelo a alta velocidad, junto con una sobrecarga alta e interferencias electromagnéticas fuertes.

El cristal de zafiro, con sus propiedades únicas, es un material ideal para componentes críticos en estos campos.con una capacidad de resistencia a temperaturas de hasta 2045 °C, manteniendo la estabilidad estructural sin deformación ni fusiónAdemás, su fuerte resistencia a la radiación significa que en entornos de radiación cósmica y nuclear,El rendimiento del cristal de zafiro permanece prácticamente intacto., protegiendo eficazmente los componentes electrónicos internos.

Basado en estas características, el cristal de zafiro es ampliamente utilizado en la fabricación de ventanas infrarrojas 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 signalsLas ventanas infrarrojas basadas en cristales de zafiro no solo soportan altas temperaturas, sino que también aseguran una alta transmitancia de luz infrarroja, mejorando significativamente la precisión de orientación del misil.En el campo aeroespacial, los equipos ópticos por satélite también dependen del cristal de zafiro, que proporciona una protección estable para los instrumentos ópticos en ambientes espaciales adversos y garantiza imágenes satelitales claras y precisas.

(II) La "nueva fundación" de la superconductividad y la microelectrónica

En el campo de la superconductividad, el cristal de zafiro sirve como un sustrato indispensable para las películas superconductoras.trenes de levitación magnética, y imágenes de resonancia magnética nuclear, lo que permite la conducción eléctrica de resistencia cero y reduce significativamente la pérdida de energía.la preparación de películas superconductoras de alto rendimiento requiere materiales de sustrato de alta calidadLa estructura cristalina estable del cristal de zafiro y la buena compatibilidad de la red con los materiales superconductores proporcionan una base estable para el crecimiento de películas superconductoras.Por el crecimiento epitaxial de materiales superconductores como MgB2 (diboruro de magnesio) en el cristal de zafiroPor ejemplo, en la transmisión de energía, las películas superconductoras de alta calidad pueden ser preparadas, con mejoras significativas en la densidad crítica de corriente y en los indicadores de rendimiento críticos del campo magnético.El uso de películas superconductoras basadas en sustratos de zafiro para cables puede mejorar en gran medida la eficiencia de transmisión de energía y reducir la pérdida de energía durante la transmisión.

En el campo del circuito integrado de microelectrónica, el cristal de zafiro también juega un papel importante.,Las propiedades eléctricas y las estructuras cristalinas son diferentes, y mediante estas características se pueden cultivar capas epitaxiales de silicio con propiedades eléctricas específicas.Los sustratos de zafiro de plano R se utilizan comúnmente en circuitos integrados de alta velocidad, proporcionando un buen ajuste de la red para las capas epitaxiales de silicio, reduciendo los defectos de cristal y mejorando así la velocidad y la estabilidad del circuito integrado.debido a sus elevadas características de aislamiento y capacidad uniforme, se utilizan ampliamente en la tecnología de microelectrónica híbrida.No solo sirven como sustratos de crecimiento para superconductores de alta temperatura, sino que también ayudan a optimizar los diseños de circuitos en el diseño de circuitos integradosLos dispositivos electrónicos de gama alta, como los chips centrales de las computadoras de alto rendimiento y las estaciones base de comunicación, cuentan con sustratos de zafiro.Proporcionar un apoyo sólido al desarrollo de la tecnología de la microelectrónica.

El futuro del cristal de zafiro

El cristal de zafiro ya ha demostrado un importante valor de aplicación en el campo de los semiconductores, desempeñando un papel indispensable en la fabricación de chips, aplicaciones militares y aeroespaciales,superconductividadA medida que la tecnología continúa avanzando, se espera que el cristal de zafiro logre avances en más campos en el futuro.A medida que la demanda de rendimiento del chip de computación continúa aumentandoEl cristal de zafiro, como un material clave, es el más importante para la fabricación de chips de bajo consumo y alto rendimiento.Se espera que impulse el desarrollo de chips de inteligencia artificial y promueva aplicaciones más amplias de la tecnología de inteligencia artificial en campos como la salud.En el campo de la computación cuántica, aunque todavía en sus primeras etapas, las excelentes propiedades del cristal de zafiro lo convierten en un material candidato potencial para chips cuánticos.apoyo a los avances en tecnología de computación cuántica.

ZMSH se especializa en ventanas ópticas de zafiro de primera calidad y obleas epitaxiales GaN-on-zafiro diseñadas para aplicaciones críticas para la misión.Nuestras ventanas de zafiro combinan la durabilidad militar con la perfección óptica, con una rugosidad de la superficie inferior a la angstrom para una transmisión de luz superior en entornos extremos.La plataforma GaN-on-sapphire logra un rendimiento innovador con nuestra tecnología patentada de reducción de defectos, proporcionando una densidad de dislocación de 3 E6/cm2 para dispositivos RF y optoelectrónicos de alta potencia.ZMSH permite a los clientes ampliar los límites de la fotónica y el rendimiento de la electrónica de potencia.

La oblea epitaxial de AlN-On-Sapphire de ZMSH