Trong cuộc sống hàng ngày, các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh và đồng hồ thông minh đã trở thành người bạn đồng hành không thể thiếu. Những thiết bị này ngày càng mỏng hơn nhưng mạnh mẽ hơn. Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì cho phép chúng liên tục tiến hóa? Câu trả lời nằm ở vật liệu bán dẫn, và hôm nay, chúng ta tập trung vào một trong những vật liệu nổi bật nhất trong số đó—tinh thể sapphire.
Tinh thể sapphire, chủ yếu được tạo thành từ α-Al₂O₃, bao gồm ba nguyên tử oxy và hai nguyên tử nhôm liên kết cộng hóa trị, tạo thành cấu trúc mạng lục giác. Mặc dù có vẻ ngoài giống với sapphire cấp đá quý, nhưng tinh thể sapphire công nghiệp nhấn mạnh vào hiệu suất vượt trội. Trơ về mặt hóa học, không tan trong nước và chống axit và kiềm, hoạt động như một "lá chắn hóa học" duy trì sự ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, nó thể hiện độ trong suốt quang học tuyệt vời, cho phép truyền ánh sáng hiệu quả; độ dẫn nhiệt mạnh, ngăn ngừa quá nhiệt; và khả năng cách điện vượt trội, đảm bảo truyền tín hiệu ổn định mà không bị rò rỉ. Về mặt cơ học, sapphire tự hào có độ cứng Mohs là 9, chỉ đứng sau kim cương, khiến nó có khả năng chống mài mòn và xói mòn cao - lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
Vũ khí bí mật trong sản xuất chip
(1) Vật liệu chính cho chip công suất thấp
Khi xu hướng điện tử hướng tới thu nhỏ và hiệu suất cao, chip công suất thấp đã trở nên quan trọng. Chip truyền thống bị suy thoái cách điện ở độ dày nano, dẫn đến rò rỉ dòng điện, tăng mức tiêu thụ điện năng và quá nhiệt, làm giảm độ ổn định và tuổi thọ.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ thông tin và vi hệ thống Thượng Hải (SIMIT), Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển các tấm wafer điện môi sapphire nhân tạo sử dụng công nghệ oxy hóa xen kẽ kim loại, chuyển đổi nhôm đơn tinh thể thành alumina đơn tinh thể (sapphire). Ở độ dày 1 nm, vật liệu này thể hiện dòng rò cực thấp, vượt trội hơn các điện môi vô định hình thông thường theo hai cấp độ lớn về khả năng giảm mật độ trạng thái và cải thiện chất lượng giao diện với chất bán dẫn 2D. Việc tích hợp điều này với các vật liệu 2D cho phép tạo ra các chip công suất thấp, kéo dài đáng kể tuổi thọ pin trong điện thoại thông minh và tăng cường tính ổn định trong các ứng dụng AI và IoT.
(2) Đối tác hoàn hảo cho Gallium Nitride (GaN)
Trong lĩnh vực bán dẫn, gali nitride (GaN) đã nổi lên như một ngôi sao sáng nhờ những ưu điểm độc đáo của nó. Là một vật liệu bán dẫn có khoảng cách băng rộng với khoảng cách băng là 3,4 eV—lớn hơn đáng kể so với 1,1 eV của silicon—GaN vượt trội trong các ứng dụng nhiệt độ cao, điện áp cao và tần số cao. Độ linh động điện tử cao và cường độ trường đánh thủng quan trọng của nó khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị điện tử công suất cao, nhiệt độ cao, tần số cao và độ sáng cao. Trong điện tử công suất, các thiết bị dựa trên GaN hoạt động ở tần số cao hơn với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, mang lại hiệu suất vượt trội trong chuyển đổi năng lượng và quản lý năng lượng. Trong truyền thông vi sóng, GaN cho phép các thành phần công suất cao, tần số cao như bộ khuếch đại công suất 5G, nâng cao chất lượng và độ ổn định truyền tín hiệu.
Tinh thể sapphire được coi là “đối tác hoàn hảo” cho GaN. Mặc dù độ không khớp mạng của nó với GaN cao hơn so với silicon carbide (SiC), nhưng các chất nền sapphire thể hiện độ không khớp nhiệt thấp hơn trong quá trình epitaxy GaN, tạo nền tảng ổn định cho sự phát triển của GaN. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt và độ trong suốt quang học tuyệt vời của sapphire tạo điều kiện tản nhiệt hiệu quả trong các thiết bị GaN công suất cao, đảm bảo tính ổn định khi vận hành và hiệu suất phát sáng tối ưu. Các đặc tính cách điện vượt trội của nó giúp giảm thiểu nhiễu tín hiệu và mất điện. Sự kết hợp giữa sapphire và GaN đã dẫn đến sự phát triển của các thiết bị hiệu suất cao, bao gồm đèn LED dựa trên GaN, thống trị thị trường chiếu sáng và màn hình—từ bóng đèn LED gia dụng đến màn hình ngoài trời lớn—cũng như điốt laser được sử dụng trong truyền thông quang học và xử lý laser chính xác.
Tấm wafer GaN trên sapphire của XKH
Mở rộng ranh giới của các ứng dụng bán dẫn
(1) “Lá chắn” trong ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ
Thiết bị trong các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ thường hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Trong không gian, tàu vũ trụ phải chịu nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối, bức xạ vũ trụ mạnh và những thách thức của môi trường chân không. Trong khi đó, máy bay quân sự phải đối mặt với nhiệt độ bề mặt vượt quá 1.000°C do nhiệt độ khí động học trong quá trình bay tốc độ cao, cùng với tải trọng cơ học cao và nhiễu điện từ.
Các đặc tính độc đáo của tinh thể sapphire khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các thành phần quan trọng trong các lĩnh vực này. Khả năng chịu nhiệt độ cao đặc biệt của nó—chịu được tới 2.045°C trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc—đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy dưới ứng suất nhiệt. Độ cứng bức xạ của nó cũng duy trì chức năng trong môi trường vũ trụ và hạt nhân, che chắn hiệu quả các thiết bị điện tử nhạy cảm. Những đặc tính này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi sapphire trong các cửa sổ hồng ngoại (IR) nhiệt độ cao. Trong các hệ thống dẫn đường tên lửa, cửa sổ IR phải duy trì độ trong suốt quang học dưới nhiệt độ và vận tốc cực cao để đảm bảo phát hiện mục tiêu chính xác. Cửa sổ IR dựa trên sapphire kết hợp độ ổn định nhiệt cao với khả năng truyền IR vượt trội, cải thiện đáng kể độ chính xác dẫn đường. Trong hàng không vũ trụ, sapphire bảo vệ các hệ thống quang học vệ tinh, cho phép chụp ảnh rõ nét trong điều kiện quỹ đạo khắc nghiệt.
XKH củacửa sổ quang học sapphire
(2) Nền tảng mới cho siêu dẫn và vi điện tử
Trong siêu dẫn, sapphire đóng vai trò là chất nền không thể thiếu cho màng mỏng siêu dẫn, cho phép dẫn điện không có điện trở—cách mạng hóa truyền tải điện, tàu đệm từ và hệ thống MRI. Màng siêu dẫn hiệu suất cao đòi hỏi chất nền có cấu trúc mạng ổn định và khả năng tương thích của sapphire với các vật liệu như magiê diboride (MgB₂) cho phép phát triển màng có mật độ dòng điện tới hạn và từ trường tới hạn được tăng cường. Ví dụ, cáp điện sử dụng màng siêu dẫn được hỗ trợ bằng sapphire cải thiện đáng kể hiệu suất truyền tải bằng cách giảm thiểu tổn thất năng lượng.
Trong vi điện tử, các chất nền sapphire với các định hướng tinh thể cụ thể—chẳng hạn như mặt phẳng R (<1-102>) và mặt phẳng A (<11-20>)—cho phép các lớp epitaxial silicon được thiết kế riêng cho các mạch tích hợp (IC) tiên tiến. Sapphire mặt phẳng R làm giảm các khuyết tật tinh thể trong các IC tốc độ cao, tăng tốc độ hoạt động và độ ổn định, trong khi các đặc tính cách điện và hằng số điện môi đồng nhất của sapphire mặt phẳng A tối ưu hóa tích hợp vi điện tử lai và siêu dẫn nhiệt độ cao. Các chất nền này hỗ trợ các chip lõi trong cơ sở hạ tầng viễn thông và điện toán hiệu suất cao.
XKH'SMỘTWafer lN-on-NPSS
Tương lai của tinh thể Sapphire trong chất bán dẫn
Sapphire đã chứng minh được giá trị to lớn của mình trên nhiều chất bán dẫn, từ chế tạo chip đến hàng không vũ trụ và siêu dẫn. Khi công nghệ tiến bộ, vai trò của nó sẽ mở rộng hơn nữa. Trong trí tuệ nhân tạo, chip hiệu suất cao, công suất thấp được hỗ trợ bằng sapphire sẽ thúc đẩy những tiến bộ AI trong chăm sóc sức khỏe, giao thông vận tải và tài chính. Trong điện toán lượng tử, các đặc tính vật liệu của sapphire định vị nó là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho tích hợp qubit. Trong khi đó, các thiết bị GaN-on-sapphire sẽ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với phần cứng truyền thông 5G/6G. Trong tương lai, sapphire sẽ vẫn là nền tảng của sự đổi mới chất bán dẫn, thúc đẩy sự tiến bộ công nghệ của nhân loại.
Tấm wafer epitaxial GaN trên sapphire của XKH
XKH cung cấp các cửa sổ quang học sapphire được thiết kế chính xác và các giải pháp wafer GaN-on-sapphire cho các ứng dụng tiên tiến. Tận dụng công nghệ phát triển tinh thể độc quyền và công nghệ đánh bóng nano, chúng tôi cung cấp các cửa sổ sapphire siêu phẳng với khả năng truyền dẫn đặc biệt từ quang phổ UV sang IR, lý tưởng cho các hệ thống hàng không vũ trụ, quốc phòng và laser công suất cao.
Thời gian đăng: 18-04-2025