Le minuscule cristal de saphir propulse le " grand avenir " des semi-conducteurs

Le minuscule cristal de saphir propulse le " grand avenir " des semi-conducteurs

Dans notre vie quotidienne, les appareils électroniques tels que les téléphones portables et les montres intelligentes sont devenus nos compagnons inséparables.Ces appareils deviennent de plus en plus minces et légers tout en offrant des fonctionnalités plus puissantesVous êtes-vous déjà demandé ce qui se cache derrière leur évolution continue? La réponse est les matériaux semi-conducteurs, et aujourd'hui, nous allons nous concentrer sur l'un des meilleurs performants dans ce domaine: le cristal de saphir.

Le cristal de saphir, principalement composé d'α-Al2O3, est formé par la combinaison de trois atomes d'oxygène et de deux atomes d'aluminium par liaison covalente, ce qui donne une structure cristalline hexagonale.VisuellementCependant, en tant que matériau semi-conducteur, le cristal de saphir est plus apprécié pour ses excellentes propriétés.Il présente une stabilité chimique remarquable., généralement insoluble dans l'eau et résistant à la corrosion par les acides et les bases, agissant comme un "gardien de la protection chimique" qui maintient ses caractéristiques dans divers environnements chimiques.En plus, il possède une bonne transmittance lumineuse, permettant à la lumière de passer en douceur; excellente conductivité thermique, qui aide à dissiper rapidement la chaleur pour empêcher les appareils de "surchauffer";et une isolation électrique exceptionnelleEn outre, le cristal de saphir possède d'excellentes propriétés mécaniques, avec une dureté de neuf sur l'échelle de Mohs,Seconde après le diamant dans la nature, ce qui le rend très résistant à l'usure et à l'érosion, et capable de "rester ferme" dans divers environnements complexes.

L'"arme secrète" de la fabrication de puces

(I) Matériau clé pour les puces à faible puissance

Aujourd'hui, les appareils électroniques évoluent rapidement vers la miniaturisation et les performances élevées.et les écouteurs sans fil devraient avoir une durée de vie plus longue de la batterie et un fonctionnement plus rapideLes puces traditionnelles, au fur et à mesure que le nombre de transistors augmente et que leur taille diminue, deviennent de plus en plus difficiles à utiliser.une diminution des performances d'isolation des matériaux diélectriques à l'échelle nanométrique, ce qui entraîne une fuite de courant, une consommation d'énergie accrue, un chauffage sévère de l'appareil et une stabilité et une durée de vie réduites.

L'équipe de recherche de l'Institut de Shanghai des Microsystèmes et de la Technologie de l'Information de l'Académie chinoise des Sciences a, après des années de recherche dédiée,des plaquettes diélectriques en saphir artificiel développées avec succès, fournissant un appui technique solide pour le développement de puces à faible consommation.Ils ont employé une technique d'oxydation d'intercalation métallique innovante pour oxyder l'aluminium monocristallin en oxyde d'aluminium monocristallinCe matériau atteint un courant de fuite extrêmement faible à une épaisseur de 1 nanomètre, résolvant efficacement les défis auxquels sont confrontés les matériaux diélectriques traditionnels.Comparé aux matériaux diélectriques amorphes traditionnels, les plaquettes diélectriques artificielles en saphir présentent des avantages significatifs en termes de structure et de performances électroniques,avec une densité d'état réduite de deux ordres de grandeur et des interfaces grandement améliorées avec des matériaux semi-conducteurs bidimensionnelsL'équipe de recherche a utilisé ce matériau en combinaison avec des matériaux bidimensionnels pour fabriquer avec succès des dispositifs à puce de faible puissance.amélioration significative de la durée de vie de la batterie et de l'efficacité opérationnelle des pucesCette réalisation signifie que pour les smartphones, la durée de vie de la batterie sera considérablement prolongée, éliminant le besoin de recharger fréquemment; pour des domaines tels que l'intelligence artificielle et l'Internet des objets, la durée de vie de la batterie sera considérablement augmentée.Les puces à faible consommation permettront un fonctionnement plus stable et plus durable de l'appareil, ce qui favorise un développement plus rapide dans ces zones.

(II) Le "partenaire parfait" du nitrure de gallium

Dans le domaine des semi-conducteurs, le nitrure de gallium (GaN) se distingue comme une étoile brillante en raison de ses avantages uniques.beaucoup plus grande que celle du silicium 1.1eV, GaN excelle dans les applications à haute température, haute tension et haute fréquence, offrant une grande mobilité électronique et une résistance au champ électrique de décomposition,ce qui en fait un matériau idéal pour la fabrication de haute puissancePar exemple, dans le domaine de l'électronique de puissance, les dispositifs de puissance GaN fonctionnent à des fréquences plus élevées avec une consommation d'énergie plus faible,offrant des avantages significatifs en matière de conversion de puissance et de gestion de la qualité de l'énergieDans le domaine des communications micro-ondes, le GaN est utilisé pour la fabrication de dispositifs de communication micro-ondes de haute puissance et haute fréquence, tels que les amplificateurs de puissance dans les communications mobiles 5G,qui améliorent la qualité et la stabilité de la transmission du signal.

Le cristal de saphir et le nitrure de gallium sont des partenaires parfaits.les substrats de saphir présentent une disparité thermique plus faible lors de l'épitaxie du GaN, fournissant une base stable à la croissance du GaN.la bonne conductivité thermique et la transparence optique du cristal de saphir lui permettent de dissiper rapidement la chaleur pendant le fonctionnement à haute température des appareils GaNEn outre, l'excellente isolation électrique du cristal de saphir réduit efficacement les interférences du signal et les pertes de puissance.à base de cristal de saphir et de nitrure de galliumDans le domaine des LED, les LED à base de GaN sont devenues le courant dominant du marché, largement utilisées dans les applications d'éclairage et d'affichage,des ampoules LED ménagères aux grands écrans extérieursLes lasers jouent également un rôle important dans les communications optiques et le traitement laser.

Élargir les limites des applications des semi-conducteurs

(I) Le "bouclier" dans les domaines militaire et aérospatial

Les équipements militaires et aérospatiaux fonctionnent souvent dans des environnements extrêmement difficiles.et les défis posés par les environnements sous videLes équipements militaires, tels que les avions de combat, subissent des températures supérieures à 1000°C en raison du frottement de l'air lors d'un vol à grande vitesse, ainsi qu'une surcharge élevée et de fortes interférences électromagnétiques.

Le cristal de saphir, avec ses propriétés uniques, est un matériau idéal pour les composants critiques dans ces domaines.pouvant résister à des températures allant jusqu'à 2045°C tout en conservant la stabilité structurelle sans déformation ni fusionEn outre, sa forte résistance aux rayonnements signifie que dans les environnements de rayonnement cosmique et nucléaire,Les performances du cristal de saphir restent pratiquement inchangées., protégeant efficacement les composants électroniques internes.

En raison de ces caractéristiques, le cristal de saphir est largement utilisé dans la fabrication de fenêtres infrarouges résistantes aux températures élevées. 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 signalsLes fenêtres infrarouges à base de cristaux de saphir résistent non seulement aux températures élevées, mais assurent également une transmission de lumière infrarouge élevée, améliorant considérablement la précision de guidage du missile.Dans le domaine de l'aérospatiale, l'équipement optique par satellite s'appuie également sur le cristal de saphir, ce qui assure une protection stable des instruments optiques dans des environnements spatiaux difficiles et des images satellites claires et précises.

(II) La "nouvelle fondation" de la supraconductivité et de la microélectronique

Dans le domaine de la supraconductivité, le cristal de saphir sert de substrat indispensable pour les films supraconducteurs.trains à lévitation magnétique, et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, permettant une conduction électrique à résistance zéro et réduisant considérablement les pertes d'énergie.la préparation de films supraconducteurs à haute performance nécessite des matériaux de substrat de haute qualitéLa structure cristalline stable du cristal de saphir et la bonne correspondance du réseau avec les matériaux supraconducteurs fournissent une base stable pour la croissance du film supraconducteur.En cultivant des matériaux supraconducteurs comme MgB2 (diborure de magnésium) sur le cristal de saphir., des films supraconducteurs de haute qualité peuvent être préparés, avec des améliorations significatives de la densité de courant critique et des indicateurs de performance du champ magnétique critique.l'utilisation de films supraconducteurs à base de substrats de saphir pour les câbles peut grandement améliorer l'efficacité de la transmission de puissance et réduire les pertes d'énergie pendant la transmission.

Dans le domaine des circuits intégrés de la microélectronique, le cristal de saphir joue également un rôle important.,Ces caractéristiques permettent d'obtenir des couches épitaxiales de silicium dotées de propriétés électriques spécifiques.Les substrats en saphir à plan R sont couramment utilisés dans les circuits intégrés à grande vitesse, fournissant une bonne correspondance de grille pour les couches épitaxiales de silicium, réduisant les défauts cristallins et améliorant ainsi la vitesse et la stabilité du circuit intégré.en raison de leurs caractéristiques d'isolation élevées et de capacité uniforme, sont largement utilisés dans la technologie de la microélectronique hybride.Ils servent non seulement de substrats de croissance pour les supraconducteurs à haute température, mais aident également à optimiser la disposition des circuits dans la conception de circuits intégrésLes appareils électroniques haut de gamme, tels que les puces de base des ordinateurs hautes performances et des stations de base de communication, sont dotés de substrats en saphir.fournir un soutien solide au développement de la technologie de la microélectronique.

Le projet futur du cristal de saphir

Le cristal de saphir a déjà démontré une valeur d'application significative dans le domaine des semi-conducteurs, jouant un rôle indispensable dans la fabrication de puces, les applications militaires et aérospatiales,supraconductivitéLa technologie continue de progresser et le cristal de saphir devrait faire des percées dans de nombreux domaines à l'avenir.la demande pour les performances des puces continue d'augmenterLe cristal de saphir, comme matériau clé, est utilisé pour la fabrication de puces.Il est attendu qu'il favorise le développement de puces d'intelligence artificielle et favorise des applications plus larges de la technologie d'IA dans des domaines tels que la santé.Dans le domaine de l'informatique quantique, bien que encore à ses débuts, les excellentes propriétés du cristal de saphir en font un matériau potentiel pour les puces quantiques.le soutien des avancées technologiques en informatique quantique.

ZMSH est spécialisée dans les fenêtres optiques en saphir haut de gamme et les plaquettes épitaxiales GaN-sur-saphir conçues pour des applications critiques.Nos fenêtres en saphir combinent une durabilité militaire et une perfection optique., présentant une rugosité de surface inférieure à angstrom pour une transmission de la lumière supérieure dans des environnements extrêmes.La plateforme GaN-on-sapphire atteint des performances révolutionnaires avec notre technologie exclusive de réduction des défauts, offrant une densité de dislocation de 3 E6/cm2 pour les appareils RF et optoélectroniques de haute puissance.Le ZMSH permet aux clients de repousser les limites de la photonie et des performances électroniques de puissance.

La plaquette épitaxielle AlN-on-Sapphire de ZMSH