ספיר זעיר, תומך ב"עתיד הגדול" של מוליכים למחצה

בחיי היומיום, מכשירים אלקטרוניים כמו סמארטפונים ושעונים חכמים הפכו לחברים הכרחיים. מכשירים אלה הופכים דקים יותר ויותר אך חזקים יותר. האם תהיתם פעם מה מאפשר את התפתחותם המתמשכת? התשובה טמונה בחומרי מוליכים למחצה, והיום נתמקד באחד הבולטים שבהם - גביש ספיר.

גביש ספיר, המורכב בעיקר מ-α-Al₂O₃, מורכב משלושה אטומי חמצן ושני אטומי אלומיניום הקשורים קוולנטית ויוצרים מבנה סריג משושה. בעוד שהוא דומה במראהו לספיר בדרגת אבני חן, גבישי ספיר תעשייתיים מדגישים ביצועים מעולים. אינרטי מבחינה כימית, הוא אינו מסיס במים ועמיד בפני חומצות ובסיסים, ופועל כ"מגן כימי" השומר על יציבות בסביבות קשות. בנוסף, הוא מציג שקיפות אופטית מצוינת, המאפשרת העברת אור יעילה; מוליכות תרמית חזקה, המונעת התחממות יתר; ובידוד חשמלי יוצא דופן, המבטיח העברת אות יציבה ללא דליפה. מבחינה מכנית, ספיר מתגאה בקשיות מוס של 9, שנייה רק ​​ליהלום, מה שהופך אותו לעמיד מאוד בפני שחיקה ושחיקה - אידיאלי עבור יישומים תובעניים.

הנשק הסודי בייצור שבבים

(1) חומר מפתח לשבבים בעלי צריכת חשמל נמוכה

ככל שהאלקטרוניקה מגמה לכיוון מזעור וביצועים גבוהים, שבבים בעלי צריכת חשמל נמוכה הפכו קריטיים. שבבים מסורתיים סובלים מפגיעה בבידוד בעוביים ננומטריים, מה שמוביל לדליפת זרם, צריכת חשמל מוגברת והתחממות יתר, מה שפוגע ביציבות ובתוחלת החיים.

חוקרים במכון שנגחאי למיקרו-מערכות וטכנולוגיית מידע (SIMIT) באקדמיה הסינית למדעים, פיתחו פרוסות דיאלקטריות מלאכותיות מספיר באמצעות טכנולוגיית חמצון משולב מתכת, הממירות אלומיניום חד-גבישי לאלומינה חד-גבישית (ספיר). בעובי של 1 ננומטר, חומר זה מציג זרם דליפה נמוך במיוחד, ועולה על ביצועי דיאלקטריים אמורפיים קונבנציונליים בשני סדרי גודל בהפחתת צפיפות המצב ומשפר את איכות הממשק עם מוליכים למחצה דו-ממדיים. שילוב זה עם חומרים דו-ממדיים מאפשר שבבים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה, מאריך משמעותית את חיי הסוללה בסמארטפונים ומשפר את היציבות ביישומי בינה מלאכותית ו-IoT.

(2) השותף המושלם לגאליום ניטריד (GaN)

בתחום המוליכים למחצה, גליום ניטריד (GaN) צץ ככוכב נוצץ בזכות יתרונותיו הייחודיים. כחומר מוליך למחצה בעל פער פס רחב של 3.4 eV - גדול משמעותית מ-1.1 eV של סיליקון - GaN מצטיין ביישומים בטמפרטורה גבוהה, מתח גבוה ותדר גבוה. ניידות האלקטרונים הגבוהה שלו ועוצמת שדה הפריצה הקריטי שלו הופכים אותו לחומר אידיאלי עבור התקנים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה, טמפרטורה גבוהה, תדר גבוה ובהירות גבוהה. באלקטרוניקת הספק, התקנים מבוססי GaN פועלים בתדרים גבוהים יותר עם צריכת אנרגיה נמוכה יותר, ומציעים ביצועים מעולים בהמרת הספק וניהול אנרגיה. בתקשורת מיקרוגל, GaN מאפשר רכיבים בעלי הספק גבוה ותדר גבוה כגון מגברי הספק 5G, ומשפרים את איכות העברת האות ויציבותו.

גביש ספיר נחשב ל"שותף המושלם" עבור GaN. למרות שחוסר התאמה בסריג שלו עם GaN גבוה יותר מזה של סיליקון קרביד (SiC), מצעי ספיר מציגים חוסר התאמה תרמית נמוך יותר במהלך אפיטקסיה של GaN, ומספקים בסיס יציב לצמיחת GaN. בנוסף, המוליכות התרמית והשקיפות האופטית המעולים של ספיר מאפשרות פיזור חום יעיל בהתקני GaN בעלי הספק גבוה, ומבטיחות יציבות תפעולית ויעילות תפוקת אור אופטימלית. תכונות הבידוד החשמלי המעולות שלו ממזערות עוד יותר הפרעות אות ואובדן הספק. השילוב של ספיר ו-GaN הוביל לפיתוח התקנים בעלי ביצועים גבוהים, כולל נורות LED מבוססות GaN, השולטות בשווקי התאורה והתצוגה - מנורות LED ביתיות ועד למסכים חיצוניים גדולים - כמו גם דיודות לייזר המשמשות בתקשורת אופטית ועיבוד לייזר מדויק.

פרוסת GaN על ספיר של XKH

הרחבת גבולות יישומי מוליכים למחצה

(1) ה"מגן" ביישומים צבאיים ותעופה

ציוד ביישומים צבאיים ותעופה פועל לעתים קרובות בתנאים קיצוניים. בחלל, חלליות עומדות בפני טמפרטורות כמעט אפס מוחלט, קרינה קוסמית עזה ואתגרי סביבת ואקום. מטוסים צבאיים, לעומת זאת, מתמודדים עם טמפרטורות פני השטח העולות על 1,000 מעלות צלזיוס עקב חימום אווירודינמי במהלך טיסה במהירות גבוהה, יחד עם עומסים מכניים גבוהים והפרעות אלקטרומגנטיות.

התכונות הייחודיות של גביש הספיר הופכות אותו לחומר אידיאלי עבור רכיבים קריטיים בתחומים אלה. עמידותו יוצאת הדופן בטמפרטורה גבוהה - עמידה עד 2,045 מעלות צלזיוס תוך שמירה על שלמות מבנית - מבטיחה ביצועים אמינים תחת עומס תרמי. קשיות הקרינה שלו גם משמרת פונקציונליות בסביבות קוסמיות וגרעיניות, ומגינה ביעילות על אלקטרוניקה רגישה. תכונות אלה הובילו לשימוש נרחב של ספיר בחלונות אינפרא אדום (IR) בטמפרטורה גבוהה. במערכות הנחיית טילים, חלונות אינפרא אדום חייבים לשמור על בהירות אופטית תחת חום ומהירות קיצוניים כדי להבטיח זיהוי מדויק של מטרה. חלונות אינפרא אדום מבוססי ספיר משלבים יציבות תרמית גבוהה עם העברת אינפרא אדום מעולה, ומשפרים משמעותית את דיוק ההנחיה. בתחום התעופה והחלל, ספיר מגן על מערכות אופטיות של לוויינים, ומאפשר הדמיה ברורה בתנאי מסלול קשים.

XKH'sחלונות אופטיים של ספיר

(2) הקרן החדשה למוליכי-על ומיקרואלקטרוניקה

במוליכות-על, ספיר משמש כמצע הכרחי לשכבות דקות מוליכות-על, המאפשרות הולכה ללא התנגדות - מה שחולל מהפכה בהעברת חשמל, רכבות מגלב ומערכות MRI. שכבות מוליכות-על בעלות ביצועים גבוהים דורשות מצעים עם מבני סריג יציבים, והתאימות של ספיר לחומרים כמו מגנזיום דיבוריד (MgB₂) מאפשרת גידול של שכבות עם צפיפות זרם קריטית משופרת ושדה מגנטי קריטי. לדוגמה, כבלי חשמל המשתמשים בסרטי מוליכות-על הנתמכים על ידי ספיר משפרים באופן דרמטי את יעילות ההולכה על ידי מזעור אובדן אנרגיה.

במיקרואלקטרוניקה, מצעים של ספיר בעלי אוריינטציות קריסטלוגרפיות ספציפיות - כגון מישור R (<1-102>) ומישור A (<11-20>) - מאפשרים שכבות אפיטקסיאליות סיליקון מותאמות אישית עבור מעגלים משולבים (ICs) מתקדמים. ספיר במישור R מפחית פגמי גביש במעגלים משולבים במהירות גבוהה, ומגביר את מהירות הפעולה והיציבות, בעוד שתכונות הבידוד והפרמיטיביות האחידה של ספיר במישור A ממטבות מיקרואלקטרוניקה היברידית ואינטגרציה של מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה. מצעים אלה מהווים בסיס לשבבי ליבה בתשתיות מחשוב וטלקומוניקציה עתירות ביצועים.

XKHשלאפרוסת lN על NPSS

עתיד גביש הספיר במוליכים למחצה

ספיר כבר הוכיחה ערך עצום בכל תחומי המוליכים למחצה, החל מייצור שבבים ועד לחלל ומוליכי-על. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, תפקידה יתרחב עוד יותר. בבינה מלאכותית, שבבים בעלי ביצועים גבוהים וצריכת אנרגיה נמוכה הנתמכים על ידי ספיר יניעו את ההתקדמות בתחום הבינה המלאכותית בתחום הבריאות, התחבורה והפיננסים. במחשוב קוונטי, תכונות החומר של ספיר מציבות אותה כמועמדת מבטיחה לשילוב קיוביטים. בינתיים, התקני GaN על ספיר יעמדו בדרישות הגוברות לחומרת תקשורת 5G/6G. בהמשך, ספיר יישאר אבן יסוד בחדשנות מוליכים למחצה, ותניע את ההתקדמות הטכנולוגית של האנושות.

פרוסת אפיטקסיאלית GaN על ספיר של XKH

XKH מספקת חלונות אופטיים מספיר מהונדסים בדיוק רב ופתרונות GaN-על-ספיר עבור יישומים מתקדמים. תוך מינוף טכנולוגיות קנייניות של צמיחת גבישים וליטוש בקנה מידה ננומטרי, אנו מספקים חלונות ספיר שטוחים במיוחד עם העברה יוצאת דופן מספקטרום UV ל-IR, אידיאליים עבור תעופה וחלל, הגנה ומערכות לייזר בעלות הספק גבוה.