یاقوت کبود کوچک، پشتوانه «آینده بزرگ» نیمه‌رساناها

در زندگی روزمره، دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلفن‌های هوشمند و ساعت‌های هوشمند به همراهان ضروری تبدیل شده‌اند. این دستگاه‌ها به طور فزاینده‌ای باریک‌تر و در عین حال قدرتمندتر می‌شوند. آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید که چه چیزی باعث تکامل مداوم آنها می‌شود؟ پاسخ در مواد نیمه‌هادی نهفته است و امروز، ما بر روی یکی از برجسته‌ترین آنها - کریستال یاقوت کبود - تمرکز می‌کنیم.

کریستال یاقوت کبود، که عمدتاً از α-Al₂O₃ تشکیل شده است، از سه اتم اکسیژن و دو اتم آلومینیوم تشکیل شده است که به صورت کووالانسی به هم پیوند خورده‌اند و یک ساختار شبکه‌ای شش ضلعی را تشکیل می‌دهند. در حالی که از نظر ظاهری شبیه یاقوت کبود درجه جواهر است، کریستال‌های یاقوت کبود صنعتی بر عملکرد برتر تأکید دارند. از نظر شیمیایی بی‌اثر، در آب نامحلول و در برابر اسیدها و قلیاها مقاوم است و به عنوان یک "سپر شیمیایی" عمل می‌کند که پایداری را در محیط‌های سخت حفظ می‌کند. علاوه بر این، شفافیت نوری عالی را نشان می‌دهد که امکان انتقال نور کارآمد را فراهم می‌کند. رسانایی حرارتی قوی، از گرم شدن بیش از حد جلوگیری می‌کند. و عایق الکتریکی برجسته‌ای دارد که انتقال سیگنال پایدار و بدون نشت را تضمین می‌کند. از نظر مکانیکی، یاقوت کبود دارای سختی Mohs 9 است که پس از الماس در رتبه دوم قرار دارد و آن را در برابر سایش و فرسایش بسیار مقاوم می‌کند - ایده‌آل برای کاربردهای دشوار.

سلاح مخفی در تولید تراشه

(1) ماده کلیدی برای تراشه‌های کم‌مصرف

با گرایش الکترونیک به سمت کوچک‌سازی و عملکرد بالا، تراشه‌های کم‌مصرف به امری حیاتی تبدیل شده‌اند. تراشه‌های سنتی در ضخامت‌های نانومقیاس از تخریب عایق رنج می‌برند که منجر به نشت جریان، افزایش مصرف برق و گرمای بیش از حد می‌شود که پایداری و طول عمر را به خطر می‌اندازد.

محققان موسسه میکروسیستم و فناوری اطلاعات شانگهای (SIMIT)، آکادمی علوم چین، ویفرهای دی‌الکتریک یاقوت کبود مصنوعی را با استفاده از فناوری اکسیداسیون بین لایه‌ای فلز توسعه دادند و آلومینیوم تک کریستالی را به آلومینای تک کریستالی (یاقوت کبود) تبدیل کردند. این ماده با ضخامت ۱ نانومتر، جریان نشتی فوق‌العاده کمی از خود نشان می‌دهد و در کاهش چگالی حالت و بهبود کیفیت رابط با نیمه‌رساناهای دوبعدی، دو برابر از دی‌الکتریک‌های آمورف معمولی بهتر عمل می‌کند. ادغام این ماده با مواد دوبعدی، تراشه‌های کم‌مصرف را امکان‌پذیر می‌کند، عمر باتری را در تلفن‌های هوشمند به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و پایداری را در کاربردهای هوش مصنوعی و اینترنت اشیا افزایش می‌دهد.

(2) شریک ایده‌آل برای گالیوم نیترید (GaN)

در حوزه نیمه‌هادی‌ها، نیترید گالیوم (GaN) به دلیل مزایای منحصر به فردش به عنوان یک ستاره درخشان ظاهر شده است. GaN به عنوان یک ماده نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع با شکاف باند 3.4 eV - که به طور قابل توجهی بزرگتر از 1.1 eV سیلیکون است - در کاربردهای دما بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا بسیار عالی عمل می‌کند. تحرک بالای الکترون و قدرت میدان شکست بحرانی آن، آن را به یک ماده ایده‌آل برای دستگاه‌های الکترونیکی با توان بالا، دما بالا، فرکانس بالا و روشنایی بالا تبدیل می‌کند. در الکترونیک قدرت، دستگاه‌های مبتنی بر GaN در فرکانس‌های بالاتر با مصرف انرژی کمتر کار می‌کنند و عملکرد برتر در تبدیل توان و مدیریت انرژی را ارائه می‌دهند. در ارتباطات مایکروویو، GaN امکان ساخت اجزای با توان بالا و فرکانس بالا مانند تقویت‌کننده‌های توان 5G را فراهم می‌کند و کیفیت و پایداری انتقال سیگنال را افزایش می‌دهد.

کریستال یاقوت کبود به عنوان "شریک بی‌نقص" برای GaN در نظر گرفته می‌شود. اگرچه عدم تطابق شبکه آن با GaN بیشتر از کاربید سیلیکون (SiC) است، اما زیرلایه‌های یاقوت کبود در طول اپیتاکسی GaN عدم تطابق حرارتی کمتری نشان می‌دهند و پایه پایداری برای رشد GaN فراهم می‌کنند. علاوه بر این، رسانایی حرارتی عالی و شفافیت نوری یاقوت کبود، اتلاف حرارت کارآمد را در دستگاه‌های GaN با توان بالا تسهیل می‌کند و پایداری عملیاتی و راندمان بهینه نور خروجی را تضمین می‌کند. خواص عایق الکتریکی برتر آن، تداخل سیگنال و اتلاف توان را بیشتر به حداقل می‌رساند. ترکیب یاقوت کبود و GaN منجر به توسعه دستگاه‌های با کارایی بالا، از جمله LED های مبتنی بر GaN شده است که بر بازارهای روشنایی و نمایشگر - از لامپ‌های LED خانگی گرفته تا صفحه نمایش‌های بزرگ در فضای باز - و همچنین دیودهای لیزری مورد استفاده در ارتباطات نوری و پردازش دقیق لیزر تسلط دارند.

ویفر GaN روی یاقوت کبود XKH

گسترش مرزهای کاربردهای نیمه‌هادی

(1) «سپر» در کاربردهای نظامی و هوافضا

تجهیزات در کاربردهای نظامی و هوافضا اغلب تحت شرایط بسیار سختی کار می‌کنند. در فضا، فضاپیماها دمای نزدیک به صفر مطلق، تابش شدید کیهانی و چالش‌های محیط خلأ را تحمل می‌کنند. در همین حال، هواپیماهای نظامی به دلیل گرمایش آیرودینامیکی در طول پرواز با سرعت بالا، همراه با بارهای مکانیکی بالا و تداخل الکترومغناطیسی، با دمای سطح بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد مواجه هستند.

خواص منحصر به فرد کریستال یاقوت کبود، آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای اجزای حیاتی در این زمینه‌ها تبدیل کرده است. مقاومت استثنایی آن در برابر دمای بالا - تحمل تا 2045 درجه سانتیگراد در عین حفظ یکپارچگی ساختاری - عملکرد قابل اعتمادی را در شرایط تنش حرارتی تضمین می‌کند. سختی تابشی آن همچنین عملکرد را در محیط‌های کیهانی و هسته‌ای حفظ می‌کند و به طور مؤثر از قطعات الکترونیکی حساس محافظت می‌کند. این ویژگی‌ها منجر به استفاده گسترده یاقوت کبود در پنجره‌های مادون قرمز (IR) با دمای بالا شده است. در سیستم‌های هدایت موشک، پنجره‌های IR باید وضوح نوری را در گرما و سرعت شدید حفظ کنند تا تشخیص دقیق هدف تضمین شود. پنجره‌های IR مبتنی بر یاقوت کبود، پایداری حرارتی بالا را با انتقال IR برتر ترکیب می‌کنند و دقت هدایت را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشند. در هوافضا، یاقوت کبود از سیستم‌های نوری ماهواره محافظت می‌کند و تصویربرداری واضح را در شرایط سخت مداری امکان‌پذیر می‌سازد.

XKHپنجره‌های نوری یاقوت کبود

(2) بنیاد جدید برای ابررساناها و میکروالکترونیک

در ابررسانایی، یاقوت کبود به عنوان یک زیرلایه ضروری برای لایه‌های نازک ابررسانا عمل می‌کند که رسانایی با مقاومت صفر را امکان‌پذیر می‌سازد - انقلابی در انتقال قدرت، قطارهای مغناطیسی و سیستم‌های MRI. لایه‌های ابررسانای با کارایی بالا به زیرلایه‌هایی با ساختارهای شبکه‌ای پایدار نیاز دارند و سازگاری یاقوت کبود با موادی مانند دی‌بورید منیزیم (MgB₂) امکان رشد لایه‌هایی با چگالی جریان بحرانی و میدان مغناطیسی بحرانی افزایش یافته را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، کابل‌های برق با استفاده از لایه‌های ابررسانای پشتیبانی شده با یاقوت کبود، با به حداقل رساندن اتلاف انرژی، راندمان انتقال را به طرز چشمگیری بهبود می‌بخشند.

در میکروالکترونیک، زیرلایه‌های یاقوت کبود با جهت‌گیری‌های کریستالوگرافی خاص - مانند صفحه R (<1-102>) و صفحه A (<11-20>) - لایه‌های اپیتاکسیال سیلیکونی سفارشی را برای مدارهای مجتمع پیشرفته (IC) امکان‌پذیر می‌کنند. یاقوت کبود صفحه R نقص‌های کریستالی را در ICهای پرسرعت کاهش می‌دهد و سرعت و پایداری عملیاتی را افزایش می‌دهد، در حالی که خواص عایق‌بندی و گذردهی یکنواخت یاقوت کبود صفحه A، میکروالکترونیک هیبریدی و ادغام ابررساناهای دمای بالا را بهینه می‌کند. این زیرلایه‌ها زیربنای تراشه‌های اصلی در محاسبات با کارایی بالا و زیرساخت‌های مخابراتی هستند.

XKHهاالفویفر lN-on-NPSS

آینده کریستال یاقوت کبود در نیمه هادی ها

یاقوت کبود پیش از این ارزش بسیار زیادی را در نیمه‌هادی‌ها، از ساخت تراشه گرفته تا هوافضا و ابررساناها، نشان داده است. با پیشرفت فناوری، نقش آن بیشتر گسترش خواهد یافت. در هوش مصنوعی، تراشه‌های کم‌مصرف و با کارایی بالا که از یاقوت کبود پشتیبانی می‌کنند، پیشرفت‌های هوش مصنوعی را در مراقبت‌های بهداشتی، حمل و نقل و امور مالی هدایت خواهند کرد. در محاسبات کوانتومی، خواص مواد یاقوت کبود آن را به عنوان یک کاندیدای امیدوارکننده برای ادغام کیوبیت قرار می‌دهد. در همین حال، دستگاه‌های GaN روی یاقوت کبود، تقاضاهای فزاینده برای سخت‌افزار ارتباطی 5G/6G را برآورده می‌کنند. در آینده، یاقوت کبود سنگ بنای نوآوری نیمه‌هادی خواهد بود و پیشرفت فناوری بشریت را تقویت می‌کند.

ویفر اپیتاکسیال GaN روی یاقوت کبود XKH

XKH پنجره‌های نوری یاقوت کبود با مهندسی دقیق و راه‌حل‌های ویفر GaN روی یاقوت کبود را برای کاربردهای پیشرفته ارائه می‌دهد. ما با بهره‌گیری از فناوری‌های رشد کریستال اختصاصی و پرداخت نانومقیاس، پنجره‌های یاقوت کبود فوق تخت با انتقال استثنایی از طیف‌های UV به IR را ارائه می‌دهیم که برای هوافضا، دفاع و سیستم‌های لیزر پرقدرت ایده‌آل هستند.