Dalam kehidupan sehari-hari, perangkat elektronik seperti ponsel pintar dan jam tangan pintar telah menjadi teman yang tak terpisahkan. Perangkat-perangkat ini semakin ramping namun tetap bertenaga. Pernahkah Anda bertanya-tanya apa yang memungkinkan evolusi berkelanjutan mereka? Jawabannya terletak pada material semikonduktor, dan hari ini, kami akan fokus pada salah satu yang paling menonjol di antaranya—kristal safir.
Kristal safir, yang utamanya tersusun dari α-Al₂O₃, terdiri dari tiga atom oksigen dan dua atom aluminium yang terikat secara kovalen, membentuk struktur kisi heksagonal. Meskipun penampilannya menyerupai safir kualitas permata, kristal safir industri menekankan kinerja yang unggul. Secara kimiawi inert, safir tidak larut dalam air dan tahan terhadap asam dan alkali, bertindak sebagai "perisai kimia" yang menjaga stabilitas di lingkungan yang keras. Selain itu, safir menunjukkan transparansi optik yang sangat baik, memungkinkan transmisi cahaya yang efisien; konduktivitas termal yang kuat, mencegah panas berlebih; dan insulasi listrik yang luar biasa, memastikan transmisi sinyal yang stabil tanpa kebocoran. Secara mekanis, safir memiliki kekerasan Mohs 9, kedua setelah berlian, sehingga sangat tahan aus dan erosi—ideal untuk aplikasi yang menuntut.
Senjata Rahasia dalam Pembuatan Chip
(1) Bahan Utama untuk Chip Daya Rendah
Seiring tren elektronik menuju miniaturisasi dan performa tinggi, chip berdaya rendah menjadi sangat penting. Chip tradisional mengalami degradasi isolasi pada ketebalan nano, yang menyebabkan kebocoran arus, peningkatan konsumsi daya, dan panas berlebih, yang mengurangi stabilitas dan masa pakai.
Para peneliti di Institut Mikrosistem dan Teknologi Informasi Shanghai (SIMIT), Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, mengembangkan wafer dielektrik safir buatan menggunakan teknologi oksidasi interkalasi logam, yang mengubah aluminium kristal tunggal menjadi alumina kristal tunggal (safir). Dengan ketebalan 1 nm, material ini menunjukkan arus bocor yang sangat rendah, mengungguli dielektrik amorf konvensional dengan dua kali lipat dalam hal reduksi kerapatan keadaan dan meningkatkan kualitas antarmuka dengan semikonduktor 2D. Integrasi ini dengan material 2D memungkinkan terciptanya chip berdaya rendah, yang secara signifikan memperpanjang masa pakai baterai ponsel pintar, dan meningkatkan stabilitas dalam aplikasi AI dan IoT.
(2) Mitra Sempurna untuk Gallium Nitride (GaN)
Di bidang semikonduktor, galium nitrida (GaN) telah muncul sebagai bintang yang cemerlang berkat keunggulannya yang unik. Sebagai material semikonduktor dengan celah pita lebar 3,4 eV—jauh lebih besar daripada silikon yang hanya 1,1 eV—GaN unggul dalam aplikasi suhu, tegangan, dan frekuensi tinggi. Mobilitas elektronnya yang tinggi dan kekuatan medan tembus kritisnya menjadikannya material ideal untuk perangkat elektronik berdaya tinggi, bersuhu tinggi, berfrekuensi tinggi, dan berkecerahan tinggi. Dalam elektronika daya, perangkat berbasis GaN beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dengan konsumsi energi yang lebih rendah, menawarkan kinerja yang unggul dalam konversi daya dan manajemen energi. Dalam komunikasi gelombang mikro, GaN memungkinkan komponen berdaya tinggi dan berfrekuensi tinggi seperti penguat daya 5G, yang meningkatkan kualitas dan stabilitas transmisi sinyal.
Kristal safir dianggap sebagai "pasangan sempurna" untuk GaN. Meskipun ketidakcocokan kisinya dengan GaN lebih tinggi daripada silikon karbida (SiC), substrat safir menunjukkan ketidakcocokan termal yang lebih rendah selama epitaksi GaN, sehingga memberikan fondasi yang stabil untuk pertumbuhan GaN. Selain itu, konduktivitas termal dan transparansi optik safir yang sangat baik memfasilitasi pembuangan panas yang efisien pada perangkat GaN berdaya tinggi, memastikan stabilitas operasional dan efisiensi keluaran cahaya yang optimal. Sifat insulasi listriknya yang unggul semakin meminimalkan interferensi sinyal dan kehilangan daya. Kombinasi safir dan GaN telah menghasilkan pengembangan perangkat berkinerja tinggi, termasuk LED berbasis GaN, yang mendominasi pasar pencahayaan dan tampilan—mulai dari bohlam LED rumah tangga hingga layar luar ruangan besar—serta dioda laser yang digunakan dalam komunikasi optik dan pemrosesan laser presisi.
Wafer GaN pada safir XKH
Memperluas Batasan Aplikasi Semikonduktor
(1) “Perisai” dalam Aplikasi Militer dan Dirgantara
Peralatan dalam aplikasi militer dan kedirgantaraan seringkali beroperasi dalam kondisi ekstrem. Di luar angkasa, pesawat ruang angkasa menghadapi suhu mendekati nol mutlak, radiasi kosmik yang intens, dan tantangan lingkungan vakum. Sementara itu, pesawat militer menghadapi suhu permukaan melebihi 1.000°C akibat pemanasan aerodinamis selama penerbangan berkecepatan tinggi, beserta beban mekanis yang tinggi dan interferensi elektromagnetik.
Sifat unik kristal safir menjadikannya material ideal untuk komponen-komponen penting di bidang ini. Ketahanannya yang luar biasa terhadap suhu tinggi—hingga 2.045°C dengan tetap mempertahankan integritas struktural—memastikan kinerja yang andal di bawah tekanan termal. Kekerasan radiasinya juga menjaga fungsionalitas di lingkungan kosmik dan nuklir, sehingga secara efektif melindungi perangkat elektronik yang sensitif. Atribut-atribut ini telah menyebabkan safir digunakan secara luas dalam jendela inframerah (IR) suhu tinggi. Dalam sistem pemandu rudal, jendela IR harus mempertahankan kejernihan optik di bawah suhu dan kecepatan ekstrem untuk memastikan deteksi target yang akurat. Jendela IR berbasis safir menggabungkan stabilitas termal yang tinggi dengan transmitansi IR yang superior, sehingga meningkatkan presisi pemandu secara signifikan. Dalam bidang kedirgantaraan, safir melindungi sistem optik satelit, memungkinkan pencitraan yang jernih dalam kondisi orbit yang keras.
XKH'sjendela optik safir
(2) Yayasan Baru untuk Superkonduktor dan Mikroelektronika
Dalam superkonduktivitas, safir berfungsi sebagai substrat penting untuk film tipis superkonduktor, yang memungkinkan konduksi tanpa hambatan—merevolusi transmisi daya, kereta maglev, dan sistem MRI. Film superkonduktor berkinerja tinggi membutuhkan substrat dengan struktur kisi yang stabil, dan kompatibilitas safir dengan material seperti magnesium diborida (MgB₂) memungkinkan pertumbuhan film dengan kerapatan arus kritis dan medan magnet kritis yang lebih tinggi. Misalnya, kabel listrik yang menggunakan film superkonduktor berbahan safir secara dramatis meningkatkan efisiensi transmisi dengan meminimalkan kehilangan energi.
Dalam mikroelektronika, substrat safir dengan orientasi kristalografi spesifik—seperti bidang R (<1-102>) dan bidang A (<11-20>)—memungkinkan lapisan epitaksial silikon yang dirancang khusus untuk sirkuit terpadu (IC) canggih. Safir bidang R mengurangi cacat kristal pada IC berkecepatan tinggi, meningkatkan kecepatan dan stabilitas operasional, sementara sifat isolasi dan permitivitas seragam safir bidang A mengoptimalkan integrasi mikroelektronika hibrida dan superkonduktor suhu tinggi. Substrat ini menopang chip inti dalam komputasi kinerja tinggi dan infrastruktur telekomunikasi.
XKH'SAWafer lN-on-NPSS
Masa Depan Kristal Safir dalam Semikonduktor
Safir telah menunjukkan nilai yang luar biasa di berbagai semikonduktor, mulai dari fabrikasi chip hingga kedirgantaraan dan superkonduktor. Seiring kemajuan teknologi, perannya akan semakin meluas. Dalam kecerdasan buatan, chip berdaya rendah dan berkinerja tinggi yang didukung safir akan mendorong kemajuan AI di bidang kesehatan, transportasi, dan keuangan. Dalam komputasi kuantum, sifat material safir memposisikannya sebagai kandidat yang menjanjikan untuk integrasi qubit. Sementara itu, perangkat GaN pada safir akan memenuhi permintaan perangkat keras komunikasi 5G/6G yang terus meningkat. Ke depannya, safir akan tetap menjadi landasan inovasi semikonduktor, yang mendorong kemajuan teknologi umat manusia.
Wafer epitaksial GaN-pada-safir XKH
XKH menghadirkan jendela optik safir yang direkayasa secara presisi dan solusi wafer GaN-on-safir untuk aplikasi mutakhir. Dengan memanfaatkan teknologi pertumbuhan kristal dan pemolesan nanoskala yang telah dipatenkan, kami menyediakan jendela safir ultra-datar dengan transmisi luar biasa dari spektrum UV ke IR, ideal untuk sistem kedirgantaraan, pertahanan, dan laser berdaya tinggi.
Waktu posting: 18-Apr-2025