Dalam kehidupan sehari-hari, perangkat elektronik seperti telepon pintar dan jam tangan pintar telah menjadi teman yang sangat diperlukan. Perangkat ini semakin ramping namun semakin kuat. Pernahkah Anda bertanya-tanya apa yang memungkinkan evolusi berkelanjutan mereka? Jawabannya terletak pada bahan semikonduktor, dan hari ini, kami fokus pada salah satu yang paling menonjol di antara semuanya—kristal safir.
Kristal safir, yang utamanya terdiri dari α-Al₂O₃, terdiri dari tiga atom oksigen dan dua atom aluminium yang terikat secara kovalen, membentuk struktur kisi heksagonal. Meskipun penampilannya menyerupai safir bermutu permata, kristal safir industri menekankan kinerja yang unggul. Secara kimiawi inert, safir tidak larut dalam air dan tahan terhadap asam dan basa, 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 isolasi listrik yang luar biasa, memastikan transmisi sinyal yang stabil tanpa kebocoran. Secara mekanis, safir memiliki kekerasan Mohs sebesar 9, kedua setelah berlian, membuatnya 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 kinerja tinggi, chip berdaya rendah menjadi sangat penting. Chip tradisional mengalami degradasi isolasi pada ketebalan skala nano, yang menyebabkan kebocoran arus, peningkatan konsumsi daya, dan panas berlebih, yang membahayakan stabilitas dan masa pakai.
Para peneliti di Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, mengembangkan wafer dielektrik safir buatan menggunakan teknologi oksidasi logam-terinterkalasi, 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 sebanyak dua kali lipat dalam pengurangan kepadatan keadaan dan meningkatkan kualitas antarmuka dengan semikonduktor 2D. Mengintegrasikan ini dengan material 2D memungkinkan chip berdaya rendah, memperpanjang masa pakai baterai secara signifikan di ponsel pintar dan meningkatkan stabilitas dalam aplikasi AI dan IoT.
(2) Mitra Sempurna untuk Gallium Nitride (GaN)
Dalam bidang semikonduktor, galium nitrida (GaN) telah muncul sebagai bintang yang bersinar karena keunggulannya yang unik. Sebagai material semikonduktor dengan celah pita lebar dengan celah pita 3,4 eV—jauh lebih besar dari silikon yang hanya 1,1 eV—GaN unggul dalam aplikasi suhu tinggi, tegangan tinggi, dan frekuensi tinggi. Mobilitas elektronnya yang tinggi dan kekuatan medan tembus kritis menjadikannya material yang 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 "mitra yang sempurna" untuk GaN. Meskipun ketidaksesuaian kisi dengan GaN lebih tinggi daripada silikon karbida (SiC), substrat safir menunjukkan ketidaksesuaian termal yang lebih rendah selama epitaksi GaN, yang menyediakan fondasi yang stabil untuk pertumbuhan GaN. Selain itu, konduktivitas termal dan transparansi optik safir yang sangat baik memfasilitasi pembuangan panas yang efisien dalam perangkat GaN berdaya tinggi, memastikan stabilitas operasional dan efisiensi keluaran cahaya yang optimal. Sifat insulasi listriknya yang unggul semakin meminimalkan gangguan sinyal dan kehilangan daya. Kombinasi safir dan GaN telah mengarah pada pengembangan perangkat berkinerja tinggi, termasuk LED berbasis GaN, yang mendominasi pasar pencahayaan dan tampilan—dari bohlam LED rumah tangga hingga layar luar ruangan yang 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 sering 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 yang melebihi 1.000°C karena pemanasan aerodinamis selama penerbangan berkecepatan tinggi, bersama dengan beban mekanis yang tinggi dan gangguan elektromagnetik.
Sifat unik kristal safir menjadikannya material yang ideal untuk komponen penting di bidang ini. Ketahanannya terhadap suhu tinggi yang luar biasa—dapat bertahan hingga 2.045°C dengan tetap menjaga integritas struktural—memastikan kinerja yang andal di bawah tekanan termal. Kekerasan radiasinya juga menjaga fungsionalitas di lingkungan kosmik dan nuklir, secara efektif melindungi elektronik yang sensitif. Atribut ini telah menyebabkan penggunaan safir secara luas di jendela inframerah (IR) suhu tinggi. Dalam sistem pemandu rudal, jendela IR harus mempertahankan kejernihan optik di bawah panas dan kecepatan ekstrem untuk memastikan deteksi target yang akurat. Jendela IR berbasis safir menggabungkan stabilitas termal yang tinggi dengan transmitansi IR yang unggul, yang secara signifikan meningkatkan presisi pemanduan. Di bidang kedirgantaraan, safir melindungi sistem optik satelit, memungkinkan pencitraan yang jelas dalam kondisi orbit yang keras.
XKH itujendela optik safir
(2) Landasan Baru untuk Superkonduktor dan Mikroelektronika
Dalam superkonduktivitas, safir berfungsi sebagai substrat yang sangat diperlukan untuk lapisan tipis superkonduktor, yang memungkinkan konduksi tanpa hambatan—merevolusi transmisi daya, kereta maglev, dan sistem MRI. Lapisan superkonduktor berkinerja tinggi memerlukan substrat dengan struktur kisi yang stabil, dan kompatibilitas safir dengan bahan seperti magnesium diborida (MgB₂) memungkinkan pertumbuhan lapisan dengan kepadatan arus kritis yang ditingkatkan dan medan magnet kritis. Misalnya, kabel listrik yang menggunakan lapisan superkonduktor yang didukung safir secara dramatis meningkatkan efisiensi transmisi dengan meminimalkan kehilangan energi.
Dalam mikroelektronika, substrat safir dengan orientasi kristalografi tertentu—seperti bidang R (<1-102>) dan bidang A (<11-20>)—memungkinkan lapisan epitaksial silikon yang disesuaikan untuk sirkuit terpadu (IC) tingkat lanjut. 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 mikroelektronika hibrida dan integrasi superkonduktor suhu tinggi. Substrat ini mendukung chip inti dalam komputasi berkinerja tinggi dan infrastruktur telekomunikasi.
XKH'SAWafer lN-pada-NPSS
Masa Depan Kristal Safir dalam Semikonduktor
Safir telah menunjukkan nilai yang sangat besar di seluruh 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 dalam perawatan kesehatan, transportasi, dan keuangan. Dalam komputasi kuantum, sifat material safir memposisikannya sebagai kandidat yang menjanjikan untuk integrasi qubit. Sementara itu, perangkat GaN-on-safir akan memenuhi permintaan yang meningkat untuk perangkat keras komunikasi 5G/6G. Ke depannya, safir akan tetap menjadi landasan inovasi semikonduktor, yang mendukung kemajuan teknologi umat manusia.
Wafer epitaksial GaN-on-safir XKH
XKH menghadirkan jendela optik safir yang direkayasa secara presisi dan solusi wafer GaN pada safir untuk aplikasi mutakhir. Dengan memanfaatkan teknologi pertumbuhan kristal dan pemolesan skala nano yang dipatenkan, kami menyediakan jendela safir yang sangat datar dengan transmisi luar biasa dari spektrum UV ke IR, ideal untuk sistem laser daya tinggi, pertahanan, dan kedirgantaraan.
Waktu posting: 18-Apr-2025