แซฟไฟร์จิ๋ว สนับสนุน “อนาคตอันยิ่งใหญ่” ของเซมิคอนดักเตอร์

ในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างสมาร์ทโฟนและสมาร์ทวอทช์กลายเป็นเพื่อนคู่ใจที่ขาดไม่ได้ อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดบางลงเรื่อยๆ แต่ทรงพลังขึ้น คุณเคยสงสัยไหมว่าอะไรที่ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่อง คำตอบอยู่ที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ และวันนี้ เราจะมาเจาะลึกถึงวัสดุที่โดดเด่นที่สุดชนิดหนึ่ง นั่นคือ คริสตัลแซฟไฟร์

คริสตัลแซฟไฟร์ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วย α-Al₂O₃ ประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนสามอะตอมและอะตอมอะลูมิเนียมสองอะตอมที่ยึดติดกันอย่างโควาเลนต์ ก่อเป็นโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยม แม้จะมีรูปลักษณ์คล้ายแซฟไฟร์เกรดอัญมณี แต่คริสตัลแซฟไฟร์สำหรับอุตสาหกรรมกลับเน้นย้ำถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่า แซฟไฟร์เฉื่อยทางเคมี ไม่ละลายน้ำ ทนทานต่อกรดและด่าง ทำหน้าที่เป็น “เกราะป้องกันทางเคมี” ที่รักษาเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ ยังมีความโปร่งใสทางแสงที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้แสงผ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีคุณสมบัตินำความร้อนสูง ป้องกันความร้อนสูงเกินไป และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้การส่งสัญญาณมีเสถียรภาพโดยไม่รั่วไหล ในทางกลไก แซฟไฟร์มีความแข็งระดับโมห์ส 9 ซึ่งเป็นรองเพียงเพชร ทำให้ทนทานต่อการสึกหรอและการกัดเซาะสูง เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง

อาวุธลับในการผลิตชิป

(1) วัสดุหลักสำหรับชิปพลังงานต่ำ

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมุ่งสู่การย่อส่วนและประสิทธิภาพสูง ชิปพลังงานต่ำจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญ ชิปแบบดั้งเดิมมักมีปัญหาการเสื่อมสภาพของฉนวนที่ความหนาระดับนาโน ทำให้เกิดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้า การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น และความร้อนสูงเกินไป ซึ่งส่งผลต่อความเสถียรและอายุการใช้งาน

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีสารสนเทศและไมโครซิสเต็มเซี่ยงไฮ้ (SIMIT) สังกัดสถาบันวิทยาศาสตร์จีน ได้พัฒนาเวเฟอร์ไดอิเล็กทริกแซฟไฟร์เทียมโดยใช้เทคโนโลยีออกซิเดชันแบบแทรกสอดโลหะ ซึ่งแปลงอะลูมิเนียมผลึกเดี่ยวให้เป็นอะลูมินาผลึกเดี่ยว (แซฟไฟร์) ด้วยความหนาเพียง 1 นาโนเมตร วัสดุนี้แสดงกระแสไฟฟ้ารั่วที่ต่ำมาก มีประสิทธิภาพเหนือกว่าไดอิเล็กทริกอะมอร์ฟัสทั่วไปถึงสองเท่าในด้านการลดความหนาแน่นของสถานะ และปรับปรุงคุณภาพอินเทอร์เฟซกับเซมิคอนดักเตอร์แบบ 2 มิติ การผสมผสานคุณสมบัตินี้เข้ากับวัสดุ 2 มิติ ช่วยให้ชิปใช้พลังงานต่ำ ช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ในสมาร์ทโฟนได้อย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มความเสถียรในการใช้งาน AI และ IoT

(2) คู่หูที่สมบูรณ์แบบสำหรับแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

ในวงการเซมิคอนดักเตอร์ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้กลายเป็นดาวเด่นด้วยข้อได้เปรียบอันโดดเด่นของมัน ในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แก๊ปกว้าง (wide bandgap) ที่มีค่าแบนด์แก๊ป 3.4 eV ซึ่งมากกว่าซิลิคอนที่ 1.1 eV อย่างมาก GaN จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่สูง ด้วยความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงและความเข้มของสนามไฟฟ้าวิกฤต (critical breakdown field) ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง อุณหภูมิสูง ความถี่สูง และความสว่างสูง ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์ที่ใช้ GaN ทำงานที่ความถี่สูงกว่าโดยใช้พลังงานน้อยกว่า จึงให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในการแปลงพลังงานและการจัดการพลังงาน ในการสื่อสารผ่านไมโครเวฟ GaN ช่วยให้อุปกรณ์กำลังสูงและความถี่สูง เช่น เครื่องขยายสัญญาณ 5G สามารถปรับปรุงคุณภาพและเสถียรภาพในการส่งสัญญาณได้

คริสตัลแซฟไฟร์ถือเป็น "คู่หูที่สมบูรณ์แบบ" สำหรับ GaN แม้ว่าโครงสร้างผลึกที่ไม่ตรงกับ GaN จะสูงกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) แต่ซับสเตรตแซฟไฟร์จะแสดงโครงสร้างผลึกที่ไม่ตรงกับความร้อนต่ำกว่าในช่วงอิพิแทกซี GaN ซึ่งทำให้ GaN มีพื้นฐานที่มั่นคง นอกจากนี้ คุณสมบัติการนำความร้อนและความโปร่งใสทางแสงที่ยอดเยี่ยมของแซฟไฟร์ยังช่วยให้การระบายความร้อนมีประสิทธิภาพในอุปกรณ์ GaN กำลังสูง ช่วยให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพในการทำงานและประสิทธิภาพการให้แสงที่ดีที่สุด คุณสมบัติการเป็นฉนวนไฟฟ้าที่เหนือกว่าช่วยลดสัญญาณรบกวนและการสูญเสียพลังงาน การผสมผสานระหว่างแซฟไฟร์และ GaN นำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง ซึ่งรวมถึงหลอดไฟ LED ที่ใช้ GaN ซึ่งครองตลาดแสงสว่างและจอแสดงผล ตั้งแต่หลอดไฟ LED สำหรับใช้ในครัวเรือนไปจนถึงหน้าจอขนาดใหญ่สำหรับกลางแจ้ง รวมถึงไดโอดเลเซอร์ที่ใช้ในระบบสื่อสารออปติกและการประมวลผลด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำ

เวเฟอร์ GaN-on-sapphire ของ XKH

การขยายขอบเขตของแอปพลิเคชันเซมิคอนดักเตอร์

(1) “โล่” ในการใช้งานทางทหารและอวกาศ

อุปกรณ์ที่ใช้ในงานทางทหารและอวกาศมักทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง ในอวกาศ ยานอวกาศต้องทนต่ออุณหภูมิที่เกือบศูนย์องศาสัมบูรณ์ รังสีคอสมิกที่รุนแรง และความท้าทายของสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ในขณะเดียวกัน เครื่องบินทหารต้องเผชิญกับอุณหภูมิพื้นผิวที่สูงเกิน 1,000°C อันเนื่องมาจากความร้อนตามหลักอากาศพลศาสตร์ระหว่างการบินด้วยความเร็วสูง ประกอบกับภาระทางกลที่สูงและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณสมบัติเฉพาะตัวของคริสตัลแซฟไฟร์ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับส่วนประกอบสำคัญในสาขาเหล่านี้ ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ ทนอุณหภูมิได้สูงถึง 2,045°C พร้อมรักษาความแข็งแรงของโครงสร้าง จึงมั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาวะความร้อน ความแข็งของรังสียังช่วยรักษาประสิทธิภาพการทำงานในสภาพแวดล้อมทางอวกาศและนิวเคลียร์ ป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้แซฟไฟร์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในกระจกอินฟราเรด (IR) อุณหภูมิสูง ในระบบนำวิถีขีปนาวุธ กระจกอินฟราเรดต้องรักษาความคมชัดของแสงภายใต้ความร้อนและความเร็วสูง เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการตรวจจับเป้าหมาย กระจกอินฟราเรดที่ทำจากแซฟไฟร์ผสานความเสถียรทางความร้อนสูงเข้ากับการส่งผ่านอินฟราเรดที่เหนือกว่า ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการนำทางอย่างมีนัยสำคัญ ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ แซฟไฟร์ช่วยปกป้องระบบออปติกของดาวเทียม ช่วยให้ถ่ายภาพได้ชัดเจนในสภาวะวงโคจรที่รุนแรง

เอ็กซ์เคเอชหน้าต่างออปติกแซฟไฟร์

(2) รากฐานใหม่สำหรับตัวนำยิ่งยวดและไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ในด้านการนำไฟฟ้ายิ่งยวด แซฟไฟร์ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นที่ขาดไม่ได้สำหรับฟิล์มบางตัวนำยิ่งยวด ซึ่งช่วยให้สามารถนำไฟฟ้าแบบไร้ความต้านทานได้ นับเป็นการปฏิวัติวงการส่งกำลังไฟฟ้า รถไฟแม่เหล็ก และระบบ MRI ฟิล์มตัวนำยิ่งยวดประสิทธิภาพสูงจำเป็นต้องใช้สารตั้งต้นที่มีโครงสร้างแลตทิซที่เสถียร และความเข้ากันได้ของแซฟไฟร์กับวัสดุอย่างแมกนีเซียมไดโบไรด์ (MgB₂) ช่วยให้ฟิล์มเติบโตได้โดยมีความหนาแน่นกระแสวิกฤตและสนามแม่เหล็กวิกฤตที่เพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น สายไฟที่ใช้ฟิล์มตัวนำยิ่งยวดที่รองรับด้วยแซฟไฟร์ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งไฟฟ้าได้อย่างมาก โดยลดการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด

ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซับสเตรตแซฟไฟร์ที่มีการวางแนวผลึกเฉพาะ เช่น ระนาบ R (<1-102>) และระนาบ A (<11-20>) ช่วยให้สามารถสร้างชั้นอิพิแทกเซียลซิลิคอนที่ปรับแต่งได้สำหรับวงจรรวม (IC) ขั้นสูง แซฟไฟร์ระนาบ R ช่วยลดข้อบกพร่องของผลึกใน IC ความเร็วสูง เพิ่มความเร็วและเสถียรภาพในการทำงาน ในขณะที่คุณสมบัติการเป็นฉนวนและค่าการอนุญาตที่สม่ำเสมอของแซฟไฟร์ระนาบ A ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบไฮบริดและการผสานรวมตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ซับสเตรตเหล่านี้รองรับชิปหลักในโครงสร้างพื้นฐานการประมวลผลและโทรคมนาคมประสิทธิภาพสูง

เอ็กซ์เคเอชของเอเวเฟอร์ lN-on-NPSS

อนาคตของคริสตัลแซฟไฟร์ในเซมิคอนดักเตอร์

แซฟไฟร์ได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าอันมหาศาลในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ตั้งแต่การผลิตชิปไปจนถึงการบินและอวกาศและตัวนำยิ่งยวด เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้น บทบาทของแซฟไฟร์ก็จะยิ่งขยายวงกว้างขึ้น ในด้านปัญญาประดิษฐ์ ชิปประสิทธิภาพสูงที่ใช้พลังงานต่ำและรองรับแซฟไฟร์จะขับเคลื่อนความก้าวหน้าของปัญญาประดิษฐ์ (AI) ในด้านการดูแลสุขภาพ การขนส่ง และการเงิน ในด้านการประมวลผลควอนตัม คุณสมบัติของวัสดุของแซฟไฟร์ทำให้แซฟไฟร์เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการผสานรวมคิวบิต ในขณะเดียวกัน อุปกรณ์ GaN-on-sapphire จะตอบสนองความต้องการฮาร์ดแวร์การสื่อสาร 5G/6G ที่เพิ่มสูงขึ้น ในอนาคต แซฟไฟร์จะยังคงเป็นรากฐานสำคัญของนวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นพลังขับเคลื่อนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของมนุษยชาติ

เวเฟอร์เอพิแทกเซียล GaN-on-sapphire ของ XKH

XKH นำเสนอหน้าต่างแซฟไฟร์ออปติคัลที่ออกแบบอย่างแม่นยำและโซลูชันเวเฟอร์ GaN-on-sapphire สำหรับการใช้งานที่ล้ำสมัย ด้วยการใช้เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกและการขัดเงาในระดับนาโนที่เป็นกรรมสิทธิ์ เราจึงนำเสนอหน้าต่างแซฟไฟร์แบบแบนพิเศษที่ให้การส่งผ่านสเปกตรัม UV ไปยัง IR ได้อย่างยอดเยี่ยม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และระบบเลเซอร์กำลังสูง