แซฟไฟร์จิ๋วสนับสนุน “อนาคตที่ยิ่งใหญ่” ของเซมิคอนดักเตอร์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างสมาร์ทโฟนและสมาร์ทวอทช์กลายมาเป็นเพื่อนคู่ใจที่ขาดไม่ได้ในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดบางลงเรื่อยๆ แต่ทรงพลังขึ้น คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าอะไรทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่อง คำตอบอยู่ที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ และวันนี้ เราจะมาพูดถึงวัสดุที่โดดเด่นที่สุดชนิดหนึ่ง นั่นก็คือคริสตัลแซฟไฟร์

คริสตัลแซฟไฟร์ประกอบด้วย α-Al₂O₃ เป็นหลัก ประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนสามอะตอมและอะตอมอะลูมิเนียมสองอะตอมที่เชื่อมกันแบบโควาเลนต์ ทำให้เกิดโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยม แม้ว่าจะดูคล้ายแซฟไฟร์เกรดอัญมณี แต่คริสตัลแซฟไฟร์สำหรับอุตสาหกรรมเน้นย้ำถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่า คริสตัลแซฟไฟร์ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมี ไม่ละลายน้ำ ทนต่อกรดและด่าง ทำหน้าที่เป็น "เกราะป้องกันทางเคมี" ที่รักษาเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ คริสตัลแซฟไฟร์ยังมีความโปร่งใสทางแสงที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้ส่งผ่านแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ นำความร้อนได้ดี ป้องกันความร้อนสูงเกินไป และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้ส่งสัญญาณได้อย่างเสถียรโดยไม่รั่วไหล ในทางกลไก แซฟไฟร์มีความแข็งระดับโมห์สที่ 9 รองจากเพชร ทำให้ทนทานต่อการสึกหรอและการสึกกร่อนสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานหนัก

อาวุธลับในการผลิตชิป

(1) วัสดุหลักสำหรับชิปพลังงานต่ำ

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีแนวโน้มจะลดขนาดและมีประสิทธิภาพสูง ชิปพลังงานต่ำจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญ ชิปแบบดั้งเดิมมักมีปัญหาการเสื่อมสภาพของฉนวนที่ความหนาในระดับนาโน ทำให้เกิดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้า การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น และความร้อนสูงเกินไป ส่งผลให้เสถียรภาพและอายุการใช้งานลดลง

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีสารสนเทศและไมโครซิสเต็มเซี่ยงไฮ้ (SIMIT) สถาบันวิทยาศาสตร์จีน พัฒนาเวเฟอร์ไดอิเล็กตริกแซฟไฟร์เทียมโดยใช้เทคโนโลยีออกซิเดชันแบบโลหะสอดแทรก ซึ่งแปลงอะลูมิเนียมผลึกเดี่ยวเป็นอะลูมินาผลึกเดี่ยว (แซฟไฟร์) ด้วยความหนา 1 นาโนเมตร วัสดุนี้แสดงกระแสไฟรั่วที่ต่ำมาก มีประสิทธิภาพเหนือกว่าไดอิเล็กตริกอะมอร์ฟัสทั่วไปถึงสองเท่าในการลดความหนาแน่นของสถานะ และปรับปรุงคุณภาพอินเทอร์เฟซกับเซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติ การรวมวัสดุนี้เข้ากับวัสดุ 2 มิติทำให้ชิปมีพลังงานต่ำ ช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ในสมาร์ทโฟนได้อย่างมาก และเพิ่มความเสถียรในแอปพลิเคชัน AI และ IoT

(2) พันธมิตรที่สมบูรณ์แบบสำหรับแกเลียมไนไตรด์ (GaN)

ในด้านเซมิคอนดักเตอร์ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้กลายเป็นดาวเด่นเนื่องจากข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใคร เนื่องจากเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แก๊ปกว้าง 3.4 eV ซึ่งมากกว่าซิลิกอนที่ 1.1 eV อย่างเห็นได้ชัด GaN จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่สูง ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่สูงและความเข้มของสนามเบรกวิกฤตทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีกำลังสูง อุณหภูมิสูง ความถี่สูง และความสว่างสูง ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์ที่ใช้ GaN จะทำงานที่ความถี่ที่สูงขึ้นด้วยการใช้พลังงานที่ต่ำกว่า ทำให้มีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในการแปลงพลังงานและการจัดการพลังงาน ในการสื่อสารด้วยไมโครเวฟ GaN ช่วยให้สามารถใช้ส่วนประกอบที่มีกำลังสูงและความถี่สูง เช่น เครื่องขยายกำลัง 5G ได้ โดยช่วยเพิ่มคุณภาพและความเสถียรในการส่งสัญญาณ

คริสตัลแซฟไฟร์ถือเป็น "คู่หูที่สมบูรณ์แบบ" สำหรับ GaN แม้ว่าโครงตาข่ายของแซฟไฟร์จะไม่ตรงกับ GaN มากกว่าซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) แต่พื้นผิวของแซฟไฟร์จะแสดงความไม่ตรงกันทางความร้อนที่ต่ำกว่าระหว่างการเกิด GaN ซึ่งทำให้มีรากฐานที่มั่นคงสำหรับการเติบโตของ GaN นอกจากนี้ การนำความร้อนและความโปร่งใสทางแสงที่ยอดเยี่ยมของแซฟไฟร์ยังช่วยให้การระบายความร้อนมีประสิทธิภาพในอุปกรณ์ GaN กำลังสูง ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรในการทำงานและประสิทธิภาพในการส่งแสงที่เหมาะสมที่สุด คุณสมบัติการเป็นฉนวนไฟฟ้าที่เหนือกว่าช่วยลดการรบกวนสัญญาณและการสูญเสียพลังงานอีกด้วย การผสมผสานระหว่างแซฟไฟร์และ GaN ทำให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง รวมถึง LED ที่ใช้ GaN ซึ่งครองตลาดไฟส่องสว่างและจอภาพ ตั้งแต่หลอดไฟ LED ในครัวเรือนไปจนถึงจอภาพขนาดใหญ่กลางแจ้ง รวมถึงไดโอดเลเซอร์ที่ใช้ในระบบสื่อสารออปติกและการประมวลผลเลเซอร์ที่มีความแม่นยำ

เวเฟอร์ GaN-on-sapphire ของ XKH

การขยายขอบเขตการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์

(1) “โล่” ในการประยุกต์ใช้ทางการทหารและอวกาศ

อุปกรณ์ในกองทัพและการบินอวกาศมักทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง ในอวกาศ ยานอวกาศต้องทนต่ออุณหภูมิที่เกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์ รังสีคอสมิกที่รุนแรง และความท้าทายของสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ในขณะเดียวกัน เครื่องบินทางทหารต้องเผชิญกับอุณหภูมิพื้นผิวที่สูงเกิน 1,000°C เนื่องมาจากความร้อนจากอากาศพลศาสตร์ระหว่างการบินด้วยความเร็วสูง ร่วมกับภาระทางกลที่สูงและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณสมบัติเฉพาะตัวของคริสตัลแซฟไฟร์ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับส่วนประกอบที่สำคัญในสาขาเหล่านี้ ความต้านทานอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ—ทนได้ถึง 2,045°C ในขณะที่ยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้าง—ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ภายใต้ความเครียดจากความร้อน ความแข็งของรังสียังรักษาการทำงานในสภาพแวดล้อมของจักรวาลและนิวเคลียร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อ่อนไหวได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้แซฟไฟร์ถูกนำมาใช้ในหน้าต่างอินฟราเรด (IR) อุณหภูมิสูงอย่างแพร่หลาย ในระบบนำวิถีขีปนาวุธ หน้าต่าง IR จะต้องรักษาความชัดเจนของแสงภายใต้ความร้อนและความเร็วสูงเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถตรวจจับเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ หน้าต่าง IR ที่ใช้แซฟไฟร์ผสานความเสถียรทางความร้อนสูงเข้ากับการส่งผ่าน IR ที่เหนือกว่า ซึ่งช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการนำทางได้อย่างมาก ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ แซฟไฟร์ช่วยปกป้องระบบออปติกของดาวเทียม ทำให้ถ่ายภาพได้ชัดเจนในสภาวะวงโคจรที่รุนแรง

เอ็กซ์เคเอชกระจกออปติกแซฟไฟร์

(2) รากฐานใหม่สำหรับตัวนำยิ่งยวดและไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ในการนำไฟฟ้ายิ่งยวด แซฟไฟร์ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นที่ขาดไม่ได้สำหรับฟิล์มบางตัวนำยิ่งยวด ซึ่งช่วยให้สามารถนำไฟฟ้าได้โดยมีค่าความต้านทานเป็นศูนย์ ซึ่งถือเป็นการปฏิวัติระบบส่งกำลัง รถไฟแม่เหล็ก และระบบ MRI ฟิล์มตัวนำยิ่งยวดประสิทธิภาพสูงต้องใช้สารตั้งต้นที่มีโครงสร้างโครงตาข่ายที่เสถียร และความเข้ากันได้ของแซฟไฟร์กับวัสดุ เช่น แมกนีเซียมไดโบไรด์ (MgB₂) ช่วยให้ฟิล์มเติบโตได้โดยมีความหนาแน่นของกระแสวิกฤตและสนามแม่เหล็กวิกฤตที่เพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น สายไฟฟ้าที่ใช้ฟิล์มตัวนำยิ่งยวดที่รองรับด้วยแซฟไฟร์ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณได้อย่างมากโดยลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด

ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซับสเตรตแซฟไฟร์ที่มีทิศทางผลึกเฉพาะ เช่น ระนาบ R (<1-102>) และระนาบ A (<11-20>) ช่วยให้สามารถสร้างเลเยอร์เอพิแทกเซียลซิลิคอนที่ปรับแต่งได้สำหรับวงจรรวมขั้นสูง (IC) แซฟไฟร์ระนาบ R ช่วยลดข้อบกพร่องของผลึกใน IC ความเร็วสูง ทำให้ความเร็วในการทำงานและความเสถียรเพิ่มขึ้น ในขณะที่คุณสมบัติในการเป็นฉนวนและค่าการอนุญาตที่สม่ำเสมอของแซฟไฟร์ระนาบ A ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบไฮบริดและการรวมตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ซับสเตรตเหล่านี้รองรับชิปหลักในโครงสร้างพื้นฐานการประมวลผลและโทรคมนาคมประสิทธิภาพสูง

เอ็กซ์เคเอชของเอเวเฟอร์ lN-on-NPSS

อนาคตของคริสตัลแซฟไฟร์ในเซมิคอนดักเตอร์

แซฟไฟร์ได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่ามหาศาลในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มาแล้ว ไม่ว่าจะเป็นการผลิตชิป การบินและอวกาศ และตัวนำยิ่งยวด เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้น บทบาทของแซฟไฟร์ก็จะขยายออกไปอีก ในด้านปัญญาประดิษฐ์ ชิปประสิทธิภาพสูงที่ใช้พลังงานต่ำที่รองรับแซฟไฟร์จะขับเคลื่อนความก้าวหน้าของปัญญาประดิษฐ์ในด้านการดูแลสุขภาพ การขนส่ง และการเงิน ในการคำนวณแบบควอนตัม คุณสมบัติของวัสดุของแซฟไฟร์ทำให้แซฟไฟร์เป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มดีสำหรับการผสานรวมคิวบิต ในขณะเดียวกัน อุปกรณ์ GaN-on-Sapphire จะตอบสนองความต้องการฮาร์ดแวร์การสื่อสาร 5G/6G ที่เพิ่มมากขึ้น ในอนาคต แซฟไฟร์จะยังคงเป็นรากฐานของนวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ขับเคลื่อนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของมนุษยชาติ

เวเฟอร์อิพิแทกเซียล GaN-on-sapphire ของ XKH

XKH นำเสนอหน้าต่างแซฟไฟร์ออปติกที่ออกแบบอย่างแม่นยำและโซลูชันเวเฟอร์แซฟไฟร์ GaN สำหรับการใช้งานที่ล้ำสมัย ด้วยการใช้เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกและการขัดเงาในระดับนาโนที่เป็นกรรมสิทธิ์ เราจึงสามารถนำเสนอหน้าต่างแซฟไฟร์แบบแบนพิเศษพร้อมการส่งผ่านสเปกตรัม UV ไปยัง IR ที่ยอดเยี่ยม เหมาะสำหรับการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และระบบเลเซอร์กำลังสูง