Elektronische Geräte wie Smartphones und Smartwatches sind im Alltag unverzichtbar geworden. Sie werden immer schlanker und gleichzeitig leistungsfähiger. Haben Sie sich schon einmal gefragt, was ihre kontinuierliche Weiterentwicklung ermöglicht? Die Antwort liegt in Halbleitermaterialien, und heute konzentrieren wir uns auf eines der herausragendsten unter ihnen: Saphirglas.
Saphirkristall, hauptsächlich aus α-Al₂O₃ bestehend, besteht aus drei Sauerstoffatomen und zwei Aluminiumatomen, die kovalent verbunden sind und eine hexagonale Gitterstruktur bilden. Obwohl er optisch an Edelsteinsaphir erinnert, zeichnen sich Industrie-Saphirkristalle durch eine überlegene Leistung aus. Chemisch inert, ist er wasserunlöslich und beständig gegen Säuren und Laugen. Er fungiert als „chemischer Schutzschild“, der die Stabilität in rauen Umgebungen aufrechterhält. Darüber hinaus weist er eine ausgezeichnete optische Transparenz auf, die eine effiziente Lichtdurchlässigkeit ermöglicht, eine starke Wärmeleitfähigkeit, die Überhitzung verhindert, und eine hervorragende elektrische Isolierung, die eine stabile Signalübertragung ohne Leckagen gewährleistet. Mechanisch gesehen weist Saphir eine Mohshärte von 9 auf, die nur von Diamant übertroffen wird, und ist daher äußerst verschleiß- und erosionsbeständig – ideal für anspruchsvolle Anwendungen.
Die Geheimwaffe in der Chipherstellung
(1) Schlüsselmaterial für Low-Power-Chips
Da in der Elektronik der Trend zu Miniaturisierung und hoher Leistung geht, sind stromsparende Chips von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Chips leiden bei Nanometerdicken unter einer Verschlechterung der Isolierung, was zu Stromlecks, erhöhtem Stromverbrauch und Überhitzung führt, was wiederum Stabilität und Lebensdauer beeinträchtigt.
Forscher am Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten künstliche Saphir-Dielektrikum-Wafer mithilfe der Metall-Interkalationsoxidationstechnologie, bei der einkristallines Aluminium in einkristallines Aluminiumoxid (Saphir) umgewandelt wird. Bei einer Dicke von 1 nm weist dieses Material einen extrem niedrigen Leckstrom auf, übertrifft herkömmliche amorphe Dielektrika um zwei Größenordnungen bei der Zustandsdichtereduzierung und verbessert die Schnittstellenqualität mit 2D-Halbleitern. Die Integration mit 2D-Materialien ermöglicht stromsparende Chips, verlängert die Akkulaufzeit von Smartphones deutlich und verbessert die Stabilität in KI- und IoT-Anwendungen.
(2) Der perfekte Partner für Galliumnitrid (GaN)
Im Halbleiterbereich hat sich Galliumnitrid (GaN) aufgrund seiner einzigartigen Vorteile als leuchtendes Beispiel herausgestellt. Als Halbleitermaterial mit großer Bandlücke und einer Bandlücke von 3,4 eV – deutlich größer als die 1,1 eV von Silizium – eignet sich GaN hervorragend für Hochtemperatur-, Hochspannungs- und Hochfrequenzanwendungen. Seine hohe Elektronenbeweglichkeit und kritische Durchbruchfeldstärke machen es zu einem idealen Material für elektronische Geräte mit hoher Leistung, hohen Temperaturen, hohen Frequenzen und hoher Helligkeit. In der Leistungselektronik arbeiten GaN-basierte Geräte bei höheren Frequenzen und geringerem Energieverbrauch und bieten so eine überlegene Leistung bei der Leistungsumwandlung und beim Energiemanagement. In der Mikrowellenkommunikation ermöglicht GaN Hochleistungs- und Hochfrequenzkomponenten wie 5G-Leistungsverstärker und verbessert die Qualität und Stabilität der Signalübertragung.
Saphirkristall gilt als der „perfekte Partner“ für GaN. Obwohl die Gitterfehlanpassung zu GaN höher ist als die von Siliziumkarbid (SiC), weisen Saphirsubstrate bei der GaN-Epitaxie eine geringere thermische Fehlanpassung auf und bieten so eine stabile Grundlage für das GaN-Wachstum. Darüber hinaus ermöglichen die hervorragende Wärmeleitfähigkeit und optische Transparenz von Saphir eine effiziente Wärmeableitung in Hochleistungs-GaN-Bauelementen und gewährleisten so Betriebsstabilität und optimale Lichtausbeute. Seine überlegenen elektrischen Isolationseigenschaften minimieren Signalstörungen und Leistungsverluste zusätzlich. Die Kombination von Saphir und GaN hat zur Entwicklung von Hochleistungsbauelementen geführt, darunter GaN-basierte LEDs, die den Beleuchtungs- und Displaymarkt dominieren – von LED-Lampen für den Haushalt bis hin zu großen Außenbildschirmen – sowie Laserdioden für die optische Kommunikation und die Präzisionslaserbearbeitung.
XKHs GaN-auf-Saphir-Wafer
Erweiterung der Grenzen von Halbleiteranwendungen
(1) Der „Schild“ in militärischen und Luft- und Raumfahrtanwendungen
Ausrüstung in Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen arbeitet oft unter extremen Bedingungen. Im Weltraum sind Raumfahrzeuge Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, intensiver kosmischer Strahlung und den Herausforderungen einer Vakuumumgebung ausgesetzt. Militärflugzeuge sind aufgrund der aerodynamischen Erwärmung während des Hochgeschwindigkeitsflugs Oberflächentemperaturen von über 1.000 °C ausgesetzt und unterliegen hohen mechanischen Belastungen und elektromagnetischen Störungen.
Die einzigartigen Eigenschaften von Saphirglas machen es zum idealen Material für kritische Komponenten in diesen Bereichen. Seine außergewöhnliche Hochtemperaturbeständigkeit – es hält Temperaturen bis zu 2.045 °C stand und behält dabei seine strukturelle Integrität – gewährleistet zuverlässige Leistung unter thermischer Belastung. Seine Strahlungshärte erhält zudem die Funktionalität in kosmischen und nuklearen Umgebungen und schirmt empfindliche Elektronik wirksam ab. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass Saphirglas weit verbreitet in Hochtemperatur-Infrarotfenstern (IR) verwendet wird. In Raketenleitsystemen müssen IR-Fenster auch bei extremer Hitze und Geschwindigkeit ihre optische Klarheit bewahren, um eine präzise Zielerfassung zu gewährleisten. IR-Fenster auf Saphirbasis kombinieren hohe thermische Stabilität mit überlegener IR-Durchlässigkeit und verbessern so die Zielführungspräzision deutlich. In der Luft- und Raumfahrt schützt Saphir optische Satellitensysteme und ermöglicht eine klare Abbildung unter rauen Orbitalbedingungen.
XKHsoptische Fenster aus Saphir
(2) Die neue Grundlage für Supraleiter und Mikroelektronik
In der Supraleitung dient Saphir als unverzichtbares Substrat für supraleitende Dünnschichten, die eine widerstandsfreie Leitung ermöglichen und so die Stromübertragung, Magnetschwebebahnen und MRT-Systeme revolutionieren. Leistungsstarke supraleitende Schichten erfordern Substrate mit stabilen Gitterstrukturen. Die Kompatibilität von Saphir mit Materialien wie Magnesiumdiborid (MgB₂) ermöglicht die Herstellung von Schichten mit erhöhter kritischer Stromdichte und kritischem Magnetfeld. So verbessern beispielsweise Stromkabel mit saphirgestützten supraleitenden Schichten die Übertragungseffizienz durch Minimierung des Energieverlusts erheblich.
In der Mikroelektronik ermöglichen Saphirsubstrate mit spezifischen kristallografischen Orientierungen – wie R-Plane (<1-102>) und A-Plane (<11-20>) – maßgeschneiderte Silizium-Epitaxieschichten für moderne integrierte Schaltkreise (ICs). R-Plane-Saphir reduziert Kristalldefekte in Hochgeschwindigkeits-ICs und erhöht so deren Betriebsgeschwindigkeit und Stabilität. Die isolierenden Eigenschaften und die gleichmäßige Permittivität von A-Plane-Saphir optimieren die Integration hybrider Mikroelektronik und Hochtemperatur-Supraleiter. Diese Substrate bilden die Grundlage für Kernchips in Hochleistungsrechnern und Telekommunikationsinfrastrukturen.
XKH'SAlN-auf-NPSS-Wafer
Die Zukunft von Saphirkristallen in Halbleitern
Saphir hat bereits seinen immensen Wert in der Halbleiterindustrie bewiesen – von der Chipherstellung über die Luft- und Raumfahrt bis hin zu Supraleitern. Mit fortschreitender Technologie wird seine Rolle weiter zunehmen. In der künstlichen Intelligenz werden stromsparende und leistungsstarke Chips mit Saphir die KI-Entwicklung im Gesundheitswesen, im Transportwesen und im Finanzwesen vorantreiben. Im Quantencomputing machen seine Materialeigenschaften Saphir zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Qubit-Integration. Gleichzeitig werden GaN-auf-Saphir-Geräte die steigende Nachfrage nach 5G/6G-Kommunikationshardware decken. Saphir wird auch in Zukunft ein Eckpfeiler der Halbleiterinnovation bleiben und den technologischen Fortschritt der Menschheit vorantreiben.
XKHs GaN-auf-Saphir-Epitaxie-Wafer
XKH liefert präzisionsgefertigte optische Saphirfenster und GaN-auf-Saphir-Wafer-Lösungen für modernste Anwendungen. Durch den Einsatz proprietärer Kristallwachstums- und Nanopoliturtechnologien bieten wir ultraflache Saphirfenster mit außergewöhnlicher Transmission vom UV- bis zum IR-Spektrum – ideal für die Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Hochleistungslasersysteme.
Veröffentlichungszeit: 18. April 2025