टिनी सैफायर, सेमीकंडक्टर्स के "बड़े भविष्य" का समर्थन करता है

रोज़मर्रा की ज़िंदगी में, स्मार्टफ़ोन और स्मार्टवॉच जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण हमारे ज़रूरी साथी बन गए हैं। ये उपकरण लगातार पतले होते जा रहे हैं, लेकिन ज़्यादा शक्तिशाली भी। क्या आपने कभी सोचा है कि इनके निरंतर विकास का कारण क्या है? इसका जवाब अर्धचालक पदार्थों में है, और आज हम उनमें से एक सबसे उत्कृष्ट पदार्थ पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं—नीलम क्रिस्टल।

नीलम क्रिस्टल, जो मुख्यतः α-Al₂O₃ से बना होता है, तीन ऑक्सीजन परमाणुओं और दो एल्युमीनियम परमाणुओं से मिलकर बना होता है, जो सहसंयोजक रूप से जुड़कर एक षट्कोणीय जालीदार संरचना बनाते हैं। दिखने में यह रत्न-श्रेणी के नीलम जैसा होता है, लेकिन औद्योगिक नीलम क्रिस्टल बेहतर प्रदर्शन पर ज़ोर देते हैं। रासायनिक रूप से निष्क्रिय होने के कारण, यह जल में अघुलनशील और अम्लों व क्षारों के प्रति प्रतिरोधी होता है, जो एक "रासायनिक ढाल" के रूप में कार्य करता है जो कठोर वातावरण में स्थिरता बनाए रखता है। इसके अतिरिक्त, यह उत्कृष्ट प्रकाशीय पारदर्शिता प्रदर्शित करता है, जिससे कुशल प्रकाश संचरण संभव होता है; प्रबल तापीय चालकता, जो अति ताप को रोकती है; और उत्कृष्ट विद्युत रोधन, जो बिना रिसाव के स्थिर संकेत संचरण सुनिश्चित करता है। यांत्रिक रूप से, नीलम की Mohs कठोरता 9 है, जो हीरे के बाद दूसरे स्थान पर है, जो इसे अत्यधिक घिसाव और क्षरण-प्रतिरोधी बनाती है—जो मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है।

चिप निर्माण में गुप्त हथियार

(1) कम-शक्ति वाले चिप्स के लिए मुख्य सामग्री

जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक्स का रुझान लघुकरण और उच्च प्रदर्शन की ओर बढ़ रहा है, कम-शक्ति वाले चिप्स महत्वपूर्ण होते जा रहे हैं। पारंपरिक चिप्स नैनोस्केल मोटाई पर इन्सुलेशन क्षरण से ग्रस्त होते हैं, जिससे करंट लीकेज, बिजली की खपत में वृद्धि और अधिक गर्मी होती है, जिससे स्थिरता और जीवनकाल प्रभावित होता है।

चीनी विज्ञान अकादमी के शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ माइक्रोसिस्टम एंड इंफॉर्मेशन टेक्नोलॉजी (SIMIT) के शोधकर्ताओं ने धातु-अंतर्निर्मित ऑक्सीकरण तकनीक का उपयोग करके कृत्रिम नीलम डाइइलेक्ट्रिक वेफर्स विकसित किए हैं, जो एकल-क्रिस्टल एल्युमीनियम को एकल-क्रिस्टल एल्युमिना (नीलम) में परिवर्तित करते हैं। 1 नैनोमीटर मोटाई पर, यह पदार्थ अत्यंत कम रिसाव धारा प्रदर्शित करता है, जो पारंपरिक अनाकार डाइइलेक्ट्रिक्स की तुलना में अवस्था घनत्व में दो गुना कमी लाता है और 2D अर्धचालकों के साथ इंटरफ़ेस गुणवत्ता में सुधार करता है। इसे 2D सामग्रियों के साथ एकीकृत करने से कम-शक्ति वाले चिप्स बनते हैं, जिससे स्मार्टफ़ोन की बैटरी लाइफ काफ़ी बढ़ जाती है और AI तथा IoT अनुप्रयोगों में स्थिरता बढ़ती है।

(2) गैलियम नाइट्राइड (GaN) के लिए आदर्श साथी

अर्धचालक क्षेत्र में, गैलियम नाइट्राइड (GaN) अपने अद्वितीय लाभों के कारण एक चमकते सितारे के रूप में उभरा है। 3.4 eV के बैंडगैप वाले एक वाइड-बैंडगैप अर्धचालक पदार्थ के रूप में—जो सिलिकॉन के 1.1 eV से काफी बड़ा है—GaN उच्च-तापमान, उच्च-वोल्टेज और उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों में उत्कृष्ट है। इसकी उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और महत्वपूर्ण विखंडन क्षेत्र शक्ति इसे उच्च-शक्ति, उच्च-तापमान, उच्च-आवृत्ति और उच्च-चमक वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक आदर्श पदार्थ बनाती है। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में, GaN-आधारित उपकरण कम ऊर्जा खपत के साथ उच्च आवृत्तियों पर कार्य करते हैं, जिससे पावर रूपांतरण और ऊर्जा प्रबंधन में बेहतर प्रदर्शन मिलता है। माइक्रोवेव संचार में, GaN 5G पावर एम्पलीफायरों जैसे उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति घटकों को सक्षम बनाता है, जिससे सिग्नल संचरण की गुणवत्ता और स्थिरता में वृद्धि होती है।

नीलम क्रिस्टल को GaN के लिए "आदर्श साथी" माना जाता है। हालाँकि GaN के साथ इसकी जाली बेमेल सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) की तुलना में अधिक है, नीलम सब्सट्रेट GaN एपिटेक्सी के दौरान कम तापीय बेमेल प्रदर्शित करते हैं, जो GaN के विकास के लिए एक स्थिर आधार प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, नीलम की उत्कृष्ट तापीय चालकता और प्रकाशीय पारदर्शिता उच्च-शक्ति GaN उपकरणों में कुशल ऊष्मा अपव्यय को सुगम बनाती है, जिससे परिचालन स्थिरता और इष्टतम प्रकाश उत्पादन दक्षता सुनिश्चित होती है। इसके उत्कृष्ट विद्युत रोधन गुण सिग्नल व्यवधान और विद्युत हानि को और भी कम करते हैं। नीलम और GaN के संयोजन ने उच्च-प्रदर्शन उपकरणों के विकास को जन्म दिया है, जिनमें GaN-आधारित LED शामिल हैं, जो प्रकाश और डिस्प्ले बाज़ारों में छाए हुए हैं—घरेलू LED बल्बों से लेकर बड़ी बाहरी स्क्रीनों तक—साथ ही प्रकाशीय संचार और सटीक लेज़र प्रसंस्करण में उपयोग किए जाने वाले लेज़र डायोड भी।

XKH का GaN-on-sapphire वेफर

अर्धचालक अनुप्रयोगों की सीमाओं का विस्तार

(1) सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में “शील्ड”

सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में उपकरण अक्सर चरम स्थितियों में काम करते हैं। अंतरिक्ष में, अंतरिक्ष यान लगभग शून्य तापमान, तीव्र ब्रह्मांडीय विकिरण और निर्वात वातावरण की चुनौतियों का सामना करते हैं। वहीं, सैन्य विमानों को उच्च गति की उड़ान के दौरान वायुगतिकीय तापन, उच्च यांत्रिक भार और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के कारण 1,000°C से अधिक सतही तापमान का सामना करना पड़ता है।

नीलम क्रिस्टल के अनूठे गुण इसे इन क्षेत्रों में महत्वपूर्ण घटकों के लिए एक आदर्श सामग्री बनाते हैं। इसका असाधारण उच्च-तापमान प्रतिरोध—संरचनात्मक अखंडता बनाए रखते हुए 2,045°C तक का तापमान सहन कर सकता है—तापीय तनाव के तहत विश्वसनीय प्रदर्शन सुनिश्चित करता है। इसकी विकिरण कठोरता ब्रह्मांडीय और परमाणु वातावरण में भी कार्यक्षमता बनाए रखती है, संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स को प्रभावी ढंग से परिरक्षित करती है। इन गुणों के कारण नीलम का उच्च-तापमान अवरक्त (IR) खिड़कियों में व्यापक उपयोग होता है। मिसाइल मार्गदर्शन प्रणालियों में, सटीक लक्ष्य पहचान सुनिश्चित करने के लिए IR खिड़कियों को अत्यधिक गर्मी और वेग के तहत ऑप्टिकल स्पष्टता बनाए रखनी चाहिए। नीलम-आधारित IR खिड़कियां उच्च तापीय स्थिरता को बेहतर IR संप्रेषण के साथ जोड़ती हैं, जिससे मार्गदर्शन सटीकता में उल्लेखनीय सुधार होता है। एयरोस्पेस में, नीलम उपग्रह ऑप्टिकल प्रणालियों की सुरक्षा करता है, जिससे कठोर कक्षीय परिस्थितियों में स्पष्ट इमेजिंग संभव होती है।

XKH कानीलम ऑप्टिकल खिड़कियां

(2) सुपरकंडक्टर्स और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नया फाउंडेशन

अतिचालकता में, नीलम अतिचालक पतली फिल्मों के लिए एक अनिवार्य सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है, जो शून्य-प्रतिरोध चालन को सक्षम बनाता है—जिससे विद्युत संचरण, मैग्लेव ट्रेन और एमआरआई प्रणालियों में क्रांतिकारी बदलाव आते हैं। उच्च-प्रदर्शन वाली अतिचालक फिल्मों के लिए स्थिर जाली संरचनाओं वाले सब्सट्रेट की आवश्यकता होती है, और मैग्नीशियम डाइबोराइड (MgB₂) जैसे पदार्थों के साथ नीलम की अनुकूलता, बढ़ी हुई क्रांतिक धारा घनत्व और क्रांतिक चुंबकीय क्षेत्र वाली फिल्मों के विकास को संभव बनाती है। उदाहरण के लिए, नीलम-समर्थित अतिचालक फिल्मों का उपयोग करने वाले विद्युत केबल ऊर्जा हानि को न्यूनतम करके संचरण दक्षता में नाटकीय रूप से सुधार करते हैं।

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में, विशिष्ट क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यासों वाले नीलम सबस्ट्रेट्स—जैसे आर-प्लेन (<1-102>) और ए-प्लेन (<11-20>)—उन्नत एकीकृत परिपथों (आईसी) के लिए अनुकूलित सिलिकॉन एपिटैक्सियल परतें प्रदान करते हैं। आर-प्लेन नीलम उच्च गति वाले आईसी में क्रिस्टल दोषों को कम करता है, जिससे परिचालन गति और स्थिरता बढ़ती है, जबकि ए-प्लेन नीलम के इंसुलेटिंग गुण और एकसमान पारगम्यता हाइब्रिड माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर एकीकरण को अनुकूलित करते हैं। ये सबस्ट्रेट्स उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग और दूरसंचार अवसंरचना में कोर चिप्स का आधार बनते हैं।

एक्सकेएच'एसएlN-on-NPSS वेफर

अर्धचालकों में नीलम क्रिस्टल का भविष्य

चिप निर्माण से लेकर एयरोस्पेस और सुपरकंडक्टर तक, सैफायर ने सेमीकंडक्टर के क्षेत्र में पहले ही अपार मूल्य प्रदर्शित किया है। जैसे-जैसे तकनीक आगे बढ़ेगी, इसकी भूमिका और भी विस्तृत होगी। कृत्रिम बुद्धिमत्ता में, सैफायर-समर्थित कम-शक्ति, उच्च-प्रदर्शन वाले चिप्स स्वास्थ्य सेवा, परिवहन और वित्त में एआई प्रगति को गति प्रदान करेंगे। क्वांटम कंप्यूटिंग में, सैफायर के भौतिक गुण इसे क्यूबिट एकीकरण के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में स्थापित करते हैं। इस बीच, सैफायर पर आधारित GaN उपकरण 5G/6G संचार हार्डवेयर की बढ़ती माँगों को पूरा करेंगे। आगे बढ़ते हुए, सैफायर सेमीकंडक्टर नवाचार की आधारशिला बना रहेगा और मानवता की तकनीकी प्रगति को शक्ति प्रदान करेगा।

XKH का GaN-ऑन-सफायर एपिटैक्सियल वेफर

XKH अत्याधुनिक अनुप्रयोगों के लिए सटीक रूप से डिज़ाइन किए गए नीलम ऑप्टिकल विंडो और GaN-ऑन-नीलम वेफर समाधान प्रदान करता है। अपनी स्वामित्व वाली क्रिस्टल वृद्धि और नैनोस्केल पॉलिशिंग तकनीकों का लाभ उठाते हुए, हम UV से IR स्पेक्ट्रा तक असाधारण संचरण के साथ अल्ट्रा-फ्लैट नीलम विंडो प्रदान करते हैं, जो एयरोस्पेस, रक्षा और उच्च-शक्ति लेज़र प्रणालियों के लिए आदर्श हैं।