Сапфиры довольно широко применяются при производстве электроники. Они обладают уникальными физическими свойствами. По мере развития технологий потребители ищут устройства с превосходной производительностью, повышенной долговечностью и исключительным качеством изображения. Сапфировые полупроводники, известные своей высокой теплопроводностью, химической стойкостью и твёрдостью, представляют собой замечательную альтернативу традиционным материалам. О сапфирах в электронике мы сегодня и поговорим. 

Уникальность сапфиров

Отличительные особенности монокристаллического Al₂O₃:

• высокие значения механической прочности, твёрдости и износостойкости;

• высокие тепловая и радиационная стойкость, диэлектрические характеристики, инертность в агрессивных средах;

• высокая температура плавления (2054°С) и рабочая температура (до 2000°С);

• вакуумная плотность;

• оптическая прозрачность в широком диапазоне длин волн;

• биологическая совместимость.

В маркетинговом исследовании Sapphire Semiconductor Market Research объём рынка сапфировых полупроводников в 2024 году оценивался в 1,73 млрд долларов США. Ожидается, что объем рынка сапфировых полупроводников вырастет с 2,14 млрд долларов США в 2025 году до 7,86 млрд долларов США к 2034 году, а совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 16,33 % в течение прогнозируемого периода (2025–2034 годы).

Рост рынка сапфировых полупроводников обусловлен увеличением спроса на эффективные и высокопроизводительные электронные устройства. Ключевыми факторами роста рынка являются все более широкое применение сапфировых материалов в таких отраслях, как производство бытовой электроники, аэрокосмическая промышленность и телекоммуникации. Уникальные свойства сапфира, в том числе его прочность и высокая теплопроводность, делают его привлекательным для производителей, стремящихся повысить производительность и долговечность своей продукции. Кроме того, растущая тенденция к миниатюризации электронных компонентов еще больше увеличивает потребность в таких современных материалах, как сапфир. Развитие Интернета вещей (IoT) и появление «умных» устройств открывают широкие перспективы для сапфировых полупроводников. Поскольку все большему количеству устройств требуются расширенные функциональные возможности при сохранении компактных размеров, поставщики могут извлечь выгоду из уникальных свойств сапфира, чтобы удовлетворить этот спрос. Кроме того, совершенствование технологий производства сапфиров открывает возможности для экономически эффективных методов производства, что позволяет большему количеству отраслей внедрять сапфировые технологии. Продолжающиеся исследования и разработки в области полупроводников, вероятно, приведут к появлению новых сфер применения сапфира, что будет способствовать его дальнейшему росту. 

Развитие светодиодных и дисплейных технологий

Развитие рынка сапфировых полупроводников во многом обусловлено распространением светодиодных и дисплейных технологий. По мере роста спроса на энергоэффективные и высококачественные осветительные приборы сапфировые подложки становятся всё более востребованными благодаря своим превосходным свойствам. Эти материалы отлично подходят для производства светодиодов, обеспечивая более яркую и эффективную светоотдачу. Растущее использование сапфира в дисплейных технологиях, в том числе в смартфонах и телевизорах, ещё больше повышает его значимость. 

Рынок сапфировых полупроводников характеризуется быстро меняющейся конкурентной средой, обусловленной развитием технологий и растущим спросом на высокопроизводительные электронные устройства. Этот рынок предлагает различные возможности для игроков, занимающихся производством и поставкой сапфировых подложек, используемых в полупроводниковой промышленности. На динамику этого рынка влияют такие факторы, как растущее распространение светодиодов, увеличение количества смартфонов и распространение умных гаджетов. Компаниям, работающим в этой сфере, приходится сталкиваться с такими проблемами, как сбои в цепочке поставок и необходимость внедрения инноваций для сохранения конкурентоспособности. Для того чтобы извлечь выгоду из потенциала рынка и расширить своё присутствие на нём, необходимо сосредоточиться на исследованиях и разработках, а также на стратегическом партнёрстве. 

К ключевым зарбежным компаниям относятся помимо Sapphire Technology и Aurum Ceramic Components, ещё Sapphire Glass, Sapphire Instruments, Sapphire Semiconductors, Sapphire Systems, Rubicon Technology, Sapphire Energy, Axcelis Technologies, Crystal IS, Oxford Instruments, Kyocera, Nippon Electric Glass.

В данной статье нас интересует только патентный аспект.

Патентный аспект

На портале Google.Patents поиск по запросу Sapphire Semiconductor показывает более 100 000 документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:

• электрические переключатели; реле; селекторные устройства; устройства для защиты от аварий H10H — 64,2%;

• полупроводниковые приборы H01L — 60,6%;

• устройства со стимулированным излучением H01S — 19,2%;

• выращивание монокристаллов; направленная кристаллизация эвтектик или направленное расслаивание эвтектоидов; очистка материалов зонной плавкой; получение гомогенного поликристаллического материала C30B — 15,2%;

• использование нано-структур B82Y — 8,9%;

• технические устройства Y10S — 5,8%;

• магниты; индуктивности; трансформаторы; выбор материалов, обеспечивающих магнитные свойства H10F — 3,5%;

• пайка или распаивание; сварка; плакирование или нанесение покрытий пайкой или сваркой B23K — 3,4%.

Нас особо заинтересовали полупроводниковые приборы. Специальный поиск по запросу (Sapphire Semiconductor) (H01L) Google.Patents выдал в августе 2025 года более 100 000 документов. Динамика по годам представлена на рис. 

Рисунок 2: Динамика мирового патентования изобретений на тему сапфир в полупроводниковых устройствах (Sapphire Semiconductor H01L) в 1992-2025 гг.

Видно, что в 2007-2019 гг. патентование изобретений имело плато образный характер. Последние 5 лет темпы патентования изобретений по сапфиру в полупроводниковых устройствах резко выросли, почти в 3 раза (2025 год ещё не кончился). Этот факт на основе статистически значимых количеств патентов указывает на особую актуальность данной темы.

Рейтинг компаний по количества патентов следующий:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. — 14,6%;

2. Samsung Electronics Co., Ltd. — 3,1%;

3. International Business Machines Corporation — 1,6%;

4. Nanya Technology Corporation — 1,3%;

5. Micron Technology, Inc. — 1,1%.

Из подсчётов Google видно подавляющее лидерство Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited в сапфировых патентах. За ней следуют другие не менее известные корпорации. 

Примеры патентов:

• US20190181121A1 Method and system for electronic devices with polycrystalline substrate structure interposer;

• CN112490135A Package assembly and method of forming the same.
  

А что в России? 

Яндекс.Патент выдает 879 документа по запросу сапфир в полупроводниковых устройствах за период 1964-2023 гг. Пик с 36-46 патентами в год пришёлся на 2006-2016 годы. Правда, в ряде документов сапфир цитировался, использовался как прототип, указывался как второстепенный вариант изобретения.

В базе ФИПС в рефератах на изобретения РФ по запросу сапфир 285 патентов на изобретения, причем по разделу полупроводниковых устройств только 72 патента РФ, из которых 23 действующие (они выданы в период 2015-2025 гг.). Мы проанализировали действующие патенты на содержание: устройствам с использованием сапфира посвящено 10 патентов, способам получения 9 патентов и веществам для обработки сапфировых пластин 4 патента.

Примеры патентов про сапфировые устройства:

• №2633437 (2017) Структура полупроводник-на-изоляторе и способ ее изготовления. Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт". Изобретение относится к твердотельной электронике. Структура полупроводник-на-изоляторе содержит изолятор, расположенный на нем поверхностный слой полупроводника и сформированный в изоляторе имплантацией ионов легкого газа и последующего высокотемпературного отжига дефектный термостабильный слой с высокой рекомбинационной способностью носителей заряда, возникающих при облучении внешним ионизирующим излучением. 
  

• №2686450 (2019) Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире. АО "Ангстрем" (Москва). Изобретение относится к области полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам гальванической развязки, предназначенным для коммутации тока силовых реле в системах с резервированием систем управления, в частности, для аппаратуры ракетно-космической техники. Интегральная микросхема гальванической развязки содержит вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем.

В базе ФИПС 129 патента РФ на полезные модели по теме «сапфир». В основном они касаются установок для выращивания сапфиров, устройств для нарезки пластин, режущего инструмента, в частности алмазных пил. Есть и забавные изобретения, например гильотина с лейкосапфировым лезвием для обрезания сигар. По разделу МПК H01L имеется 22 патента на сапфир, из которых 3 действующих:

№170578 (2017) МДП-транзистор на структуре кремний на сапфире. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. В МДП-транзисторе на структуре кремний на сапфире , содержащем сформированные планарно в островке слоя кремния на лицевой поверхности подложки из сапфира исток и сток и расположенный между ними канал с изолированным электродом затвора, смонтированным на поверхности диэлектрика, расположенного между затвором и каналом, электрод затвора смонтирован с его размещением на протяжении канала на обратной поверхности подложки из сапфира, выполняющей функцию упомянутого диэлектрика. . 

№192540 (2019) Охлаждаемый планарный фотодиод на основе кристаллов антимонида индия. АО "Московский завод "САПФИР". Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению диапазона (3-5,5) мкм и может использоваться при изготовлении дискретных, линейчатых и матричных приемников излучения на основе фотодиодных кристаллов из антимонида индия.

№208264 (2021) Тонкоплёночный термоэлектрический преобразователь на основе высшего силицида марганца. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Технический результат от использования предлагаемого термоэлектрического преобразователя - повышение его работоспособности за счёт обеспечения его стабильных эксплуатационных свойств, определяемых его повышенной термоэлектрической добротностью в расширенном температурном интервале для различных толщин термоэлектрического элемента, выполненного виде тонкой (наноразмерной) плёнки высшего силицида марганца MnSi_1,75 путём импульсно-лазерного осаждения кремния и марганца в высоком вакууме на поверхность подложки из сапфира.

Баз данных нет. Зато имеется 50 программ для ЭВМ по запросу «сапфир», но к электронике имеют отношения только четыре штуки, вот примеры:

• №2017619587 Программа численного моделирования импульсного лазерного нагрева тонкопленочных полупроводниковых структур. Южный федеральный университет. Программа предназначена для численного моделирования импульсного лазерного нагрева (отжига, кристаллизации) различных полупроводниковых структур на диэлектрических подложках (сапфир, стекло) при гауссовой и прямоугольной временной форме лазерного импульса;

• №2018662735 Измерительный преобразователь дифференциального давления на базе КНС-сенсора. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Программа предназначена для управления измерительной системой, состоящей из микроконтроллера архитектуры ARM Cortex МЗ интегрированного с преобразователем дифференциального давления на базе сенсора типа «кремний на сапфире » (КНС-сенсора) и может применяться для проведения измерений дифференциального давления и температуры.

Более 10 программ посвящены технологии выращивания кристаллов сапфира, например №2024663459 Программный модуль инстанцирования и настройки системы определения формы кристалла искусственного сапфира.

Имеется 26 топологий интегральных схем, зарегистрированных в период 2014-2024 гг., например: 

• №2017630125 СВЧ усилитель мощности. АО «Светлана-Рост» (Санкт-Петербург). Интегральная микросхема (ИМС) предназначена для применения в перспективных образцах ВВСТ наземного базирования. Для изготовления применяют AlGaN/GaN гетероструктуры, выращенные на подложках из сапфира;

• №2021630004 Интегрированный приемо-передающий модуль с круглыми антеннами в составе: генератор, управляемый напряжением; усилитель мощности; смеситель для диапазона частот 57-70 ГГц. Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН. Для изготовления применяют AlGaN/GaN гетероструктуры, выращенные на подложках из сапфира. Затворы транзисторов формируются при помощи техники электронно-лучевой литографии. Остальные элементы ИМС формируются при помощи техники фотолитографии;

• №2023630015 Генератор, управляемый напряжением с буферным усилителем V-диапазона частот. Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН. Монолитная интегральная схема (МИС) генератора, управляемого напряжением, (ГУН) с буферным усилителем V-диапазона на НЕМТ GaN транзисторах на подложке сапфира с технологическими нормами 0,12 мкм.

Заключение

Сапфир уже несколько десятилетий используется в специальной микроэлектронике при изготовлении интегральных схем на базе структур «кремний на сапфире» (КНС), широко используемых в частности для создания цифровых, цифроаналоговых и аналого-цифровых КМОП БИС, а также КМОП БИС повышенной надежности и устойчивых к радиационным воздействиям. 

Патентная ситуация в РФ удовлетворительная (несколько десятков прямых и косвенных патентов на изобретения и полезные модели, а также свидетельства на программы для ЭВМ и топологии интегральных схем). Технологиями и компетенциями владеют серьёзные российские производители, например АО «Светлана-Рост» (Санкт-Петербург), АО «Московский завод «Сапфир», АО «Ангстрем» (Москва).

Правда, в каком промышленном масштабе освоены предприятиями РФ изделия с сапфировыми компонентами, в патентной литературе отсутствуют. Имеются отдельные указания на достигнутые технологические нормы порядка 100 нанометров, в то время как передовые иностранные производители электроники, например в США, на Тайване, овладели технологическими нормами ниже 10 нанометров.