مقدمة عن أشباه الموصلات من الجيل الثالث GaN وتقنية الترسيب الطبقي ذات الصلة

1. أشباه الموصلات من الجيل الثالث

طُوّرت تقنية أشباه الموصلات من الجيل الأول بالاعتماد على مواد أشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم. وهي الأساس المادي لتطوير الترانزستورات وتقنية الدوائر المتكاملة. وقد أرست مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول حجر الأساس للصناعة الإلكترونية في القرن العشرين، وهي المواد الأساسية لتقنية الدوائر المتكاملة.

تشمل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني بشكل رئيسي زرنيخيد الغاليوم، وفوسفيد الإنديوم، وزرنيخيد الألومنيوم، ومركباتها الثلاثية. تُعدّ هذه المواد أساس صناعة المعلومات الكهروضوئية، حيث بُنيت عليها صناعات أخرى ذات صلة كالإضاءة، وشاشات العرض، والليزر، والخلايا الكهروضوئية. وتُستخدم هذه المواد على نطاق واسع في صناعات تكنولوجيا المعلومات وشاشات العرض الكهروضوئية المعاصرة.

تشمل المواد النموذجية لأشباه الموصلات من الجيل الثالث نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. ونظرًا لفجوة النطاق الواسعة، وسرعة انجراف تشبع الإلكترونات العالية، والتوصيل الحراري العالي، وقوة مجال الانهيار العالية، تُعدّ هذه المواد مثالية لتصنيع أجهزة إلكترونية عالية الكثافة، وعالية التردد، ومنخفضة الفقد. ومن بينها، تتميز أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون بكثافة طاقة عالية، واستهلاك منخفض للطاقة، وحجم صغير، ولها آفاق تطبيق واسعة في مركبات الطاقة الجديدة، والخلايا الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، والبيانات الضخمة، وغيرها من المجالات. أما أجهزة الترددات الراديوية المصنوعة من نتريد الغاليوم، فتتميز بتردد عالٍ، وقدرة عالية، وعرض نطاق ترددي واسع، واستهلاك منخفض للطاقة، وحجم صغير، ولها آفاق تطبيق واسعة في اتصالات الجيل الخامس، وإنترنت الأشياء، والرادارات العسكرية، وغيرها من المجالات. إضافةً إلى ذلك، تُستخدم أجهزة الطاقة المصنوعة من نتريد الغاليوم على نطاق واسع في مجال الجهد المنخفض. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع في السنوات الأخيرة أن تشكل مواد أكسيد الغاليوم الناشئة تكاملاً تقنياً مع تقنيات SiC و GaN الحالية، وأن يكون لها آفاق تطبيق محتملة في مجالات التردد المنخفض والجهد العالي.

بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني، تتميز مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث بفجوة طاقة أوسع (تبلغ فجوة الطاقة في السيليكون، وهو مادة نموذجية من مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول، حوالي 1.1 إلكترون فولت، وفي زرنيخيد الغاليوم، وهو مادة نموذجية من مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني، حوالي 1.42 إلكترون فولت، وفي نتريد الغاليوم، وهو مادة نموذجية من مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث، أكثر من 2.3 إلكترون فولت)، ومقاومة أعلى للإشعاع، ومقاومة أكبر للانهيار الكهربائي، ومقاومة أعلى لدرجات الحرارة. لذا، تُعد مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث ذات فجوة الطاقة الأوسع مناسبة بشكل خاص لإنتاج الأجهزة الإلكترونية المقاومة للإشعاع، وعالية التردد، وعالية الطاقة، وعالية الكثافة التكاملية. لقد حظيت تطبيقاتها في أجهزة الترددات الراديوية للميكروويف، ومصابيح LED، والليزر، وأجهزة الطاقة وغيرها من المجالات باهتمام كبير، وقد أظهرت آفاقًا واسعة للتطوير في الاتصالات المتنقلة، والشبكات الذكية، والنقل بالسكك الحديدية، ومركبات الطاقة الجديدة، والإلكترونيات الاستهلاكية، وأجهزة الأشعة فوق البنفسجية والضوء الأزرق والأخضر [1].