أسفرت طريقة جديدة لدمج طبقات من أشباه الموصلات بسماكة بضعة نانومترات عن اكتشاف علمي، فضلاً عن نوع جديد من الترانزستورات للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة. وقد أثارت هذه النتيجة، المنشورة في مجلة "رسائل الفيزياء التطبيقية"، اهتماماً واسعاً.
يُعد هذا الإنجاز ثمرة تعاون وثيق بين علماء جامعة لينشوبينغ وشركة SweGaN، وهي شركة منبثقة عن أبحاث علوم المواد في جامعة لينشوبينغ. وتصنع الشركة مكونات إلكترونية مصممة خصيصًا من نتريد الغاليوم.
نتريد الغاليوم (GaN) مادة شبه موصلة تُستخدم في الثنائيات الباعثة للضوء عالية الكفاءة. إلا أنها قد تكون مفيدة أيضاً في تطبيقات أخرى، مثل الترانزستورات، نظراً لقدرتها على تحمل درجات حرارة وتيارات أعلى من العديد من أشباه الموصلات الأخرى. وتُعد هذه الخصائص مهمة للمكونات الإلكترونية المستقبلية، ولا سيما تلك المستخدمة في المركبات الكهربائية.
يُترك بخار نتريد الغاليوم ليتكثف على رقاقة من كربيد السيليكون، مُشكلاً طبقة رقيقة. تُعرف هذه الطريقة، التي يتم فيها تنمية مادة بلورية على ركيزة من مادة أخرى، باسم "النمو الطبقي". تُستخدم هذه الطريقة بكثرة في صناعة أشباه الموصلات، لأنها تُتيح مرونة كبيرة في تحديد كلٍ من البنية البلورية والتركيب الكيميائي للطبقة النانوية المُتشكلة.
إن الجمع بين نتريد الغاليوم، GaN، وكربيد السيليكون، SiC (وكلاهما قادر على تحمل المجالات الكهربائية القوية)، يضمن أن الدوائر مناسبة للتطبيقات التي تتطلب طاقة عالية.
إلا أن التوافق السطحي بين المادتين البلوريتين، نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، ضعيف. فتصبح الذرات غير متطابقة، مما يؤدي إلى تعطل الترانزستور. وقد عالجت الأبحاث هذه المشكلة، وأسفرت لاحقًا عن حل تجاري، حيث وُضعت طبقة أرق من نتريد الألومنيوم بين الطبقتين.
لاحظ المهندسون في شركة SweGaN بالصدفة أن ترانزستوراتهم قادرة على تحمل شدة مجال كهربائي أعلى بكثير مما كانوا يتوقعون، ولم يتمكنوا في البداية من فهم السبب. يكمن الجواب على المستوى الذري - في سطحين وسيطين حاسمين داخل المكونات.
يقدم باحثون من جامعة LiU وشركة SweGaN، بقيادة لارس هولتمان وجون لو من جامعة LiU، في مجلة Applied Physics Letters شرحًا لهذه الظاهرة، ويصفون طريقة لتصنيع الترانزستورات بقدرة أكبر على تحمل الفولتية العالية.
اكتشف العلماء آلية نمو طبقي غير معروفة سابقًا أطلقوا عليها اسم "النمو الطبقي التحويلي". تتسبب هذه الآلية في امتصاص الإجهاد بين الطبقات المختلفة تدريجيًا عبر طبقتين من الذرات. وهذا يعني إمكانية تنمية طبقتين، نتريد الغاليوم ونتريد الألومنيوم، على كربيد السيليكون بطريقة تسمح بالتحكم على المستوى الذري في كيفية ارتباط الطبقات ببعضها البعض في المادة. وقد أظهروا في المختبر أن المادة تتحمل جهدًا عاليًا يصل إلى 1800 فولت. ولو تم تطبيق هذا الجهد على مكون تقليدي مصنوع من السيليكون، لكانت الشرارات ستتطاير ولتلف الترانزستور.
"نهنئ شركة SweGaN على بدء تسويقها لهذا الاختراع. فهذا يدل على التعاون الفعال والاستفادة من نتائج البحث في المجتمع. وبفضل التواصل الوثيق الذي يجمعنا بزملائنا السابقين الذين يعملون الآن في الشركة، أصبح لأبحاثنا تأثير سريع خارج الأوساط الأكاديمية أيضاً"، كما يقول لارس هولتمان.
المواد مقدمة من جامعة لينشوبينغ. النص الأصلي من تأليف مونيكا ويستمان سفينسيليوس. ملاحظة: قد يتم تعديل المحتوى من حيث الأسلوب والطول.
احصل على آخر الأخبار العلمية عبر النشرات الإخبارية الإلكترونية المجانية من ScienceDaily، والتي يتم تحديثها يوميًا وأسبوعيًا. أو يمكنك الاطلاع على موجزات الأخبار المحدثة كل ساعة عبر قارئ RSS الخاص بك.
أخبرنا برأيك في موقع ScienceDaily - نرحب بجميع التعليقات، سواء كانت إيجابية أم سلبية. هل تواجه أي مشاكل في استخدام الموقع؟ هل لديك أي أسئلة؟
تاريخ النشر: 11 مايو 2020