مقدمة موجزة عن أشباه الموصلات من الجيل الثالث من نيتريد الغاليوم 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].

مصدر الصورة: CASA، معهد أبحاث الأوراق المالية في تشيسهانغ

الشكل 1: المقياس الزمني والتوقعات لأجهزة الطاقة المصنوعة من نيتريد الغاليوم

II بنية وخصائص مادة GaN

يُعدّ نيتريد الغاليوم (GaN) شبه موصل ذو فجوة نطاق طاقة مباشرة. يبلغ عرض فجوة النطاق في بنية الورتزيت عند درجة حرارة الغرفة حوالي 3.26 إلكترون فولت. يحتوي نيتريد الغاليوم على ثلاث بنى بلورية رئيسية، هي: بنية الورتزيت، وبنية السفاليريت، وبنية ملح الصخور. وتُعتبر بنية الورتزيت أكثر البنى البلورية استقرارًا. يوضح الشكل 2 مخططًا لبنية الورتزيت السداسية لنيتريد الغاليوم. تنتمي بنية الورتزيت لنيتريد الغاليوم إلى بنية سداسية متراصة. تحتوي كل وحدة خلية على 12 ذرة، منها 6 ذرات نيتروجين و6 ذرات غاليوم. ترتبط كل ذرة غاليوم (أو نيتروجين) بأربع ذرات نيتروجين (أو غاليوم) مجاورة لها، وتتراص الذرات بالترتيب ABABAB… على طول الاتجاه [0001] [2].

الشكل 2: مخطط خلية بلورية من نتريد الغاليوم (GaN) ذات بنية وورتزيت

III الركائز الشائعة الاستخدام في عملية الترسيب الطبقي لنيتريد الغاليوم

يبدو أن الترسيب المتجانس على ركائز نيتريد الغاليوم (GaN) هو الخيار الأمثل. مع ذلك، ونظرًا لطاقة الرابطة العالية في نيتريد الغاليوم، فعندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة انصهاره البالغة 2500 درجة مئوية، يكون ضغط التحلل المقابل حوالي 4.5 جيجا باسكال. وعندما يكون ضغط التحلل أقل من ذلك، لا ينصهر نيتريد الغاليوم بل يتحلل مباشرةً. هذا يجعل تقنيات تحضير الركائز المتطورة، مثل طريقة تشوخرالسكي، غير مناسبة لتحضير ركائز نيتريد الغاليوم أحادية البلورة، مما يجعل إنتاجها بكميات كبيرة صعبًا ومكلفًا. لذلك، فإن الركائز الشائعة الاستخدام في نمو نيتريد الغاليوم هي بشكل أساسي السيليكون، وكربيد السيليكون، والياقوت، وغيرها [3].

الرسم البياني 3: نيتريد الغاليوم (GaN) وخصائص مواد الركيزة شائعة الاستخدام

ترسيب طبقة رقيقة من نتريد الغاليوم على الياقوت

يتميز الياقوت بخصائص كيميائية مستقرة، وسعره المنخفض، ونضج صناعته الإنتاجية واسعة النطاق. ولذلك، أصبح من أوائل مواد الركائز وأكثرها استخدامًا في هندسة أجهزة أشباه الموصلات. وباعتباره أحد الركائز الشائعة الاستخدام في عملية الترسيب الطبقي لنيتريد الغاليوم، فإن أبرز المشكلات التي يجب حلها فيما يتعلق بركائز الياقوت هي:

✔ نظرًا لعدم تطابق الشبكة البلورية الكبير بين الياقوت (Al₂O₃) ونيتريد الغاليوم (GaN) (حوالي 15%)، تكون كثافة العيوب عند السطح الفاصل بين الطبقة المترسبة والركيزة عالية جدًا. وللحد من آثارها السلبية، يجب معالجة الركيزة مسبقًا بشكل دقيق قبل بدء عملية الترسيب. قبل ترسيب طبقة نيتريد الغاليوم على ركائز الياقوت، يجب تنظيف سطح الركيزة جيدًا لإزالة الملوثات وآثار التلميع المتبقية، ولتكوين هياكل سطحية متدرجة. بعد ذلك، يُعالج سطح الركيزة بالنتردة لتغيير خصائص ترطيب الطبقة المترسبة. أخيرًا، تُرسّب طبقة عازلة رقيقة من نيتريد الألومنيوم (Al₂N) (عادةً ما يتراوح سمكها بين 10 و100 نانومتر) على سطح الركيزة وتُعالج حراريًا عند درجة حرارة منخفضة استعدادًا للنمو النهائي للطبقة المترسبة. ومع ذلك، لا تزال كثافة الانخلاعات في أغشية GaN المترسبة على ركائز الياقوت أعلى من كثافتها في الأغشية المترسبة ذاتيًا (حوالي 1010 سم-2، مقارنةً بكثافة انخلاعات شبه معدومة في أغشية السيليكون المترسبة ذاتيًا أو أغشية زرنيخيد الغاليوم المترسبة ذاتيًا، أو ما بين 102 و104 سم-2). تؤدي كثافة العيوب العالية إلى تقليل حركة حاملات الشحنة، مما يُقصر عمر حاملات الشحنة الأقلية ويقلل الموصلية الحرارية، وكل ذلك يُقلل من أداء الجهاز [4].

✔ معامل التمدد الحراري للياقوت أكبر من معامل التمدد الحراري لنيتريد الغاليوم، لذا سيتولد إجهاد انضغاطي ثنائي المحور في الطبقة المترسبة أثناء عملية التبريد من درجة حرارة الترسيب إلى درجة حرارة الغرفة. بالنسبة للأغشية المترسبة السميكة، قد يتسبب هذا الإجهاد في تشقق الغشاء أو حتى الركيزة.

✔ بالمقارنة مع الركائز الأخرى، فإن الموصلية الحرارية لركائز الياقوت أقل (حوالي 0.25 واط * سم - 1 * كلفن - 1 عند 100 درجة مئوية)، وأداء تبديد الحرارة ضعيف؛

✔ نظرًا لضعف موصليتها، فإن ركائز الياقوت ليست مواتية لدمجها وتطبيقها مع أجهزة أشباه الموصلات الأخرى.

على الرغم من أن كثافة العيوب في طبقات GaN المترسبة على ركائز الياقوت عالية، إلا أنها لا يبدو أنها تقلل بشكل كبير من الأداء الكهروضوئي لمصابيح LED الزرقاء والخضراء القائمة على GaN، لذلك لا تزال ركائز الياقوت تستخدم بشكل شائع لمصابيح LED القائمة على GaN.

مع تطور تطبيقات جديدة لأجهزة نيتريد الغاليوم، مثل الليزر وأجهزة الطاقة عالية الكثافة، أصبحت العيوب المتأصلة في ركائز الياقوت تشكل عائقًا متزايدًا أمام استخدامها. إضافةً إلى ذلك، ومع تطور تقنية نمو ركائز كربيد السيليكون، وانخفاض التكلفة، ونضوج تقنية ترسيب طبقات نيتريد الغاليوم على ركائز السيليكون، شهدت الأبحاث المتعلقة بترسيب طبقات نيتريد الغاليوم على ركائز الياقوت انخفاضًا تدريجيًا في وتيرة البحث.

ترسيب طبقة رقيقة من نيتريد الغاليوم على كربيد السيليكون

بالمقارنة مع الياقوت، تتميز ركائز كربيد السيليكون (بلورات 4H و6H) بتطابق شبكي أقل مع طبقات نيتريد الغاليوم المترسبة (3.1%، ما يعادل الأغشية المترسبة الموجهة [0001])، وموصلية حرارية أعلى (حوالي 3.8 واط/سم/كلفن)، وغيرها. إضافةً إلى ذلك، تسمح موصلية ركائز كربيد السيليكون بإجراء توصيلات كهربائية على ظهر الركيزة، مما يُسهم في تبسيط بنية الجهاز. وقد جذبت هذه المزايا المزيد من الباحثين للعمل على ترسيب نيتريد الغاليوم على ركائز كربيد السيليكون.

ومع ذلك، فإن العمل مباشرة على ركائز كربيد السيليكون لتجنب نمو طبقات رقيقة من نتريد الغاليوم يواجه أيضًا سلسلة من العيوب، بما في ذلك ما يلي:

✔ إن خشونة سطح ركائز SiC أعلى بكثير من خشونة سطح ركائز الياقوت (خشونة الياقوت 0.1 نانومتر RMS، خشونة SiC 1 نانومتر RMS)، تتميز ركائز SiC بصلابة عالية وأداء معالجة ضعيف، وتُعد هذه الخشونة وأضرار التلميع المتبقية أحد مصادر العيوب في طبقات GaN الرقيقة.

✔ كثافة الخلع اللولبي لركائز SiC عالية (كثافة الخلع 103-104 سم-2)، وقد تنتشر الخلوع اللولبية إلى طبقة GaN الرقيقة وتقلل من أداء الجهاز؛

✔ يؤدي الترتيب الذري على سطح الركيزة إلى تكوين عيوب التراص (BSFs) في طبقة GaN الرقيقة. بالنسبة لطبقة GaN الرقيقة على ركائز SiC، توجد عدة ترتيبات ذرية محتملة على الركيزة، مما ينتج عنه ترتيب ذري أولي غير متناسق لطبقة GaN الرقيقة عليها، وهو ما يجعلها عرضة لعيوب التراص. تُولّد عيوب التراص (SFs) مجالات كهربائية داخلية على طول المحور c، مما يؤدي إلى مشاكل مثل تسرب أجهزة فصل حاملات الشحنة داخل المستوى.

✔ معامل التمدد الحراري لركيزة كربيد السيليكون أصغر من معامل التمدد الحراري لنيتريد الألومنيوم ونيتريد الغاليوم، مما يتسبب في تراكم الإجهاد الحراري بين الطبقة المترسبة والركيزة أثناء عملية التبريد. وقد توقع والتر إت وبراند، بناءً على نتائج أبحاثهما، أنه يمكن تخفيف هذه المشكلة أو حلها عن طريق تنمية طبقات نيتريد الغاليوم المترسبة على طبقات نيتريد الألومنيوم الرقيقة والمتماسكة.

✔ مشكلة ضعف قابلية ترطيب ذرات الغاليوم. عند تنمية طبقات GaN فوقية مباشرةً على سطح SiC، ونظرًا لضعف قابلية الترطيب بين الذرتين، فإن GaN عرضة لنمو جزر ثلاثية الأبعاد على سطح الركيزة. يُعدّ إدخال طبقة عازلة الحل الأكثر شيوعًا لتحسين جودة المواد فوقية في عملية ترسيب GaN. يمكن لإدخال طبقة عازلة من AlN أو AlxGa1-xN أن يُحسّن بشكل فعّال قابلية ترطيب سطح SiC ويجعل طبقة GaN فوقية تنمو ثنائية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها أيضًا تنظيم الإجهاد ومنع عيوب الركيزة من الامتداد إلى طبقة GaN فوقية.

✔ إن تقنية تحضير ركائز كربيد السيليكون غير ناضجة، وتكلفة الركيزة مرتفعة، وهناك عدد قليل من الموردين وقليل من العرض.

أظهرت أبحاث توريس وآخرون أن حفر ركيزة كربيد السيليكون باستخدام الهيدروجين عند درجة حرارة عالية (1600 درجة مئوية) قبل عملية الترسيب الطبقي يمكن أن يُنتج بنية متدرجة أكثر انتظامًا على سطح الركيزة، مما يُؤدي إلى الحصول على طبقة رقيقة من نتريد الألومنيوم ذات جودة أعلى مقارنةً بنموها مباشرةً على سطح الركيزة الأصلي. كما أظهرت أبحاث شي وفريقه أن المعالجة المسبقة لركيزة كربيد السيليكون بالحفر تُحسّن بشكل ملحوظ مورفولوجيا السطح وجودة بلورات طبقة نتريد الغاليوم. ووجد سميث وآخرون أن الانخلاعات الخيطية الناشئة من واجهات الركيزة/الطبقة العازلة وواجهة الطبقة العازلة/الطبقة الرقيقة ترتبط بمدى استواء الركيزة [5].

الشكل 4: مورفولوجيا المجهر الإلكتروني النافذ لعينات طبقة GaN المترسبة على ركيزة 6H-SiC (0001) في ظل ظروف معالجة سطحية مختلفة: (أ) التنظيف الكيميائي؛ (ب) التنظيف الكيميائي + معالجة ببلازما الهيدروجين؛ (ج) التنظيف الكيميائي + معالجة ببلازما الهيدروجين + معالجة حرارية بالهيدروجين عند 1300 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة

ترسيب طبقة رقيقة من نيتريد الغاليوم على السيليكون

بالمقارنة مع ركائز كربيد السيليكون والياقوت وغيرها، فإن عملية تحضير ركائز السيليكون ناضجة، ويمكنها توفير ركائز كبيرة الحجم بكفاءة عالية من حيث التكلفة. في الوقت نفسه، تتميز ركائز السيليكون بموصلية حرارية وكهربائية جيدة، كما أن عملية تصنيع الأجهزة الإلكترونية فيها ناضجة. إن إمكانية دمج أجهزة GaN الكهروضوئية مع أجهزة السيليكون الإلكترونية في المستقبل تجعل نمو طبقة GaN الرقيقة على السيليكون جذابًا للغاية.

ومع ذلك، ونظرًا للاختلاف الكبير في ثوابت الشبكة بين ركيزة السيليكون ومادة نيتريد الغاليوم، فإن الترسيب الطبقي غير المتجانس لنيتريد الغاليوم على ركيزة السيليكون هو ترسيب طبقي نموذجي ذو عدم تطابق كبير، ويحتاج أيضًا إلى مواجهة سلسلة من المشاكل:

✔ مشكلة طاقة السطح البيني. عند نمو نتريد الغاليوم (GaN) على ركيزة من السيليكون (Si)، يتعرض سطح ركيزة السيليكون أولاً لعملية نتريد لتكوين طبقة من نتريد السيليكون غير المتبلور، وهي طبقة غير مواتية لتكوين ونمو نتريد الغاليوم عالي الكثافة. إضافةً إلى ذلك، يتلامس سطح السيليكون أولاً مع الغاليوم، مما يؤدي إلى تآكل سطح ركيزة السيليكون. عند درجات الحرارة العالية، ينتشر تحلل سطح السيليكون إلى طبقة نتريد الغاليوم المترسبة، مكونًا بقعًا سوداء من السيليكون.

✔ إن عدم تطابق ثابت الشبكة بين GaN و Si كبير (~17٪)، مما سيؤدي إلى تكوين انخلاعات خيطية عالية الكثافة ويقلل بشكل كبير من جودة الطبقة المترسبة؛

✔ بالمقارنة مع السيليكون، فإن GaN لديه معامل تمدد حراري أكبر (معامل التمدد الحراري لـ GaN يبلغ حوالي 5.6 × 10-6 كلفن-1، ومعامل التمدد الحراري للسيليكون يبلغ حوالي 2.6 × 10-6 كلفن-1)، وقد تتولد الشقوق في طبقة GaN المترسبة أثناء تبريد درجة حرارة الترسيب إلى درجة حرارة الغرفة؛

✔ يتفاعل السيليكون مع الأمونيا عند درجات حرارة عالية لتكوين نيتريد السيليكون متعدد البلورات. لا يستطيع نيتريد الألومنيوم تكوين نواة موجهة بشكل تفضيلي على نيتريد السيليكون متعدد البلورات، مما يؤدي إلى توجيه غير منتظم لطبقة نيتريد الغاليوم التي تنمو لاحقًا وعدد كبير من العيوب، مما ينتج عنه جودة بلورية رديئة لطبقة نيتريد الغاليوم المترسبة، بل وحتى صعوبة في تكوين طبقة نيتريد الغاليوم أحادية البلورة [6].

لحل مشكلة عدم تطابق الشبكة البلورية الكبير، سعى الباحثون إلى استخدام مواد مثل AlAs وGaAs وAlN وGaN وZnO وSiC كطبقات عازلة على ركائز السيليكون. ولتجنب تكوّن SiNx متعدد التبلور والحد من آثاره السلبية على جودة بلورات GaN/AlN/Si (111)، يُشترط عادةً إضافة TMAl لفترة محددة قبل النمو المتناحي لطبقة AlN العازلة لمنع تفاعل NH3 مع سطح السيليكون المكشوف وتكوين SiNx. إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدام تقنيات النمو المتناحي، مثل تقنية الركائز المنقوشة، لتحسين جودة الطبقة المتناحية. يُسهم تطوير هذه التقنيات في تثبيط تكوّن SiNx عند السطح البيني المتناحي، وتعزيز النمو ثنائي الأبعاد لطبقة GaN المتناحية، وتحسين جودة نمو الطبقة المتناحية. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم طبقة عازلة من نيتريد الألومنيوم (AlN) لتعويض إجهاد الشد الناتج عن اختلاف معاملات التمدد الحراري، وذلك لتجنب حدوث تشققات في طبقة نيتريد الغاليوم (GaN) المترسبة على ركيزة السيليكون. تُظهر أبحاث كروست وجود علاقة طردية بين سُمك طبقة نيتريد الألومنيوم العازلة وانخفاض الإجهاد. فعندما يصل سُمك الطبقة العازلة إلى 12 نانومترًا، يُمكن ترسيب طبقة مترسبة بسُمك يزيد عن 6 ميكرومترات على ركيزة السيليكون باستخدام طريقة ترسيب مناسبة دون حدوث تشققات في الطبقة المترسبة.

بعد جهود طويلة الأمد من قبل الباحثين، تم تحسين جودة طبقات GaN المترسبة على ركائز السيليكون بشكل كبير، وحققت أجهزة مثل ترانزستورات تأثير المجال، وكواشف الأشعة فوق البنفسجية ذات حاجز شوتكي، ومصابيح LED الزرقاء والخضراء، وليزر الأشعة فوق البنفسجية تقدماً كبيراً.

باختصار، نظرًا لأن ركائز GaN المستخدمة عادةً هي ركائز غير متجانسة، فإنها تواجه جميعها مشاكل مشتركة مثل عدم تطابق الشبكة البلورية واختلافات كبيرة في معاملات التمدد الحراري بدرجات متفاوتة. أما ركائز GaN المتجانسة، فتُحدّها محدودية نضج التكنولوجيا، ولم تُنتج بكميات كبيرة بعد. كما أن تكلفة إنتاجها مرتفعة، وحجمها صغير، وجودتها ليست مثالية. ولا يزال تطوير ركائز GaN جديدة وتحسين جودة الترسيب من أهم العوامل التي تُعيق تطور صناعة GaN.

رابعاً: الطرق الشائعة لنمو طبقة رقيقة من نتريد الغاليوم

MOCVD (الترسيب الكيميائي للبخار)

يبدو أن الترسيب المتجانس على ركائز نتريد الغاليوم هو الخيار الأمثل. مع ذلك، ونظرًا لأن المواد الأولية المستخدمة في الترسيب الكيميائي للبخار هي ثلاثي ميثيل الغاليوم والأمونيا، والغاز الحامل هو الهيدروجين، فإن درجة حرارة النمو النموذجية في هذه التقنية تتراوح بين 1000 و1100 درجة مئوية، ومعدل النمو بضعة ميكرونات في الساعة. تُنتج هذه التقنية أسطحًا بينية حادة على المستوى الذري، مما يجعلها مناسبة جدًا لنمو الوصلات غير المتجانسة، والآبار الكمومية، والشبكات الفائقة، وغيرها من البنى. يُستخدم معدل النمو السريع، والتجانس الجيد، وملاءمتها للنمو على مساحات واسعة ومتعددة الأجزاء، على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي.
MBE (الترسيب الجزيئي الشعاعي)
في تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي، يُستخدم الغاليوم كمصدر عنصري، ويُستخلص النيتروجين النشط من النيتروجين عبر بلازما الترددات الراديوية. بالمقارنة مع طريقة الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD)، فإن درجة حرارة نمو الترسيب الجزيئي الشعاعي أقل بحوالي 350-400 درجة مئوية. تُسهم درجة الحرارة المنخفضة في تجنب بعض أنواع التلوث التي قد تنتج عن البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة. يعمل نظام الترسيب الجزيئي الشعاعي في ظل فراغ فائق، مما يسمح بدمج المزيد من طرق الكشف الموضعي. في الوقت نفسه، لا يُضاهي معدل نموه وقدرته الإنتاجية معدل وقدرات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني، ولذا يُستخدم على نطاق أوسع في البحث العلمي [7].

الشكل 5: (أ) تخطيطي Eiko-MBE (ب) تخطيطي لغرفة التفاعل الرئيسية MBE

طريقة HVPE (الترسيب البخاري الهيدريدي)

المواد الأولية لطريقة الترسيب الكيميائي للبخار الهيدريدي هي كلوريد الغاليوم (GaCl3) والأمونيا (NH3). استخدم ديتشبروم وزملاؤه هذه الطريقة لترسيب طبقة رقيقة من نتريد الغاليوم (GaN) بسمك مئات الميكرونات على سطح ركيزة من الياقوت. في تجربتهم، تم ترسيب طبقة من أكسيد الزنك (ZnO) بين ركيزة الياقوت والطبقة الرقيقة كطبقة عازلة، ثم تم فصل الطبقة الرقيقة عن سطح الركيزة. بالمقارنة مع تقنيتي الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) والترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE)، فإن الميزة الرئيسية لطريقة الترسيب الكيميائي للبخار الهيدريدي هي معدل نموها العالي، مما يجعلها مناسبة لإنتاج طبقات سميكة ومواد صلبة. مع ذلك، عندما يتجاوز سمك الطبقة الرقيقة 20 ميكرومترًا، تصبح هذه الطبقة عرضة للتشقق.
قدّم أكيرا أوسوي تقنية الركائز المنقوشة استنادًا إلى هذه الطريقة. في البداية، قاموا بترسيب طبقة رقيقة من نيتريد الغاليوم (GaN) بسمك 1-1.5 ميكرومتر على ركيزة من الياقوت باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD). تتكون الطبقة الرقيقة من طبقة عازلة من نيتريد الغاليوم بسمك 20 نانومتر، تم ترسيبها في ظروف درجات حرارة منخفضة، وطبقة أخرى من نيتريد الغاليوم تم ترسيبها في ظروف درجات حرارة عالية. بعد ذلك، عند درجة حرارة 430 درجة مئوية، تم طلاء طبقة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) على سطح الطبقة الرقيقة، وصُنعت شرائط نافذة على طبقة ثاني أكسيد السيليكون باستخدام الطباعة الضوئية. كانت المسافة بين الشرائط 7 ميكرومتر، وتراوح عرض القناع من 1 إلى 4 ميكرومتر. بعد هذا التحسين، حصلوا على طبقة رقيقة من نيتريد الغاليوم على ركيزة من الياقوت بقطر بوصتين، خالية من الشقوق وناعمة كسطح المرآة حتى مع زيادة سمكها إلى عشرات أو حتى مئات الميكرومترات. انخفضت كثافة العيوب من 109-1010 سم-2 في طريقة HVPE التقليدية إلى حوالي 6×107 سم-2. كما أشاروا في التجربة إلى أنه عندما يتجاوز معدل النمو 75 ميكرومتر/ساعة، يصبح سطح العينة خشنًا[8].

الشكل 6: رسم تخطيطي للركيزة الرسومية

خامساً: ملخص وتوقعات

بدأت مواد نيتريد الغاليوم (GaN) بالظهور في عام 2014 عندما فاز مصباح LED الأزرق بجائزة نوبل في الفيزياء في ذلك العام، ودخلت مجال تطبيقات الشحن السريع في الإلكترونيات الاستهلاكية. في الواقع، ظهرت تطبيقات أخرى في مضخمات الطاقة وأجهزة الترددات اللاسلكية المستخدمة في محطات الجيل الخامس (5G) التي لا يراها معظم الناس. في السنوات الأخيرة، من المتوقع أن يُسهم التطور الكبير في أجهزة الطاقة المستخدمة في السيارات والمبنية على نيتريد الغاليوم في فتح آفاق نمو جديدة لسوق تطبيقات هذه المواد.
سيساهم الطلب الهائل في السوق بلا شك في تعزيز نمو الصناعات والتقنيات المرتبطة بنتريد الغاليوم. ومع نضوج سلسلة التوريد الصناعية لنيتريد الغاليوم وتطورها، سيتم التغلب على المشكلات التي تواجه تقنية الترسيب الطبقي الحالية لنيتريد الغاليوم. وفي المستقبل، سيتم تطوير المزيد من تقنيات الترسيب الطبقي الجديدة وخيارات الركائز المتميزة. وحينها، سيتمكن الباحثون من اختيار أنسب التقنيات والركائز الخارجية لتطبيقات مختلفة وفقًا لخصائصها، وإنتاج منتجات مخصصة عالية التنافسية.