1. أشباه الموصلات من الجيل الثالث
طُوِّرت تقنية أشباه الموصلات من الجيل الأول بالاعتماد على مواد أشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم. وتُشكِّل هذه المواد الأساس لتطوير الترانزستورات وتكنولوجيا الدوائر المتكاملة. وقد أرست مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول أسس صناعة الإلكترونيات في القرن العشرين، وهي المواد الأساسية لتكنولوجيا الدوائر المتكاملة.
تشمل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني بشكل رئيسي زرنيخيد الغاليوم، وفوسفيد الإنديوم، وفوسفيد الغاليوم، وزرنيخيد الإنديوم، وزرنيخيد الألومنيوم، ومركباتها الثلاثية. تُشكل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني أساس صناعة المعلومات البصرية الإلكترونية. وعلى هذا الأساس، تطورت صناعات ذات صلة، مثل الإضاءة، والشاشات، والليزر، والطاقة الكهروضوئية. وتُستخدم هذه المواد على نطاق واسع في تكنولوجيا المعلومات المعاصرة وصناعات شاشات العرض البصرية الإلكترونية.
تشمل المواد النموذجية لأشباه الموصلات من الجيل الثالث نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. بفضل فجوة النطاق العريض، وسرعة انجراف تشبع الإلكترونات العالية، والموصلية الحرارية العالية، وقوة مجال الانهيار العالية، تُعدّ هذه المواد مثالية لتحضير أجهزة إلكترونية عالية الكثافة والتردد والفقد. من بين هذه المواد، تتميز أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون بكثافة طاقة عالية، واستهلاك منخفض للطاقة، وحجم صغير، ولها تطبيقات واسعة في مركبات الطاقة الجديدة، والطاقة الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، والبيانات الضخمة، وغيرها من المجالات. تتميز أجهزة التردد اللاسلكي المصنوعة من نتريد الغاليوم بترددها العالي، وطاقتها العالية، وعرض نطاقها الترددي الواسع، واستهلاكها المنخفض للطاقة، وحجمها الصغير، ولها تطبيقات واسعة في اتصالات الجيل الخامس، وإنترنت الأشياء، والرادار العسكري، وغيرها من المجالات. بالإضافة إلى ذلك، استُخدمت أجهزة الطاقة القائمة على 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 وGaN 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 بعرض فجوة نطاق أوسع (يبلغ عرض فجوة النطاق للسيليكون، وهو مادة نموذجية من مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول، حوالي 1.1 إلكترون فولت، وعرض فجوة النطاق للغاليوم زرنيخيد الغاليوم، وهو مادة نموذجية من مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني، حوالي 1.42 إلكترون فولت، وعرض فجوة النطاق لنِتيد الغاليوم، وهو مادة نموذجية من مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث، أعلى من 2.3 إلكترون فولت)، بالإضافة إلى مقاومة إشعاعية أقوى، ومقاومة أقوى لانهيار المجال الكهربائي، ومقاومة أعلى لدرجة الحرارة. تُعد مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث ذات عرض فجوة النطاق الأوسع مناسبة بشكل خاص لإنتاج أجهزة إلكترونية مقاومة للإشعاع، وعالية التردد، وعالية القدرة، وعالية الكثافة التكاملية. وقد جذبت تطبيقاتها في أجهزة ترددات الميكروويف، ومصابيح LED، والليزر، وأجهزة الطاقة وغيرها من المجالات الكثير من الاهتمام، وأظهرت آفاق تطوير واسعة في مجال الاتصالات المتنقلة، والشبكات الذكية، والنقل بالسكك الحديدية، ومركبات الطاقة الجديدة، والإلكترونيات الاستهلاكية، وأجهزة الأشعة فوق البنفسجية والأزرق والأخضر [1].
مصدر الصورة: CASA، معهد أبحاث الأوراق المالية Zheshang
الشكل 1 مقياس زمني وتوقعات جهاز الطاقة GaN
II بنية وخصائص مادة GaN
GaN هو شبه موصل ذي فجوة نطاقية مباشرة. يبلغ عرض فجوة النطاق لبنية الورتزايت عند درجة حرارة الغرفة حوالي 3.26 إلكترون فولت. تحتوي مواد GaN على ثلاثة هياكل بلورية رئيسية، وهي بنية الورتزايت، وبنية السفاليرايت، وبنية ملح الصخور. من بينها، تُعد بنية الورتزايت أكثر الهياكل البلورية استقرارًا. يوضح الشكل 2 مخططًا لبنية الورتزايت السداسية لـ GaN. تنتمي بنية الورتزايت لمادة GaN إلى بنية سداسية متراصة. تحتوي كل خلية وحدة على 12 ذرة، بما في ذلك 6 ذرات نيتروجين و6 ذرات Ga. تُشكل كل ذرة Ga (N) رابطة مع أقرب 4 ذرات N (Ga) وتكون مكدسة بترتيب ABABAB... على طول اتجاه [0001] [2].
الشكل 2 مخطط خلية بلورية من نيتريد الغاليوم لبنية الوورتزيت
III الركائز المستخدمة بشكل شائع لتكوين طبقة GaN
يبدو أن التكاثر المتجانس على ركائز نيتريد الغاليوم (GaN) هو الخيار الأمثل للتكاثر التراكمي. ومع ذلك، نظرًا لطاقة الرابطة العالية لنتريد الغاليوم، فعند وصول درجة الحرارة إلى درجة انصهار 2500 درجة مئوية، يكون ضغط تحلله المقابل حوالي 4.5 جيجا باسكال. عندما يكون ضغط التحلل أقل من هذا الضغط، لا يذوب نيتريد الغاليوم، بل يتحلل مباشرةً. هذا يجعل تقنيات تحضير الركائز الناضجة، مثل طريقة تشوكرالسكي، غير مناسبة لتحضير ركائز نيتريد الغاليوم أحادية البلورة، مما يجعل إنتاج ركائز نيتريد الغاليوم بكميات كبيرة أمرًا صعبًا ومكلفًا. لذلك، فإن الركائز المستخدمة عادةً في النمو التراكمي لنتريد الغاليوم هي بشكل رئيسي السيليكون، وكربيد السيليكون، والياقوت، وغيرها [3].
الرسم البياني 3 GaN ومعلمات المواد الأساسية المستخدمة بشكل شائع
تكوين GaN على الياقوت
يتميز الياقوت بخصائص كيميائية مستقرة، وهو رخيص الثمن، وذو نضج عالٍ في صناعة الإنتاج واسعة النطاق. لذلك، أصبح من أقدم وأوسع مواد الركيزة استخدامًا في هندسة أجهزة أشباه الموصلات. وباعتباره من المواد الركيزة الشائعة الاستخدام في ترسيب نيتريد الغاليوم، فإن المشاكل الرئيسية التي تحتاج إلى حل فيما يتعلق بركائز الياقوت هي:
✔ نظرًا لعدم التوافق الكبير في الشبكة بين الياقوت الأزرق (Al2O3) ونيتريد الغاليوم (GaN) (حوالي 15%)، فإن كثافة العيوب عند السطح الفاصل بين الطبقة الفوقية والركيزة تكون عالية جدًا. وللحد من آثارها السلبية، يجب إخضاع الركيزة لمعالجة مسبقة معقدة قبل بدء عملية الفوقية. قبل زراعة تفوق نيتريد الغاليوم على ركائز الياقوت الأزرق، يجب أولًا تنظيف سطح الركيزة جيدًا لإزالة الملوثات وآثار التلميع المتبقية، وما إلى ذلك، ولإنتاج خطوات وهياكل سطحية متدرجة. بعد ذلك، يُنتَر سطح الركيزة لتغيير خصائص ترطيب الطبقة الفوقية. وأخيرًا، يجب ترسيب طبقة عازلة رقيقة من نيتريد الألومنيوم (عادةً ما يتراوح سمكها بين 10 و100 نانومتر) على سطح الركيزة، ثم تُلَدَّن في درجة حرارة منخفضة استعدادًا للنمو الفوقي النهائي. مع ذلك، لا تزال كثافة الخلع في أغشية GaN الطلائية المزروعة على ركائز الياقوت أعلى من كثافة الأغشية المتجانسة (حوالي 1010 سم²، مقارنةً بكثافة خلع صفرية تقريبًا في أغشية السيليكون الطلائية المتجانسة أو أغشية زرنيخيد الغاليوم الطلائية المتجانسة، أو ما بين 102 و104 سم²). تقلل كثافة العيوب العالية من حركة الناقل، مما يُقصّر عمر الناقلات الأقلية ويُقلّل التوصيل الحراري، وكل ذلك يُقلّل من أداء الجهاز [4].
✔ معامل التمدد الحراري للياقوت أكبر من معامل نيتريد الغاليوم، لذا يتولد إجهاد انضغاطي ثنائي المحور في الطبقة الفوقية أثناء عملية التبريد من درجة حرارة الترسيب إلى درجة حرارة الغرفة. في الأغشية الفوقية السميكة، قد يتسبب هذا الإجهاد في تشقق الغشاء أو حتى الركيزة.
✔ بالمقارنة مع الركائز الأخرى، فإن الموصلية الحرارية لركائز الياقوت أقل (حوالي 0.25W*cm-1*K-1 عند 100 درجة مئوية)، وأداء تبديد الحرارة ضعيف؛
✔ بسبب ضعف موصليتها، فإن ركائز الياقوت ليست مناسبة لدمجها وتطبيقها مع أجهزة أشباه الموصلات الأخرى.
على الرغم من أن كثافة العيوب في طبقات GaN الطلائية المزروعة على ركائز الياقوت عالية، إلا أنها لا تبدو أنها تقلل بشكل كبير من الأداء البصري الإلكتروني لمصابيح LED الزرقاء والخضراء القائمة على GaN، لذلك لا تزال ركائز الياقوت ركائز مستخدمة بشكل شائع لمصابيح LED القائمة على GaN.
مع تطور تطبيقات جديدة لأجهزة نيتريد الغاليوم، مثل الليزر أو غيرها من أجهزة الطاقة عالية الكثافة، أصبحت العيوب الكامنة في ركائز الياقوت تُعيق تطبيقها بشكل متزايد. إضافةً إلى ذلك، ومع تطور تقنية نمو ركائز كربيد السيليكون، وانخفاض التكلفة، ونضج تقنية الترابط الفوقي لنتريد الغاليوم على ركائز السيليكون، أظهرت المزيد من الأبحاث حول نمو طبقات الترابط الفوقي لنتريد الغاليوم على ركائز الياقوت تدريجيًا اتجاهًا نحو الانخفاض.
تكوين GaN على SiC
بالمقارنة مع الياقوت، تتميز ركائز كربيد السيليكون (بلورات 4H و6H) باختلاف شبكي أصغر مع طبقات GaN الطلائية (3.1%، أي ما يعادل أغشية الطلائية الموجهة [0001])، وموصلية حرارية أعلى (حوالي 3.8 واط*سم-1*كلفن-1)، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، تسمح موصلية ركائز كربيد السيليكون أيضًا بإنشاء تلامسات كهربائية على ظهر الركيزة، مما يُسهم في تبسيط بنية الجهاز. وقد جذبت هذه المزايا المزيد من الباحثين للعمل على تراكب GaN على ركائز كربيد السيليكون.
ومع ذلك، فإن العمل بشكل مباشر على ركائز SiC لتجنب نمو طبقات GaN يواجه أيضًا سلسلة من العيوب، بما في ذلك ما يلي:
✔ خشونة سطح ركائز SiC أعلى بكثير من خشونة ركائز الياقوت (خشونة الياقوت 0.1 نانومتر RMS، خشونة SiC 1 نانومتر RMS)، تتميز ركائز SiC بصلابة عالية وأداء معالجة ضعيف، وهذه الخشونة وأضرار التلميع المتبقية هي أيضًا أحد مصادر العيوب في طبقات GaN.
✔ كثافة خلع البراغي لركائز SiC عالية (كثافة الخلع 103-104 سم -2)، وقد تنتشر خلع البراغي إلى طبقة GaN وتقلل من أداء الجهاز؛
✔ يُحفّز الترتيب الذري على سطح الركيزة تكوّن صدوع التراص (BSFs) في طبقة نيتريد الغاليوم. بالنسبة لنيتريد الغاليوم المتراكب على ركائز كربيد السيليكون، توجد عدة ترتيبات ذرية محتملة على الركيزة، مما يؤدي إلى عدم تناسق ترتيب التراص الذري الأولي لطبقة نيتريد الغاليوم المتراكب عليها، مما يجعلها عرضة لصدوع التراص. تُدخل صدوع التراص (SFs) مجالات كهربائية مدمجة على طول المحور c، مما يؤدي إلى مشاكل مثل تسرب أجهزة فصل الناقلات في المستوى.
✔ معامل التمدد الحراري لركيزة SiC أصغر من معامل التمدد الحراري لـ AlN وGaN، مما يُسبب تراكمًا للإجهاد الحراري بين الطبقة الفوقية والركيزة أثناء عملية التبريد. تنبأ والتريت وبراند، بناءً على نتائج بحثهما، بإمكانية تخفيف هذه المشكلة أو حلها عن طريق زراعة طبقات فوقية من GaN على طبقات نواة رقيقة ومتماسكة من AlN.
✔ مشكلة ضعف قابلية ذرات الغاليوم للترطيب. عند زراعة طبقات نيتريد الغاليوم فوق سطح كربيد السيليكون مباشرةً، نظرًا لضعف قابلية الترطيب بين الذرتين، يكون نيتريد الغاليوم عرضة لتكوين جزر ثلاثية الأبعاد على سطح الركيزة. يُعدّ استخدام طبقة عازلة الحل الأكثر شيوعًا لتحسين جودة المواد فوق الركيزة في ركيزة نيتريد الغاليوم. يُمكن أن يُحسّن استخدام طبقة عازلة من نيتريد الألومنيوم أو نيتريد الغالون (AlxGa1-xN) قابلية ترطيب سطح كربيد السيليكون بفعالية، ويُمكّن طبقة نيتريد الغاليوم فوق الركيزة من النمو في بُعدين. بالإضافة إلى ذلك، يُمكنها أيضًا تنظيم الإجهاد ومنع امتداد عيوب الركيزة إلى ركيزة نيتريد الغاليوم.
✔ تكنولوجيا تحضير ركائز SiC غير ناضجة، وتكلفة الركيزة مرتفعة، وهناك عدد قليل من الموردين والإمدادات قليلة.
يُظهر بحث توريس وآخرون أن نقش ركيزة كربيد السيليكون بالهيدروجين عند درجة حرارة عالية (1600 درجة مئوية) قبل التكاثر الطبقي يُنتج بنية متدرجة أكثر تنظيمًا على سطح الركيزة، مما يُنتج طبقة نيتريد الألومنيوم الطبقية ذات جودة أعلى مقارنةً بزراعتها مباشرةً على سطح الركيزة الأصلي. كما يُظهر بحث شي وفريقه أن المعالجة المسبقة للنقش لركيزة كربيد السيليكون يُمكن أن تُحسّن بشكل كبير مورفولوجيا السطح وجودة بلورات طبقة نيتريد الغاليوم الطبقية. وجد سميث وآخرون أن خلع الخيوط الناتج عن واجهات الركيزة/الطبقة العازلة والطبقة العازلة/الطبقة الطبقية يرتبط بمدى تسطح الركيزة [5].
الشكل 4 مورفولوجيا المجهر الإلكتروني النافذ لعينات الطبقة الطلائية GaN المزروعة على ركيزة 6H-SiC (0001) تحت ظروف معالجة سطحية مختلفة (أ) التنظيف الكيميائي؛ (ب) التنظيف الكيميائي + معالجة بلازما الهيدروجين؛ (ج) التنظيف الكيميائي + معالجة بلازما الهيدروجين + معالجة حرارية بالهيدروجين عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة
تكوين GaN على Si
بالمقارنة مع كربيد السيليكون والياقوت وغيرهما من الركائز، تتميز عملية تحضير ركيزة السيليكون بنضجها، ما يسمح لها بتوفير ركائز ناضجة كبيرة الحجم وعالية الأداء بتكلفة معقولة. في الوقت نفسه، تتميز الموصلية الحرارية والكهربائية بالجودة العالية، كما أن عملية تصنيع الأجهزة الإلكترونية المصنوعة من السيليكون متطورة. كما أن إمكانية دمج أجهزة GaN البصرية الإلكترونية بشكل مثالي مع الأجهزة الإلكترونية المصنوعة من السيليكون في المستقبل تجعل نمو تقنية تراكب GaN على السيليكون أمرًا جذابًا للغاية.
ومع ذلك، نظرًا للاختلاف الكبير في ثوابت الشبكة بين ركيزة السيليكون ومادة نيتريد الغاليوم، فإن الترابط غير المتجانس لنيتريد الغاليوم على ركيزة السيليكون هو ترابط غير متطابق كبير نموذجي، كما يحتاج أيضًا إلى مواجهة سلسلة من المشكلات:
✔ مشكلة طاقة السطح. عند نمو نيتريد الغاليوم (GaN) على ركيزة من السيليكون، يُنتَر سطح ركيزة السيليكون أولًا لتكوين طبقة نيتريد سيليكون غير متبلورة، مما لا يُساعد على تكوين نواة ونمو نيتريد الغاليوم عالي الكثافة. بالإضافة إلى ذلك، سيتلامس سطح السيليكون أولًا مع الغاليوم، مما يُؤدي إلى تآكل سطح ركيزة السيليكون. عند درجات الحرارة العالية، ينتشر تحلل سطح السيليكون إلى الطبقة الفوقية من نيتريد الغاليوم مُشكِّلًا بقعًا سيليكونية سوداء.
✔ عدم تطابق ثابت الشبكة بين GaN وSi كبير (~17٪)، مما يؤدي إلى تكوين خلع خيوط عالي الكثافة ويقلل بشكل كبير من جودة الطبقة الطلائية؛
✔ بالمقارنة مع السيليكون، يتمتع GaN بمعامل تمدد حراري أكبر (معامل التمدد الحراري لـ GaN حوالي 5.6×10-6K-1، ومعامل التمدد الحراري لـ Si حوالي 2.6×10-6K-1)، وقد تتكون شقوق في الطبقة الظهارية لـ GaN أثناء تبريد درجة الحرارة الظهارية إلى درجة حرارة الغرفة؛
يتفاعل السيليكون مع الأمونيا (NH3) عند درجات حرارة عالية لتكوين SiNx متعدد البلورات. لا يستطيع AlN تكوين نواة ذات توجه تفضيلي على SiNx متعدد البلورات، مما يؤدي إلى اضطراب في توجه طبقة GaN الناتجة وزيادة عدد العيوب، مما يؤدي إلى ضعف جودة بلورة طبقة GaN الطلائية، بل وصعوبة تكوين طبقة GaN طلائية أحادية البلورة [6].
لحل مشكلة عدم تطابق الشبكة الكبيرة، حاول الباحثون إدخال مواد مثل AlAs وGaAs وAlN وGaN وZnO وSiC كطبقات عازلة على ركائز Si. لتجنب تكوين SiNx متعدد البلورات وتقليل آثاره السلبية على جودة بلورات مواد GaN/AlN/Si (111)، عادةً ما يلزم إدخال TMAl لفترة زمنية معينة قبل النمو الفوقي لطبقة AlN العازلة لمنع تفاعل NH3 مع سطح Si المكشوف لتكوين SiNx. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام تقنيات الفوقية، مثل تقنية الركيزة المنقوشة، لتحسين جودة الطبقة الفوقية. يساعد تطوير هذه التقنيات على منع تكوين SiNx عند الواجهة الفوقية، وتعزيز النمو ثنائي الأبعاد لطبقة GaN الفوقية، وتحسين جودة نموها. بالإضافة إلى ذلك، تُضاف طبقة عازلة من AlN لتعويض إجهاد الشد الناتج عن اختلاف معاملات التمدد الحراري، وذلك لتجنب تشققات الطبقة الفوقية من GaN على ركيزة السيليكون. يُظهر بحث كروست وجود علاقة طردية بين سمك طبقة AlN العازلة وانخفاض الإجهاد. عندما يصل سمك طبقة العازلة إلى 12 نانومتر، يُمكن زراعة طبقة فوقية يزيد سمكها عن 6 ميكرومتر على ركيزة السيليكون من خلال خطة نمو مناسبة دون تشقق الطبقة الفوقية.
بعد جهود طويلة الأمد من قبل الباحثين، تم تحسين جودة طبقات GaN الطلائية المزروعة على ركائز السيليكون بشكل كبير، كما حققت الأجهزة مثل ترانزستورات التأثير الميداني، وكاشفات الأشعة فوق البنفسجية لحاجز شوتكي، ومصابيح LED الزرقاء والخضراء، والليزر فوق البنفسجي تقدماً كبيراً.
باختصار، بما أن ركائز GaN الطلائية الشائعة الاستخدام جميعها ذات ترابط غير متجانس، فإنها تواجه جميعها مشاكل شائعة، مثل عدم تطابق الشبكة والاختلافات الكبيرة في معاملات التمدد الحراري بدرجات متفاوتة. وتُقيد ركائز GaN الطلائية المتجانسة نضج التكنولوجيا، ولم تُنتج بكميات كبيرة بعد. فتكلفة الإنتاج مرتفعة، وحجم الركيزة صغير، وجودتها ليست مثالية. ولا يزال تطوير ركائز GaN الطلائية الجديدة وتحسين جودتها أحد العوامل المهمة التي تعيق تطوير صناعة GaN الطلائية.
رابعًا: الطرق الشائعة لتكوين نيتريد الغاليوم
MOCVD (الترسيب الكيميائي للبخار)
يبدو أن التكاثر المتجانس على ركائز نيتريد الغاليوم (GaN) هو الخيار الأمثل لتكاثر نيتريد الغاليوم. ومع ذلك، بما أن المواد الأولية للترسيب الكيميائي للبخار هي ثلاثي ميثيل الغاليوم والأمونيا، والغاز الحامل هو الهيدروجين، فإن درجة حرارة نمو MOCVD النموذجية تتراوح بين 1000 و1100 درجة مئوية تقريبًا، ويبلغ معدل نموها بضعة ميكرونات في الساعة تقريبًا. ويمكنها إنتاج واجهات شديدة الانحدار على المستوى الذري، وهو مناسب جدًا لنمو الوصلات غير المتجانسة، والآبار الكمية، والشبكات الفائقة، وغيرها من الهياكل. وكثيرًا ما تُستخدم في الإنتاج الصناعي خصائصها السريعة، وتجانسها الجيد، وملاءمتها للنمو على مساحات كبيرة ومتعدد القطع.
MBE (التراكم الشعاعي الجزيئي)
في عملية ترسيب الحزم الجزيئية، يستخدم Ga مصدرًا عنصريًا، ويُستخرج النيتروجين النشط منه عبر بلازما الترددات الراديوية. بالمقارنة مع طريقة MOCVD، تكون درجة حرارة نمو MBE أقل بحوالي 350-400 درجة مئوية. تُجنّب درجة حرارة النمو المنخفضة بعض التلوث الذي قد تُسببه البيئات ذات درجات الحرارة العالية. يعمل نظام MBE في فراغ فائق، مما يسمح له بدمج المزيد من أساليب الكشف في الموقع. في الوقت نفسه، لا يُقارن معدل نموه وقدرته الإنتاجية مع MOCVD، وهو أكثر استخدامًا في البحث العلمي [7].
الشكل 5: (أ) تخطيطي Eiko-MBE (ب) تخطيطي لغرفة التفاعل الرئيسية MBE
طريقة HVPE (تكوين طور بخار الهيدريد)
المواد الأولية لطريقة ترسيب طور بخار الهيدريد هي GaCl3 وNH3. استخدم ديتشبروهم وآخرون هذه الطريقة لتكوين طبقة ترسيبية من GaN بسُمك مئات الميكرونات على سطح ركيزة من الياقوت. في تجربتهم، تم تكوين طبقة من أكسيد الزنك بين ركيزة الياقوت والطبقة الترسيبية كطبقة عازلة، ثم سُحبت الطبقة الترسيبية من سطح الركيزة. بالمقارنة مع MOCVD وMBE، فإن السمة الرئيسية لطريقة HVPE هي معدل نموها العالي، وهو مناسب لإنتاج طبقات سميكة ومواد سائبة. ومع ذلك، عندما يتجاوز سمك الطبقة الترسيبية 20 ميكرومترًا، تكون الطبقة الترسيبية الناتجة عن هذه الطريقة عرضة للتشقق.
قدّم أكيرا أوسوي تقنية الركيزة المنقوشة بناءً على هذه الطريقة. فقد قاموا أولاً بتنمية طبقة رقيقة من GaN بسمك 1-1.5 ميكرومتر على ركيزة من الياقوت باستخدام طريقة MOCVD. تتكون الطبقة الفوقية من طبقة عازلة من GaN بسمك 20 نانومتر نمت في ظروف درجات حرارة منخفضة وطبقة GaN نمت في ظروف درجات حرارة عالية. بعد ذلك، عند 430 درجة مئوية، طُلِيَت طبقة من SiO2 على سطح الطبقة الفوقية، وصُنعت خطوط نافذة على فيلم SiO2 بواسطة الطباعة الضوئية. كانت المسافة بين الخطوط 7 ميكرومتر وتراوح عرض القناع من 1 ميكرومتر إلى 4 ميكرومتر. بعد هذا التحسين، حصلوا على طبقة فوقية من GaN على ركيزة من الياقوت بقطر 2 بوصة كانت خالية من الشقوق وناعمة كالمرآة حتى عندما زاد السمك إلى عشرات أو حتى مئات الميكرونات. تم تخفيض كثافة العيوب من 109-1010 سم² بالطريقة التقليدية لـ HVPE إلى حوالي 6×107 سم². كما أشاروا في التجربة إلى أنه عندما يتجاوز معدل النمو 75 ميكرومتر/ساعة، يصبح سطح العينة خشنًا [8].
الشكل 6 مخطط الركيزة الرسومي
الخامس. الملخص والتوقعات
بدأت مواد نيتريد الغاليوم (GaN) بالظهور عام ٢٠١٤، عندما فاز مصباح LED ذو الضوء الأزرق بجائزة نوبل في الفيزياء في ذلك العام، ودخلت مجال تطبيقات الشحن السريع في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية. في الواقع، ظهرت أيضًا تطبيقات في مُضخّمات الطاقة وأجهزة الترددات الراديوية (RF) المستخدمة في محطات الجيل الخامس (5G) التي لا يراها معظم الناس. في السنوات الأخيرة، من المتوقع أن يُفتح الاختراق في أجهزة الطاقة المُستخدمة في السيارات والقائمة على نيتريد الغاليوم آفاقًا جديدة لنمو سوق تطبيقات مواد نيتريد الغاليوم.
سيعزز الطلب الهائل في السوق بلا شك تطوير الصناعات والتقنيات المرتبطة بنتريد الغاليوم. ومع نضج سلسلة الصناعات المرتبطة به وتحسينها، سيتم في نهاية المطاف تحسين أو التغلب على المشكلات التي تواجه تقنية نتريد الغاليوم الحالية. في المستقبل، سيُطور الباحثون بالتأكيد المزيد من تقنيات التراكب الجديدة وخيارات ركائز أكثر تميزًا. عندها، سيتمكن الباحثون من اختيار أنسب تقنيات البحث الخارجي والركائز لمختلف سيناريوهات التطبيق وفقًا لخصائصها، وإنتاج منتجات مخصصة تتميز بأعلى معايير التنافسية.
وقت النشر: ٢٨ يونيو ٢٠٢٤