الركائز البلورية الشائعة لتطبيقات أشباه الموصلات والتطبيقات البصرية

تمثل الركائز البلورية أساسيات تصنيع أشباه الموصلات والضوئيات والإلكترونيات الضوئية والإلكترونيات الضوئية والهندسة البصرية المتقدمة. إن كمالها الهيكلي وسلوكها الإلكتروني وشفافيتها الضوئية وأداءها الحراري هو الذي يحدد في النهاية جودة الأجهزة مثل الدوائر المتكاملة وصمامات الليزر الثنائية ومصابيح LED ومكتشفات الضوء وهياكل MEMS والمعدلات الضوئية غير الخطية ومكونات الليزر عالية الطاقة. وفيما يلي عرض عام للركائز شائعة الاستخدام، إلى جانب تفاصيل تطبيقاتها ومواصفاتها.

السيليكون - ركيزة عالمية للإلكترونيات الدقيقة وMEMS

لا يزال السيليكون هو الركيزة البلورية الأكثر استخداماً على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الدقيقة وتصنيع أنظمة MEMS نظراً لفعاليته من حيث التكلفة ونظام المعالجة الناضج والمتانة الميكانيكية. تضمن هذه السمات استمرار أهميته في تمكين الأجهزة المنطقية وإلكترونيات الطاقة ومنصات الاستشعار. وفي مجال البصريات، يُعد السيليكون مادة أساسية في مكونات الأشعة تحت الحمراء والدوائر الضوئية المتكاملة والدليل الموجي السلبي وعناصر التصوير الحراري نظراً لشفافيته في نطاق الأشعة تحت الحمراء الذي يتراوح بين 1.2 و8 ميكرومتر. يتم تمكين الدوائر الضوئية عالية السرعة ومرنانات MEMS المتقدمة بواسطة رقائق SOI، والتي لها تطبيقات في اتصالات الجيل الخامس وأنظمة LiDAR والاستشعار الدقيق.

تشمل مواصفات رقائق السيليكون النموذجية مجموعة واسعة من الأنواع: CZ، وFZ، وSOI؛ ومستويات نقاء تتراوح بين >99.99%؛ وخيارات مقاومة تتراوح بين مستويات الميلي أوم والميغا أوم، اعتماداً على المنشطات. تشمل الاتجاهات (100) و(111) و(110) لتتناسب مع احتياجات الجهاز. يتضمن التطعيم البورون أو الفوسفور أو الزرنيخ. تختلف الأقطار من 2 إلى 12 بوصة. تختلف تشطيبات السطح من مصقول من جانب واحد إلى مصقول من جانبين للتطبيقات البصرية التي تتطلب تشتتًا منخفضًا وتسطيحًا دقيقًا.

الياقوت مادة ركيزة عالية الأداء للإلكترونيات الضوئية وتكنولوجيا الليزر.

الياقوت هو الركيزة الأساسية المستخدمة في تلبيد نيتريد الغاليوم ويشكل الأساس لمصابيح LED الزرقاء ومصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية وصمامات الليزر الثنائية عالية الطاقة والعديد من مكونات الترددات اللاسلكية . كما أن صلابته العالية جدًا وتوصيله الحراري يجعله مفيدًا في الأنظمة البصرية عالية الطاقة ونوافذ الساعات وبصريات الأشعة تحت الحمراء وفي البيئات التي يصعب فيها الإشعاع. كما أن خصائص الياقوت هذه، بالإضافة إلى ثباته الكيميائي ومقاومته للتدوير الحراري، تجعله مناسبًا أيضًا لمستشعرات البيئة القاسية والنوافذ البصرية ذات درجات الحرارة العالية.

وعادةً ما يتم تحضير ركائز الياقوت في اتجاهات المستوى C والمستوى A والمستوى R والمستوى M لتلبية الاحتياجات الفوقية المختلفة. توفر الركائز عالية الجودة تسطيحًا ممتازًا مع TTV < 5 ميكرومتر وخشونة سطح منخفضة Ra < 0.3 نانومتر. يُظهر الياقوت نقاءً عاليًا للغاية ويتم تقديمه في أشكال مصقولة من جانب واحد أو من جانبين. وبسبب درجة انصهاره العالية جدًا التي تبلغ 2040 درجة مئوية، يتم اختيار الياقوت في تلك الأماكن التي يكون فيها الاستقرار الحراري طويل الأجل أمرًا بالغ الأهمية.

الكوارتز والسيليكا المنصهرة - الاستقرار البصري وشفافية الأشعة فوق البنفسجية

تُستخدم ركائزالكوارتز والسيلي كا المنصهرة على نطاق واسع في البصريات فوق البنفسجية، والطلاءات البصرية، وقياس التداخل، وأجهزة الموائع الدقيقة، والأقنعة الضوئية للطباعة الحجرية لأشباه الموصلات. كما أن تمددها الحراري المنخفض وشفافيتها الممتازة - من الأشعة فوق البنفسجية العميقة (180 نانومتر تقريبًا) إلى الأشعة تحت الحمراء - يجعلها لا غنى عنها في أنظمة الليزر عالية الطاقة والبصريات الدقيقة والمكونات المستقرة في الطول الموجي. ويفضل استخدام السيليكا المنصهرة بسبب محتواها المنخفض للغاية من الهيدروكسيل وانخفاض انكسار الطول الموجي، بينما يتم تقييم الكوارتز لخصائصه الكهروضغطية المستخدمة في المذبذبات والمرشحات والمرنانات.

وتتوفر هذه الركائز في درجات عالية النقاء بسماكات تتراوح بين 0.5-10 مم للألواح البصرية أو 200-800 ميكرومتر لأشكال الرقائق. عادةً ما تتضمن التشطيبات السطحية مصقولة للغاية (خشونة أقل من 1 ميكرومتر) لتطبيقات الليزر. تشمل اتجاهات الكوارتز القطع X والقطع Y والقطع Z اعتمادًا على المتطلبات الكهروضغطية. تأتي رقاقات الكوارتز عادةً بأقطار 2-6 بوصة، بينما يتم تخصيص ألواح السيليكا المنصهرة من حيث الحجم والهندسة. ويضمن معامل تمددها الحراري المنخفض (~ 0.5 جزء في المليون/كيلو) ثبات أبعادها في ظل التعرض لليزر عالي الطاقة.

زرنيخيد الغاليوم (GaAs) : ركيزة ذات فجوة نطاقية مباشرة للأجهزة عالية السرعة والأجهزة الإلكترونية الضوئية

تُعد ركائز GaAs مثالية للأجهزة الإلكترونية الضوئية التي تحتاج إلى حركية عالية للإلكترونات، وانبعاث مباشر لفجوة النطاق، وامتصاص فعال للضوء. تعتمد كل من مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء، و VCSELs، والصمامات الثنائية الضوئية، والليزر المتتالي الكمي، والعديد من مكونات الترددات اللاسلكية عالية التردد على ركائز GaAs. تشمل الاستخدامات الأكثر شيوعًا لزرنيخيد الغاليوم الاتصالات عبر الأقمار الصناعية ومضخمات الطاقة من الجيل الخامس. إن تطابقه الشبكي مع AlGaAs و InGaAs يجعله مناسبًا للهياكل الفوقية المعقدة متعددة الطبقات، بما في ذلك الآبار الكمومية والشبيكات الفائقة.

ويشمل التصنيع النموذجي لركائز GaAs أنواعًا شبه عازلة وموصلة، حيث يمكن تصميم المقاومة للتطبيقات البصرية أو للتطبيقات البصرية. تشمل التوجهات عادةً (100) مع خيارات للقطع لتقليل الحدود المضادة للطور. الأقطار القياسية هي 2 و3 و4 و4 و6 بوصات. كل هذه الميزات ضرورية لـ MBE أو MOCVD epitaxy.

ليثيوم نيوبات الليثيوم (LiNbO₃)، وليثيوم تانتالات الليثيوم (LiTaO₃) - ركائز غير خطية وكهروبصرية

من بين المواد الضوئية غير الخطية، تُعد نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم من المواد البصرية غير الخطية ذات أهمية حاسمة للبصريات غير الخطية، والمعدِّلات الصوتية البصرية، ومرشحات SAW، ومضاعفة التردد، والضوئيات المتكاملة عالية السرعة. ويجعل التأثير الكهروبصري القوي لـ LiNbO₃ من LiNbO₃ منصة مفضلة للمعدِّلات في الاتصالات والضوئيات الكمومية. وتدعم خصائصها الكهروضوئية والكهرضغطية أجهزة الاستشعار وكاشفات الأشعة تحت الحمراء وأجهزة التحكم في الترددات الدقيقة.

تتوفر الركائز التجارية عادةً في اتجاهات القطع X والقطع Y والقطع Z. يعد التحكم في النقاء والعيوب أمرًا مهمًا لتقليل التشتت البصري وتأثيرات الانكسار الضوئي. تتراوح السماكة من 0.5-100 مم للألواح الضوئية أو حوالي 300-700 ميكرومتر لتنسيقات الرقاقات. تتضمن صفات السطح تشطيبات مصقولة أحادية أو مزدوجة الجانب، وغالبًا ما تكون ذات خشونة منخفضة للغاية في أدلة الموجات ومناطق التفاعل.

قراءة ذات صلة: رقائق الليثيوم تانتالات الليثيوم مقابل رقائق الليثيوم نيوبات: مقارنة شاملة لعشاق التكنولوجيا

كربيد السيليكون - SiC ركيزة قوية للإلكترونيات عالية الطاقة

تُعد SiC من بين الركائز الأكثر قيمة للجيل القادم من الإلكترونيات ذات فجوة النطاق العريض، حيث تدعم رقائق SiC MOSFETs، وثنائيات Schottky، ووحدات الطاقة، وأجهزة الاستشعار ذات درجات الحرارة العالية. تتيح فجوة الحزمة العريضة والتوصيل الحراري العالي لرقائق SiC للأجهزة العمل بجهد عالٍ وسرعات تبديل عالية وفي ظل ظروف قاسية، وهو أمر ضروري للغاية في السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة المتجددة وإلكترونيات الفضاء وإمدادات الطاقة الصناعية.

تتوفر رقائق SiC في درجات 4H و6H وشبه العازلة مع درجة نقاء محسّنة لتقليل العيوب. وتتضمن تشطيبات السطح أسطحًا مصقولة بتقنية CMP وجاهزة للتشغيل الآلي بكثافة عيوب منخفضة للغاية. تشتمل الأحجام القياسية على تنسيقات 2 و4 و6 و8 بوصة سريعة النمو. يُعد التوجيه وكثافة الأنابيب الدقيقة من مقاييس الجودة الحرجة للأداء على مستوى الجهاز.

الجدول 1: خصائص الركائز البلورية الرئيسية المستخدمة في أشباه الموصلات والتطبيقات البصرية

يلخص الجدول 1 الميزات الرئيسية للركائز - النوع، والنقاء، والتوجيه، والتخدير، والتشطيب السطحي - الموضحة أعلاه لسهولة الرجوع إليها في حالات البحث والتطوير والإنتاج اليومية. لمزيد من المعلومات عن المنتج، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الخاتمة

الركائز البلورية هي الهياكل الأساسية التي تكمن وراء جميع التقنيات الحديثة لأشباه الموصلات والضوئية والبصرية. وتشترك كل مادة من مواد الركيزة، بما في ذلك السيليكون لأجهزة CMOS وMEMS، والياقوت لإبريتكس GaN، والكوارتز للبصريات بالأشعة فوق البنفسجية، و GaAs للإلكترونيات الضوئية عالية السرعة، و LiNbO₃ للتشكيل الكهربائي البصري، و SiC لأجهزة الطاقة ذات الفجوة العريضة، في مجموعة فريدة من المزايا الإلكترونية والبصرية والحرارية التي تشكل قدرة وموثوقية النظام النهائي مباشرة.