المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 4 - مركبات الغاليوم

1 مقدمة

حظيت المركبات القائمة على الغاليوم، بما في ذلك أكسيد الغاليوم (Ga2O3) وزرنيخيد الغاليوم (GaAs) ونتريد الغاليوم (GaN)، باهتمام كبير في مجال المواد الإلكترونية وأشباه الموصلات بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية. تُظهر هذه المواد مجموعة متنوعة من الخصائص الكهربائية والبصرية والحرارية، مما يجعلها لا غنى عنها للتقنيات المتقدمة.

يبرزأكسيد الغاليوم (Ga2O3)، مع فجوةنطاقه الواسعة للغاية ومجاله الكهربائي العالي الانهيار، كمادة واعدة للإلكترونيات عالية الطاقة وأجهزة الكشف الضوئي فوق البنفسجية وغيرها من التطبيقات الإلكترونية الضوئية. وفي الوقت نفسه، لطالما كان زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وهو شبه موصل ذو فجوة نطاقية مباشرة مع قابلية فائقة لحركة الإلكترونات وأداء عالي التردد، حجر الزاوية في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل الليزر ومصابيح LED والخلايا الكهروضوئية. وقد أحدثت مادة نيتريد الغاليوم (GaN)، المعروفة بفجوة نطاقها الواسعة وتوصيلها الحراري العالي وكفاءتها الممتازة، ثورة في إلكترونيات الطاقة وأنظمة الاتصالات عالية التردد.

وتؤدي تقنيات تركيب هذه المواد - بدءًا من ترسيب البخار الكيميائي وإبريتكس الحزمة الجزيئية إلى العمليات الهجينة المبتكرة - دورًا حاسمًا في تحقيق الجودة البلورية والأداء المطلوبين. مع استمرار مركبات الغاليوم في دفع عجلة التقدم في مجال الطاقة والإلكترونيات الضوئية وتقنيات الاستشعار، أصبح فهم بنيتها وخصائصها وتطبيقاتها أمرًا حيويًا للباحثين والمتخصصين في الصناعة على حد سواء.

تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على الخصائص الهيكلية والخصائص الفيزيائية وطرق التصنيع وتطبيقات Ga2O3 و GaAs و GaN، مع تسليط الضوء على التطورات الحالية وآفاقها في مجال أشباه الموصلات سريع التطور.

2 أكسيد الغاليوم (Ga2O3)

أكسيد الغاليوم، بصيغته الكيميائية Ga2O3، هو مركب غير عضوي صيغته الكيميائية Ga2O3. وهو شبه موصل عريض النطاق مع Eg=4.9eV، وقد جذبت خصائصه التوصيلية والتلألؤ الانتباه منذ فترة طويلة. Ga2O3 هو مادة شبه موصلة من الأكسيد الشفاف مع آفاق تطبيق واسعة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية. ويمكن استخدامها كطبقة عازلة في المواد شبه الموصلة القائمة على الغاليوم Ga، وكمرشح للأشعة فوق البنفسجية، وككاشف كيميائي للأكسيد2.

الشكل 1 مسحوق أكسيد الغاليوم

2.1 البنية البلورية لأكسيد الغاليوم

الهياكل البلورية الخمسة لأكسيد الغاليوم هي β-Ga2O3 و α-Ga2O3 و γ-Ga2O3 و δ-Ga2O3 و ε-Ga2O3.

يحتوي β-Ga2O3، المعروف أيضًا باسم أكسيد الغاليوم أحادي المادة، على بنية بلورية أحادية المادة، مع المجموعة الفراغية P21 (a=12.203، b=5.671، c=6.524، و β=105.76). يتكون β-Ga2O3 من وحدات أكسيد الغاليوم، التي تتميز بخصائص حركية الإلكترون العالية، وفجوة الطاقة المباشرة الواسعة، والاستقرار الحراري الجيد. حاليًا، يُستخدم β-Ga2O3 بشكل أساسي في مجالات أجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة والأجهزة الإلكترونية الضوئية فوق البنفسجية العميقة.

يحتوي α-Ga2O3، المعروف أيضًا باسم أكسيد الغاليوم رباعي الزوايا بنظام بلوري رباعي الزوايا على بنية بلورية لنظام بلوري رباعي الزوايا مع المجموعة الفضائية C4V (a=12.22، c=5.86). α-Ga2O3 هو مادة بصرية ممتازة مع نفاذية عالية للضوء ومقاومة جيدة للتآكل. ولها مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مثل الإلكترونيات الضوئية والاتصالات الإلكترونية الضوئية.

يحتوي γ-Ga2O3، المعروف أيضًا باسم أكسيد الغاليوم بنظام بلوري مكعب، على هيكل بلوري بنظام بلوري مكعب مع المجموعة الفضائية Ia3 (a=13.54). ويتميز γ-Ga2O3 بنفاذية بصرية عالية وكثافة عيوب منخفضة ونفاذية مغناطيسية عالية، مما يجعله مادة محتملة للاستخدام في الأجهزة الكاشفة المغناطيسية البصرية والأشعة فوق البنفسجية.

يحتوي δ-Ga2O3، المعروف أيضًا باسم أكسيد الغاليوم البلوري النظام البلوري التقويمي، على بنية بلورية تقويمية مع المجموعة الفضائية Pnma (a=7.794، b=5.580، c=5.395). δ-Ga2O3 هي مادة ذات فجوة نطاق عالية، وخصائص كهروضوئية ممتازة، واستقرار فيزيائي كيميائي جيد، ولها مجموعة واسعة من التطبيقات.

ε-Ga2O3، والمعروف أيضًا باسم أكسيد الغاليوم بنظام بلوري ثلاثي الأجزاء، له بنية بلورية لنظام بلوري ثلاثي الأجزاء مع المجموعة الفضائية R3c (أ=12.170، ج=24.812). ε-Ga2O3 مادة ذات قابلية عالية للحركة الحاملة وثبات حراري عالٍ، ولها خصائص استجابة جيدة للأشعة فوق البنفسجية. في الوقت الحاضر، تُستخدم ε-Ga2O3 بشكل رئيسي في كاشفات الأشعة فوق البنفسجية ومجالات إلكترونيات الطاقة.

الجدول 1 مقارنة بين التركيبات المختلفة لمادة Ga2O3

2.2 الخواص الفيزيائية والكيميائية لأكسيد الغاليوم

يمكن أن يتفاعل Ga2O3 مع غاز الفلور لإنتاج GaF3، ويمكن أن يتفاعل Ga2O3 المذاب في 50% من HF ليعطي المنتج GaF3-3H2O.Ga2O3 قابل للذوبان في حمض النيتريك المخفف الساخن قليلاً وحمض الهيدروكلوريك المخفف وحمض الكبريتيك المخفف. بعد الاحتراق، لا يكون Ga2O3 قابلًا للذوبان في هذه الأحماض أو حتى في حمض النيتريك المركز، ولا في المحاليل المائية للقواعد القوية، ولا يمكن جعله قابلًا للذوبان إلا عن طريق إذابة NaOH أو KOH أو KHSO4 وK2S2O7 معًا. يتم إنتاج كلوريد الغاليوم عن طريق الذوبان بضعف كمية NH4Cl الزائدة عند درجة حرارة 250 درجة مئوية. عند درجة حرارة حمراء، يتفاعل Ga2O3 مع الكوارتز لتكوين جسم زجاجي، ولكن لا تتكون مركبات جديدة عند التبريد. ويتفاعل أيضًا مع البوتقات الخزفية المزججة عند الحرارة الحمراء.

وتحت ظروف التسخين، يمكن أن يتفاعل Ga2O3 مع العديد من أكاسيد المعادن. وقد تم تحديد التركيب البلوري للغاليت M(I)GaO2 الذي تم الحصول عليه عن طريق التفاعل مع أكاسيد الفلزات القلوية (فوق 400 درجة مئوية)، ومثل Al2O3 وLn2O3، يتفاعل مع MgO وZnO وCoO وNiO وCuO لتكوين M(II)Ga2O4 من النوع الإسبنيل. عادةً ما يكون ناتج التفاعل مع أكاسيد الفلزات ثلاثية التكافؤ، M(III)GaO3، له هياكل من نوع الكالكوسيت أو العقيق (على سبيل المثال، غالات اللانثانيد LnGaO3). تتوفر أيضًا أكاسيد ثلاثية أكثر تعقيدًا. وقد تمت دراسة أكاسيد الغاليوم المختلطة لاستخدامها في الليزر والفسفور والمواد المضيئة. ويُعتقد أن الخصائص المضيئة لأملاح الغاليوم تُعزى إلى فراغات الأكسجين. ونظرًا لأن FeGaO3 يتمتع بخصائص كهرومغناطيسية مثيرة للاهتمام (أي الكهروضغطية والمغناطيسية الحديدية)، فقد تمت دراسة تركيبه واستقراره وبنيته البلورية على نطاق واسع.

وباعتباره مادة شبه موصلة، يمتلك أكسيد الغاليوم نطاقًا محظورًا واسعًا للغاية، مع قوة مجال كهربائي للانهيار أعلى بكثير من المواد شبه الموصلة الأخرى ذات النطاق العريض. ولديه مقاومة تشغيل أقل عند نفس مستوى الجهد، مما يقلل من فقدان الطاقة. على الرغم من أن التوصيل الحراري لأكسيد الغاليوم نفسه منخفض، إلا أنه يمكن حل مشكلة تبديد الحرارة باستخدام التغليف ووسائل أخرى، مما يساهم في التشغيل المستقر للجهاز بكثافة طاقة عالية. يمكن أيضاً تشغيل أجهزة أكسيد الغاليوم في درجات حرارة أعلى وتتكيف مع البيئات القاسية.

2.3 تحضير أكسيد الغاليوم

1. طريقة الاختزال المباشر: تحصل هذه الطريقة على نيتريد الغاليوم عن طريق تفاعل النيتروجين مع معدن الغاليوم، ثم يتأكسد إلى أكسيد الغاليوم في الأكسجين. يمكن أن تحصل هذه الطريقة على أكسيد الغاليوم عالي النقاء نسبيًا، لكن العملية معقدة، وتحتاج إلى درجة حرارة عالية وبيئة عالية الضغط، وتكلفة الإنتاج مرتفعة.

2. طريقة ترسيب البخار الكيميائي: تقوم هذه الطريقة بإعداد أكسيد الغاليوم عالي النقاء عن طريق نقل خليط غاز إلى غرفة التفاعل، حيث يحدث تفاعل كيميائي عند درجة حرارة عالية. وتشمل غازات التفاعل الشائعة الاستخدام ثلاثي كلوريد الغاليوم (GaCl3).

3. طريقة الحمض: تتكون هذه الطريقة من الخطوات التالية:

• الأكسدة: إضافة المواد الخام السائلة إلى المفاعل، وإضافة أكوا ريجيا بالتنقيط، والتحريك، والتحكم في درجة الحرارة عند 80-85 ℃، وزمن التفاعل 8 ± 1 ساعة.
• التحييد: يتم تغذية محلول Ga(NO3)3 و GaCl3 المتولد في أسطوانة التفاعل، وتضاف الأمونيا وتقلب لمعادلة الرقم الهيدروجيني 7-7.5، ويتم التحكم في درجة حرارة الحمام المائي عند 60-70 ℃.
• الترشيح: تم ترشيح المحلول بعد تفاعل التحييد من خلال قطعة قماش مرشحة للحصول على راسب هيدروكسيد الغاليوم.
• الغسل: يُغسل راسب هيدروكسيد الغاليوم 5-6 مرات بماء عالي النقاء ثم يُصفى.
• التجفيف: بعد الغسيل، يتم وضع هيدروكسيد الغاليوم في فرن التجفيف لتجفيف الماء، ودرجة حرارة التجفيف 150 ℃، ووقت التجفيف 20 ± 2 ساعة.
• التحميص: بعد التجفيف، يتم وضع هيدروكسيد الغاليوم في فرن التحميص لتحميصه وتجفيفه، ودرجة حرارة التحميص 600-700 ℃، ووقت التحميص 3 ± 0.5 ساعة.
• الطحن: بعد التحميص، يتم طحن أكسيد الغاليوم بواسطة مطحنة للوصول إلى الشبكة المطلوبة.
• التعبئة: تعبئة المنتجات بتفريغ الهواء في المستودع

2.4 تطبيقات أكسيد الغاليوم

1. إلكترونيات الطاقة

يتمتع أكسيد الغاليوم بقوة مجال كهربائي للانهيار تصل إلى 8 ميجا فولت/سم وهي أعلى بكثير من مواد أشباه الموصلات الأخرى ذات النطاق العريض، مما يمنحه ميزة كبيرة في سيناريوهات التطبيقات ذات الجهد العالي والتردد العالي والطاقة العالية. كما أن لديها مقاومة تشغيل أقل عند نفس مستوى الجهد، مما يقلل من فقدان الطاقة ويحسن كفاءة تحويل الطاقة. وعلى الرغم من أن أكسيد الغاليوم نفسه يتمتع بتوصيل حراري منخفض، إلا أنه يمكن حل مشكلة تبديد الحرارة من خلال التغليف ووسائل أخرى، مما يساهم في التشغيل المستقر للجهاز بكثافة طاقة عالية. وفي الوقت نفسه، يمكن لأجهزة أكسيد الغاليوم العمل في درجات حرارة أعلى والتكيف مع البيئات القاسية. ولذلك، فإن أكسيد الغاليوم لديه مجموعة واسعة من آفاق التطبيق في مجال الأجهزة الإلكترونية للطاقة، مثل أنظمة محركات السيارات الكهربائية، وأنظمة نقل التيار المستمر عالية الجهد للشبكات الذكية.

2. الأجهزة الإلكترونية الضوئية

كاشف الأشعة فوق البنفسجية: يتمتع أوكسيد الغاليوم بإمكانيات كبيرة للتطبيق في مجال الإلكترونيات الضوئية، ويمكن استخدامه لتصنيع كاشفات الأشعة فوق البنفسجية عالية الأداء ذات الحساسية العالية والاستجابة السريعة. تلعب هذه الكواشف دورًا مهمًا في المراقبة البيئية والطبية الحيوية وغيرها من المجالات، مثل الكشف عن تركيز الأوزون في الغلاف الجوي، والمحتوى العضوي للماء.

الصمام الثنائي الباعث للضوء بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (LED): يمكّن هيكل نطاق الطاقة الخاص لمادة أكسيد الغاليوم مادة أكسيد الغاليوم من إصدار ضوء فوق بنفسجي عميق بطول موجي أقصر وطاقة أعلى، مما يكون له تأثير تعقيم أكثر أهمية. ولذلك، فإن الصمام الثنائي الباعث للضوء فوق البنفسجي العميق له مجموعة واسعة من التطبيقات في التعقيم وعمليات تصنيع أشباه الموصلات، مثل الطباعة الليثوغرافية الضوئية.

الشكل 2 مقارنة بين تطبيقات SiC و GaN و Ga2O3

3. المستشعر

تمنح الخواص الكيميائية والكهربائية الخاصة لمادة أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال أجهزة الاستشعار. يمكن استخدامه لصنع مستشعرات الرطوبة ومستشعرات درجة الحرارة ومستشعرات الغاز ومستشعرات الضغط وغيرها من المستشعرات لتلبية احتياجات المجالات المختلفة.

4. تطبيقات أخرى

بالإضافة إلى المجالات المذكورة أعلاه، فإن مادة أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم لها تطبيقات في مجالات أخرى. على سبيل المثال، يمكن استخدامها لصنع أجهزة عرض مرنة، ومواد البطاريات، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، مع التقدم المستمر للتكنولوجيا وخفض التكلفة، يقوم أكسيد الغاليوم أيضًا بتوسيع تطبيقه تدريجيًا في مجال الترددات الراديوية، مثل أنظمة الرادار والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ومحطات القاعدة اللاسلكية.

3 زرنيخيد الغاليوم （GaAs）

زرنيخيد الغاليوم هو مركب غير عضوي صيغته الكيميائية GaAs، وهو مادة صلبة رمادية سوداء اللون تبلغ درجة انصهارها 1,238 درجة مئوية. يمكن العثور عليه في الهواء تحت 600 درجة مئوية ولا تهاجمه الأحماض غير المؤكسدة. يمكن أن يستقر في الهواء تحت درجة حرارة أقل من 600 درجة مئوية ولا يتآكل بواسطة الأحماض غير المؤكسدة. زرنيخيد الغاليوم مادة مهمة من أشباه الموصلات. ينتمي إلى أشباه الموصلات المركبة Ⅲ V. هي بنية شبكية من نوع سفاليريت، وثابت شبكي 5.65 × 10-10 م، وعرض النطاق المحظور 1.4 فولت.

3.1 التركيب البلوري لزرنيخيد الغاليوم

ينتمي التركيب البلوري لزرنيخيد الغاليوم إلى النظام البلوري المكعب، التركيب المكعب المتمركز حول الوجه (FCC)، وتقع ذرات الغاليوم في قمة الشبكة المكعبة المتمركزة حول الوجه، وتقع ذرات الأس في المواضع المتمركزة حول الوجه لذرات الغاليوم المجاورة، وتترابط ذرات الغاليوم وذرات الأس مع بعضها البعض عن طريق الترابط التساهمي، مما يجعل زرنيخيد الغاليوم له خصائص توصيل إلكترونية. ثابت الشبكة البلورية لبلورة GaAs هو a=5.6535Å.

الشكل 3 التركيب البلوري لبلورة زرنيخيد الغاليوم

3.2 الخواص الفيزيائية والكيميائية لزرنيخيد الغاليوم

يتمتع GaAs ببعض الخصائص الإلكترونية الأفضل من Si، مما يسمح باستخدام GaAs فوق 250 جيجاهرتز. إذا تم تشغيل كل من مكونات GaAs و Si المكافئة بترددات عالية، فإن GaAs تنتج ضوضاء أقل. وأيضًا، نظرًا لأن GaAs لديه جهد انهيار أعلى، فإن GaAs أكثر ملاءمة للتشغيل عالي الطاقة من مكون Si نفسه. وبسبب هذه الخصائص، يمكن استخدام دارات GaAs في الهواتف الخلوية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ووصلات الموجات الدقيقة من نقطة إلى نقطة وأنظمة الرادار، إلخ. وقد استُخدم الغاليوم الغاليوم لصنع ثنائيات غان وثنائيات الموجات الدقيقة وثنائيات غينغ لبث الموجات الدقيقة.

الجدول 2 الخصائص الفيزيائية لزرنيخيد الغاليوم

3.3 تحضير زرنيخيد الغاليوم

1. التصلب المتدرج الرأسي (VGF): هذه هي العملية الرئيسية لإنتاج رقائق GaAs، من خلال زراعة بلورات مفردة في فرن التصلب المتدرج الرأسي، وتنتج هذه الطريقة بلورات عالية الجودة.

2. طريقة السحب بالتغليف السائل (LEC): طريقة LEC هي العملية الرئيسية لزراعة بلورات GaAs المفردة شبه المعزولة غير المخدرة، وأكثر من 80% من بلورات GaAs المفردة شبه المعزولة في السوق تستخدم هذه الطريقة. وتستخدم طريقة LEC سخانات الجرافيت وبوتقات PBN، وB2O3 كعامل ختم سائل، ويتم نمو البلورات في بيئة أرغون بقوة 2 ميجا باسكال. وتنتج هذه الطريقة بلورات ذات موثوقية عالية وخصائص شبه عازلة جيدة، ولكن يصعب التحكم في الجرعة الكيميائية وتكون كثافة الخلع أعلى.

3. طريقة بريدجمان الأفقية (HB): كانت هذه الطريقة في السابق العملية الرئيسية لإنتاج كميات كبيرة من بلورات GaAs المفردة لأشباه الموصلات باستخدام قوارب الكوارتز وأنابيب الكوارتز التي تنمو تحت الضغط الجوي. وتتمثل ميزة طريقة HB في أن التدرج في درجة الحرارة صغير، وكثافة الخلع منخفضة، ولكن من الصعب زراعة بلورات مفردة غير مخدرة، وشبه عازلة لبلورات GaAs GaAs، والواجهات البلورية للشكل D، مما يؤدي إلى إهدار المواد.

4. ترسيب البخار الكيميائي ( CVD): يتم توليد الأغشية الرقيقة من GaAs عن طريق تفاعل السلائف الغازية عند درجات حرارة عالية، وهي إحدى الطرق الأكثر استخدامًا لتنمية بلورات أحادية الغاليوم عالية الجودة.

3.4 تطبيقات زرنيخيد الغاليوم

1. مجال الميكروويف: يُستخدم زرنيخيد الغاليوم على نطاق واسع في مجال الموجات الدقيقة، ويستخدم بشكل رئيسي في تصنيع الأجهزة عالية التردد، مثل ترانزستورات التأثير الميداني عالية الجهد (HEMT)، وترانزستورات التأثير الميداني منخفضة الجهد (LEMT)، والترانزستورات ثنائية القطب، والدوائر المتكاملة ذات الترددات الراديوية الأمامية لأكسيد المعدن التكميلي (CMOS) وما إلى ذلك. تلعب هذه الأجهزة دوراً مهماً في الاتصالات اللاسلكية وأنظمة الرادار.

2. مجال الإلكترونيات الضوئية: زرنيخيدالغاليوم هو مادة تحويل كهروضوئية ممتازة، تُستخدم في تصنيع أشباه الموصلات الليزرية عالية السرعة، والخلايا الشمسية الموفرة للطاقة، وأجهزة الكشف الضوئي، والمفاتيح الكهروضوئية. نظرًا لخصائص فجوة الحزمة المباشرة، فإن زرنيخيد الغاليوم في مجال الإلكترونيات الضوئية بارز بشكل خاص، ويمكنه القفز مباشرة إلى الحالة المثارة، ومناسب لإنتاج الصمام الثنائي الباعث للضوء (الصمام الثنائي الباعث للضوء) والليزر، مثل VCSEL (الليزر الباعث السطحي للتجويف العمودي)، ويستخدم على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية لمركز البيانات لمسافات قصيرة والتعرّف على الوجوه TOF وغيرها من التقنيات.

3. مجال الاتصالات: في مجال الاتصالات، يُستخدم GaAs على نطاق واسع في اتصالات الألياف البصرية في المستقبلات الضوئية والمضخم البصري والمعدّل البصري لمضخمات الألياف الضوئية وغيرها من الأجهزة. إن تردده العالي وحركته الإلكترونية العالية وخصائصه منخفضة الضوضاء تجعله خيارًا مثاليًا للاتصالات بالألياف البصرية.

4. مجال الخلايا الشمسية: تتميز الخلايا الشمسية GaAs بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية وثباتها، وتعتبر الجيل التالي من مواد الخلايا الشمسية الفعالة. كما أن كفاءة التحويل الكهروضوئية العالية والاستقرار الحراري يجعلانها محل دراسة وتطبيق على نطاق واسع في مجال الخلايا الشمسية.

5. الإلكترونيات الدقيقة: في مجال الإلكترونيات الدقيقة، يُستخدم GaAs في الدوائر عالية السرعة وذاكرة الفلاش وترانزستورات الطاقة والمصفوفات الضوئية المستوية وغيرها من الأجهزة. إن قابليته العالية للإلكترونات وخصائص فجوة النطاق العريضة تجعله يعمل بشكل جيد في الأجهزة الإلكترونية عالية السرعة.

4 نيتريد الغاليوم （GaN）

تعتبر أبحاث مادة GaN وتطبيقاتها هي واجهة أبحاث أشباه الموصلات العالمية الحالية والنقطة الساخنة الحالية، وهي تطوير الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والأجهزة الإلكترونية الضوئية والمواد الجديدة لأشباه الموصلات، ومع SiC والماس ومواد أشباه الموصلات الأخرى، والمعروفة باسم الجيل الأول من مواد أشباه الموصلات Ge، و Si، والجيل الثاني من GaAs، ومركبات InP من مواد أشباه الموصلات بعد الجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات. وتتميز بخصائص فجوة النطاق المباشر الواسعة، والروابط الذرية القوية، والتوصيل الحراري العالي، والاستقرار الكيميائي الجيد (بالكاد تتآكل بأي حمض)، والمقاومة القوية للإشعاع، ولها آفاق واسعة في الإلكترونيات الضوئية، والأجهزة عالية الحرارة عالية الطاقة، وتطبيقات أجهزة الموجات الدقيقة عالية التردد.

الشكل 4 مسحوق نيتريد الغاليوم 4

4.1 الهيكل البلوري لنيتريد الغاليوم

نيتريد الغاليوم ( GaN) هو مادة شبه موصلة ذات بنية بلورية تتكون من شبكة من ذرات الغاليوم والنيتروجين. تحتوي بلورات نيتريد الغاليوم على بنية نظام بلوري مكعب، وتحتوي خلاياها على ترتيب ذرات ذات بنية سداسية متقاربة متلاصقة.

ويمكن وصف البنية الشبكية لبلورات نيتريد الغاليوم بأن كل ذرة غاليوم محاطة بأربع ذرات نيتروجين، وتحيط أربع ذرات غاليوم أيضاً بكل ذرة نيتروجين. تُعرف هذه البنية باسم بنية السفاليريت أو بنية الألكين الحلزونية، والتي تتكون من ترتيب متناوب للروابط التساهمية والأيونية التي تشكلها ذرات الغاليوم والنيتروجين.

في بنية نيتريد الغاليوم، تشكل ذرات النيتروجين روابط تساهمية مع ذرات الغاليوم المحيطة بها، وهذه الروابط التساهمية تعطي البلورة بنية مستقرة. وفي الوقت نفسه، تستقبل ذرات النيتروجين إلكترونات من ذرات الغاليوم، مكوِّنةً أيونات موجبة وسالبة في بلورة نيتريد الغاليوم. ويمنح هذا المزيج من الروابط التساهمية والأيونية نيتريد الغاليوم قدرة جيدة على الحركة الإلكترونية والخصائص البصرية.

وبالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي الشبكة في بلورات نيتريد الغاليوم على ذرات شوائب، مثل السيليكون والكربون، إلخ. ويمكن أن يؤدي تخدير ذرات الشوائب هذه إلى تعديل الخواص الكهربائية والبصرية لنيتريد الغاليوم، ما يجعلها مناسبة لتطبيقات مختلفة.

الشكل 5 التركيب البلوري لنيتريد الغاليوم

4.2 خصائص نيتريد الغاليوم

نيتريد الغاليوم هو مركب مستقر للغاية ومادة صلبة وذات درجة انصهار عالية مع درجة انصهار تبلغ حوالي 1700 درجة مئوية. ويتمتع GaN بدرجة تأين عالية، وهي الأعلى بين مركبات III-V (0.5 أو 0.43). وعند الضغط الجوي، يكون لبلورات GaN بشكل عام بنية سداسية الشكل من الزنكيت الليفي السداسي. وتحتوي على أربع ذرات في خلية أولية ذات حجم ذري يبلغ حوالي نصف حجم GaAs. وبسبب صلابتها، فهي مادة أخرى جيدة لحماية الطلاء.

فجوة الطاقة والبنية الإلكترونية: إن فجوة الطاقة الأوسع لنيتريد الغاليوم (حوالي 3.4 فولت) تمنحه شفافية عالية في المنطقة المرئية، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل مصابيح LED والليزر. وتعني خصائص فجوة النطاقات المباشرة أن الحفاظ على الطاقة والزخم ينطبق عندما تقفز الإلكترونات، مما يساعد على تحسين كفاءة الأجهزة الإلكترونية الضوئية. كما تحدد البنية الإلكترونية للجيلان الغالي (GaN) أيضًا خصائص حركية الإلكترون وخصائص نقل الناقلات، وهي خصائص حاسمة لسرعة الجهاز وخصائص قدرته.

الخواص الميكانيكية: يتميز نيتريد الغاليوم بصلابة عالية، قريبة من صلابة الياقوت (حوالي 9 على مقياس موس للصلابة)، مما يجعله مقاومًا لدرجة معينة من الإجهاد الميكانيكي والخدوش. كما أن معامل مرونته العالية تجعل نيتريد الغاليوم أكثر مرونة وثباتاً في التطبيقات، وقادر على تحمل درجة معينة من الضغط والإجهاد الخارجيين.

الخواص الحرارية: يمتاز نيتريد الغاليوم بتوصيلية حرارية ممتازة، وهي عالية مقارنةً بمواد أشباه الموصلات الأخرى. وتسمح هذه الموصلية الحرارية العالية لأجهزة نيتريد الغاليوم بتبديد الحرارة بفعالية أثناء التشغيل، ما يقلل من تدرجات الحرارة ويحسّن أداء الجهاز وموثوقيته. وبالإضافة إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري الصغير نسبياً لنيتريد الغاليوم يعني أنه أقل عرضة للتغيرات في الأبعاد والتشوه أثناء تغيرات درجة الحرارة، مما يساعد على الحفاظ على الاستقرار الهيكلي للجهاز.

الخواص البصرية: يتميّز نيتريد الغاليوم بشفافية عالية ومعامل امتصاص منخفض في المنطقة المرئية، ما يسمح له بتحقيق تحويل فعال للطاقة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل مصابيح LED والليزر. ويسمح معامل الانكسار العالي لنيتريد الغاليوم بتحقيق اقتران بصري فعال، وبالتالي زيادة كفاءة الإضاءة وطاقة الخرج للأجهزة الإلكترونية الضوئية.

الاستقرار الكيميائي: يتمتع نيتريد الغاليوم بثبات كيميائي جيد ومقاوم للعديد من التفاعلات الكيميائية الشائعة للتآكل والأكسدة، مثل الأحماض والقلويات والمذيبات. وهذا يمكّن نيتريد الغاليوم من الحفاظ على أداء مستقر في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية القاسية، مثل درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية وبيئات الغازات المسببة للتآكل.

الأداء الإلكتروني: يتمتع نيتريد الغاليوم بحركية إلكترونية ممتازة، عادةً في نطاق عدة مئات إلى عدة آلاف سم2/(V-s)، مما يمنحه أداءً ممتازاً في الإلكترونيات عالية التردد وعالية الطاقة. وتسمح حركية الإلكترون العالية ومعدل انجراف التشبع العالي لأجهزة غاليوم نيتريد بأن تكون أجهزة غاليوم نيتريد ذات مقاومة منخفضة وسرعات تبديل عالية لسيناريوهات التطبيقات عالية السرعة وعالية التردد.

4.3 تحضير نيتريد الغاليوم

يتحقق نمو مادة نيتريد الغاليوم من خلال التفاعل الكيميائي بين الغاليوم المتحلل من TMGa و NH3 عند درجة حرارة عالية، مع معادلة التفاعل العكسي:

Ga+NH3= GaN+3/2H2

يتطلب نمو GaN درجة حرارة نمو معينة وضغط جزئي معين من NH3. والطرق التي يستخدمها الناس عادةً هي تقنية MOCVD التقليدية (بما في ذلك تقنية MOCVD APMOCVD، وLPMOCVD)، وتقنية MOCVD المعززة بالبلازما (PE-MOCVD)، وتقنية MBE بمساعدة الرنين السيكلوتروني الإلكتروني. يتم تقليل درجة الحرارة المطلوبة والضغط الجزئي NH3 المطلوب بالتتابع. أشارت دراسة إلى أن المعدات المستخدمة كانت AP-MOCVD مع مفاعل أفقي وتعديلات تصميمية خاصة، باستخدام TMGa و NH3 عالي النقاء المنتج محليًا كمواد برنامجية مصدرية، و DeZn كمصدر منشطات من النوع P، و (0001) ياقوت (0001) مع (111) سيليكون كركيزة باستخدام تسخين عالي التردد بالحثّ، وسيليكون منخفض المقاومة كمولد حراري، و H2 عالي النقاء كغاز حامل لمصدر MO. تم استخدام N2 عالي النقاء كتكييف لمنطقة النمو. واستُخدمت قياسات HALL، والحيود ثنائي البلورة، والتحليل الطيفي لبلورة ثنائية البلورة، والتحليل الطيفي لبلورة PL في درجة حرارة الغرفة كتوصيف نوعي للغاليوم.

4.4 تطبيقات نيتريد الغاليوم

1. الأجهزة الإلكترونية الجديدة

تعتبر سلسلة مواد الغاليوم نيتريد الغاليوم ذات معدل توليد الحرارة المنخفض والمجال الكهربائي العالي الانهيار مادة مهمة لتطوير الأجهزة الإلكترونية عالية الحرارة وعالية الطاقة وأجهزة الموجات الدقيقة عالية التردد. وفي الوقت الحاضر، مع تقدم تكنولوجيا MBE في تطبيق مواد الغاليوم المعدني في تطبيق مواد الغاليوم المعدني واختراق تكنولوجيا نمو الأغشية الرقيقة الرئيسية، تمت بنجاح زراعة مجموعة متنوعة من البنى المتغايرة للغاليوم المعدني. وقد تم تحضير أنواع جديدة من الأجهزة مثل ترانزستورات التأثير الميداني المعدني (MESFETs)، وترانزستورات التأثير الميداني غير المتجانس (HFETs)، وترانزستورات التأثير الميداني المخدر بالتشكيل (MODFETs)، وما إلى ذلك، من مواد الغاينا. تتميز بنية AlGaN/GaN المخدرة بالتعديل بحركية إلكترونية عالية (2000 سم2/ثانية)، وسرعة تشبع عالية (1 × 107 سم/ثانية)، وثابت عازل منخفض، وهي إنتاج أجهزة الموجات الدقيقة للمواد ذات الأولوية؛ وعرض النطاق الترددي المحظور الأوسع من GaN (3.4eV) والياقوت ومواد أخرى للركيزة، وأداء تبديد الحرارة جيد، مما يساعد على عمل الجهاز في ظروف الطاقة العالية.

2. الأجهزة الإلكترونية الضوئية

تُعدّ سلسلة مواد GaN مادة مثالية للأجهزة الباعثة للضوء ذات الطول الموجي القصير، وتغطي فجوة النطاق من GaN وسبائكه النطاق الطيفي من الأحمر إلى فوق البنفسجي. ومنذ تطوير مصابيح LEDs الزرقاء المتجانسة من الغاليوم الغاليثيوم في اليابان في عام 1991، تم إدخال مصابيح LEDs الزرقاء فائقة السطوع من InGaN/AlGaN ومصابيح InGaN أحادية البئر الكمومية من الغاليوم الغاليثيوم من InGaN. وفي الوقت الحاضر، دخلت مصابيح LEDs الزرقاء والخضراء أحادية البئر الكمومية Zcd و6cd ذات البئر الكمومي الأحادي من الغاينيلدينوم مرحلة الإنتاج الضخم، وبالتالي سدّ فجوة المصابيح الزرقاء في السوق لسنوات عديدة. وتتمتع الأجهزة الباعثة للضوء الأزرق بسوق تطبيقات ضخمة في مجالات الوصول إلى المعلومات للأقراص الضوئية عالية الكثافة وشاشات العرض الضوئية بالكامل وطابعات الليزر. مع استمرار تعميق أعمال البحث والتطوير في مواد وأجهزة نيتريد Ⅲ نيتريد Ⅲ، تم تسويق تكنولوجيا LED الزرقاء والخضراء فائقة الزرقة، والآن استثمرت الشركات الكبرى ومعاهد البحوث في العالم بكثافة في الانضمام إلى صفوف المنافسة لتطوير LED الأزرق.

3. المستشعرات

يمكن استخدام نيتريد الغاليوم لصنع مستشعرات ضغط عالية الدقة والحساسية. وتتغير الخواص الكهربائية لنيتريد الغاليوم عند تطبيق الضغط خارجياً، ويمكن قياس الضغط من خلال قياس معايير مثل مقاومته أو سعته أو تأثيره الميداني. إن الخصائص الحرارية لمواد نيتريد الغاليوم تجعلها مناسبة لتصنيع الحساسات ذات درجات الحرارة العالية. ويتميز نيتريد الغاليوم بثبات وتوصيل حراري ممتاز في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ويمكن استخدامه لتصنيع حساسات ذات درجة حرارة عالية، مثل حساسات درجة حرارة محرك السيارات وحساسات مراقبة العمليات في درجات الحرارة العالية. ويمكن استخدامه أيضاً لتصنيع حساسات الغاز. يتمتع سطح نيتريد الغاليوم بخمول كيميائي جيد ويمكن أن يكون له تفاعلات كيميائية محددة مع العديد من الغازات، لذلك يمكن استخدامه للكشف عن تركيز غازات معينة، مثل أكاسيد النيتروجين والأمونيا وما إلى ذلك، باستخدام خصائصه الكيميائية السطحية. ونظرًا للخصائص البصرية الممتازة لنيتريد الغاليوم، يمكن لتطبيقه في المستشعرات الضوئية تحقيق قياسات عالية الدقة لمعلمات مثل شدة الضوء وطول الموجة والاتجاه. ومن خلال التعديل المحدد للجزيئات الحيوية بسطح مواد نيتريد الغاليوم، يمكن تحقيق حساسية عالية وانتقائية عالية للكشف عن الجزيئات الحيوية، مثل الحمض النووي والبروتينات والخلايا وغيرها.

الشكل 6 تطبيقات نيتريد الغاليوم

5 الخلاصة

تمثل المركبات القائمة على الغاليوم، بما في ذلك Ga2O3 و GaAs و GaAs و GaN، حجر الزاوية في تكنولوجيا أشباه الموصلات الحديثة بسبب خصائصها الكهربائية والبصرية والحرارية الرائعة. وتمتلك كل مادة منها نقاط قوة فريدة من نوعها: تتفوق Ga2O3 في التطبيقات عالية الطاقة والجهد العالي بفضل فجوة النطاق الواسعة للغاية ومجالها الكهربائي العالي الانهيار، ويبقى GaAs مادة رائدة للأجهزة الإلكترونية الضوئية عالية السرعة بسبب قابلية الحركة الإلكترونية العالية وفجوة النطاق المباشرة. وفي الوقت نفسه، أحدثت مادة GaN تحولاً في إلكترونيات الطاقة وأنظمة الاتصالات عالية التردد بفضل قوتها وكفاءتها ونطاقها التشغيلي الواسع.

وقد مكّن تطوير تقنيات تصنيع متقدمة، مثل ترسيب البخار الكيميائي وإبريتكس الحزمة الجزيئية وغيرها من طرق التصنيع المصممة خصيصًا، من التحكم الدقيق في جودة المواد، مما مهد الطريق لتطبيقات مبتكرة في مختلف الصناعات. من تحويل الطاقة والكشف عن الأشعة فوق البنفسجية إلى أنظمة اتصالات الجيل الخامس وأنظمة الطاقة المتجددة، تقود مركبات الغاليوم التقدم التكنولوجي وتلبي الطلب المتزايد على الأجهزة عالية الأداء والموفرة للطاقة.

ومع استمرار البحث والتطوير، من المتوقع أن تتغلب هذه المواد على التحديات القائمة، مثل الإدارة الحرارية وقابلية التوسع، من خلال هندسة المواد والتكامل مع التقنيات الناشئة. ستظل المركبات القائمة على الغاليوم في طليعة الابتكار، مما يدعم التطورات المستقبلية في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية وغيرها.

وتُعدّ Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً لمواد الجرمانيوم عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات المهمة بحلول مواد موثوقة.

للمزيد من القراءة:

المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - السيليكون

المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 2 - كربيد السيليكون

المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - الجرمانيوم: الجزء 3 - الجرمانيوم