المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 3 - الجرمانيوم

1 مقدمة

الجرمانيوم (Ge) هو مادة شبه موصلة ذات خصائص فيزيائية وكهربائية فريدة من نوعها، مما يجعلها مكوِّنًا قيِّمًا في مختلف التطبيقات عالية التقنية. يبلغ العدد الذري للجرمانيوم 32 وكثافته 5.323 جم/سم مكعب، ويمتلك الجرمانيوم بنية بلورية تشبه الماس تسمح له بإظهار توصيلية كهربائية ممتازة في درجات حرارة منخفضة بسبب فجوة نطاقه الصغيرة التي تبلغ 0.66 فولت. هذه الخاصية تجعله مادة متفوقة للإلكترونيات ذات درجات الحرارة المنخفضة والإلكترونيات الضوئية بالأشعة تحت الحمراء، بما في ذلك اتصالات الألياف الضوئية وكاشفات الأشعة تحت الحمراء. وعلى الرغم من تفوقه على السيليكون (Si) في معظم تقنيات أشباه الموصلات ، إلا أن الجرمانيوم لا يزال حاسماً في الإلكترونيات عالية التردد والسرعة والخلايا الشمسية والحوسبة الكمية. كما توفر قدرته على الاندماج مع السيليكون فرصاً لتقنيات الدوائر المتكاملة المتقدمة. ومع ذلك، فإن تحديات مثل انخفاض الموصلية الحرارية وارتفاع التكاليف والصعوبات في نمو البلورات على نطاق واسع تحد من انتشار تطبيقه على نطاق واسع، خاصة بالمقارنة مع السيليكون الذي يهيمن على صناعة أشباه الموصلات.

الشكل 1 بلورة الجرمانيوم المفردة

2 الخصائص الأساسية للجرمانيوم

الجرمانيوم (الجرمانيوم) هو عنصر كيميائي رقمه الذري 32 ووزنه الذري 72.64. في الجدول الدوري للعناصر، يقع في الدورة الرابعة والمجموعة IVA. في الطبيعة، للجرمانيوم خمسة نظائر مستقرة: 70Ge، 72Ge، 73Ge، 74Ge، 76Ge. وعند درجات حرارة أعلى من 700 درجة مئوية، يتفاعل الجرمانيوم مع الأكسجين لتكوين GeO2_22،وعند درجةحرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، يتفاعل مع الهيدروجين. يمكن أن يحترق الجرمانيوم المسحوق ناعماً في الكلور أو البروم. ويُعد الجرمانيوم شبه موصل ممتاز، ويستخدم على نطاق واسع ككاشف للتيار عالي التردد ومقوِّم للتيار المتناوب. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم في المواد البصرية بالأشعة تحت الحمراء والأدوات الدقيقة وكمحفز. يمكن لمركبات الجرمانيوم تصنيع ألواح الفلورسنت ومجموعة متنوعة من الزجاج عالي الانكسار. في الجدول الدوري، ينتمي الجرمانيوم إلى نفس مجموعة القصدير والرصاص، وكلاهما تم اكتشافه واستخدامه من قبل الحضارات القديمة. ومع ذلك، لم يتم تعدين الجرمانيوم على نطاق صناعي لفترة طويلة. ولا يرجع ذلك إلى ضآلة محتوى الجرمانيوم في القشرة الأرضية، ولكن لأنه أحد أكثر العناصر تشتتًا في القشرة الأرضية، فالخامات التي تحتوي على الجرمانيوم نادرة.

يتميز الجرمانيوم (Ge) بخصائص فيزيائية فريدة. فبنيته البلورية ماسية الشكل، حيث تتصل كل ذرة جرمانيوم بأربع ذرات مجاورة بروابط تساهمية لتكوين بنية رباعية الأوجه. وتبلغ كثافة الجرمانيوم 5.323 جم/سم مكعب، ودرجة انصهاره 937.4 درجة مئوية، ودرجة غليانه 2833 درجة مئوية، وموصلية حرارية تبلغ حوالي 60 واط/(م-ك)، وهي درجة منخفضة مقارنة بالمواد المعدنية. وبوصفه شبه موصل، يتمتع الجرمانيوم بتوصيلية عالية في درجة حرارة الغرفة (حوالي 1.6 × 10^3 S/م) وعرض فجوة نطاق يبلغ 0.66 فولت إلكتروني، ما يمنحه توصيلية أفضل من السيليكون (Si) في درجات الحرارة المنخفضة ولكن أداءه أقل في درجات الحرارة العالية. إن خاصية فجوة الحزمة المباشرة للجرمانيوم تجعله ممتازاً في التطبيقات الإلكترونية الضوئية بالأشعة تحت الحمراء، وقابلاً للتأثر بالأشعة تحت الحمراء عند الطول الموجي 1.55 ميكرومتر، وبالتالي يستخدم على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية وأجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء وغيرها من المجالات. على الرغم من أن الجرمانيوم مستقر كيميائياً في درجة حرارة الغرفة، إلا أنه قد يتأثر بشكل كبير في درجات الحرارة العالية. هشاشته عالية وصلابته 6.0 موس، مما يحد من استخدامه في ظل بعض متطلبات القوة الميكانيكية العالية. على الرغم من أن معظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة مصنوعة من السيليكون، لا يزال للجرمانيوم تطبيقات مهمة في الإلكترونيات عالية السرعة وتكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة والترددات العالية.

الجدول 1 الخواص الفيزيائية للجرمانيوم

3 عمليات تصنيع الجرمانيوم 3

3.1 طريقة تشوكرالسكي

إن طريقة Czochralski هي تقنية شائعة لنمو البلورة المفردة تستخدم على نطاق واسع لتحضير أنواع مختلفة من البلورات المفردة لأشباه الموصلات، بما في ذلك بلورات الجرمانيوم المفردة. وتُستخدم طريقة السحب المستقيم للحصول على بلورات أحادية الجرمانيوم كبيرة الحجم وعالية الجودة عن طريق سحب بلورات سائلة من الجرمانيوم أو سبائك الجرمانيوم في الحالة المنصهرة من حوض منصهر، وتبريدها تدريجياً وبلورتها، والحصول في النهاية على بلورات أحادية الجرمانيوم كبيرة الحجم وعالية الجودة. تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في صناعة أشباه الموصلات، خاصةً في تحضير مواد الجرمانيوم، حيث إنها قادرة على إنتاج بلورات مفردة ذات نقاء عالٍ وعيوب منخفضة.

وعادةً ما يستخدم الجرمانيوم عالي النقاء (Ge) كمادة خام، أو تُستخدم سبائك الجرمانيوم (على سبيل المثال، سبائك الجرمانيوم والسيليكون) كمصدر للحل. وعادة ما يكون الجرمانيوم عالي النقاء نقيًا بنسبة 99.999% أو أعلى. وتستخدم طريقة Czochralski عادةً فرن تسخين استقرائي أو نوع آخر من الأفران عالية الحرارة لتسخين الجرمانيوم. وداخل الفرن، يتم احتواء الجرمانيوم المنصهر داخل وعاء مصنوع من مواد عالية المقاومة للحرارة، مثل الكوارتز أو البلاتين، لمنع التفاعلات الكيميائية مع الجرمانيوم. وتبلغ درجة انصهار الجرمانيوم 937.4 درجة مئوية، لذلك يجب أن تكون درجة حرارة الذوبان أعلى من ذلك بقليل، وعادة ما تكون بين 1050 درجة مئوية و1150 درجة مئوية. وهذا يضمن بقاء الجرمانيوم في حالة سائلة. وهذا يضمن بقاء الجرمانيوم في حالة سائلة ويسهل نمو البلورات.

توضع المادة الأولية للجرمانيوم أولاً في فرن ويتم تسخينها حثيًا لصهرها في حالة سائلة. ومن الضروري ضمان بقاء الذوبان متجانسًا لتجنب الشوائب والفقاعات.

البذرة البلورية هي البلورة المفردة الأولية المستخدمة لتوجيه نمو البلورة. في طريقة Czochralski، المادة الشائعة الاستخدام لبذرة البلورة هي رقائق الجرمانيوم النقية أحادية البلورة. يتم اختيار رقائق الجرمانيوم أحادية البلورة ذات الجودة العالية والشبكة المثالية كبذرة بلورية. يجب أن يكون الاتجاه البلوري للبذرة مماثلاً لاتجاه البلورة المفردة المستهدفة، وعادةً ما يكون الاتجاه البلوري <100> أو <111> من الجرمانيوم. يتم غمر البذرة البلورية عموديًا في سطح الجرمانيوم المنصهر ويبدأ نمو البلورة عند درجة حرارة الحوض المنصهر. عند تلامس البذرة مع المصهور، تلتصق ذرات الجرمانيوم في المصهور تدريجيًا بسطح البذرة لتكوين بنية بلورية واحدة.

على سطح التلامس بين البذرة البلورية والبركة المنصهرة، تبدأ البلورات في النمو إلى الخارج. وببطء وثبات، يتم سحب البذرة عموديًا من الحوض المنصهر، مع التحكم في درجة الحرارة وسرعة السحب لضمان نمو بلوري موحد. عادةً ما تكون سرعة السحب في نطاق 0.5-2 مم/الدقيقة. قد تؤدي سرعة السحب السريعة جدًا إلى حدوث عيوب بلورية، بينما قد تؤدي سرعة السحب البطيئة جدًا إلى بلورات كبيرة الحجم يصعب التحكم فيها. يجب التحكم في التدرج في درجة الحرارة بدقة لضمان جودة وهيكل بلورات الجرمانيوم المفردة. وعادةً ما تنخفض درجة الحرارة مع سحب البلورات من الذوبان، ويتباطأ معدل نمو البلورات وفقًا لذلك. يمكن التحكم في اتجاه نمو البلورات وحجمها من خلال التحكم في درجة الحرارة في منطقة التبريد العليا. لتجنب أكسدة الجرمانيوم في درجات الحرارة المرتفعة، تتم عملية النمو عادةً في فراغ أو في جو غاز خامل (مثل الأرجون).

وتحت توجيه البذرة البلورية، تنمو بلورات الجرمانيوم المفردة تدريجياً لتشكل بلورات مفردة كبيرة. ومع استمرار نمو البلورة في النمو، يزداد قطر وطول بلورة الجرمانيوم المفردة تدريجياً. يمكن لطريقة السحب المستقيم أن تنتج بلورات أحادية الجرمانيوم كبيرة يتراوح قطرها من بضعة ملليمترات إلى عدة بوصات. وبمجرد أن تنمو بلورة الجرمانيوم المفردة إلى الحجم المطلوب، تبدأ في التبريد ببطء. وتتطلب عملية التبريد تحكمًا صارمًا في درجة الحرارة لتجنب الإجهادات التفاضلية في درجة الحرارة أو التشققات الحرارية داخل البلورة. وغالبًا ما يُستخدم التبريد التدريجي لنقل البلورة تدريجيًا من منطقة درجة الحرارة العالية إلى منطقة درجة حرارة الغرفة، مما يضمن التحكم في التبريد وتقليل خطر حدوث عيوب هيكلية.

وعادةً ما تكون بلورات الجرمانيوم المفردة المحضرة بطريقة Czochralski ذات كثافة عيوب منخفضة وبنية بلورية كاملة ومحتوى منخفض من الشوائب. قد تظهر بعض العيوب الشبكية، مثل الخلع والتشققات الدقيقة وما إلى ذلك، أثناء عملية النمو، والتي عادةً ما تتطلب فحص الجودة من خلال حيود الأشعة السينية أو الفحص المجهري البصري أو الفحص المجهري الإلكتروني. كما أن الخواص الكهربائية (على سبيل المثال، تركيز الناقل، والحركة، وما إلى ذلك) والخصائص البصرية (على سبيل المثال، النفاذية، ومعامل الامتصاص، وما إلى ذلك) لبلورات الجرمانيوم المفردة هي أيضاً مؤشرات مهمة لتقييم جودتها.

وبمجرد تبريد بلورة الجرمانيوم المفردة والوصول إلى حجم محدد مسبقاً، يمكن تقطيع البلورة إلى صفائح أو أشكال أخرى مرغوبة. وتشمل طرق المعالجة الشائعة القطع والتلميع والتخدير. في بعض التطبيقات، قد تحتاج بلورات الجرمانيوم المفردة إلى التطعيم بعناصر معينة (مثل الفوسفور والبورون) لتعديل خواصها الكهربائية. وعادة ما يتم التطعيم عن طريق الانتشار أو إضافة مادة منشّطة بعد عملية نمو البلورة.

الشكل 2 مبدأ طريقة Czochralski

3.2 طريقة التجميد المتدرج الرأسي

طريقة التجميد بالتدرج الرأسي (طريقة التجميد بالتدرج الرأسي) هي تقنية شائعة الاستخدام لتحضير بلورات مفردة عالية النقاء، وهي مناسبة بشكل خاص لنمو المواد شبه الموصلة مثل بلورات الجرمانيوم المفردة. وعلى عكس طريقة Czochralski، تحقق طريقة التجميد بالتدرج الرأسي نمو بلورات مفردة من خلال التحكم في تدرج درجة الحرارة، والتي لها مزايا فريدة في تحضير مواد أشباه الموصلات عالية الجودة ومنخفضة العيوب.

طريقة التدرج الرأسي هي تقنية تستخدم تدرج درجة الحرارة لدفع نمو البلورات. ويتمثل المبدأ الأساسي في التحكم في المنطقة الانتقالية للمادة من سائل إلى صلب عن طريق وضع مادة أشباه الموصلات المنصهرة في منطقة ذات تدرج كبير في درجة الحرارة واستخدام هذا الاختلاف في درجة الحرارة للتحكم في اتجاه نمو البلورات وعملية نموها. وعادةً ما يشكل الذوبان تدرجًا عموديًا في درجة الحرارة من أعلى إلى أسفل، مما يؤدي إلى درجات حرارة أعلى في أعلى الذوبان ودرجات حرارة أقل في الأسفل. ويتمثل مفتاح طريقة التدرج الرأسي العمودي في أنه من خلال التحكم الدقيق في تدرج درجة حرارة الذوبان في درجة حرارة الذوبان يتصلب الذوبان تدريجيًا من الجزء السفلي ويمكن أن يشكل بنية بلورية واحدة خالية من العيوب أو ذات عيوب منخفضة.

يتطلب تنفيذ طريقة التدرج الرأسي لتحضير الجرمانيوم عالي النقاء تحضير الذوبان أولاً. يتم وضع الجرمانيوم عالي النقاء في بوتقة خاصة، والتي عادةً ما تكون مصنوعة من الكوارتز أو البلاتين المقاوم للحرارة العالية. يتم تسخين المادة الموجودة في البوتقة فوق درجة الانصهار وتُحفظ في حالة سائلة. بعد ذلك يتم إنشاء تدرج في درجة الحرارة عموديًا في المعدات عن طريق التحكم في درجة الحرارة فوق وتحت الذوبان. وعادةً ما يتم الاحتفاظ بالجزء السفلي من الذوبان عند درجة حرارة منخفضة (قريبة من نقطة الانصهار)، بينما يتم الاحتفاظ بالجزء العلوي عند درجة حرارة أعلى. ومع هذا التدرج في درجة الحرارة، تتصلب المادة تدريجيًا من الأعلى إلى الأسفل. ويُعد حجم واتجاه التدرج في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية ويحدد معدل نمو البلورات وحجم الحبيبات ونوعية البلورات المفردة.

في منطقة تبريد الذوبان، توضع البذرة البلورية عادةً في منطقة درجة الحرارة المنخفضة (أي الجزء السفلي من الذوبان). أثناء الانخفاض التدريجي في درجة الحرارة، يتصلب الذوبان وتبدأ البذرة في الاتصال بالذوبان وتوجه نمو البلورات. ومع انخفاض درجة الحرارة، تبدأ البلورات في النمو لأعلى من البذرة حتى يتصلب الذوبان بالكامل في البوتقة تدريجيًا في هيكل بلوري واحد. في طريقة VGF، يتم التحكم في معدل نمو البلورات عن طريق ضبط معدل التبريد (أي تدرج درجة الحرارة). وعادةً ما يكون معدل النمو بطيئًا لضمان نمو البلورات تدريجيًا مع انخفاض العيوب. يساعد التحكم في معدل نمو البلورات على تقليل العيوب وتحسين جودة البلورات. في بعض الحالات، يمكن أن يؤدي النمو السريع جدًا إلى حدوث خلع أو عيوب أخرى في البلورة.

بعد اكتمال نمو البلورات، يتم خفض درجة الحرارة تدريجيًا لضمان تنفيذ العملية بأكملها بثبات. تتصلب البلورات تدريجيًا من البركة المنصهرة إلى بلورات مفردة، ويتطلب التبريد أيضًا خفضًا بطيئًا في درجة الحرارة لتجنب الإجهادات والتشققات بسبب التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة.

وتتميز طريقة VGF ببعض المزايا الفريدة التي تتيح إنتاج بلورات مفردة عالية الجودة للغاية، خاصةً من حيث انخفاض كثافة العيوب وقلة التشوهات الشبكية. ونظرًا للتدرج الأكثر استقرارًا في درجة الحرارة أثناء نمو البلورات، يمكن تجنب الاضطرابات المفرطة أو العيوب الشبكية الأخرى في البلورات بشكل فعال. نظرًا لأن هذه الطريقة تتمتع بدقة تحكم عالية أثناء عملية النمو ويمكنها إزالة بعض الشوائب بشكل فعال، فإن طريقة VGF مناسبة بشكل خاص لإنتاج مواد أشباه الموصلات عالية النقاء، خاصة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، وتستخدم الأجهزة عالية التردد على نطاق واسع. بالمقارنة مع طريقة Czochralski، تعتمد طريقة VGF عادةً معدل نمو بلوري أقل، مما يساعد على الحصول على بنية بلورية أكثر تجانسًا ويقلل من توليد الضغوط الداخلية، وبالتالي تحسين الأداء العام للبلورات المفردة. وعلاوة على ذلك، لا تحتاج طريقة VGF إلى تمديد البلورات، مما يجنبنا مشاكل تمزق البلورات والنمو غير المتساوي الذي قد يحدث أثناء عملية التمدد وهي مناسبة بشكل خاص لتحضير بعض المواد الهشة. من خلال طريقة VGF، يمكن تحضير مواد أحادية البلورة كبيرة الحجم وعالية الجودة أحادية البلورة بسهولة أكبر، وهو أمر مهم للغاية في بعض الإلكترونيات المتطورة والخلايا الكهروضوئية والشمسية وغيرها من التطبيقات.

ومع ذلك، نظرًا لأن طريقة VGF تتطلب نظامًا أكثر دقة للتحكم في درجة الحرارة، فإن تكلفة المعدات أعلى. وعلى وجه الخصوص، تحتاج المعدات إلى مستوى عالٍ من التكنولوجيا من حيث التحكم في تدرج درجة الحرارة والتحكم في معدل التبريد في الذوبان. وبالإضافة إلى ذلك، عادةً ما يكون معدل نمو طريقة VGF أبطأ من طريقة السحب المستقيم، لذلك تستغرق عملية النمو بأكملها وقتًا أطول. قد لا تكون هذه الطريقة فعالة مثل الطرق الأخرى (على سبيل المثال، طريقة Czochralski) من حيث كفاءة الإنتاج، خاصةً عندما يكون الإنتاج بكميات كبيرة مطلوبًا. على الرغم من أن طريقة VGF مناسبة لتحضير المواد عالية النقاء، إلا أن لها متطلبات عالية للخصائص الفيزيائية مثل نقطة الانصهار والتوصيل الحراري للمواد، وبالتالي لا تنطبق على جميع المواد، خاصةً بعض المواد ذات نقطة الانصهار العالية أو الموصلية الحرارية الضعيفة.

الشكل 3 رسم تخطيطي لطريقة VGF

4 تطبيقات الجرمانيوم

1. الإلكترونيات عالية السرعة: إن حركية الإلكترون العالية للجرمانيوم (حوالي ضعف حركية السيليكون) تجعله واعداً جداً للاستخدام في الإلكترونيات عالية التردد وعالية السرعة. خاصة في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة التي تتطلب تبديل عالي السرعة، يساعد الجرمانيوم على زيادة سرعة التشغيل والكفاءة. ونظرًا لأن الجرمانيوم لديه نطاق ترددي أقل للطاقة وحركية أعلى للناقل، يمكنه توفير أداء أفضل في التطبيقات عالية التردد. وقد أدى ذلك إلى استخدام الجرمانيوم في تطبيقات مثل الاتصالات اللاسلكية ومضخمات التردد اللاسلكي (RF) ومضخمات التردد فوق العالي.

الشكل 4 رقاقة الجرمانيوم

2. المواد البصرية بالأشعة تحت الحمراء: يتمتع الجرمانيوم بنفاذية ممتازة في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (2-12 ميكرومتر)، مما يجعله مادة مثالية لكاشفات الأشعة تحت الحمراء وأنظمة التصوير. على سبيل المثال، يُستخدم الجرمانيوم على نطاق واسع في أجهزة مثل مستشعرات الأشعة تحت الحمراء وكاميرات الأشعة تحت الحمراء، خاصة في المجال العسكري والأمني ومراقبة المناخ. تسمح فجوة النطاق الصغيرة للجرمانيوم (حوالي 0.66 فولت) بالاستجابة بفعالية للأشعة تحت الحمراء في درجة حرارة الغرفة. بالمقارنة مع السيليكون، يتمتع الجرمانيوم باستجابة أكثر حساسية في منطقة الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة، مما يجعله أكثر استخدامًا على نطاق واسع في تطبيقات مثل أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء وأنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء.

3. اتصالات الألياف الضوئية: غالبًا ما يتم تخدير الجرمانيوم في الألياف الضوئية، وخاصة ألياف SiO₂ المخدرة بالجرمانيوم (SiO₂) لتحسين أداء الألياف الضوئية. تتمتع الألياف الضوئية المخدرة بالجرمانيوم بمعامل انكسار أعلى ويمكنها نقل الإشارات الضوئية بكفاءة أكبر. ولذلك، تُستخدم مواد الجرمانيوم على نطاق واسع في اتصالات الألياف البصرية كمادة أساسية ووسيط كسب. في أجهزة التحويل الكهروضوئي، يُستخدم الجرمانيوم أيضاً في أجهزة التحويل الكهروضوئي كمادة تحويل كهروضوئية فعالة. ونظراً لاستجابته الممتازة للأشعة تحت الحمراء، يُستخدم الجرمانيوم في الخلايا الشمسية وغيرها من أجهزة الكشف الضوئي.

4. الدوائر المتكاملة (ICs) والترانزستورات: مع التقدم في تكنولوجيا السيليكون، تستخدم سبائك الجرمانيوم والسيليكون (على سبيل المثال، سبائك SiGe) على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة. توفر تقنية SiGe قابلية أعلى لحركة الإلكترونات واستهلاك أقل للطاقة للتطبيقات عالية السرعة وعالية التردد، مثل المعالجات الدقيقة والدوائر المتكاملة ذات الترددات الراديوية. في الدوائر المتكاملة عالية الأداء (على سبيل المثال، الترانزستورات عالية السرعة)، وخاصة في تطبيقات التأثير الكمي وتكنولوجيا النانو، يُستخدم الجرمانيوم كمادة عالية الحركة لتعزيز أداء الجهاز. من خلال دمج الجرمانيوم على ركائز السيليكون، يمكن تحسين أداء الترانزستورات بشكل كبير، خاصةً على مقاييس الميكرومتر وحتى النانومتر.

5. ليزر أشباه الموصلات (LDs): تُستخدم مواد الجرمانيوم في تصنيع أشباه الموصلات الليزرية، خاصة في تطبيقات الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR). يتمتع الجرمانيوم بفجوة نطاق صغيرة وقادر على إنتاج خصائص إلكترونية ضوئية مختلفة عن تلك الخاصة بمواد السيليكون، مما يجعله مناسباً لاستهلاك الطاقة المنخفض والليزر شبه الموصّل عالي الكفاءة. يعد هيكل الجرمانيوم-السيليكون أحد النقاط الساخنة في الأبحاث الحالية، ويمكن أن يساعد الجمع بين الجرمانيوم والسيليكون في تطوير ليزر قائم على السيليكون للاتصالات البصرية والوصلات البينية الضوئية وغيرها من التطبيقات.

6. الخلايا الشمسية (التكنولوجيا الكهروضوئية): الجرمانيوم مناسب للاستخدام كركيزة في المواد الكهروضوئية بسبب فجوة النطاق المنخفضة (0.66 فولت)، وعادة ما يتم دمجه مع مواد أخرى (مثل السيليكون) لتشكيل خلايا شمسية متعددة الوصلات. يمكن أن يؤدي استخدام الجرمانيوم في الخلايا الشمسية متعددة الوصلات إلى امتصاص نطاق أوسع من الأطياف بفعالية وتعزيز كفاءة التحويل للخلايا الشمسية، وهو ما ينطوي على إمكانات كبيرة، خاصة في الأقمار الصناعية الفضائية والتطبيقات الشمسية عالية الكفاءة. يُستخدم الجرمانيوم على نطاق واسع في الخلايا الشمسية الفضائية والأجهزة الكهروضوئية عالية الكفاءة في الفضاء بسبب أداء التحويل الكهروضوئي المستقر.

الشكل 5 الألواح الشمسية

7. الأجهزة المقترنة بالشحن (CCDs): كما تُستخدم مواد الجرمانيوم على نطاق واسع في مستشعرات الأجهزة المقترنة بالشحن (CCD)، والتي تُستخدم في مجالات مثل استشعار الصور والتصوير بالفيديو وتكنولوجيا الفحص المجهري. إن قابلية الجرمانيوم العالية لحركة الإلكترونات وخصائصه الكهربائية الممتازة تمكنه من توفير قدرات كشف أفضل في ظروف الإضاءة المنخفضة.

8. رادار الليزر (ليدار): لمواد الجرمانيوم أيضاً تطبيقات مهمة في أنظمة رادار الليزر (LiDAR)، خاصة في تحديد المدى عالي الدقة والمسح البيئي وتكنولوجيا القيادة الذاتية. إن الاستجابة العالية للجرمانيوم تجعله متفوقاً في النطاق الطيفي للأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة، مما يجعله مادة مثالية للكشف بالليزر الفعال.

9. الحوسبة الكمية والتكنولوجيا الكمية: تتمتع مواد الجرمانيوم بإمكانيات في الحوسبة الكمية، خاصة عند بناء البتات الكمية. ونظراً لتوافقه مع السيليكون، يبحث العلماء في استخدام الجرمانيوم لتطوير أنظمة حوسبة كمومية قائمة على السيليكون لتطوير حواسيب كمومية أكثر قوة. كما يجري استكشاف الجرمانيوم لاستخدامه في أجهزة الاستشعار الكمي والاتصالات الكمية، حيث يمكن بناء أجهزة استشعار كمي أكثر كفاءة من خلال الاستفادة من خصائصه الكهربائية الجيدة وخصائصه المنخفضة العيوب.

الشكل 6 الجرمانيوم للحاسبات الكمية

5 مزايا وحدود الجرمانيوم

5.1 مزايا الجرمانيوم

1. حركية الإلكترون العالية: تُعد حركية الإلكترونات مقياساً مهماً لقدرة الإلكترونات على الحركة عبر مادة شبه موصلة، والجرمانيوم لديه حركية إلكترونات أعلى من السيليكون (Si)، حوالي ضعف حركية السيليكون (حوالي 3900 سم²/فولت-ثانية). هذا يعني أن الجرمانيوم يتفوق على السيليكون في الإلكترونيات عالية السرعة مثل الترانزستورات عالية السرعة، مما يوفر سرعات تبديل أعلى واستهلاك أقل للطاقة.

وتمنح القدرة العالية على الحركة الجرمانيوم ميزة في الاتصالات عالية التردد (RF) والاتصالات عالية السرعة، مما يتيح نقل الإشارات بكفاءة أكبر.

2. خصائص فجوة نطاق منخفضة (0.66 فولت): يتمتع الجرمانيوم بفجوة نطاق صغيرة (0.66 فولت)، مما يسمح له بإظهار توصيلية عالية في درجات حرارة منخفضة أو طاقة منخفضة. هذه الخاصية تجعل الجرمانيوم مناسبًا جدًا للأجهزة الإلكترونية الضوئية بالأشعة تحت الحمراء (على سبيل المثال، كاشفات الأشعة تحت الحمراء واتصالات الألياف الضوئية وغيرها).

كما تمنح فجوة الحزمة المنخفضة الجرمانيوم ميزة في بعض أجهزة التحويل الكهروضوئية عالية الكفاءة (مثل الخلايا الشمسية)، خاصة في الطبقة السفلية من الخلايا الشمسية متعددة الوصلات حيث يمكنها امتصاص أطياف الطول الموجي الطويل بشكل فعال.

3. نفاذية عالية (طيف الأشعة تحت الحمراء): يتمتع الجرمانيوم بنفاذية ضوئية عالية جداً (2-12 ميكرومتر) في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، مما يجعله مادة مثالية للتصوير بالأشعة تحت الحمراء وكاشفات الأشعة تحت الحمراء وغيرها من المجالات. في هذه التطبيقات، يمكن أن يزيد الجرمانيوم من حساسية الأجهزة ودقتها.

الشكل 7 زجاج الجرمانيوم بالأشعة تحت الحمراء

وهذا ما يجعل الجرمانيوم يلعب دورًا مهمًا في أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء للكشف العسكري، ومراقبة المناخ، والأمن، وغيرها من المجالات.

4. التوافق الجيد مع السيليكون: يمتلك الجرمانيوم بنية بلورية جيدة تتطابق مع السيليكون ويمكنه تشكيل سبائك (على سبيل المثال، سبائك SiGe)، مما يتيح الاستفادة الكاملة من مزايا السيليكون والجرمانيوم. على سبيل المثال، يمكن لسبائك SiGe المستخدمة في الدوائر المتكاملة (ICs) تحسين أداء الدوائر المتكاملة عالية السرعة بشكل كبير.

كما أن التوافق بين الجرمانيوم والسيليكون يجعل من الممكن دمج الجرمانيوم في الإلكترونيات القائمة على السيليكون، خاصة في الأجهزة عالية التردد وعالية السرعة.

5. مناسب للخلايا الشمسية عالية الكفاءة: نظراً لصغر فجوة نطاقه الصغيرة، يمكن للجرمانيوم أن يمتص بفعالية الجزء الطويل من الطيف الموجي الطويل، خاصةً كمادة ذات طبقة سفلية في الخلايا الشمسية متعددة الوصلات، مما يعزز كفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية. الكفاءة العالية للجرمانيوم تجعله يستخدم على نطاق واسع في الخلايا الشمسية الفضائية في التطبيقات الفضائية.

6. إمكانية استخدامه في الحوسبة الكمية: إن الخصائص المنخفضة العيوب لمواد الجرمانيوم تجعلها مفيدة في الحوسبة الكمية، خاصة في بناء البتات الكمومية (الكيوبتات). كما أن التوافق بين الجرمانيوم والسيليكون يجعله مادة بناء مثالية للبتات الكمية المتكاملة في الحوسبة الكمية، وخاصة في أبحاث الحوسبة الكمية السيليكونية.

5.2 حدود الجرمانيوم

1. انخفاض الموصلية الحرارية: إن التوصيل الحراري للجرمانيوم (حوالي 60 واط/م-ك) أقل بكثير من السيليكون (حوالي 150 واط/م-ك). وهذا يعني أنه في أجهزة أشباه الموصلات ذات الكثافة العالية للطاقة، يتمتع الجرمانيوم بقدرة ضعيفة على تبديد الحرارة، مما قد يؤدي بسهولة إلى تراكم الحرارة، وبالتالي التأثير على استقرار الجهاز وموثوقيته على المدى الطويل.

إن تدهور الأداء في درجات الحرارة المرتفعة ومشكلة تبديد الحرارة هما العاملان الرئيسيان المحددان لمواد الجرمانيوم في التطبيقات عالية الطاقة.

2. ارتفاع السعر: إن تكلفة المواد الخام وتكلفة إنتاج الجرمانيوم أعلى، خاصة وأن عملية تحضير الجرمانيوم عالي النقاء معقدة وتتطلب عملية نمو بلوري متطورة. ونتيجة لذلك، فإن تصنيع الجرمانيوم أكثر تكلفة من السيليكون، مما يجعل من الصعب اعتماده على نطاق واسع في بعض التطبيقات الحساسة من حيث التكلفة.

على الرغم من مزاياه في التطبيقات المتطورة، إلا أن تكلفة الجرمانيوم العالية تحد من انتشار التطبيقات التجارية على نطاق واسع، خاصة في بعض مجالات الإلكترونيات الاستهلاكية التي تتطلب تكلفة منخفضة.

3. تقنية النمو ومشاكل جودة البلورات: إن نمو بلورة الجرمانيوم المفردة أكثر صعوبة، خاصة في تحضير بلورات الجرمانيوم المفردة عالية الجودة وكبيرة الحجم، والحاجة إلى تقنية تحكم عالية الدقة في النمو، مثل طريقة السحب المستقيم (طريقة Czochralski)، وعامل التدرج العمودي (طريقة VGF) وما إلى ذلك. إن إنتاج بلورات الجرمانيوم وتطبيقها مقيد إلى حد ما بسبب تعقيد هذه التقنيات وتكلفتها.

قد يحتوي الجرمانيوم على خلع أو عيوب أو شوائب في بنيته البلورية، مما يؤثر على تطبيقه في الأجهزة الإلكترونية عالية الأداء.

4. محدودية نطاق الإنتاج الصناعي: على الرغم من أن الجرمانيوم يؤدي أداءً جيداً في التطبيقات المتطورة، إلا أن حجم الإنتاج الحالي واستثمار المعدات في الجرمانيوم لا يزال غير قابل للمقارنة مع السيليكون. سلسلة التوريد لمواد الجرمانيوم ليست ناضجة وواسعة النطاق مثل تلك الخاصة بالسيليكون، مما يحد من شعبيته في بعض التطبيقات واسعة النطاق، خاصة في الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة منخفضة التكلفة.

6 الخلاصة

يوفر الجرمانيوم مزايا كبيرة في المجالات التي تكون فيها الإلكترونيات عالية السرعة وحساسية الأشعة تحت الحمراء والقدرات الإلكترونية الضوئية ضرورية. فحركيته المتفوقة للإلكترونات، وفجوة نطاقه المنخفضة، وتوافقه مع السيليكون تجعله مثاليًا للتطبيقات عالية الأداء في أنظمة الاتصالات، والتصوير بالأشعة تحت الحمراء، والخلايا الشمسية الموفرة للطاقة. ومع ذلك، فإن استخدام الجرمانيوم مقيد بالعديد من القيود، بما في ذلك انخفاض الموصلية الحرارية وارتفاع تكاليف الإنتاج والتحديات في التصنيع على نطاق واسع. وعلى الرغم من هذه العقبات، لا يزال الجرمانيوم مادة بالغة الأهمية في مجال الإلكترونيات المتقدمة، لا سيما في التطبيقات المتخصصة التي تتطلب دقة وأداءً عاليًا. ويمكن أن يؤدي الابتكار المستمر في تقنيات تصنيع الجرمانيوم وتكامله مع التقنيات القائمة على السيليكون إلى توسيع دوره في المجالات الناشئة مثل الحوسبة الكمية والجيل القادم من الإلكترونيات الضوئية.

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

قراءة ذات صلة

الجرمانيوم

الجرمانيوم - معلومات عن العناصر والخصائص والاستخدامات

طريقة تشوكرالسكي