في مايو 2002، كتب ليستر إف. إيستمان وأوميش ك. ميشرا عن تقنية تطوير طويلة الأجل في مجال أشباه الموصلات الكهربائية في ذلك الوقت:نتريد الغاليوم (GaN).  
في تلك المقالة، أعربوا عن تفاؤلهم بشأن آفاق استخدام نتريد الغاليوم في شبكات النطاق العريض اللاسلكية الناشئة آنذاك، والرادار، وتطبيقات تبديل الطاقة لشبكات الكهرباء. كما أشاروا إلى أجهزة نتريد الغاليوم على أنها"أقوى ترانزستور تم ابتكاره على الإطلاق".  
إنهم على حق. إن فجوة النطاق الواسعة لـ GaN (الطاقة اللازمة لكسر الإلكترونات المرتبطة وتسهيل التوصيل) وخصائص أخرى تسمح لنا باستغلال تحمل هذه المادة العالي للمجال الكهربائي، مما يتيح أجهزة ذات أداء غير مسبوق.  
اليوم، تُعدّ تقنية نيتريد الغاليوم (GaN) الخيار الأمثل لتطبيقات الطاقة اللاسلكية ذات الحالة الصلبة، حيث بدأت تظهر بالفعل في الرادار وشبكات الجيل الخامس اللاسلكية، وسرعان ما ستصبح شائعة الاستخدام في محولات الطاقة المستخدمة في المركبات الكهربائية. بل يمكنك الآن شراء شواحن USB مصممة بتقنية نيتريد الغاليوم، والتي توفر مستويات طاقة عالية للغاية بحجمها الصغير.  
مع ذلك، حتى لو كان هذا هو الحال، يبقى السؤال مطروحًا: هل يوجد ما هو أفضل من نتريد الغاليوم؟ هل من الممكن تحسين أداء مضخمات الترددات الراديوية وزيادة كفاءتها؟ هل من الممكن تصغير حجم إلكترونيات الطاقة أكثر، مما يخفف العبء على الطائرات والسيارات؟ هل يمكننا إيجاد مواد ذات فجوات طاقة أكبر مع الحفاظ على قدرتها على توصيل الكهرباء؟  
اتضح أن الإجابة هي نعم.  
في الواقع، توجد مواد ذات فجوات طاقة متعددة في السوق، لكن خصوصية ميكانيكا الكم تعني أن معظمها يصعب استخدامه كأشباه موصلات. ومع ذلك، يوجد مرشح واحد واعد: أكسيد الغاليوم (Ga2O3) الموصل الشفاف.  
بفضل فجوة نطاقها الواسعة التي تقارب 5 إلكترون فولت، يتفوق أكسيد الغاليوم على نتريد الغاليوم (3.4 إلكترون فولت) بفارق كبير، وبالمقارنة مع السيليكون (1.1 إلكترون فولت)، فإن هذا التفوق هائل. نعلم أن الماس ونتريد الألومنيوم يتمتعان أيضًا بفجوات نطاق واسعة، لكنهما لا يمتلكان خصائص أكسيد الغاليوم، وهي مجموعة من الخصائص المميزة التي يمكن استخدامها لصنع أجهزة رخيصة الثمن وعالية الأداء.  
لا يكفي أن تمتلك المادة فجوة نطاق واسعة، لأنه في هذه الحالة، يمكن أن تمتلكها جميع المواد العازلة والخزفية، ولهذا السبب لا يمكن استخدامها إلا كعوازل. لكن أكسيد الغاليوم يتمتع بمزيج فريد من الخصائص التي قد تجعله مادةً واعدةً للغاية لمفاتيح الطاقة والإلكترونيات الترددية.  
   

الرسم التوضيحي: IEEE Spectrum المصدر: "تنفيذ Ga2O3 لتطبيقات إلكترونيات الطاقة" قدمه جريج هـ. جيسن وآخرون في المؤتمر السنوي الخامس والسبعين لأبحاث الأجهزة (DRC).

من بين الخصائص الخمس الأساسية لأشباه الموصلات، تُعدّ قوة المجال الكهربائي الحرج العالية الميزة الأبرز لأكسيد الغاليوم بيتا. وهذا من شأنه أن يُسهم في تصنيع مفاتيح عالية الجهد، ويُمكّن من تصميم أجهزة ترددات لاسلكية فائقة الأداء بالاعتماد عليه. مع ذلك، فإنّ أكبر عيوب أكسيد الغاليوم بيتا هو انخفاض موصليته الحرارية، ما يعني إمكانية احتباس الحرارة داخل الجهاز.  
ومن الخصائص المميزة لأكسيد الغاليوم إمكانية إضافة حاملات الشحنة إليه لزيادة موصليته عبر عملية تُسمى التطعيم. يتضمن التطعيم إضافة كميات محددة من الشوائب إلى البلورة للتحكم في تركيز حاملات الشحنة في أشباه الموصلات. في السيليكون، على سبيل المثال، يمكن استخدام زرع الأيونات متبوعًا بالتلدين لتطعيم البلورة بالفوسفور (إضافة إلكترونات حرة) أو البورون (إزالة إلكترونات حرة)، مما يسمح للشحنات بالتحرك بحرية داخلها. في أكسيد الغاليوم (Ga₂O₃)، تُضاف الإلكترونات بطريقة مماثلة.  
لكن إذا حاولت استخدام هذا النهج مع أكاسيد أخرى ذات فجوة نطاق واسعة، فسينتهي بك الأمر ببلورات محطمة محتملة وبقع في الشبكة حيث تتعثر الشحنات.  
تتيح قابلية أكسيد الغاليوم للتكيف مع إضافة الشوائب عبر العمليات القياسية (المعروفة باسم زرع الأيونات) وكذلك أثناء النمو الطبقي (ترسيب بلورات إضافية) الاستفادة من عدد من تقنيات الطباعة الحجرية والمعالجة التجارية الراسخة. تُسهّل هذه الطرق تحديد أبعاد الترانزستور بدقة تصل إلى عشرات النانومترات، وتُمكّن من إنتاج مجموعة متنوعة من تصميمات الأجهزة. مع ذلك، تفتقر مواد أشباه الموصلات الأخرى ذات فجوات الطاقة الواسعة إلى هذه الميزة بالغة الأهمية، حتى نتريد الغاليوم (GaN) لا يمتلكها.  
من مزايا أكسيد الغاليوم الأخرى سهولة تصنيع رقائق السيليكون الكبيرة المصنوعة من بلورات Ga2O3. ورغم وجود أنواع عديدة من بلورات Ga2O3، فإن أكثرها استقرارًا هو β، يليه ε ثم α. ويحظى β-Ga2O3 بأكبر قدر من الأبحاث، ويعود الفضل في ذلك بشكل رئيسي إلى جهود مؤسسات مثل المعهد الوطني لعلوم المواد في تسوكوبا، اليابان، ومعهد لايبنيز لتربية البلورات في برلين.  
إنّ أبرز ما يُميّز β-Ga2O3 هو استقراره الحراري، مما يسمح بتصنيعه باستخدام عدد من التقنيات الشائعة الاستخدام، بما في ذلك طريقة تشوخرالسكي لتصنيع رقائق السيليكون. كما يُمكننا استخدام تقنية نمو البلورات المعروفة باسم التغذية الغشائية ذات الحواف المحددة. واليوم، يُمكن حتى تنمية البلورات باستخدام تقنية بريدجمان-ستوكبارجر العمودية عالية التوسع.  
يصعب المبالغة في وصف مدى اختلاف هذا الوضع عن أشباه الموصلات الأخرى ذات فجوة النطاق الواسعة. مع ذلك، من المنظور الحالي، باستثناء كربيد السيليكون (SiC)، لا تمتلك معظم أشباه الموصلات الناشئة ذات فجوة النطاق الواسعة ركائز كبيرة الحجم يمكن تنمية بلورات كبيرة عليها. هذا يعني أنه يجب تنميتها على قرص من مادة أخرى، وهو ما يُكلف الكثير. على سبيل المثال، يُنمى نتريد الغاليوم عادةً على ركائز من السيليكون أو كربيد السيليكون أو الياقوت في عملية معقدة. لكن البنية البلورية لهذه الركائز تختلف بوضوح عن بنية نتريد الغاليوم، وهذا الاختلاف قد يُحدث "عدم تطابق شبكي" بين الركيزة ونتريد الغاليوم، مما ينتج عنه عدد كبير من العيوب. وقد تسببت هذه العيوب في العديد من المشاكل للمعدات المُصنّعة. ولأن أكسيد الغاليوم (Ga2O3) يعمل كركيزة بحد ذاته، فلا يوجد عدم تطابق، وبالتالي لا توجد عيوب. وقد عرضت شركة "نوفيل كريستال تكنولوجي" اليابانية بلورات من β-Ga2O3 بحجم 150 مم.  
في المعهد الياباني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NICT)ماساتاكا هيجاشيواكيكان أول من أدرك إمكانات β-Ga2O3 في تطبيقات تبديل الطاقة. في عام 2012، أذهل هيغاشيواكي قطاع أجهزة الطاقة بأكمله بعد أن أعلن فريقه البحثي عن أول ترانزستور أحادي البلورة من β-Ga2O3. ما مدى جودة هذا المنتج؟ على سبيل المثال، من أهم مواصفات ترانزستور الطاقة جهد الانهيار، وهو نقطة حرجة تتوقف عندها قدرة أشباه الموصلات على إيقاف تدفق التيار. يتجاوز جهد الانهيار للترانزستور الرائد الذي قدمه هيغاشيواكي 250 فولت. وللمقارنة، استغرق الأمر من GaN ما يقرب من عقدين من الزمن لتحقيق هذا الإنجاز.  
في عملهما الرائد، وصف هيغاشيواكي كيف تمكنا أيضاً من تقليل فقد الطاقة في الجهاز بشكل ملحوظ باستخدام مادة ذات شدة مجال كهربائي حرج عالية. هذه الخاصية، المعروفة باسم Ec، هي الميزة الحقيقية لأكسيد الغاليوم.  
ببساطة، إذا وضعت مادة بين موصلين، ثم زدت الجهد الكهربائي، فإن E_c هو المجال الكهربائي الذي تبدأ عنده المادة بتوصيل الكهرباء. في كثير من الأحيان، قد يؤدي هذا الجهد إلى نتائج كارثية. يُقاس المجال الحرج للسيليكون عادةً بمئات الكيلوفولتات لكل سنتيمتر، بينما يبلغ المجال الحرج لأكسيد الغاليوم (Ga_2O3) ثمانية ميغافولتات لكل سنتيمتر.  
 

صورة: مختبر أبحاث القوات الجوية

بطل الجهد العالي: يحافظ ترانزستور أكسيد الغاليوم الموضح أعلاه (الموضح أعلاه بتكبيرين (أ و ب) وفي المقطع العرضي (ج)) على جهد أعلى من 200 فولت في حدود 600 نانومتر فقط.

عند التفكير في ترانزستورات تبديل الطاقة المثالية، يُعدّ امتلاك طاقة عالية جدًا (E) أحد أهمّ الميزات. من الناحية المثالية، يجب أن ينتقل الجهاز فورًا بين حالتين: حالة التشغيل الدائم (توصيل بدون مقاومة) وحالة الإيقاف الدائم (انعدام التوصيل تمامًا). هاتان الحالتان المتطرفتان تتطلبان تصميمين هندسيين مختلفين تمامًا للجهاز. في حالة الإيقاف، يلزم وضع طبقة سميكة من المادة بين مصدر ومصب الترانزستور لمنع التوصيل وحجب الفولتية العالية. أما في حالة التشغيل، فيلزم وجود منطقة رقيقة جدًا بحيث لا يكون لها أي مقاومة.  
بالطبع، لا يمكنك الحصول على كليهما. تحدد قوة المجال الكهربائي الحرجة للمادة مدى رقة المنطقة التي يمكن جعلها مغلقة فعلياً.  
يُعرف المؤشر الرئيسي لأشباه الموصلات المستخدمة في تبديل الطاقة منخفضة التردد باسم "مقياس باليغا للجدارة"، نسبةً إلى بي. جايانت باليغا، الحائز على وسام الشرف من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). ويُشير هذا المقياس إلى مدى دقة استجابة خرج الجهاز لتفاصيل إشارة الدخل عند الفولتيات العالية. وتُعد هذه الخاصية بالغة الأهمية للترانزستورات التي تعمل كمفاتيح بترددات تصل إلى نطاق الكيلوهرتز. وتُستخدم هذه الأجهزة في معدات المحطات الفرعية متعددة الكيلوفولت، ومولدات الفوتونات عالية الطاقة المستخدمة في التصوير الطبي، ومحولات الطاقة للمركبات الكهربائية ومحركات القيادة الصناعية.  
يتمتع أكسيد الغاليوم (Ga2O3) بمزايا طبيعية في جميع هذه التطبيقات وغيرها. عند هذه الترددات، يتناسب عامل الجودة طرديًا مع مكعب المجال الكهربائي الحرج. ويشير ارتفاع قيمة Ec إلى جودة عالية.  
يكمن أساس الحسابات الرياضية في أن هذا المفتاح يقضي معظم وقته إما في وضع التشغيل الكامل أو الإيقاف الكامل، ويقضي وقتًا قصيرًا جدًا في التبديل بين هذين الوضعين. لذا، فإن معظم فقد الطاقة هو التيار المار من المقاوم إلى الجهاز عند تشغيله. عندما تكون قيمة E_c عالية، يمكن استخدام أجهزة أرق، مما يعني مقاومة أقل.  
تتلخص رسالة عمل هيغاشيواكي في أمرٍ بسيط: يُمكن استخدام مجالات كهربائية عالية القوة لتحقيق تبديل عالي الجهد مع فقد ضئيل للطاقة عند الترددات المنخفضة. وسرعان ما استوعبت مجموعات بحثية أخرى هذه الرسالة. وبحلول عام 2013، أثبت الباحثون وجود ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET) بجهد انهيار يبلغ 370 فولت. وفي عام 2016، استخدم مان هوي وونغ، الذي كان آنذاك جزءًا من مجموعة هيغاشيواكي في المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات، بنيةً إضافية تُسمى طلاء المجال لرفع الجهد إلى ما يزيد عن 750 فولت. ومن بين هذه الأجهزة، تُعد سهولة وصول أكسيد الغاليوم (Ga2O3) إلى جهود تشغيل أعلى أمرًا لافتًا للنظر. لقد قطع البحث في المواد شوطًا كبيرًا في غضون سنوات قليلة، بينما استغرق تطوير رقائق نتريد الغاليوم (GaN) عقودًا.  
هل يُعدّ أكسيد الغاليوم (Ga2O3) مفيدًا في تطبيقات مصادر الطاقة ذات التبديل السريع؟ هذه نقطة أخرى تحظى باهتمام الجميع. ويجب التأكيد على أن جهد الدائرة المفتوحة (Ec) مهم جدًا هنا، وقد يُضفي مزايا كبيرة على أكسيد الغاليوم.  
عند الترددات العالية (مثل 100 هرتز إلى 1 ميجاهرتز)، يزداد زمن تشغيل وإيقاف الجهاز تناسبياً. وتُحسب الخسائر أثناء عملية التبديل بضرب مقاومة الجهاز في مقدار الشحنة اللازمة لتراكمها على بوابة الترانزستور لإتمام عملية التبديل. وبحساب بسيط، نجد أن الخسائر تتناسب طردياً مع مربع شدة المجال الكهربائي الحرج، وليس مكعبها عند الترددات المنخفضة.  
    صورة: مختبر أبحاث القوات الجوية  
تُظهر الصورة أعلاه أكسيد الغاليومإمكانات تطبيق الترددات الراديوية،كان جزء صغير (جوهري) من ترانزستور الترددات الراديوية المصنوع من أكسيد الغاليوم في بداياته مهماً لعمله. ويمكن أن يؤدي تقليل المقاومة الطفيلية في الجهاز إلى زيادة القدرة والتردد.  
ستجد أنه حتى في تطبيق بسيط كشاحن الهاتف المحمول، فإن سرعة تحويل الطاقة العالية تُحقق فوائد جمة. يعمل مصدر الطاقة ذو التحويل عن طريق تقويم جهد التيار المتردد القادم من مقبس الحائط، ثم تحويله إلى إشارة عالية التردد. يقوم المحول بخفض الجهد إلى المستوى المطلوب، ثم تُقوّم الإشارة وتُصفّى. تُعدّ المحولات والمكونات السلبية الأخرى أكبر أجزاء النظام حجمًا، ولا يُمكن استخدام مكونات أصغر إلا مع زيادة التردد. وللحصول على ترددات أعلى، يُمكن استخدام أشباه موصلات ذات فجوة نطاق أوسع ومجال كهربائي حرج أعلى، مما يُتيح الحصول عليها بكفاءة أكبر مع تبسيط عملية تبديد الحرارة.  
على سبيل المثال، يمكن لمحول سيليكون بجهد 1200 فولت يعمل بتردد 20 كيلوهرتز أن يوفر طاقة تقارب 3 كيلوواط. مع ذلك، عند استخدام تردد 150 كيلوهرتز، يمكن لمحول سيليكون كربيد أن يعمل بنفس الطاقة عند درجة حرارة أعلى وفي حجم أصغر بمقدار الثلث. للمقارنة، يمكن لمحولات Ga2O3 أن تعمل بترددات قريبة من الميغاهرتز، ويمكن أن تكون أصغر بمقدار النصف (مع أن ذلك يتطلب مكونات مغناطيسية لم تُخترع بعد).  
باختصار، تنبع الخصائص الإلكترونية الحقيقية لمواد مثل أكسيد الغاليوم (Ga2O3) من الاستخدام الأمثل لقوة مجالها الكهربائي الحرجة. ولكن ما هي هذه القيمة تحديدًا؟ حتى عام 2015، لم يجرِ أي فريق قياسات فعلية لقوة المجال التي يمكن أن تحققها هذه المادة. وكما هو الحال مع الأجهزة الأخرى، فإن النتائج الأولية لا تزال بعيدة عن الحدود النظرية.  
نواجه أنا وزملائي هذا التحدي أثناء عملنا في مختبر أبحاث القوات الجوية بقاعدة رايت-باترسون الجوية في أوهايو. تمثلت المشكلة الأولى التي واجهناها في أن أي جهاز مصنوع باستخدام مواد ذات شدة مجال عالية كهذه قد يتجاوز حدود معدات الاختبار الحالية. فمن حيث المبدأ، قد تحجب المواد التي يبلغ سمكها 2 ميكرون أكثر من 1.5 كيلو فولت! لذلك قمنا بتصميم ترانزستور MOSFET بسيط تم تصغير حجمه لتقليل الجهد. تبلغ الفجوة بين البوابة والمصرف، حيث يكون المجال الكهربائي في أعلى مستوياته، 600 نانومتر فقط. يهدف هذا جزئيًا إلى تسهيل قياس ذروة E_c، ولكن أيضًا لأننا نريد أن نكون قادرين على اختبار الجهاز عند ترددات الراديو، وهو ما لا تسمح به التصاميم الأكبر ذات الجهد العالي.  
في هذه التجربة الأولية، استطاعت الترانزستورات تحمل جهد 230 فولت، وهو الحد الأقصى لأجهزة اختبار الترددات الراديوية. بلغ متوسط ​​المجال الكهربائي المتولد 3.8 ميجا فولت/سم على الأقل، وأظهرت المحاكاة أن ذروة المجال الكهربائي الداخلي لا تقل عن 5.3 ميجا فولت/سم. (لن نرصد أبدًا قيمة 8 ميجا فولت/سم كاملة في ترانزستور ذي تأثير حقلي). هذه هي أول تجربة عملية تثبت أن أكسيد الغاليوم (Ga2O3) يتمتع بقيمة توصيل كهربائي نظرية أكبر من نتريد الغاليوم (GaN) (حوالي 3.3 ميجا فولت/سم). بعبارة أخرى، تبلغ فجوة البوابة-المصرف في ترانزستور طاقة من نتريد الغاليوم بجهد تشغيل مقنن 600 فولت عادةً حوالي 15 إلى 20 ميكرومتر، بينما يبلغ طول الموجة المستخدمة 600 نانومتر.  
بعد التوصل إلى هذا الاستنتاج، شهدت ترانزستورات تبديل الطاقة تطورًا سريعًا. ففي عام ٢٠١٧، قمنا بتصنيع ترانزستورات MOSFET بجهد انهيار يتجاوز ٦٠٠ فولت. وفي أوائل عام ٢٠١٨، بلغت قيم فقد الطاقة عند الترددات العالية، التي تم تحقيقها باستخدام ترانزستورات MOSFET ذات أشكال هندسية مختلفة، الحدود النظرية للسيليكون أو تجاوزتها. والأهم من ذلك، أصبح لدينا الآن مسار واضح نحو تحقيق قيم مماثلة أو أفضل من أحدث قيم GaN خلال السنوات القليلة القادمة.  
    صورة: تقنية الكريستال الجديدة  
على عكس العديد من أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، يمكن تصنيع رقائق أكسيد الغاليوم باستخدام نفس عملية تصنيع رقائق السيليكون تقريبًا. وهذا يعني أن الأجهزة الخالية من العيوب قد تصبح رخيصة نسبيًا.  
عندما قمنا بقياس المجال الكهربائي لمفاتيح الطاقة في عام 2015، توقعنا أيضًا أن يحقق أكسيد الغاليوم (Ga2O3) نجاحًا مماثلًا في دوائر الترددات الراديوية، وذلك من خلال السماح بمجالات كهربائية أعلى في أجهزة أصغر حجمًا. ولكن في ذلك الوقت، كانت بعض المعلومات الأساسية مفقودة، إذ لم تكن هناك بيانات منشورة حول سرعة الإلكترون في المادة كدالة للمجال الكهربائي.  
تُعدّ سرعة الإلكترون بالغة الأهمية في الترانزستورات المستخدمة لتضخيم إشارات الترددات الراديوية. في مجال الترددات الراديوية، يُعتبر كلٌّ من القدرة العالية والتردد العالي هدفًا رئيسيًا، ويُلخص معيار جونسون للجدارة (JFOM) هذه الأهداف. ينصّ معيار جونسون للجدارة على أن حاصل ضرب قدرة الترانزستور في ترددات الراديو يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب أقصى سرعة لحاملات الشحنة في مادة أشباه الموصلات في جهد الدائرة المفتوحة (Ec). والأمر الأساسي الذي يجب معرفته هنا هو أنه في ترانزستور الترددات الراديوية، لا يتحقق التضخيم إلا إذا تمكّنت حاملات الشحنة من التدفق من المصدر إلى المصب قبل أن تنعكس قطبية موجة الترددات الراديوية. (يُطلق على أعلى تردد يحدث عنده هذا اسم تردد كسب التيار للوحدة، أو f_T).
مرة أخرى، يدخل المجال الكهربائي الحرج العالي لـ Ga2O3 في الاعتبار لأنه يمكنك تقليل تلك المسافة الحرجة ولكن لا يزال بإمكانك توفير مجال كهربائي قوي لتسريع الإلكترونات إلى أقصى سرعة لها.  
في مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية (AFRL)، تمكّنا من عرض أول ترانزستور MOSFET بترددات الراديو مصنوع من أكسيد الغاليوم ذي أبعاد دون الميكرون في عام 2017. حققت هذه الأجهزة أرقامًا مبهرة، على الرغم من أنها لا تُصنّف ضمن أفضل أجهزة نيتريد الغاليوم. يبلغ تردد كسب التيار للوحدة الواحدة 3 جيجاهرتز، وتردد التذبذب الأقصى 13 جيجاهرتز، وكثافة طاقة الخرج 230 ميلي واط/مم² عند 800 ميجاهرتز. ومنذ ذلك الحين، تجاوزت كثافة طاقة خرج الترددات الراديوية النبضية في مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية 500 ميلي واط/مم² عند 1 جيجاهرتز، مع تردد تذبذب أقصى يقارب 20 جيجاهرتز.  
والأكثر تشجيعاً، أنه في نفس الوقت تقريباً، أظهرت الحسابات النظرية التي أجراها كريشناندو غوش وأوتام سينجيسيتي (جامعة بافالو) أن JFOMs لأكسيد الغاليوم أفضل بكثير من تلك الخاصة بنتريد الغاليوم.  
منذ أول عرض لقدرات الترددات الراديوية في عام 2017، حققت تقنية Ga2O3 للترددات الراديوية تقدمًا هائلاً، بدءًا من سريرام كريشنامورثي ثم فريق سيدهارث راجان في جامعة ولاية أوهايو، حيث برهنوا على تقنيات تطعيم جديدة ومحسّنة. هذه التقنيات مستوحاة من السيليكون، لذا فإن المقاومة الناتجة في طبقة المادة حيث يحدث التوصيل منخفضة جدًا، حوالي 300 أوم لكل مربع. (نعم، هذه هي الوحدة الصحيحة). وهذا يُقارن بما ستجده في أجهزة نتريد الغاليوم. بعد فترة وجيزة من تحقيق هذه النتيجة، برهن راجان وباحثون في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، بشكل مستقل، على أن Ga2O3 هو ترانزستور عالي الحركة الإلكترونية (HEMT).
يُصنع هذا النوع من الأجهزة عادةً من زرنيخيد الغاليوم أو نتريد الغاليوم، وتُعدّ الترددات الراديوية بالغة الأهمية لكلٍّ من الهواتف المحمولة وأجهزة استقبال البث التلفزيوني عبر الأقمار الصناعية. تُوصِّل هذه الأجهزة التيار الكهربائي عبر غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد يتشكّل عند السطح الفاصل الحاد بين مادتين شبه موصلتين بفجوات طاقة مختلفة. في هذه الحالة، هما أكسيد الألومنيوم والغاليوم وأكسيد الغاليوم، وهو ما يُشابه تمامًا تقنية HEMT التجارية المُستخدمة في الهواتف الذكية والمصنوعة من زرنيخيد الألومنيوم والغاليوم/زرنيخيد الغاليوم. تُمهّد هذه الإنجازات الرئيسية الطريق للتوسع الرأسي والأفقي لمعدات الترددات الراديوية.  
على الرغم من أن هذه التطورات مشجعة، فمن غير المرجح أن يُنافس أكسيد الغاليوم (Ga2O3) زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو نتريد الغاليوم (GaN) في جميع تطبيقات الترددات الراديوية. وباعتباره مفتاحًا جيدًا من حيث المبدأ، نتوقع أن يتمتع بمزايا في مضخمات التبديل، مثل الفئات D وE وF. ومن بين هذه الأجهزة، يتميز هذا الجهاز بمقاومة منخفضة جدًا في حالة التشغيل، ويمكنه تحقيق كفاءة عالية جدًا باستخدام خصائص تيار منخفض وجهد انهيار عالٍ. من ناحية أخرى، ستُفضل تطبيقات الأجهزة التي تتطلب مقاومة منخفضة وتيارًا عاليًا نتريد الغاليوم (GaN)، ويرجع ذلك أساسًا إلى ارتفاع حركة حاملات الشحنة وكثافتها فيه.  
         

SoGa2O3ما هي التحديات التي ستواجهها؟

أول ما يُذكر هو أن نقطة ضعف هذه المادة تكمن في ضعف توصيلها للحرارة، بل وضعفها الشديد. في الواقع، تُعد هذه المادة الأسوأ بين جميع أشباه الموصلات التي تم النظر فيها لتضخيم الترددات الراديوية أو تبديل الطاقة. تبلغ الموصلية الحرارية لأكسيد الغاليوم سدس موصلية الماس، وعُشر موصلية كربيد السيليكون (الركيزة المستخدمة في نيتريد الغاليوم عالي الأداء للترددات الراديوية)، وخُمس موصلية السيليكون. ومن المثير للاهتمام أنها تُضاهي موصلية زرنيخيد الغاليوم للترددات الراديوية. انخفاض الموصلية الحرارية يعني أن الحرارة المتولدة في الترانزستور ستبقى فيه على الأرجح، مما قد يُحدّ بشكل كبير من عمر الجهاز.  
والآن، لننظر إلى هذا: لإجراء مقارنة دقيقة بين الموصلية الحرارية لمادة ما وجهاز ما، يجب تعديلها وفقًا لقدرة المادة على تحمل الطاقة. بعبارة أخرى، يجب قسمة الطاقة (E) على السعة الحرارية (C) لمقارنة المشكلات الحرارية في الأجهزة الحقيقية بدقة. عند القيام بذلك، نجد أن كل أشباه الموصلات ذات فجوة طاقة أكبر من السيليكون تعاني من مشكلات في تبديد الحرارة عند بلوغها كامل طاقتها، حتى الماس. ورغم أن هذه الحقيقة لا تُفيد أكسيد الغاليوم (Ga2O3) كثيرًا، إلا أنها تُحفزنا على البحث عن طرق أفضل لتبديد الحرارة.  
على سبيل المثال، حسّن باحثون في مختبر NICT بطوكيو مقاومة الجهاز الحرارية بشكل كبير عن طريق ربط كربيد السيليكون متعدد التبلور من النوع p بالجانب الخلفي لرقاقة سيليكون من أكسيد الغاليوم (Ga2O3) بسماكة لا تتجاوز 10 ميكرومترات. وبالنظر إلى أن الحرارة تتولد في بعض تصميمات الأجهزة، وخاصةً في الطبقة السطحية من المادة (1 ميكرومتر)، فقد حصل باحثو مختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL) على نتائج مشجعة من خلال محاكاة تأثير تلامس الأقطاب الكهربائية واستخدام مواد عازلة لتحويل الحرارة إلى مشتت حراري. هذه هي التقنية المستخدمة حاليًا في ترانزستورات ثنائية القطب غير متجانسة الوصلة من زرنيخيد الغاليوم التجارية. لذا، ورغم التحديات الحرارية في أكسيد الغاليوم، يعمل مهندسون بارعون على إيجاد حلول لها.  
ثمة مشكلة أخرى أكثر جوهرية، وهي أننا لا نستطيع جعل أكسيد الغاليوم موصلاً إلا للإلكترونات لا للفجوات. لا يمكن لأحد أن يصنع موصلاً جيداً من النوع p من Ga2O3. وللأسف، فإن الخصائص الإلكترونية الأساسية للمادة لا تبشر بالخير. على وجه الخصوص، شكل توصيل الفجوات في نطاق التكافؤ من بنية نطاقات المادة غير صحيح. لذلك، حتى لو وُجد نوع من الشوائب التي تجعل المستقبل عند مستوى الطاقة الصحيح، فمن المتوقع أن تنحصر أي فجوات مُتولّدة قبل أن تُساهم في التوصيل. عندما تتوافق النظرية والبيانات إلى هذا الحد، يصعب إيجاد حل لهذا القصور.  
رغم أن هذه الثغرة الأمنية تخلق تحديات إضافية، إلا أن الأمور ليست سهلة تمامًا. فقد حققت العديد من الأجهزة التي تعمل حصريًا مع معظم شركات الاتصالات نجاحًا تجاريًا كبيرًا. على سبيل المثال، انظر إلى أكبر عدد ممكن من شواحن الحائط المزودة بمنفذ USB-C.  
بدأت مرحلة البحث في تقنية أجهزة Ga2O3 للتوّ في بلوغ مرحلة الانتشار الحرج، ونحن الآن بصدد التخطيط لتطبيقاتها في مجال الترانزستورات عالية السرعة، وترانزستورات الطاقة متعددة الكيلوفولت، وأجهزة الترددات الراديوية. كما تظهر بانتظام عروض توضيحية جديدة لمعدات من فئة الكيلوفولت. وتوشك ترانزستورات الترددات الراديوية ذات الأبعاد الحرجة التي تبلغ عشرات النانومترات على التوفر. ومع تقدمنا ​​في هذه التقنية، نعتقد أننا سنتمكن من تحقيق تصميمات أجهزة لم تكن ممكنة من قبل في أي مادة أخرى.  
 

بالتأكيد، سنواجه بعض المشاكل (خاصةً في المواد العازلة) أثناء العمل. لكن هذا هو تعريف التكنولوجيا الثورية. فنحن نستبدل ما نعرفه بالأداء المحتمل. حاليًا، بالنسبة لأكسيد الغاليوم (Ga2O3)، يفوق الأداء المحتمل المشاكل بشكل كبير.

تنويه: هذه المقالة مقتبسة من "مراقبة صناعة أشباه الموصلات"، وهي تدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم المؤلف. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن