بالحديث عن الألماس، أعتقد أن الكثيرين لا يعرفونه. لم يسبق لي العمل في هذا المجال، ومعرفتي بالألماس تقتصر على بنيته المثالية (ملاحظة: أنا متخصص في مواد السيراميك الفلورية)....ربما من الأفضل تغيير كلمة "الماس"، فهي متأصلة بعمق في قلوب الناس، براقة، مليئة بالإغراء.

لقد قضت خدعة "الألماس أبدي" التي تعود إلى قرن من الزمان على موهبة الألماس وأفسدت مهاراته. أنت تظنه ​​رجلاً ثرياً، لكنه في الحقيقة ملك.حجم استخدام الألماس في المجال الصناعي أكبر بكثير من حجم استخدامه في مجال المجوهرات.تتمتع مواد الماس بإمكانيات كبيرة، خاصة في المجالات عالية الدقة المستقبلية.

في حقبة ما بعد مور، حظي تطوير الإلكترونيات القائمة على الكربون باهتمام واسع النطاق. وفي مجال الإلكترونيات النانوية، أُحرز تقدم ملحوظ في أبحاث الإلكترونيات النانوية القائمة على الكربون، ولا سيما في أنابيب الكربون النانوية أحادية البعد والجرافين ثنائي البعد.في مجال إلكترونيات الطاقة، يُظهر البحث في إلكترونيات الطاقة الماسية، المعروفة بإنهاء أشباه الموصلات، حيوية كبيرة أيضًا، مما يدل على إمكاناتها لتصبح الجيل القادم من إلكترونيات الطاقة.

هناك سبب وجيه وراء اعتبار الماس أشباه الموصلات الأفضل في الصناعة. وينصبّ التركيز البحثي الرئيسي حاليًا على خصائص الماس نفسه.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد البروفيسور تشانغ جينفينغ من جامعة شيآن للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية)

يُعدّ الماس مادة شبه موصلة ذات فجوة طاقة فائقة الاتساع، حيث تبلغ فجوة الطاقة فيه 5.5 إلكترون فولت، وهي أكبر من فجوة الطاقة في مواد أشباه الموصلات ذات فجوة الطاقة الواسعة مثل نتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC). وكما هو موضح في الجدول أدناه، فإن فجوة الطاقة في الماس تبلغ خمسة أضعاف فجوة الطاقة في السيليكون، كما أن حركة حاملات الشحنة فيه تبلغ ثلاثة أضعاف حركة حاملات الشحنة في السيليكون. نظريًا، تزيد حركة حاملات الشحنة في الماس بأكثر من الضعف عن مثيلاتها في مواد أشباه الموصلات ذات فجوة الطاقة الواسعة الموجودة (GaN، SiC). في الوقت نفسه، يتميز الماس بتركيز منخفض للغاية لحاملات الشحنة الذاتية عند درجة حرارة الغرفة. علاوة على ذلك، وبالإضافة إلى صلابته العالية، يتمتع الماس أيضًا بأعلى موصلية حرارية بين مواد أشباه الموصلات، حيث تبلغ 7.5 أضعاف موصلية نتريد الألومنيوم (AlN). بناءً على هذه الخصائص الممتازة، يُعتبر الماس المادة الأكثر واعدة لتصنيع الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة والتردد ودرجة الحرارة، والتي تتميز بفقدان منخفض للطاقة، ويُطلق عليه في الصناعة لقب "شبه الموصل الأمثل".

على وجه الخصوص، يشهد عصر اتصالات الجيل الخامس تطوراً سريعاً، وقد برز استخدام مواد بلورات الماس الأحادية في أشباه الموصلات وأجهزة الطاقة عالية التردد بشكل متزايد. تُعدّ بلورات الماس الأحادية ومنتجاتها أساساً مادياً هاماً لتنفيذ استراتيجيات وطنية رئيسية، مثل المعالجة فائقة الدقة والشبكات الذكية، وتطوير قطاعات صناعية كالتصنيع الذكي واتصالات الجيل الخامس. ويُعدّ تحقيق هذا التقدم والتوسع الصناعي في هذه التقنية ذا أهمية بالغة لأمن استقلالية صناعات التصنيع الذكي والبيانات الضخمة في الصين.

تحقيقا لهذه الغاية، اتجاهات البحث التي تتطلب مواد الماسحجم كبير، عيوب قليلة، مقاومة منخفضة، وموصلية حرارية عاليةاتجاه التنمية.

تركز الأبحاث الحالية حول مواد وأجهزة أشباه الموصلات الماسية بشكل أساسي على الجوانب التالية:

تنقسم طرق تحضير الماس بشكل رئيسي إلى طريقة الضغط والحرارة العالية (HPHT) وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار بالبلازما (PCVD). بالمقارنة مع طريقة HPHT وطرق PCVD الأخرى،تتميز تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (MPCVD) بأنها عملية تفريغ كهربائي بدون أقطاب، وخالية من التلوث، وتتمتع بقدرة عالية على التحكم في نمو الطبقات المترسبة. ولها مزايا واضحة في تحضير الماس عالي النقاء وكبير الحجم، وفي أبحاث التطعيم. وهي الطريقة المُفضلة لتحضير الماس عالي الجودة والمتعدد الاستخدامات..

فيما يتعلق بتطوير التقنيات الرئيسية وتسويق معدات الترسيب الكيميائي للبخار المضغوط (MPCVD) المتقدمة، تحتل فرق من اليابان والولايات المتحدة وألمانيا وغيرها من الدول مكانة رائدة. ومن بينها، تحتل شركة سيكي اليابانية الصدارة عالميًا في تطوير وتطبيق معدات الترسيب الكيميائي للبخار المضغوط من نوع نافذة الكوارتز المسطحة ومعدات الترسيب الكيميائي للبخار المضغوط من نوع CAP، وتحافظ على ريادتها التكنولوجية. أما فيما يتعلق بتطوير وتطبيق معدات الترسيب الكيميائي للبخار المضغوط من نوع جرس الكوارتز، فقد طور فريق أسموسن في جامعة ولاية ميشيغان بالولايات المتحدة الأمريكية جهازًا عالي الضغط (>2.4×104يعمل (Pa) في تجويف رنين بلازما الميكروويف عالي الكثافة لتحقيق ترسيب عالي السرعة للماس.

فيما يتعلق بتطوير وتطبيق أجهزة الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالميكروويف (MPCVD) ذات الحلقة الكوارتزية، تُعدّ أجهزة MPCVD التي تنتجها شركتا Plassys الفرنسية وiPlas الألمانية من أبرزها. يتميز جهاز iPlas ببنية اقتران شق الميكروويف، وهو مناسب لتحضير الماسات كبيرة الحجم، إلا أن معدل الترسيب فيه ليس مثاليًا. أما في مجال البحث والتطوير لأجهزة MPCVD ذات التجويف الرنيني الإهليلجي، فقد حافظ معهد فراونهوفر الألماني وشركة Aixtron على ريادتهما العالمية. وبالمقارنة مع أجهزة MPCVD ذات نوع الجرس أو الحلقة الكوارتزية، فإن الجهاز ذو هذه البنية مناسب لمطابقة مصادر طاقة الميكروويف ذات مستويات طاقة أعلى، مما يُسهم في الحصول على مساحة بلازما أكبر.إن الحصول على بلازما الميكروويف الموحدة والمستقرة وذات المساحة الكبيرة هو الهدف النهائي لمطوري معدات MPCVD.

في السنوات الأخيرة، حققت فرق البحث المحلية المعنية بتطوير معدات الترسيب الكيميائي للبخار المُعزز بالبلازما (MPCVD) نتائج معينة في تطوير تجاويف رنانة جديدة بتقنية MPCVD. ومع ذلك، بالمقارنة مع الفرق الأجنبية المتقدمة، لم تتمكن سوى قلة من الشركات أو المؤسسات المحلية من تجاوز الصعوبات التقنية التي تحول دون تحقيق الإنتاج التجاري الضخم على نطاق واسع. لذلك،إنّ تحقيق إنجازات في التقنيات الرئيسية، مثل التصميم الأمثل المستقل لرنانات بلازما الميكروويف وتحسين عمليات تحضير الماس كبير الحجم، يتطلب بشكل عاجل استمرار الاستثمار والبحث من قبل فرق محلية مختصة. ولا يزال أمامنا طريق طويل لاستكشافه في المستقبل.

باعتبارها مادة شبه موصلة، فإن متطلبات التحضير واتجاهات التطبيق للمواد أحادية البلورة من الماس والمواد متعددة البلورات تختلف تمامًا.

طريقة تحضير طبقة الماس متعددة البلورات بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار، بما في ذلكتقنيات الترسيب الكيميائي للبخار باستخدام نفث البلازما القوسي عالي الطاقة بالتيار المستمر، والترسيب الكيميائي للبخار باستخدام الأسلاك الساخنة، والترسيب الكيميائي للبخار متعدد الفوتونات، وما إلى ذلك.يتطلب تحضير أغشية الماس متعدد البلورات ذات الجودة البصرية والإلكترونية معدل ترسيب مثالي وكثافة عيوب منخفضة للغاية أو قابلة للتحكم. سيصبح الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (MPCVD) دون تفريغ تلوث الأقطاب الكهربائية حتمًا طريقة مثالية لتحضير هذه الأغشية. مع ذلك، فإن معدل نمو الماس متعدد البلورات بطيء، كما أن اتساق اتجاه بلوراته أمر بالغ الأهمية للمعالجة، مما يجعل عملية تصنيعه صعبة.

حققت شركة Element Six حاليًا إنتاجًا تجاريًا واسع النطاق للماس متعدد البلورات ذي الجودة الإلكترونية بقياس 4 بوصات. وقد حقق فريق لي تشنغ مينغ من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا، وفريق وانغ جيان هوا من جامعة ووهان للتكنولوجيا، وفريق يو شنغ وانغ من جامعة تاييوان للتكنولوجيا، نتائج ملموسة في أبحاث تحضير أغشية الماس متعدد البلورات البصرية بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار المُعزز بالبلازما (MPCVD). ورغم وجود فجوة بين أغشية الماس متعدد البلورات البصرية والإلكترونية المحلية والمستوى العالمي المتقدم، إلا أن أغشية الماس متعدد البلورات البصرية التي طورتها الفرق المحلية وغيرها تلبي احتياجات نوافذ التوجيه ثنائية الوضع بالأشعة تحت الحمراء/الرادار، وأنظمة ثاني أكسيد الكربون عالية الطاقة.2متطلبات التطبيق الأساسية لنوافذ آلات المعالجة بالليزر ونوافذ الميكروويف عالية الطاقة.

بالمقارنة مع ظروف التحضير والتطبيق القاسية لأغشية الماس متعددة البلورات المستخدمة في التطبيقات البصرية والإلكترونية، تُستخدم أغشية الماس متعددة البلورات على نطاق أوسع كمشتتات حرارية لتبديد حرارة أجهزة الطاقة شبه الموصلة، والطلب عليها أكبر وأكثر إلحاحًا. كما أن المستوى التقني الحالي لترسيبها سهل نسبيًا.

بالإضافة إلى ذلك، فإن ميزة انخفاض تكلفة تصنيع الماس متعدد البلورات أكثر وضوحًا من ميزة انخفاض تكلفة تصنيع الماس أحادي البلورة. على مدى الثلاثين عامًا الماضية، لم تتوقف الأبحاث حول استخدام أغشية الماس متعدد البلورات المُصنّعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار المُعزز بالمعالجة (MPCVD) كمشتتات حرارية في أجهزة أشباه الموصلات. حاليًا، تُستخدم أغشية الماس متعدد البلورات المصنوعة من السيليكون بحجم بوصة واحدة في أجهزة HEMTs، وقد تحسنت كثافة طاقة الترددات الراديوية لهذه الأجهزة بشكل ملحوظ، لتصل إلى أكثر من 23 واط/مم. حاليًا، يمكن أن يصل حجم غشاء الماس متعدد البلورات المُصنّع خصيصًا كمشتت حراري إلى 8 بوصات. مع تحسين وتطوير تقنية MPCVD، من المتوقع أن تتوافق هذه التقنية مع خطوط إنتاج رقائق أشباه الموصلات الحالية بحجم 8 بوصات، مما يُحقق في نهاية المطاف تطبيقًا واسع النطاق لمواد الماس متعدد البلورات كمشتتات حرارية في صناعة أشباه الموصلات.

بالمقارنة مع الماس متعدد البلورات، يتمتع الماس أحادي البلورة (SCD) الخالي من قيود حدود الحبيبات بخصائص بصرية وكهربائية أفضل. وله تطبيقات متميزة في مجالات علمية وتقنية متطورة، مثل كواشف الإشعاع في الاتصالات/الحوسبة الكمومية، وشاشات الانبعاث الميداني ذات المهبط البارد، وليزر أشباه الموصلات، والدوائر المتكاملة متعددة الأبعاد في رقائق المعالجات المركزية للحواسيب العملاقة، وقضبان الدعم الحراري الموصلة لأنابيب الموجات المتنقلة في الرادار العسكري عالي الطاقة. ويُعدّ تحضير كميات كبيرة من الماس أحادي البلورة عالي الجودة شرطًا أساسيًا.

يجب أن يتجاوز حجم رقاقة الماس بوصتين. أما التقنيات الرئيسية المستخدمة حاليًا في تحضير الماس والرقائق كبيرة الحجم فهيالنمو المتجانس، تحضير رقاقة الفسيفساء والنمو غير المتجانسوغيرها من التقنيات.

طريقة وصل الصور الفسيفسائيةتُعدّ تقنية وصل وتنمية ركائز متعددة متجانسة، بالاقتران مع تقنية الرفع، طريقةً فعّالة للغاية لتحضير رقائق أحادية البلورة كبيرة الحجم. وقد تمّ بالفعل إنتاج رقائق أحادية البلورة يصل قطرها إلى بوصتين. مع ذلك، فإنّ متطلبات التجانس العالية للركيزة ووجود حدود الحبيبات يؤديان إلى مشاكل مثل الإجهاد والعيوب في وصلة الوصل، مما يؤثر على جودة رقائق أحادية البلورة الموصولة. إضافةً إلى ذلك، فإنّ التكلفة مرتفعة، وتتطلب تقنية التقشير حقنًا، والإنتاجية منخفضة جدًا.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد البروفيسور تشانغ جينفينغ من جامعة شيآن للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية)

تصنيع عالي الجودةمتماثل الظهارةتُعدّ طبقة الماس إحدى التقنيات المهمة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية الماسية. تتميز هذه الطبقة بانخفاض كثافة العيوب فيها، ويصل أقصى حجم لها إلى 2.54 سم (0.5 بوصة). في عملية التحضير المتجانس للماس أحادي البلورة، تُشكّل كيفية فصل الماس أحادي البلورة عن الركيزة حلقةً بالغة الأهمية، وهي في الوقت نفسه عملية صعبة نسبيًا. نظرًا لأن الركيزة مصنوعة أيضًا من الماس أحادي البلورة شديد الصلابة، فلا يمكن قطعها بالطرق التقليدية. تشمل الطرق الشائعة الاستخدام التلميع الميكانيكي والقطع بالليزر.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد البروفيسور تشانغ جينفينغ من جامعة شيآن للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية)

إلى جانب النمو المتجانس، يُعدّ النمو غير المتجانس طريقة فعّالة لإنتاج بلورات الماس أحادية السطح ذات مساحة كبيرة. ويشير النمو غير المتجانس إلى استخدام طبقات عازلة على السيليكون والياقوت وأكسيد المغنيسيوم وغيرها من الركائز للتخفيف من التباين الحراري والشبكي بين الماس والركيزة، وبالتالي تحقيق نمو أغشية الماس أحادية السطح. وتُعدّ طبقة الإيريديوم من أكثر الطبقات العازلة فعالية. نظريًا، تُمكّن هذه الطريقة من إنتاج بلورات الماس أحادية السطح بمساحة كافية لتلبية احتياجات التصنيع في مجال الأجهزة الإلكترونية. أما عيبها الرئيسي فهو ارتفاع كثافة العيوب.

بعد تحقيق اختراقات في التقنيات الرئيسية مثل النمو عالي السرعة بإضافة النيتروجين، والنمو عالي الكفاءة بتفريغ النبض، وإزالة زرع الأيونات في تقنية نمو الترسيب الكيميائي للبخار بالبلازما الميكروية (MPCVD)، تم تحقيق النمو الطبقي ثلاثي الأبعاد متعدد الاتجاهات والمتكرر عالي السرعة بتقنية MPCVD (معدل النمو 100 ميكرومتر/ساعة) في السنوات العشر الماضية.-1) تقنيات مبتكرة مثل نمو حواف الماس كبيرة الحجم والسميكة ومتعددة البلورات واستخدام الترسيب الكيميائي للبخار بالبلازما في أنظمة (H، C، N، O) لمدة 200 ساعة بدون حدود ونمو مستمر.

بالنسبة لأجهزة أشباه الموصلات الماسية، فإن تطعيم المواد الماسية هو التقنية الأساسية لتشكيل أجهزة الطاقة.تكمن أكبر مشكلة في تسويق أشباه الموصلات الماسية في عدم التوصل إلى حل فعال لتطعيم الماس بكميات كبيرة. فمن السهل تصنيع الترانزستورات من النوع P، ولكن من الصعب تصنيع الترانزستورات من النوع N..تُعدّ تقنية تطعيم الماس من النوع p ناضجة نسبيًا، وذرات البورون هي المادة المُطعِّمة الرئيسية. في الماس من النوع p، يمكن دمج شوائب البورون بسهولة في الماس الطبيعي والماس المُصنّع بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار المُحسَّن بالبلازما (MPCVD)، ولا توجد مشكلة في توجيه البلورات، ولكن كفاءة تنشيط البورون عند درجة حرارة الغرفة أقل من 0.1%. توجد علاقة عكسية بين تركيز التطعيم وحركية البورون في الماس. غالبًا ما يؤدي التركيز المفرط للتطعيم إلى انخفاض سريع في الحركية. عندما يكون تركيز تطعيم البورون 1019 cm-3، سيتم تقليص نطاق الحركة إلى 100 سم2·الخامس -1· الصورة-1ما يلي.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد البروفيسور تشانغ جينفينغ من جامعة شيآن للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية)

تم اختيار ذرة النيتروجين (N) بناءً على موقع ذرة الكربون في الماس (نصف قطرها التساهمي 0.077 نانومتر) في الجدول الدوري للعناصر، وهي الأقرب إليها (0.075 نانومتر)، مما يجعلها مرشحًا مناسبًا لتطعيم الماس من النوع السالب (n). مع ذلك، بعد التطعيم، تتعرض ذرات النيتروجين التي تحل محل ذرات الكربون في الماس للتشوه نتيجة لتأثير يان-تيلر، مما يؤدي إلى انحراف الشبكة البلورية المحلية وانحراف ذرات النيتروجين عن مواقعها الأصلية. كما أن مستوى طاقة التطعيم منخفض جدًا (1.7 إلكترون فولت)، مما يجعل توصيل الكهرباء صعبًا في درجة حرارة الغرفة.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد البروفيسور تشانغ جينفينغ من جامعة شيآن للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية)

مع التطور المستمر لتكنولوجيا أشباه الموصلات الماسية، سيتم بالتأكيد تجاوز العقبات، مثل تقنية التطعيم من النوع السالب، وإعداد البلورات الأحادية كبيرة الحجم وعالية الجودة، وتقنية الترسيب الطبقي للمواد عالية التسطيح والتجانس، في المستقبل لتحقيق أجهزة إلكترونية ماسية ذات أداء طاقة أعلى. لكن هذا لا ينفصل عن الجهود الدؤوبة للباحثين العلميين!

الصمام الثنائيخلال السنوات العشر الماضية، ساهم التقدم الذي أحرزته مواد الماس المُصنّعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) من حيث الحجم الكبير، وانخفاض العيوب، والتطعيم العالي، بشكل مباشر في تطوير ثنائيات الماس نحو تحقيق جهد انهيار عالٍ، وقوة مجال انهيار عالية، ومقاومة منخفضة في حالة التشغيل، ومعدل تبديل عالٍ، وقدرة على العمل في درجات حرارة عالية. ويجري حاليًا تطوير كلا النوعين من ثنائيات شوتكي (SBD) وثنائيات الوصلة pn، إلا أن ثنائيات شوتكي الماسية (SBD) تشهد تطورًا أسرع، وهي بالفعل في مرحلة التجارب التطبيقية الأولية.

السبب الرئيسي لانخفاض جهد الانهيار في ثنائيات وترانزستورات الماس (أقل من 500 فولت) هو صعوبة التحكم في مواد التطعيم في الماسيُعدّ الماس المادة ذات الكثافة الذرية الأعلى على وجه الأرض. وباستثناء بعض الذرات الصغيرة مثل الهيدروجين والفوسفور والنيتروجين والسيليكون، يصعب إضافة ذرات كبيرة أخرى إلى بلورته.

ثنائي دبوس الماسهو جهاز متطور مناسب للتطبيقات عالية الطاقة، باستثناء أن مجاله الكهربائي الحرج يبلغ 3 ميجا فولت/سم.-1(الحد النظري لكربيد السيليكون)، يمكن أيضًا تقليل المقاومة التسلسلية لثنائيات PIN الماسية بشكل ملحوظ باستخدام طبقة مطعمة بكثافة عالية. خلال السنوات العشر الماضية، حققت تقنية ثنائيات PIN الماسية تقدمًا كبيرًا، مثل الإنجازات في تحضير طبقات p+ و n+ مطعمة بكثافة عالية مع آليات توصيل انتقالية؛ وآليات نقل الشحنات في ثنائيات وصلة p+-i-n+ الماسية ذات موصلية انتقالية منخفضة المقاومة؛ وتصميم تحسين بنية المواد لثنائيات شوتكي pn الماسية (SPND)؛ والنمو الانتقائي لـ n+؛ وبحث آلية تأثير عيوب الواجهة بين الطبقات وثنائيات وصلة pn على التسرب العكسي؛ وبحث الاستعادة العكسية وعمر حاملات الشحنة الأقلية في ثنائيات PIN الماسية؛ وبحث آلية ارتفاع حاجز شوتكي غير المتساوي في ثنائيات شوتكي PIN الماسية (SPIND) وغيرها من التقنيات الرئيسية.

ترانزستورات الطاقة والدوائر المنطقية

حققت ترانزستورات الماس تقدماً ملحوظاً في مجالي إلكترونيات القدرة وإلكترونيات الموجات الدقيقة. في مجال إلكترونيات القدرة، يتجه التطوير نحو أجهزة ذات جهد انهيار عالٍ، وقوة مجال انهيار عالية، وقدرة تشغيل عالية في درجات حرارة مرتفعة، ومقاومة منخفضة في حالة التشغيل، ومعدل تبديل عالٍ، وحالة إيقاف تشغيل طبيعية.تتكون ترانزستورات الماس بشكل أساسي من أنواع مختلفة من ترانزستورات التأثير الحقلي (FETs)، بما في ذلكترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية (MESFETs)، وترانزستورات MOSFETs، وترانزستورات JFETsإلخ. يوجد نوعان من القنوات: قنوات غاز الثقوب ثنائية الأبعاد ذات طرف هيدروجيني على سطح الماس، وقنوات ذات طبقة مطعمة من النوع p. مع تطور مواد التطعيم من النوع n، بدأت تظهر أجهزة الماس ثنائية القطب، ومؤخرًا تم تطوير ترانزستورات ثنائية القطب ذات وصلة غير متجانسة. في مجال إلكترونيات الموجات الميكروية، تُعد ترانزستورات FET ذات الطرف الهيدروجيني هي السائدة، وهي تتطور نحو قيم fT/fmax عالية وكثافة طاقة عالية.

يستخدم ترانزستور MESFET الماسي حاجز شوتكي لتعديل القناة والتحكم بها. تشمل التطورات التكنولوجية في السنوات الأخيرة: الجمع بين تباعد واسع بين البوابة والمصرف وقناة p ذات تطعيم خفيف، والبحث في تأثير تقليل المسافة بين البوابة والمصدر، واجتياز تجارب التشعيع النيوتروني بطاقة 14.8 ميجا إلكترون فولت، وتركيز أعلى لتطعيم البورون وتقنية طبقة القناة السطحية المترسبة بشكل جيد، والتلدين بدرجة حرارة عالية لترانزستور MESFET الماسي المطعم بالبورون.

موسفت الماسيُعدّ هذا الترانزستور الماسي الأكثر دراسةً، إذ يستخدم بنية تحكم بوابة MOS لكبح تيار التسريب عبر البوابة. في السنوات الأخيرة، هيمنت أجهزة القنوات المُنهاة بالهيدروجين على ترانزستورات MOSFFT الماسية، وحققت هذه الترانزستورات إنجازاتٍ بارزة في سلسلة من التقنيات الأساسية، مثل بنية طبقة أكسيد البوابة Al2O3 عالية الاستقرار.

بالنسبة لتطبيقات أجهزة الطاقة التي تعمل بفولتيات عالية ودرجات حرارة عالية، فإن جهاز JFET ذو قناة الجسم الماسي، والذي يتميز بثبات أكبر من أجهزة القناة السطحية، هو الأكثر فائدة.

ترانزستور ثنائي القطبية ماسييُعدّ هذا الجهاز أحد أجهزة تبديل الطاقة الرئيسية. بالمقارنة مع ترانزستورات FET الماسية ذات النهايات الهيدروجينية، فإنّ ترانزستورات BJT الماسية لا تحتوي على طبقة عازلة للبوابة، وتتميز بموصلية سطحية منتهية بالهيدروجين، وتأثيرات تعديل الموصلية التي تُتيح حقن حاملات الشحنة الأقلية، مما يُؤدي إلى مقاومة تشغيل أقل. يُعدّ عامل تضخيم تيار الباعث المشترك أحد المعايير الرئيسية لترانزستورات BJT عالية الطاقة، والذي يُتيح تضخيم التيار مقارنةً بترانزستورات FET الماسية، مما يُقلل من متطلبات الطاقة لدائرة القيادة.

دائرة منطقية ماسيةيُعدّ تطوير الدوائر المنطقية الماسية الخطوة الأولى في تطوير الدوائر المتكاملة الماسية. ومع تطوير ترانزستورات MISFET الماسية المحسّنة، تسارع البحث والتطوير في مجال الدوائر المنطقية الماسية.

ترانزستور تأثير المجال بترددات الراديويتمتع الماس بخصائص أشباه الموصلات، مثل الموصلية الحرارية العالية، وقوة مجال الانهيار العالية، وسرعة تشبع حاملات الشحنة العالية. ولهذا السبب، تُعد الأجهزة المصنوعة من الماس عالية التردد والطاقة من أبرز مجالات البحث في إلكترونيات الماس.

ترانزستور عالي الحركة للإلكترونات (HEMT) من نيتريد الغاليوم على الماس:تتميز الروابط التساهمية بين ذرات الماس بقوة فائقة، مما يمنح بنيته الصلبة تردد اهتزاز عالٍ. تصل درجة حرارة ديباي المميزة إلى 2200 كلفن. ونظرًا لانخفاض تشتت الفونونات، فإن مقاومة توصيل الحرارة باستخدام الفونونات كوسيط تكون ضئيلة للغاية. تبلغ موصليته الحرارية خمسة أضعاف موصلية النحاس، أي ما يصل إلى 2000 واط/(متر·كلفن). بعد ما يقرب من عقدين من التطوير، أصبحت إلكترونيات الميكروويف المصنوعة من أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة من نيتريد الغاليوم (GaN) هي السائدة حاليًا، إلا أن مشاكل إدارة الحرارة فيها تُشكل العائق الرئيسي أمام تطويرها المستمر. لذا، أصبح الجمع بين مزايا الموصلية الحرارية للماس ذي فجوة النطاق الواسعة للغاية وتقنية نيتريد الغاليوم أمرًا لا غنى عنه لتطوير الجيل القادم من إلكترونيات الميكروويف المصنوعة من نيتريد الغاليوم. كما يُوفر هذا الجمع أساسًا للتطوير المستمر لهذه الإلكترونيات.2O3توفير مرجع لإدارة الحرارة للأجهزة الإلكترونية، وما إلى ذلك. يمكن استخدام مواد الماس كمواد لإدارة الحرارة لأجهزة إلكترونيات الطاقة، وهي تتطور في اتجاه الحجم الكبير، ومقاومة حرارية منخفضة للواجهة، وموصلية حرارية عالية.

. . .

مع الانتشار الواسع لأشباه الموصلات من الجيل الثالث وظهور تقنية الجيل الخامس، تواجه مواد إدارة الحرارة التقليدية المستخدمة في تغليف الإلكترونيات، وحتى مواد الرقائق الإلكترونية، تحديات كبيرة في التطوير. وسيلعب الكربون المتقدم ومواده المركبة، التي برزت بسرعة في السنوات الأخيرة، دورًا هامًا في مجال تبديد الحرارة للأجهزة الكهروضوئية عالية الطاقة وعالية التردد، لتصبح مواد مثالية لإدارة الحرارة في صناعة الإلكترونيات! (بما في ذلك مواد المشتتات الحرارية، ومواد التغليف، والمواد الأساسية، وغيرها).

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر كاربونتك 2020 من إعداد البروفيسور وانغ تشنغيونغ من جامعة قوانغدونغ للتكنولوجيا)

ركيزة تبديد الحرارة الماسية في أجهزة الطاقة القائمة على نيتريد الغاليوم:يُحدّ من الأداء الكامل لأجهزة الطاقة القائمة على نتريد الغاليوم (GaN) انخفاض الموصلية الحرارية للركيزة التي يُرسب عليها نتريد الغاليوم. وقد أصبح الماس المُرسب بالترسيب الكيميائي للبخار (CVD) ذو الموصلية الحرارية العالية خيارًا ممتازًا لمواد ركائز الانتشار الحراري لأجهزة الطاقة المصنوعة من نتريد الغاليوم. وقد أجرى الباحثون المختصون عددًا من الدراسات التقنية حول دمج الماس ذي الموصلية الحرارية العالية مع أجهزة نتريد الغاليوم، وتشمل هذه الدراسات بشكل أساسي تقنية الربط في درجات الحرارة المنخفضة، وتقنية نقل الركيزة لنمو الماس مباشرةً على ظهر طبقة نتريد الغاليوم المترسبة، وتقنية ترسيب نتريد الغاليوم المترسبة باستخدام الماس أحادي البلورة، وتقنية تبديد الحرارة باستخدام طبقة التخميل الماسية ذات الموصلية الحرارية العالية.

تتميز عملية النمو المباشر للماس على ظهر طبقة GaN المترسبة بقوة ربط جيدة، إلا أنها تنطوي على صعوبات تقنية كارتفاع درجة الحرارة، والإجهاد العالي على الرقاقة، والمقاومة الحرارية العالية للسطح البيني. وتُعاني تقنية GaN المترسبة على الماس أحادي البلورة وتقنية تبديد الحرارة باستخدام طبقة التخميل الماسية ذات الموصلية الحرارية العالية من محدودية حجم الماس أحادي البلورة، وارتفاع تكلفته، وعدم توافق عمليات تصنيعه. لذا، سيركز التطوير المستقبلي لتقنية ربط الماس بأجهزة GaN على تطوير ركائز ماسية كبيرة الحجم ومنخفضة التكلفة، وتحسين تقنية التحكم في إجهاد الرقاقة وقوة الربط بين الأسطح، وتقليل المقاومة الحرارية للسطح البيني، وتحسين أداء أجهزة GaN ذات الركائز الماسية.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد البروفيسور تشانغ جينفينغ من جامعة شيآن للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية)

ليزر أشباه الموصلات المعبأ بالماس

عند تشغيل ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة، تولد المنطقة الفعالة كمية كبيرة من الحرارة، مما يقلل من قدرة الليزر الخارجة ويقصر عمره الافتراضي. يتميز الماس بموصلية حرارية عالية، واستخدامه كمشتت حراري انتقالي يحسن من قدرة الجهاز على تبديد الحرارة، ويقلل المقاومة الحرارية، ويزيد من قدرة الليزر الخارجة، ويطيل عمره.

أبحاث ليزر رامان الماسي:يُعدّ تشتت رامان المحفز ظاهرة بصرية غير خطية هامة. فهو يُتيح تحقيق إزاحة تردد ثابتة لجميع الفوتونات الساقطة دون الحاجة إلى مطابقة الطور. ويُمثّل هذا التشتت تقنيةً بالغة الأهمية لتوسيع نطاق استخدام الليزر. وقد أصبح البحث في هذا المجال محورًا رئيسيًا في تطوير تكنولوجيا الليزر.

باعتباره مادة رامان بلورية ذات أداء ممتاز، فإن الماس لديه أكبر إزاحة تردد رامان تبلغ 1332.3 سم بين المواد البلورية المعروفة.-1يبلغ عرض خط كسب رامان حوالي 1.5 سم عند درجة حرارة الغرفة-1يتميز كسب رامان للماس بانتقائية الاستقطاب. فعندما يكون اتجاه استقطاب ضوء الضخ موازيًا للاتجاه <111> لبلورة الماس، يكون كسب رامان في أعلى مستوياته (10 سم/جيجاواط عند 1 ميكرومتر)، وينتج ضوء رامان مستقطب خطيًا. يتمتع الماس بموصلية حرارية فائقة، وقدرته الفائقة على تبديد الحرارة هي العامل الأساسي للحفاظ على كسب رامان عالٍ في بلورات الماس والحصول على خرج ليزر عالي الجودة عند التشغيل بقدرة عالية.

مقارنة بين بلورات رامان الليزرية الشائعة والماس

في السنوات الأخيرة، ومع تطور تقنية تحضير الماس الصناعي بالترسيب الكيميائي للبخار، شهدت الجودة البصرية تحسناً ملحوظاً. كما أظهرت بلورات الماس ذات الجودة البصرية قدرة فائقة على تحسين الطاقة، وتعزيز التماسك، وتحويل التردد، وذلك بفضل خصائصها الممتازة في رامان وبريلوين. وقد ساهم هذا في تمكين ليزرات الماس من التغلب بشكل كبير على التأثيرات الحرارية لليزر انعكاس عدد الجسيمات القائم على المواد التقليدية، فضلاً عن التغلب على صعوبة تحقيق التوازن بين الطول الموجي وقدرة الخرج.

ركيزة تبديد الحرارة ثلاثية الأبعاد لتغليف الماس أحادي البلورة:

مع ترسيخ قانون مور كإجماع صناعي، يبدو أن مقترح "مور المتطور" قد أضفى مزيدًا من الإشراق على تطور صناعة تصنيع الرقائق. يشير مصطلح "مور المتطور" عمومًا إلى التقليص المستمر لأحجام مكونات الرقائق، ويشمل ذلك جانبين: أولهما، مواصلة تقليص حجم المكونات أفقيًا ورأسيًا لتحسين الكثافة والأداء والموثوقية؛ وثانيهما، استخدام تقنيات تصنيع متطورة، مثل الهياكل ثلاثية الأبعاد، واستخدام مواد جديدة لتحسين الأداء الكهربائي للرقاقة.

(صورة من عرض تقديمي لتقرير مؤتمر Carbontech 2020 من إعداد باحث من جيانغنان في معهد نينغبو للمواد)

تُستخدم مواد التغليف الإلكتروني لحمل المكونات الإلكترونية ووصلاتها. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في الدعم الميكانيكي، والحماية من التسرب، وتبديد الحرارة، والعزل. ولها تأثير بالغ الأهمية على أداء وموثوقية الدوائر المتكاملة. ومع تطور التكنولوجيا الإلكترونية، تتجه الدوائر المتكاملة نحو أحجام فائقة، وسرعات فائقة، وكثافة عالية، وقدرة عالية، ودقة عالية، ووظائف متعددة، مما يفرض متطلبات متزايدة على مواد التغليف. ويُعدّ البحث والتطوير في مجال مواد التغليف عالية الأداء متعددة الأنظمة، مثل الماس/النحاس، والماس/الألومنيوم، والماس/كربيد السيليكون، والجرافيت/النحاس، وغيرها، ذا أهمية بالغة في تعزيز تطوير مواد التغليف الإلكتروني نحو التصغير، والأداء العالي، والموثوقية العالية، والتكلفة المنخفضة.

.....

مواد الماس وتقنية المعالجة بالليزر:يتميز الماس، مقارنةً بالمواد الأخرى، بمقاومة كهربائية عالية، وقوة مجال انهيار عالية، وثابت عزل كهربائي منخفض، وتمدد حراري منخفض. ويمكن لتطبيقاته في إدارة الحرارة أن يلبي متطلبات تطوير التجميع عالي الكثافة والتكامل في صناعة الإلكترونيات سريعة التطور. كما تُتيح المعالجة بالليزر إمكانية معالجة عالية الجودة للبنية المجهرية للماس، وهي تقنية تصنيع متقدمة تخضع حاليًا للبحث والتطوير محليًا وعالميًا.

تقنية طحن وتلميع الركائز الماسية

تشمل أجهزة أشباه الموصلات بشكل رئيسي الدوائر المتكاملة، وأجهزة الطاقة، والأجهزة الكهروضوئية، وأجهزة الاستشعار، وغيرها. تُستخدم أجهزة الطاقة على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء، والجيش والدفاع الوطني، والطاقة الكهربائية، والنقل بالسكك الحديدية، وإنترنت الأشياء. تُعد رقاقة أشباه الموصلات حاملة جهاز أشباه الموصلات، بينما تُعد ركيزة أشباه الموصلات حاملة رقاقة أشباه الموصلات. تُشكل الركيزة القاعدة الطبقية لأجهزة أشباه الموصلات، والتي تُحدد بشكل مباشر جودة الجهاز وأدائه.

تصنيع الآلات فائقة الدقة

تُعدّ المواد الماسية صغيرة الحجم هي الأهداف الرئيسية لعمليات التصنيع فائقة الدقة، وهي باهظة الثمن بالنسبة للتصنيع الصناعي، ولا تُناسب التطبيقات الصناعية. ولتطبيق الماس بنجاح في تبديد حرارة أجهزة الطاقة وتحقيق التصنيع الصناعي، يُعدّ الحصول على مواد أساسية لتبديد الحرارة على مستوى الرقاقة ذات جودة سطح عالية أمرًا بالغ الأهمية. علاوة على ذلك، مع ازدياد مستوى تكامل الدوائر على ركائز الماس، ستزداد متطلبات جودة السطح تدريجيًا. ستصل خشونة السطح إلى مستوى الأنجستروم أو حتى أصغر، وسيصل انحناء السطح إلى 5 ميكرومتر أو أقل.

تنويه: هذه المقالة مقتبسة من مجلة "DT Semiconductor Materials"، التي تدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم المؤلف. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.