ياقوتة صغيرة، تدعم "المستقبل الكبير" لأشباه الموصلات

في حياتنا اليومية، أصبحت الأجهزة الإلكترونية، كالهواتف الذكية والساعات الذكية، رفيقًا لا غنى عنه. تزداد هذه الأجهزة نحافةً وقوةً يومًا بعد يوم. هل تساءلتَ يومًا ما الذي يُمكّنها من التطور المستمر؟ يكمن الجواب في مواد أشباه الموصلات، واليوم، نُركز على أحد أبرزها: كريستال الياقوت.

يتكون بلورة الياقوت، المكونة أساسًا من α-Al₂O₃، من ثلاث ذرات أكسجين وذرتين من الألومنيوم مترابطتين تساهميًا، مكونةً بنية شبكية سداسية. ورغم أنها تشبه الياقوت المستخدم في صناعة الأحجار الكريمة، إلا أن بلورات الياقوت الصناعية تتميز بأداء فائق. فهي خاملة كيميائيًا، وغير قابلة للذوبان في الماء، ومقاومة للأحماض والقلويات، وتعمل كدرع كيميائي يحافظ على ثباتها في البيئات القاسية. كما تتميز بشفافية بصرية ممتازة، مما يسمح بنقل الضوء بكفاءة؛ وموصلية حرارية قوية تمنع ارتفاع درجة الحرارة؛ وعزل كهربائي ممتاز، مما يضمن انتقالًا مستقرًا للإشارة دون تسرب. ميكانيكيًا، يتميز الياقوت بصلابة موس 9، وهي الثانية بعد الماس، مما يجعله مقاومًا للغاية للتآكل والتآكل، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الصعبة.

السلاح السري في تصنيع الرقائق

(1) مادة أساسية للرقائق منخفضة الطاقة

مع توجه الإلكترونيات نحو التصغير والأداء العالي، أصبحت الرقائق منخفضة الطاقة ضرورية. تعاني الرقائق التقليدية من تدهور العزل عند سماكات النانو، مما يؤدي إلى تسرب التيار، وزيادة استهلاك الطاقة، وارتفاع درجة الحرارة، مما يؤثر سلبًا على استقرارها وعمرها الافتراضي.

طوّر باحثون في معهد شنغهاي لتكنولوجيا النظم الدقيقة والمعلومات (SIMIT)، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، رقائق عازلة من الياقوت الاصطناعي باستخدام تقنية الأكسدة المعدنية المتداخلة، لتحويل الألومنيوم أحادي البلورة إلى أكسيد الألومنيوم أحادي البلورة (الياقوت). بسمك نانومتر واحد، تتميز هذه المادة بتيار تسرب منخفض للغاية، متفوقةً على العوازل غير المتبلورة التقليدية بدرجتين من حيث تقليل كثافة الحالة، ومُحسّنةً جودة الواجهة مع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. يُمكّن دمج هذه المادة مع المواد ثنائية الأبعاد من إنتاج رقائق منخفضة الطاقة، مما يُطيل عمر بطاريات الهواتف الذكية بشكل كبير، ويُعزز الاستقرار في تطبيقات الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء.

(2) الشريك المثالي لنتريد الجاليوم (GaN)

في مجال أشباه الموصلات، برز نتريد الغاليوم (GaN) كنجم لامع بفضل مزاياه الفريدة. وبصفته مادة شبه موصلة واسعة النطاق، تبلغ فجوة نطاقها 3.4 إلكترون فولت، أي أكبر بكثير من فجوة نطاق السيليكون البالغة 1.1 إلكترون فولت، يتميز نتريد الغاليوم بتفوقه في تطبيقات درجات الحرارة العالية والجهد العالي والتردد العالي. كما أن حركيته العالية للإلكترونات وقوة مجاله الحرج تجعله مادة مثالية للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ودرجات الحرارة العالية والتردد العالي والسطوع. وفي مجال إلكترونيات الطاقة، تعمل الأجهزة القائمة على نتريد الغاليوم بترددات أعلى مع استهلاك أقل للطاقة، مما يوفر أداءً فائقًا في تحويل الطاقة وإدارتها. وفي مجال اتصالات الموجات الدقيقة، يُمكّن نتريد الغاليوم مكونات عالية الطاقة والتردد العالي، مثل مضخمات طاقة الجيل الخامس، مما يُحسّن جودة واستقرار نقل الإشارة.

يُعتبر كريستال الياقوت "الشريك الأمثل" لنيتريد الغاليوم. على الرغم من أن عدم توافقه الشبكي مع نيتريد الغاليوم أعلى من عدم توافقه مع كربيد السيليكون (SiC)، إلا أن ركائز الياقوت تُظهر عدم توافق حراري أقل خلال عملية تكوين نيتريد الغاليوم، مما يوفر أساسًا مستقرًا لنمو نيتريد الغاليوم. بالإضافة إلى ذلك، تُسهّل الموصلية الحرارية الممتازة والشفافية البصرية للياقوت تبديد الحرارة بكفاءة في أجهزة نيتريد الغاليوم عالية الطاقة، مما يضمن استقرار التشغيل وكفاءة إخراج الضوء المثلى. كما تُقلّل خصائص العزل الكهربائي الفائقة من تداخل الإشارات وفقدان الطاقة. وقد أدى الجمع بين الياقوت ونيتريد الغاليوم إلى تطوير أجهزة عالية الأداء، بما في ذلك مصابيح LED القائمة على نيتريد الغاليوم، والتي تُهيمن على أسواق الإضاءة والشاشات - من مصابيح LED المنزلية إلى الشاشات الخارجية الكبيرة - بالإضافة إلى ثنائيات الليزر المستخدمة في الاتصالات البصرية والمعالجة الدقيقة بالليزر.

رقاقة GaN على الياقوت من XKH

توسيع حدود تطبيقات أشباه الموصلات

(1) "الدرع" في التطبيقات العسكرية والفضائية

غالبًا ما تعمل المعدات المستخدمة في التطبيقات العسكرية والفضائية في ظروف قاسية. ففي الفضاء، تتحمل المركبات الفضائية درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وإشعاعًا كونيًا مكثفًا، وتحديات بيئة الفراغ. أما الطائرات العسكرية، فتواجه درجات حرارة سطحية تتجاوز 1000 درجة مئوية بسبب التسخين الديناميكي الهوائي أثناء الطيران عالي السرعة، بالإضافة إلى الأحمال الميكانيكية العالية والتداخل الكهرومغناطيسي.

خصائص كريستال الياقوت الفريدة تجعله مادة مثالية للمكونات الحيوية في هذه المجالات. فمقاومته الاستثنائية لدرجات الحرارة العالية - التي تصل إلى 2045 درجة مئوية مع الحفاظ على سلامة هيكله - تضمن أداءً موثوقًا به في ظل الإجهاد الحراري. كما تحافظ صلابته الإشعاعية على وظائفه في البيئات الكونية والنووية، مما يحمي الإلكترونيات الحساسة بفعالية. وقد أدت هذه الخصائص إلى انتشار استخدام الياقوت في نوافذ الأشعة تحت الحمراء عالية الحرارة. ففي أنظمة توجيه الصواريخ، يجب أن تحافظ نوافذ الأشعة تحت الحمراء على الوضوح البصري في ظل الحرارة والسرعة الشديدتين لضمان دقة اكتشاف الهدف. تجمع نوافذ الأشعة تحت الحمراء المصنوعة من الياقوت بين الاستقرار الحراري العالي ونفاذية الأشعة تحت الحمراء الفائقة، مما يحسن دقة التوجيه بشكل كبير. وفي مجال الفضاء، يحمي الياقوت الأنظمة البصرية للأقمار الصناعية، مما يتيح تصويرًا واضحًا في الظروف المدارية القاسية.

XKH'sنوافذ بصرية من الياقوت

(2) الأساس الجديد للموصلات الفائقة والإلكترونيات الدقيقة

في مجال الموصلية الفائقة، يُعدّ الياقوت ركيزةً أساسيةً للأغشية الرقيقة فائقة التوصيل، التي تُمكّن من التوصيل بدون مقاومة، مُحدثةً ثورةً في نقل الطاقة، وقطارات ماجليف، وأنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي. تتطلب الأغشية فائقة التوصيل عالية الأداء ركائز ذات هياكل شبكية مستقرة، كما أن توافق الياقوت مع مواد مثل ثنائي بوريد المغنيسيوم (MgB₂) يسمح بنمو أغشية ذات كثافة تيار حرجة مُحسّنة ومجال مغناطيسي حرج. على سبيل المثال، تُحسّن كابلات الطاقة التي تستخدم أغشية فائقة التوصيل مدعومة بالياقوت كفاءة النقل بشكل كبير من خلال تقليل فقد الطاقة إلى أدنى حد.

في مجال الإلكترونيات الدقيقة، تُمكّن ركائز الياقوت ذات التوجهات البلورية المحددة - مثل المستوى R (<1-102>) والمستوى A (<11-20>) - من تكوين طبقات سيليكونية مُصممة خصيصًا للدوائر المتكاملة المتقدمة (ICs). يُقلل الياقوت ذو المستوى R عيوب البلورات في الدوائر المتكاملة عالية السرعة، مما يُعزز سرعة التشغيل واستقراره، بينما تُحسّن خصائصه العازلة ونفاذيته المنتظمة الإلكترونيات الدقيقة الهجينة وتكامل الموصلات الفائقة عالية الحرارة. تُشكل هذه الركائز أساسًا للرقائق الأساسية في الحوسبة عالية الأداء والبنية التحتية للاتصالات.

إكس كيه إتش'سأرقاقة lN-on-NPSS

مستقبل كريستال الياقوت في أشباه الموصلات

لقد أثبت الياقوت الأزرق قيمةً هائلةً في مجالات أشباه الموصلات، بدءًا من تصنيع الرقائق وصولًا إلى الفضاء والموصلات الفائقة. ومع تقدم التكنولوجيا، سيتوسع دوره أكثر فأكثر. ففي مجال الذكاء الاصطناعي، ستدفع الرقائق منخفضة الطاقة وعالية الأداء المدعومة بالياقوت الأزرق عجلة تطورات الذكاء الاصطناعي في مجالات الرعاية الصحية والنقل والتمويل. وفي مجال الحوسبة الكمومية، تجعل خصائص مادة الياقوت الأزرق منه مرشحًا واعدًا لدمج البتات الكمومية. وفي الوقت نفسه، ستلبي الأجهزة المُركّبة من نيتريد الغاليوم على الياقوت الأزرق الطلب المتزايد على أجهزة اتصالات الجيلين الخامس والسادس. وفي المستقبل، سيظل الياقوت الأزرق حجر الزاوية في ابتكار أشباه الموصلات، دافعًا للتقدم التكنولوجي للبشرية.

رقاقة GaN-on-sapphire من XKH

تقدم شركة XKH نوافذ بصرية من الياقوت مصممة بدقة عالية وحلولاً لرقاقات GaN-on-sapphire لتطبيقات متطورة. باستخدام تقنيات نمو البلورات والتلميع النانوي الحصرية، نوفر نوافذ ياقوت فائقة التسطح مع نفاذية استثنائية للأطياف من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، مثالية لأنظمة الطيران والدفاع وأنظمة الليزر عالية الطاقة.