تقدم ثلاثة أبحاث حديثة حلولاً مختلفة لمشكلات رئيسية تحد من استخدام نيتريد الغاليوم (GaN) في إلكترونيات القدرة والاتصالات: تحمل الجهد العالي، خفض مقاومة التلامس، وإدارة الحرارة. وتأتي النتائج من فرق بحثية تقودها مؤسسات مثل المدرسة الفدرالية polytechnique في لوزان (EPFL)، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وجامعات Nagoya وCornell وGeorgia Tech وPenn State، إضافة إلى مؤسسات بحثية صينية.
ترانزستور يتحمل قرابة 4 كيلوفولت
طور باحثو EPFL فئة جديدة من ترانزستورات GaN أطلقوا عليها اسم intrinsic polarization superjunction (iPSJ). واستطاع الجهاز، المصنوع من طبقات GaN فوق قاعدة منخفضة التكلفة من السيليكون، تحمل جهد يقارب 4 كيلوفولت قبل الانهيار، مع الحفاظ على مقاومة منخفضة، وفق ما ذكره الفريق.
يعتمد التصميم على تأثير الاستقطاب الطبيعي في GaN لإنشاء صفيفتين متوازيتين من الشحنات الموجبة والإلكترونات. ويؤدي ضبط سماكة الطبقات إلى موازنة الشحنتين، ما يمنع تراكم الشحنة الزائدة عند إيقاف الترانزستور ويساعد على توزيع الجهد بالتساوي على امتداد الجهاز. كما يلغي النهج الحاجة إلى التطعيم الكيميائي. ويقارن الباحثون ذلك بترانزستورات GaN التقليدية التي تنهار عادة عند نحو 600 إلى 650 فولت.
يرى الفريق أن تحمل الجهد عبر نطاق حراري واسع قد يجعل التقنية مناسبة لأنظمة المركبات الكهربائية وأنظمة القدرة الصناعية، لكن المادة المعروضة لا تثبت بعد جاهزية هذه الأجهزة للإنتاج التجاري.
خفض مقاومة تلامسات p-GaN
في مسار آخر، خفض باحثون من Nagoya University وMIT وCornell University وCity University of Hong Kong وChinese Academy of Sciences مقاومة تلامسات GaN من النوع p عبر ترسيب طبقة فائقة الرقة من المغنيسيوم على سطح p-GaN، ثم تسخينها عند 600 درجة مئوية لمدة خمس دقائق.
حقق الأسلوب مقاومة نوعية للتلامس بين (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm²، وهي من أقل القيم التي أبلغت عنها الأبحاث لتلامسات p-GaN الرقيقة، بحسب الفريق. وتجنب استخدام طبقة مغنيسيوم سميكة خشونة السطح، بينما أظهرت العينات الرقيقة أن الأكسدة اقتصرت على الطبقة السطحية العليا حتى عند سماكة 10 نانومترات.
أثناء المعالجة الحرارية القصيرة، ينتشر المغنيسيوم في المنطقة السطحية ويضيق منطقة الاستنزاف، ما يعزز عبور الفجوات بالأنفاق ويخفض المقاومة. ويقول الباحثون إن العملية أبسط وأسرع وأقل تكلفة من النمو البلوري من الأسفل إلى الأعلى، ويعملون على تطبيقها في مصابيح LED وترانزستورات القدرة للمركبات الكهربائية.
الماس كطبقة لتوزيع الحرارة
أما البحث الثالث، من MIT وGeorgia Tech وPenn State، فدمج ترانزستورات GaN داخل طبقة فائقة الرقة من الماس أحادي البلورة. تعمل الطبقة كناشر حراري يوازن درجات الحرارة بين GaN والسيليكون، بما يسمح للجهاز بالاقتراب من أداء الذروة من دون التضحية بالموثوقية.
تبدأ العملية بقطع شرائح GaN صغيرة من رقاقة، ثم حفر تجاويف في الماس باستخدام ليزر فمتوثانية. وبعد وضع طبقة تثبيت داخل التجاويف وإدخال الشرائح، تُستخدم الحرارة والضغط، ثم تضاف طبقات عازلة ومعدنية فوق البنية. واستخدم الفريق التقنية لصناعة مضخم قدرة لاسلكي بقدرة 4 واط مخصص لتطبيقات 6G في النطاق FR3.
قد تمتد التطبيقات المحتملة إلى الرادارات عالية القدرة، والاتصالات الفضائية، والطائرات المسيّرة الصناعية، وتحويل القدرة في مراكز البيانات. عملياً، تكشف النتائج أن تحسين GaN لا يعتمد على مادة القناة وحدها؛ فالتوصيلات والحرارة والتغليف قد تحدد جميعها ما إذا كان الأداء النظري قابلاً للاستخدام في نظام فعلي.
كيف أعددنا هذا الخبر؟
اعتمد الخبر على المصدر الأصلي الموضح أعلاه. قد نستخدم أدوات آلية للمساعدة في الاستخراج والتصنيف والصياغة،
لكن النشر يخضع لقواعد تمنع المحتوى المكرر والقصير أو الروتيني منخفض القيمة.
اقرأ سياستنا التحريرية.