أشباه الموصلات الماسية: المزايا والتحديات
[ad_1]
بهدف تحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية، يتجه العالم نحو زيادة كهربة بعض قطاعات الطلب الأساسية على الطاقة مثل النقل والصناعة والاستخدام السكني. تعد تحسينات الكفاءة والتكلفة في توليد الطاقة ونقلها وتحويلها النهائي جوانب تمكينية حاسمة لتحقيق النجاح. أظهرت أجهزة الطاقة ذات الفجوة العريضة (WBG) لأشباه الموصلات، مثل تلك المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، تحسينات ملحوظة في كفاءة تحويل الطاقة والكثافة مقارنة بأجهزة الطاقة القديمة المصنوعة من السيليكون (Si). في هذه المقالة، سنناقش المزايا والتحديات المحتملة لأشباه الموصلات الماسية في تطبيقات تحويل الطاقة المستقبلية، مع تسليط الضوء على تقنية التقطيع بالليزر الجديدة.
أشباه الموصلات الماسية: مقارنة خصائص المواد
يوضح الشكل 1 مقارنة بين بعض الخصائص الكهربائية الأساسية للألماس، مع Si، بالإضافة إلى أجهزة SiC MOSFET النموذجية، وGaN HEMT WBG.
الماس مع أكسيد الغاليوم (Ga2يا3) ، ينتمي إلى فئة أشباه الموصلات فائقة الاتساع (UWBG). إن قوة انهيار العزل الكهربائي أعلى بثلاث مرات على الأقل من SiC، إلى جانب الموصلية الحرارية التي تتفوق بكثير على أي مادة شبه موصلة أخرى. الميزة المميزة الرئيسية الأخرى هي قابلية الحركة العالية للحامل لكل من الإلكترونات والثقوب. تضع هذه الخصائص نظريًا الترانزستورات والثنائيات الماسية مع العديد من المزايا على الثايرستور القائم على Si أو الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC في تطبيقات الجهد العالي والطاقة العالية، مع درجات حرارة تشغيل تصل إلى 300 درجة مئوية.
تحديات جهاز الطاقة الماسية
لقد حدت العديد من التحديات من استخدام أشباه الموصلات الماسية في التطبيقات المتخصصة جدًا. ويمكن تلخيص هذه العوائق فيما يلي:
- لقد كان نمو الركائز ذات القطر الكبير والجودة العالية عنصرًا حاسمًا في نجاح أجهزة الطاقة Si. كما هو مبين في الشكل 1، يقتصر التوافر الحالي لركائز الماس عالية الجودة على قطر <1 بوصة. تؤدي عملية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT) إلى خلق درجة نقاء عالية وكثافة عيب منخفضة وركائز باهظة الثمن (تسمى النوع الثاني) بأحجام أقل من 1 سم عادةً2. عادةً ما يتم استبدال التكلفة وقطر الرقاقة وكثافة العيوب ويمكن استخدام ترسيب البخار الكيميائي (CVD) لإنشاء رقائق ذات قطر أكبر. تُستخدم الرقائق من النوع 1ب، حيث يتم استبدال ذرات النيتروجين الموجودة بشكل طبيعي في الذرات بالكربون بطريقة معزولة، بشكل شائع في تطبيقات أشباه الموصلات. يمكن أن تكون كثافات الخلع عادة في 105/سم2 النطاق (قارن ذلك بـ SiC حيث يكون عادةً في 102/سم2 يتراوح).
- يظل تعاطي المنشطات بمثابة عنق الزجاجة الرئيسي في تصنيع أجهزة الماس. عادةً ما ينتج عن زرع الأيونات مقاطع منشط ضحلة جدًا بسبب خصائص المادة. ومن ثم فإن تعاطي المنشطات أثناء نمو الأمراض القلبية الوعائية هو النهج المفضل، ولكن مع العديد من القيود. إن الافتقار إلى مستويات المستقبلات والمانحين الضحلة يجعل تكوين الوصلات النشطة عالية المنشطات أمرًا صعبًا، خاصة بالنسبة للمنشطات من النوع n. تؤدي طاقة التنشيط العالية إلى انخفاض الفوائد من حيث فقدان كثافة الطاقة في الماس مقارنة بـ SiC، خاصة في درجة حرارة الغرفة1. المقاومة على الدولة (رديسون) من الماس عادةً ما يكون له معامل درجة حرارة سالب (NTC)، مما يجعل إجمالي الخسائر لها معامل درجة حرارة سلبي أيضًا. إنه في درجات حرارة تتجاوز 450 كلفن حيث تكون مزايا الماس في تقليل فقدان تحويل الطاقة الإجمالي (من تنشيط المنشطات المحسنة) كبيرة مقارنة بـ SiC وGoN1. في حين أن المجلس الوطني الانتقالي لـ Rديسون يمكن أن يكون له أيضًا مزايا في الحاجة إلى خافضات حرارية أخف، أو ربما الانتقال من التبريد السائل إلى تبريد الهواء، فإنه يمثل تحديات في الاستقرار الحراري والتوازي.
- قيود الجهاز والعملية: إن الجهد الكهربي المدمج للوصلة pn العالية (4.9 فولت، مقارنة بـ 2.8 فولت في SiC) وعمر الناقل القصير يحد من مزايا أجهزة الماس ثنائية القطب إلى الفولتية العالية جدًا (> 6 كيلو فولت) وترددات التبديل المنخفضة فقط. ومن ثم ينصب التركيز الحالي على الأجهزة أحادية القطب مثل صمامات شوتكي. وبينما شهدت هذه الأجهزة تقدماً هائلاً؛ فهي لا تزال تقتصر على انهيار الفولتية أقل بكثير من الحدود النظرية (محدودة بالعيوب) وتيارات التسرب العالية. لا تزال الهياكل الجديدة، مثل تلك التي تستفيد من إمكانية التنقل في الفتحات العالية لصنع HFETs المستندة إلى 2DHG (غاز الثقب)، قيد التطوير، مع وجود تحديات في المنشطات وعزل الأجهزة. يعد التخميل السطحي وإنهاء الجهاز من التحديات الشائعة لأجهزة الطاقة الماسية.
- الموثوقية والتعبئة والتغليف: يتطلب NTC أن تكون الأجهزة المتوازية مقترنة بدرجة عالية من الحرارة. تعادل خسائر كثافة الطاقة الأعلى ضغطًا أعلى على طبقة الموزع الحراري في العبوة. يمكن أن تؤدي المجالات الكهربائية العالية إلى فشل الجهاز (تمامًا كما هو الحال في SiC وGan) ويجب دراستها. تخلق صلابة الماس أيضًا تحديات في بعض تقنيات تحليل الفشل الأساسية مثل إعداد عينة TEM، وبالطبع في نشر القالب في العبوة.
تقطيع الماس بالليزر
وبافتراض أنه يمكن إنتاج سبائك عالية الجودة في المستقبل، ستكون هناك حاجة إلى تقنية فعالة لتقطيع الويفر. لقد أظهر البروفيسور هيداي وفريقه في جامعة تشيبا باليابان مؤخرًا تقنية جديدة تعتمد على الليزر2 التي سوف نسلط الضوء عليها. تعتبر الرقائق السطحية {100} مرغوبة أكثر بسبب الجودة الأفضل والصلابة الأقل. ومع ذلك، فإن التقطيع في هذا المستوى أمر صعب بسبب انتشار الشقوق على طول المستوى {111}، مما يؤدي إلى زيادة فقدان الشق. استخدم المؤلفون في الدراسة نهج شعاع من خطوتين، كما هو مبين في الشكل 2. الليزر المستخدم هو Nd: YVO4 عند الطول الموجي 1064 نانومتر.
- الخطوة 1: يتم توجيه 10 نبضات أولية، 11.3 ps، معدل تكرار 10 هرتز، 2 uJ شعاع 180 ميكرومتر إلى السطح. هذه المربعات، التي يبلغ حجمها حوالي 40 ميكرومترًا، مفصولة بمسافة 30 ميكرومترًا وتخلق مناطق كربونية غير متبلورة معدلة. يتم اختيار المسافة بعناية بحيث لا تتكون شقوق بين المناطق المعدلة خلال هذه الخطوة.
- الخطوة 2: يتم وضع شعاع الليزر، الذي يبلغ عرض نبضته الآن 46.7 ns ومعدل تكرار 30 كيلو هرتز، في الفراغ بين النموذج المربع الذي تم إنشاؤه في الخطوة 1، كما هو موضح في الشكل 3. وهذا يربط المناطق المعدلة في الطريقة المثلى، بحيث لا تتشكل الشقوق بين المناطق المعدلة فحسب، بل أيضًا أمام المستوى المعدل، على طول مستوى الانقسام {100}. الشقوق على طول المستوى {111} مقيدة.
يتم بعد ذلك تطبيق إبرة حادة على المستوى المعدل لإنشاء الشريحة. يتم إنشاء خشونة السطح بحوالي 20 ميكرومتر. يعتمد الضغط المتبقي في المناطق المعدلة من الخطوتين 1 و2 على تسلسل التشعيع.
يمكن تحسين هذه التقنية بشكل أكبر لتحقيق السلاسة والإجهاد ويمكن أن تكون جزءًا من مجموعة رئيسية من التطورات اللازمة لتسويق استخدام أشباه الموصلات الماسية في تطبيقات إلكترونيات الطاقة المستقبلية.
مراجع
1 N. دوناتو وآخرون، J. فيز. د: تطبيق. فيز، 2020، “أجهزة الطاقة الماسية: أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا، والنمذجة، وشخصيات الجدارة والمنظور المستقبلي.”
2 K. ساكاموتو وآخرون، الماس والمواد ذات الصلة، 2023، “تقطيع الماس بالليزر على المستوى {100} باستخدام تسلسل تشعيع يقيد انتشار الشقوق على طول المستوى {111}.”
[ad_2]
