أشباه الموصلات المصنوعة من الجرافين – هل وصلت أخيراً؟

اليوم، تُشغّل أشباه الموصلات العالم الحديث. إنها العمود الفقري للأجهزة الإلكترونية، وهناك اكتشاف يهدف إلى تحويل صناعة الإلكترونيات بشكل كبير. 

تُعرف أيضاً بالرقائق الدقيقة أو الدوائر المتكاملة (ICs)، فإن أشباه الموصلات هي مواد تتمتع بموصلية كهربائية تقع بين موصلات مثل الألمنيوم والنحاس وعوازل مثل السيراميك والزجاج.

أشباه الموصلات حساسة للضوء والحرارة، وتختلف مقاومتها. تنخفض مقاومة أشباه الموصلات مع ارتفاع درجة الحرارة، على عكس سلوك المعادن.

بعض أمثلة أشباه الموصلات تشمل السيليكون والجرمانيوم، وهما عنصران نقيان ويمكن العثور عليهما بسهولة في الطبيعة. ثم هناك مركبات مثل سيلينيد الكادميوم والزرنيخ الغاليوم. أيضاً، لتغيير الموصلية أو خصائص المواد، تُضاف كميات صغيرة من الشوائب إلى أشباه الموصلات النقية عبر عملية تُسمى التطعيم.

وبالتالي، بناءً على نقاوتها، تُصنّف أشباه الموصلات إلى — أشباه موصلات داخلية، وهي مواد طبيعية مكوّنة من نوع واحد من الذرات ويمكن استخدامها مباشرة في الأجهزة، وأشباه موصلات خارجية، التي تحتاج إلى التطعيم أولاً لتُستَخدم في الأجهزة. تحويل أشباه الموصلات الداخلية ينتج نوعين من أشباه الموصلات الخارجية: النوع N (المُعطِيات) والنوع P (المستقبلات).

تُستخدم أشباه الموصلات في الثنائيات، التي تحول التيار المتردد إلى التيار المستمر، أو في الترانزستورات أو مضخمات التيار، وكذلك في الدوائر الإلكترونية، التي تُعد أساسية في تصنيع أنواع مختلفة من الأجهزة الإلكترونية.

مع أشباه الموصلات، نحصل على ميزة عدم وجود خيوط. وبالتالي، لا تحتاج إلى التسخين لإطلاق الإلكترونات. وهذا يعني أيضاً أن أشباه الموصلات يمكن تشغيلها فوراً. علاوة على ذلك، فهي صغيرة الحجم؛ لذا فهي مدمجة، محمولة، وتستهلك طاقة أقل. كما أن أشباه الموصلات ليست مكلفة جداً.

أشباه الموصلات جزء لا يتجزأ من حياتنا، فبدونها لن يكون هناك تلفاز، راديو، حواسيب، هواتف ذكية، سيارات، ثلاجات، وألعاب فيديو. تسمح أشباه الموصلات أساساً بإنشاء مفاتيح صغيرة يمكن تشغيلها وإيقافها للتحكم في تدفق الكهرباء، حيث يتيح تدفق الكهرباء عبر الدوائر الكهربائية عمل الأجهزة الإلكترونية.

هذا يجعل أشباه الموصلات مكوّنًا أساسيًا في الأجهزة الإلكترونية لتمكين التقدّم في الحوسبة، الاتصالات، الرعاية الصحية، النقل، الطاقة النظيفة، الدفاع، الأجهزة المنزلية، أجهزة الألعاب، والعديد من التطبيقات الأخرى.

على مدار العقود العديدة الماضية، أدت التطورات في تكنولوجيا أشباه الموصلات إلى جعل هذه الأجهزة الإلكترونية أصغر ليس فقط، بل أسرع وأكثر تعقًّدًا، وتوافقًا، وموثوقية.

عادةً ما تُنظّم الشركات التي تعمل في مجال أشباه الموصلات أنشطتها إما حول التصميم أو التصنيع. تُسمّى الشركات التي تركز على التصميم بـ”الشركات غير المملوكة للمصانع” (fabless)، بينما تُسمّى تلك التي تركز فقط على التصنيع بـ”المصانع” (foundries)، وتُسمّى الشركات التي تقوم بالأمرين معًا بـ”مصنّعي الأجهزة المتكاملة” أو IDMs.

في السنوات القليلة الماضية، شهدنا أزمة في مجال أشباه الموصلات. منذ أواخر عام 2020، بعد الجائحة والإغلاقات، ومع ارتفاع الطلب على الأجهزة الإلكترونية، حدث نقص عالمي في الرقائق الدقيقة والدوائر الإلكترونية.

في حين أدت الفصول الدراسية عبر الإنترنت، والعمل عن بُعد، والرقمنة المتزايدة إلى نمو هائل في الطلب على الأجهزة الإلكترونية، أدت التطورات التكنولوجية الجديدة إلى تقنيات مدمرة مثل الذكاء الاصطناعي، الواقع الافتراضي، الجيل الخامس، البيانات الضخمة، وخدمات السحابة التي زادت من تفاقم الوضع.

استجابةً لذلك، تستثمر الشركات حول العالم موارد هائلة لإيجاد حل لهذه المشكلة. 

اكتشاف كبير: أول شبه موصل جرافين وظيفي 

الزرنيخ الغاليوم هو شبه موصل شائع يُستخدم في الخلايا الشمسية، الثنائيات الليزرية، والدوائر المتكاملة ذات التردد الميكروويفي. ومع ذلك، فإن أكثر شبه موصل شائعًا اليوم هو السيليكون، الذي يلعب دورًا حيويًا في تصنيع معظم الدوائر الإلكترونية. لكن المادة تقترب من حدودها — فهي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة، مما يدفع العلماء للبحث عن بديل.

وهناك عنصر آخر، الجرافين، الذي لا يُعتبر شبه موصلًا لكنه يمكن استخدامه لصنع الرقائق والدوائر. إنه مادة ذات موصلية عالية تُبدد الحرارة بفعالية، مما يحسن أداء المكونات الإلكترونية. كما أنه يتمتع بسرعة وكفاءة طاقة أعلى مقارنةً بالسيليكون دون الحاجة إلى كميات كبيرة من الطاقة، مما يجعله مفيدًا للغاية في إنشاء الإلكترونيات.

الجرافين مادة رقيقة للغاية، تتكوّن من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شكل سداسي، وهي أساس الجرافيت. على الرغم من كونه أرق مادة معروفة للإنسان، إلا أنه قوي جدًا (حوالي 200 مرة أقوى من الفولاذ) ومرن. 

وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الورقة الواحدة من ذرات الكربون موصل ممتاز للحرارة والكهرباء وتتمتع بقدرات امتصاص ضوئي مثيرة للاهتمام. وبالتالي، فإن لهذه المادة القدرة على إحداث ثورة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك المستشعرات، الخلايا الشمسية، البطاريات، وأكثر.

مع ذلك، لا تخلو المادة من مشاكلها، والتي تشمل الموصلية الكهربائية الاستثنائية للجرافين، مما يجعل من الصعب استخدامه كشبه موصل. لذلك، يحتاج إلى فجوة طاقة (bandgap) تسمح لأشباه الموصلات بالتشغيل والإيقاف، وهي عادةً لا يمتلكها. لإدخال فجوة الطاقة إلى الجرافين، قام العلماء بتصنيع الجرافين بأشكال محددة أو استخدموا مواد ثنائية الأبعاد أخرى تمتلك فجوة طاقة داخلية مع المادة، لكنهم فشلوا في إنتاج جرافين شبه موصل قابل للاستخدام.

بينما يعمل العلماء مع الجرافين، تم تحقيق اختراق مؤخرًا حيث أظهر الباحثون أول شبه موصل جرافين وظيفي، مما يعني تغيير عالم الحوسبة والإلكترونيات إلى الأبد. تم تحقيق ذلك بتجاوز العائق الذي كان يؤثر على أبحاث الجرافين لسنوات عديدة، وهو الحصول على فجوة طاقة مناسبة يمكنها التشغيل والإيقاف بنسبة صحيحة — ما يمثل مرحلة محورية في جعل الإلكترونيات القائمة على رقاقة الجرافين حقيقة.

شبه موصل الجرافين ذو فجوة الطاقة ليس فقط وظيفيًا بل يمكن دمجه أيضًا في عمليات التصنيع الحالية. نُشر في مجلة Nature في الأسبوع الأول من عام 2024، وأظهر الدراسة شبه موصل جرافين وظيفي يمكن استخدامه في النانوإلكترونيات.

لذلك، قام والتر دي هير، أستاذ الفيزياء في معهد جورجيا للتكنولوجيا، بقيادة مجموعة بحثية وتعاون مع جامعة تيانجين الصينية. وقال:

“لدينا الآن شبه موصل جرافين قوي للغاية يتمتع بحركة إلكترونية أعلى بعشر مرات من السيليكون، ويملك أيضًا خصائص فريدة غير متوفرة في السيليكون. لكن قصة عملنا خلال السنوات العشر الماضية كانت: ‘هل يمكننا جعل هذه المادة جيدة بما يكفي لتعمل?'”

في بداية مسيرته، بدأ دي هير باستكشاف المواد القائمة على الكربون كأشباه موصلات محتملة، ثم تحول إلى الجرافين ثنائي الأبعاد قبل أكثر من عشرين عامًا. كان الفريق “مدفوعًا بالأمل في إدخال ثلاث خصائص خاصة للجرافين إلى الإلكترونيات” — مادة قوية للغاية، قدرتها على تحمل التيارات الكبيرة، والقيام بذلك دون ارتفاع الحرارة وتفككها.

تم تحقيق الاختراق عندما اكتشف الفريق كيفية زراعة الجرافين على رقائق سيليكون كربيد — التي تُستخدم في الأجهزة الإلكترونية وتمكّن من تحويل الطاقة بكفاءة — باستخدام أفران متخصصة بالإضافة إلى عملية تسخين وتبريد خاصة. 

أدى ذلك إلى الجرافين الإبيتاكسالي، وهو طبقة تنمو على وجه بلورة سيليكون كربيد (مركب صلب بلوري يحتوي على السيليكون والكربون)، والتي عندما تُصنع بشكل صحيح، ترتبط كيميائيًا بسيليكون كربيد وتظهر خصائص شبه موصل.

لصنع ترانزستور وظيفي، يجب على الفريق التأكد من عدم تلف خصائص المادة عندما يتم تعديل مادة شبه الموصل لتعمل كترانزستور وظيفي. لهذا، كان على الفريق أولاً التحقق مما إذا كانت المادة موصلًا جيدًا واستخدام تقنية التطعيم للقيام بذلك، وقد نجح ذلك دون إتلاف المادة أو خصائصها. 

الانتقال إلى رقائق سيليكون كربيد، وفقًا لدي هير، هو “قابل للتنفيذ إلى حد كبير”. وجدت الدراسة أن شبه موصل الجرافين لديهم يمتلك حركة إلكترونية أعلى بكثير من السيليكون، مما يعني أن الإلكترونات تتحرك بمقاومة منخفضة جدًا. في الإلكترونيات، يترجم ذلك إلى حوسبة أسرع. 

“إنه مثل القيادة على طريق حصى مقارنةً بالقيادة على طريق سريع”، قال دي هير. “إنه أكثر كفاءة، لا يسخن كثيرًا، ويسمح بسرعات أعلى حتى تتمكن الإلكترونات من التحرك أسرع.”

اختراق ثوري لتغذية الإلكترونيات المستقبلية

بعد عشر سنوات من البحث، اكتشفت الدراسة الأخيرة كيفية زراعة الجرافين على رقائق سيليكون كربيد خاصة. عدّل الفريق الخصائص الكيميائية للجرافين لتحقيق البنية المطلوبة بحيث يمكن للجرافين أن يعمل كشبه موصل عالي الجودة.

عند الحديث عن تحقيق إلكترونيات الجرافين، أشار دي هير إلى:

“كان علينا أن نتعلم كيفية معالجة المادة، وكيفية تحسينها باستمرار، وأخيرًا، كيفية قياس الخصائص. استغرق ذلك وقتًا طويلًا جدًا.”

الشبه موصل هو حاليًا ثنائي الأبعاد (2D) فقط مع جميع الخصائص اللازمة للاستخدام في النانوإلكترونيات. كما أن خصائصه الكهربائية تتفوق بكثير على أشباه الموصلات الثنائية الأبعاد الأخرى التي لا تزال قيد التطوير. يعتقد الخبراء أن هذا الاكتشاف يمكن أن يغيّر تمامًا ملامح صناعة الإلكترونيات من خلال تمكيننا من إنشاء أشباه موصل جرافين جديدة وقوية تستخدم طاقة أقل من السيليكون.

“لم تحافظ هذه الأبحاث فقط على استقرار الجرافين الم remarkable، بل قدمت أيضًا خصائص إلكترونية جديدة، ممهدة الطريق لرقائق تعتمد على الجرافين”، صرّح صحيفة العلوم والتكنولوجيا في بكين.

الإلكترونيات القائمة على الجرافين أكثر كفاءة ببساطة لأنها تحتاج إلى طاقة أقل للتشغيل والإيقاف، وعلاوة على ذلك، يمكن للإلكترونات التدفق دون إنتاج حرارة تحتاج إلى تبريد بطاقة إضافية. وهذا يعني “يمكن للهواتف أن تدوم أسابيع دون نفاد البطارية، وتقليل استهلاك الطاقة في جميع جوانب حياتنا، مما يقلل التكاليف والتلوث الناتج عن الوقود الأحفوري”، قالت سارة هيغ، أستاذة المواد في المعهد الوطني للجرافين بالمملكة المتحدة، جامعة مانشستر، في مقابلة.

يمكن أن يمهد ذلك الطريق لرقائق تشغّل حواسيب شخصية أكثر تقدمًا وحواسيب كمية في المستقبل.

أشار الباحثون في الدراسة إلى أن الإلكترونات في هذا البديل للسيليكون، مثل الضوء، تمتلك خصائص تشبه الأمواج الميكانيكية الكمومية. يمكن استغلال هذه الخصائص بشكل جيد في درجات حرارة منخفضة جدًا. يعتزم الباحثون الآن استكشاف ذلك في أبحاث مستقبلية.

يتيح الجرافين الإبيتاكسالي للإلكترونات التحرك بمقاومة أقل، مما يعني أن الترانزستورات المصنوعة بهذه الطريقة يمكنها العمل بترددات تيراهرتز. يساعد ذلك في تجاوز حدود السيليكون، بما في ذلك سرعة تشغيل وإيقاف الترانزستورات، أصغر حجم يمكن تصنيعه، والحرارة المتولدة.

بهذه الطريقة، قد يتسبب المادة الجديدة في حدوث تحول جذري في مجال الإلكترونيات، مما يسمح بالاستفادة من خصائص الموجة الكمومية للإلكترونات، وهو مطلب للحوسبة الكمومية. خطوة رئيسية نحو الجيل التالي من الحوسبة، يمكن أن تفتح الأبواب لطريقة جديدة في بناء إلكترونيات أصغر وأسرع.

كما أشار دي هير، ليس فقط قدرة الجرافين على “صنع الأشياء أصغر وأسرع وباستهلاك حرارة أقل” بل استغلال “خصائص الإلكترونات التي لا يمكن الوصول إليها في السيليكون”، مما يقدم “تحولًا جذريًا — إنها طريقة مختلفة للقيام بالإلكترونيات”.

هذا يعني أن جيلًا آخرًا من الإلكترونيات أصبح وشيكًا الآن. لفترة طويلة، كان السيليكون هو الرائد في الإلكترونيات، وهو خطوة فوق الأنابيب المفرغة التي جاءت بعد الأسلاك والبرق، والآن سيقود الجرافين الطريق.

“بالنسبة لي، هذا يشبه لحظة الأخوين رايت”، قال دي هير. “لقد بنوا طائرة يمكنها الطيران 300 قدم في الهواء. لكن المشككين سألوا لماذا يحتاج العالم إلى الطيران عندما كان لديه قطارات وقوارب سريعة. لكنهم استمروا، وكانت هذه بداية تقنية يمكنها نقل الناس عبر المحيطات.”

علاوة على ذلك، يمكن توسيع نطاقه. سابقًا، أظهر الجرافين واعدًا كشبه موصل، لكن فقط على نطاق صغير. كان توسيع أشباه موصل الجرافين إلى أحجام رقاقة حاسوب عملية تحديًا. ومع ذلك، استخدم الاختراق الأخير عملية مشابهة للتقنيات المستخدمة في إنشاء رقاقة السيليكون وتتناسب مع طرق معالجة الميكروإلكترونيات التقليدية، مما يجعل من الممكن توسيع النطاق بشكل أكبر.

استخدم البحث رقائق، والتي وفقًا لديفيد كاري في جامعة ساري بالمملكة المتحدة، هي “قابلة للتوسيع حقًا وبشكل حقيقي”، ويمكن للتقنية التي تستخدمها صناعة أشباه الموصلات حاليًا أن تُستَخدم “لتوسيع هذه العملية”.

مع ذلك، يبقى أن نرى ما إذا كانت أشباه موصل الجرافين الأخيرة يمكنها بالفعل أن تؤدي أفضل من تقنية الموصلية الفائقة الحالية. علاوة على ذلك، لكي ينتقل العالم إلى رقاقة الجرافين، سيتعين تحسين الأبحاث الجديدة فيما يتعلق بالجودة والحجم وتقنيات التصنيع. وهذا يعني أن الرحلة ستكون طويلة، وقد تستغرق أكثر من عقد من الزمن لتحقيق التنفيذ الصناعي الكامل لأشباه موصل الجرافين.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم لمعدات أشباه الموصلات.