إطلاق ثورة الجيل السادس باستخدام أشباه الموصلات GaN من الجيل التالي

أشباه الموصلات هي الأساس للصناعات الإلكترونية و إنترنت الأشياء (تقنيات عمليات) الأجهزة ومعدات الاتصالات.

هي مواد تتحكم في تدفق التيار الكهربائي. وخاصيتها الفريدة المتمثلة في وجود موصلية بين الموصل والعازل تجعلها مكونًا أساسيًا في أجهزة مثل الثنائيات والترانزستورات والدوائر المتكاملة. 

يشهد الطلب على أشباه الموصلات ارتفاعًا سريعًا، إذ تُستخدم في الهواتف الذكية، وأجهزة الكمبيوتر، والأجهزة المنزلية، والمعدات الطبية، وأجهزة الألعاب. كما يشهد استخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي (AI) رواجًا متزايدًا، مما يُعزز التقدم في تطوير الرقائق ويزيد من إنتاج أشباه الموصلات.

إن الوتيرة الثابتة لنشر تقنية الجيل الخامس تشكل عاملاً آخر يدفع اتجاهات الطلب الصحية على شرائح أشباه الموصلات.

يقدم "الجيل الخامس" من تكنولوجيا شبكات الهاتف المحمول، الذي تم نشره من قبل مشغلي شبكات الهاتف المحمول في جميع أنحاء العالم منذ عام 2019، سرعات تنزيل أعلى ووقت استجابة أقل، مما يسمح بالاتصال شبه الفوري. 

يُعدّ زمن الوصول المنخفض للغاية والموثوقية العالية لتقنية الجيل الخامس (5G) أمرًا بالغ الأهمية للتطورات التكنولوجية المتقدمة. في الوقت نفسه، تعتمد شبكة الجيل الخامس على أشباه الموصلات لتوفير فوائدها.

تُعدّ مكونات أشباه الموصلات ضرورية هنا لمعالجة الإشارات التي تحمل البيانات. من محطات القاعدة إلى الهواتف الذكية وأجهزة إنترنت الأشياء، تُعدّ هذه الرقاقات هي التي تُمكّن من معالجة الإشارات بسرعة، ونقل الترددات الراديوية (RF) عريض النطاق، والاتصال الآمن.

في حين أن تقنية الجيل الخامس لا تزال في مرحلة النشر، فقد بدأ اللاعبون في الصناعة بالفعل في مناقشة تطوير الجيل السادس (6G)لكن هذا يتطلب تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا أشباه الموصلات القادرة على التعامل مع زمن انتقال منخفض للغاية، ومعدلات بيانات عالية للغاية، وكفاءة عالية في استخدام الطاقة، ودعم ترددات تيراهرتز (THz)، وبالطبع، اتصال هائل.

في الوقت الذي تعمل فيه الشركات والباحثون على تعزيز قدرات أشباه الموصلات، فإن الاختراق الأخير في التكنولوجيا يبرز إمكانات هائلة لتحويل الطريقة التي نتواصل بها.

من خلال تعزيز شبكة الهاتف المحمول 6G لتقديم سرعات أسرع، واتصالات أكثر كفاءة، وتغطية أوسع بكثير من الجيل الحالي (5G)، فإن هذا التقدم الأخير يعد بمستقبل من شأنه أن يجعل الكثير من الخيال العلمي حقيقة واقعة.

تعتمد المفاهيم المستقبلية مثل الشعور بلمسة أحبائك الذين يعيشون في الطرف الآخر من القارة أو الحصول على تشخيص للرعاية الصحية على الفور دون الحاجة إلى الخروج من منزلك، على القدرة على التواصل ونقل كميات هائلة من البيانات بسرعة أكبر بكثير مما تستطيع الشبكات الحالية القيام به.

وقد توصل علماء الفيزياء من جامعة بريستول إلى طريقة جديدة لتسريع العملية لتحقيق ذلك.

"خلال العقد المقبل، قد تصبح التقنيات التي لم يكن من الممكن تصورها من قبل قادرة على تحويل مجموعة واسعة من التجارب الإنسانية متاحة على نطاق واسع."

- المؤلف المشارك مارتن كوبال، أستاذ الفيزياء في جامعة بريستول.

وفي حديثه عن الفوائد المحتملة، التي أشار إلى أنها "بعيدة المدى"، أشار كوبال إلى التقدم في مجال الرعاية الصحية مع التشخيص والجراحة عن بعد، والفصول الدراسية الافتراضية، والسياحة الافتراضية للعطلات، والأتمتة الصناعية لتحقيق كفاءة أكبر، وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) لتحسين السلامة على الطرق.

قائمة تطبيقات الجيل السادس المحتملة لا حصر لها، والحد الأقصى هو الخيال البشري. لذا، فإن اكتشافاتنا المبتكرة في أشباه الموصلات مثيرة للغاية، وستساعد في دفع هذه التطورات قدمًا بسرعة وعلى نطاق واسع.

– كوبال 

ما هذا التحول إلى 6G يتطلب هو ترقية جذرية لتكنولوجيا أشباه الموصلات والأنظمة والدوائر والخوارزميات المرتبطة بها. 

صعود الترانزستورات القائمة على GaN

في قطاع أشباه الموصلات الذي يشهد تقدمًا سريعًا، يتم استخدام نتريد الجاليوم (GaN) كمكون رئيسي لأشباه الموصلات. 

يتميز هذا المركب شبه الموصل بصلابة عالية، واستقرار ميكانيكي، ونطاق ترددي واسع، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات عالية الطاقة والتردد. بعد السيليكون، يُعد نيتريد الغاليوم (GaN) أحد أهم أشباه الموصلات، ويشهد استخدامًا واسعًا في الإلكترونيات الاستهلاكية. 

يُعرف نيتريد الغاليوم (GaN) بفجوة نطاق أوسع مقارنةً بالسيليكون. ونتيجةً لذلك، تستطيع أجهزة نيتريد الغاليوم التعامل مع كثافات طاقة أعلى، مما يُنتج تصاميم أصغر وأخف وزنًا، ويضمن كفاءةً وموثوقيةً أعلى.

في أنظمة اتصالات الجيل الخامس الحالية، أصبحت هذه الأجهزة معيارًا جديدًا بشكل متزايد. ويستكشف الباحثون الآن استخدامها في تطبيقات البنية التحتية للجيل السادس للهواتف المحمولة واللاسلكية. 

بفضل قدرتها الإنتاجية العالية وقدرتها على التشغيل بترددات عالية، تمكنت ترانزستورات الحركة الإلكترونية العالية القائمة على GaN (HEMTs) من إحداث ثورة في الاتصالات اللاسلكية والعسكرية. 

يعود ذلك في المقام الأول إلى معايير المواد، مثل المجال الكهربائي الحرج العالي، والقدرة الجيدة على الحركة في درجة حرارة الغرفة، وسرعة التشبع العالية. وقد عززت الابتكارات في تصميم صفائح المجال أداء أجهزة GaN HEMT بشكل أكبر، مما أدى إلى قوى تصل إلى 40 واط/ملم−1 عند تردد 4 جيجاهرتز، وكفاءة طاقة مضافة بنسبة 60%. 

لكن هذا لا يكفي لتمكين التطبيقات المستقبلية. يجب أن يكون نيتريد الغاليوم أسرع وأكثر موثوقية، وأن يُصدر طاقة أكبر لتمكين الجيل السادس من الاتصالات اللاسلكية.

إن تحسينات في طاقة الخرج مطلوبة للحفاظ على سلامة الإشارة لمسافات طويلة، حيث تضع مشاريع طموحة بالفعل أهدافًا لتحقيق 81 وات مم−1.

وعلى هذه الخلفية، قام الفريق الدولي من المهندسين والعلماء بتطوير واختبار بنية جديدة تعمل على زيادة قدرات مكبرات GaN الخاصة. 

تم التوصل إلى هذه النتائج من خلال اكتشاف تأثير مزلاج في نيتريد الغاليوم، مما أدى إلى تحقيق أداء عالٍ جدًا لأجهزة الترددات الراديوية. يستخدم هذا الجيل الجديد من الأجهزة قنوات متوازية تتطلب زعانف جانبية أقل من 100 نانومتر، وهو نوع من الترانزستورات يتحكم في تدفق التيار المار عبر الأجهزة.

في أحدث الأبحاث، استخدم الفريق أكثر من 1000 زعنفة بعرض أقل من 100 نانومتر في ترانزستورات SLCFET للمساعدة في توجيه التيار. ووفقًا للمؤلف الرئيسي المشارك الدكتور أخيل شاجي، الباحث الفخري في جامعة بريستول:

"لقد قمنا بتجربة تقنية جهاز، بالعمل مع المتعاونين، تسمى ترانزستورات تأثير المجال الفائقة الشبكية (SLCFETs)." 

تتمتع ترانزستورات SLCFETs القائمة على GaN بإمكانية استخدامها لتحقيق أهداف الطاقة العالية الناتجة (81 واط/ملم−1) التي حددتها المشاريع. يمكن لترانزستورات SLCFETs، التي تحتوي على ما يصل إلى عشر قنوات غاز إلكتروني ثنائية الأبعاد (2DEG) مكدسة، أن توفر زيادة قدرها عشرة أضعاف في حاملات الشحنة مقارنةً بترانزستورات GaN HEMT أحادية القناة.

ووفقاً للدراسة، فإن الهندسة المعمارية الجديدة توفر جهد ركبة منخفض، مما يجعلها مثالية لتقلبات جهد الخرج الكبيرة جنباً إلى جنب مع كثافة التيار العالية. 

أظهرت SLCFETs طاقة خرج تزيد عن 10 وات مم -1 عند 94 جيجاهرتز مع 12 فولت على الصرف وأكثر من 40% من كفاءة الطاقة المضافة، مدعومة بكثافة تيار تبلغ 4.8 أمبير مم -1 مع الحد الأدنى من التشتت وانهيار التيار.

بهذه القوة، يكمن التحدي في التحكم في تبديد الحرارة، ولكن دون زيادة مساحة الجهاز. في حين يمكن تعزيز الطاقة بزيادة جهد الاستنزاف (VDS)، إلا أن التأين التصادمي قد يُضعف خصائص SLCFET. 

ثم هناك خاصية تثبيت الترانزستور. هنا، يبقى الجهاز في حالة التشغيل رغم انحيازه في حالة انحياز بوابة الخروج (VGS)، وهو تأثير معروف في الأجهزة القائمة على السيليكون. مع ذلك، تُقلل فجوة النطاق العالية لنيتريد الغاليوم من التأين التصادمي. وقد أكد الباحثون سابقًا حدوث التأين التصادمي في حالة تشغيل ترانزستورات SLCFET.

تحسين أداء GaN من خلال تأثير Latch

تظهر ترانزستورات SLCFETs القائمة على نتريد الغاليوم والألومنيوم (AlGaN/) أو نتريد الغاليوم (GaN) إمكانات واعدة باعتبارها الأساس لمكبرات ومفاتيح التردد اللاسلكي عالية الطاقة في الرادارات المتقدمة في المستقبل. 

أظهرت هذه الترانزستورات أفضل أداء في نطاق التردد W، الذي يتراوح بين 75 و110 جيجاهرتز. إلا أن السبب العلمي وراء ذلك لم يكن معروفًا حتى الآن. 

وفقا للدراسة المنشورة في مجلة نيتشر إلكترونيكس¹"إنه ""تأثير مزلاج في GaN، والذي يتيح أداء التردد اللاسلكي العالي""."

بعد أن تم التعرف على التأثير، شرع الفريق في البحث عن مكان حدوثه. استخدموا قياسات كهربائية فائقة الدقة ومجهرًا ضوئيًا في آنٍ واحد لدراسة التأثير بشكل أعمق وفهمه بشكل أفضل.

بعد تحليل أكثر من ألف زعنفة، رصد الباحثون التأثير على أوسع زعنفة. وللتحقق من صحة الملاحظات بشكل أكبر، بنى الفريق نموذجًا ثلاثي الأبعاد باستخدام جهاز محاكاة.

وأشارت الدراسة إلى أن "قياسات التيار والجهد، والمحاكاة، والانبعاث الكهروضوئي المرتبط في حالة القفل تشير إلى أن تحفيز التأين الموضعي المعتمد على عرض الزعانف هو المسؤول عن القفل"، مضيفة أن هذا التوطين يعزى إلى وجود اختلاف في عرض الزعانف، والذي يرجع إلى التباين في عملية التصنيع.

بعد ذلك، تناول الفريق جوانب موثوقية التأثير في التطبيقات العملية. وقد أظهرت الاختبارات الدقيقة للجهاز على مدى فترة طويلة أن تأثير القفل ليس له تأثير سلبي على أداء الجهاز أو موثوقيته.

وفقًا للدراسة، فإن حالة القفل قابلة للعكس وغير قابلة للتدهور ويمكن أن تؤدي إلى تحسين خصائص التوصيل عبر الترانزستورات، مما يعني تعزيز الخطية والطاقة في مكبرات الطاقة بترددات الراديو.

"لقد وجدنا أن العامل الرئيسي وراء هذه الموثوقية هو وجود طبقة رقيقة من الطلاء العازل حول كل زعنفة."

- البروفيسور كوبال، رئيس الأكاديمية الملكية للهندسة في مجال التقنيات الناشئة

يقود كوبال مركز التصوير الحراري للأجهزة وموثوقيتها (CDTR)، حيث يُسهم في تطوير أجهزة إلكترونية شبه موصلة من الجيل التالي لتكنولوجيا الاتصالات والرادار، وتحقيق صافي انبعاثات صفري. كما يعمل CDTR على تحسين الإدارة الحرارية للجهاز، وأدائه الكهربائي، وموثوقيته من خلال أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة والواسعة جدًا. 

وأشار كوبال إلى أن النتيجة الرئيسية للبحث "كانت واضحة - يمكن استغلال تأثير المزلاج في عدد لا يحصى من التطبيقات العملية، والتي يمكن أن تساعد في تغيير حياة الناس بعدة طرق مختلفة في السنوات القادمة".

سيركز الفريق في أعماله المستقبلية على زيادة كثافة الطاقة التي توفرها هذه الأجهزة، مما سيمكنها من تقديم أداء أعلى وخدمة جمهور أوسع. 

وعلاوة على ذلك، سيساعد شركاء الصناعة في جعل هذه الأجهزة من الجيل التالي متاحة تجارياً.

استثمر في ابتكار أشباه الموصلات

عندما يتعلق الأمر بالاستثمار في تكنولوجيا GaN، MACOM (MTSI -4.2٪) تُعد شركة نيتريد الغاليوم (GaN) من الشركات الأمريكية العامة القليلة التي تُقدم خدماتها مباشرةً في هذا المجال. وتستخدم الشركة تقنيات معالجة GaN-on-SiC وGaN-on-Si لتمكين بنى أنظمة الجيل التالي عبر مجموعة واسعة من التطبيقات. وتقدم الشركة مُضخّمات مُبتكرة منخفضة الضوضاء، ومُضخّمات طاقة GaN، ومفاتيح تشغيل تغطي ترددات تتراوح من التيار المستمر إلى أكثر من 100 جيجاهرتز.

شركة ماكوم لحلول التكنولوجيا القابضة المحدودة (MTSI -4.2٪)

شركة MACOM Technology Solutions Holdings هي شركة مصنعة لمنتجات أشباه الموصلات عالية الأداء لقطاع الاتصالات بالإضافة إلى الصناعات الأخرى. 

تخدم الشركة أكثر من 6,000 عميل سنويًا من خلال مجموعة منتجاتها الواسعة التي تشمل تقنيات أشباه الموصلات التناظرية، والموجات الدقيقة، والترددات الراديوية (RF)، والإشارات المختلطة، والبصرية. تتخصص شركة MACOM في تصنيع أشباه الموصلات المركبة، بما في ذلك GaAs وGaN وInP، والسيليكون المتخصص، وتصميم الدوائر التناظرية والإشارات المختلطة، والتغليف المتقدم، والتجميع والاختبار النهائي.

حصلت الشركة على العديد من الشهادات، بما في ذلك معيار الطيران AS9100D، ومعيار السيارات IATF16949، ومعيار الجودة الدولي ISO9001، ومعيار إدارة البيئة ISO14001.

فيما يتعلق بأداء سوق MCOM، بقيمة سوقية تبلغ 9 مليارات دولار أمريكي، يُتداول سهم MTSI حاليًا عند 123.41 دولارًا أمريكيًا. ورغم انخفاض سهم MTSI بنسبة 6.37% هذا العام حتى الآن، إلا أنه ارتفع بنسبة 46.7% عن أدنى مستوى له في أوائل أبريل، ويبتعد بنحو 15.5% فقط عن ذروته التي بلغها هذا العام في يناير. وبذلك، يبلغ ربح السهم (لآخر 1.22 سنوات) -99.66، ونسبة السعر إلى الربحية (لآخر XNUMX سنوات) -XNUMX.

أما بالنسبة للبيانات المالية للشركة، فقد أعلنت شركة ماكوم مؤخرًا عن نتائج الربع المالي الثاني المنتهي في 4 أبريل 2025، حيث سجلت إيرادات بلغت 235.9 مليون دولار، بزيادة قدرها 30.2% عن الربع نفسه في العام السابق.

بلغ الدخل من العمليات 34.9 مليون دولار أمريكي، أي ما يعادل 14.8% من الإيرادات، بينما بلغ صافي الدخل 31.7 مليون دولار أمريكي، أي ما يعادل 0.42 دولار أمريكي للسهم المخفف. وارتفع هامش الربح الإجمالي خلال هذه الفترة بنسبة 2.7% ليصل إلى 55.2%، بينما ارتفع هامش الربح الإجمالي المعدل بنسبة 0.4% ليصل إلى 57.5%. 

وفي تعليقه على "الأداء القوي للشركة في الربع الثاني"، أشاد الرئيس التنفيذي ستيفن جي دالي "بالعمل الجماعي الاستثنائي في جميع أنحاء منظمة MACOM" لتمكين هذا النجاح.

وتأتي هذه الأرقام بعد "بداية جيدة" للسنة المالية في الربع الأول، حيث قال دالي إن تركيز الشركة لا يزال منصبا على خدمة العملاء و"بناء محفظة منتجات أقوى وأوسع وأكثر تنافسية".

في الربع الأول من عام 1، بلغت إيرادات شركة ماكوم 25 مليون دولار أمريكي، بزيادة قدرها 218.1% عن الربع الأول من عام 38.8، وبلغ دخلها من العمليات 1 مليون دولار أمريكي، أي ما يعادل 24% من الإيرادات. في الربع السابق، أعلنت الشركة عن خسارة صافية قدرها 17.5 مليون دولار أمريكي، أي ما يعادل 8 دولار أمريكي للسهم المخفف، نتيجة تكبدها خسارة لمرة واحدة قدرها 167.5 مليون دولار أمريكي نتيجة إطفاء ديون.

تتوقع شركة ماكوم تحقيق إيرادات تتراوح بين 4 و2025 مليون دولار أمريكي للربع المالي الثالث المنتهي في 246 يوليو 254. كما تتوقع أن يتراوح هامش الربح الإجمالي المعدل بين 56.5% و58.5%، وأن يتراوح ربح السهم المخفف المعدل بين 0.87 و0.91 دولار أمريكي، وذلك باستخدام معدل ضريبة دخل غير محاسبي مقبول عمومًا بنسبة 3%، وعدد أسهمها المخففة بالكامل 76.5 مليون سهم.

وفي خضم كل هذا، واصلت شركة ماكوم توسيع أعمالها من خلال الاستثمارات. في يناير من هذا العام، أعلنت شركة ماكوم (MACOM) عن خطة استراتيجية لاستثمار ما يصل إلى 345 مليون دولار أمريكي على مدى خمس سنوات في منشآتها لتصنيع الرقائق في ولايتي ماساتشوستس وكارولاينا الشمالية. يهدف هذا الاستثمار إلى تحديث المنشآت القائمة وتوفير قدرات تصنيع متقدمة لتقنيات الترددات الراديوية والميكروويف والموجات المليمترية، وذلك لتعزيز عروض منتجات ماكوم لقطاعات مراكز البيانات والاتصالات والدفاع. 

وفي منشأتها بولاية ماساتشوستس على وجه التحديد، ستقوم الشركة بتثبيت القدرة على تصنيع 150 مم من GaN-on-SiC.

وقال دالي إن "هذه الخطة ستعزز قدرات تصنيع أشباه الموصلات المحلية لشركة ماكوم"، مضيفا أنها ستساهم أيضا في تسريع استراتيجية نمو الشركة.

وتدعم هذه المبادرة اتفاقية أولية مع مكتب برنامج CHIPSخصصت وزارة الطاقة الأمريكية مبلغًا إجماليًا قدره 39 مليار دولار أمريكي لتحفيز الاستثمار في المرافق والمعدات في الولايات المتحدة. وتقترح الوزارة تمويلًا بقيمة 180 مليون دولار أمريكي وإعفاءات ضريبية لهيئة الاتصالات الماليزية بموجب قانون CHIPS والعلوم.

قبل بضعة أشهر من ذلك، استحوذت شركة MACOM على شركة أشباه الموصلات بدون مصانع تسمى ENGIN-IC، والتي تقوم بتصميم دوائر متكاملة من الموجات الدقيقة المتجانسة (GaN MMICs) المتقدمة بهدف خدمة أسواقها المستهدفة بشكل أفضل والحصول على حصة أكبر في السوق.

تركز شركة ENGIN-IC في الواقع على خدمة صناعة الدفاع الأمريكية وتفتخر بمجموعة منتجات تضم أكثر من 60 MMIC قياسيًا والعديد من MMICs المخصصة.

قال دالي في ذلك الوقت: "إن الخبرة الاستثنائية لشركة ENGIN-IC في تصميم وحدات MMIC ووحدات عريض النطاق وعالية الكفاءة ستمكننا من دعم عملائنا المشتركين بشكل أفضل"، في حين أعرب ستيفن نيلسون، المؤسس المشارك والمدير التقني لشركة ENGIN-IC، عن حماسه "ليكون جزءًا من جهود MACOM لقيادة الصناعة في عمليات ومنتجات أشباه الموصلات GaN".

الخاتمة

الجيل السادس (6G) هو الجيل القادم من تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية، الذي يَعِد بسرعات أعلى وكفاءة أعلى في الاتصالات. إلا أن تحقيق هذا المستقبل من الاتصالات العالمية والأتمتة والتجارب الافتراضية الغامرة يعتمد على التطورات في أشباه الموصلات. تُبرز مادة شبه الموصل، نيتريد الغاليوم (GaN)، بخصائصها الفريدة من حيث السرعة العالية والمقاومة المنخفضة وجهد الانهيار العالي، قدرتها على إحداث ثورة في عالم الإلكترونيات والاتصالات.

إن الاختراق الأخير في مجال SLCFETs المستندة إلى GaN، والذي يستفيد من هياكل الترانزستور الجديدة ويكشف عن آليات تأثير القفل، يدفع حدود ما هو ممكن في أداء أشباه الموصلات عالية التردد.

ويجعل هذا الابتكار الطريق إلى واقع الجيل السادس أكثر وضوحًا من أي وقت مضى من خلال الكشف عن الأداء القابل للتطوير والموثوقية القوية.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم معدات أشباه الموصلات.

الدراسات المشار إليها:

1. كومار، أ. س.، دالكانال، س.، يورين، م. ج.، وآخرون (2025). أجهزة نيتريد الغاليوم متعددة القنوات ذات منحدرات دون العتبة، ناتجة عن مزلاج، أقل من 60 ملي فولت لكل عقد، لتطبيقات الترددات الراديوية. مجلة نيتشر إلكترونيكس. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5