فتح ثورة الجيل السادس 6G باستخدام أشباه الموصلات من غاليوم نيتريد الجيل التالي

أشباه الموصلات هي الأساس للأجهزة الإلكترونية وأجهزة إنترنت الأشياء (IoT).

إنها مواد تتحكم في تدفق التيار الكهربائي. خاصيتها الفريدة التي تتمتع بموصلية تقع بين موصل وعازل تجعلها مكوّنًا أساسيًا في أجهزة مثل الثنائيات والترانزستورات والدوائر المتكاملة.

الطلب على أشباه الموصلات يتزايد بسرعة. تُستخدم في الهواتف الذكية، وأجهزة الكمبيوتر، والأجهزة المنزلية، والمعدات الطبية، وأجهزة الألعاب. ثم هناك الشعبية المتزايدة واستخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي (AI)، التي تعزز المزيد من التقدم في تطوير الرقائق وتزيد من إنتاج أشباه الموصلات.

الوتيرة المستمرة لنشر تقنية 5G هي عامل آخر يدفع اتجاهات الطلب القوية على شرائح أشباه الموصلات.

الجيل الخامس من تقنية الشبكات الخلوية، الذي تم نشره من قبل مشغلي الهواتف المحمولة حول العالم منذ عام 2019، يقدم سرعات تحميل أعلى وزمن استجابة أقل، مما يسمح باتصالات شبه فورية.

الزمن الاستجابة الفائق المنخفض والموثوقية العالية لتقنية 5G مهمان للغاية للتقدمات التقنية المتقدمة. وتعتمد شبكة 5G في الوقت نفسه على أشباه الموصلات لتوفير هذه الفوائد.

تُحتاج مكوّنات أشباه الموصلات هنا لمعالجة الإشارات التي تحمل البيانات. من محطات القاعدة إلى الهواتف الذكية وأجهزة إنترنت الأشياء، هي الشرائح التي تمكّن من معالجة الإشارات بسرعة، ونقل ترددات الراديو واسعة النطاق (RF)، والاتصال الآمن.

بينما لا تزال تقنية 5G في مرحلة النشر، بدأ اللاعبون في الصناعة بالفعل بمناقشة تطوير الجيل السادس (6G). ومع ذلك، يتطلب ذلك تقدمًا كبيرًا في تقنية أشباه الموصلات التي يمكنها التعامل مع زمن استجابة منخفض للغاية، ومعدلات بيانات فائقة الارتفاع، وكفاءة طاقة عالية، ودعم لترددات التيراهرتز (THz)، وبالطبع اتصالًا هائلًا.

بينما تعمل الشركات والباحثون على تعزيز قدرات أشباه الموصلات، يُظهر اختراق حديث في التكنولوجيا إمكانات هائلة لتحويل طريقة تواصلنا.

من خلال تعزيز شبكة الجيل السادس (6G) لتقدم سرعات أعلى، واتصالًا أكثر كفاءة، وتغطية أوسع بكثير من الجيل الحالي (5G)، يعد هذا التقدم الأخير بمستقبل سيجعل الكثير من الخيال العلمي حقيقة.

المفاهيم المستقبلية مثل الشعور بلمسة أحبائك الذين يعيشون عبر القارة أو الحصول على تشخيص صحي فورًا دون الحاجة إلى الخروج من المنزل تعتمد جميعها على القدرة على التواصل ونقل كميات هائلة من البيانات بسرعة أعلى بكثير مما تستطيع الشبكات الحالية توفيره.

اكتشف الفيزيائيون من جامعة بريستول طريقة جديدة لتسريع العملية لتحقيق ذلك.

“خلال العقد القادم، قد تتوفر على نطاق واسع تقنيات كانت في السابق شبه لا يمكن تصورها لتحويل مجموعة واسعة من التجارب البشرية.”

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

متحدثًا عن الفوائد المحتملة، التي أشار إليها بأنها “واسعة النطاق”، أشار كوبال إلى التقدم في الرعاية الصحية من خلال التشخيصات الجراحية عن بُعد، والفصول الدراسية الافتراضية، والسياحة الافتراضية، والأتمتة الصناعية لزيادة الكفاءة، وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) لتحسين سلامة الطرق.

“قائمة تطبيقات الجيل السادس المحتملة لا نهائية، والحد الوحيد هو خيال الإنسان. لذا فإن اكتشافاتنا المبتكرة في أشباه الموصلات مثيرة للغاية وستساعد في دفع هذه التطورات بسرعة وعلى نطاق واسع.”

– كوبال

ما يتطلبه هذا التحول إلى الجيل السادس هو ترقية جذرية لتقنية أشباه الموصلات، والأنظمة، والدوائر، والخوارزميات المرتبطة.

صعود الترانزستورات القائمة على غاليوم نيتريد

في قطاع أشباه الموصلات المتقدم بسرعة، يُستخدم غاليوم نيتريد (GaN) كمكوّن أساسي لأشباه الموصلات.

هذا شبه الموصل المركب صلب جدًا، مستقر ميكانيكيًا، وله فجوة نطاق واسعة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات القدرة العالية والتردد العالي. بعد السيليكون، يُعد غاليوم نيتريد أحد أهم أشباه الموصلات، ويشهد تبنيًا أوسع في الإلكترونيات الاستهلاكية.

يُعرف غاليوم نيتريد فعليًا بوجود فجوة نطاق أوسع مقارنةً بالسيليكون. نتيجة لذلك، يمكن لأجهزة غاليوم نيتريد التعامل مع كثافات طاقة أعلى، مما يؤدي إلى تصاميم أصغر وأخف وزنًا ويقدم كفاءة أعلى وموثوقية أفضل.

في أنظمة الاتصالات الحالية من الجيل الخامس، تصبح هذه الأجهزة بشكل متزايد المعيار الجديد. والآن، يستكشف الباحثون استخدامها لتطبيقات بنية الجيل السادس للهواتف المحمولة والاتصالات اللاسلكية.

بفضل قدرتها العالية على الإخراج وتشغيلها عند ترددات مرتفعة، أحدثت ترانزستورات حركة الإلكترون العالية (HEMTs) القائمة على غاليوم نيتريد ثورة في الاتصالات اللاسلكية والعسكرية.

كان ذلك أساسًا بسبب معلمات المادة مثل المجال الكهربائي الحرج العالي، والتنقل الجيد عند درجة حرارة الغرفة، والسرعة التشبعية العالية. أدت الابتكارات في تصميم صفيحة الحقل إلى تحسين أداء ترانزستورات HEMT القائمة على غاليوم نيتريد أكثر، مما أدى إلى طاقات تصل إلى 40 واط/مم عند 4 جيجاهرتز وكفاءة مضافة للطاقة بنسبة 60٪.

لكن هذا ليس كافيًا لتمكين التطبيقات المستقبلية. يحتاج غاليوم نيتريد إلى أن يكون أسرع وأكثر موثوقية، وأن ينتج طاقة أكبر لتمكين الجيل السادس من الاتصالات اللاسلكية.

هناك حاجة إلى تحسينات في طاقة الإخراج للحفاظ على سلامة الإشارة على مسافات طويلة، حيث حددت مشاريع طموحة بالفعل أهدافًا لتحقيق 81 واط/مم.

في ظل هذا السياق، طوّر فريق دولي من المهندسين والعلماء واختبروا بنية جديدة زادت من قدرات مضخمات غاليوم نيتريد الخاصة.

تم الحصول على هذه النتائج من خلال اكتشاف تأثير القفل في غاليوم نيتريد، مما أتاح أداءً عاليًا جدًا لأجهزة التردد الراديوي. تستخدم الجيل التالي من الأجهزة قنوات متوازية تتطلب زعانف جانبية أقل من 100 نانومتر، وهو نوع من الترانزستورات التي تتحكم في تدفق التيار عبر الأجهزة.

في أحدث الأبحاث، استخدم الفريق أكثر من 1000 زعنفة بعرض أقل من 100 نانومتر في SLCFETs للمساعدة في تدفق التيار. وفقًا للمؤلف المشارك الدكتور أكهيل شاجي، الباحث الشرفي في جامعة بريستول:

“لقد قمنا بتجربة تقنية جهاز، بالتعاون مع شركائنا، تُسمى ترانزستورات تأثير المجال ذات الشبكة الفائقة المتقشرة (SLCFETs).”

تتمتع SLCFETs القائمة على غاليوم نيتريد بإمكانات لاستخدامها لتحقيق أهداف طاقة الإخراج العالية (81 واط/مم) التي حددتها المشاريع. يمكن لـ SLCFETs التي تحتوي على ما يصل إلى عشرة قنوات غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد (2DEG) مكدسة أن توفر زيادة بمقدار 10 أضعاف في حاملي الشحنة مقارنةً بـ HEMTs ذات القناة الواحدة.

وفقًا للدراسة، توفر البنية الجديدة جهدًا منخفضًا عند النقطة الحادة، مما يجعلها مثالية لتقلبات جهد الإخراج الكبيرة مع كثافة تيار عالية.

أظهرت SLCFETs طاقة إخراج تزيد عن 10 واط/مم عند 94 جيجاهرتز مع 12 فولت على المصرف وأكثر من 40٪ كفاءة مضافة للطاقة، مدعومة بكثافة تيار تبلغ 4.8 أمبير/مم مع حد أدنى من التشتت وانهيار التيار.

مع هذه القدرة الكبيرة، يأتي التحدي في التحكم في تبديد الحرارة، دون زيادة مساحة الجهاز. بينما يمكن تعزيز القدرة بزيادة جهد المصرف (VDS)، قد يؤدي التأين الناتج إلى تدهور خصائص SLCFET.

ثم هناك قفل الترانزستور. هنا، يبقى الجهاز في حالة التشغيل رغم أنه مُجهَّز بجهد بوابة في حالة الإيقاف (VGS)، وهو تأثير معروف جيدًا في الأجهزة القائمة على السيليكون. ومع ذلك، يقلل الفجوة النطاقية العالية لغاليوم نيتريد من التأين الناتج. وقد أكد الباحثون مسبقًا حدوث التأين الناتج في تشغيل SLCFETs في حالة التشغيل.

تحسين أداء غاليوم نيتريد من خلال تأثير القفل

تُظهر نيتريد ألومنيوم غاليوم (AlGaN) أو نيتريد غاليوم (GaN) القائم على SLCFETs واعدًا كقاعدة لمضخمات وتبديلات التردد الراديوي عالية القدرة في رادارات المستقبل المتقدمة.

أظهرت هذه الترانزستورات أفضل أداء في نطاق ترددات حزمة W، التي تتراوح من 75 جيجاهرتز إلى 110 جيجاهرتز. ومع ذلك، كانت العلوم وراء ذلك غير معروفة حتى الآن.

وفقًا للدراسة المنشورة في مجلة Nature Electronics¹، فإنها “تأثير القفل في غاليوم نيتريد، الذي يتيح الأداء العالي للتردد الراديوي.”

مع التعرف الآن على هذا التأثير، سعى الفريق لمعرفة مكان حدوثه بالضبط. استخدموا قياسات كهربائية فائقة الدقة ومجهرًا بصريًا في آنٍ واحد لدراسة التأثير بشكل أعمق وفهمه بشكل أفضل.

بعد تحليل أكثر من 1,000 زعنفة، حدد الباحثون التأثير على أوسع زعنفة. للتحقق أكثر من الملاحظات، بنى الفريق نموذجًا ثلاثي الأبعاد باستخدام محاكي.

“تشير قياسات التيار–الجهد، والمحاكاة، والانبعاث الكهرولومينسنت المرتبط بحالة القفل إلى أن تفعيل التأين الناتج المحلي المعتمد على عرض الزعنفة هو المسؤول عن القفل”، حسب ما أوردت الدراسة، مضيفةً أن هذا التمركز يُعزى إلى وجود تباين في عرض الزعنفة، نتيجة لتقلبات عملية التصنيع.

بعد ذلك، تناول الفريق جوانب موثوقية التأثير للتطبيقات العملية. أظهر الاختبار الدقيق للجهاز على مدى فترة طويلة أن تأثير القفل لا يسبب أي ضرر على أداء الجهاز أو موثوقيته.

حالة القفل، وفقًا للدراسة، قابلة للعكس ولا تتدهور، ويمكن أن تؤدي إلى تحسين خصائص الترانسكوندكتانس للترانزستورات، مما يعني تحسين الخطية والطاقة في مضخمات الطاقة ذات التردد الراديوي.

“وجدنا أن الجانب الرئيسي الذي يدفع هذه الموثوقية هو طبقة رقيقة من العزل حول كل زعنفة.”

– البروفيسور كوبال، رئيس أكاديمية الهندسة الملكية في التقنيات الناشئة

يقود كوبال مركز التصوير الحراري للأجهزة والموثوقية (CDTR)، ويساعد في تطوير أجهزة إلكترونية من الجيل التالي لأشباه الموصلات للاتصالات وتكنولوجيا الرادار، ولتحقيق صافي انبعاثات صفرية. يعمل CDTR أيضًا على تحسين إدارة الحرارة للجهاز، وأدائه الكهربائي، وموثوقيته من خلال أشباه الموصلات ذات الفجوة النطاقية الواسعة والفائقة.

النتيجة الرئيسية للبحث، كما أشار كوبال، “كانت واضحة – يمكن استغلال تأثير القفل في عدد لا يحصى من التطبيقات العملية، مما قد يساعد في تحويل حياة الناس بطرق مختلفة على مدى السنوات القادمة.”

الآن، في الأعمال المستقبلية، سيركز الفريق على زيادة كثافة الطاقة التي يمكن للأجهزة تقديمها. سيمكنهم ذلك من تقديم أداء أعلى حتى وأكثر خدمة لجمهور أوسع.

علاوة على ذلك، سيساعد شركاء الصناعة في جعل هذه الأجهزة من الجيل التالي متاحة تجاريًا.

الاستثمار في ابتكار أشباه الموصلات

عندما يتعلق الأمر بالاستثمار في تقنية غاليوم نيتريد، MACOM (MTSI ) هي واحدة من القلائل من الشركات العامة الأمريكية التي توفر تعرضًا مباشرًا لها. تستخدم كلًا من تقنيتي GaN-on-SiC وGaN-on-Si لتمكين بنى الأنظمة من الجيل التالي عبر مجموعة واسعة من التطبيقات. تقدم الشركة مضخمات منخفضة الضوضاء مبتكرة، ومضخمات طاقة غاليوم نيتريد، ومفاتيح تغطي ترددات من التيار المستمر إلى أكثر من 100 جيجاهرتز.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings هي شركة تصنيع منتجات أشباه الموصلات عالية الأداء للاتصالات وكذلك لصناعات أخرى.

تخدم الشركة أكثر من 6,000 عميل سنويًا من خلال محفظة منتجاتها الواسعة التي تشمل تقنيات أشباه الموصلات التناظرية، والميكروويف، وترددات الراديو (RF)، والخلط الإشاري، والبصرية. تتخصص MACOM في تطبيقات وتصنيع أشباه الموصلات المركبة، بما في ذلك GaAs، وGaN، وInP، والسيليكون المتخصص، وتصميم الدوائر التناظرية والخلط الإشاري، والتعبئة المتقدمة، وتجميع واختبار الخلفية.

حصلت الشركة على عدة شهادات، بما في ذلك معيار الفضاء الجوي AS9100D، ومعيار السيارات IATF16949، ومعيار الجودة الدولي ISO9001، ومعيار إدارة البيئة ISO14001.

عند الحديث عن أداء سوق MCOM، وبقيمة سوقية تبلغ 9 مليارات دولار، يتم تداول أسهم MTSI حاليًا عند 123.41 دولار. بينما انخفضت أسهم MTSI بنسبة 6.37٪ هذا العام حتى الآن، ارتفعت بنسبة 46.7٪ عن أدنى مستوى لها في أوائل أبريل وتبعد حوالي 15.5٪ فقط عن الذروة التي حققتها في يناير من هذا العام. وبذلك، فإن ربح السهم (TTM) هو -1.22 ومضاعف السعر إلى الربح (TTM) هو -99.66.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، أبلغت MACOM مؤخرًا عن نتائج الربع الثاني المالي الذي انتهى في 4 أبريل 2025، حيث سجلت إيرادات قدرها 235.9 مليون دولار، بزيادة 30.2٪ مقارنةً بالربع نفسه من العام السابق.

كان الدخل من العمليات 34.9 مليون دولار، أي 14.8٪ من الإيرادات، بينما كان صافي الدخل 31.7 مليون دولار، أو 0.42 دولار للسهم المخفف. ارتفع هامش الربح الإجمالي في هذه الفترة بنسبة 2.7٪ إلى 55.2٪ بينما ارتفع الهامش الإجمالي المعدل بنسبة 0.4٪ إلى 57.5٪.

عند التعليق على “أداء الربع الثاني القوي” للشركة، أشاد الرئيس التنفيذي ستيفن ج. دالي بـ “العمل الجماعي الاستثنائي عبر كامل منظمة MACOM” الذي مكن هذا النجاح.

تلت هذه الأرقام “بداية جيدة” للسنة المالية في الربع الأول، حيث قال دالي إن تركيز الشركة لا يزال على خدمة العملاء و“بناء مجموعة منتجات أقوى وأوسع وأكثر تنافسية.”

في الربع الأول من عام 2025، بلغت إيرادات MACOM 218.1 مليون دولار، بزيادة 38.8٪ مقارنةً بالربع الأول من عام 2024، وكان الدخل من العمليات 17.5 مليون دولار، أي 8٪ من الإيرادات. في الربع السابق، أبلغت الشركة عن صافي خسارة قدرها 167.5 مليون دولار، أو خسارة 2.30 دولار للسهم المخفف، بسبب خسارة مرة واحدة قدرها 193.1 مليون دولار نتيجة إلغاء الدين.

الآن، للربع الثالث المالي الذي ينتهي في 4 يوليو 2025، تتوقع MACOM إيرادات تتراوح بين 246 مليون و254 مليون دولار. وتتوقع أن يكون الهامش الإجمالي المعدل بين 56.5٪ و58.5٪، وربح السهم المخفف المعدل بين 0.87 دولار و0.91 دولار، باستخدام معدل ضريبة دخل غير GAAP بنسبة 3٪ و76.5 مليون سهم مخفف قائم.

وسط كل هذا، استمرت MACOM في توسيع أعمالها من خلال الاستثمارات.

في يناير من هذا العام، أعلنت MACOM عن خطة استراتيجية للاستثمار بما يصل إلى 345 مليون دولار على مدى خمس سنوات في مرافق تصنيع الرقائق في ماساتشوستس وكارولاينا الشمالية. هدف الاستثمار هو تحديث المرافق الحالية وإدخال قدرات تصنيع متقدمة لتقنيات RF والميكروويف وموجات المليمتر بهدف تعزيز عروض منتجات MACOM لمراكز البيانات والاتصالات وصناعات الدفاع.

في مرفقها بولاية ماساتشوستس على وجه التحديد، ستقوم الشركة بتركيب قدرة تصنيع غاليوم نيتريد على سيليكون كربيد (GaN-on-SiC) بحجم 150 مم.

قال دالي: “ستعزز هذه الخطة قدرات تصنيع أشباه الموصلات المحلية لشركة MACOM”، مضيفًا أنها ستسرّع أيضًا استراتيجية نمو الشركة.

تدعم هذه المبادرة اتفاقية تمهيدية مع مكتب برنامج CHIPS، الذي خصص إجمالي 39 مليار دولار لتوفير حوافز للاستثمار في المرافق والمعدات في الولايات المتحدة. يقترح 180 مليون دولار من التمويل والاعتمادات الضريبية لشركة MACOM بموجب قانون CHIPS والعلوم.

قبل بضعة أشهر من ذلك، استحوذت MACOM على شركة أشباه الموصلات غير المملوكة للمصنع تسمى ENGIN-IC، التي تصمم دوائر مدمجة ميكروويف متقدمة (MMICs) من غاليوم نيتريد بهدف خدمة أسواقها المستهدفة بشكل أفضل والحصول على حصة سوقية أكبر.

يركّز ENGIN-IC في الواقع على خدمة صناعة الدفاع الأمريكية ويفتخر بمحفظة منتجات تتضمن أكثر من 60 MMIC قياسي والعديد من MMIC المخصصة.

قال دالي في ذلك الوقت: “ستُمكّن خبرة ENGIN-IC الاستثنائية في تصميم MMIC واسع النطاق وعالي الكفاءة من دعم عملائنا المشتركين بشكل أفضل”، بينما عبّر المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي للتقنية في ENGIN-IC، ستيفن نيلسون، عن حماسه “لأن يكون جزءًا من جهود MACOM لقيادة الصناعة في عمليات ومنتجات أشباه الموصلات من غاليوم نيتريد.”

الخلاصة

الجيل السادس هو الجيل التالي من التكنولوجيا للاتصالات اللاسلكية التي تعد بسرعات أعلى واتصالًا أكثر كفاءة. تحقيق هذا المستقبل من التواصل العالمي، والأتمتة، والتجارب الافتراضية الغامرة، يعتمد على التقدم في أشباه الموصلات. مادة أشباه الموصلات، غاليوم نيتريد، بخصائصها الفريدة من السرعة الأعلى، والمقاومة الأقل، وجهد الانهيار الأعلى، تُظهر إمكاناتها في إحداث ثورة في الإلكترونيات والاتصالات.

الاختراق الأخير في SLCFETs القائمة على غاليوم نيتريد، التي تستفيد من بنى الترانزستورات الجديدة وتكشف آليات تأثير القفل، يدفع حدود ما هو ممكن في أداء أشباه الموصلات ذات التردد العالي.

الابتكار يجعل مسار تحقيق الجيل السادس أكثر وضوحًا من أي وقت مضى من خلال إظهار كل من الأداء القابل للتوسيع والموثوقية القوية.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم معدات أشباه الموصلات.

الدراسات المشار إليها:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). أجهزة غاليوم نيتريد متعددة القنوات مع تأثير القفل الذي ينتج انحدارات تحت العتبة أقل من 60 مللي فولت لكل عقدة لتطبيقات التردد الراديوي. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5