رقائق سيليكون جرمانيوم في صناعة ليزرات متطورة

يعتــبر السيليكون المادة الأساســية لصــناعة وتكنــولوجــيا انصــاف الموصـلات العــالميـة (Semi-conductors) التي تشكل أكثر من 95 في المئة من مواد التصنيع لأسواق الأجهزة والرقائق الالكترونية العصرية المستخدمة في المجالات المدنية والحربية.
ويبدو من اهم الاسباب الكثيرة لهيمنة اجهزة ورقائق السيلكون على اسواق الالكترونيات الدقيقة هو كلفة التصنيع الزهيدة. كما وتوجد خواص السيليكون الطبيعية الاخرى كذلك خصوصا تلك المتعلقة بنمو المواد العازلة، كجزء اساسي من هذه التقنية، كأوكسيد السيليكون (SiO2) ونترات السيليكون (SiN3) إذ يضاف هذان النوعان من المواد العازلة إلى الترانزستورات المصنعة على الرقائق العصرية لتمنع تسرب التيار ثم زيادة كفاءة عمل الرقائق وحسن ادائها. وايجابية وسهولة اضافة هذه المواد العازلة هي التي سمحت لمادة السيليكون في سيادته على السوق الالكترونية حتى على مواد افضل واسرع امثال غاليوم ارسنايد (GaAS) وانديوم فوسفات (InP) وغير ذلك.
وقد استثمرت عشرات المليارات من الدولارات في عقد الثمانينات من القرن العشرين لتطوير رقائق غاليوم ارسنايد ليتسنى لها استبدال تكنولوجيا السيليكون بالكامل. فقدرة حاملات الشـحنات، كالالكترونات، في المواد غاليوم ارسنايد او مواد الاخرى من انصـاف الموصلات المركبة (Compound Semi-conductors) في الحركة اضعاف ما هي عليه في مواد السيليكون مما يجعل رقائق غاليوم ارسنايد وغيرها مفيدة للغاية في تطبيقات التردد العالي واهمية استخدامها في اجهزة الاتصالات المتقدمة كالهواتف المحمولة والاقمار الاصطناعية وغير ذلك.
ولم تعط الاستثمارات الكبيرة النتائج المرجوة بسبب الكلفة الباهضة لتصنيع الرقائق من مواد غاليوم ارسنايد وغيرها من المواد المركبة فضلا، وربما السبب الاساسي، الصعوبة البالغة في نمو أو اضافة المواد العازلة على هذه الرقائق مقارنة مع تكنولوجيا السيليكون.
وتشير البحوث والتطبيقات الحديثة جدا إلى امكان ضم مادة السيليكون إلى مادة الجرمانيوم «Germinium» لتطوير رقائق سيليكون جرمانيوم (Chips SiGe) الرفيعة والمتطورة للتغلب على اهم سلبيات السيليكون وهو سرعة العمل في تطبيقات التردد العالي (اكثر من 40 غيغاهرتز).
المعالجات المتطورة
تحتوي المعالجات الحديثة كباور بي. سي (Power PC) ورقائق البنتيوم (Chips Pentium) على ما يقارب 11 مليون ترانزستور الذي يكلف صناعة كل واحد منها 0,003 سنتا من الدولار فقط. وتنبأت جمعية صناعات اشباه الموصلات الاميركية في خريطتها العام 1998 بارتفاع اعداد الترانزستورات المصنعة على شرائح السيليكون «Si Wafers» إلى 1,4 مليار ترانزستور في العام 2021. وهذا يعني 180 مليون ترانزستور للسنتميتر المربع الواحد، مع توقعات بانخفاض اسعار تصنيع الترانزستور الواحد إلى 50 مايكرو ســـنت (مايكرون جزء من الملـــيون من السنت)، وزيــادة في ســـعة الخــزن لذاكرات الكومــبيوتر امثــال درام (DRAM) بمعدل كبير وملحوظ.
وهذا النمو الدليلي «Exponential»، المعروف بقانون مور، الذي ينص على مضاعفة اعداد الترانزستورات المصنعة على الرقائق كل 18 شهرا، يسمح للكمبيوترات في مضاعفة سرعة عملها وهبوط اسعار تصنيعها للنصف خلال الفترة نفسها.
ولا يمكن استخدام رقائق السيليكون في تطبيقات التردد العالي لدارات المرسلات والمستقبلات في الاجهرزة المحمولة والانظمة الشاملة للاقمار الصناعية (GPS) بسبب معاناة ترانزستورات السيليكون من مستوى عال من التشوش مما يؤثر على سرعة حركة الالكترونات، كما اشرنا، مقارنة مع اجهزة غاليوم ارسنايد. لذلك فإن جمع مادة اخرى من انصاف الموصلات ومن مجموعة السيليكون نفسها في الجدول الدوري للعناصر الكيماوية كالجرمانيوم مع السيليكون يحسّن من سرعة عمل واداء الترانزستورات والدارات المكونة للرقائق مما يعطي آفاقا جديدة ويخلق تطبيقات كثيرة.
وصناعة اجهزة سيليكون جرمانيوم (SiGe) تمكن من التهندس بالفسحة الفاصلة المسماة بـ Bandgap (فرق الطاقة بين المستويات العالية والمنخفضة في مواد انصاف الموصلات) ثم المساهمة في تغيير سرعة حركة الالكترونات وتقليل التشوش واعطاء الاجهزة والمواد الجديدة خواص جديدة وكثيرة. فتمكن ترانزستورات (SiGe) مثالا لا حصرا العمل بسرعة 120 غيفاهرتز (نظريا) مع حسن ادائها عمليا في حدود 80 غيغاهرتز. وهذا الرقم اكثر من 50 في المئة من معظم الترانزستورات الحالية (المصنعة من مادة السيليكون فقط) التي تصل سرعة عملها القصوى في حدود 30 غيغاهرتز. وهذا يمكن مرونة اكثر لتصــميم الدارات والرقائق الجديدة وربما الاهم استخدام تقنيات وادوات رقائق السيليكون التقليدية نفســها لتصنيع رقائق السيليكون جرمانيوم الجديدة والسريعة.
وحقيقة الحال ان انتاجات اجهزة سيليكون جرمانيوم متوافرة الآن التي تتضمن مكبرات الكترونية قليلة التشويش المستخدمة في الهواتف المحمولة وانظمة النقل السريع للمعلومات في شبكات الهواتف والانترنت.
وتشير التوقعات إلى نمو سوق اللاسلكي والاجهزة الرقيمة من مواد سيليكون جرمانيوم إلى ما يقارب مليارين من الدولارات العام 2005.
التطبيقات الرفيعة
ستشمل التطبيقات المستقبلية في السنين القليلة المقبلة، كما يذكر الخبراء والتكنلوجيون، بناء اجهزة سريعة ومتطورة من انظمة ثنائية (سبائك) للسيليكون/ سيليكون جرمانيوم التي ستحل كثيرا من المشكلات بتكنولوجيا السيلكيون فضلا عن تطوير فيزياء جديدة لدراسة مواد جديدة ونافعة.
وتقترح كثير من مجاميع البحوث باستخدام الانظمة الثنائية لسيليكون/ سيليكون جرمانيوم في بناء كمبيوترات الكم. اما التطبيقات الاخرى التي يتوقع لها جني الارباح الكبيرة فهي استخدام قدرات التصنيع المرنة في الانظمة الثنائية لصناعة اجهزة الليزر من مواد سيليكون جرمانيوم (تصنع اجهزة الليزر حاليا من مواد اشباه الموصلات المركبــة كغــاليوم ارسنايد فقط).
وتوجد تطبيقات متقدمة لمواد واجهزة سيليكون جرمانيوم في صناعة ليزرات الكم المسلسلة والغزيرة «پuantum Laser Cascade». وهذا النوع من استعمالات الليزر الرفيعة التي صنعت من مواد انصاف الموصلات المركبة قبل بضعة سنين يمكن الآن تركيبها من المزيج الجديد لتقنية سيليكون جرمانيوم. واحدى ايجابيات ليزرات الكم المسلسلة والغزيرة، والمهندسة بشكل خاص والمختلفة عن الليزر الاعتيادي، انها تتمكن من بعث الضوء في منتصف منطقة تحت الحمراء (ذات طول موجي اكثر من 8 مايكرون) من الطيف الشمسي. وهذا يمكن ليزرات تحت الحمراء استخدامها في اتصالات البث العريض والعالي «Width -High Band» واجهزة التصوير الطبي واجهزة مراقبة الحقائب في المطارات فضلا عن تطبيقات كثيرة في تكنولوجيا المجسات الذكية