في الآونة الأخيرة، حققت شركة شنغهاي غاتشي باور للتكنولوجيا المحدودة (المشار إليها فيما يلي بـ"غاتشي باور")، الواقعة في منطقة تجمع الجيل الرابع ونصف من أشباه الموصلات بشنغهاي، تقدماً بالغ الأهمية في مجال أشباه الموصلات فائقة العرض للنطاق المحظور، حيث أكملت التحقق من الطباعة التكاملية للمرحلة الأولى من الجيل الأول لرقاقة MOSFET العمودية المصنوعة من أكسيد الغاليوم (β-Ga₂O₃). واعتماداً على الابتكار في بنية الجهاز والتطوير الذاتي للعمليات الجوهرية، نجح الفريق في تطوير أول جهاز MOSFET عمودي من أكسيد الغاليوم من النوع المعزز على مستوى العالم يتجاوز فيه تيار التوصيل 1 أمبير ويتجاوز جهد الانهيار 900 فولت، محققاً أرقاماً قياسية دولية جديدة في عدة خصائص جوهرية، ومفتحاً المسار الحرج لتسويق أجهزة قدرة أكسيد الغاليوم، وهو ما يمثل قفزة تكنولوجية رائدة للصين في مجال الأجهزة الجوهرية لأشباه الموصلات من الجيل الرابع.

رسم توضيحي لنتائج البحث. صورة مقدمة من الجهة المستطلعة.

يُعدّ أكسيد الغاليوم مادة جوهرية من الجيل الجديد لأشباه الموصلات فائقة العرض للنطاق المحظور، ويتميز بشدة مجال انهيار فائقة العلو وخسائر توصيل منخفضة ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة، مما يجعله اتجاهاً مهماً لتطوير أجهزة القدرة عالية الجهد وعالية الكفاءة، ويمكن استخدامه على نطاق واسع في المعدات المتقدمة للطاقة الجديدة والطاقة الكهربائية الصناعية المتقدمة والشبكات الذكية وأنظمة تخزين الطاقة وغيرها من المجالات، كما يُعدّ مرتفعاً استراتيجياً تتنافس عليه صناعة أشباه الموصلات للقدرة عالمياً.

ووفقاً لما ذكره الفريق التقني، فقد ظلت مشكلة الإشابة بالحقن من النوع p المستقر والقابل للتحكم تمثل عنق زجاجة تقنياً عالمي المستوى أمام زيادة قدرة أجهزة MOSFET المصنوعة من أكسيد الغاليوم وتسويقها. وبسبب هذه العقبة، تعاني أجهزة MOSFET العمودية المصنوعة من أكسيد الغاليوم على مستوى العالم عموماً من ضعف قدرة التوصيل وعدم كفاية تحمل الجهد وارتفاع التسرب. وقبل ذلك، لم تكن هناك في الأدبيات المنشورة والتقارير الصناعية أي نتائج لأجهزة يتجاوز فيها تيار التوصيل مستوى الأمبير، مما أبطأ بشكل كبير عملية تصنيع أكسيد الغاليوم تجارياً.

وفي مواجهة هذه المشكلة المشتركة في القطاع، خرج الفريق التقني لشركة غاتشي باور عن مسارات البحث والتطوير التقليدية، وشنّ جهوداً منهجية لمعالجة التحديات التقنية، محققاً اختراقين جوهريين أصليين. فعلى صعيد بنية الجهاز، طوّر الفريق بنية خلية MOSFET جديدة خاصة بأكسيد الغاليوم وبنية طرفية مخصصة، مع ضبط دقيق للبنية الداخلية للجهاز وتوزيع المجال الكهربائي، مما عزز بفعالية استقرار الجهاز وقدرته على تحمل جهد الانهيار. وعلى صعيد العمليات، تمكن الفريق من التغلب على عملية الحقن الأيوني ذات المحاذاة الذاتية للقناة في MOSFET المصنوع من أكسيد الغاليوم، وحلّ مشكلات التحضير الدقيق للقناة في الأجهزة العمودية والتحكم المتجانس في الإشابة، وبنى منظومة عمليات مخصصة تتلاءم مع أجهزة أكسيد الغاليوم عالية القدرة، وأكمل بنجاح الجولة الأولى الكاملة من الطباعة التكاملية واختبارات الخصائص الكهربائية.

باحثون أثناء القياس الفعلي للبيانات. صورة مقدمة من الجهة المستطلعة.

ووفقاً للمعلومات، بلغت البيانات الفعلية المقاسة من هذه الطباعة التكاملية أفضل مستوى دولي في الفترة نفسها، مع قيمة تصنيعية بارزة. أولاً، طوّر الفريق عملية حقن أيوني ذات محاذاة ذاتية للقناة تتلاءم مع بنية MOSFET العمودية المصنوعة من أكسيد الغاليوم، مما سدّ فراغاً في عمليات الأجهزة عالية القدرة في القطاع، وأرسى أساساً عملياتياً للتصنيع الواسع النطاق لأجهزة MOSFET المصنوعة من أكسيد الغاليوم بمستوى الأمبير ومواصفات أعلى. ثانياً، بلغ جهد العتبة المقاس للجهاز 3.9 فولت، ويمكنه العمل بثبات في الوضع المعزز، مع أداء للمعاملات يلبي متطلبات الاستخدام في أجهزة القدرة التجارية. ثالثاً، بلغ تيار التوصيل للجهاز 1.2 أمبير، والمقاومة النوعية للتوصيل 33 مللي أوم·سنتيمتر مربع. وبعد البحث في الأدبيات الأكاديمية العالمية والنتائج الصناعية المنشورة، يُعدّ هذا أول جهاز MOSFET عمودي من أكسيد الغاليوم في العالم يتجاوز فيه تيار التوصيل 1 أمبير، محققاً رقماً قياسياً تقنياً جديداً. رابعاً، صُمم هذا الجهاز وفق منصة جهد 750 فولت، وبلغ جهد الانهيار المقاس أكثر من 900 فولت، مع التحكم في تيار التسرب ضمن 3 ميكروأمبير، وهو مستوى تسرب يقترب من مستوى أجهزة القدرة التجارية الناضجة من السيليكون وكربيد السيليكون، مما يحلّ مشكلة التسرب العالي في أجهزة أكسيد الغاليوم، مع إمكانات توافق تجاري بارزة.

وقال الفريق التقني لمراسل صحيفة العلوم والتكنولوجيا اليومية: "إن نتائج هذه المرحلة من الطباعة التكاملية تحققت بشكل كامل من جدوى بنية الجهاز الأصلية لدينا ومسار عملية الحقن الأيوني المطوّرة ذاتياً، وهي خطوة رئيسية لأجهزة قدرة أكسيد الغاليوم من التحقق المبدئي في المختبر إلى التطبيق الهندسي التجاري."

ووفقاً للمعلومات، ستواصل غاتشي باور في الخطوة التالية التعمق في مسار أشباه الموصلات فائقة العرض للنطاق المحظور، وتحسين بنية الجهاز ومعاملات العمليات ومنظومة مطابقة المواد ذات الطبقات الخارجية بشكل تكراري، مع الارتقاء المستمر بموثوقية الجهاز وتجانسه وأدائه الشامل، وتسريع ترقية الرقائق وتحديثها والتحقق من العينات المرسلة وتثبيت العمليات التصنيعية، بما يدعم تحقيق الصين لقفزة نوعية في صناعة أشباه الموصلات من الجيل الرابع، ويوفر الدعم للصناعات الاستراتيجية الناشئة مثل المعدات المتقدمة والطاقة الجديدة وأنظمة الطاقة الكهربائية الجديدة.