مع استمرار التوسع في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي (AI) والوحدات الضوئية 800G/1.6T وتكنولوجيا الضوئيات السليكونية، أصبحت الاتصالات الضوئية مرة أخرى محركًا رئيسيًّا للابتكار في مجال أشباه الموصلات. ومن بين المواد التي تمكّن من إنشاء شبكات الجيل التالي من الشبكات الضوئية،, فوسفيد الإنديوم (InP) تتمتع هذه المادة بمكانة فريدة بفضل فجوة الطاقة المباشرة فيها، وحركة الإلكترونات العالية، وخصائصها الضوئية الإلكترونية الممتازة.
يُعد InP الركيزة الأساسية لمجموعة واسعة من مواد أشباه الموصلات المركبة من الفئة III-V، بما في ذلك InGaAsP وInAlGaAs، والتي تُستخدم في تصنيع ليزرات الموجة المستمرة، وليزرات التغذية الراجعة الموزعة (DFB)، وليزرات التعديل بالامتصاص الكهربائي (EMLs)، وأجهزة الكشف الضوئي، والدوائر الضوئية المتكاملة (PICs). وتعد هذه الأجهزة حاسمة للتشغيل ضمن نطاقي الاتصالات الضوئية 1.3 ميكرومتر و1.55 ميكرومتر.
ولكن كيف يتم إنتاج رقاقة InP عالية الجودة فعليًّا؟
1. تصنيع الفوسفيد البوليكريستالي (InP): إنتاج المادة الأولية
تبدأ عملية التصنيع بتخليق فوسفيد الإنديوم متعدد البلورات عالي النقاء.
من الناحية الكيميائية، فإن التفاعل بسيط:
الإنديوم + الفوسفور → فوسفيد الإنديوم
ومع ذلك، فإن التحديات الهندسية كبيرة.
يذوب الإنديوم عند حوالي 156.6 درجة مئوية ويتحول إلى سائل عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا. أما الفوسفور فيشكل تحديًا أكبر لأن مركب InP يذوب عند حوالي 1060–1070 درجة مئوية، حيث يظهر الفوسفور ضغط بخار مرتفعًا جدًّا. فإذا تبخر الفوسفور أثناء المعالجة، يصبح المذاب غنيًّا بالإنديوم، مما يخل بالتوازن الكيميائي ويؤدي محتملًا إلى عيوب بلورية، وعدم تجانس في التركيب، وتباينات كهربائية.
طرق التوليف الأفقي
أحد الأساليب الصناعية الشائعة هو بريدجمان الأفقي (HB) أو تجميد التدرج الأفقي (HGF) الطريقة.
في هذه الأنظمة، يُوضع الإنديوم والفوسفور في منطقتين مختلفتين داخل أمبولة محكمة الإغلاق. ويتم الحفاظ على مصدر الفوسفور عند درجة حرارة أقل لتنظيم ضغط بخار الفوسفور، بينما تُسخَّن منطقة الإنديوم لتعزيز التفاعل مع بخار الفوسفور. ثم يتصلب مذيب InP الناتج لاحقًا تحت تدرج حراري مُحكَم، مكونًا قوالب متعددة البلورات.
وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه الطريقة في التحكم المستقل في ضغط الفوسفور، مما يساعد على تحسين استقرار العملية.
التخليق المباشر في الموقع
وهناك نهج ثانٍ وهو التخليق في الموقع, ، حيث يتم تكوين مادة InP ونمو البلورات ضمن نفس بيئة الضغط العالي أو نظام البوت.
يقلل هذا المسار المتكامل من عمليات مناولة المواد ومخاطر التلوث وفقدان المحصول من خلال التخلص من خطوات التفريغ والتنظيف الوسيطة. ومع ذلك، فإنه يتطلب تحكمًا دقيقًا للغاية في ضغط الفوسفور وحركيات التفاعل والتناسب الكيميائي.
2. نمو البلورة الأحادية: تحويل المواد متعددة البلورات إلى كتل بلورية
بعد تصنيع مادة InP متعددة البلورات، يجب تحويلها إلى بلورة أحادية مناسبة لإنتاج الرقائق.
عادةً ما تتخذ بلورات InP التجارية الشكل البنية البلورية لبلندة الزنك, ، وهي شبكة مكعبة تُزرع عادةً وفق اتجاهات مثل (100) أو (111) أو أشكالها المشتقة. ويتم تحديد اتجاه البلورة بواسطة بلورة بذرة، ثم يتم التحقق منه لاحقًا باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية.
يتم بعد ذلك تقطيع الكتلة البلورية الناتجة إلى شرائح، ثم صقلها، وتلميعها، وفحصها لإنتاج رقائق InP صالحة للاستخدام في الأجهزة.
طريقة تشوكرالسكي المغلفة بالسائل (LEC)
أكثر تقنيات النمو التجارية انتشارًا هي طريقة تشوكرالسكي المغلفة بالسائل (LEC) الطريقة.
في هذه العملية، يُحتجز الفوسفور البوروني المنصهر (InP) داخل غرفة عالية الضغط وتُغطى بطبقة من أكسيد البورون المنصهر (B₂O₃). ويقوم مادة التغليف السائلة بمنع تبخر الفوسفور وتحقيق استقرار تركيبة المادة المنصهرة.
يُوضع بلورة نواة على سطح المادة المنصهرة ثم يُسحب ببطء مع تدويره، مما يسمح بنمو بلورة واحدة نحو الأعلى.
تشمل المزايا ما يلي:
- تنفيذ صناعي ناضج
- التحكم المرن في معلمات النمو
- القدرة على معالجة بلورات ذات أقطار كبيرة نسبيًا
تشمل التحديات ما يلي:
- توليد الإجهاد الحراري
- تشكل الخلع
- مخاطر تشقق الكريستال
التجميد بالتدرج الرأسي (VGF)
إن التجميد بالتدرج الرأسي (VGF) تُعد هذه التقنية طريقة إنتاجية مهمة أخرى.
يتم تحميل المادة الخام متعددة البلورات وبلورة البذرة في بوتقة موجهة عموديًا. وبعد الصهر، يستمر نمو البلورات من خلال عملية تصلب محكومة مدفوعة بتدرج حراري عمودي.
وعلى عكس عملية LEC، يظل البلور داخل البوت طوال العملية.
تشمل المزايا ما يلي:
- انخفاض الإجهاد الحراري
- تحسين تجانس البلورات
- انخفاض كثافة الخلع
بريدجمان العمودي (VB)
إن بريدجمان العمودي (VB) وتستند هذه العملية أيضًا إلى التصلب الاتجاهي.
يتحرك إما البوت أو الحقل الحراري بالنسبة لبعضهما البعض، مما يؤدي إلى مرور المادة المنصهرة تدريجيًّا عبر تدرج حراري. ويبدأ التصلب من طرف البذرة ويتقدم عبر حجم البلورة بأكمله.
في حين تعتمد طريقة VGF بشكل أساسي على التغير المبرمج في درجة الحرارة، فإن طريقة VB تستخدم عادةً الحركة الميكانيكية لدفع واجهة التصلب إلى الأمام.
3. لماذا يصعب إنتاج رقائق InP ذات القطر الكبير؟
بالمقارنة مع رقائق السيليكون، التي وصل إنتاجها الضخم إلى 300 ملم (12 بوصة)، لا يزال تصغير حجم رقائق InP يمثل تحديًا أكبر بكثير.
لا تزال الرقائق مقاس 2 بوصة و3 بوصات و4 بوصات تهيمن على الإنتاج التجاري لـ InP، في حين تظل رقائق InP مقاس 6 بوصات هدفًا تصنيعيًّا متطورًا.
هناك عدة عوامل تحد من توسع القطر:
- ارتفاع ضغط بخار الفوسفور أثناء النمو
- متطلبات متناسبة كيميائيًا صارمة
- زيادة الإجهاد الحراري في البلورات الأكبر حجمًا
- قابلية أكبر للتشقق
- احتمال أكبر لحدوث الاضطرابات والعيوب التوأمية
- زيادة حالات كسر الرقائق أثناء المعالجة
مع زيادة قطر البلورة، يصبح الحفاظ على سلامة البنية والتجانس الكهربائي أمراً يزداد صعوبة.
4. النمو الفوقي: بناء هياكل الأجهزة الوظيفية
لا تؤدي الركيزة المصنوعة من الفوسفور البوروني (InP) وحدها أي وظائف بصرية.
تتحقق الوظائف الفعالة لأجهزة الليزر وأجهزة الكشف الضوئي وأجهزة التعديل والدوائر الضوئية المتكاملة من خلال النمو الفوقي لطبقات أشباه الموصلات المصممة بعناية.
تشمل المواد الفوقبلورية الشائعة ما يلي:
- InGaAsP
- InAlGaAs
- InGaAs
- InAlAs
- InP
وتتكون هذه المواد من:
- المناطق النشطة
- الآبار الكمومية المتعددة (MQWs)
- الموجات الضوئية
- طبقات العزل
- طبقات التلامس
تكتسب هياكل الآبار الكمومية من نوع InGaAsP وInAlGaAs أهمية خاصة لأنها تتيح انبعاثًا وامتصاصًا فعالين للضوء عند أطوال موجية تقارب 1.3 ميكرومتر و1.55 ميكرومتر.
الترسيب الكيميائي للبخار المعدني-العضوي (MOCVD)
التقنية السائدة في مجال الترسيب الطبقي الصناعي هي MOCVD.
تتفاعل السلائف المعدنية-العضوية والغازات المحتوية على الفوسفور أو الزرنيخ مع أسطح الرقائق المسخنة، مما يؤدي إلى تكوين طبقات فائقة التحكم من النوع الفوقي، وهي مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة.
التنمية بالبخار الجزيئي (MBE)
فيما يتعلق بالبحوث وهياكل الأجهزة المتخصصة،, MBE يُستخدم في كثير من الأحيان.
تعمل تقنية MBE في ظروف فراغ شديد للغاية، وتتيح التحكم في سماكة الطبقات والواجهات على المستوى الذري. ورغم أنها توفر دقة استثنائية، إلا أن انخفاض معدل إنتاجها يحد من استخدامها في التصنيع على نطاق واسع.
5. المعدات والمواد الأولية
تمتد سلسلة التوريد الخاصة بتصنيع InP إلى ما هو أبعد من ذلك بكثير فرن نمو البلوراتs.
معدات تصنيع البوليكريستال
تشمل المعدات النموذجية ما يلي:
- أفران التوليف الأفقية متعددة المناطق
- أنظمة التفاعل عالية الضغط
- أمبولات الكوارتز
- بوتقات من نيتريد البورون الحراري (PBN)
- أنظمة التحكم في ضغط الفوسفور
معدات نمو البلورات
تشمل المنصات الرئيسية لنمو البلورات ما يلي:
- أدوات السحب عالية الضغط من LEC
- أفران VGF
- أنظمة بريدجمان العمودية
لا يعتمد النجاح على الأجهزة فحسب، بل يعتمد أيضًا على التصميم الخاص للمجال الحراري، وإدارة الضغط، والمعرفة الفنية في مجال نمو البلورات.
معدات التلبيد الشمعي
لا يزال سوق معدات الترسيب الفوقي العالمي يتسم بدرجة عالية من التركيز، حيث تشمل الشركات الرائدة في هذا القطاع ما يلي:
- AIXTRON
- Veeco
في الصين، تعمل شركات مثل «Micro-Fabrication Equipment Inc.» (AMEC) و«NAURA Technology» بنشاط على تطوير تقنيات ترسيب أشباه الموصلات من الفئة III-V.
6. أصل الإنديوم: الأساس الخفي لصناعة الفوسفيد الإنديومي (InP)
أحد الجوانب التي غالبًا ما يتم تجاهلها في إنتاج الفوسفوريد (InP) هو مصدر الإنديوم نفسه.
على عكس السيليكون، نادرًا ما يتم استخراج الإنديوم مباشرةً. ويُستخرج الإنديوم في المقام الأول كمنتج ثانوي لتكرير الزنك، وبدرجة أقل من أنظمة الخامات المرتبطة بالرصاص والزنك والقصدير.
ونتيجة لذلك، يرتبط العرض العالمي من الإنديوم ارتباطًا وثيقًا بأنشطة تعدين الزنك وصهره.
لا تزال الصين واحدة من أهم المناطق المنتجة للإنديوم في العالم، حيث تمتلك موارد كبيرة مرتبطة برواسب متعددة الفلزات في مقاطعات مثل هونان ويوننان.
الخاتمة
يُعد تصنيع فوسفيد الإنديوم عملية بالغة التعقيد تشمل كيمياء المواد، والديناميكا الحرارية، وهندسة نمو البلورات، والترسيب الفوقي، ومعالجة أشباه الموصلات.
بدءًا من تصنيع مادة أولية من InP متعدد البلورات وصولاً إلى زراعة بلورات أحادية خاضعة للرقابة على العيوب وترسيب هياكل فائقة التطور من نوع III-V باستخدام تقنية الترسيب الفوقي، تتطلب كل مرحلة تحكماً دقيقاً في التركيب، ودرجة الحرارة، والضغط، وجودة البلورة.
مع استمرار التوسع في البنية التحتية للذكاء الاصطناعي، والاتصالات الضوئية المتسقة، والدوائر الضوئية المتكاملة، من المتوقع أن يظل الفوسفور البورونيوم (InP) أحد أهم المواد شبه الموصلة من الناحية الاستراتيجية لتقنيات الضوئيات عالية السرعة خلال العقود القادمة.