نيتريد الغاليوم (GaN)، كمادة أشباه موصلات واسعة النطاق من الجيل الثالث، تتميز بخصائص ممتازة مثل عرض فجوة نطاق كبيرة (3.4 إلكترون فولت)، وحقل كهربائي عالي الانهيار الحرج، وسرعة انجراف تشبع الإلكترونات عالية، ومقاومة إشعاع قوية. وقد أظهر آفاقا واسعة للتطبيق في مجال الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية. خاصة في المجالات المتقدمة مثل علم الفلك فوق البنفسجي، والمراقبة البيئية، والاتصالات الفضائية، يمكن لكاشف GaN الضوئي، مثل صمامات الانهيارات الثلجية (APDs)، تحقيق كشف حساسية عالية على مستوى الفوتون الواحد. بغض النظر عن بنية الجهاز، فإن جودة المواد الإبيتاكسيالية - بما في ذلك اختيار الركيزة، تصميم طبقة المخازن، توزيع التطعيم، التحكم في كثافة العيوب، وغيرها - تحدد مباشرة أداء نواة APD، مثل التيار الداكن، والكسب، وجهد الانهيار، والموثوقية.

1. الأساسيات الإبيتاكسية لاضطرابات APD المعتمدة على GaN

1.1 اختيار الركيزة

ركائز GaN الضخمة نادرة ومكلفة، لذا يتم إجراء معظم عمليات البناء على الجين على ركائز غير متجانسة. فيما يلي مقارنة بين الركائز الشائعة ومعاملاتها الرئيسية:

التحديات الرئيسية مع الركائز غير المتجانسة هي التفاوتات الكبيرة في الشبكة والحرارة، والتي يجب معالجتها من خلال تقنية طبقة العزل لتحرير الإجهاد وانزلاقات المرشح. على سبيل المثال، زراعة GaN على ركائز السيليكون عادة ما تستخدم طبقة نواة AlN وطبقة مؤقتة متدرجة (Al,Ga)N; على ركائز الياقوت، غالبا ما يستخدم طبقة نواة GaN أو AlN منخفضة الحرارة.

1.2 تصميم طبقة المخزن المؤقت

تعمل طبقة العزل على منع امتداد عيوب الركيزة إلى الطبقة الإبيتاكسيالية وإدارة الإجهاد الحراري. أبلغ حمداوي وآخرون (2024) عن بنية APD عالية الجودة من GaN على Si باستخدام شبكة فائقة بسماكة تقارب 1.5 ميكرومتر (Al,Ga)N مع طبقة نووية عالية الحرارة من AlN، مما حقق كثافة انزلاقات خيوط تبلغ حوالي 5×10⁸سم⁻². بالنسبة لركائز الياقوت، فإن وجود طبقة GaN منخفضة الحرارة متبوعا بطبقة GaN عالية الحرارة يقلل من كثافة الانزلاق. تصميم طبقة العزل الصحيح يمكن أيضا تعديل انحناء الرقائق وتحسين التجانس على الركائز ذات القطر الكبير.

1.3 التحكم في التطعيم وكثافة العيوب

عادة ما يستخدم التحكم في التطعيم من النوع N في إبيتاكسي GaN السيلان (SiH₄)، مع تركيزات تطهير تتراوح من 5×10¹⁵سم⁻³ (طبقة انجراف مطعمة خفيفة) إلى 5×10¹⁸سم⁻³ (طبقة تلامس n⁺). يستخدم التطعيم من النوع P بيس (سيكلوبنتادينيل) المغنيسيوم (Cp₂Mg)، ولكن بسبب طاقة التنشيط العالية للمغنيسيوم بوحدة GaN (حوالي 170 ميغا آمنيفر فولت)، فإن التلدين بدرجة حرارة عالية مطلوبة للتفعيل، وتركيز التطعيم الفعال عادة ما يكون أقل بكثير من تركيز القياس التواقي. كثافة العيوب، خاصة انزلاقات الخيوط، تزيد من تسريب التيار العكسي، وتقلل جهد الانهيار، وتؤدي إلى انهيار الجهاز المبكر. لذلك، فإن تقليل كثافة العيوب هو الهدف الأساسي للتحسين الإبيتاكسي.

2. تصميم البنية الفوق بطاقتية GaN لديودات الانهيارات فوق البنفسجية

2.1 كاشف ضوئي GaN p-i-n هيكل الكهفاء p-i-n

البنية الأساسية لكاشف GaN الضوئي هي بنية p-i-n. تسلسل الطبقة الإبيتاكسيالية النموذجي هو: على ركيزة، تنمو طبقة اتصال n⁺-GaN بشكل متتالي، طبقة i-GaN مطعمة بشكل خفيف أو مطعمة عن غير قصد (تعمل كمنطقة امتصاص وتكاثر)، وطبقة p-GaN. أبلغ لي وآخرون عن هيكل p-i-n قائم على الياقوت يعمل في وضع الإضاءة العكسية، حيث يدخل ضوء الأشعة فوق البنفسجية من جانب الياقوت وتعمل طبقة i-GaN كمنطقة الامتصاص والتكاثر الرئيسية. ومن الجدير بالذكر أن معامل تأين اصطدام الثقب في GaN أكبر من معامل الإلكترونات، لذا فإن إضاءة الجانب الخلفي (حقن الثقب في منطقة التكاثر) تقلل من الضوضاء الزائدة. تظهر الدراسات ذات الصلة أن بنية n-i-p على ركائز GaN المستقلة تقلل أكثر من كثافة التيار المظلم إلى 1.5×10⁻⁵A/cm² وتحقق مكسبا يصل إلى 10⁵.

بالنسبة لأقراص AlGaN APDs التي تتطلب خصائص عمى الشمس، يدمج الepitaxy طبقة امتصاص AlGaN عالية التركيب AlGaN (مثل Al₀.₄Ga₀.₆N) مع طبقة ضرب AlGaN منخفضة التركيب (مثل Al₀.₂Ga₀.₈N). ومع ذلك، وبسبب نقص الركائز الأصلية للهوموبيتاكسيال، يجب زراعة إبيتاكسي ألغان على ركائز الياقوت أو النينوتر، مما يؤدي إلى كثافة عيوب عالية. عن طريق إدخال طبقة من النوع n متدرجة (n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N)، يمكن تقليل كثافة التيار المظلم من 6.5×10⁻⁵A/cm² إلى أقل من 1×10⁻⁷A/cm².

2.2 تركيب الامتصاص والضرب المنفصل GaN (SAM)

يحقق هيكل SAM هندسة المجال الكهربائي عن طريق إدخال طبقة شحنة بين طبقة الامتصاص وطبقة الضرب، مما يركز مجالا كهربائيا عاليا في منطقة الضرب وحقلا كهربائيا منخفضا في منطقة الامتصاص، مما يقلل الضوضاء ويزيد من الكسب. هيكل ALGAN SAM النموذجي يشمل APD النموذجي: طبقة اتصال p-AlGaN / طبقة مضاعفة AlGaN / طبقة شحنة AlGaN / طبقة امتصاص AlGaN / طبقة n-AlGaN / ركيزة. تستخدم طبقة الضرب تركيبة منخفضة من الأليوم (مثل Al₀.₂Ga₀.₈N) لتحقيق معامل تأين أثقل ثقوب عالي؛ تستخدم طبقة الامتصاص تركيبة عالية من الأليوم (مثل Al₀.₄Ga₀.₆N) لخصائص العمى الشمسي؛ تتحكم طبقة الشحنة بدقة في تركيز وسمك التطعيم لتخصيص توزيع المجال الكهربائي بين الطبقتين. هيكل مذكور في الأدبيات يستخدم تصميم طبقة الضرب المزدوجة مع تركيب ألبومينالي مرتفع/منخفض، مما يخفض جهد الانهيار من 116.3 فولت إلى 96.9 فولت. علاوة على ذلك، فإن إدخال طبقة مرشح بلورات فوتونية أحادية البعد على الجزء الخلفي من هيكل SAM يعزز قدرة الكشف عن الأشعة الشمسية.

2.3 تصميم التربية المعززة بالاستقطاب

يمكن الاستفادة من تأثيرات الاستقطاب التلقائي والكهروضغطية القوية في وصلات النيتريد الثلاثية لتعزيز المجال الكهربائي المدمج، مما يقلل من جهد التشغيل في APDs. يعرف هذا النهج باسم هندسة الاستقطاب. اقترح الباحثون استبدال طبقة p-GaN في APD p-i-n بطبقة p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N؛ تمكن شحنة الاستقطاب بين InGaN وGaN منطقة الضرب من الوصول إلى المجال الكهربائي الحرج بتحيز أقل، مما يقلل جهد الانهيار بأكثر من 26 فولت. علاوة على ذلك، فإن إدخال طبقة Sc₀.₀₅Ga₀.₅N في هيكل SAM ينتج مجالا كهربائيا داخليا بقوة 2.8 MV/cm ويزيد الكسب بنسبة 60٪ ليصل إلى 7.2×10⁴. توفر هذه الهندسة الاستقطابية مناهجا جديدة لتطوير كواشف GaN الضوئية منخفضة الطاقة وعالية الحساسية.

3. مواصفات إبيتاكسي كاشف الفوتوكاشف التجاري GaN

استنادا إلى مبادئ التصميم الإبيتاكسي المذكورة أعلاه، تقدم PWG مجموعة متنوعة من رقائق كاشف GaN الضوئي التجاري مع هياكل قابلة للتخصيص، تغطي ركائز ومتطلبات تطبيق مختلفة. يتم عرض هيكلين نموذجيين للمنتجات أدناه، يتوافقان مع أجهزة APD المضاءة بالخلف المعتمدة على الياقوت الأزرق وكشف الأشعة فوق البنفسجية منخفضة التكلفة المعتمد على السيليكون، على التوالي.

1) هيكل p-i-n مضاء من الخلف قائم على الياقوت الأزرق

2) بنية p-i-n القائمة على السيليكون

ملاحظة: السماكة المحددة وقيم التطعيم قابلة للتخصيص.

تأخذ منتجات الإبيتاكسي التجارية أعلاه في الاعتبار بشكل كامل المتطلبات المميزة لسيناريوهات التطبيق المختلفة المتعلقة بسماكة طبقة الإبيتاكسيال، تركيز التطعيم، ونوع الركيزة (بما في ذلك الياقوت، السيلينوليك، السيليكون، وGaN). يمكن للمستخدمين اختيار المنتجات القياسية المناسبة أو طلب إبيتاكسي مخصص (هيكل p-i-n، هيكل SAM، إلخ) وفقا لبنية جهازهم.

المراجع:

1. لي، كيو، لي، ل.، لو، دبليو.، تاو، ج.، لينغ، ر.، تشانغ، ل.، ... & جاو، ف. (2025). تحضير وتقدم البحث في كواشف الانهيارات الثلجية المبنية على GaN. البنى الدقيقة، 5(4)، N-A.

2. حمداوي، ي.، ميشلر، س.، بيدو، أ.، زيوش، ك.، & مجدوب، ف. (2024). ديودات GaN-on-pin رأسية بالكامل بجهد 1200-فولت مع قدرة انهيار جليدي وتيار أعلى على الحالة فوق 10 أمبير. معاملات IEEE على أجهزة الإلكترون، 72(1)، 338-343.