في الكيمياء فإن مركب نيتريد الغاليوم وباللغة الإنجليزية (Gallium Nitride) عبارة عن أحد المركبات الكيميائية غير العضوية ويمتلك الصيغة الكيميائية التالية: ( GaN)، وهو عبارة عن مادة شبه موصلة تمتلك فجوة واسعة النطاق صلبة بشكل كبير كما وأنها مستقرة من الناحية الميكانيكية، وهي ذات سعة حرارية مرتفعة، علما أنها تملك موصلية حرارية، كما وأن نيتريد الغاليوم هو يعد أهم مادة شبه موصلة منذ السيليكون، ومن الممكن أن يتم استخدامه لإصدار ضوء ساطع على شكل ثنائيات انبعاث للضوء (LED) وثنائيات ليزر، فضلاً عن كونه المادة الرئيسية للجيل القادم من الترانزستورات عالية التردد عالية الطاقة القادرة على العمل في درجات حرارة عالية.
نتريد الغاليوم
- لا يتواجد عنصر الغاليوم في شكله البدائي على الأرض، ولكنه يتواجد في المعادن والخامات المتواجدة على سطح الأرض، ويتم إنتاج معظم معدن الغاليوم كمنتج ثانوي لعمليات تعدين معادن أخرى بما في ذلك الألمنيوم (البوكسيت) والزنك (السفاليريت)، ونتريد الغاليوم هو عبارة عن أحد مركبات الغاليوم ويتكون من عنصر الغاليوم والنيتروجين.
- إن مركب نيتريد الغاليوم في الحقيقة عبارة عن مادة شبه موصلة تمتلك روابط تساهمية أيونية مختلطة، وبسبب ذلك فإنه يجب أن يتضمن الجهد التحليلي من حيث المبدأ وصفًا مناسبًا لكل من التفاعلات الكيميائية والكهروستاتيكية، ونظرًا لأن مادة نيتريد الغاليوم هي مادة خزفية صلبة فإنه قد يؤدي ذلك غالبًا إلى حدوث تكسير شديد في طبقات نيتريد الغاليوم مما يجعلها عديمة الفائدة للأجهزة بشكل عام.
- قد يتساءل بعض الأشخاص هل مادة نيتريد الغاليوم مكلفة؟ أما الجواب فإنه تنخفض تكاليف نيتريد الغاليوم السائبة بنسبة 60٪ بحلول عام 2020 ميلادي، مما يؤدي إلى أجهزة أكثر كفاءة، حيث أنه يعتبر (Bulk GaN) مكلفًا للغاية اليوم، إذ أنه يكلف حوالي 1900 دولار أو أكثر لركيزة بحجم بوصتين، مقارنةً بـ 25 دولارًا إلى 50 دولارًا لركيزة سيليكون أكبر بكثير من ست بوصات.
- إن مركب نيتريد الغاليوم (GaN) هو عبارة عن مادة من الممكن أن يتم استخدامها في عملية إنتاج أجهزة طاقة أشباه الموصلات وكذلك مكونات الترددات اللاسلكية والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، علما أن الغاليوم السائب عبارة عن مادة ليست سامة كما وأنها متوافقة حيويًا، لذلك فإنه من الممكن أن يتم استعماله في الأقطاب الكهربائية والإلكترونيات للزرع في الكائنات الحية.
- إن مادة نيتريد الغاليوم هو مادة نيتريد (III-IV) تعمل على تقليل فجوة النطاق في الخلايا الكهروضوئية (الطاقة الشمسية) والليزر بشكل كبير وواضح، علما أنه يتوفر مركب نيتريد الغاليوم بشكل عام على الفور في معظم الأحجام.
معلومات عامة عن نيتريد الغاليوم وكيفية تحضيره
- إن مركب نيتريد الغاليوم يعتبر من فئة أشباه موصلات من النوع (III-V)، كما وأن له مقاومة كيميائية عالية جدًا من أجل البيئات المسببة للتآكل، علما أن الرابطة القوية الموجودة بين عنصر الغاليوم وعنصر النيتروجين هي المسؤولة عن خصائص مقاومة التآكل لهذا المركب.
- كما وأن مركب نيتريد الغاليوم السائب يقع ضمن فئة أشباه موصلات ذات فجوة نطاق مباشر (فجوة النطاق مقدارها 3.4 فولت)، كما وأن لها هيكل من النوع (wurtzite)، وهي عبارة عن المادة التي يتم استخدامها في عمليات تصنيع الأجهزة الباعثة للضوء التي يمكنها أن تتحمل البيئات المسببة للتآكل.
- يتم تحضير مركب نيتريد الغاليوم (GaN) عن طريق حدوث تفاعل بين مركب أكسيد الغاليوم (Ga2O3) مع الأمونيا (NH3) عند درجات حرارة مرتفعة تصل إلى درجات مقدارها 1000 درجة مئوية، ويتم التفاعل كما في المعادلة الكيميائية التالية، إذ ينتج عن التفاعل مركب نيتريد الغاليوم والماء:
Ga2O3 + 2 NH3 → 2 GaN + 3H2O
- من الممكن أيضًا أن يتم تحضير مركب نتريد الغاليوم من خلال عملية ترسيب البخار الكيميائي للمركبات المعدنية العضوية التي تحتوي على ذرات الغاليوم والنيتروجين، علما أن الأحماض المسببة للتآكل والبيئات القلوية لا تمتلك أي تأثير على مرحلة الغاليوم كما يتبين من حيود الأشعة السينية وقياسات التوصيل الكهربائي.
- يظهر مركب نيتريد الغاليوم (GaN) تحولًا مبتكرًا في جميع أنحاء عالم إلكترونيات الطاقة، إذ أنه لعقود عديدة من الزمان، كانت (MOSFETs) القائمة على السيليكون (ترانزستورات تأثير مجال أشباه الموصلات بأكسيد المعادن) جزءًا لا يتجزأ من العالم الحديث اليومي الذي يساعد على تحويل الطاقة إلى شكل آخر من أشكال الطاقة.
- ومع ذلك فإننا نصل إلى الحد النظري لمقدار (MOSFET) من السيليكون الذي يمكن تحسينه، ومدى فاعلية الطاقة التي يمكن أن تكون، ومع زيادة كثافة الطاقة ومتطلبات الكفاءة واتجاهات لوائح التلوث البيئي، يفشل السيليكون في تلبية هذه المتطلبات الحديثة وبالمقابل فإن مركب نيتريد الغاليوم آخذ في الارتفاع ليحل محل السيليكون باعتباره العمود الفقري لتقنية تبديل الطاقة حيث يمكنه تلبية الاحتياجات المتزايدة مع كفاءة أنظمة الطاقة والأداء وتكلفة النظام بشكل أفضل.
- إذا فإن مركب الغاليوم نيتريد هو من أشباه موصلات ثنائية ذات فجوة نطاق مباشر (III / V) مناسبة تمامًا وبشكل كبير للترانزستورات عالية الطاقة القادرة على العمل في درجات حرارة عالية، ومنذ التسعينيات لقد تم استخدامه بشكل شائع في الثنائيات الباعثة للضوء (LED).
- يعطي مركب نيتريد الغاليوم ضوءًا أزرق يستخدم لقراءة القرص في (Blu-ray)، وبالإضافة إلى ذلك فإنه يتم استخدام هذا المركب في أجهزة طاقة أشباه الموصلات ومكونات التردد اللاسلكي والليزر والضوئيات، وفي المستقبل فإننا سنرى نيتريد الغاليوم في تقنية الاستشعار.
- في عام 2006 ميلادي لقد بدأ تصنيع ترانزستورات نيتريد الغاليوم ذات وضع التحسين والتي يشار إليها أحيانًا باسم (GaN FETs)، وذلك من خلال زراعة طبقة رفيعة من مادة نيتريد الغاليوم على طبقة (ain) من رقاقة السليكون القياسية باستعمال عملية ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني والتي تعرف باسم (MOCVD)، وتعمل طبقة (ain) على شكل مخزن مؤقت بين الركيزة و (GaN).
- ولقد مكنت هذه العملية الجديدة ترانزستورات نيتريد الغاليوم من أن تكون قابلة للإنتاج والتصنيع في نفس المصانع المتواجوة مثل السليكون، وذلك باستعمال نفس عمليات التصنيع تقريبًا، وباستعمال عملية مشهورة يسمح هذا بتكاليف صناعة قليلة مماثلة ويقلل من حاجز اعتماد الترانزستورات الأصغر ذات الأداء المحسن كثيرًا.
- يعتبر نيتريد الغاليوم (GaN) من المواد التي تهيج كلا من الجلد والعينين بالإضافة إلى الرئتين، كما وقد تم الإبلاغ عن جوانب البيئة والصحة والسلامة لمصادر نيتريد الغاليوم (مثل ثلاثي ميثيل الجاليوم والأمونيا) ودراسات مراقبة الصحة الصناعية لمصادر (MOVPE) في مراجعة عام 2004 ميلادي.
- بما أن ترانزستورات نيتريد الغاليوم من الممكن أن تقوم بوظائفها في درجات حرارة أكبر بشكل واضح وتعمل بجهد أكبر بكثير من ترانزستورات زرنخيد الغاليوم ذو الصيغة الكيميائية التالية (GaAs)، فإنها تقوم بصناعة مضخمات طاقة مثالية عند ترددات الميكروويف.
