Growth of superconducting boron doped diamond on 4inch silicon wafers

يُعرف الماس عادةً بأنه أصلب مادة طبيعية، وهو حجر كريم يوصل الحرارة ببراعة ولكنه يحجب الكهرباء تماماً. ومع ذلك، عندما يخلط العلماء كمية صغيرة من البورون في البنية البلورية للماس، تتغير طبيعة المادة تماماً؛ فبدلاً من أن يعمل كعازل، يبدأ الماس في توصيل الكهرباء مثل المعادن. وإذا تمت إضافة كمية كافية من البورون، تخضع المادة لتحول مذهل عند درجات حرارية منخفضة جداً، حيث تدخل في حالة تسمى "الموصلية الفائقة". في هذه الحالة، تتدفق الكهرباء عبر المادة دون أي مقاومة على الإطلاق، مما يعني عدم فقدان أي طاقة على شكل حرارة. وهذه الخاصية تجعل الماس ذو الموصلية الفائقة مرشحاً واعداً لبناء أجهزة إلكترونية متطورة، مثل المستشعرات فائقة الحساسية والحواسيب الكمومية، بشرًا ما يمكن إنماء هذه المادة في شكل صفائح كبيرة وقابلة للاستخدام.

لسنوات عديدة، نجح الباحثون في إنماء أفلام الماس الموصلة فائقة التوصيل على رقائق سيليكون صغيرة، يبلغ عرضها عادةً بوصتين. وبينما يعد هذا الحجم كافياً للاختبارات والنماذج الأولية الصغيرة، إلا أنه صغير جداً للإنتاج التجاري الواسع للأجهزة. ولجعل هذه المواد عملية للتكنولوجيا الواقعية، يحتاج العلماء إلى إنمائها على أسطح أكبر بكثير، مثل الرقائق ذات الأربع بوصات، وهي الحجم القياسي المستخدم في صناعة أشباه الموصلات. ويكمن التحدي في حقيقة أن العملية المستخدمة لإنماء أفلام الماس، والمعروفة باسم الترسيب الكيميائي للبخار، لا تسلك دائماً السلوك نفسه عندما يتغير حجم السطح؛ فالظروف التي تعمل بشكل مثالي على دائرة صغيرة قد تفشل أو تعطي نتائج غير متساوية على دائرة أكبر. وقد سعى فريق من الباحثين في جامعة كارديف لحل هذه المشكلة من خلال محاولة إنماء أفلام ماس مدعمة بالبورون وموصلة فائقة التوصيل على رقائق سيليكون بأربع بوصات، بهدف معرفة ما إذا كان بإمكانهم الحفاظ على أداء عالٍ الجودة عبر السطح بأكمله.

بدأ الباحثون بتجهيز رقائق السيليكون بطبقة من بذور الماس الدقيقة لتشجيع نمو الفيلم الجديد بشكل متساوٍ. ثم وضعوا هذه الرقائق في غرفة خاصة حيث قاموا بتسخينها إلى حوالي 800 درجة مئوية وغمرها في بلازما من غاز الهيدروجين والميثان. ولإنشاء المادة ذات الموصلية الفائقة، أدخلوا البورون في خليط الغاز. واختبروا نطاقاً واسعاً من تركيزات البورون، بدءاً من كمية منخفضة وزيادتها تدريجياً لمعرفة كيفية استجابة المادة. كان الهدف هو إيجاد "النقطة المثالية" حيث يكون محتوى البورون عالياً بما يكفي لتحفيز الموصلية الفائقة ولكن ليس عالياً جداً لدرجة تؤدي إلى تلف البنية البلورية. لقد أنموا ستة أفلام مختلفة، لكل منها نسبة متميزة من البورون إلى الكربون في الغاز، تتراوح من حوالي 6,500 جزء في المليون إلى أكثر من 36,000 جزء في المليون.

عندما فحص الفريق سطح هذه الأفلام الجديدة تحت مجاهر قوية، وجدوا أن الملمس الفيزيائي ظل متسقاً بشكل ملحوظ. وبغض النظر عن كمية البورون المضافة إلى الغاز، ظلت الحبيبات الدقيقة التي تشكل فيلم الماس بنفس الحجم تقرياً، حيث تراوحت قياساتها بين 240 و270 نانومتر عبر العرض. كانت هذه خطوة أولى حاسمة، لأنها تعني أن مجرد إضافة المزيد من البورون لم يؤدِ إلى إفساد نعومة أو بنية الفيلم. ومع ذلك، كان الاختبار الحقيقي هو ما إذا كانت الأفلام تستطيع بالفعل توصيل الكهرباء دون مقاومة. قام الباحثون بتبريد العينات إلى درجتين فقط فوق الصفر المطلق وقاسوا خصائصها الكهربائية. واكتشفوا أن الفيلم ذو أقل تركيز للبورون فشل في أن يصبح موصلاً فائق التوصيل على الإطلاق. ومع ذلك، فإن كل فيلم آخر، من التركيز التالي الأدنى وصولاً إلى التركيز الأعلى، نجح في دخول حالة الموصلية الفائقة.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة هو كيفية تغير درجة الحرارة التي تصبح عندها المادة موصلة فائقة مع تغير كمية البورون. فكلما زاد الباحثون من نسبة البورون في الغاز، ارتفعت درجة الحرارة التي يصبح عندها الفيلم موصلاً فائق التوصيل بشكل مطرد. وقد وصل الفيلم إلى ذروة أدائه في الفيلم الذي بلغت فيه نسبة الغاز حوالي 24,700 جزء في المليون، حيث أصبحت المادة موصلة فائقة عند 4.03 كلفن. وتعد هذه درجة حرارة مهمة لهذا النوع من المواد، فهي أعلى نقطة في المنحنى قبل أن يبدأ الأداء في الانخفاض. وعندما أضافوا المزيد من البورون بعد هذه النقطة، بدأت درجة حرارة الموصلية الفائقة في الانخفاض مرة أخرى. وهذا يخبرنا أن هناك مقداراً أمثلاً من البورون مطلوباً للحصول على أفضل النتائج؛ إذ إن الإضافة المفرطة للبورون تضر فعلياً بقدرة المادة على توصيل الكهرباء دون فقدان. كما استطاع الفيلم ذو الأداء الأفضل تحمل مجال مغناطيسي قوي يزيد عن 3 تسلا قبل أن يفقد حالته الموصلة فائقة التوصيل، وهو مطلب حيوي للعديد من التطبيقات الإلكترونية.

ولضمان أن هذه النتائج لم تكن مجرد مصادفة في بقعة واحدة من الرقاقة، قام الفريق بقطع قطع من مركز ووسط وحافة الفيلم الأفضل أداءً لمعرفة ما إذا كانت الجودة موحدة عبر الدائرة ذات الأربع بوصات. ووجدوا أن خصائص الموصلية الفائقة كانت موجودة في كل مكان، لكنها لم تكن متطابقة تماماً. القطعة المأخوذة من منتصف الرقاقة كانت الأفضل أداءً، حيث أصبحت موصلة فائقة عند 4.19 كلفن. والقطعة من المركز كانت قريبة جداً خلفها عند 4.02 كلفن. ومع ذلك، أظهرت القطعة المأخوذة من حافة الرقاقة انخفاضاً ملحوظاً، حيث أصبحت موصلة فائقة عند 3.33 كلفن فقط. يشير هذا التباين إلى أنه بينما يمكن جعل الرقاقة الكاملة ذات الأربع بوصات موصلة فائقة، فإن الظروف عند الحافة تكون أقل ملاءمة قليلاً من المنتصف. وقد أكد الباحثون ذلك باستخدام تقنية تسمى "مطيافية رامان"، والتي تستخدم ضوء الليزر لقياس كمية البورون الموجودة فعلياً داخل الماس. وأظهرت القياسات أن تركيز البورون كان أعلى في القسم الأوسط وأقل عند الحافة، مما يطابق تماماً نمط أداء الموصلية الفائقة.

وعندما قارن الفريق نتائجهم على الرقائق الكبيرة ذات الأربع بوصات مع العمل السابق الذي أُجري على رقائق أصغر بسنتين، ظهر فرق واضح. ففي الرقائق الأصغر، تم تحقيق أفضل خصائص الموصلية الفائقة باستخدام كميات أقل بكثير من البورون في الغاز. وللحصول على نفس النتائج عالية الجودة على الرقائق الأكبر ذات الأربع بوصات، اضطر الباحثون إلى استخدام مخاليط غاز ذات تركيزات بورون أعلى بكثير. ويشير هذا إلى أن عملية إدخال البورون إلى بلورة الماس تصبح أقل كفاءة كلما كبرت مساحة النمو. ومن المرجح أن كثافة الطاقة للبلازما المستخدمة لإنماء الفيلم تتوزع بشكل ضعيف جداً فوق السطح الأكبر، مما يمنع دمج البورون بفعالية كما يحدث في الدائرة الأصغر. وبالرغم من هذا التحدي، فإن حقيقة قدرتهم على إنماء فيلم موصل فائق التوصيل يغطي جزءاً كبيراً من رقاقة بأربع بوصات تعد خطوة كبيرة للأمام؛ فهي تثبت إمكانية رفع نطاق إنتاج هذه المواد للتصنيع، حتى لو تطلب الأمر تعديل "الوصفة" لتناسب الحجم الأكبر.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يعد إنماء الماس ذو الموصلية الفائقة على رقائق كبيرة أمراً ممكناً، فإنه يتطلب ضبطاً دقيقاً لإمدادات البورون للتعويض عن انخفاض كفاءة عملية الإنماء على نطاق أكبر. لقد أظهر الباحثون أنه من الممكن إنتاج مساحة كبيرة من المادة الموصلة فائقة التوصيل، مما يفتح الباب أمام إنشاء أجهزة أكثر تعقيداً وأكبر حجماً. ويكمكم النجاح في إدارة تركيز البورون وضمان توزيعه بشكل متساوٍ قدر الإمكان عبر الرقاقة. ومن خلال تحديد هذه التحديات المحددة، يوفر هذا العمل مساراً واضحاً للتحسينات المستقبلية، مما ينقل هذه التكنولوجيا من مختبرات البحث نحو خطوط الإنتاج اللازمة للإلكترونيات من الجيل القادم.