Impact of Gamma Radiation on Fabricated Aluminum Gallium Nitride/Gallium Nitride Test Structures for Radiation-Hard Electronics

في البيئات القاسية للفضاء، أو في أعماق المنشآت النووية، أو بالقرب من معجلات الجسيمات، غالبًا ما تفشل المكونات الإلكترونية القياسية. إن المطر غير المرئي من الجسيمات والأشعة عالية الطاقة التي تتخلل هذه الأماكن يمكن أن يربك المسارات الدقيقة داخل شريحة الكمبيوتر، مما يؤدي إلى توقفها عن العمل أو جعل سلوكها غير متوقع. وللبقاء على قيد الحياة في مثل هذه الظروف، يتطلع المهندسون إلى فئة خاصة من المواد تُعرف باسم أشباه الموصلات ذات الفجوة النطاقية العريضة. ومن بين هذه المواد، برز مزيج من نتريد ألومنيوم غاليوم ونتريد غاليوم كمرشح قوي للغاية. فهذه المواد قوية بطبيعتها، وقادرة على تحمل الحرارة العالية والجهد العالي بشكل أفضل من السيليكون الموجود في معظم الإلكترونيات اليومية. وبسبب هذه المرونة، يتوق العلماء لفهم كيفية تفاعل هذه المواد بدقة عند قصفها بالإشعاع، آملين في بناء إلكترونيات يمكنها العمل بموثوقية حيث قد تهلك غيرها.

لقد شرع باحث في المعهد الهندي للتكنولوجيا جودبور في اختبار هذه المرونة بشكل مباشر. فقد أخذ رقاقة من نتريد ألومنيوم غاليوم ونتريد غاليوم وقام بتقطيعها بعناية إلى قطع صغيرة لإنشاء أجهزة إلكترونية بسيطة. وباستخدام عملية مشابهة لطباعة لوحة الدوائر المطبوعة، قام بنمذجة المادة وأضاف تلامسات معدنية مصنوعة من الألومنيوم والكروم والذهب لتشكيل أجهزة ثنائية الطرف. وبعد تسخين الأجهزة لضمان اتصال المعدن جيدًا بشبه الموصل، قام الفريق بقياس كيفية تدفق الكهرباء من خلالها. ثم أخضعوا هذه الأجهزة لإشعاع غاما، وهو شكل قوي من الطاقة المنبعثة من مصدر كوبالت، عند ثلاثة مستويات محددة من الكثافة: 100 سنتي غراي، و500 سنتي غراي، و1000 سنتي غراي. وبعد كل تعرض، قاموا بقياس تدفق الكهرباء مرة أخرى لمعرفة كيف غير الإشعاع سلوك الجهاز.

كشفت النتائج عن تأثير واضح وكبير للإشعاع. قبل أي تعرض، كانت الأجهزة تسمح بتدفق ثابت للتيار، حيث بلغت 0.01697 أمبير عند تطبيق جهد أمامي. كانت هذه القراءة الأولية بمثابة خط الأساس لجهاز سليم ويعمل بشكل جيد. ومع ذلك، بعد التعرض الأول لـ 100 سنتي غراي من إشعاع غاما، انخفض التيار بشكل حاد. فقد هبط التدفق إلى 0.0006502 أمبير فقط، وهو انخفاض بنسبة تقارب 96 بالمائة. هذا الهبوط الهائل يشير إلى أن الإشعاع قد خلق عيوبًا وشحنات محاصرة داخل المادة، مما أدى فعليًا إلى عرقلة مسار حركة الإلكترونات. كان الجهاز لا يزال يعمل، لكنه كان يعاني بشكل كبير.

وعندما زادت الجرعة إلى 500 سنتي غراي، أصبح السلوك أكثر تعقيدًا. لم يستمر التيار في الانخفاض في خط مستقيم؛ بل ارتفع قليلاً إلى 0.009103 أمبير. ورغم أن هذه القيمة كانت لا تزال أقل بكثير من القيمة الأصلية غير المعرضة للإشعاع، إلا أن التعافي الجزئي أشار إلى وجود قوى مختلفة تعمل في الخلفية. لاحظ الباحث أنه بينما استمر الإشعاع في إحداث الضرر، فإن عمليات أخرى، مثل إعادة توزيع الشحنات الكهربائية أو علاج بعض العيوب، ربما كانت تحدث في الوقت نفسه. أظهر هذا الاستجابة غير الخطية أن رد فعل المادة تجاه الإشعاع ليس مجرد تدهور بسيط في اتجاه واحد، بل هو تفاعل ديناميكي بين الضرر والتعافي.

عند أعلى جرعة تم اختبارها وهي 1000 سنتي غراي، انخفض التيار مرة أخرى، ليستقر عند 0.007126 أمتر. كانت هذه القيمة النهائية أقل من قراءة الـ 500 سنتي غراي، ولكنها أعلى من قراءة الـ 100 سنتي غراي، مما يؤكد أن الجهاز ظل يعمل كهربائيًا حتى بعد التعرض الكبير. خلص الباحث إلى أن الإشعاع قد أدخل بالفعل عيوبًا وشحنات محاصرة تشتت الإلكترونات المتحركة، مما قلل من التدفق الإجمالي. ومع ذلك، فإن حقيقة أن الأجهزة لم تفشل تمامًا تشير إلى أن هياكل نتريد ألومنيوم غاليوم ونتريد غاليوم تمتلك قدرة طبيعية على تحمل جرعات منخفضة إلى متوسطة من إشعاع غاما.

تقدم هذه النتائج رؤى قيمة لمستقبل الإلكترونيات في البيئات القاسية. ولأن الأجهزة أظهرت تغيراً قابلاً للقياس ومتسقاً في خصائصها الكهربائية بناءً على جرعة الإشعاع، فقد يمكن استخدامها كمستشعرات لقياس مستويات الإشعاع. علاوة على ذلك، فإن القدرة على بقاء هذه الهياكل قيد التشغيل بعد التعرض تدعم استخدامها في الأقمار الصناعية، ومسابير الفضاء العميق، وأنظمة التحكم النووي حيث تكون الموثوقية أمراً بالغ الأهمية. تؤكد الدراسة أنه بينما يؤدي الإشعاع إلى تدهور الأداء، فإنه لا يدمر هذه المواد المتقدمة فوراً، مما يمهد الطريق لأنظمة إلكترونية أكثر قوة مصممة للعمل في أكثر زوايا كوننا تحدياً.