Top

اسهامات مرموقة في تطوير الرقائق الالكترونية في السعودية

احتلت جامعة "كاوست" المرتبة 18 في قائمة أفضل جامعات علوم النانو وتقنية النانو لعام 2022، وتم تكريمها لأبحاثها الأساسية والتطبيقية على المستويين الجزيئي والنانو في مجموعة متنوعة من التخصصات – من الكيمياء إلى العلوم الطبية.

"كاوست": دعم حاسم لـ"رؤية المملكة 2030" في مجال الذكاء الصناعي

"ما هي علاقتك بأشباه الموصلات"؟ سؤال قد يفاجئك بغتة من أحد الاقرباء أو الأصدقاء، مما قد يدفعك للتفكير عن كنه هذا السؤال الغريب، ويجعلك تسرح بعيدا في معنى المصطلح، ماذا يعني؟ ولماذا أصبح أحد العوامل المؤثرة والهامة التي لا غنى لنا عنها في حياتنا اليومية؟

إذا لم تكن لديك الإجابة، ارجع قليلا الى الوراء وتحديدا عام 2019. في تلك السنة شهد العالم تحوّلًا جذريًا بسبب جائحة «كوفيد-19» لا بسبب تداعياتها الصحية المباشرة والمدمرة فحسب، وانما أيضا بما فرضته من قيود على تحرّكاتنا وتواصلنا الشخصي في كل بقاع العالم.

في ذلك العام، وبسبب حالات الاغلاق العام والدعوة الى البقاء في منازلنا، تضاعف حجم استهلاكنا وبشكل غير مسبوق، لكل وسائل التقنية الحديثة من أجهزة الكومبيوتر والالعاب والهواتف المحمولة وأجهزة التلفاز وتبريد الهواء والثلاجات وكافة أنواع الأجهزة المنزلية. تزامن ذلك مع حدوث اضطراب كبير في سلسلة الامدادات لكافة السلع على مستوى العالم بسبب الجائحة.

والامر الذي لم ينتبه له الكثيرون منا ان كل تلك الاجهزة التي كنا نستخدمها خلال تلك الأوقات العصيبة لم تكن لتعمل لولا رقاقة إلكترونية صغيرة جدا من مواد تسمى «أشباه الموصلات»، موضوعة داخل كل من تلك الأجهزة، فما معنى هذا المصطلح، وما هي قصة «أشباه الموصلات»؟

اشباه الموصلات

ماهي «أشباه الموصلات»؟ تمتلك «أشباه الموصلات» أو ما نطلق عليه الرقاقة الالكترونية خصائص كهربائية معينة تمكنها من العمل كأساس لأجهزة الكومبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى.

لدى المواد شبه الموصلة مثل السليكون والجرمانيوم وزرنيخ الجاليوم، خصائص كهربائية في مكان ما في الوسط بين المواد الموصلة والمواد العازلة. هي اذن ليست موصلات جيدة ولا عوازل جيدة، ولهذا سميت «أشباه الموصلات».

هذه المواد بها عدد قليل من الالكترونات الحرة لأن ذراتها مجمعة معا في نمط بلوري يسمى "الشبكة البلورية"، ومع ذلك فإن قدرتها على التوصيل الكهربائي يمكن تحسينها كثيرا عن طريق إضافة بعض "الشوائب" لهذه البنية البلورية، وبالتالي تنتج الكترونات حرة أكثر من الفجوات أو العكس بالعكس.

هذه الرقاقة التي تُصنع عادةً من شرائح رقيقة من السيليكون في الوقت الحالي، مع مكونات معقدة موضوعة عليها في أنماط محددة. تتحكم هذه الأنماط في تدفق التيار باستخدام مفاتيح كهربائية تسمى "الترانزستور".

ويعود أول اكتشاف لظاهرة «أشباه الموصلات» الى عام 1833، حينما لاحظ العالم البريطاني مايكل فاراداي طبيعتها، وتأثير الحرارة على موصليتها؛ إذ لاحظ انخفاض المقاومة الكهربائية لكبريتيد الفضة مع زيادة درجة الحرارة.

منذ التاريخ توالت الأبحاث والاكتشافات في هذا المجال حتى وصلنا اليوم الى الجيل الثالث من مواد «أشباه الموصلات» ذات الفجوة الواسعة النطاق.

رقائق الكترونية

تمتلك معظم الدول المتقدمة قدرات كبيرة في مجال تقنية «أشباه الموصلات» المسؤولة عن تشغيل كل شيء في حياتنا اليومية من هواتف محمولة وسيارات واجهزة منزلية وطبية إلى الاسلحة والطائرات المقاتلة وأنظمة الصواريخ المتطورة التقليدية منها والنووية، الى اخر القائمة.

كما أنها أساسية اليوم في تحقيق التوجه العالمي نحو تطوير تقنيات الطاقات المتجددة، ويمكن القول إن هذه التقنيات، وتحديداً شريحة الدائرة المتكاملة (IC)، أصبحت الأساس المادي الأكثر أهمية للثورة الصناعية الثالثة والرابعة.

وبرزت «أشباه الموصلات المركبة» خلال السنوات القليلة الماضية كثاني أكثر أنواع «أشباه الموصلات» استخدامًا بعد السيليكون. وهذا يرجع جُزْئِيًّا إلى قدرتها على امتلاك العديد من الخصائص الأساسية المتفوقة في وقت واحد، مثل زيادة معدل السرعة والطاقة، وانبعاث الضوء وامتصاصه بكفاءة عالية. فهي قوية للغاية وفعالة من حيث إضافة الى كل ذلك، فان لديها آفاق تطبيق مهمة في مجالات الدفاع، والطيران، والفضاء، واستكشاف النفط، والتخزين البصري. كما يمكن أن تقلل من خسائر الطاقة بأكثر من 50 ٪ في العديد من الصناعات الاستراتيجية مثل اتصالات النطاق العريض، والطاقة الشمسية، وتصنيع السيارات، وإضاءة «أشباه الموصلات»، والشبكات الذكية.

باختصار يمكن القول بان هذه الرقائق أصبحت اليوم هي عصب العصر الحديث، وقد لا يعلم الكثيرون ان شركات التقنية في جميع أنحاء العالم تعتمد بشكل كبير على الرقائق المقدمة من شركة في تايوان لصناعة «أشباه الموصلات» تحمل اسمTaiwan Semiconductor Manufacturing Company’’"، مما يضعها في قلب الصراعات الدولية، خاصة بين واشنطن وبكين، لأهمية هذا القطاع من ناحية السيطرة على سلاسل التوريد وفرض الدول لحضورها السياسي والاقتصادي.

ارتقاء التقنية في المملكة

دفع النقص الحاد في رقائق «أشباه الموصلات» الذي حدث خلال العامين الماضيين، والشلل الذي العالم في سلاسل التوريد، عددا من الدول ومن ضمنهم المملكة العربية السعودية الى بذل جهود حثيثة خلال الفترة الأخيرة لبناء سلسلة توريد قوية لها في الداخل.

في هذا الاتجاه يمكن للكفاءات والامكانيات والبنية التحية القوية التي تمتلكها السعودية ان تسير بقوة لتحقيق هذا الهدف.

وحول دور الجامعة في تحقيق ذلك يقول الدكتور زاوهانغ لي، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسب الآلي في «كاوست» :"يمكن للباحثين والمطورين المحليين في مجال «أشباه الموصلات» أن يؤدوا دورًا حاسمًا في تنويع اقتصاد المملكة العربية السعودية التي لديها طموح كبير لتطوير مشاريع في مجال الذكاء الصناعي (AI) وغيره من المجالات الحيوية التي تحتاج لهذه التقنية المتقدمة لنجاحها. فمن دون رقائق «أشباه الموصلات»، لا يوجد ذكاء صناعي ".

كما أكد الدكتور توني تشان، رئيس الجامعة على أن الأحداث والاتجاهات الأخيرة سلطت الضوء على الأهمية الاستراتيجية لأشباه الموصلات على مستوى العالم وقدرتها على تحويل الاقتصاد الرقمي للمملكة العربية السعودية وصناعات السيارات وقطاع الصناعة والتصنيع الدفاعي.

أبحاث مرموقة

في هذا السياق، تعتبر «كاوست» موطنًا للعديد من كبار الباحثين وأعضاء هيئة التدريس الذين يعملون على مجموعة واسعة من تقنيات «أشباه الموصلات» ويقدمون مساهمات كبيرة لدعم رسالة الجامعة في أن تصبح من الرواد العالميين في هذا المجال. وهنا يمكننا ان نسلط الضوء على بعض تلك الإسهامات، على سبيل المثال لا الحصر.

وخلال هذا العام اختيرت جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) كواحدة من أفضل الجامعات في العالم في مجال علوم النانو وتقنية النانو، وذلك بحسب تصنيف US News & World Report لأفضل الجامعات في الولايات المتحدة وحول العالم.

فلقد احتلت الجامعة المرتبة 18 في قائمة أفضل جامعات علوم النانو وتقنية النانو لعام 2022، وقد تم تكريمها لأبحاثها الأساسية والتطبيقية على المستويين الجزيئي والنانو في مجموعة متنوعة من التخصصات – من الكيمياء إلى العلوم الطبية.

بصريات "نانومترية". ومن المجالات الأخرى التي حققت فيها علوم النانو في «كاوست» نتائج مبشرة، التعاون مع الشركاء والمؤسسات الدولية، حيث يعمل حاليًا فريق مختبر التصنيع النانوي الأساسي، بقيادة الدكتور كينيث كينيدي، مع رائد عالمي في التحقيق في أنماط النانومتر ونقش المواد لإنتاج بصريات مسطحة بحجم دبوس. قد تكون الآثار المترتبة على الدراسة كبيرة، حيث تُستخدم هذه الأجهزة بشكل شائع في شاشات الجيل التالي من شاشات التقنيات القابلة للارتداء مثل النظارات الذكية والساعات الذكية.

السيارات. خلال العام الماضي كان قطاع تصنيع السيارات الأكثر تضررا من جائحة كورونا التي عصفت بالعالم، حيث اتخذت كبرى شركات تصنيع السيارات قرارات تراوحت بين غلق المصانع وتمديد الإجازات الصيفية للموظفين ومزيد من خفض الإنتاج.

كان السبب وراء تلك القرارات النقص الحاد في «أشباه الموصلات»، التي تشير تقارير الى ان السيارة التي تعمل بالبنزين تحتاج ما بين 50 إلى 150 شريحة من أشباه الموصلات، اما الكهربائية فتستخدم ما يصل إلى 3000 شريحة.

هذا الامر دفع بعدد من الدول للبدء بتوطين صناعة السيارات خاصة الكهربائية لكونها أيضا تتماهي مع خططها نحو نشر ثقافة السيارات الصديقة للبيئة. وفي هذا السياق احتفلت المملكة العربية السعودية في الآونة الأخيرة بإطلاق الأمير محمد بن سلمان بن عبد العزيز، ولي العهد السعودي، رئيس مجلس الوزراء، رئيس مجلس صندوق الاستثمارات العامة، شركة «سير» كأول علامة تجارية محلية لصناعة السيارات الكهربائية المزودة بأنظمة تقنية متقدمة في المملكة. والتي ستُسهم في الناتج المحلي الإجمالي بقيمة 8 مليارات دولار وتوفر 30 ألف وظيفة بحلول 2034.

من جانب اخر يمكن للجامعة ان تكون جزءا من هذا المشروع العملاق من خلال تطوير التقنيات التي تهدف إلى تحسين جودة الحياة. فعلى سبيل المثال كانت الجامعة قد أطلقت في وقت سابق منصة (REDD)، وهو مشروع تجريبي يستخدم الابتكارات البحثية والذكاء الصناعي لاختبار نظام القيادة الذاتية في السيارات وتطويره، وذلك بالتعاون مع شركاء دوليين وهيئات حكومية وشركات من القطاع الخاص.

«أشباه الموصلات» واسعة النطاق. في عام 2016 انضم البروفيسور زاوهانغ لي، إلى «كاوست» وهو يحمل معه خبرة بحثية واسعة في تقنيات «أشباه الموصلات» ذات فجوة النطاق العريضة من نوع النيترويد الثالث والاكسيد الثالث. وتركز أبحاثه في المختبر على الأبحاث الأساسية والتطبيقية لهذه المواد ذات فجوة الحزمة الواسعة، والأجهزة، والفيزياء والبرمجيات.

ويهدف لي وفريقه إلى تطوير هذه المواد التي ستحدث ثورة في صناعات مختلفة مثل الطاقة والاتصالات والدوائر المتكاملة والسيارات الكهربائية واستكشاف الفضاء، مما يضع «كاوست» في مرحلة متقدة جدا في أبحاث «أشباه الموصلات واسعة النطاق».

يقول لي: "لدي اعتقاد راسخ أن أبحاثنا يمكنها أن تفيد بشكل كبير المملكة ورؤيتها 2030. حيث تمتلك تلك المواد المركبة إمكانات هائلة للبحث والابتكار والتصنيع، ولدى «كاوست» العديد من أعضاء هيئة التدريس والباحثين الرائدين في هذا المجال. وبالتالي، فإن الجامعة مهيأة لتقديم مساهمات كبيرة ومؤثرة في هذا المجال".

زيادة كفاءة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء. في عام 2019 عرض علماء «كاوست» تقنية جديدة لتقليل فقدان الضوء عند سطوح البنى النانوية شبه الموصلة، حيث يمكن لبعض المواد تحويل الإلكترونات الموجودة في التيار الكهربائي إلى ضوء، بكفاءة. وتُستخدم مواد «أشباه الموصلات» هذه في صنع صمامات ثنائية باعثة للضوء أو LED، وهي أجهزة صغيرة، وخفيفة، تتسم بالكفاءة في استهلاك الطاقة، وذات عمر طويل، وهي تنتشر على نحو متزايد في تطبيقات الإضاءة والعروض. وتعطي هذه الصمامات ضوءاً أحمر أو أصفر أو أخضر اللون، عندما تُهَيَّج ذراتها بالطاقة الكهربائية.

مختبرات افتراضية

اول مختبر افتراضي. في ذلك العام أيضا، أطلقت «كاوست»، أول مختبر افتراضي “vFabLab” كمنصة إلكترونية عبر الإنترنت، للتعليم عن بعد للمساعدة في التدريب على عمليات تصنيع أجهزة «أشباه الموصلات» وما يرتبط بها من تقنيات «أشباه الموصلات المعدنية المكملة»، الذي تم تطويره من قبل قسم العلوم والهندسة الحاسوبية الكهربائية والحسابية بالجامعة.

إلكترونيات ضوئية. في عام 2018 قام باحثو الجامعة بتخليق طبقة أحادية تدعى "جانوس" Janus، قد تساعد في التحول نحو تطبيقات جديدة لأشباه الموصلات في الإلكترونيات، وتحديدًا الإلكترونيات النانوية، التي تعتمد على التلاعب بمجموعات متناهية الصغر من الذرات.

وتمهد هذه الطريقة الفريدة في تركيب المادة، الطريق إلى تغيير الألواح ثنائية الأبعاد ذات السُّمك الذري الرقيق المصنوعة من تلك المواد، على المستوى الذري.

وإضافة إلى تطبيقات أشباه الموصلات التقليدية، يعتقد الباحثون أن مادتهم غير المتناظرة قد تكون مفيدة في مجال ناشئ يسمى "الإلكترونيات المغزلية" (spintronics). ويَستخدم هذا المجال التغيُّرات في واحدةٍ من خواص الإلكترونات تُعرف بالدوران المغزلي، عوضًا عن الاكتفاء بالشحنة الكهربائية وحدها كوسيلة لتغيير السلوك الإلكتروني في نطاقات ذرية.

وخلافا للطرق التقليدية باهظة التكلفة والمتبعة حتى الآن في الأجهزة الكهروضوئية، للتحكّم في خصائص أشباه الموصلات، عن طريق الهندسة النانومترية المتناهية الصغر، فان تقنية «كاوست» الجديدة فتعتمد على ما يُسمى بـ”الآبار الكمّية”.

هذه التقنية عبارة عن أغشية من أشباه الموصلات لا يتجاوز سمكها بضع نانومترات (النانومتر هو جزء من مليار من المتر)، تقع بين طبقتين أكثر سمكاً تتكونان من مادة شبه موصلة مختلفة. ويعمل حاجز طاقة، يوجد بين هاتين المادتين، على منع حاملات الشحنة الكهربائية من مغادرة طبقة البئر الكمي، وهو ما يحدّ من حركتها ويؤدي إلى إحداث تغيير جذري في خصائص مواد البئر مما يجعلها، على سبيل المثال لا الحصر، أنشط ضوئياً.

مبادرات وفعاليات

من جانب اخر، تقود «كاوست» العديد من البرامج والفعاليات الهادفة لتعزيز وإنشاء صناعة ديناميكية لـ«أشباه الموصلات» في المملكة. وعلى سبيل المثال، تشمل هذه الجهود مبادرة الاستشعار الخاصة بالجامعة، كما تشمل تنظيم الجامعة لأول منتدى لمستقبل هذه المواد والذي عقد في الرياض في الفترة من 30 إلى 31 مارس (آذار) 2022، لاستكشاف استراتيجيات تطوير صناعة «أشباه الموصلات» في المملكة بما يتماشى مع أهداف التنمية الشاملة لرؤية السعودية 2030.

كما شهد شهر سبتمبر(ايلول) من هذا العام استضافة الجامعة لمجموعة متنوعة من الخبراء لمناقشة الأبحاث الأساسية والتطبيقات وتطويرات تقنيات «أشباه الموصلات»، وتمت التطرق لمجموعة متنوعة من الموضوعات في هذا المجال مثل استخدام أشباه الموصلات المركبة في إلكترونيات الطاقة، وأجهزة الكشف الضوئية، والليزر، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، والتقنيات الضوئيات والدوائر المتكاملة.

كما تعمل «كاوست» اعلى دعم شراكة المملكة العربية السعودية التجارية الواسعة مع الهند من خلال تطوير وتعميق شراكتها الحالية مع معاهد التقنية الهندية الشهيرة وغيرها من مؤسسات البحث والتطوير في هذه المجال.

في هذا السياق، يقول البروفيسور أجيت شاتورفيدي، مدير المعهد الهندي للتقنية (روركي)، والذي كان من ضمن المشاركين في هذه الفعالية: " يعد موضوع أشباه الموصلات المركبة امر حيوي ومهم للغاية، اذ ان الجميع أنه لا يمكننا تصور العالم الحديث دون التأثير الشامل لشرائح الدائرة المتكاملة الإلكترونية. لقد أظهرت الأبحاث الحديثة أنه لا يمكننا الاعتماد على السيليكون. فإذا كنا نرغب في دمج تقنية الضوئيات أو أي تقنية أخرى، يجب علينا أن نتجاوز السيليكون".