أول ليزر جرمانيوم من نوعه

النتائج الجديدة التي توصل إليها فريق بحث من جامعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقربنا خطوة أخرى من تطوير أجهزة الكمبيوتر التي تستخدم الضوء بدلا من الكهرباء لنقل المعلومات

أظهر باحثون من جامعة MIT نشاط أول ليزر على الإطلاق يتكون من عنصر الجرمانيوم وهو قادر على إنتاج ضوء بأطوال موجية مفيدة للاتصال البصري. وهو أول ليزر قائم على الجرمانيوم يعمل في درجة حرارة الغرفة. على عكس المواد الأخرى الشائعة في الليزر، من السهل دمج الجرمانيوم في العمليات الحالية التي تنتج رقائق زورن. لذا فإن النتيجة قد تكون خطوة مهمة إلى الأمام نحو تطوير أجهزة الكمبيوتر التي تنقل المعلومات - وربما تقوم حتى بإجراء العمليات الحسابية - باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء. ومع ذلك، فإن العواقب الأكثر أهمية هي حقيقة أن الباحثين أظهروا لأول مرة، خلافًا للاعتقاد الشائع، أن عائلة من المواد شبه الموصلة تسمى "فجوة النطاق غير المباشرة" يمكن بالفعل استخدامها في الليزر.

في حين أن سعة رقائق الكمبيوتر تزداد بمرور الوقت، فإنها تتطلب أيضًا المزيد والمزيد من عرض النطاق الترددي (أقصى معدل للبيانات يمكن نقله عبر شبكة اتصالات). ومع ذلك، ستصبح الموصلات الكهربائية النموذجية قريبًا غير عملية لأنها ستتطلب استهلاكًا أكبر بكثير للطاقة لأداء مهامها. إن نقل المعلومات عن طريق الليزر - الأجهزة التي تركز الضوء على شعاع ضيق وقوي - يمكن أن يكون أكثر كفاءة من حيث الطاقة، ولكنه يتطلب وسيلة رخيصة لدمج المكونات الضوئية والكهربائية داخل رقائق زورن.

يعد إنتاج شريحة Zorn عملية معقدة ودقيقة يتم فيها دمج طبقات من مواد مختلفة مع طبقة Zorn، ويتم حفر الأنماط المرغوبة فيها عن طريق العمليات الكيميائية. إن إضافة مادة جديدة إلى هذه العملية أمر معقد: فمن الضروري أن يتم ربط المادة الجديدة كيميائيا بالطبقات التي فوقها وتحتها، ويجب أن يتم استيعابها عند درجة حرارة وظروف كيميائية مناسبة للمواد الأخرى معها.

يقول أحد الباحثين إن المواد المستخدمة اليوم في أجهزة الليزر الموجودة، مثل زرنيخيد الغاليوم، يصعب تطويعها ودمجها في مثل هذه العمليات. ونتيجة لذلك، يجب تجميع أشعة الليزر بشكل منفصل ومن ثم دمجها في الرقائق، وهي عملية أكثر تكلفة وأطول من إنتاجها مباشرة باستخدام طبقة السيليكون. علاوة على ذلك، فإن مادة زرنيخيد الغاليوم نفسها أغلى بكثير من مادة التزوران.

من ناحية أخرى، فإن استيعاب مادة الجرمانيوم في عمليات الإنتاج هو عملية بدأت بالفعل جميع شركات تصنيع الرقائق الكبرى تقريبًا في تنفيذها، نظرًا لأن دمج الجرمانيوم يزيد من سرعة نشاط رقائق الحدادة. يقول الباحث الرئيسي: "نحن، وكثيرون غيرنا، نعرف كيفية القيام بذلك اليوم".

زرنيخيد الغاليوم، وزورن، والجرمانيوم كلها أمثلة على أشباه الموصلات، وهو نوع المواد المستخدمة اليوم في جميع المكونات الإلكترونية المتقدمة تقريبًا. يقوم الليزر المكون من أشباه الموصلات بتحويل طاقة الإلكترونات - حاملات الشحنة - إلى فوتونات، وهي جسيمات الضوء. هناك نوعان من أشباه الموصلات: تلك التي تحتوي على فجوات شريطية مباشرة، مثل زرنيخيد الغاليوم، وتلك التي تحتوي على فجوات شريطية غير مباشرة، مثل الجرمانيوم والسوران. يشرح أحد الباحثين الرئيسيين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "في المجتمع العلمي، كان الرأي منتشرًا حتى الآن بأن أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق غير المباشرة لن تكون قادرة أبدًا على إشعاع ضوء الليزر. "وهذا بالضبط ما يعلمه العلماء لطلابهم في الجامعات."

في بلورة شبه موصلة، سيتم إطلاق إلكترون متحمس - وهو إلكترون أضيفت إليه كمية معينة من الطاقة - ويصل إلى نطاق التوصيل، حيث يمكنه التحرك بحرية داخل البلورة دون مقاومة. في الواقع، يمكن للإلكترون الموجود في نطاق التوصيل أن يكون في إحدى الحالتين: في الحالة الأولى قد يخرج من نطاق التوصيل ويطلق طاقته الزائدة على شكل فوتون. وفي حالته الثانية قد يطلق الطاقة في أشكال أخرى، مثل الحرارة.

في المواد ذات فجوة النطاق المباشرة، الحالة الأولى - التي ينبعث فيها الفوتون - هي الحالة ذات الطاقة الأقل من الحالة الثانية؛ وفي المواد ذات فجوة الحزمة غير المباشرة، يكون الوضع معكوسًا. غالبًا ما يكون الإلكترون المثار في أدنى حالة طاقة يمكن أن يجدها. لذلك، في المواد ذات فجوة شريطية مباشرة، ستكون الإلكترونات المثارة في حالة انبعاث فوتون، بينما في المواد ذات فجوة شريطية غير مباشرة لن تكون كذلك.

في مقالتهم المنشورة في المجلة العلمية Optics Letters، يصف الباحثون كيف تمكنوا من جعل إلكترونات الجرمانيوم تستقر بدقة في مستوى الطاقة الأعلى، وهو المستوى الذي يحدث فيه انبعاث الفوتون. يُطلق على أسلوبهم الأول، الشائع في تصنيع الرقائق، اسم "التطعيم" حيث يتم إدخال كميات صغيرة من ذرات مادة أخرى في بلورة أشباه الموصلات. في هذه الحالة، أدخل الباحثون ذرات الفوسفور، التي لديها تكافؤ خمسة إلكترونات "خارجية". يوضح الباحث الرئيسي: "يحتوي الجرمانيوم نفسه على أربعة إلكترونات خارجية فقط، وبالتالي فإن الفوسفور "يساهم" بإلكترون إضافي في المصفوفة المتكاملة". يملأ الإلكترون الزائد مستوى الطاقة المنخفض الموجود في نطاق التوصيل، ونتيجة لذلك يتم دفع الإلكترونات المثارة إلى مستوى الطاقة الأعلى، وهو المستوى الذي يصدر الفوتونات في النهاية.

وفقًا للباحثين، يعتبر ترسيب الفوسفور هو الأمثل بتركيز 10^20 ذرة لكل سم1019 من الجرمانيوم. وتمكن الباحثون حتى الآن من الوصول إلى مستوى XNUMX ذرة فوسفور لكل XNUMXسمXNUMX من الجرمانيوم، "وبدأنا بالفعل نرى إشعاع الليزر"، يوضح الباحث. كان النهج الثاني هو تقليل فجوة الطاقة بين مستويي الطاقة في التوصيل بحيث تنجح الإلكترونات المثارة بسهولة أكبر في الوصول إلى حالة انبعاث الفوتون. وقد فعل الباحثون ذلك باستخدام طريقة أخرى شائعة في صناعة الرقائق: حيث قاموا "بتمديد" الجرمانيوم - مما جعل الذرات تبتعد عن بعضها البعض أكثر قليلاً، بالنسبة إلى حالتها الأصلية - عن طريق ربطها مباشرة بطبقة من الزنك. ومع ذلك، فإن الزنك لا يتقلص بنفس القدر الذي يتقلص فيه الجرمانيوم عندما تنخفض درجة الحرارة. تحاول ذرات الجرمانيوم الأكثر برودة الحفاظ على موقعها بالنسبة إلى ذرات الصياغة، لذا فهي تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض. التغيرات في زاوية ومسافة الروابط بين ذرات الجرمانيوم تغير أيضًا الطاقات اللازمة لتحريك إلكتروناتها إلى نطاق التوصيل. ويوضح الباحث أن "القدرة على زراعة الجرمانيوم بواسطة العفن هي اكتشاف لهذه المجموعة البحثية، فضلا عن القدرة على التحكم في طبيعة طبقات الجرمانيوم هذه".

ويشير الباحثون إلى أنه على الرغم من هذا الاكتشاف المثير، إلا أنه لا يزال من الضروري زيادة كفاءة استخدام الطاقة في أجهزة الليزر المعتمدة على الجرمانيوم من أجل تحويلها إلى مصدر إشعاع عملي في أنظمة الاتصالات البصرية.

الخبر من الجامعة