تحضير الليزر النانوي المرتبط بالسيليكون

اكتشف المهندسون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، طريقة لربط أشعة الليزر النانوية مباشرة بسطح السيليكون، وهو إنجاز يمكن أن يؤدي إلى تطوير عائلة جديدة من المعالجات الدقيقة الأسرع والأكثر كفاءة، بالإضافة إلى أجهزة استشعار كيميائية حيوية قوية تستخدم رقائق إلكترونية بصرية. .

ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية الضوئيات الطبيعة.

وقال الباحث الرئيسي كوني تشانغ حسنين، أستاذ الهندسة الإلكترونية وعلوم الكمبيوتر: "نتائج بحثنا لها آثار على مجموعة واسعة من المجالات العلمية، بما في ذلك علوم المواد وتكنولوجيا الترانزستور وعلوم الليزر والإلكترونيات الضوئية والفيزياء البصرية".

دفعت متطلبات الأداء المتزايدة باستمرار في مجال الإلكترونيات العديد من الباحثين إلى البحث عن طرق أفضل لتسخير القدرة الكامنة لجزيئات الضوء على نقل معلومات أكثر بكثير مما تستطيع الإشارات الكهربائية. تعتبر التوصيلات الضوئية من الحلول القادرة على التغلب على اختناق الاتصالات داخل وبين شرائح الكمبيوتر.

نظرًا لأن السيليكون، وهو المادة التي تشكل أساس الإلكترونيات اليوم، منتج ضعيف للغاية للضوء، فقد تحول المهندسون إلى عائلة أخرى من المواد المعروفة باسم أشباه الموصلات III-V (العائلة الثالثة والخامسة) لإنشاء مكونات تعتمد على الضوء مثل الضوء. الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) والليزر.

ومع ذلك، اكتشف الباحثون أن دمج هذه المواد مع السيليكون لإنتاج شريحة إلكترونية بصرية مدمجة كان مشكلة. أولا، لأن التركيب الذري للمادتين غير متوافقين.

وقال المؤلف الرئيسي روجر تشين من جامعة بيركلي: "إن صنع طبقات من 3 إلى 5 أشباه موصلات على السيليكون يشبه إجبار قطعتين غير متوافقتين من اللحام معًا". "هذا ممكن، ولكن المواد تتضرر أثناء العملية."

بالإضافة إلى ذلك، تتكيف الصناعة التحويلية مع إنتاج المواد القائمة على السيليكون، وبالتالي، لأسباب عملية، كان الهدف حتى الآن هو دمج الأجهزة القائمة على أشباه الموصلات من هذه العائلة داخل البنى التحتية القائمة، كما يوضح الباحثون.

يوضح الباحث: "إن البنية التحتية للمكونات الإلكترونية القائمة على السيليكون كبيرة جدًا اليوم بحيث يصعب تغييرها، سواء لأسباب اقتصادية أو لأسباب تكنولوجية، لذا فإن مستوى التوافق للإنتاج مع السيليكون أمر ضروري". "إحدى المشاكل هي أن تصنيع أشباه الموصلات من هذه العائلة عادة ما يتضمن عمليات تستخدم درجات حرارة عالية - 700 درجة مئوية أو أكثر - مما يؤدي إلى تدمير المكونات الإلكترونية. وفي الوقت نفسه، لم يتم بعد تكييف أساليب التكامل الأخرى مع النطاق الصناعي.

ووجد الباحثون طريقة للتغلب على هذه المشكلة من خلال زراعة أعمدة نانوية مكونة من زرنيخيد الإنديوم والجاليوم، وهي مادة من عائلة 3-5، على سطح السيليكون عند درجة حرارة "باردة" نسبيًا تبلغ 400 درجة مئوية فقط.

وقال الباحث: "إن العمل على مقياس نانومتر سمح لنا بتنمية مواد من عائلة 3-5 ذات جودة عالية عند درجات حرارة منخفضة بما يكفي لتكون مناسبة للمكونات الإلكترونية القائمة على السيليكون مع الحفاظ على نشاطها الأصلي".

استخدم الباحثون طريقة ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي لزراعة أعمدة نانوية باستخدام السيليكون. وقال الباحث: "هذه الطريقة يمكن أن تمكن الطاقة الإنتاجية الصناعية، لأن هذا النظام يستخدم تجاريا بالفعل لإنشاء خلايا شمسية تحتوي على طبقات صغيرة وثنائيات باعثة للضوء".

ومنذ لحظة الحصول على العمود النانوي، أظهر الباحثون أنه قادر على إصدار ضوء الليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريب - وهو طول موجي يبلغ حوالي 950 نانومتر - في درجة حرارة الغرفة. ينتج التكوين السداسي، الذي يمليه الهيكل البلوري للأعمدة النانوية، مكانًا بصريًا مبتكرًا وفعالاً لاحتجاز الضوء. يتحرك الضوء بحرية لأعلى ولأسفل عبر الهيكل بطريقة حلزونية ويتم تضخيمه من خلال آلية التغذية المرتدة البصرية.

لاحظ الباحثون أن النهج الفريد المتمثل في زراعة أشعة الليزر النانوية مباشرة على أسطح السيليكون يمكن أن يؤدي إلى مكونات ضوئية فعالة للغاية تعتمد على السيليكون. يوضح الباحثون أن الأبعاد الصغيرة للأعمدة النانوية تسمح بتكديسها واحدة فوق الأخرى في أكوام صغيرة باستثمار منخفض في الطاقة.

يقول الباحثون: "في النهاية، يمكن لهذه الطريقة أن توفر طريقًا مبتكرًا وفعالًا لإنشاء أجهزة ضوئية نانوية على شريحة مثل الليزر، وأجهزة استشعار الصور، والمعدلات، والخلايا الشمسية".

يوضح الباحث: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تطبيق طريقة من أسفل إلى أعلى لربط أنواع الليزر النانوي من النوع 3-5 برقائق السيليكون من خلال عملية نمو متوافقة مع التكنولوجيا المستخدمة حاليًا لإنشاء أشباه الموصلات من أكسيد المعدن والدوائر المطبوعة". . "في بحثنا تكمن القدرة على تسريع ثورة الإلكترونيات الضوئية في مجالات أجهزة الكمبيوتر والاتصالات والشاشات وأجهزة معالجة الإشارات الضوئية. ويأمل الباحثون في المستقبل أن يكون من الممكن تحسين خصائص هذه الليزرات وتحقيق السيطرة عليها في نهاية المطاف من أجل الجمع بين الأجهزة الإلكترونية والأجهزة الضوئية.

أخبار الدراسة