לייזר גרמניום ראשון מסוגו

ממצאים חדשים של צוות מחקר מאוניברסיטת MIT מקרבים אותנו שלב נוסף לעבר פיתוח מחשבים המשתמשים באור במקום בחשמל לשם העברת מידע

חוקרים מאוניברסיטת MIT הדגימו את פעילותו של הלייזר הראשון אי-פעם המורכב מהיסוד גרמניום (germanium) ואשר מסוגל לייצר אור באורכי-גל השימושיים לתקשורת אופטית. זהו הלייזר המבוסס-גרמניום הראשון אי-פעם הפועל בטמפרטורת החדר. בניגוד לחומרים אחרים השכיחים בלייזרים, את הגרמניום קל לשלב בתהליכים קיימים המייצרים שבבי צורן. כך שהתוצאה עשויה להוות צעד חשוב קדימה לעבר הפיתוח של מחשבים המעבירים מידע – ואולי אפילו מבצעים חישובים – תוך שימוש באור במקום בחשמל. אולם, השלכות יותר משמעותיות הינן העובדה כי החוקרים הראו לראשונה, בניגוד לסברה הרווחת, כי משפחת חומרים מוליכים למחצה הקרויה “indirect-band-gap” אכן יכולה לשמש בלייזרים.

בעוד שקיבולתם של שבבי מחשב מתגברת עם הזמן, הם מחייבים גם רוחב פס (קצב הנתונים המרבי אשר ניתן להעבירו על רשת תקשורת) גדול יותר ויותר. אולם, מחברים חשמליים טיפוסיים במהרה ייהפכו לבלתי-ישימים מאחר והם יחייבו צריכת אנרגיה הרבה יותר גדולה לשם ביצוע משימותיהם. העברת מידע ע”י לייזרים – התקנים הממקדים אור לאלומה צרה ועוצמתית – תוכל להיות הרבה יותר יעילה אנרגטית, אולם תחייב דרך זולה לשילוב רכיבים אופטיים וחשמליים בתוך שבבי צורן.

ייצור שבב צורן הינו תהליך מורכב ומדויק שבו שכבות של חומרים שונים מוטמעות ע”ג שכבת צורן, והדפוסים הרצויים נחרטים בהם בתהליכים כימיים. הוספת חומר חדש לתהליך זה הינה מורכבת: יש צורך שהחומר החדש ייקשר כימית לשכבות שמעליו ומתחתיו, והטמעתו חייבת להתבצע בטמפרטורת ובתנאים כימיים המתאימים לחומרים האחרים איתו.

החומרים המשמשים היום בלייזרים קיימים, כגון ארסניד הגליום (gallium arsenide), כולם קשים להתאמה והטמעה בתהליכים שכאלו, אומר אחד מהחוקרים. בעקבות כך, יש להרכיב את הלייזרים בנפרד ואז לשלבם בשבבים – תהליך שהינו יקר וארוך יותר מאשר ייצורם ישירות ע”ג שכבת הצורן. מעבר לכך, החומר ארסניד הגליום עצמו הרבה יותר יקר מאשר צורן.

מאידך, הטמעת החומר גרמניום בתהליכי-ייצור, הינה פעולה שכמעט וכל החברות הגדולות לייצור שבבים כבר החלו לבצע, מאחר ושילוב הגרמניום מגביר את מהירות פעילותם של שבבי הצורן. “אנו, והרבה אחרים, יודעים כיצד לעשות זאת כיום,” מציין החוקר הראשי.

ארסניד הגליום, צורן וגרמניום הם כולם דוגמאות למוליכים-למחצה, סוג החומרים המשמש כיום למעשה בכל רכיבי-האלקטרוניקה המתקדמים. לייזרים המורכבים ממוליכים למחצה ממירים את אנרגיית האלקטרונים – נושאי המטען – לפוטונים, חלקיקי האור. יש שני סוגים של מוליכים למחצה: בעלי מרווח פס ישיר (direct band gaps), כגון ארסניד הגליום, ובעלי מרווח פס עקיף (indirect) כגון גרמניום וצורן. מסביר אחד מהחוקרים הראשיים ב- MIT: “בקהילייה המדעית רווחה הדעה עד כה כי מוליכים למחצה בעלי מרווח פס עקיף לעולם לא יצליחו להקרין אור לייזר. “זה בדיוק מה שהמדענים מלמדים באוניברסיטאות את הסטודנטים שלהם.”

בגביש מוליך למחצה, אלקטרון מעורר – כזה שהוספה לו כמות מסוימת של אנרגיה – ישתחרר ויגיע לפס ההולכה, שם הוא יוכל לנוע בחופשיות בתוככי הגביש ללא התנגדות. למעשה, אלקטרון בפס ההולכה יכול להיות באחד משני מצבים: במצב הראשון הוא עשוי לצאת מפס ההולכה ולשחרר את האנרגיה העודפת שלו בצורת פוטון. במצבו השני הוא עשוי לשחרר את האנרגיה בצורות אחרות, כגון חום.

בחומרים בעלי מרווח פס ישיר, המצב הראשון – שבו נפלט פוטון – הוא המצב בעל אנרגיה נמוכה יותר מאשר המצב השני; בחומרים בעלי מרווח פס עקיף, המצב הפוך. אלקטרון מעורר לרוב יימצא במצב האנרגטי הנמוך ביותר שהוא מסוגל למצוא לו. כך שבחומרים בעלי מרווח פס ישיר אלקטרונים מעוררים יהיו במצב של פליטת פוטונים, ואילו בחומרים בעלי מרווח פס עקיף לא.

במאמרם, המתפרסם בכתב-העת המדעי Optics Letters, החוקרים מתארים כיצד הם הצליחו לגרום לאלקטרונים של גרמניום להתמקם דווקא ברמה האנרגטית הגבוהה יותר, זו שבה מתרחשת פליטת פוטונים. הגישה הראשונה שלהם, שהינה נפוצה בייצור שבבים, מכונה “אילוח” (doping) שבו מוחדרים לגביש המוליך למחצה אטומים של חומר אחר בכמויות קטנות. במקרה הזה, החוקרים החדירו אטומי זרחן, שהינם בעלי ערכיות של חמישה אלקטרונים “חיצוניים”. לגרמניום עצמו יש רק ארבעה אלקטרונים חיצוניים שכאלו, ולכן הזרחן “תורם” אלקטרון נוסף למערך המשולב,” מסביר החוקר הראשי. האלקטרון העודף ממלא את הרמה הנמוכה באנרגיה המצויה בפס ההולכה, ובעקבות כך האלקטרונים המעוררים נדחקים לרמה האנרגטית הגבוהה יותר, זו הפולטת בסופו של דבר פוטונים.

על-סמך דברי החוקרים, אילוח של זרחן הינו מיטבי בריכוז של 10^20 אטומים לכל סמ”ק של גרמניום. עד עתה החוקרים הצליחו להגיע לרמה של 1019 אטומי זרחן לכל סמ”ק אחד של גרמניום, “וכבר עכשיו אנו מתחילים לראות קרינת לייזר,” מסביר החוקר. הגישה השנייה הייתה להפחית את הפער האנרגטי שבין שתי רמות האנרגיה של ההולכה כך שאלקטרונים מעוררים יצליחו ביתר קלות להגיע למצב הפולט פוטונים. החוקרים עשו זאת תוך שימוש בשיטה נוספת הרווחת בתעשיית השבבים: הם “מתחו” את הגרמניום – גרמו לאטומים להתרחק אחד מהשני קצת יותר, יחסית למצבם המקורי – ע”י קשירתם ישירות ע”ג שכבת צורן. אולם, צורן לא מתכווץ באותה המידה של גרמניום כאשר הטמפרטורה יורדת. האטומים של הגרמניום הקר יותר מנסים לשמר את מצבם יחסית לאטומי הצורן, כך שהם מתרחקים יותר זה מזה. שינויי הזווית והמרחק של הקשרים שבין אטומי הגרמניום משנים גם את האנרגיות הנדרשות להזזת האלקטרונים שלהם לתוך פס ההולכה. “היכולת להצמיח גרמניום ע”ג צורן הינה תגלית של קבוצת מחקר זו,” מסביר החוקר, “וכן היכולת לשלוט בטיבן של שכבות גרמניום אלו.”

החוקרים מציינים כי למרות התגלית המרגשת, עדיין נדרשת הגברת היעילות האנרגטית של לייזרים מבוססי-גרמניום בכדי להפכם למקור קרינה מעשי במערכות לתקשורת אופטית.

הידיעה מהאוניברסיטה