أساسيات ليزر أشباه الموصلات: مبدأ العمل والتاريخ والتطبيقات

منذ اختراع أول ليزر أشباه الموصلات في العالم في عام 1962، شهدت أشباه الموصلات الليزرية تغيرات هائلة، مما عزز بشكل كبير من تطور العلوم والتقنيات الأخرى، وتعتبر من أعظم الاختراعات البشرية في القرن العشرين.

في العقود الأخيرة، كان تطوير أشباه الموصلات الليزرية أكثر سرعة في العقود الأخيرة، مما جعلها واحدة من أسرع تقنيات الليزر نموًا في العالم.

يغطي تطبيق أشباه الموصلات الليزرية مجال الإلكترونيات الضوئية بأكمله وأصبح اليوم التكنولوجيا الأساسية لعلوم الإلكترونيات الضوئية.

نظرًا لمزايا صغر حجم أشباه الموصلات الليزرية وبساطة هيكلها وانخفاض طاقة الإدخال وعمرها الطويل وسهولة تعديلها وانخفاض سعرها، فإنها تستخدم الآن على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الضوئية وتحظى بتقدير كبير من قبل الدول في جميع أنحاء العالم.

ليزر أشباه الموصلات عبارة عن ليزر مصغر مع وصلة Pn أو تقاطع Pn أو تقاطع Pin المكون من مادة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشر كمادة عاملة.

هناك العشرات من المواد التي تعمل بالليزر من أشباه الموصلات، وتشمل المواد شبه الموصلة التي تم تحويلها إلى ليزر: زرنيخيد الغاليوم، وزرنيخيد الإنديوم، وأنتييمونيد الإنديوم، وكبريتيد الكادميوم، وتيلورايد الكادميوم، وسيلينيد الرصاص، وتيلورايد الرصاص، وزرنيخ الغاليوم الألومنيوم، وزرنيخ فوسفور الإنديوم وغيرها.

هناك ثلاث طرق إثارة رئيسية لأشباه الموصلات الليزرية لأشباه الموصلات، وهي

• نوع الحقن الكهربائي
• نوع الضخ الخفيف
• نوع إثارة شعاع الإلكترون عالي الطاقة

يتم استثارة معظم أشباه الموصلات الليزرية عن طريق الحقن الكهربائي، مما يعني أنه يتم تطبيق جهد أمامي على الوصلة Pn لإنتاج انبعاثات مثارة في منطقة مستوى الوصلة، وهو صمام ثنائي متحيز للأمام.

ولذلك، يُطلق على ليزر أشباه الموصلات أيضًا اسم الصمام الثنائي الليزري لأشباه الموصلات.

بالنسبة لأشباه الموصلات، نظرًا لأن الإلكترونات تقفز بين نطاقات الطاقة وليس بين مستويات الطاقة المنفصلة، فإن طاقة القفز ليست قيمة محددة، مما يجعل الطول الموجي لخرج أشباه الموصلات الليزرية ينتشر على نطاق واسع.

تنبعث منها أطوال موجية في نطاق 0.3 إلى 34 ميكرومتر.

يتم تحديد نطاق الطول الموجي من خلال فجوة نطاق الطاقة للمادة المستخدمة، والأكثر شيوعًا هو ليزر AlGaAs المزدوج المتغاير مع طول موجة خرج يتراوح بين 750 و890 نانومتر.

رسم تخطيطي لهيكل الليزر

لقد مرت تكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات الليزرية بعمليات مختلفة من الانتشار إلى المرحلة السائلة (LPE)، والطور السائل (LPE)، والطور البخاري (VPE)، وطريقة الحزمة الجزيئية (MBE)، وطريقة MOCVD (ترسيب بخار المركب العضوي المعدني)، والحزمة الكيميائية (CBE) ومجموعات مختلفة منها.

إن أكبر عيب في أشباه الموصلات الليزرية هو أن أداء الليزر يتأثر بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة، كما أن زاوية تباعد الشعاع كبيرة (تتراوح عمومًا بين بضع درجات و20 درجة)، مما يؤدي إلى ضعف الاتجاهية وأحادية اللون والتماسك.

ومع ذلك، ومع التطور السريع للعلم والتكنولوجيا، تتقدم الأبحاث على أشباه الموصلات الليزرية في اتجاه التعمق، ويتحسن أداء أشباه الموصلات الليزرية باستمرار.

ستحرز أشباه الموصلات الليزر، باعتبارها جوهر تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات في مجتمع المعلومات في القرن الحادي والعشرين، تقدمًا أكبر وستلعب دورًا أكبر.

مبدأ عمل ليزر أشباه الموصلات

ليزر أشباه الموصلات هو مصدر إشعاع مترابط، ولتمكينه من إنتاج ضوء الليزر، يجب أن تتوافر ثلاثة شروط أساسية :

1. حالة الكسب

ولتحديد التوزيع الانعكاسي للحاملات في وسط الإثارة (المنطقة النشطة)، يتم تمثيل طاقة الإلكترون في شبه الموصِّل بسلسلة من نطاقات الطاقة التي تتكون من سلسلة من مستويات الطاقة المتصلة تقريبًا.

لذلك، لتحقيق انعكاس عدد الجسيمات في أشباه الموصلات، من الضروري أن تكون بين منطقتي نطاق طاقة.

يكون عدد الإلكترونات في الجزء السفلي من نطاق التوصيل في حالة الطاقة الأعلى أكبر بكثير من عدد الثقوب في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ في حالة الطاقة الأدنى. ويتحقق ذلك عن طريق إضافة انحياز أمامي إلى الوصلة المتجانسة أو الوصلة المتغايرة وحقن الحاملات الضرورية في الطبقة النشطة لإثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ ذي الطاقة المنخفضة إلى نطاق التوصيل ذي الطاقة الأعلى.

يحدث الانبعاث المستثار عندما يتحد عدد كبير من الإلكترونات في حالة انعكاس عدد الجسيمات مع الثقوب.

2. للحصول فعلياً على الإشعاع المحفَّز ذي الصلة

لتحقيق التغذية الراجعة المتعددة وتكوين ذبذبات الليزر، يجب عمل إشعاع متحمس في التجويف الرنيني البصري.

يتم تشكيل التجويف الرنيني لليزر باستخدام المحلول السطحي الطبيعي لبلورة شبه موصلة كعاكس، وعادةً ما يكون ذلك باستخدام طبقة عازلة متعددة الطبقات عاكسة للغاية على الطرف غير الباعث وغشاء عاكس جزئيًا على الجانب الباعث.

في حالة تجويف F-p (تجويف فابري-بيرو) أشباه الموصلات الليزرية (F-p) يمكن تشكيل تجويف F-p بسهولة باستخدام مستوى المحلول الطبيعي للبلورة المتعامد على مستوى الوصلة p-n.

3. من أجل تكوين تذبذبات مستقرة، يجب أن يكون وسيط الليزر قادرًا على توفير كسب كبير بما فيه الكفاية

للتعويض عن الفقد البصري الناجم عن التجويف الرنيني والفقد الناجم عن خرج الليزر من سطح التجويف، من الضروري زيادة المجال البصري في التجويف باستمرار.

ويتطلب ذلك حقن تيار قوي بما فيه الكفاية، أي انعكاس عدد الجسيمات بدرجة كافية. وكلما زادت درجة انعكاس عدد الجسيمات، زادت المكاسب التي يتم الحصول عليها، لذلك من الضروري استيفاء شرط عتبة تيار معين.

عندما يصل الليزر إلى قيمة العتبة، يمكن للضوء ذي الطول الموجي المحدد أن يتردد صداه في التجويف ويتم تضخيمه، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين ليزر وإخراج مستمر.

يمكن ملاحظة أنه في أشباه الموصلات الليزرية في أشباه الموصلات، تكون القفزة الثنائية القطب للإلكترونات والثقوب هي العملية الأساسية لانبعاث الضوء وتضخيم الضوء.

بالنسبة لأشباه الموصلات الليزرية الجديدة، من المسلم به الآن أن الآبار الكمومية هي القوة الدافعة الأساسية لتطوير أشباه الموصلات الليزرية.

وقد امتد موضوع ما إذا كان بإمكان الأسلاك الكمومية والنقاط الكمومية الاستفادة الكاملة من التأثيرات الكمومية في هذا القرن، وحاول العلماء صنع نقاط كمومية في مواد مختلفة ذات هياكل ذاتية التنظيم، بينما استخدمت نقاط GaInN الكمومية في أشباه الموصلات الليزرية.

تاريخ أشباه الموصلات الليزرية

تم تطوير ليزرات أشباه الموصلات لأول مرة في أوائل الستينيات من القرن الماضي باعتبارها ليزرات تقاطعات متجانسة، والتي كانت عبارة عن صمامات ثنائية من النوع pn مصنوعة من مادة واحدة. عند تعريضها لحقن تيار أمامي عالٍ، يتم حقن الإلكترونات باستمرار في المنطقة p، ويتم حقن الثقوب باستمرار في المنطقة n، مما يؤدي إلى انعكاس توزيع الناقل في منطقة نضوب الوصلة pn الأصلية. ونظرًا لأن معدل هجرة الإلكترونات أسرع من معدل هجرة الثقوب، يحدث انبعاث الإشعاع والجسيمات المركبة في المنطقة النشطة، مما يؤدي إلى انبعاث الفلورسنت، وفي ظل ظروف معينة، يحدث ليزر شبه موصل على شكل نبض.

أما المرحلة الثانية من تطوير ليزر أشباه الموصلات فهي ليزر أشباه الموصلات ذو البنية المتغايرة، والذي يتكون من طبقتين رقيقتين مختلفتين من مادة أشباه الموصلات ذات فجوة نطاقية مختلفة، مثل GaAs و GaAlAs. وكان أولها ليزر أحادي البنية المتغايرة (1969). ليزر الحقن أحادي الوصلة المتغايرة الأحادية (SHLD) داخل المنطقة p من تقاطع GaAsP-N لتقليل كثافة تيار العتبة، والتي تكون قيمتها أقل من كثافة تيار العتبة بمقدار أقل من ليزر الوصلة المتجانسة، ولكن لا يزال الليزر أحادي الوصلة المتغايرة لا يمكن أن يعمل بشكل مستمر في درجة حرارة الغرفة.

منذ أواخر السبعينيات، تطورت أشباه الموصلات الليزرية بشكل واضح في اتجاهين. أحدهما هو تطوير الليزر القائم على المعلومات لغرض نقل المعلومات، والآخر هو تطوير الليزر القائم على الطاقة لغرض زيادة الطاقة الضوئية. وقد كان الدافع وراء ذلك تطبيقات مثل ليزر الحالة الصلبة المضخوخة، وتعتبر ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة (طاقة خرج مستمرة تبلغ 100 ميجاوات أو أكثر، وطاقة خرج نابضة تبلغ 5 وات أو أكثر) ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة.

في التسعينيات، حدثت طفرة في تكنولوجيا أشباه الموصلات الليزرية تميزت بزيادة كبيرة في طاقة إنتاج أشباه الموصلات الليزرية. وتم تسويق أجهزة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة من فئة الكيلوواط، ووصل ناتج أجهزة العينة المحلية إلى 600 واط. كما اتسعت الأطوال الموجية لليزر من ليزر أشباه الموصلات بالأشعة تحت الحمراء إلى ليزر أشباه الموصلات الأحمر 670 نانومتر، تلاها إدخال أطوال موجية تبلغ 650 نانومتر و635 نانومتر والأزرق والأخضر والأزرق من أشباه الموصلات. كما تم بنجاح تطوير ليزر أشباه الموصلات البنفسجي وحتى أشباه الموصلات فوق البنفسجية بقدرة 10 ميجاوات.

في أواخر التسعينيات، تم النظر في تطوير أجهزة الليزر الباعثة للسطح والليزر الباعث للسطح ذات التجويف الرأسي لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الإلكترونيات الضوئية فائقة التوازي. وقد أصبحت الأجهزة عند 980 نانومتر و850 نانومتر و780 نانومتر عملية في الأنظمة البصرية. وفي الوقت الحالي، تُستخدم أجهزة الليزر الباعثة للسطح ذات التجويف الرأسي في الشبكات عالية السرعة لشبكة جيجابت إيثرنت.

تطبيقات أشباه الموصلات الليزرية

أشعة الليزر شبه الموصلة هي فئة من أشعة الليزر التي نضجت في وقت مبكر وتقدمت بشكل أسرع بسبب نطاقها الواسع من الطول الموجي، وإنتاجها البسيط، وتكلفتها المنخفضة، وسهولة إنتاجها بكميات كبيرة، وصغر حجمها، وخفة وزنها، وعمرها الطويل. لذلك، كان تطورها سريعًا، وتجاوز نطاق تطبيقاتها الآن 300 نوع.

1. التطبيق في الصناعة والتكنولوجيا

(1) اتصالات الألياف البصرية:

أشعة الليزر شبه الموصلة هي مصدر الضوء العملي الوحيد لأنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية، وأصبحت الاتصالات بالألياف البصرية هي السائدة في تكنولوجيا الاتصالات المعاصرة.

(2) الوصول إلى القرص الضوئي:

استُخدمت أشباه الموصلات الليزرية في ذاكرة الأقراص الضوئية، وتتمثل أكبر ميزة لها في الكمية الكبيرة من المعلومات الصوتية والنصية والرسومية المخزنة. ويمكن أن يؤدي استخدام أشعة الليزر الأزرق والأخضر إلى تحسين كثافة تخزين الأقراص الضوئية بشكل كبير.

(3) التحليل الطيفي:

وقد استخدمت أشعة الليزر شبه الموصلة القابلة للضبط بالأشعة تحت الحمراء البعيدة لتحليل الغازات البيئية، ورصد التلوث الجوي، وعوادم السيارات، وما إلى ذلك. وفي الصناعة، يمكن استخدامها لرصد عملية الترسيب في مرحلة البخار.

(4) معالجة المعلومات البصرية:

استخدمت أشباه الموصلات الليزرية في أنظمة إدارة المعلومات البصرية. وتعتبر مصفوفات أشباه الموصلات الليزرية ثنائية الأبعاد الباعثة للسطح من أشباه الموصلات مصادر ضوئية مثالية لنظم المعالجة البصرية المتوازية وستستخدم في الحواسيب والشبكات العصبية الضوئية.

(5) التصنيع الدقيق بالليزر:

تنتج أشعة ليزر أشباه الموصلات ذات التبديل الكمي ضربات ضوئية عالية الطاقة وقصيرة للغاية لقطع وتثقيب الدوائر المتكاملة.

(6) إنذار الليزر:

تُستخدم أجهزة إنذار أشباه الموصلات الليزرية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أجهزة الإنذار ضد السرقة، وأجهزة الإنذار ضد السرقة وأجهزة الإنذار ضد مستوى المياه، وأجهزة الإنذار عن بعد للسيارات، إلخ.

(7) طابعات الليزر:

تم استخدام أشباه ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة في طابعات الليزر. ويمكن أن يؤدي استخدام الليزر الأزرق والأخضر إلى تحسين سرعة الطباعة ودقتها إلى حد كبير.

(8) ماسح ضوئي للرموز الشريطية بالليزر:

تُستخدم الماسحات الضوئية للرموز الشريطية الليزرية لأشباه الموصلات على نطاق واسع في الترويج، وكذلك في إدارة الكتب والملفات.

(9) ليزر الحالة الصلبة المضخوم:

وهذا تطبيق مهم لأشباه الموصلات الليزرية عالية الطاقة من أشباه الموصلات، حيث يمكن أن يشكل استخدام أشباه الموصلات الليزرية عالية الطاقة لتحل محل المصباح الجوي الأصلي نظام ليزر الحالة الصلبة بالكامل.

(10) تلفزيون ليزر عالي الوضوح:

في المستقبل القريب، يمكن طرح أجهزة تلفاز ليزر أشباه الموصلات بدون أنابيب أشعة الكاثود في الأسواق، والتي تستخدم أشعة الليزر الأحمر والأزرق والأخضر، ويقدر استهلاكها لطاقة أقل بـ 201 تيرابايت 3 تيرابايت من أجهزة التلفاز الحالية.

2. التطبيق في البحوث الطبية وعلوم الحياة

(1) العلاج بالليزر الجراحي

استُخدمت أشباه الموصلات الليزرية في استئصال الأنسجة الرخوة وربط الأنسجة والتخثر والتبخير. وقد استُخدمت على نطاق واسع في الجراحة العامة والجراحة التجميلية والأمراض الجلدية والمسالك البولية والتوليد وأمراض النساء.

(2) العلاج الحركي بالليزر

يتم تجميع مواد حساسة للضوء ذات تقارب مع الأورام بشكل انتقائي في الأنسجة السرطانية ويتم تشعيعها بواسطة ليزر شبه موصل لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية في الأنسجة السرطانية، بهدف النخر دون أي ضرر للأنسجة السليمة.

(3) أبحاث علوم الحياة

تم استخدام "الملاقط الضوئية" الليزرية شبه الموصلة بالليزر، التي يمكنها التقاط الخلايا الحية أو الكروموسومات ونقلها إلى أي مكان، لتعزيز تخليق الخلايا والتفاعل الخلوي وغيرها من الأبحاث، بالإضافة إلى استخدامها كأسلوب تشخيصي في علم الطب الشرعي.