نجحت اليابان في تطوير ليزر أشباه موصلات للأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي المتوسط، مما يوسع إمكانيات جديدة في علم البصريات.

موتاكي إواتاني

أستاذ، كلية العلوم والهندسة، جامعة ميجو؛ تم انتخابه كممثل بحثي لـ CREST في عام 2016

البحث الذي بدأ في خمسينيات القرن العشرين
يتحدى المناطق غير المستكشفة

مع ثبات الطول الموجي والطور، يتميز 'الليزر' بتوجيهية وتجمع ممتازين، ويُستخدم على نطاق واسع في الأقراص الضوئية، والطابعات الليزرية، والاتصالات الضوئية، وما إلى ذلك، وأصبح جزءًا لا غنى عنه في الحياة اليومية. وعلى وجه الخصوص، تتميز ليزرات أشباه الموصلات، مقارنةً بليزرات الغاز وليزرات الحالة الصلبة، بخصائص متفوقة مثل الحجم الصغير والكفاءة العالية وعمر التشغيل الطويل والإنتاجية العالية، مما أدى إلى استخدامها على نطاق واسع.

تعتمد ليزرات أشباه الموصلات على هيكل (الشكل 1) حيث تُحاط 'الطبقة النشطة' بين شبه موصل من النوع n، الذي تكون فيه الإلكترونات الحاملة للشحنة السالبة هي حاملات الأغلبية، وشبه موصل من النوع p، الذي تكون فيه الفجوات الحاملة للشحنة الموجبة هي حاملات الأغلبية. ومن خلال اعتماد هذا الهيكل، يتم أيضًا تحقيق وظيفة الرنان البصري الذي يحصر الضوء لتكوين موجات ثابتة. بعد تطبيق الجهد، يتم حقن الإلكترونات الحرة في شبه الموصل من النوع n عالي الطاقة والفجوات الحرة في شبه الموصل من النوع p في الطبقة النشطة ثم إعادة اتحادها.

الشكل 1: آلية ليزرات أشباه الموصلات (يسار) وحالات طاقة الإلكترونات (يمين)

الطاقة الناتجة عن إعادة التركيب، أي طاقة فجوة النطاق للمادة، تخضع لتحويل ضوئي كهربائي لإنتاج تذبذب الليزر. فجوة النطاق هي نطاق طاقة لا توجد فيه حالات إلكترونية، تحددها مادة أشباه الموصلات. كلما كانت فجوة النطاق أكبر، زادت طاقة التذبذب الضوئي.

بعد اقتراح هذه النظرية في خمسينيات القرن العشرين، بدأ التطوير الشامل في ستينيات القرن العشرين. بدأت مع المنطقة تحت الحمراء، التي تمتلك طاقة أقل وأطوال موجية أطول، ثم توسعت تدريجياً إلى مناطق ذات طاقة أعلى وأطوال موجية أقصر مثل الأحمر → الأخضر → الأزرق (الشكل 2). لاحقاً، ظهرت توقعات متزايدة لتحقيق ليزرات أشباه الموصلات في منطقة الأشعة فوق البنفسجية بطاقة أعلى. ومع ذلك، يتطلب تحقيق هذا الهدف إنتاج مواد شبه موصلة عالية الجودة بفجوة نطاق كبيرة تزيد عن 3 إلكترون فولت (eV)، وحقن تيارات كبيرة تولد كسباً بصرياً لتحفيز الليزر على التذبذب.

الشكل 2: أنواع الضوء والمنطقة التي لم تتحقق بعد بواسطة ليزرات أشباه الموصلات

لهذا الغرض، تنافس الباحثون في جميع أنحاء العالم لتطوير ليزرات أشباه الموصلات للأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الطويل في نطاق 320–380 نانومتر (النانومتر هو جزء من مليار من المتر)، والتي تم تطويرها في عام 2003، وليزرات الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الطول الموجي أقل من 280 نانومتر في عام 2019. المنطقة الأخيرة غير المحققة هي ليزر أشباه الموصلات UV-B في نطاق الطول الموجي المتوسط من 280–320 نانومتر، المعروف على نطاق واسع كسبب لحروق الشمس. التصدي لهذا التحدي هو مشروع "تحقيق ليزرات أشباه الموصلات للأشعة فوق البنفسجية العميقة والبحث عن الشوائب فائقة التركيز العالية/أشباه الموصلات المستقطبة"، الذي يُقاد تحت برنامج CREST "تقنيات بصرية أساسية جديدة الجيل مبنية على وظائف وخصائص ضوئية جديدة"، مع البروفيسور موتاكي إواناجا من كلية العلوم والهندسة بجامعة ناغويا كباحث رئيسي.

إواناجا هو أحد طلاب الدكتور إسامو أكاساكي (الذي توفي في عام 2021)، الذي حصل على جائزة نوبل للفيزياء لعام 2014 "لاختراع ثنائيات باعثة للضوء زرقاء عالية الكفاءة تتيح مصادر ضوء بيضاء ساطعة ومنخفضة الاستهلاك للطاقة". كان إواناجا تحت إرشاد الدكتور أكاساكي لأكثر من 20 عامًا منذ دراسته الجامعية. يقول إواناجا إن الدكتور أكاساكي علمه الكثير، بما في ذلك آراؤه حول التكنولوجيا والبحث، والتحضير النفسي كباحث، وطرق التفكير والنهج، والمنظورات التحليلية. "كان يقرأ جميع أبحاثي ويعطي تعليقات واقتراحات دقيقة سطرًا بسطر. بدون مبالغة، لو لم ألتقِ بالدكتور أكاساكي، لما انطلقت في مسار بحثي" (إواناجا).

في مجال فيزياء المواد الإلكترونية، كان يُعتقد في الأصل أنه لا يمكن تطوير ليزرات أشباه الموصلات للأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي المتوسط. والسبب في ذلك هو أن ليزرات أشباه الموصلات تتطلب مواد شبه موصلة ذات طاقة فجوة نطاق تتراوح بين 3.8 و4.4 إلكترون فولت، لكن المواد ذات طاقة فجوة نطاق أكبر من 3 إلكترون فولت تظهر خصائص عزل عالية. أي أنه يجب تمرير تيار كهربائي كبير ضروري لتذبذب الليزر عبر مادة عازلة - وهو أمر يبدو مستحيلاً. بالإضافة إلى ذلك، لتصنيع ليزرات أشباه الموصلات المستقرة، يجب تطوير مواد جديدة ذات عيوب بلورية قليلة وجودة عالية.

استنادًا إلى هذا الاعتقاد السائد بأن مثل هذا الهدف غير قابل للتحقيق، لم يقم معظم الباحثين بإجراء أبحاث حول ليزرات أشباه الموصلات للأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي المتوسط. ومع ذلك، اعتقد إواتا أنه "إذا كنا سنفعل ذلك، فيجب أن نتحدى مشكلة لا يستطيع الآخرون حلها"، وبالتالي قرر بشجاعة تحمل التحدي. على الرغم من أنه حاول تطوير مواد مختلفة باستخدام طرق متنوعة، إلا أن كل محاولة انتهت بالفشل، وتزعزعت عزيمته تدريجيًا.

بعد عدة سنوات من البحث، قرر إواتا التخلي عن الفكرة وأبلغ الدكتور أكاساكي بذلك. تذكر إواتا أنه عند سماع هذه الأخبار، تغير الدكتور أكاساكي الذي كان عادةً لطيفًا فجأة وغضب بشدة. قال: "هل عزيمتك تقتصر على هذا فقط؟ لقد شاركت العديد من الطلاب؛ هل يمكنك تحمل المسؤولية؟ إذا تخليت عن الأمر لهذا السبب، فمن الأفضل ألا تقوم بالبحث على الإطلاق." من ذلك اليوم، تجدد تحدي إواتا.

تحقيق أعلى جودة من AlN في العالم
عن طريق تصنيع طبقة AlGaN عبر النمو ثلاثي الأبعاد

وسعت إواتاني بذلك أبحاثها لتشمل مجالات مختلفة، واقترحت جميع الفرضيات الممكنة وحاولت طرقًا ومواد متنوعة للتطوير. تم إنتاج مئات العينات التجريبية. بعد تكرار المحاولات والأخطاء، بدأ الشعور بالتقدم حول عام 2014، بعد أربع سنوات من إعادة تشغيل البحث. بدءًا من اعتماد CREST لبعض الأفكار في عام 2016، بدأت بعض المفاهيم تتشكل تدريجيًا. على وجه التحديد، هذه هي: 'المعالجة الحرارية العالية لنتريد الألومنيوم (AlN) المتكون بالرش'، و'صنع نتريد الألومنيوم الغاليوم (AlGaN) عالي الجودة عبر النمو ثلاثي الأبعاد' و'التطعيم بالاستقطاب' (الشكل 3).

الشكل 3: صورة مقطعية لليزر أشباه الموصلات وثلاث تقنيات مبتكرة مستخدمة في كل طبقة

بالنسبة للطبقة المغلفة من النوع n لتوليد بلورات AlGaN عالية الجودة، تم في البداية استخدام طريقة النمو البلوري ثنائي الأبعاد. ومع ذلك، أثناء عملية النمو، تتشكل العديد من الشقوق البلورية وعيوب الشبكة المسماة بالانخلاعات، مما يجعل من المستحيل الحصول على بلورات عالية الجودة قادرة على الحفاظ على التذبذب الليزري. بشكل عام، يؤدي وجود الشقوق والانخلاعات إلى انخفاض الفعالية الضوئية؛ وبالتالي، لم يصل العتبة لليزر المحفز ضوئياً إلى القيمة المتوقعة البالغة 210 كيلوواط/سم².

سابقاً، كان يجب أن تتطابق الثوابت الشبكية للركيزة والبلورة النامية عليها، مثل طول المحور والزاوية. وكان عدم التطابق الشبكي الذي يتجاوز 1٪ يجعل من المستحيل الحصول على بلورات عالية الجودة. عند تطوير مصابيح LED الزرقاء، واجه الدكتور أكاساكي نفس التحدي أيضاً؛ لحل هذه المشكلة، طور تقنية طبقة عازلة ترسبها بدرجة حرارة منخفضة. هذه طريقة لنمو بلورات نيتريد الغاليوم (GaN) بعد ترسيب نيتريد الألومنيوم (AlN) على ركيزة الياقوت. أدى ذلك إلى الحصول على بلورات GaN مسطحة ذات عيوب قليلة، مما أدى إلى اختراع ناجح لمصابيح LED الزرقاء.

على الرغم من أن طرق النمو ثلاثية الأبعاد تُستخدم نادراً في أبحاث المواد القائمة على AlGaN، إلا أن إواكي اتبع نهج الدكتور أكاساكي لتصنيع البلورات. استخدم إواكي تقنية توليد AlN عالية الجودة التي طورها البروفيسور هيدهيتو مياكي من كلية الدراسات العليا لدراسات الابتكار الإقليمي في جامعة ميي، والتي اكتسبت تطبيقاً واسعاً في السنوات الأخيرة كطريقة لصنع قوالب AlN لمصابيح LED فوق البنفسجية. باستخدام طريقة الرش حيث يصطدم بلازما النيتروجين مع AlN كمادة خام وتلتصق الجزيئات المقذوفة بالركيزة، تم تجميع أفلام AlN على ركيزة الياقوت. تراكم البلورات المصنعة في حالة مجهرية، ولكن من خلال المعالجة الحرارية عند 1700 درجة مئوية، تم بنجاح الحصول على فيلم AlN عالي البلورية مع عدد قليل جداً من العيوب البلورية (الشكل 4).

الشكل 4: التغيرات في AlN بعد المعالجة الحرارية العالية الحرارة

استخدمت إواتاني هذا الـ AlN كنموذج، ونمت عليه ثلاثي الأبعاد AlGaN (الشكل 5). يوجد أيضًا تشوه شبكي كبير يتجاوز 1% بين الـ AlN و AlGaN، لذا لم يكن العملية سلسة، وتم تجربة ظروف مختلفة. ابتسمت إواتاني وقالت: 'استغرق التطوير حوالي 3 سنوات، ولكن بفضل جهود الطلاب، انخفضت كثافة القدرة العتبة لليزر المحفز ضوئيًا إلى حوالي سابع ما كان عليه أثناء النمو ثنائي الأبعاد، أي 36 كيلوواط/سم²'. تم الآن تحديد طريقة لتقليله بمقدار النصف مرة أخرى.

الشكل 5: عملية إنتاج AlGaN عالي الجودة باستخدام طريقة النمو ثلاثي الأبعاد

即使是辛苦完成的晶体，不能产生激光振荡也没有任何用处，但向具有大带隙能量的晶体注入大电流并非易事。另外，半导体激光器为控制光，需要膜厚大于光的波长，而常规半导体工学中常用的通过添加杂质来控制传导性的方法无法实现激光振荡所需的大电流密度运行。因此岩谷将目光转向了极化掺杂。

一般来说，半导体晶体是电中性的，但氮化物半导体由于对称性低，具有较大的极化电荷。极化掺杂是利用这种极化电荷来产生导电载流子的方法（图6）。极化是绝缘体材料使用的概念，但利用这种极化效应可以产生自由电子和自由空穴，美国圣母大学的研究团队宣布利用极化成功改善了蓝色LED的特性。

الشكل 6: تدرج تكوين الطبقة المغلفة من النوع p

طبّق هذا البحث طريقة التشويب بالاستقطاب على طبقات الغلاف من النوع p، مع تغيير تركيز مادة AlGaN لتغيير حجم الاستقطاب تدريجيًا (الشكل 7). سمح ذلك بتوزيع الشحنات الثابتة الناتجة عن الاستقطاب. وفي عام 2019، تم تحقيق حقن التيار لاهتزاز الليزر وتشكيل الرنان البصري في آن واحد. باستخدام نهج جديد غير موجود في هندسة أشباه الموصلات التقليدية، تغلّبنا على التحدي الذي كان يُعتبر سابقًا مستحيلًا وهو "جعل المواد غير الموصلة موصلة".

الشكل 7: التشويب بالاستقطاب (تدرج تركيز الألومنيوم)

أكد التقييم في درجة حرارة الغرفة للأجهزة التجريبية المصنوعة باستخدام هذه الطرق الثلاث أنه يمكن تحقيق أنماط الانبعاث الضوئي والطيف المميزين لأشباه الموصلات الليزرية (الشكلين 8 و9). لذلك، أعلن إواتاني في فبراير 2020 عن اختراع أول ليزر شبه موصل للأشعة فوق البنفسجية متوسطة الطول الموجي في العالم. واستذكر أنه قبل نشر الورقة، أجاب بشكل متكرر على أسئلة المحكمين النظراء. "بما أنها كانت الأولى عالميًا، بطبيعة الحال كانت هناك استفسارات حول ما إذا كان قد تم تحقيقها حقًا. قدمت العديد من وثائق الإثبات، وعندما نجحت أخيرًا في المراجعة، كنت سعيدًا جدًا بالطبع."

الشكل 8: اهتزاز ليزر UV-B (يسار) وطيف الانبعاث لليزر UV-B أثناء الاهتزاز (يمين)

الشكل 9: اهتزاز ليزر UV-B

أحدثت هذه الاختراع ضجة فورية عند الإعلان عنه محلياً ودولياً على حد سواء. تم الإشادة بتطوير مكونات أشباه الموصلات المبتكرة كإنجاز بالغ الأهمية ليس فقط لعلم نمو البلورات بل أيضاً لتطور هندسة أشباه الموصلات، حيث قامت الجمعيات الأكاديمية ووسائل الإعلام الكبرى بالتغطية الواسعة حوله. يمكن القول إنه أضاء مستقبل العلوم البصرية وهندسة أشباه الموصلات.

يتميز الليزر شبه الموصل الذي تم تطويره في هذا المشروع بنطاق واسع من التطبيقات وتأثير كبير. مقارنةً بلasers الغاز والليزر الصلب التي تعمل في نفس نطاق الطول الموجي، فإنه يتيح تصغيرًا كبيرًا، واستهلاكًا أقل للطاقة، وعمرًا أطول، وتكلفة أقل. يبلغ حجم ليزر الغاز الشائع بين 1 و2 متر، بينما يبلغ حجم ليزر شبه الموصل حوالي 1 سم، أي أقل من واحد بالمائة من ذلك الحجم. كما أن استهلاك الطاقة هو أيضًا حوالي واحد بالمائة من استهلاك ليزر الغاز، ويصل العمر الافتراضي إلى حوالي 100 ضعف، ممتدًا من 100 ساعة إلى 10,000 ساعة.

إذا تم تحقيق الإنتاج الضخم، ستتنخفض الأسعار أيضًا، وقد تنخفض إلى أقل من جزء من مائة ألف من أسعار ليزر الغاز. شدد إواتا على القول: "أظهرت التاريخ أن اكتشافًا جديدًا يمكن أن يغير العالم بين عشية وضحاها. إذا انتشرت الأجهزة التي تستخدم هذا الليزر، فيجب أن تتيح استكشاف عوالم لم تُرَ من قبل." في مجالات الطب والعلوم البيولوجية، من المرجح جدًا تحقيق أجهزة تسلسل الحمض النووي لتحليل تسلسلات القواعد في الحمض النووي وأبحاث وتطبيقات طبية أخرى كانت مستحيلة باستخدام ليزر من نطاقات طول موجي أخرى.

علاوة على ذلك، بتغيير تركيب البلورة، يُتوقع توليد ليزر عبر جميع الأطوال الموجية ضمن النطاق المتوسط للأطوال الموجية؛ وقد بدأت بالفعل الأبحاث المشتركة مع الجامعات والشركات المحلية والدولية. يقع إواتا في طليعة هذه الأبحاث، ويركز على الجيل القادم، وهو نشط في دراسات الابتكار التكنولوجي الإضافية. إنه دائمًا يذكر شعارًا قاله الدكتور أكاكي المتوفى: 'النتائج التي يمكنها إعادة كتابة الكتب المدرسية هي بحث فائق المستوى الأول'.

الأصل: جستنيس العدد الخامس
مصدر محرر الترجمة: مكتب التحرير الياباني الموضوعي جست