Pierwszy użyteczny laser z germanu

Naukowcy z MIT-u zaprezentowali pierwszy laser z germanu, który generuje fale światła o długości przydatnej w komunikacji. To jednocześnie pierwszy laser germanowy działający w temperaturze pokojowej.

German, w przeciwieństwie do wielu innych materiałów, może być łatwo wykorzystany we współczesnym przemyśle półprzewodnikowym. Ponadto, co niezwykle ważne, skonstruowanie wspomnianego lasera dowodzi, że, wbrew wcześniejszym przewidywaniom, półprzewodniki z pośrednim pasmem wzbronionym mogą posłużyć do produkcji laserów. To niezwykle ważny krok w kierunku budowy komputerów przesyłających dane, a niewykluczone że i dokonujących obliczeń, za pomocą światła w miejsce elektryczności.

Rosnąca wydajność obliczeniowa układów scalonych oznacza, że pomiędzy poszczególnymi komponentami komputera trzeba przesyłać coraz więcej danych. Wykorzystywanie do tego celu prądu elektrycznego ma tę wadę, że im szybciej chcemy przesłać informacje, tym więcej energii musimy zużyć. Znacznie bardziej wydajną metodą jest użycie światła, jednak tutaj pojawia się konieczność opracowania taniego sposobu integracji podzespołów optycznych i elektronicznych w jednym układzie scalonym. Wprowadzenie każdego nowego rodzaju podzespołów do układu scalonego to poważne wyzwanie. Trzeba bowiem znaleźć taki materiał, który pozwala na wyprodukowanie pożądanego podzespołu o potrzebnych właściwościach, a który jednocześnie dobrze wiąże się chemicznie z warstwami układu scalonego znajdującymi się pod nim i nad nim. Ponadto proces nakładania nowego podzespołu musi odbywać się w temperaturach i środowisku chemicznym odpowiednich dla innych materiałów tworzących układ scalony. Wiele takich materiałów źle "współpracuje" z krzemem, dlatego np. proces umieszczania w chipie laserów z arsenku galu jest bardzo skomplikowany i kosztowny. Tymczasem techniki pracy z germanem są dobrze poznane, znacznie prostsze i tańsze. German wykorzystywany jest od lat przez większość producentów półprzewodników. Służy on do produkcji rozciągniętego krzemu, w którym elektrony poruszają się szybciej, niż w zwykłym krzemie.

We współczesnej elektronice wykorzystywane są takie półprzewodniki jak krzem, german czy arsenek galu. Ten ostatni jest materiałem o bezpośrednim paśmie wzbronionym. W środowisku naukowym krążyła opinia, że materiały z pośrednim pasmem wzbronionym nigdy nie wygenerują światła laserowego - mówi Jurgen Michel z Electronic Materials Research Group, który brał udział w opracowaniu germanowego lasera. Tego uczą w szkole - wtóruje mu profesor Lionel Kimerling, szef grupy badawczej.

Dzieje się tak dlatego, gdyż w półprzewodniku elektron znajdujący się w paśmie przewodzenia może przyjąć jeden z dwóch stanów. W jednym z nich uwalnia energię w postaci fotonu, w drugim - w inny sposób, np. w postaci ciepła.

W materiałach o bezpośrednim paśmie wzbronionym stan, w którym emitowany jest foton, jest niższym stanem energetycznym. W półprzewodnikach o paśmie pośrednim, niższym stanem jest drugi z nich. Tak więc w sposób naturalny elektron emituje foton tylko w półprzewodnikach o paśmie bezpośrednim.

Naukowcom z MIT-u udało się jednak zmusić elektrony germanu do przejścia w wyższy, emitujący fotony, stan energetyczny.

Jedna z metod to wzbogacenie kryształu germanu o fosfor, który posiada pięć zewnętrznych elektronów, podczas gdy german ma ich cztery. Każdy atom fosforu daje zatem jeden dodatkowy elektron, który wypełnia niższy stan energetyczny powodując, że pobudzone elektrony germanu pozostają w stanie wyższym i emitują foton. Z wyliczeń uczonych wynika, że optymalny poziom domieszkowania germanu wynosi 10²⁰ atomów fosforu na każdy centymetr sześcienny germanu. Obecnie udało im się opracować technologię, pozwalającą na domieszkowanie na poziomie 10¹⁹ i już zaobserwowano emisję światła laserowego.

Drugim sposobem na zmuszenie elektronów germanu do przyjęcia wyższego stanu energetycznego jest zmniejszenie różnicy pomiędzy stanem wyższym a niższym, co zwiększa prawdopodobieństwo, iż elektrony znajdą się w wyższym stanie. Aby tego dokonać, uczeni rozciągnęli german umieszczając go w podwyższonej temperaturze na krzemie. Po schłodzeniu krzem nie skurczył się, a stygnące atomy germanu, próbując dopasować się do atomów krzemu, nieco zwiększyły odległości pomiędzy sobą. Odpowiednio manipulując kątem i odległościami wiązań atomowych, uczeni byli w stanie zmienić wartości poziomów energetycznych. Przy okazji, jak pochwalił się Kimerling, jego zespół wynalazł technikę umieszczania germanu na krzemie i kontrolowania całego procesu.

german laser półprzewodnik MIT światło Jurgen Michel Lionel Kimerling