פריצת דרך טכנולוגית: לייזר מבוסס על סיליקון

LightReading
ltpgt
מדענים בבריטניה עשו צעד נכבד בדרך לפיתוח לייזר המבוסס על סיליקון. במאמר שפורסם בשבוע שעבר במגזין "נייצ'ר", מתארים קווין הומווד ועמיתיו באוניברסיטת סארי דיודה פולטת אור (LED) המבוססת על סיליקון, הפועלת ביעילות רבה בטמפרטורת החדר.
lt/pgt

ltpgt
הכוח המניע מאחורי המחקר הוא משהו שצפוי להניב פירות תוך 4 או 5 שנים. ככל שמצטמק גודלם של טרנזיסטורים (הרכיבים האלקטרוניים המרכיבים את שבבי הסיליקון - הערת המערכת), מבלים האלקטרונים שעוברים בהם זמן ארוך יותר בכבלים ובחיבורים שבין רכיבים. בסופו של דבר, נוצרת מגבלה על המהירות ועל כוח העיבוד של רכיבים אלה.
lt/pgt

ltpgt
ידוע לכולם כי לפוטונים יש עליונות ביכולת נשיאת המידע שלהם. וכמו שאור נושא אור דרך סיב אופטי, הוא יכול להעביר אותות במעגלים אלקטרוניים. במקום שיהיו שכבות מתכת מרובות הנושאות אלקטרונים מחלק אחד של השבב לחלק אחר, יכול האור לנוע לאורכם של "כבישים" אופטיים ולקשר בין פונקציות עיבוד קריטיות. "זה כמו לנופף ביד בחדר הומה אדם", אומר הומווד. "המידע עובר בלי שתצטרך להיאבק לעבור בהמון".
lt/pgt

ltpgt
כדי להפוך את הפיתרון הזה לישים, נדרשים מקור אור (לייזר) וגלאי אור. הבעיה היחידה היא שסיליקון גולמי אינו משדר אור, כך שצריך להכניס לתמונה חומרים אחרים - וזה הופך את תהליך העיבוד למסובך מדי.
lt/pgt

ltpgt
במהלך 10 השנים האחרונות ניסו חוקרים לשאוב אור מסיליקון בדרגות שונות של הצלחה. "ישנם הרבה דברים שעושים את העבודה לכאורה, אבל למעשה אף אחד מהם לא עובד, מכיוון שאו שאינם יכולים לפעול בטמפרטורת החדר, או שהם אינם תואמים לשיטות הייצור המקובלות בסייקון", אומר הומווד. הטכנולוגיה שנוצרה במעבדות בסארי עונה על שתי דרישות אלו.
lt/pgt

ltpgt
אורך הגל של האור הנפלט הוא כ-1,100 ננומטר, מה שנמצא מחוץ לתחום הפסדי האנרגיה הנמוכים של סיב אופטי. אבל מכיוון שהמרחקים המדוברים בחיבורים הפנימיים הם קטנים, זה לא משנה.
lt/pgt

ltpgt
ישנו נושא שני, שעשוי להיות קריטי הרבה יותר. הומווד מאמין שהוא יכול לשפר את אורך הגל של הסיליקון כך שהוא ישדר קרנית לייזר בתחום פס שידורי הטלקום של 1,550 ננומנטר. בסופו של דבר, מכיוון שסיליקון הוא חומר זול ומצוי, תגלית זו יכולה להוביל לכך שלייזר סיליקון יחליף את משדרי הלייזר הקיימים. הוא לא רוצה לדבר על זה יותר מדי, מכיוון שזה נושא בעייתי מבחינה מסחרית. אולם הוא מוסיף, "אין סיבה לכך שאם נוכל ליצור לייזר סיליקון שיפעל, שהוא לא יהיה טוב יותר מהטכנולוגיה של היום".
lt/pgt

ltpgt
הסקפטיים דורשים שכנוע נוסף. פריצות דרך בתחום הלייזר-סיליקון הוכרזו אינסוף פעמים כבר. כדי להבין מדוע התגלית הזו שונה, צריך להתעמק ביסודות תורת פליטת האור במוליכים למחצה.
lt/pgt

ltpgt
מוליכים למחצה מכילים שני סוגים של נושאי מטען: אלקטרונים, שהם שליליים, וחורים (הממוקמים בגביש במקום בו אמורים להיות אלקטרונים), שהם חיוביים. כדי לקבל אור ממוליך למחצה, האלקטרון צריך לפגוש חור. הוא נכנס לתוך החור ומחזיר את הנייטרליות החשמלית, ותוך כדי כך פולט אנרגיה בצורת פוטון.
lt/pgt

ltpgt
כפי שצוין, סיליקון גולמי אינו פולט אור. יש לו פער פס "בלתי ישיר". פירושו של דבר שהאלקטרון לא יכול ליפול לתוך החור בלי לשנות את המומנט שלו, וזה דבר בלתי סביר. במקום זאת, האלקטרונים "מסתובבים" סביב הגביש עד שהם מוצאים פגמים אליהם הם יכולים להתחבר, ולפלוט אנרגיה בצורת חום יותר בקלות מאשר כאור. למרות שיש מעט מאוד פגמים בגביש סיליקון יחיד, תהליך פליטת החום הוא דומיננטי יותר מאשר התהליך שפולט אור.
lt/pgt

ltpgt
כדי להוציא אור מסיליקון, חייבים למנוע מאלקטרונים לשוטט סביב הגביש, כך שלא יימצאו פגמים. אפשר לקרר את הכל כדי להאיט את האלקטרונים. אפשר גם להגביל את תנועתם הפיסית של אלקטרונים על ידי ייצור הסיליקון כחלקיקים קטנים או כבלים (סיליקון נקבובי), אולם טכניקה זו אינה תואמת לתהליך ייצור המוליכים למחצה.
lt/pgt

ltpgt
מה שהומווד מציע הוא להשתיל יונים על הסיליקון. פירושו של דבר שצריך לירות על הסיליקון עם יונים בעלי אנרגיה מספיק גבוהה כדי שייטמעו מתחת לפני השטח. כל יון יוצר "לולאת הזחה" סביבו - כמו אדווה סביב אבן שנזרקת לאגם - היוצרת מתח מקומי בחומר, והוא אשר מושך את האלקטרונים למקום.
lt/pgt

ltpgt
במאמר שפורסם ב"נייצ'ר", יונים של בורון שימשו גם ליצירת לולאות ההזחה וגם לזיהום (doping) הדרוש ליצירת ה-LED. השתלת בורון היא טכניקה סטנדרטית המשמשת בייצור מעגלי סיליקון משולבים. הנקודה הקריטית בטכנולוגיה זו היא שלמרות שלולאות ההזחה מונעות את תנועתם ארוכת הטווח של האלקטרונים, "אין בעיה ביצירת זרם חשמלי", לטענת הומווד. ההוכחה לכך נמצאת בעובדה ש-LED מבוסס סיליקון הוא בעל יעילות המשתווה ליעילותו של LED מבוסס גליום-ארסן (אחד החומרים המשמשים ליצירת לייזרים רגילים - הערת המערכת), לדבריו.
lt/pgt

ltpgt
אוניברסיטת סארי הגישה בקשת פטנט לעבודה זו לפני מספר שבועות. היא טוענת כי העיקרון ניתן ליישום גם בחומרים אחרים, כמו גרמניום או סיליקון קרבידי.
lt/pgt