مع النمو المتفجر للبيانات الضخمة، والحوسبة السحابية، والذكاء الاصطناعي، تزداد حركة البيانات العالمية بشكل هائل، مما يفرض طلبا متزايدا على معدلات النقل وعرض النطاق الترددي. تعتبر الفوتونيات السيليكونية التقنية السائدة للوصلات المدمجة على الجيل القادم بسبب عرض النطاق الترددي الواسع، وسرعتها العالية، واستهلاكها المنخفض للطاقة. ومع ذلك، فإن الفجوة الترددية غير المباشرة للسيليكون تجعل الانبعاث الفعال للضوء أمرا صعبا بطبيعته، مما يدفع البحث عن مواد مضيئة يمكن دمجها مباشرة على منصات السيليكون.

أشباه الموصلات III-nitride (مثل GaN، InGaN، AlGaN) تتميز بفجوات نطاقية مباشرة وقابلة للتعديل تغطي أطوال موجية من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، وقد أظهرت بالفعل أداء متميزا في مصابيح LED وديودات الليزر (LDs). على وجه الخصوص، تعد ديودات الليزر المعتمدة على GaN المزروعة على ركائز السيليكون (GaN-on-Si LD)، خاصة تلك التي تصدر حوالي 405 نانومتر (البنفسجي)، مصادر ضوء واعدة على الشريحة لفوتونيات السيليكون. يتيح هذا النطاق من الطول الموجي تطبيقات حاسمة في الاتصالات بالضوء المرئي، والاتصالات تحت الماء، والساعات الذرية، والتخزين البصري عالي الكثافة، والاستشعار—مما يجعل LD البنفسجي أداة تمكين رئيسية لدمج الفوتونيك من الجيل القادم.

1. اختناقات الأداء في حواجز الليزر البنفسجية وتحسين حاجز الشبكة الفائقة

على الرغم من إظهار الليزر الكهربائي في درجة حرارة الغرفة في الليزرات البنفسجية المعتمدة على GaN، لا يزال أداء الجهاز مقيدا بعدة عوامل فيزيائية تهم الباحثين الأكاديميين بشكل خاص:

كفاءة حقن الثقوب المنخفضة: حركة الفتحات في طبقات النوع p المشوهة بالمغنيسيوم أقل بكثير من حركة الإلكترونات، وللثقوب كتلة فعالة كبيرة، مما يؤدي إلى توزيع غير منتظم للحاملات في المنطقة النشطة ويحد من إعادة التركيب الإشعاعي.

تسرب الإلكترونات: تحت تيارات الحقن العالية، تتجاوز الإلكترونات بسهولة طبقة حجب الإلكترونات (EBL) وتتسرب إلى منطقة p، مما يسبب إعادة تركيب غير إشعاعية وزيادة تيار العتبة.

انحناء الشريط الناتج عن الاستقطاب: تؤدي تأثيرات الاستقطاب التلقائي والكهروضغطية القوية في المواد المعتمدة على GaN إلى توليد مجالات كهربائية مدمجة عند واجهات البئر الكمومي/الحاجز، مما يميل نطاقات الطاقة ويقلل من تداخل دالة الموجة بين الإلكترون-الثقب، مما يقلل من كفاءة الضوء.

لمعالجة هذه التحديات، استكشف الباحثون هياكل حواجز جديدة لتحل محل حواجز GaN التقليدية. قارن ألاهياريزاده وآخرون (2022) عدديا بين ثلاثة مخططات: حواجز GaN، حواجز AlGaN، وحواجز الشبكة الفائقة AlGaN/InGaN. نتائجهم الرئيسية:

يرفع حاجز AlGaN الحاجز الإلكتروني الفعال من ~400meV إلى 569meV بينما يخفض الحاجز الفعال للثقوب إلى 123meV، مما يعزز حقن الثقب وحبس الإلكترونات — ومع ذلك لا يقلل بشكل كبير من التيار العتبي.

حاجز الشبكة الفائقة AlGaN/InGaN يقمع المجال الكهربائي الداخلي بفعالية بسبب انخفاض شحنات الاستقطاب عند واجهات الشبكة الفائقة ويخفف من انحناء النطاق. تظهر المحاكاة أن هذا الهيكل يخفض التيار العتبي من 16.6 مللي أمبير إلى 12.9 مللي أمبير (انخفاض ~22٪) مع تحسين القدرة الخارجة، والكفاءة الكمومية التفاضلية، وكفاءة الانحدار.

الآلية الفيزيائية: يشكل حاجز الشبكة الفائقة حاجز نطاق توصيل أعلى لمنع تجاوز الإلكترونات، مع خفض حاجز نطاق التكافؤ لتسهيل حقن الثقوب، مما يعزز بشكل كبير معدل إعادة التركيب الإشعاعي في المنطقة النشطة. يوفر هذا الاتجاه التجريبي إرشادات تجريبية واضحة لتصميم رقائق التخمير الإبيتاكسي.

2. مواصفات رقاقة الليزر البنفسجي لوافر إبيتاكسي

تقدم مجموعة باور ويفرتك إبيويفرات ليزر ثنائية الليزر المبنية على GaN تستهدف الشريط البنفسجي، بطول موجي سائد يبلغ 405 نانومتر. ندعم تصاميم هياكل إبيتاكسي مخصصة لتلبية متطلبات البحث المتنوعة، بما في ذلك الاختلافات في السماكة، والتركيب، وملفات التطعيم. تلخص معلمات المنتج الرئيسية أدناه:

3. الأسئلة الشائعة من عميل البحث

س1: ما هو تركيب وتركيز المنشطات المكثف المحدد لطبقة التلامس في إبيفافر LD البنفسجي؟ بالنظر إلى التحكم الدقيق في السماكة في MOCVD، هل هناك سماكة تصميم نظرية؟

ج: التركيب والتطعيم: طبقة التلامس في إبيفافر LD هي طبقة p++ ذات تركيز منشط عالي جدا من المغنيسيوم؛ القيمة الدقيقة تعتمد على التصميم المحدد ويمكن تخصيصها.

السماكة: نعم، هناك سمكة تصميم نظرية. للحصول على القيم التفصيلية، يرجى التواصل مع فريق المبيعات لدينا.

س2: هل طول موجة الليزر لديود ليزر GaN هو بالضبط 405 نانومتر؟

ج: 405 نانومتر هو التسمية المعتادة لدينا لهذه الفرقة. عادة ما يتراوح طول موجة الليزر الفعلي بين 400–415 نانومتر، مع اختلاف الكمية الدقيقة قليلا حسب تفاصيل نمو المادة وعمليات تصنيع الأجهزة.

س3: ما هي الطريقة التي تستخدمها حاليا لقطع مادة GaN-on-Si إلى شرائط قضبانية؟ كنا نعالج مواد GaAs سابقا ب: تخفيف الشريحة إلى سمك معين → التقطيع على اتجاه القطع باستخدام آلة القطع → اللف والكسر. ومع ذلك، نظرا لأن GaN أصعب بكثير من GaAs ويبدو أن ركيزة السيليكون تفتقر إلى مستوى انقسام طبيعي محدد جيدا، هل تعمل نفس طريقة القطع مع إبيفايفر GaN المعتمدة على السيليكون؟ أم توصي بنهج بديل؟

ج: هذه العملية فعالة بنفس القدر في إبيفايفرات GaN المعتمدة على السيليكون، ويمكن تنفيذها كما هو موضح.

س4: هل يمكنك توفير بيانات أداء الليزر (منحنيات L-I-V، إلخ) بناء على عرض LD بعد تصنيع الجهاز؟

ج: بيانات أداء الليزر المحددة (مثل التيار العتبي، طاقة الخرج) تعتمد على العملية النهائية للجهاز. ننصح بالتواصل مع فريق المبيعات لدينا مباشرة لمزيد من التفاصيل.

أظهر حاجز الشبكة الفائقة AlGaN/InGaN تحسينات كبيرة في الشبكات البنفسجية المعتمدة على GaN، مما يوفر مسارا قابلا للتطبيق نحو مصادر ضوء عالية الأداء على الشريحة لفوتونيات السيليكون. توفر مجموعة باور ويفرتك أجهزة إبيفافر قابلة للتخصيص مع تحكم دقيق في هندسة الاستقطاب، وملفات التطعيم، وبنية النطاق، وتدعم المؤسسات الأكاديمية والبحثية في استكشاف مفاهيم الأجهزة المبتكرة—من نمو المواد إلى تصنيع الأجهزة بالكامل.

المصدر:

ألاهيارزاده، ج.، أميرحوسيني، م.، وخرسندي، م. (2022). تحسين الأداء لديودات الليزر الثنائية InGaN ذات الآبار الكمومية المزدوجة ذات البنية الرباعية ذات الحواجز الفائقة. مجلة الطاقة المتجددة والبيئة، 9(1)، 106-111.