.

دراسات عليا

QWL ليزرات اآلبار الكمومية الموجز في أصناف الليزرات الكمومية

Aladdin Alhaffar

QWLالكمومية اآلبارليزرات

من بالرغم سيطر على (4,4)ان السعي وراء ليزرات وحيدة التواتر مستخدمين العديد من التقنيات التي بيناها سابقا

على ليزرات دالمنقا األبحاث الكمومية الوحيدة اآلبارة بالطلب في الثمانينيات, كان هناك جهد مواز ولكن صغير نسبيا

QW المتعددة أوMQW سسات ؤى حجمها ولو على االقل في الماألبحاث قد تساون أاخر الثمانينيات يمكن القول أووفي

زيادة في جودة التنمية بطريقة اإلبيتاكسي وفي هذا القسم سنلقي نظرة على تاريخ ليزرات ورافق هذا التقدم األكاديمية

بينما األجهزةالكمومية تطغا في هذه األبعادفقط, إن مفاعيل أكاديمية أهميةنها ليست ذات أبدي كيف نالكمومية وس اآلبار

ت وخصائص جديدة.ن يقود لمشاهداأكانت غير ظاهرة في الليزرات العادية مما يمكن

مبادئ : 4,5,1

ل تجعل سماكة المنطقة الفعالة من ونه في النوع األأمشابهة لبنية ليزر مضاعف البنية التخالفية إال QWإن بنية ليزر

صغيرة بشكل متعمد وسنناقش في مايلي مقدار صغرها. GaAsالـ

عند التالمس GaAsعصابية في المنطقة المركزية للـوالثقوب مرتبطة بالبنية ال اإللكتروناتن أ a 4,56يتضح من الشكل

حسب المادة( سترتبط صغيرا كفاية )عين باستخدام معادلة دبروي yLعل طول المنطقة إن ج GaAs / AlGaAsبين

سوف تقسم اإللكتروناتمحدود, والبنية العصابية في هذا البئر ستتغير تباعا, وطاقة الكموني البئر بالحامالت الشحنة

الليزر( معطاة إصدار )مستوي z و xنياإلتجاهغير مكممة في و األخرى y اإلتجاهلمركبتين إحداهما مكممة في

بالعالقة:

𝐸(𝑛, 𝑘𝑥, 𝑘𝑧) = 𝐸𝑛 +ℏ2

2𝑚∗ (𝑘𝑥2 + 𝑘𝑧

2)

رمزت بـ nEحيث أن قيم b 4,56بتفصيل أكثر في a 4,56المكممة للجسيم ويظهر الشكل nطاقة السوية nEحيث

1E,2E,3E لاللكترونات وhh1E,hh2E,hh3E للثقوب الثقيلة وhl1E,hl2E,hl3E للثقوب الخفيفة )تم شرح مبدأ الثقوب الخفيفة

ويمكن اإلطالع عليها في كتب الجسم الصلب حيث تتميز باختالف في عدد الحاالت في عصابتي تكافؤ والثقيلة سابقا

تختلفان بالكتلة الفعالة( يجب اآلن اسبدال شكل القطع المكافئ المعتاد لكثافة حاالت مختلفتين لهما نفس الذروة و لكن

عصابتي النقل والتكافؤ بتمثيل درجي للسويات المتمايزة كل منها تتبع لكثافة ثابتة من الحاالت لمسافة قدرها واحدة وتعطى

بالعالقة :

𝑔(𝐸)𝑑𝐸 =𝑚

𝜋ℏ2 𝑑𝐸

قاعدة اإلصطفاء لإلنتقاالت عند إعادة c 4,56ويظهر في الشكل 1Eحة دون السوية حيث ال يوجد هناك أي حاالت مسمو

وهنا تظهر أولى النقاط المهمة n = 1ال يتحد إال مع ثقب السوية n = 1إتحاد ثقب مع إلكترون حيث أن إلكترون السوية

وية ستعيد اإلتحاد فقط مع الثقوب ذات نفس في ليزرات اآلبار الكمومية وهي أن أعداد كبيرة من اإللكترونات ذات نفس الس

nالسوية ليزر الـ -, على خالف ما يظهر في األبعاد الكبيرة حيث تعيد الحامالت اإلتحاد مع حالة طاقية متغيرة قطعيا

QW .يجب أن يعطي طيف إصدار أضيق بكثير

العالية, حيث تتبعثر الحامالت بإصدار بالحامالت ذات الطاقات QWما يحدث عند حقن ليزر الـ d 4,56يظهر الشكل

وهي عملية تدعى بالـتخامد الحراري وهذا المفعول الفونوني له أثر هام في ليزر الـ nالفونونات نحو سويات طاقية أخفض

QW بينما في عينات الكتل الكبيرة يكون ضعيفا تعتمد هذه العملية بشكل كبير على عرض المنطقة الفعالةyL وسنناقش

هذا بالتفصيل.

:ليزر البئر الكمومي : 4,56الشكل

a) طبقةGaAs محاطة بـAlGaAs.

b) .سويات طاقية متمايزة داخل البئر

c) كثافة الحاالت لإللكترونات والثقوب داخل البئر.

d) المبعثرة في اإللكتروناتمقارنة بينQW األبعادونصف ناقل كبير.

: عرض المنطقة الفعالة:4,5,2

ـ إن صغر هذه المنطقة هو عندما -عندما تكون سماكة المنطقة الفعالة صغيرة QWحتى اآلن اعتبرنا ما يحصل في آبار ال

في الدراسة وهذا عند عدة مئات من األنغسترومات, إن طيف األصدار المثالي أهميةالكمومية وتأخذ األبعادتحصل مفاعيل

ها هناك إتحاد, بعد حقن الحامالت سوف تنتشر نحو البئر ثم تلتقط وتتم إعادة Ǻ 200لسماكة a 4,57مبين في الشكل

ذات السويات المكممة أهم من تلك اإلصدارات للـ GaAs الـ وتكون في هذه الحالة خواص اإلصدار المتحكم بها من قبل

AlGaAs ذات الفجوة الطاقية األكبر, ولكن لو تم تخفيض عرض المنطقةyL 80إلى Ǻ ف تكون إصدارات سو

(, يتضح لنا أنه b 4,57)انظر الشكل AlGaAsمن إصدار ع صابات الطاقة لمنطقة أهميةالجسيمات المرتبطة بالبئر أقل

yl اإللكتروناتمن طول المسار الحر الوسطي لتبعثر yLعند أقتراب العرض خامدال تت لدرجة أنه يعتبر صغير جدا

63تعتمد على الحرارة فكانت ylا إلى السويات الطاقية األخفض للبئر الكمومي ووجد أن بأعداد كافية حراري اإللكترونات

Ǻ 77عند درجة k 37 و Ǻ في حرارة الغرفة في مادة الـGaAs وبالتالي يكون الحال أفضل عند دراجات الحرارة

سطي لتبعثر الثقوب لم يحدد بشكل الو, إن طول المسار الحر أكثراألعلى مما يمكننا من تضييق عرض المنطقة العفالة

قيق لكن يقدر أنه أقل منه لإللكترونات ألن لها كتلة فعالة أكبر بكثير ولكن يمكن ببساطة قياس إنقطاع كل من عصابتي د

AlGaAsالمشعة في سويات الطاقة لـ تحاد( إن إعادة اإلb 4,56على الترتيب )انظر الشكل vE و cEالناقيلية والتكافؤ

( حيث 4,58مع ثقوب مرتبطة بالبئر الكمومي )انظر الشكل GaAsإلكترونات حارة في سويات الـ إتحادابل إعادة تق

إلكترون حار لم يتوفر له المسافة إتحادتظهر إعادة 2أما العملية AlGaAsعادية في الـ إتحادإعادة 1تظهر العملية

من السوية الطاقية التي حقن بها وتكون أقل طاقة يمكن أن يصدر بها الفوتون دتحاالمناسبة ليتخامد حراريا وبالتالي يعيد اإل

بمقارنة طولي موجتي اإلصدار. cE مما يقود وبسهولة لحساب g+ E cE (GaAs)الناجم عن هذه العملية هي

طيف اإلصدار لكل من: 4,57الشكل

a) yL = 200 Ǻ.

b) yL = 80 Ǻ في ليزر الـQW من الـGaAs.

: MQWالكمومية اآلبار: ليزرات متعددة 4,5,2,1

الة لجعلها تعمل في عمليات الليزرة وقد نوهت بعض المراجع أنه عاتضح لنا أنه يوجد سماكة دنيا لعرض المنطقة الف

إن فكرة البئر الكمومي الوحيد يمكن أن تمدد لعدة آبار ,yL = 6 Ǻيمكن الحصول على إصدار محثوث حتى طول

والتالي وبينهما حاجز رقيق من الـ GaAsحيث يوضع بئر كمومي MQWوهو ما يدعى بليزر الـ كمومية

AlGaAs 100 -200ذو ثخن Ǻ بة جمعت سويا بهذه الطريقة وا( العديد من الطبقات المتن4,59 )انظر الشكل

بل واإللكترون الذي ينفذ من وبالتالي إن عرض المنطقة الفعالة أكبر بكثير من ذي ق MQWمعطية بنية ليزر الـ

عريضة اآلبارتكون ال ل يمكن أن يلتقط في التالي وتحصل عملية الليزرة من السوية المكممة األخفض ووالبئر األ

متشابها جدا. اآلبارجدا ألن األقتران بينها يكون جيدا بشكل كافي ويكون إصدار الليزر وحيد البئر والليزر متعدد

ـ أو MQWكان الليزر في الحقيقة بطريقة AlGaAs/ GaAsل ليزر كمومي وقد تم تصنيعه باستخدام طبقات من ال

يعمل بالحقن قد تم تصنيعه باستخدام MQWل ليزر أووقد كان ليزر ذو ضخ ضوئي ومما قد يفاجئنا أن MBEالـ

MQWفي الـ األبحاثنت معظم وهي تقنية لم يعتقد أنها قادرة على تنمية بلورية دقيقة كهذه حيث كا LPEالـ

. MOVPE أو MBEتتمحور حول نظم

هي الوسط الفعال في الليزر الذي يستطيع اإلصدار لتواتر وحيد عند عدة أطوال الكمومية اآلبارإن المنطقة المتعددة

يضخ شريط مركزي فوق العتبة ,حيث(MAGICبة دخل متعددة الطوائف )أوموجية ويعرف باسم ليزر ذو مج

كل على حدى وتكون األشرطة ذات أوبة خرج بينما أي شريط مركزي آخر يمكن أن يضخ بنفس الوقت أوكون كمجي

إصدارات مختلفة معطية أطوال موجية مختلفة.

: تيار الحقن : 4,5,3

صغير وفي اعتبار لحركة الشحنات thJعتبة إحدى محاسن استخدام وسط فعال صغير وضيق هو توقع كثافة تيار

تعطى كما يلي:يظهر أن كثافة حامالت الشحنة في بنية البئر الكمومي

𝑛 =𝐽

𝑒

𝜏

𝐿𝑦

نحتاجها للتغلب على Jكان هناك قيمة دنيا لـ 4,2,1,4هو عمر حياة الحامل وكما رئينا سايقا في الفقرة τحيث أن

وفي 4,60كما يظهر في الشكل n, وهذا له أعتماد على ى التضخيمبة و الحصول علواالضياعات الناتجة في المج

اصغر Lحسب طول موجة اإلصدار وعندما تصنع cm-3 1810( × 3~1تقريبا ) nعتبة التضخيم يجب أن تكون

كثافة مناسبة, يوجد العديد من األمثلة على هذا اإلستخدام لصناعة ثنائيات منخفضة nللحفاظ على أقل Jتباعا تكون

فعال صغير يؤدي , بالطبع إن القارئ سيكون على دراية أن وسط A/cm (300 – 200)إلى thJالعتبة حيث تصل

لجتها في الفقرة التالية هناك طرق جديدة في الحصر الضوئي سيتم معا – thJإلى ضياعات كبيرة مما يؤدي إلى ارتفاع

حتى أخفض من التي سبق ذكرها. thJتسبب

. MQWي ليزر ف: طيف التضخيم لعدة تراكيز لحامالت الشحنة 4,60الشكل

وجود عالقة أسية طردية مع thJهو تعلقها بدرجة الحرارة, حيث تقترح العالقة MQWوكخاصية ا خرى لليزرات

MQWعلى الحرارة, حيث أن معظم ليزرات الـ thJكمعيار حيث أنه كلما ازداد قل اعتماد أهميةوله 0Tالثابت

–0T (100ذات DHحيث أنها أكبير بكثير من القيمة المعيارية لليزرات الـ 500Kتقريبا 0Tلها GaAsلمادة

200) K وهذا ما يخفض حساسية ليزرات الـMQW الدرجي لتوزع كثافة للحرارة بشكل كبير و يتعلق بالشكل

الحاالت والتوزع المضطرب لإللكترونات والفونونات في الوسط الفعال.

: الحصر الضوئي : 4,5,4

ضحنا بعض محاسن ليزرات مضاعفة الوصلة التغايرية على التماثلية أوعن ليزرات متغايرة الوصلة 4,2 ةفي الفقر

اصغر, فيمكن thJالضوئي وحصر الحامالت سيؤدي هذا إلى ركلما ازداد الحص إنهحتى األ حادية حيث أومنها

لزيادة DHكما حصل في ليزرات MQWعرض العصابة الممنوعة في ليزرات رياستخدام تابع العتبة لتغي

حيث يظهر أنه باستدام تركيز مولي مختلف قليال لأللمنيوم يمكن أن يتوفر منها 4,61الحصر كما يظهر في الشكل

داخلها ومنطقة حصر ضوئي خارجها وهذا الحصر يؤدي الحتواء الضياعات الكبيرة الناجمة عن آلباراحواجز بين

وسط فعال صغير مؤديا بالتالي لتيار عتبة صغير.

مصممة بحيث تعطي حصر ضوئي عالي جدا. MQW: بنية 4,61الشكل

هو استخدام تغيرات في قرينة اإلنكسار عن قرينة ضوئيا حصرا إحدى الحلول البديلة الشائعة التي توفر أيضا

في عين اإلعتبار حيث تظهر البنية في مقطع عرضي الكمومية اآلباراإلنكسار الخارجية و تم القيام بها دون وضع

حيث الحصر الضوئي:في البنية من وهناك ثالث مناطق مختلفة 4,62في الشكل

i. ( يمكن أن تكون وحيدة المنطقة المركزية )الكمومية اآلبارمتعددة أوالوسط الفعال.

ii. المنطقة المحيطة بالسابقة وهي ذات عصابة ممنوعة أعرض منها وقرينة إنكسار أخفض ومن الممكن أن

ن متغيرة بالتدرج بشكل قطع مكافئ.تكو

iii. ابت وقرينة اإلنكسار ثابتة أيضا.الممنوعة ثالمنطقة الخارجية وفيها عرض العصابة

:وهي تتبع عالقة التدرج التالية c 4,62إن قرينة اإلنكسار في المنطقة الثانية تظهر في الشكل

𝑛(𝑟) = 𝑛𝑦[1 − 2 (2𝑟

𝑤)

𝑔

∆]12

حيث :

g: .ا س في التابع

∆قرينة اإلنكسار النسبية وتعطى بـ : ∆= (𝑛𝑦−𝑛𝑧

𝑛𝑦)

w.عرض منطقة التدرج :

بقرينة اإلنكسار المتدرجة فصلالمن روهو ليزر الوصلة التخالفية ذو الحص GRINSCHهذا ما يعرف بليزر الـ

.GRINSCH-MQWأصبح اسمه MQWوإذا استخدم مع بئر

حيث : GRINSCH: ليزر 4,62الشكل

a) البنية.

b) عصابات الطاقة.

c) قرينة اإلنكسار.

ويعطى بالعالقة : thJهذه البنية تؤدي إلى بعض الخواص الهامة المتعلقة بكثافة تيار العتبة

𝐽𝑡ℎ =𝐽0𝑑

𝑛𝑖+

𝐽0𝑑

𝑔0𝜂𝑖Γ𝛼 +

𝐽0𝑑

𝑔0𝜂𝑖Γ𝐿𝑙𝑜𝑔𝑒(

1

𝑅)

يمثل Aسط والتضخيم الداخلي أما األ ليمث Iحيث شرحت كل معاني الرموز سابقا لكن للتذكرة إن الحد األيمن

الضياعات الثالثة في 4,63يوضح الشكل يمثل ضياع المرآة و Mاإلمتصاص الداخلي والحد األيسر الضياع ب

thJبالنسبة لوسط فعال صغير مما يؤدي لـ بشكل كبير Aو Mحيث يزداد كل من الضياعين DHليزر الـ

وكما الحظنا في الشكل بينما في ليزر الـ 4,32كبير جدا M و Aكل من الضياعين GRINSCHسابقا

عند هذه الحالة تصبح انعكاسية ( و4,64)انظر الشكل thJيبقيان ثابتين وتصغير ثخن الوسط الفعال يؤدي لنقص

المرآة هي العامل المؤثر بالضياع وباستخدام تغليف معدني لتكون اإلنعكاسية عادية يمكن تخفيف هذا الضياع

بعد تلك العمليات سوف يبدو وكأن تيارات عتبة ,بات قصيرةوادام مجويخفف من ضياع اإلمتصاص باستخ أكثر

صغيرة تم الوصول إليها عشوائيا لكن الحد األدنى يتم تعينه بكمية الطاقة التي نحتاجها للخرج وتم الحصول على

عالقة باستخدام التيارات تصف هذا كما يلي:

𝐼 − 𝐼𝑡ℎ =Δ𝑃𝑒

𝜂𝑒ℎ𝜈

مع طول الوسط الفعال وهذا يظهر SQW-GRINSCHللحرارة يزداد في ليزر thJفي تبعية 0Tإن المعامل

مالت الضياع والتضخيم مع الحرارة, بينما تزداد اوهو متعلق باإلنخفاض واإلزدياد في مع 4,65في الشكل

ن التغير في هذين تميل إلخفاضه وإ α في تغيرات الحرارة تزاد عتبة التشغيل بسبب تغيرات في التضخيم بينما

في هذه األدوات. 0Tالمعاملين يبين اإلعتماد الهندسي لـ

: شبكات الطبقات المجهدة: 4,5,5

بنيتها حقيقة عبارة عن عدة آبار كمومية ضيقة بشدة حيث يكون ثخن هذه SLSإن شبكات الطبقات المجهدة

لشبكة وهذا ال ا لثابت عمدا لتكون غير مماثلةالطبقة من حواجز وآبار يتألف فقط من عدة ذرات وقد تمت تنميتها

من ذلك وبدل من ذلك يتم إجهاد الطبقة لتتوائم أكثرإنخالعات كما يحدث لو كانت السماكة أويقود ألي عيوب

وإنما قابلية إنتاج هذه الطبقات نقضت فكرة ضرورة أكاديميةمع ثابت الشبكة األصلية وهذه ليست مجرد فكرة

ويمكن %(5-0,1)إلنتاج بلورات بجودة عالية وإن اإلجهاد في هذه األدوات هو من رتبة البلورية تماثل الثوابت

حسابه من معايير المواد.

.thJالنسبية لمساهمات الضياعات في همية: األ 4,63الشكل

ل ليزر بها أوائل الثمانينيات وصنع أوحققت في السبعينيات لم يتم استخدامها في األدوات إلى SLSولو أن البنى

وقده أحيث Asx-1GaxIn 40 Ǻ / GaAs 30 Ǻ وقد استخدم شبكة 1984في %2,5ظهرت إجهادا

GRINSCH-SLSجاد أجهزة من النمط يوقد تم بعد ذلك إ µm 1لطول موجة mW 5واستطاعة خرج

تعمل بشكل مستمر في SLSل أداة أو , وA.cm-2 200دون الـ thJ(, قد تم الوصول لـ 4,66)انظر الشكل

كان من و µm 1وطول موجي mW 20مع استطاعة خرج مثالية قدرها 1987حرارة الغرفة صنعت في

وقد SLSأيضا, في نفس األثناء تم اإلعالن عن ليزرات في المجال المرئي من النمط GRINSCH النمط

تتطلب عرض بئر ضيق GaAsالكمومية لـ اراآلبمثلت هذه مشكلة صعبة ألنه إلصدار ضوء مرئي من

زداد بازدياد ي ا يؤدي إلى تعريض طيف الخرج والذيمن سويات مختلفة عن السوية الدنيا, ممنتقاالت التضمن

ضمن بنية GaAs/AlGaAsم إيجاد بئر كمومي وحيد من الـ تز هذه المشكلة واجتنسبة األلمنيوم, ول

GRINSCH من الـAlGaAs 1,55وئي وصنع ليزرات تعمل في مجال للحصر الض µm بتقنيةSLS

.InGaAs/InPتعتمد الـ

DHالتناظرة مع ليزرات SCHو GRINSCH: مقارنة بين كثافات تيارات العتبة لليزرات 4,64الشكل

ساط فعالة صغيرة.أوالعادية ب

المتعلق باإلعتماد على الحرارة ألربع أطوال للوسط العفال من النمط 0T: تغيرات الثابت 4,65الشكل

GRINSCH-SQW.

45آخذة باإلنخفاض بشكل مستمر حتى تم الوصول لكثافة تيار بقيمة األجهزةإن كثافة تيار العتبة لهذه 2-A.cm لمنظومةInGaAs / GaAs نمطSLS 1بطول موجي µm وميزة أ خرى

InGaAs/GaAs/AlGaAs هي شفافية ركيزة الـ GaAs لإلصدار مما يسمح بخرج ودخل عبر الركيزة

رة وإن استخدام هذا النمط يعد واعدا.واويقلل من اإلقتران الضوئي وأي دارة مج

.SLSوحيد الئر الكمومي بتقنية GRINSCH: بنية طبقية مثالية لليزر 4,66الشكل

.SLSنمط InGaAs/GaAs/AlGaAs: منظومة الـ 4,67الشكل

:: األسالك والنقاط الكمومية 4,5,6

تكون مرتبطة في اتجاهين مما يؤدي لبنية طاقية مختلفة عن تلك في اإللكترونات QWRفي السلك الكمومي

الثالث. األبعادالبئر الكمومي وتباعا تكون النقطة الكمومية تكميم لطاقة اإللكترون في

4,68يمكن مشاهدة مراحل التصنيع في الشكل و 1982ل مرة واألسالك الكمومية تم صنعها ألإن ليزرات

مة ضوئية وتنتج البنية وايتم تغطيتها بمق bوكما يظهر في MQWبنية عادية لشبكة aحيث يظهر في

بتحليل أداء وقد تم القيام AlGaAsعند القيام بخدوش متوازية وتختم العملية بترسيب طبقة cالموضحة في

ـ وتم توثيق ذلك تجريبيا باستخدام العديد QWمن ليزرات أكثرمنخفضة جدا حتى thJهذه الليزرات والتوصل ل

.QWRمن ليزرات

:QWR: عملية تصنيع ليزر 4,68الشكل

a) .بنية الشبكة

b) مة.واتحديد المق

c) .الخدوش المتوازية

d) مة والتغليف.واإزالة المق

إن المحاسن المحتملة لليزرات النقاط الكمومية هو أن طيف اإلصدار لها وحيد مثل الليزرات الغازية ألن

اإلصدار يحدث من سويات منفصلة بشكل مشابه إلصدار أيونات األرغون وتم محاكاة عمل ليزر النقطة

سالسل منفصلة . وتم الحصول على طيف خرج ذو MQW أداةالكمومية بتطبق حقل مغناطيسي شديد على