Please use this identifier to cite or link to this item: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/5144
Title: ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดวัสดุอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำ : รายงานวิจัยฉบับสมบูรณ์ ระยะที่ 2
Other Titles: Amorphous semiconductor visible-light thin film emitting diode
Authors: ดุสิต เครืองาม
สมศักดิ์ ปัญญาแก้ว
สมชัย รัตนธรรมพันธ์
บัณฑิตา รัฐวิเศษ
Email: Dusit.K@Chula.ac.th
feespy@kankrow.eng.chula.ac.th, Somsak.P@Chula.ac.th
Somchai.R@chula.ac.th
ไม่มีข้อมูล
Other author: จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า
ไม่มีข้อมูล
Subjects: ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบาง
อะมอร์ฟัสซิลิคอนไนไตรด์
อะมอร์ฟัสซิลิกอนคาร์ไบด์
อะมอร์ฟัสเซมิคอนดักเตอร์
สารกึ่งตัวนำ
Issue Date: 2538
Publisher: จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
Abstract: ได้มีการคิดค้นการออกแบบและประดิษฐ์ ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดวัสดุอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำ ได้สำเร็จ สิ่งประดิษฐ์มีโครงสร้างเป็นรอยต่อ p-i-n ของฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิคอนอัลลอยชนิดที่มีช่องว่างพลังงานกว้างซึ่งได้แก่ อะมอร์ฟัสซิลิคอนไนไตรด์ (a-SiN:H) อะมอร์ฟัสซิลิกอนคาร์ไบด์ (a-SiC:H) และอะมอร์ฟัสซิลิคอนออกไซด์ (a-SiO:H) ฟิล์มบางเหล่านี้เตรียมด้วยวิธี glow discharge plasma CVD ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางนี้สามารถเปล่งแสงสีต่างๆ ที่ตามองเห็นได้ตั้งแต่สีแดง สีส้ม สีเหลือง สีเขียว ไปจนถึงสีน้ำเงินขาว เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีศักยภาพในการนำไปใช้งานเป็นดิสเพลย์ชนิดใหม่ของโลกที่มีลักษณะเด่นหลายด้านในอนาคต เช่น บาง เบา ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำและมีราคาถูก ในงานวิจัยนี้ได้ดำเนินการวิจัยตั้งแต่การติดตั้งเครื่องมือ glow discharge plasma CVD สำหรับปลูกฟิล์ม a-SiN:H, a-SiC:H และ a-SiO:H โดยใช้การผสมของก๊าซชนิดต่างๆ เป็นวัสดุเริ่มต้นซึ่งได้แก่ SiH[subscript 4], NH[subscript 3], CH[subscript 4], C[subscript 2]H[subscript 4], CO[subscript 2] และใช้ก๊าซ B[subscript 2]H[subscript 6] และ PH[subscript 3] เป็นก๊าซโด๊ปสำหรับทำให้ฟิล์มเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n ตามลำดับ ฟิล์มที่เตรียมได้ถูกนำไปศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานต่างๆ อย่างละเอียดและอย่างเป็นระบบทั้งคุณสมบัติทางโครงสร้าง (IR, ESCA, ESR) คุณสมบัติทางแสง (การดูดกลืนแสง, ช่องว่างพลังงาน, การเปล่งแสงโฟโตลูมิเนสเซนซ์) และคุณสมบัติทางไฟฟ้า (สภาพนำไฟฟ้า) ผลการวิจัยพบว่าระดับพลังงานชนิด localized states ในช่องว่างพลังงานมีอิทธิพลมากต่อคุณสมบัติพื้นฐานของฟิล์ม ในงานวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการเตรียมฟิล์มบาง a-SiN:H, a-SiC:H และ a-SiO:H ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างเพียงพอ (2.0-3.5 eV) ต่อการเปล่งแสงที่ตามองเห็นได้ ข้อมูลที่ได้ในการศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของฟิล์มเหล่านี้มีประโยชน์มากในการนำไปใช้ออกแบบ และประดิษฐ์ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบาง ตลอดจนใช้ในการวิเคราะห์ลักษณะสมบัติต่างๆ ของไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบาง ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางที่พัฒนาขึ้นสำเร็จในงานวิจัยนี้มีโครงสร้างพื้นฐานประกอบด้วยฟิล์มบางชั้นต่างๆ ที่มีความหนารวมประมาณ 0.5 ไมครอนเคลือบอยู่บนแผ่นกระจก กล่าวคือ ประกอบด้วย แผ่นกระจก/ฟิล์มโปร่งแสงที่นำไฟฟ้าได้ (ITO)/ฟิล์มอะมอร์ฟัสซิลิคอนอัลลอยชั้น p-i-n/ฟิล์มขั้นไฟฟ้า Al ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางนี้เปล่งแสงได้ด้วยหลักการของการฉีดกระแสไฟฟ้า กล่าวคือ ฉีดโฮลจากชั้น p และอิเล็กตรอนจากชั้น n ให้เข้าไปรวมตัวกันในชั้น i ซึ่งเป็นชั้นเปล่งแสง แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ไบแอสเพื่อฉีดกระแสไฟฟ้ามีค่าประมาณ 5-15 โวลท์ ความสว่างของแสงที่เปล่งมีค่าอยู่ในช่วง 0.1~1 cd/sq.m. โดยใช้กระแสไฟฟ้าประมาณ 100-1000 mA/sq.cm. สีของการเปล่งแสงกำหนดจากขนาดของช่องว่างพลังงานของชั้น i ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางที่ประดิษฐ์ได้นั้น ได้นำไปศึกษาวิเคราะห์กลไกการฉีดพาหะและกลไกการเปล่งแสงอย่างละเอียด ผลการวิเคราะห์พบว่า การฉีดพาหะได้อาศัยกลไกการทัลเนลลิง (tunneling) เป็นหลักและการเปล่งแสงเกิดจากการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลที่ระดับ localized states นอกจากนี้ได้มีการศึกษาหาความหนาที่เหมาะสมของชั้น i ทั้งทางทฤษฎีและการทดลอง พบว่าความหนาที่เหมาะสมของชั้น i มีค่าประมาณ 500 aungstrom การวิจัยได้มีการเปรียบเทียบคุณสมบัติการเปล่งแสงของไดโอดเปล่งแสงฟิล์มบางที่ชั้น i ผลิตจากวัสดุอะมอร์ฟัสชนิดแตกต่างกัน ผลการวิจัยพบว่า ไดโอดเปล่งแสงฟิล์มบางที่ชั้น i ผลิตจาก a-SiC:H จะเปล่งแสงได้สว่างมากที่สุดที่ 2 cd/sq.m. และรองลงไปได้แก่ a-SiN:H และ a-SiO:H ตามลำดับ ได้มีความพยายามในการปรับปรุงความสว่างของไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางหลายวิธี ได้แก่ 1) การปรับปรุงประสิทธิภาพของการรวมตัวแบบเปล่งแสงของพาหะ โดยการใช้แผ่นโลหะซึ่งมีคุณสมบัตินำความร้อนได้ดีและสะท้อนแสงได้ดีเป็นแผ่นฐานแทนแผ่นกระจก ทำให้ความสว่างเพิ่มขึ้นเป็น 5 cd/sq.m. และ 2) ได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพของการฉีดพาหะ (โฮล) โดยการใช้ฟิล์มไมโครคริสตัลไลน์ซิลิคอนออกไซด์ (micro c-SiO:H) ชนิด p ซึ่งมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดีและมีช่องว่างพลังงานกว้างเป็นชั้นฉีดโฮลแทน a-SiC:H ชนิด p ทำให้ความสว่างของไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางเพิ่มขึ้นถึงระดับ 10 cd/sq.m. ในด้านการพัฒนาเป็นดิสเพลย์ ได้ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางให้เปล่งแสงเป็นรูปร่างลักษณะต่างๆ อีกทั้งผลิตให้มีโครงสร้างเป็นเมตริกซ์และมีพื้นที่กว้างใหญ่ถึงระดับร้อยตารางเซนติเมตรได้สำเร็จ ผลงานข้อนี้เป็นการพิสูจน์ว่าไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางนี้สามารถผลิตเป็นดิสเพลย์แบบบางเรียบได้จริง ดิสเพลย์ชนิดนี้สามารถใช้งานด้วยกระแสไฟฟ้าพัลส์ที่มีความถี่มอดูเลชันที่สูงถึงประมาณ 500 kHz ได้ นอกจากไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางจะมีประโยชน์ในด้านดิสเพลย์แล้ว ในงานวิจัยนี้ยังได้ประสบความสำเร็จในการประยุกต์ใช้งานไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางเป็นภาคเปล่งแสงในโฟโตคัปเปลอร์ด้วย นั่นคือได้ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโฟโตคัปเปลอร์ชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำเป็นครั้งแรก ในโฟโตคัปเปลอร์ชนิดอะมอร์ฟัสนี้ มีเซลล์แสงอาทิตย์ (โฟโตไดโอด) ชนิดอะมอร์ฟัสซิลิคอนเป็นภาครับแสง และสามารถทำงานที่ความถี่มอดูเลชันได้สูงหลายร้อย kHz ในตอนท้ายของงานวิจัย ได้มีการวิเคราะห์และเสนอแนวทางในการออกแบบให้ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางที่มีโครงสร้างพิเศษอื่นๆ เพื่อการปรับปรุงความสว่างและการใช้งานที่หลากหลาย อีกทั้งได้เสนอโครงสร้างของวงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำเป็นครั้งแรก ซึ่งจะเป็นสิ่งประดิษฐพื้นฐานในระบบ optical computer และ neural network ต่อไปในอนาคต ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำนี้ จัดว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ที่เกิดขึ้นในโลก ทั้งนี้เพราะว่าไดโอดเปล่งแสงที่มีการผลิตอยู่ในภาคอุตสาหกรรมในปัจจุบันนั้น ทำจากวัสดุผลึกเดี่ยวทั้งหมด ส่วนในงานวิจัยนี้ใช้วัสดุอะมอร์ฟัสทั้งหมด และเป็นการช่วยขยายการประยุกต์ใช้งานวัสดุอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำด้วย ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำนี้สามารถเปล่งแสงจากพื้นผิว (surface emission) ได้ จึงมีศักยภาพที่จะนำไปผลิตเป็นจอภาพดิสเพลย์แบบบางเรียบ (flat-panel display) หรือจอโทรทัศน์แบบบางเรียบ (flat-panel TV) ได้ ดังนั้นผลงานวิจัยการคิดค้นในงานวิจัยนี้จึงมีเนื้อหาทั้งทางวิชาการที่ลึกซึ้งและมีศักยภาพสูง ในการประยุกต์ผลิตในภาคอุตสาหกรรม ข้อดีเด่นของไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำนี้ ได้แก่ 1) ต้นทุนการผลิตต่ำเพราะใช้วัสดุราคาถูกและผลิตด้วยวิธี CVD ที่อุณหภูมิเพียง 190 องศาเซลเซียส 2) ผลิตเป็นฟิล์มบางพื้นที่ใหญ่ๆ ได้ง่าย ทำให้ได้ดิสเพลย์ขนาดใหญ่ 3) ผลิตบนแผ่นฐานวัสดุชนิดต่างๆ ได้ เช่น แผ่นกระจก แผ่นโลหะ แผ่นพลาสติก แผ่นเซรามิก ทำให้ได้ดิสเพลย์รูปร่างและการใช้งานหลากหลาย เป็นต้น ผลงานวิจัยเรื่องนี้ ได้มีหลายส่วนที่นับว่า เป็นความสำเร็จเป็นครั้งแรกในระดับนานาชาติ ซึ่งได้แก่ 1. การพัฒนาไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางจากวัสดุอะมอร์ฟัสซิลิคอนอัลลอยหลายชนิด ซึ่งได้แก่ a-SiN:H, a-SiC:H, a-SiO:H ในลักษณะรอยต่อ p-i-n 2. การใช้วัสดุโลหะเป็นแผ่นฐานให้ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบาง ทำให้ความสว่างและความคงทนดีขึ้น 3. การพัฒนาไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางโดยมีไมโครคริสตัลไลน์ซิลิคอนออกไซด์ (micro c-SiO:H) เป็นชั้น p ทำให้ความสว่างดีขึ้น 4. การพัฒนาดิสเพลย์ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางโครงสร้างเมตริกซ์ ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของดิสเพลย์ที่ใช้งานจริง 5. การพัฒนาโฟโตคัปเปลอร์ชนิดอะมอร์ฟัสซิลิคอนอัลลอย ซึ่งเป็นประโยชน์ในงานออปโตอิเล็กทรอนิกส์ 6. การเสนอแนวความคิดโครงสร้างวงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ชนิดอะมอร์ฟัสซิลิคอนอัลลอย
Other Abstract: An amorphous Thin Film Light Emitting Diode (TFLED) has been developed for the first time. The TFLED has a basic structure of glass/ITO/p-i-n layers of amorphous silicon alloys/Al. The amorphous silicon alloys employed in the work are wide optical energy gaps materials, so-called, hydrogenated amorphous silicon nitride (a-SiN:H), hydrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:H) and hydrogenated amorphous silicon oxide (a-SiO:H). The total thickness of all of the thin films is only 0.5 micron. The TFLED can emit the visible light having the colors from red, orange, yellow to green and white-blue depending on the optical energy gap of the i-layer. The TFLED has several advantages as compared with conventional displays, such as flat panel display, light weight, low operation voltages and low cost. The research started from the construction of the glow discharge plasma CVD system for growing a-SiN:H, a-SiC:H and a-SiO:H films. A detailed study was done on the basic properties of these films including structural (IR absorption, ESCA, ESR), optical (absorption coefficient, optical energy gap) and electrical properties (conductivity). The TFLED is a carrier-injection type electroluminescent device. The light output comes from the radiative recombination of holes and electrons injected from the p- and n- layers, respectively into the i-layer. The typical voltage and the infection current density are about 5-15 volt and 100-1000 mA/sq.cm., respectively. These give the typical brightness of about 0.1~1 cd/sq.m. The theoretical and experimental results showed that the optimal thickness of the i-layer is about 500 aungstrom. The performances of the amorphous TFLED depend on the selection of materials used for the i-layer of the devices. The result showed that the TFLED with a-SiC:H as the i-layer gives the highest brightness of 2 cd/sq.m., while a-SiN:H gives lower but higher than a-SiO:H. A series of trials has also been conducted to improve the brightness of the TFLED. The first attempt was to improve the radiative recombination efficiency by using a metal substrate instead of a glass substrate. A metal substrate is a good thermal conductive material so that it can dissipate heat from the TFLED to the ambient with a better efficiency than a glass substrate. The other attempt was to improve the injection efficiency of holes by using p-type highly-conductive and wide optical energy gap microcrystalline silicon oxide (p-micro c-SiO:H) instead of conventional p-a-SiC:H. The result showed that the brightness was improved to the level of 10 cd/sq.m. A series of experiments has been on the fabrication of TFLED displays that can emit light with desired emitting patterns. A new type of dot matrix TFLED display has also been proposed and fabricated for the first time. The screen size for the demonstration is 10x10 sq.cm. It is shown that the spacing distance of pixels which limits the resolution can be as small as micrometer. In this research, a new type of amorphous photocoupler having the amorphous TFLED as a light source has been developed for the first time. The amorphous photocoupler can be used in various kinds of electronic and mechanical applications, such as interface between logic circuit, position detection and RPM detection, etc. Moreover, various novel structures of amorphous TFLEDs were also proposed in order to improve the brightness. The amorphous semiconductor TFLED developed in this research is a new type of electronic device, since it is the LED than is made out of thin film amorphous semiconductor, while the conventional LED is made of crystalline semiconductor. The TFLED is a surface light-emitting device. Therefore, it has a potential to be produced as a flat-panel display or flat-panel TV. The advantages of the amorphous TFLED are as follows : 1) low-cost, because the TFLED is made from low-cost amorphous material and uses a low temperature CVD process (190 degrees celsius), 2) it has the possibility to be produced as a large area display, 3) it can be deposited on various substrates, such as glass, metal, plastic, ceramic sheets, therefore various forms of displays can be realized., etc. In conclusions, there were several explorations in the research that contributed to the science and technology of amorphous semiconductor community. The main topics are summarized as follows: 1) Amorphous TFLEDs with a structure of p-i-n junctions of a-SiN:H, a-SiC:H and a-SiO:H materials have been developed. The results showed that the highest brightness of 1-2 cd/sq.m. was obtained in the TFLED with a-SiC:H as the i-layer. 2) The brightness of the amorphous TFLED has been improved to 5 cd/sq.m. by using a sheet of metal material as a substrate for the TFLED. 3) The brightness of the amorphous TFLED has been also improved to 10 cd/sq.m. by using p-type microcrystalline SiO:H as the hole injection p-layer in TFLED. 4) Novel dot matrix amorphous TFLED displays have been developed. The dot matrix design is the basic structure for a practical large area display. 5) Novel amorphous photocouplers have been developed. The amorphous photocouplers are also devided into a photo-isolator type and a photo-interrupter type. 6) Some new amorphous optoelectronic ICs (OEIC) were proposed.
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/5144
Type: Technical Report
Appears in Collections:Eng - Research Reports

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dusit(amor2).pdf30.21 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.