ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดวัสดุอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำ : รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณ์ ระยะที่ 1

Abstract

ได้มีการคิดค้นออกแบบและประดิษฐ์สิ่งประดิษฐ์ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางจากวัสดุอะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์และอะมอร์ฟัสซิลิกอนคาร์ไบด์ได้สำเร็จเป็นครั้งแรกในโลกด้วยวิธี glow discharge plasma CVD ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางนี้สามารถเปล่งแสงที่ตามองเห็นได้ตั้งแต่สีแดง สีส้ม สีเหลือง สีเขียว ไปจนถึงสีน้ำเงินขาว นับเว่าเป็นไดโอดเปล่งแสงชนิดเดียวในโลกที่สามารถเปล่งแสงสีหลักต่างๆ ได้ครบ จากวัสดุเพียงตระกูลเดียวกัน ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางที่พัฒนาขึ้นสำเร็จในงานวิจัยนี้มีลักษณะเป็นฟิล์มบางของวัสดุอะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์และซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เคลือบเป็นฟิล์มบาง ๆ บนแผ่นกระจกในลักษณะรอยต่อ p-i-n กล่าวคือ มีโครงสร้างแผ่นกระจก/ขั้วไฟฟ้าโปร่งแสง/อะมอร์ฟัสซิลิกอนคาร์ไบด์ชนิดพี/อะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์ชนิดบริสุทธิ์/อะมอร์ฟัสซิลิกอนคาร์ไบด์ชนิดเอ็น/ขั้วไฟฟ้าอะลูมิเนียม ความหนาของฟิล์มบางชั้นต่างๆ บนแผ่นกระจากมีค่ารวมกันไม่เกิน 1 ไมครอน ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางนี้เปล่งแสงได้ด้วยหลักการของการฉีดกระแสไฟฟ้า กล่าวคือ ฉีดโฮลจากชั้นพีและอิเล็กตรอนจากชั้นเอ็นให้เข้าไปรวมตัวกันในชั้นอะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์ชนิดบริสุทธิ์ซึ่งเป็นชั้นเปล่งแสง แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ไบแอสเพื่อฉีดกระแสไฟฟ้ามีค่า ประมาณ 5-15 โวลท์ ความสว่างสูงสุดของแสงที่เปล่งมีค่าอยู่ในช่วง 0.1~1 cd/m[square] โดยใช้กระแสไฟฟ้าประมาณ 100-1000 mA/cm[square] สีของการเปล่งแสงกำหนดจากขนาดช่องว่างพลังงานของชั้นอะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์ และช่องว่างพลังงานของชั้นอะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์กำหนดได้จากอัตราส่วนของก๊ซ NH[subscript3]/SiH[subscript4]ที่ใช้ในขณะฟิล์ม ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำนี้จัดว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ที่เกิดขึ้นในโลก ทั้งนี้เพราะว่าไดโอดเปล่งแสงที่มีการผลิตอยู่ในปัจจุบันนั้นทำจากวัสดุผลึกเดี่ยวที่เป็น bulk ทั้งหมด ส่วนในงานวิจัยนี้ใช้วัสดุอะมอร์ฟัสทั้งหมด และเป็นการช่วยขยายการประยุกต์ใช้งานวัสดุอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำด้วย ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำนี้สามารถเปล่งแสงจากพื้นราบ (surface emission) ได้ จึงมีศักยภาพที่จะนำไปผลิตเป็นจอภาพดิสเพลย์แบบบางเรียบ 9flat panel display) หรือจอโทรทัศน์แบบบางเรียบ (flat-panel TV) ได้ ดังนั้นผลงานวิจัยการคิดค้นในงานวิจัยนี้จึงมีเนื้อหาทั้งทางวิชาการที่ลึกซึ้งและมีศักยภาพสูง ในการประยุกต์ผลิตเป็นภาคอุตสาหกรรม ข้อดีเด่นของไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำนี้ ได้แก่ 1) ต้นทุนการผลิตต่ำเพราะใช้วัสดุราคาถูกและผลิตด้วยวิธี CVD ที่อุณหภูมิเพียง 200 องศาเซลเซียส 2) ผลิตเป็นฟิล์มยางพื้นใหญ่ๆ ได้ง่าย ทำให้ได้ดิสเพลย์ขนาดใหญ่ 3) ผลิตบนแผ่นฐานวัสดุชนิดต่าง ๆ ได้เช่น แผ่นกระจก แผ่นโลหะ แผ่นพลาสติก แผ่นเซรามิก ทำให้ได้ดิสเพลย์รูปร่างและการใช้งานหลากหลาย เป็นต้น ในงานวิจัยนี้ได้ดำเนินการวิจัยตั้งแต่การติดตั้งเครื่องมือ CVD สำหรับปลูกฟิล์มอะมอร์ฟัสซิลิกอนไนไตรด์ (a-Sin:H) และซิลิกอนคาร์ไบด์ (a-SiC:H) ซึ่งใช้ก๊าซ Sih[subscript4], NH[subscript3], CH[subscript4] เป็นก๊าซดิบ ได้มีการศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของ a-SiN:H และ a-SiC:H อย่างละเอียดทั้งทางโครงสร้าง (IR, ESCA, ESR) ทางแสง (ช่องว่างพลังงาน, โฟโตลูมิเนสเซนซ์) และแนวทางไฟฟ้า (สภาพนำไฟฟ้า) ของ a-SiN:H และ a-SiC:H อย่างเป็นระบบ สิ่งประดิษฐ์ไดโอดเล่งแสงแบบฟิล์มบางที่ประดิษฐ์ได้ ได้นำไปศึกษาวิเคราะห์กลไกการฉีดพาหะ และกลไกการเปล่งแสงอย่างละเอียด ได้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์และสำคัญมากมาย ผลการวิเคราะห์พบว่า การฉีดพาหะได้อาศัยกลไก tunneling เป็นหลักและการเปล่งแสงเกิดจากการรวมตัวอิเล็กตรอนและโฮลที่ระดับ localized states นอกจากนี้ยังได้ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์ให้เปล่งแสงเป็นรูปร่างลักษณะต่างๆ ซึ่งเป็นการพิสูจน์ว่าไดโอดเปล่งแบบฟิล์มบางนี้สามารถผลิตเป็นดิสเพลย์แบบบางเรียบได้จริงได้สำเร็จ และได้การวิจารณ์การนำไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางนี้ไปใช้งานใน optical computer และ optoelectronic IC ชนิดต่าง ๆ