ไดโอดเปล่งแสงแบบฟิล์มบางชนิดวัสดุอะมอร์ฟัสสารกึ่งตัวนำ : รายงานวิจัยฉบับสมบูรณ์ ระยะที่ 2

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