Tech

การสร้างแสงโดยใช้ข้อบกพร่องที่มีอยู่ก่อนแล้วในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

นักวิจัยจาก Low Energy Electronic Systems (LEES) Interdisciplinary Research Group (IRG) ที่ Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) ซึ่งเป็นองค์กรวิจัยของ MIT ในสิงคโปร์ ร่วมกับผู้ทำงานร่วมกันที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) National University แห่งสิงคโปร์ (NUS) และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง (NTU) ได้ค้นพบวิธีการใหม่ในการสร้างแสงความยาวคลื่นยาว (สีแดง สีส้ม และสีเหลือง) ผ่านการใช้จุดบกพร่องในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โดยอาจนำไปใช้เป็นตัวปล่อยแสงโดยตรงในเชิงพาณิชย์ แหล่งกำเนิดแสงและการแสดงผล เทคโนโลยีนี้จะเป็นการปรับปรุงวิธีการในปัจจุบัน ซึ่งใช้สารเรืองแสง เช่น ในการเปลี่ยนสีของแสงให้เป็นสีอื่น ประเภทของไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ใช้ไนไตรด์องค์ประกอบกลุ่ม III, ไฟ LED อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกเมื่อสองทศวรรษที่แล้วใน 90s และตั้งแต่นั้นมาก็มีการพัฒนาให้มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ในขณะที่เติบโตอย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากขึ้น และทนทาน ทุกวันนี้ LED InGaN สามารถพบได้ในหลายกรณีการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมและผู้บริโภค ซึ่งรวมถึงสัญญาณและการสื่อสารด้วยแสงและการจัดเก็บข้อมูล และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานของผู้บริโภคที่มีความต้องการสูง เช่น ไฟโซลิดสเตต โทรทัศน์ แล็ปท็อป อุปกรณ์พกพา เสริม (AR) และโซลูชั่นเสมือนจริง (VR) ความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ได้ผลักดันการวิจัยเป็นเวลากว่าสองทศวรรษในการบรรลุเอาต์พุตออปติคัลที่สูงขึ้น ความน่าเชื่อถือ อายุการใช้งานยาวนาน และความเก่งกาจจากเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งนำไปสู่ความต้องการ LED ที่สามารถเปล่งแสงสีต่างๆ ได้ ตามเนื้อผ้า วัสดุ InGaN ถูกใช้ใน LED สมัยใหม่เพื่อสร้างแสงสีม่วงและสีน้ำเงิน โดยใช้อะลูมิเนียมแกลเลียมอินเดียมฟอสไฟด์ (AlGaInP) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ ที่ใช้สร้างแสงสีแดง สีส้ม และสีเหลือง นี่เป็นเพราะประสิทธิภาพที่ต่ำของ InGaN ในสเปกตรัมสีแดงและสีเหลืองอำพันที่เกิดจากการลดประสิทธิภาพอันเป็นผลมาจากระดับที่สูงขึ้นของอินเดียมที่ต้องการ นอกจากนี้ ไฟ LED InGaN ดังกล่าวที่มีความเข้มข้นของอินเดียมสูงมากยังคงผลิตได้ยากโดยใช้โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ด้วยเหตุนี้ การสร้างอุปกรณ์เปล่งแสงสีขาวแบบโซลิดสเตตอย่างสมบูรณ์ ซึ่งต้องใช้แสงสีหลักทั้งสามสี ยังคงเป็นเป้าหมายที่ไม่บรรลุผล เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ นักวิจัยของ SMART ได้นำเสนอผลการวิจัยของพวกเขาในบทความเรื่อง “Light-Emitting V-Pits: An Alternative Approach to Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots” ซึ่งเพิ่งตีพิมพ์ในวารสาร ACS Photonics ในบทความของพวกเขา นักวิจัยได้อธิบายวิธีปฏิบัติในการสร้างจุดควอนตัม InGaN ที่มีความเข้มข้นของอินเดียมที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้ข้อบกพร่องที่มีอยู่ก่อนแล้วในวัสดุ InGaN ในกระบวนการนี้ การรวมตัวกันของสิ่งที่เรียกว่า V-pits ซึ่งเป็นผลมาจากการเคลื่อนตัวตามธรรมชาติของวัสดุ ทำให้เกิดจุดควอนตัมที่อุดมด้วยอินเดียมโดยตรง ซึ่งเป็นเกาะเล็กๆ ของวัสดุที่ปล่อยแสงความยาวคลื่นยาวขึ้น ด้วยการปลูกโครงสร้างเหล่านี้บนซิลิกอนซับสเตรตแบบธรรมดา ความจำเป็นในการสร้างลวดลายหรือพื้นผิวที่ไม่ธรรมดาจึงถูกขจัดออกไปอีก นักวิจัยยังได้ทำแผนที่องค์ประกอบที่มีการแก้ไขเชิงพื้นที่สูงของจุดควอนตัม InGaN ซึ่งเป็นการยืนยันภาพครั้งแรกของสัณฐานวิทยาของพวกมัน นอกจากการก่อตัวของจุดควอนตัมแล้ว นิวเคลียสของรอยเลื่อนซ้อน ซึ่งเป็นข้อบกพร่องของคริสตัลที่แท้จริงอีกประการหนึ่ง ยังก่อให้เกิดการปล่อยความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นอีกด้วย Jing-Yang Chung นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ SMART และผู้เขียนนำรายงานกล่าวว่า “เป็นเวลาหลายปีแล้วที่นักวิจัยในสาขานี้พยายามที่จะจัดการกับความท้าทายต่างๆ ที่นำเสนอโดยข้อบกพร่องโดยธรรมชาติในโครงสร้างบ่อน้ำควอนตัม InGaN ในแนวทางใหม่นี้ เราได้ออกแบบข้อบกพร่องระดับนาโนเพื่อให้ได้แพลตฟอร์มสำหรับการเติบโตของจุดควอนตัม InGaN โดยตรง เป็นผลให้งานของเราแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการใช้พื้นผิวซิลิกอนสำหรับโครงสร้างที่อุดมด้วยอินเดียมใหม่ ควบคู่ไปกับการแก้ปัญหาในปัจจุบันในด้านประสิทธิภาพต่ำของตัวปล่อยแสง InGaN ที่มีความยาวคลื่นยาว และยังช่วยบรรเทาปัญหาของพื้นผิวที่มีราคาแพงอีกด้วย” ด้วยวิธีนี้ การค้นพบของ SMART จึงเป็นก้าวสำคัญในการเอาชนะประสิทธิภาพที่ลดลงของ InGaN เมื่อผลิตแสงสีแดง สีส้ม และสีเหลือง ในทางกลับกัน งานนี้อาจเป็นเครื่องมือในการพัฒนาอาร์เรย์ micro-LED ในอนาคตที่ประกอบด้วยวัสดุเดียว Dr Silvija Gradečak ผู้เขียนร่วมและผู้วิจัยหลักที่ LEES กล่าวเสริมว่า “การค้นพบของเรามีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ความก้าวหน้านี้อาจนำไปสู่การเลิกใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ใช่โซลิดสเตตอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น เช่น หลอดไส้ และแม้แต่หลอด LED InGaN สีน้ำเงินที่เคลือบฟอสเฟอร์ในปัจจุบันด้วยสารละลายผสมสีแบบโซลิดสเตตอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้การใช้พลังงานทั่วโลกลดลงอย่างมาก” “งานของเราอาจมีนัยในวงกว้างสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากวิธีการใหม่ที่อธิบายไว้ในที่นี้เป็นไปตามขั้นตอนการผลิตมาตรฐานของอุตสาหกรรม และสามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวางและนำไปใช้ในวงกว้าง” ยูจีน ฟิตซ์เจอรัลด์ ผู้บริหารระดับสูงของ LEES และหัวหน้าผู้สืบสวนของ LEES กล่าว “ในระดับมหภาคที่มากขึ้น นอกเหนือจากผลประโยชน์ทางนิเวศวิทยาที่อาจเกิดขึ้นจากการประหยัดพลังงานที่ขับเคลื่อนด้วย InGaN แล้ว การค้นพบของเราจะมีส่วนช่วยในการวิจัยและพัฒนาโครงสร้าง InGaN ที่มีประสิทธิภาพใหม่ ๆ ในสาขานี้ด้วย” การวิจัยดำเนินการโดย SMART และได้รับการสนับสนุนจาก National Research Foundation (NRF) Singapore ภายใต้โครงการ Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) สำหรับบทความนี้ โครงสร้าง LED ได้รับการปลูกโดยใช้สิ่งอำนวยความสะดวกและความรู้เฉพาะของ SMART การศึกษาโครงสร้างได้ดำเนินการที่ NUS โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ล้ำสมัยและแก้ปัญหาด้วยอะตอม ขณะที่การศึกษาเกี่ยวกับแสงในระดับนาโนได้ดำเนินการที่ MIT และ NTU วารสารอ้างอิง V-Pits เปล่งแสง: แนวทางทางเลือกสู่จุดควอนตัม InGaN ที่อุดมด้วย Indium เรืองแสงJing-Yang Chung, Zhang Li, Sarah A. Goodman, Jinkyu So, Govindo J. Syaranamual, Tara P. Mishra, Eugene A. Fitzgerald, Michel Bosman, Kenneth Lee, Stephen J. Pennycook และ Silvija GradečakACS Photonics 2021 8 (10), 2853-2860DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01009

Back to top button