วิธีใหม่ในการสร้างแสงโดยใช้ข้อบกพร่องที่มีอยู่ก่อนแล้วในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
วิธีการใหม่ในการผลิตจุดควอนตัมได้รับการแสดงให้เห็นโดยการใช้ข้อบกพร่องที่แท้จริงในวัสดุ LED ผ่านการก่อตัวของปิรามิด การเปล่งแสงที่เปล่งแสงเฉพาะที่เล็ดลอดออกมาจากยอดปิรามิดที่มีจุดควอนตัมที่อุดมด้วยอินเดียม เครดิต: นักวิจัย SMART จากกลุ่มวิจัยสหวิทยาการระบบอิเล็กทรอนิกส์พลังงานต่ำที่ Singapore-MIT Alliance for Research and Technology ซึ่งเป็นองค์กรวิจัยของ MIT ในสิงคโปร์ ร่วมกับผู้ทำงานร่วมกันที่ MIT มหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง ได้ค้นพบวิธีการใหม่ สร้างแสงความยาวคลื่นยาว (สีแดง สีส้ม และสีเหลือง) โดยใช้ข้อบกพร่องที่แท้จริงในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โดยอาจนำไปใช้เป็นตัวปล่อยแสงโดยตรงในแหล่งกำเนิดแสงเชิงพาณิชย์และจอแสดงผล เทคโนโลยีนี้จะเป็นการปรับปรุงวิธีการในปัจจุบัน ซึ่งใช้สารเรืองแสง เช่น ในการเปลี่ยนสีของแสงให้เป็นสีอื่น ประเภทของไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ใช้ไนไตรด์องค์ประกอบกลุ่ม III, ไฟ LED อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกเมื่อสองทศวรรษที่แล้วใน 90s และตั้งแต่นั้นมาก็มีวิวัฒนาการให้มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ในขณะที่เติบโตอย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากขึ้น และทนทาน ทุกวันนี้ LED InGaN สามารถพบได้ในหลายกรณีการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมและผู้บริโภค ซึ่งรวมถึงสัญญาณและการสื่อสารด้วยแสงและการจัดเก็บข้อมูล—และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานของผู้บริโภคที่มีความต้องการสูง เช่น ไฟโซลิดสเตต โทรทัศน์ แล็ปท็อป อุปกรณ์พกพา เสริม (AR) และโซลูชั่นเสมือนจริง (VR) ความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ได้ผลักดันการวิจัยเป็นเวลากว่าสองทศวรรษในการบรรลุเอาต์พุตออปติคัลที่สูงขึ้น ความน่าเชื่อถือ อายุการใช้งานยาวนาน และความเก่งกาจจากเซมิคอนดักเตอร์ นำไปสู่ความต้องการ LED ที่สามารถเปล่งแสงสีต่างๆ ได้ ตามเนื้อผ้า วัสดุ InGaN ถูกใช้ใน LED สมัยใหม่เพื่อสร้างแสงสีม่วงและสีน้ำเงิน โดยใช้อะลูมิเนียมแกลเลียมอินเดียมฟอสไฟด์ (AlGaInP) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำประเภทต่างๆ ที่ใช้สร้างแสงสีแดง สีส้ม และสีเหลือง นี่เป็นเพราะประสิทธิภาพที่ต่ำของ InGaN ในสเปกตรัมสีแดงและสีเหลืองอำพันที่เกิดจากการลดประสิทธิภาพอันเป็นผลมาจากระดับที่สูงขึ้นของอินเดียมที่ต้องการ นอกจากนี้ ไฟ LED InGaN ดังกล่าวที่มีความเข้มข้นของอินเดียมสูงมากยังคงผลิตได้ยากโดยใช้โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ด้วยเหตุนี้ การสร้างอุปกรณ์เปล่งแสงสีขาวแบบโซลิดสเตตอย่างสมบูรณ์—ซึ่งต้องใช้แสงสีหลักทั้งสาม—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 ของวัสดุที่ปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นยาวขึ้น ด้วยการปลูกโครงสร้างเหล่านี้บนซิลิกอนซับสเตรตแบบธรรมดา ความจำเป็นในการสร้างลวดลายหรือพื้นผิวที่ไม่ธรรมดาจึงถูกขจัดออกไปอีก นักวิจัยยังได้ทำแผนที่องค์ประกอบที่มีการแก้ไขเชิงพื้นที่สูงของจุดควอนตัม InGaN ซึ่งเป็นการยืนยันภาพครั้งแรกของสัณฐานวิทยาของพวกมัน นอกจากการเกิดจุดควอนตัมแล้ว นิวเคลียสของรอยเลื่อนซ้อน ซึ่งเป็นข้อบกพร่องของผลึกภายในอีกประการหนึ่ง ยังก่อให้เกิดการปล่อยความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นอีกด้วย Jing-Yang Chung นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ SMART และผู้เขียนนำรายงานฉบับนี้กล่าวว่า “เป็นเวลาหลายปีแล้วที่นักวิจัยในสาขานี้ได้พยายามที่จะจัดการกับความท้าทายต่างๆ ที่นำเสนอโดยข้อบกพร่องโดยธรรมชาติในโครงสร้างบ่อน้ำควอนตัม InGaN ในแนวทางใหม่ เราจึงได้ออกแบบวิศวกรรม ข้อบกพร่องของหลุมนาโนเพื่อให้ได้แพลตฟอร์มสำหรับการเติบโตของจุดควอนตัม InGaN โดยตรง ด้วยเหตุนี้ งานของเราจึงแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการใช้พื้นผิวซิลิกอนสำหรับโครงสร้างใหม่ที่อุดมด้วยอินเดียม ตัวปล่อยแสงยังช่วยบรรเทาปัญหาของพื้นผิวที่มีราคาแพงอีกด้วย” ด้วยวิธีนี้ การค้นพบของ SMART จึงเป็นก้าวสำคัญในการเอาชนะประสิทธิภาพที่ลดลงของ InGaN เมื่อผลิตแสงสีแดง สีส้ม และสีเหลือง ในทางกลับกัน งานนี้อาจเป็นเครื่องมือในการพัฒนาอาร์เรย์ไมโคร LED ในอนาคตที่ประกอบด้วยวัสดุเดียว Dr. Silvija Gradečak ผู้เขียนร่วมและผู้วิจัยหลักที่ LEES กล่าวเสริมว่า “การค้นพบของเรายังมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย ตัวอย่างเช่น ความก้าวหน้านี้อาจนำไปสู่การเลิกใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ใช่ของแข็งอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น เช่น หลอดไส้—และแม้แต่ไฟ LED InGaN สีน้ำเงินที่เคลือบด้วยสารเรืองแสงในปัจจุบันที่มีสารละลายผสมสีแบบโซลิดสเตตอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้การใช้พลังงานทั่วโลกลดลงอย่างมาก” ยูจีน ฟิตซ์เจอรัลด์ ผู้บริหารระดับสูงของ SMART และผู้ตรวจสอบหัวหน้า LEES หัวหน้าผู้สืบสวน LEES กล่าวว่า “งานของเราอาจมีนัยในวงกว้างมากขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากวิธีการใหม่ที่อธิบายไว้ในที่นี้เป็นไปตามขั้นตอนการผลิตมาตรฐานของอุตสาหกรรม และสามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวางและนำไปใช้ในวงกว้าง” “ในระดับมหภาคที่มากขึ้น นอกเหนือจากผลประโยชน์ทางนิเวศวิทยาที่อาจเกิดขึ้นจากการประหยัดพลังงานที่ขับเคลื่อนด้วย InGaN แล้ว การค้นพบของเราจะมีส่วนช่วยในการวิจัยและพัฒนาโครงสร้าง InGaN ที่มีประสิทธิภาพใหม่ ๆ ในสาขานี้ด้วย” ข้อมูลเพิ่มเติม: Jing-Yang Chung et al, Light-Emitting V-Pits: แนวทางทางเลือกสู่ Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots, ACS Photonics (2021) DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01009 ให้บริการโดย Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) การอ้างอิง: วิธีใหม่ในการสร้างแสงโดยใช้ข้อบกพร่องที่มีอยู่ก่อนแล้วในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (2021, 26 ตุลาคม) ดึงข้อมูล 26 ตุลาคม 2564 จาก https ://phys.org/news/2021-10-pre-existing-defects-semiconductor-materials.html เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น
