ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 31 | ค.ศ. 2014 สำหรับการประดิษฐ์หลอดแอลอีดีสีน้ำเงินที่นำไปสู่แหล่งกำเนิดแสงสีขาวที่มีประสิทธิภาพ

บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร

นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

ถ้าจะย้อนประวัติศาสตร์กลับไปดูสักเล็กน้อยจะพบว่าการปลดปล่อยแสงออกมาจากสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ภายใต้แรงดันไฟฟ้านั้นเริ่มศึกษาโดย Henry J. Round ในปี ค.ศ. 1907 แล้ว และในช่วงยี่สิบถึงสามสิบปีต่อมาก็เริ่มมีการศึกษาเชิงลึกในเรื่องของการเรืองแสงที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้า (Electroluminescence) จนกระทั่งเป็นที่เข้าใจมากขึ้นในช่วงปี ค.ศ. 1955-1958 ว่าแสงที่เกิดขึ้นนั้นเกิดจากการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและโฮลในรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n (ไดโอด) โดย J. R. Haynes

ในช่วงเวลาเดียวกันนี้ Rubin Braunstein ได้รายงานถึงความสำเร็จในการสร้างแสงอินฟราเรดจากไดโอดเปล่งแสงจากสารแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และยังได้สาธิตการสื่อสารด้วยแสงเบื้องต้นไปด้วย ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาการสาธิตแสงสีต่างๆ ที่ปลดปล่อยออกมาจากไดโอดก็เริ่มขึ้น

แต่สิ่งที่ท้าทายมาตลอดระยะเวลาที่ผ่านมาก็คือ การทำให้ไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน ทั้งนี้ก็เนื่องมาจากว่าการสร้างแหล่งกำเนิดแสงสีขาวขึ้นมามี 2 แนวทาง แนวทางแรกเป็นการผสมแม่สีของแสง คือ แดง เขียว และ น้ำเงิน เข้าด้วยกัน และอีกแนวทางหนึ่ง คือ ผสมแสงสีน้ำเงินเข้ากับแสงสีเหลือง ซึ่งจะเห็นว่าแสงสีน้ำเงินเป็นแสงที่ต้องใช้ในแนวทางทั้งสองนั้นเอง อนึ่งแสงสีเหลืองในแนวทางที่สองเกิดขึ้นจากการเรืองแสงของสารฟอสเฟอร์ชนิดหนึ่งซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงสีน้ำเงิน

สารกึ่งตัวนำที่รู้กันในวงการวิทยาศาสตร์ว่าสามารถปลดปล่อยแสงสีน้ำเงินได้ คือ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แต่การให้ได้มาซึ่งผลึกของแกลเลียมไนไตรด์ที่มีคุณภาพดีและชั้น p ในไดโอดนั้นทำได้ยากด้วยวิธีการที่เรียกว่า Hybrid Vapor Phase Epitaxy ในสมัยนั้น

จนกระทั่งมีการคิดและพัฒนาวิธีการใหม่ที่เรียกว่า Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) ขึ้นในช่วง ค.ศ. 1970-1979 ที่ทำให้ในปี ค.ศ. 1986 Isamu Akasaki และนักศึกษาของเขาคือ Hiroshi Amano เลือกใช้วิธีการดังกล่าวในการสร้างชั้นอลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) บนฐานแซปไฟร์ (Sapphire) ก่อนแล้วค่อยๆ สร้างชั้นแกลเลียมไนไตรด์บนชั้นอลูมิเนียมไนไตรด์อีกทีหนึ่ง

ผลที่ได้คือ ทำให้ได้ผลึกของชั้นแกลเลียมไนไตรด์ที่มีคุณภาพในเวลาต่อมา อีกสี่ปีให้หลัง อาจารย์และศิษย์คู่นี้ประสบความสำเร็จในการสร้างชั้นไดโอดชนิด p ขึ้นด้วยการเพิ่มสังกะสี (Zn) หรือ แมกนีเซียม (Mg) เข้าไป และประสิทธิภาพของชั้นนี้จะดีขึ้นเมื่อถูกยิงด้วยลำอิเล็กตรอน เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงไดโอดที่เปล่งแสงสีน้ำเงินได้นั้น ทั้งสองคนได้เลือกใช้โครงสร้าง Heterostructure ที่ Herbert Kroemer และ Zhores Alferov ได้คิดค้นไว้ (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ค.ศ. 2000) โดยมีชั้นเปล่งแสงคืออินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ที่ถูกประกบอยู่ระหว่างชั้นอลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์กับแกลเลียมไนไตรด์

การผสมแสงสีเหลืองที่เรืองจากฟอสเฟอร์สีเหลืองที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงสีน้ำเงินแหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีน้ำเงิน (ภาพจาก https://www.merck-performance-materials.com/en/lighting/led_function/led_function.html)

ตัวอย่างโครงสร้างชั้นผลึกสารกึ่งตัวนำของแหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีน้ำเงิน (ภาพจาก semimd.com)

ในช่วงจังหวะเวลาที่ใกล้เคียงกัน Shuji Nakamura ก็สามารถสร้างชั้นผลึกของแกลเลียมไนไตรด์ได้สำเร็จในปี ค.ศ. 1990 ซึ่งเขาเลือกใช้วิธีการสร้างชั้นแกลเลียมไนไตรด์ภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ต่ำกว่าก่อนแล้วค่อยๆ สร้างชั้นแกลเลียมไนไตรด์ภายใต้อุณหภูมิที่สูงขึ้น

เขายังสามารถอธิบายได้อีกว่าการที่ลำอิเล็กตรอนช่วยให้ประสิทธิภาพของชั้น p ในไดโอดดีขึ้นนั้นก็เพราะลำอิเล็กตรอนช่วยกำจัดไฮโดรเจนที่เป็นตัวยับยั้งไม่ให้ชั้น p เกิดขึ้นได้ง่ายนั่นเอง อย่างไรก็ตาม Shuji Nakamura ไม่ได้เลือกใช้วิธีการยิงลำอิเล็กตรอนอย่างที่ Isamu Akasaki และ Hiroshi Amano ได้เลือกใช้ แต่เขากลับเลือกใช้วิธีการที่ไม่ซับซ้อนและใช้พลังงานต่ำกว่า คือ การให้ความร้อนกับวัสดุ และประสบความสำเร็จในการสร้างชั้น p ที่มีประสิทธิภาพขึ้นในปี ค.ศ. 1992

เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงไดโอดที่เปล่งแสงสีน้ำเงินได้นั้น Shuji Nakamura ได้ให้ชั้นอินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ทำหน้าที่ปลดปล่อยแสงออกมา โดยชั้นผลึกนี้อยู่ระหว่างชั้นอลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ชนิด n กับชนิด p ซึ่งทั้งสองชั้นนี้อยู่ระหว่างชั้นแกลเลียมไนไตรด์ชนิด n กับชนิด p อีกทีหนึ่ง

ความสำเร็จในการสร้างแสงไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินนี้ได้นำไปสู่แหล่งกำเนิดแสงสีขาวที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น เป็นที่เชื่อกันว่าแหล่งกำเนิดแสงไดโอดนี้จะส่องสว่างศตวรรษที่ 21 แทนที่แหล่งกำเนิดแสงแบบหลอดไส้ที่ได้ส่องสว่างในศตวรรษที่ 20 มาแล้ว

ประวัติย่อ : Isamu Akasaki

Isamu Akasaki เกิดที่เมือง Kagoshima ประเทศญี่ปุ่น จบการศึกษาระดับปริญญาตรีที่ Kyoto University ในปี ค.ศ. 1952 หลังจบการศึกษาได้เข้าทำงานกับบริษัท Kobe Kogyo (ปัจจุบันคือส่วนหนึ่งของบริษัท Fujitsu) ในตำแหน่งนักวิทยาศาสตร์ ในปี ค.ศ. 1959 ได้ศึกษาในระดับที่สูงขึ้นที่ Nagoya University และได้รับปริญญาเอกสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ในปี ค.ศ. 1964 เมื่อจบการศึกษาก็ได้เข้าทำงานในตำแหน่งหัวหน้าห้องปฏิบัติการวิจัยพื้นฐานของบริษัท Matsushita Research Institute Tokyo (ปัจจุบันคือบริษัท Panasonic) จนกระทั่งได้เป็นผู้จัดการทั่วไปแผนกสารกึ่งตัวนำ ซึ่งที่บริษัทนี้เขาก็เริ่มสนใจการสร้างแหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีน้ำเงินแล้ว โดยเริ่มต้นจากการหาวิธีการปรับปรุงคุณภาพของผลึกแกลเลียมไนไตรด์ หลังจากนั้นในปี ค.ศ. 1981 ได้มาเป็นอาจารย์สอนที่ Nagoya University จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1992 ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์เกียรติคุณของ Nagoya University และศาสตราจารย์ของ Meijo University

ประวัติย่อ : Hiroshi Amano

Hiroshi Amano เกิดที่เมือง Hamamatsu ประเทศญี่ปุ่นเมื่อปี ค.ศ. 1960 เขาจบปริญญาตรี โท และ เอก ทางด้านวิศวกรรมไฟฟ้าในปี ค.ศ. 1983, 1985 และ 1989 ตามลำดับ จาก Nagoya University เขาเริ่มสนใจงานวิจัยด้านสารกึ่งตัวนำตั้งแต่ศึกษาในระดับปริญญาตรี และ ได้เข้าร่วมงานกับห้องปฏิบัติการวิจัยของอาจารย์ที่ชื่อ Isamu Akasaki ตั้งแต่ ค.ศ. 1982 เป็นต้นมา หลังจากจบการศึกษาระดับปริญญาเอกก็ยังอยู่ช่วยทีมวิจัยของอาจารย์ Isamu Akasaki อยู่อีกสามปี และได้ย้ายไปดำรงตำแหน่งผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Meijo University อีกหกปีต่อมาได้เป็นรองศาสตราจารย์และได้เป็นศาสตราจารย์ในปี ค.ศ. 2002

ประวัติย่อ : Shuji Nakamura

Shuji Nakamura เกิดที่เมือง Ikata ประเทศญี่ปุ่นเมื่อปี ค.ศ. 1954 เขาจบการศึกษาระดับปริญญาตรีและโททางวิศวกรรมไฟฟ้าในปี ค.ศ. 1977 และ 1979 ตามลำดับจาก University of Tokushima หลังจากนั้นได้เข้าทำงานที่บริษัท Nichia ซึ่งที่นี่เองที่เขาได้ประดิษฐ์แหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีน้ำเงินขึ้น และ ได้รับการสนับสนุนให้ทำวิจัยทางด้านนี้เป็นอย่างดีในช่วงเริ่มต้นจากผู้ก่อตั้งบริษัท อย่างไรก็ตาม การวิจัยและพัฒนาทางด้านนี้ใช้งบประมาณสูงและใช้เวลานาน ทำให้บริษัทหยุดการสนับสนุน แต่เขาก็ยังไม่ท้อถอยโดยได้พยายามพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงชนิดนี้อยู่จนสำเร็จในเวลาต่อมา เขาได้รับปริญญาเอกทางวิศวกรรมไฟฟ้าจาก University of Tokushima ในปี ค.ศ. 1994 และได้ลาออกจากบริษัท Nichia ในปี ค.ศ. 1999 เพื่อไปเป็นศาสตราจารย์ของคณะวิศวกรรมศาสตร์ที่ University of California Santa Barbara นอกเหนือจากแหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีน้ำเงินแล้ว เขายังได้สร้างแหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีเขียวขึ้นมา และยังมีส่วนในการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงไดโอดสีขาว และ เลเซอร์ไดโอดสีน้ำเงินด้วย

แหล่งข้อมูล

G. Brumfiel, “Physics Nobel for quantum optics,” Nature, Vol. 190, p. 152, October 2012.
https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

ข่าวสาร

บทความที่เกี่ยวข้อง