สารกึ่งตัวนำ-ตัวนำไซเบอร์

สกุลธรรม เสนาะพิมพ์ *

 ในชีวิตประจำวันที่แวดล้อมด้วยเทคโนโลยีล้ำสมัย ซึ่งได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและรวดเร็วนั้น นับว่าเทคโนโลยีที่ เกี่ยวข้องกับวัสดุ โดยเฉพาะวัสดุที่ใช้เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์การสื่อสารประเภทต่าง ๆ เช่น อินเตอร์เนท โทรทัศน์ วิทยุ และโทรศัพท์มือถือ เนื่องจากสามารถเข้าถึงกิจกรรมต่าง ๆ ในการดำเนินชีวิตของเรามากที่สุด การตอบสนองต่อความต้องการ ดังกล่าว ซึ่งดูเหมือนว่าจะไม่มีที่สิ้นสุด ทำให้เกิดการพัฒนาทางด้านฟิสิกส์วัสดุอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะกับ วัสดุกึ่งตัวนำ ( semiconducting materials) ซึ่งถือได้ว่าเป็นวัสดุพื้นฐานที่เป็นหัวใจของเทคโนโลยีดังกล่าว บทความนี้ ผู้เขียนคาด หวังว่าจะสามารถนำให้ทุกท่านเข้าใจถึงความสำคัญและทิศทางการพัฒนาของวัสดุกึ่งตัวนำในปัจจุบัน

วัสดุกึ่งตัวนำ หรือ สารกึ่งตัวนำ โดยทั่วไปสามารถจำแนกประเภทได้ตามองค์ประกอบ ( composition) ซึ่งสามารถจำแนกได้เป็น สารประกอบกึ่งตัวนำ ( compound semiconductors) เช่น ซิลิกอน ( Si) และแกลเลียมอาเซไนด์ ( GaAs) และ อัลลอยกึ่งตัวนำ ( alloy semiconductors) เช่น อัลลอยของซิลิกอนเจอร์มาเนียม ( Si 1-x Ge x ) และอัลลอยของ อินเดียมแกลเลียมอาเซไนด์ ( In x Ga 1-x As) เป็นต้น นอกจากนี้เรายังนับรวมถึง สารกึ่งตัวนำที่ไม่มีโครงสร้างที่ชัดเจน ( non-crystalline semiconductors) บางชนิดอีกด้วย ในปัจจุบันวัสดุกึ่งตัวนำที่มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ และอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์นั้น ส่วนใหญ่จะมีโครงสร้างผลึกแบบเพชร ( diamond structure) ที่มีพันธะโคเวเลนซ์ของ อิเล็กตรอนในวงโคจรไฮบริดของ sp 3 ( +) เช่น Si และโครงสร้างผลึกที่คล้ายกัน คือ โครงสร้างผลึกแบบ zinc-blende เช่น GaAs เป็นต้น แม้ว่าจะมีวัสดุกึ่งตัวนำหลากหลายชนิดที่สามารถสังเคราะห์ด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่มนุษย์คิดค้นขึ้น แต่ก็มีเพียง สารกึ่งตัวนำบางชนิดเท่านั้นที่ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพจนกระทั่งมีความบริสุทธิ์และความสมบูรณ์ในระดับสูงได้ เช่น Si , GaAs , แกลเลียมฟอสไฟด์ ( GaP) , และอินเดียมฟอสไฟด์ ( InP) เป็นต้น

“ สารกึ่งตัวนำ ” มีความหมายในตัวเองที่ชัดเจนว่าเป็นวัสดุที่มีค่าสภาพนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างค่าสภาพนำไฟฟ้าของโลหะและฉนวน แต่ถ้าจะกล่าวโดยเคร่งครัดเราจะรวมไปถึงตัวนำที่สามารถนำไฟฟ้าด้วยไอออน (ions) อีกด้วย นอกจากนี้ ชนิดประจุของพาหะ นำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำยังสามารถถูกปรับเปลี่ยน โดยส่งผลให้ค่าสภาพนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำเปลี่ยนแปลงค่าได้ในช่วงกว้าง ดังแสดงใน ตารางที่ 1 โดยทั่วไปสารกึ่งตัวนำที่มีความบริสุทธิ์สูง หรือ “ สารกึ่งตัวนำแท้ ” จะมีสภาพต้านทานสูง ณ อุณหภูมิห้อง แต่เราก็สามารถควบคุมให้สารกึ่งตัวนำแท้มีสภาพนำไฟฟ้าสูงขึ้นด้วยการเติมสิ่งเจือปน โดยกระบวนการ เติมสิ่งเจือปนนี้เรียกว่า “ การโดป (doping)” และสารกึ่งตัวนำที่มีสิ่งเจือปนอยู่จะถูกเรียกว่า “ สารกึ่งตัวนำอสุทธิ ” ซึ่งสารกึ่งตัวนำอสุทธิจะมีอยู่ด้วยกันสองชนิด คือ การเจือสิ่งเจือปนที่ก่อให้มีการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนในแถบชั้นการนำ และ การเจือสิ่งเจือปนที่ทำให้สารตัวนำอสุทธิเพิ่มโฮลในแถบเวเลนซ์ จากสมบัติพิเศษของสารกึ่งตัวนำที่สามารถควบคุมชนิด ของพาหะและเปลี่ยนแปลงขนาดของค่าสภาพนำไฟฟ้านั้น ทำให้ความพิเศษเฉพาะของสารกึ่งตัวนำมิได้ขึ้นอยู่กับค่าสภาพนำ ไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างโลหะและฉนวน แต่ความพิเศษเฉพาะของสารกึ่งตัวนำนั้นน่าจะขึ้นอยู่กับความสามารถในการควบคุม และการเปลี่ยนแปลงทั้งชนิดประจุ (เครื่องหมาย) ของพาหะนำไฟฟ้าและขนาดของค่าสภาพนำไฟฟ้ามากกว่า ดังนั้น อาจเรียกสารกึ่งตัวนำว่าเป็น “ ตัวนำไซเบอร์ ” (cyber conductors) ซึ่งจะสื่อถึงตัวนำที่สามารถถูกควบคุมและปรับเปลี่ยน ค่าสภาพนำไฟฟ้าได้นั่นเอง โดยศัพท์คำว่า “cyber” เป็นคำศัพท์ที่มีรากศัพท์จากภาษากรีกและใช้ในความหมายเดียวกันกับ “cybernetics” ( cybernetics คือ ศาสตร์ที่ว่าด้วยระบบการสั่งงานและการสื่อสาร ทั้งที่ใช้กับเครื่องจักรกลและสัตว์)

ตารางที่ 1 ตัวอย่างค่าสภาพนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำอสุทธิ (คอลัมน์กลาง) และสารกึ่งตัวนำแท้ (คอลัมน์ขวา) ที่อุณหภูมิห้อง

รูปที่ 1 (ก) เลเซอร์แสงสีน้ำเงิน ที่ให้ความยาวคลื่น 491 นาโมเมตร ประดิษฐ์จากสารกึ่งตัวนำแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และอัลลอยกึ่งตัวนำอินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) (ข) แผงโฟโตไดโอดที่ให้แสงขาวเหมาะสำหรับนำไปประยุกต์ใช้เป็น แหล่งกำเนิดแสงในห้องผ่าตัดที่ให้ความสว่างสูงและแผ่ความร้อนต่ำ (ค) แผ่น Blu-ray Disc (BD) ที่มีความจุ 25 GB/12 cm-disk/ ด้าน ซึ่งต้องใช้หัวอ่านเลเซอร์แสงสีน้ำเงิน ความยาวคลื่น 405 นาโนเมตร [1] การประยุกต์ใช้ไดโอดเปล่งแสงกับ (ง) ไฟหน้ารถยนต์ และ (จ) โทรศัพท์มือถือ (โปรดดูภาพสีที่หน้า 2)

การค้นพบและการพัฒนาของสารกึ่งตัวนำได้นำไปสู่ความสำเร็จในการประดิษฐ์สิ่งประดิษฐ์กึ่งตัวนำต่าง ๆ เช่น งานวิจัยที่เกี่ยว ข้องกับเจอร์มาเนียม ( Ge ) ได้นำไปสู่การพัฒนาและการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ (transistors) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สถานะแข็ง ( solid state electronics) สำหรับเทคโนโลยีที่ใช้ Si เป็นสารพื้นฐานนั้นได้รับการพัฒนาแบบคู่ขนานกับ Ge และประสบความสำเร็จสำหรับการประดิษฐ์วงจรอินทิเกรต (integrated circuit) นอกจากนี้ สารกึ่งตัวนำในกลุ่มสาม-ห้า (สารประกอบกึ่งตัวนำที่มีธาตุหมู่สามและธาตุหมู่ห้าในตารางธาตุเป็นองค์ประกอบ) เช่น GaP และ GaAs และอัลลอยกึ่งตัวนำ ของสารในกลุ่มนี้ เช่น In x Ga 1-x As อลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ ( Al x Ga 1-x As ) และ อินเดียมแกลเลียมฟอส ไฟด์อาร์เซไนด์ ( In x Ga 1-x P 1-y As y ) ได้แสดงความโดดเด่นในฐานะที่เป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีด้านการ ประดิษฐ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เปล่งแสงซึ่งรวมไปถึง เลเซอร์ไดโอดที่ประยุกต์ใช้งานด้านการส่งสัญญาณภายในเส้นใยนำแสง (optical fiber) นอกจากนี้ในปัจจุบันการได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในการพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพของสารในกลุ่มสาม-ไนไตรด์ (III-Nitrides) (สารประกอบกึ่งตัวนำที่มีธาตุหมู่สามและธาตุไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ) เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และอัลลอยที่เกี่ยวข้อง เช่น อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (In x Ga 1-x N) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำที่ให้แสงในช่วงน้ำเงิน-เขียว ใน รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างสิ่งประดิษฐ์ที่เกิดจากการพัฒนาเทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์เปล่งแสงที่เกิดจากสารในกลุ่มสาม-ห้าและกลุ่มสาม-ไนไตรด์ จากตัวอย่างข้างต้น จะเห็นได้ว่าสารกึ่งตัวนำแต่ละชนิดจะมีความเหมาะสมกับการประยุกต์ใช้ งานที่แตกต่างกัน โดยที่ทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีของสารกึ่งตัวนำจะสัมพันธ์กับการควบคุมและดัดแปลงสมบัติทาง ฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำต่อ ไปนี้เป็นหลัก คือ ( 1 ) โครงสร้างผลึก (crystal structure) และ ( 2 ) โครงสร้างแถบพลังงาน (energy band structure) (นอกเหนือจากการควบคุมดัดแปลงสภาพนำไฟฟ้าด้วยการโดป) ดังนั้นความสามารถในการควบคุมและดัดแปลงสมบัติทางฟิสิกส์ทั้งสองชนิดนี้จึงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการพัฒนาสิ่งประดิษฐ์ที่ อาศัยสารกึ่งตัวนำเป็นส่วนประกอบหลัก

เมื่อเราศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างผลึกและโครงสร้างแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำ พบว่า ระยะระหว่างอะตอมใน สารแต่ละชนิดที่มีระยะห่างไม่เท่ากันจะมีผลต่อค่าช่องว่างแถบพลังงาน และจะส่งผลต่อค่าสภาพนำไฟฟ้าด้วย เช่น ใน รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างโครงสร้างแถบพลังงานของอิเล็กตรอนวงนอกสุดของคาร์บอน (ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนวงนอกสุด ของอะตอมคาร์บอนอยู่ในระดับที่ n = 2 ซึ่งมีระดับพลังงานย่อย 2s และ 2p ) ตามรูป (จะบรรยายจากขวาไปซ้าย) เมื่ออะตอมอยู่ห่างกันมากระดับพลังงาน ( 2s และ 2p ) ของอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมจะเหมือนกันไม่มีอิทธิพลซึ่งกันและกัน เมื่อทำให้อะตอมจำนวนมาก N อะตอม มาอยู่ใกล้กัน เพื่อให้เกิดเป็นของแข็ง จะทำให้ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนเกิดการ เหลื่อมกันและรวมเป็นระบบเดียวกัน พบว่าเมื่อมีอะตอมจำนวนมากยิ่งขึ้นระดับพลังงานก็จะยิ่งใกล้ชิดกันมากขึ้นจนไม่สามารถ แยกออกจากกันได้ การเข้าใกล้กันมากขึ้นของอะตอมนั้นจะทำให้เกิดการเหลื่อมกันของฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนในแถบ พลังงานย่อย 2 s และ 2 p เกิดเป็นแถบพลังงานเดี่ยวที่มีระดับพลังงานทั้งหมด 8 N ระดับ จากนั้นเมื่ออะตอมอยู่ใกล้กันมากขึ้น แถบพลังงานเดี่ยว จะแยกออกเป็น 2 แถบพลังงาน โดยที่แต่ละแถบพลังงานจะมีจำนวนระดับพลังงานอยู่ 4 N ระดับ สำหรับอะตอมคาร์บอนนั้น เนื่องจากมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดอยู่ 4 ตัว (2 ตัวอยู่ในระดับ 2 s และอีก 2 ตัวอยู่ในระดับ 2 p ) จึงทำให้แถบพลังงานระดับล่าง (ซึ่งเป็นแถบวาเลนซ์) ของคาร์บอนมีอิเล็กตรอนอยู่เต็ม 4 N ตัว สำหรับแถบพลังงานระดับบน 4 N ระดับ เป็น แถบการนำ ที่ไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ โดยแถบพลังงานทั้งสองอยู่ห่างกันถึง 7 อิเล็กตรอนโวลต์ ด้วย ค่าช่องว่าง ระหว่างแถบพลังงาน (energy gap) E g ที่มีค่ามากนี้ทำให้คาร์บอนแสดงสมบัติเป็นฉนวน นอกจากนี้เรายังสามารถใช้โครง สร้างแถบพลังงานของคาร์บอนนี้อธิบายโครงสร้างแถบพลังงานของ Si และ Ge ได้ในทำนองเดียวกันเนื่องจากเป็นธาตุหมู่สี่ เหมือนกัน ทำให้สามารถมองภาพการรวมกันของอิเล็กตรอนในแถบ ns และ np ( เมื่อ n คือระดับพลังงานของอิเล็กตรอน วงนอกสุดสำหรับธาตุแต่ละชนิด) แล้วแยกออกจากกันเป็น 2 แถบเมื่ออะตอมเข้าใกล้กันมากขึ้นตามชนิดโครงสร้างผลึก จากรายงานการวิจัย พบว่าค่าช่องว่างระหว่างแถบพลังงานของ Si และ Ge มีค่าเท่ากับ 1.11 [2] และ 0.67 [2] อิเล็กตรอนโวลต์ ตามลำดับ

รูปที่ 2 โครงสร้างแถบพลังงานของคาร์บอน แสดงการรวมกันของอิเล็กตรอนในแถบพลังงานย่อย 2s และ 2p แล้วแยก ออกเป็น 2 แถบพลังงาน คือ แถบวาเลนซ์และแถบการนำ ค่าพลังงานของแถบวาเลนซ์เป็นลบแสดงถึงสถานะที่เกิดเป็นพันธะ   ( bonding states) ส่วนค่าพลังงานของแถบการนำที่มีค่าบวก (เช่น สำหรับผลึกเพชรที่เลยด้านบนของกราฟ) แสดงถึงสถานะที่ไม่เกิดเป็นพันธะ (antibonding states) [3]

รูปที่ 3 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (energy gap) และค่าคงที่โครงผลึก (lattice constant) [4] (โปรดดูภาพสีที่หน้า 2)

รูปที่ 4 แสดงระบบการปลูกผลึกแบบเอพิแทกซี 2 วิธี (ก) วิธีโมเลกุลาบีมเอพิเทกซี ( Molecular Beam Epitaxy; MBE) และ (ข) วิธีการปลูกผลึกแบบเมทอลออแกนิกเวเปอร์เฟสเอพิแทกซี ( Metalorganic Vapor Phase Epitaxy; MOVPE) [4]

การควบคุมและดัดแปลงสารกึ่งตัวนำให้มีสมบัติทางฟิสิกส์ตามต้องการนั้น จำเป็นต้องอาศัยเทคโนโลยีการปลูกผลึกขั้นสูง ซึ่งมีอยู่ด้วยกันหลายชนิด แต่ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในระดับอุตสาหกรรมและระดับห้องปฏิบัติการนั้น เป็นเทคนิค ที่สามารถเตรียมผลึกได้ทีละชั้นผลึก และได้โครงสร้างเป็นผลึกเดี่ยว (single crystal) โดยอาศัยอิทธิพลของวัสดุฐานรอง หรือ  “ ซับสเตรท ” (substrate) ที่มีโครงสร้างผลึกเดี่ยวเช่นกัน เทคนิคนี้ถูกเรียกว่าเป็น การปลูกผลึกแบบ “ เอพิแทกซี ” (epitaxy) วิธีการปลูกผลึกแบบเอพิแทกซีที่ได้รับความนิยมมีอยู่ 2 วิธี คือ วิธีโมเลกุลาบีมเอพิเทกซี ( Molecular Beam Epitaxy; MBE) และ วิธีการปลูกผลึกแบบเมทอลออแกนิกเวเปอร์เฟสเอพิแทกซี ( Metalorganic Vapor Phase Epitaxy; MOVPE) รูปที่ 4 (ก) และ 4 (ข) แสดงระบบเครื่องมือทั้งสองตามลำดับ เนื่องจากการการปลูกผลึกแบบเอพิแทกซีนั้น มีความสะอาดสูง ทำให้สามารถเติมสิ่งเจือปนเข้าไปในโครงสร้างผลึกเพื่อกำหนดชนิดของพาหะนำไฟฟ้าและค่าสภาพนำไฟฟ้า ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังพบว่าการที่เราสามารถควบคุมอัตราการปลูกผลึกได้ทีละชั้นผลึกและสามารถควบคุม สัดส่วนของธาตุที่เป็นองค์ประกอบ ในชั้นผลึกได้อย่างแม่นยำ ทำให้เราสามารถสร้างโครงสร้างระดับนาโน เช่น ควอนตัมเวลล์ (quantum wells) หรือควอนตัมดอท (quantum dots) ของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งจะเป็นประโยชน์ในการเพิ่มประสิทธิภาพของ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงแสง และการศึกษาวิจัยทางฟิสิกส์และวิศวกรรมอีกด้วย รูปที่ 5(ก) แสดงภาพตัดขวาง ที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่งผ่าน ( Transmission Electron Microscopy; TEM) ของชิ้นงาน ควอนตัมเวลล์ InGaAsN/GaAs ที่ปลูกผลึกบน GaAs ซับสเตรท และสำหรับ รูปที่ 5(ข) แสดงถึงภาพโครงผลึก (lattice image) ของผิวรอยต่อระหว่าง GaN ที่มีโครงสร้างแบบ zinc blende ( β - GaN) (ส่วนล่างของภาพ) กับ โครงสร้างผลึกแบบ wurtzite ( α - GaN) (ส่วนบนของภาพ) ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการก่อตัวของโครงผลึกแบบต่อเนื่องจากผลึกสารกึ่งตัวนำที่มีโครงผลึกแบบ zinc blende ไปสู่ผลึกสารกึ่งตัวนำที่มีโครงผลึกแบบ wurtzite แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการควบคุมโครงผลึกของสารกึ่งตัวนำ ระหว่างการปลูกผลึก

รูปที่ 5 (ก) แสดงภาพตัดขวางที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน ( Transmission Electron Microscopy; TEM) ของชิ้นงาน ควอนตัมเวลล์ InGaAsN/GaAs ที่ปลูกผลึกบนวัสดุฐานรอง GaAs ( 001) มุมมองในทิศทาง <110> (ข) ภาพโครงผลึก (lattice image) ของผิวรอยต่อระหว่าง GaN ที่มีโครงสร้างแบบ zinc-blende ( β - GaN) (ส่วนล่างของภาพ) กับ โครงสร้างผลึกแบบ wurtzite ( α - GaN) (ส่วนบนของภาพ) [ ชิ้นงานทั้งสองถูกปลูกผลึกด้วยวิธี MOVPE]

จากตัวอย่างข้างต้น จะเห็นได้ว่าสารกึ่งตัวนำนั้นเป็น ตัวนำไซเบอร์ หรือ วัสดุไซเบอร์ อย่างแท้จริง เนื่องจากสามารถควบคุมและปรับเปลี่ยนสมบัติทางฟิสิกส์ต่าง ๆ เช่น ชนิดของพาหะนำไฟฟ้า ค่าสภาพนำไฟฟ้า ค่าช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน ค่าคงที่โครงผลึกและชนิดโครงผลึก ตลอดจนความสำเร็จในการสร้างโครงสร้างระดับนาโน ให้มีความเหมาะสมต่อการประยุกต์ใช้งานประเภทต่างต่าง ๆ ได้ ทำให้การค้นคว้าวิจัยสารกึ่งตัวนำใหม่ ๆ ทั้งสารกึ่งตัวนำชนิดสารประกอบและอัลลอยจึงมีความสำคัญและจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้งาน ของสารกึ่งตัวนำ

เอกสารอ้างอิง

1. http://ja.wikipedia.org/wiki/Blu-ray_Disc

2. Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee . Solid State electronic Devices , 5 th edition, New Jersey : Prentice Hall, 2000. 524.

3 . D. B. Holt and B. G. Yacobi. Extended defects in semiconductors , Cambridge , 2007.

4. จากโฮมเพจวิจัยของห้องปฏิบัติการ ศาสตราจารย์ ดร. เคนทาโร โอนาเบะ ภาควิชาวัสดุขั้นสูง มหาวิทยาลัยโตเกียว ประเทศญี่ปุ่น

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

* อาจารย์ (ดร.) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย