LED màu xanh được tìm ra như thế nào

  Bắt đầu từ những năm 1970, ba nhà khoa học Amano, Akasaki và Nakamura đã giải quyết thành công một loạt những thách thức trong lĩnh vực vật lý linh kiện và khoa học vật liệu để làm ra diode phát ánh sáng xanh (sau đây gọi tắt là LED xanh). Có thể nói sự ra đời của diode phát ánh sáng xanh năm 1993, cùng với các diode phát ra ánh sáng đỏ và xanh lá cây (LED màu đỏ và LED màu xanh lá cây) trước đó từ những năm 1960, đã hoàn chỉnh phổ ánh sáng nhìn thấy. Một loạt các ứng dụng tiềm năng, từ chiếu sáng dân dụng tới việc lưu trữ quang học, đã mở ra. So sánh với đèn sợi đốt, đèn sử dụng LED có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn gấp mười lần, có tuổi thọ lớn hơn cả trăm lần, và có khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt lớn hơn rất nhiều lần. Với thực tế 20-30% lượng điện toàn thế giới được dùng để chiếu sáng thì việc sử dụng LED một cách rộng rãi sẽ làm giảm đáng kể việc tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới, và do đó có thể làm giảm đáng kể lượng carbon dioxide phát tán vào khí quyển.

Chặng đường đi tới LED phát ánh sáng xanh

Về cơ chế hoạt động, các LED màu xanh làm việc tương tự như các LED màu đỏ và màu xanh lá cây. Các LED được tạo ra từ việc ghép hai lớp bán dẫn, một được pha tạp loại p và một được pha tạp loại n. Khi áp một điện thế qua hai lớp vật liệu, theo định hướng từ lớp p tới lớp n, các electron có năng lượng từ bên trong dải dẫn của lớp n sẽ được định hướng chuyển động sang và điền đầy vào các vị trí của các hole trong vùng hóa trị của lớp bán dẫn p. Sự kết hợp electron-hole sẽ giải phóng ra các photon ánh sáng.

Nếu electron có thể chuyển qua được một khe năng lượng mà xung lượng của nó không bị thay đổi, nghĩa là nếu vị trí cực tiểu của vùng năng lượng dẫn và vị trí đỉnh của vùng năng lượng hóa trị thẳng hàng nhau trong không gian năng-xung lượng (các bán dẫn có khe năng lượng thẳng), thì sự tái hợp electron-hole sẽ dẫn đến một photon với năng lượng bằng đúng với độ rộng khe năng lượng.

Các vật liệu bán dẫn có khe năng lượng thẳng có thể được dùng để tạo ra các LED rất hiệu quả (thật ra là phải có những ngoại lệ chứ không đơn thuần là một quy tắc của các chất bán dẫn). Như đã biết, silicon là một chất bán dẫn ưu việt nhưng nó lại có khe năng lượng không trực tiếp. Phần lớn các LED – kể cả các LED màu đỏ nguyên thủy tới LED màu xanh – đều được làm từ các hợp chất của các nguyên tố hóa học thuộc nhóm III và V trong bảng Hệ thống tuần hoàn.

Các LED màu đỏ và màu xanh lá cây được làm từ vật liệu gallium arsenide (GaAs) và gallium phosphide (GaP). Về mặt nguyên tắc, để có thể tạo ra các photons có bước sóng ngắn hơn đòi hỏi phải mở rộng khe năng lượng của chất bán dẫn. Điều đó gợi ý rằng nên kết hợp các nguyên tử Ga với các nguyên tử nhẹ hơn (As và P) thuộc nhóm V như nitrogen (N) vì khi đó với kích thước nguyên tử nhỏ hơn, N sẽ liên kết chặt hơn với Ga và do đó có thể mở rộng khe năng lượng.

Có thể nói nhu cầu khai thác khe năng lượng của GaN cho mục đích phát quang đã được đặt ra từ những năm 1950, nghĩa là trước khi LED màu đỏ được tạo ra vào đầu năm 1962. Tuy nhiên, chỉ cho đến đầu những năm 1970, các tiến bộ mới được thiết lập. Chế tạo ra các tinh thể GaN với kích thước của các linh kiện và giữ ổn định cấu trúc tinh thể của chúng sau khi pha tạp đã cho thấy là việc làm rất khó khăn.

Tuy nhiên đến giữa thập kỷ 1970, triển vọng được lóe lên khi kỹ thuật nuôi mọc tinh thể từ pha hơi kim loại-hữu cơ (metalorganic vapor phase epitaxy – MOVOPE) được phát triển để tạo ra các tinh thể theo cách thức nuôi mọc từng lớp từng lớp một. Amano và Akasaki đã xác định mục đích sử dung phương pháp MOVOPE này để tạo các tinh thể GaN pha tạp loại p và loại n. Năm 1986, sau một thập kỷ nỗ lực, họ đã phát hiện ra công thức dẫn tới thành công, đó là lắng đọng GaN cùng với các tạp chất lên trên một lớp vật liệu aluminum nitride (AlN) mà chính lớp này cũng được tạo ra bằng bằng cách lắng đọng trên một lớp đế sapphire. Họ nhận thấy, lớp đế sapphire-AlN đã định hướng rất tốt cho sự hình thành các lớp tinh thể GaN. Một cách độc lập, Nakamura cũng chạm đúng được vào công thức này năm 1991.

Vật liệu GaN có thể được pha tạp bằng magnesium (Mg) hay zinc (Zn) để tạo ra các tinh thể bán dẫn loại p nhưng khả năng nhận thêm các electron của chúng là rất kém. Tuy nhiên, tình cờ vào cuối những năm 1980, Amano và Akasaki đã phát hiện ra rằng các mẫu vật liệu mà họ đã khảo sát bằng kính hiển vi điện tử lại trở nên có khả năng nhận điện tử tốt hơn. Nguyên nhân của vấn đề này đã được Nakamura làm sáng tỏ - đó là vì trong quá trình nuôi mọc các tinh thể GaN, các tạp chất đã tạo thành các phức hợp với các nguyên tử hydrogen (H) có sẵn trong các tiền tố hữu cơ được sử dụng trong phương pháp MOVPE. Tuy nhiên, các phức hợp này sẽ bị phá vỡ dưới tác động của chùm tia điện tử hoặc các điều kiện xử lý nhiệt.

Bước cuối cùng để đi đến việc tạo ra các LED màu xanh là việc phải vận dụng khái niệm cấu trúc dị thể (heterostructure). Trong các LED làm bằng vật liệu GaN cũng như các LED làm bằng GaAs trước đó, các chất bán dẫn được tạo ra bằng cách kết hợp Ga với các nguyên tố khác nhau thuộc nhóm V trong bảng Hệ thống tuần hoàn được tạo thành các lớp với nhau. Mối quan hệ họ hàng giữa các loại vật liệu như thế đảm bảo sự tương thích về mặt cấu trúc giữa các lớp vật liệu, mặc dù chúng có độ rộng khe năng lượng và hệ số khúc xạ khác nhau. Bằng cách lựa chọn đúng đắn các lớp vật liệu, các electron và hole linh động có thể bị nén trong một thể tích không gian hẹp, và theo cách đó sẽ làm tăng hiệu quả kết hợp electron-hole. Hiệu quả kết hợp này còn được gia tăng hơn nữa trên cơ sở khai thác các tính chất quang học của các lớp vật liệu cũng như việc tối ưu hóa cấu trúc.

Trong các LED màu xanh đầu tiên, Amano và Akasaki đã gắn kết lớp GaN với lớp AlGaN; Nakamura thì lại kết hợp lớp GaN với lớp InGaN và lớp InGaN với lớp AlGaN. Năm 1993, Nakamura đã tạo ra được một LED màu xanh bé xíu nhưng nó có thể phát sáng như một ngọn nến. Trong linh kiện này, ánh sáng được phát ra từ lớp vật liệu InGaN pha tạp Zn (lớp bán dẫn loại p) đặt nằm xen giữa hai lớp AlGaN pha tạp loại n và loại p; các lớp này sau đó lại được kẹp giữa các lớp GaN pha tạp loại n và loại p. Cho đến nay, bài báo mô tả cấu trúc linh kiện này đã được xem là một cột mốc quan trọng và đã được trích dẫn hơn 3.000 lần.

Ngoài tiềm năng cắt giảm năng lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới, các LED làm từ vật liệu GaN còn có nhiều ứng dụng quan trọng rộng rãi khác, chẳng hạn như làm các linh kiện phát ra ánh sáng sử dụng cho các màn hình điện thoại, máy tính và tivi. Ở nhiều quốc gia hay các vùng sâu vùng xa đã có các dự án sử dụng các LED làm đèn chiếu sáng nuôi bằng các pin năng lượng mặt trời để thay thế cho các loại đèn dầu đốt.