Diode phát quang và giải Nobel Vật lí 2014 – Phần 1

Diode phát quang (LED) là những nguồn sáng dải hẹp hoạt động dựa trên các bộ phận bán dẫn, với bước sóng biến thiên từ hồng ngoại đến tử ngoại. Các LED đầu tiên được nghiên cứu và chế tạo vào thập niên 1950 và 1960 ở một vài phòng thí nghiệm trên thế giới. Chúng phát ra ánh sáng ở những bước sóng khác nhau, từ hồng ngoại đến xanh lục. Tuy nhiên, việc phát ra ánh sáng lam tỏ ra là một nhiệm vụ khó khăn, và mất thêm ba thập kỉ nữa thì người ta mới làm được. Nó đòi hỏi sự phát triển của các kĩ thuật nuôi cấy các tinh thể chất lượng cao cũng như khả năng điều khiển pha tạp-p của các chất bán dẫn với khe năng lượng lớn, cái chỉ thu được với gallium nitride (GaN) vào cuối thập niên 1980. Sự phát triển của các LED xanh lam hiệu quả cũng đòi hỏi việc sản xuất các hợp kim gốc GaN với các thành phần khác nhau và tích hợp chúng vào các cấu trúc đa lớp, ví dụ như các cấu trúc dị thể bán dẫn và giếng lượng tử.

Việc phát minh ra các LED lam hiệu dụng đã đưa đến các nguồn sáng trắng dùng cho chiếu sáng. Khi kích thích một vật liệu phosphor bằng LED lam, ánh sáng phát ra trong vùng phổ lục và đỏ, khi kết hợp với ánh sáng lam, cho ra ánh sáng trắng. Hoặc người ta có thể sử dụng chung nhiều LED màu bổ sung (đỏ, lục và lam). Cả hai kĩ thuật này được sử dụng trong các nguồn chiếu sáng trắng bằng điện hiệu quả cao ngày nay. Những nguồn sáng này, với tuổi thọ rất dài, đã bắt đầu thay thế cho các đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang cho các mục đích thắp sáng nói chung. Vì việc thắp sáng chiếm khoảng 20-30% tổng lượng điện năng tiêu thụ của chúng ta, và vì những nguồn sáng trắng mới này tiêu hao năng lượng ít hơn mười lần so với các bóng đèn bình thường, nên việc sử dụng các LED lam hiệu quả đưa đến sự tiết kiệm năng lượng đáng kể, mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại.

Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay vinh danh các nhà phát minh của LED lam hiệu dụng: I. Akasaki, H. Amano và S. Nakamura.

Lịch sử buổi đầu

Báo cáo đầu tiên của ánh sáng phát ra bằng điện bởi cơ chế phát xạ từ một dụng cụ bán dẫn là từ H. J. Round tại hãng Marconi Electronics vào năm 1907 [1]. Ông thiết lập một điện áp giữa hai tiếp xúc trên một tinh thể carborundum (SiC). Ở điện áp thấp ông quan sát thấy ánh sáng màu vàng, nhưng ở điện áp cao hơn thì có nhiều màu ánh sáng phát ra hơn. Điện phát quang cũng được nghiên cứu bởi O. Losev (1903 – 1942), một nhà vật lí dụng cụ ở Liên Xô, vào thập niên 1920 và 1930 ông đã công bố một vài bài báo trên các tạp chí quốc tế về điện phát quang từ carborundum [2]. Những phát triển này xảy ra trước khi có lí thuyết hiện đại của cấu trúc điện tử của các vật liệu bán dẫn.

Hình 1. Nguyên lí phát xạ ánh sáng trong một lớp tiếp xúc p-n. Trong một lớp tiếp xúc p-n được phân cực thuận, các electron chạy từ phía n sang phía p, còn các lỗ trỗng chạy theo hướng ngược lại. Các electron tái kết hợp với lỗ trống và ánh sáng được phát ra (phát xạ tự phát). Để cho diode hoạt động hiệu quả, điều quan trọng là chất bán dẫn có khe năng lượng trực tiếp. Các LED có khe năng lượng gián tiếp cần cơ chế phonon đi kèm, thành ra làm hạn chế hiệu suất. Hiệu suất lượng tử của một LED là tỉ số của số photon phát ra với số electron đi qua lớp tiếp xúc trong một khoảng thời gian đã cho.

Việc tìm hiểu cơ sở vật lí của các chất bán dẫn và lớp tiếp xúc p-n diễn ra vào thập niên 1940, đưa đến phát minh transistor tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone ở Mĩ vào năm 1947 (Giải Nobel 1956 cho Shockley, Bardeen và Brattain). Cái trở nên rõ ràng là một lớp tiếp xúc p-n có thể là một dụng cụ hấp dẫn để phát ra ánh sáng. Vào năm 1951, K. Lehovec và các cộng sự thuộc Phòng thí nghiệm Signal Corps ở Mĩ [3] đã sử dụng những ý tưởng này để giải thích hiện tượng điện phát quang ở SiC là do bơm các hạt mang điện qua lớp tiếp xúc, sau đó là sự tái kết hợp phát xạ của các electron và lỗ trống. Tuy nhiên, năng lượng photon mà người ta quan sát lại nhỏ hơn khe năng lượng của SiC, và họ đề xuất rằng sự tái kết hợp phát xạ có khả năng xảy ra là do các tạp chất hoặc các khiếm khuyết mạng tinh thể. Vào năm 1955, cơ chế điện phát quang bơm được chứng minh ở một số hợp chất III-V [4,5]. Vào năm 1955 và 1956, J. R. Haynes tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone chứng minh được rằng hiện tượng điện phát quang quan sát thấy ở germanium và silicon là do sự tái kết hợp của các electron và lỗ trống trong lớp tiếp xúc p-n [6] (Xem Hình 1).

LED hồng ngoại

Các kĩ thuật chế tạo các lớp tiếp xúc p-n hiệu quả với GaAs được phát triển nhanh chóng trong những năm sau đó. GaAs hấp dẫn bởi khe năng lượng trực tiếp của nó, cho phép tái kết hợp electron và lỗ trống mà không cần nhờ đến các phonon. Khe năng lượng 1,4 eV tương ứng với ánh sáng hồng ngoại. Vào mùa hè năm 1962, việc quan sát thấy sự phát xạ ánh sáng từ lớp tiếp xúc p-n được báo cao [7]. Vài tháng sau đó, sự phát xạ laser ở GaAs ở nhiệt độ nitrogen lỏng (77 K), được chứng minh độc lập và hầu như đồng thời bởi ba nhóm nghiên cứu tại hãng General Electric, IBM, và Phòng thí nghiệm MIT Lincoln, ở Mĩ [8-10]. Tuy nhiên, phải mất vài năm nữa thì các diode laser mới được sử dụng rộng rãi. Nhờ sự phát triển của các cấu trúc dị thể (Giải Nobel năm 2000 cho Z. I. Alferov và H. Kroemer), và các giếng lượng tử sau này, cho phép giam cầm tốt hơn các hạt mang điện đồng thời làm giảm tổn thất, các diode laser có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng, với các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đa dạng.

LED khả kiến

Sau những thí nghiệm buổi đầu vào cuối thập niên 1950 [11], tiến bộ trong việc chế tạo LED hiệu quả sử dụng GaP (khe năng lượng gián tiếp bằng 2,2 eV) diễn ra song song bởi ba nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Philips ở Đức (H. G. Grimmeiss), Phòng thí nghiệm Services Electronics (SERL) ở Anh (J. W. Allen) và các phòng thí nghiệm của hãng điện thoại Bell ở Mĩ (M. Gershenzon) [12-14]. Họ có các mục tiêu khác nhau, từ truyền thông, thắp sáng và truyền hình cho đến các đèn chỉ thị dùng trong điện tử và điện thoại. Sử dụng các chất phụ gia khác nhau (ví dụ Zn-O hoặc N) với hàm lượng đa dạng, những bước sóng khác nhau đã được tạo ra từ đỏ tới lục. Vào cuối thập niên 1960, một số nhà sản xuất ở các nước khác nhau đã cho xuất xưởng LED đỏ và lục hoạt động dựa trên GaP.

Các tinh thể pha tạp bao gồm Ga, As và P (GaP_xAs_{1 – x}) hấp dẫn giới kĩ thuật vì bước sóng phát ra có thể ngắn hơn bước sóng cho GaAs, đạt tới vùng khả kiến đồng thời khe năng lượng là trực tiếp với x dưới 0,45. N. Holonyak Jr. và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm General Electric ở Mĩ, bắt đầu nghiên cứu với GaP_xAs_{1 – x} vào cuối thập niên 1950, và đã thành công trong việc chế tạo các lớp tiếp xúc p-n và quan sát thấy sự phát xạ LED. Sự phát xạ diode laser ở bước sóng 710 nm (màu đỏ) được báo cáo vào năm 1962 [15].

Phần 3 >>

Bài trước | Bài kế tiếp