Diode phát quang và giải Nobel Vật lí 2014 – Phần 3

Cấu trúc dị thể kép và giếng lượng tử

Sự phát triển của LED hồng ngoại và diode laser chứng tỏ rằng các lớp tiếp xúc dị thể và giếng lượng tử là cần thiết để thu được hiệu suất cao. Trong các cấu trúc như thế, các lỗ trống và electron được bơm vào một thể tích nhỏ trong đó sự tái kết hợp xảy ra hiệu quả hơn và với tổn hao ít nhất. Akasaki và các cộng sự đã phát triển các cấu trúc dựa trên AlGaN/GaN

$$36, 37$$ còn Nakamura thành công lớn với việc khai thác các kết hợp InGaN/GaN và InGaN/AlGaN để tạo ra các lớp tiếp xúc dị thể, giếng lượng tử, và giếng lượng tử bội $$38$$ . Vào năm 1994, Nakamura và các cộng sự đã thu được hiệu suất lượng tử 2,7% sử dụng một lớp tiếp xúc dị thể kép InGaN/AlGaN (xem Hình 3) $$39$$ . Với những bước phát triển đầu tiên quan trọng này, lộ trình đã rõ dần hướng đến phát triển LED lam và ứng dụng của chúng mở ra trước mắt. Cả hai đội đều tiếp tục phát triển LED lam, hướng tới hiệu suất cao hơn, tính đa dạng và các ứng dụng. Sự phát xạ laser lam dựa trên GaN được quan sát thấy vào năm 1995 – 1996 bởi cả hai nhóm $$40, 41$$ .

Các LED gốc GaN hiệu quả ngày nay là kết quả của một chuỗi dài các đột phá trong lĩnh vực vật lí vật liệu cơ bản và nuôi cấy tinh thể, trong lĩnh vực vật lí dụng cụ với thiết kế cấu trúc dị thể tiên tiến, và trong lĩnh vực quang lí học với sự tối ưu hóa sự kết hợp phát quang. Tiến trình lịch sử của LED lam, lục, đỏ và LED “trắng” được tóm tắt trong hình bên dưới.

Hình 4. Tiến trình lịch sử của LED thương mại. Trích từ

$$42$$ . PC-White là viết tắt của ánh sáng trắng biến đổi phosphor, DH là cấu trúc dị thể kép. Hiệu suất cắm tường là tỉ số giữa công suất ánh sáng phát ra và công suất điện cung cấp.

Ứng dụng

Công nghệ thắp sáng hiện đang trải qua một cuộc cách mạng, đó là sự chuyển tiếp từ bóng đèn trong và đèn ống huỳnh quang sang công nghệ LED. Bóng đèn tròn, được phát minh bởi Thomas Edison vào năm 1879, có hiệu suất thấp cỡ 16 lm/W, tương đương với hiệu suất năng lượng khoảng 4% điện năng được biến đổi thành ánh sáng. Lumen (lm) là đơn vị dùng để mô tả quang thông, nó xét đến phản ứng phổ của mắt người. Đèn ống huỳnh quang, chứa thủy ngân và được phát minh bởi P. Cooper Hewitt vào năm 1900, đạt tới hiệu suất 70 lm/W. Các LED trắng hiện nay đạt tới hơn 300 lm/W, tương đương với hiệu suất cắm tường trên 50%.

Các LED trắng dùng trong thắp sáng thường hoạt động dựa trên LED lam kích thích phosphor để ánh sáng lam biến thành ánh sáng trắng. Các LED chất lượng cao này cùng với tuổi thọ rất dài của chúng (100 000 giờ) đang ngày càng rẻ, và thị trường hiện đang bùng nổ. Trong tương lai gần, các LED ba màu này có thể thay thế cho kết hợp của LED lam và phosphor để thắp sáng hiệu quả. Công nghệ này sẽ cho phép điều khiển động thành phần màu sắc.

Việc thay thế bóng đèn tròn và đèn ống huỳnh quang bằng LED sẽ đưa đến sự cắt giảm đáng kể nhu cầu năng lượng dùng cho thắp sáng. Vì 20-20% điện năng tiêu thụ trong lĩnh vực kinh tế công nghiệp là dùng cho thắp sáng, cho nên người ta đang dành rất nhiều sự ưu ái cho việc thay thế các công nghệ thắp sáng cũ bằng công nghệ LED.

Phần 2 >>

Tham khảo:

1. H.J. Round, Electr. World, 49, 308 (1907).

2. O.V. Losev, Telegrafi ya i Telefoniya bez Provodov 44, 485 (1927); Phil. Mag. 6, 1024 (1928); Compt. Rendu Acad. Sci. 39, 363 (1940); USSR patent 12191 (1929).

3. K. Lehovec, C.A. Accardo & E. Jamgochian, Phys. Rev. 83, 603 (1951).

4. G.A. Wolff, R.A. Hebert & J.D. Broder, Phys. Rev. 100, 1144 (1955).

5. R. Braunstein, Phys. Rev. 99, 1892 (1955).

6. J.R. Haynes, Phys. Rev. 98, 1866 (1955); J.R. Haynes & W.C. Westphal, Phys. Rev. 101, 1676 (1956).

7. J.I. Pankove, Phys. Rev. Lett. 9, 283-285 (1962); J.I. Pankove & J.E. Berkeyheiser, Proc. IRE, 50, 1976-1977 (1962); R.J. Keyes & T.M. Quist, Proc. IRE, 50, 1822-1823 (1962).

8. R.N. Hall, G.E. Fenner, J.D. Kingsley, T.J. Soltys & R.O. Carlson, Phys. Rev. Lett. 9, 366–368 (1962).

9. M.I. Nathan, W.P. Dumke, G. Burns, F.H. Dill & G. Lasher, Appl. Phys. Lett. 1, 62–63 (1962).

10. T.M. Quist, R.H. Rediker et al., Appl. Phys. Lett. 1, 91 (1962).

11. G.A. Wolff, R.A. Hebert & J.D. Broder, Phys. Rev. 100, 1144 (1955); D.A. Holt, G.F. Alfrey & C.S. Wigglins, Nature 181, 109 (1958).

12. H.G. Grimmeiss & H. Koelmans, Phys. Rev. 123, 1939 (1961); H.G. Grimmeiss & H. Scholz, Phys. Lett. 8, 233 (1964).

13. J. Starkiewicz & J.W. Allen, J. Phys. Chem. Solids 23, 881 (1962).

14. M. Gershenzon & R.M. Mikulyak, J. Appl. Phys. 32, 1338 (1961).

15. N. Holonyak & S.F. Bevacqua, Appl. Phys. Lett. 1, 82 (1962).

16. H.G. Grimmeiss and H. Koelmans, Z. f. Naturforsch. 14a, 264 (1959); 15, 799 (1960); H.G. Grimmeiss, H. Koelmans & I.B. Maak, German patent, DBP 1 077 330 (1960).

17. H.P. Maruska & J.J. Tietjen, Appl. Phys. Lett. 15, 327 (1969).

18. R. Dingle, D.D. Sell, S.E. Stokowski & M. Ilegems, Phys. Rev. B 4, 1211 (1971).

19. J.I Pankove, E.A. Miller, D. Richman & J.E. Berkeyheiser, J. Lumin.4, 63, (1971); 8, 89 (1973); H.P. Maruska, D.A. Stevenson and J.I. Pankove, Appl. Phys. Lett. 22, 303 (1973).

20. M. Sano & M. Aoki, Jpn. J. Appl. Phys. 15, 1943 (1976).
21. H. G. Grimmeiss & B. Monemar, J. Appl. Phys. 41, 4054 (1970); B. Monemar, Phys. Rev. B 10, 676 (1974).

22. J.I Pankove, J. Lumin.7, 114 (1973).

23. A. Y. Cho & J. R. Arthur, Prog. Solid State Chem. 10, 157 (1975).

24. H.M. Manasevit, F.M. Erdman & W. I. Simpson, J. Electrochem. Soc. 118, 1864 (1971).

25. S. Yoshida, S. Misawa & S. Gonda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1956).

26. H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki & Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986).

27. K. Hiramatsu et al., J. Crystal Growth 115, 628 (1991).

28. S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991); S. Nakamura, M. Senoh, & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1998 (1991).

29. H. Amano, I. Akasaki, T. Kozawa, K. Hiramatsu, N. Sawaki, K. Ikeda & Y. Ishii, J. Lumin. 40 &41, 121 (1988).

30. H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu, & I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 28, L2112 (1989).

31. S. Nakamura, N. Iwasa, M. Senoh, & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992); S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh & N. Iwasa, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L139 (1992).

32. J.I. Pankove, D.E. Carlson, J.E. Berkeyheiser & R.O. Wance, Phys. Rev. Lett. 51, 2224 (1983).

33. G.F. Neumark Rothschild, US patent 5252499 (1988).

34. H. Murakami, T. Asahi, H. Amano, K. Hiramatsu, N. Sawaki & I. Akasaki, J. Crystal Growth 115, 648 (1991).

35. S. Nakamura & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L1457 (1992).

36. K. Itoh, T. Kawamoto, H. Amano, K. Hiramatsu & I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 30, 1924 (1991).

37. I. Akasaki, H. Amano, K. Itoh, N. Koide & K. Manabe, Int. Phys. Conf. Ser. 129, 851 (1992).

38. S. Nakamura, M. Senoh, & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 32, L8 (1993); S. Nakamura et al., J. Appl. Phys. 74, 3911 (1993).

39. S. Nakamura, T. Mukai & M. Senoh, Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994).

40. I. Akasaki, H. Amano, S. Sota, H. Sakai, T. Tanaka & M. Koike, Jpn. J. Appl. Phys. 34, L1517 (1995).

41. S. Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35, L74 (1996).

42. M.H. Crawford et al., “Toward Smart and Ultra-Efficient Materials, Devices, Lamps and Systems”.

Tài liệu đọc thêm về LED:

E. Fred Schubert: Light Emitting Diodes, 2nd edition, (2006).

H.G. Grimmeiss and J.W. Allen, J. Non-crystalline Solids 352, 871 (2006).

S. Nakamura and M.R. Krames, Proc. IEEE 101, 2211 (2013).

R.D. Dupuis and M.R. Krames, J. Lightwave Tech. 26, 1154 (2008).

Theo NobelPrize.org

Bài trước | Bài kế tiếp