Đèn led màu xanh đầu tiên trên thế giới

Mất hàng thập kĩ để chế tạo chiếc đèn led nhỏ bé, vì sao. Hãy cùng khám phá những lý đo tưởng chừng như đơn giản.

Đèn led màu xanh dương được chế tạo như thế nào?
Đèn LED màu xanh là một minh chứng cho tầm quan trọng của sự kiên trì và sáng tạo trong nghiên cứu khoa học. Dù chỉ là một thiết bị nhỏ bé, LED xanh đã cách mạng hóa ngành chiếu sáng và mang đến những ứng dụng thiết yếu trong đời sống hàng ngày.

(nguồn:Galaxy lighting solutions)

Nguồn chế tạo đèn LED màu xanh xuất phát từ các nghiên cứu về vật liệu bán dẫn, đặc biệt là vật liệu gallium nitride (GaN). Đèn LED màu xanh đã được phát triển dựa trên các bước tiến vượt bậc trong công nghệ bán dẫn và là kết quả của nhiều năm nghiên cứu khoa học, mà đặc biệt là công lao của các nhà khoa học người Nhật Bản, bao gồm Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, và Shuji Nakamura. Năm 2014, họ đã được trao giải Nobel Vật lý vì phát minh ra đèn LED màu xanh, một bước đột phá quan trọng trong ngành công nghệ chiếu sáng.

Việc chế tạo đèn LED, đặc biệt là đèn LED màu xanh, là một hành trình kéo dài hàng thập kỷ đầy thách thức và kiên trì. Đèn LED dường như nhỏ bé, nhưng sự ra đời của nó đòi hỏi rất nhiều nghiên cứu và phát triển công nghệ bán dẫn tiên tiến.
Tìm vật liệu bán dẫn thích hợp – Gallium Nitride (GaN)

Trước LED xanh, các loại LED đỏ và xanh lá được làm từ các hợp chất như gallium arsenide (GaAs) hoặc gallium phosphide (GaP), nhưng chúng không phù hợp để tạo ra ánh sáng xanh. Để tạo ra ánh sáng trong phổ xanh, các nhà khoa học cần một vật liệu bán dẫn có “độ rộng vùng cấm” lớn hơn.Gallium Nitride (GaN) là vật liệu có độ rộng vùng cấm đủ lớn để phát ra ánh sáng xanh, nhưng nó cực kỳ khó tổng hợp và xử lý. GaN là một vật liệu cứng, khó phát triển thành các lớp tinh thể mỏng trên chất nền khác, đặc biệt là sapphire, do sự không tương thích về cấu trúc tinh thể.

Sử dụng công nghệ MOCVD để phát triển lớp GaN
Isamu Akasaki và Hiroshi Amano tại Đại học Nagoya đã phát triển lớp GaN trên chất nền sapphire bằng cách sử dụng công nghệ MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). Đây là một công nghệ tiên tiến giúp phủ lớp GaN trên chất nền bằng cách phân tán các hợp chất khí (chứa gallium và nitrogen) lên bề mặt chất nền ở nhiệt độ cao.Nhờ MOCVD, họ đã tạo thành công lớp GaN ổn định trên sapphire, mở ra bước tiến quan trọng trong việc sản xuất đèn LED xanh.
Thêm lớp pha tạp magnesium để tạo ra cấu trúc p-n

Để tạo ra đèn LED, cần có cấu trúc bán dẫn p-n để điện tử và lỗ trống kết hợp với nhau, phát ra ánh sáng. Việc tạo lớp bán dẫn loại p với GaN là một thử thách lớn, do khó khăn trong việc pha tạp (doping) vật liệu này.Các nhà khoa học đã pha tạp lớp GaN với magnesium (Mg) để tạo ra lớp bán dẫn loại p. Khi có dòng điện, điện tử và lỗ trống từ các lớp bán dẫn này sẽ kết hợp và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng màu xanh.

Phát triển hợp chất InGaN để tăng cường cường độ sáng
Shuji Nakamura, làm việc tại công ty Nichia Corporation, đã hoàn thiện quá trình sản xuất LED xanh với việc sử dụng hợp chất InGaN (Indium Gallium Nitride). Bằng cách kết hợp indium vào gallium nitride, Nakamura đã tăng đáng kể cường độ sáng và hiệu quả phát sáng của LED xanh.InGaN cho phép điều chỉnh bước sóng và tăng cường độ sáng, nhờ đó đèn LED xanh trở nên khả thi và phù hợp với ứng dụng thực tế.

Phát triển và kiểm tra sản phẩm LED xanh đầu tiên
LED xanh đầu tiên được sản xuất dựa trên lớp GaN và InGaN đã đạt cường độ sáng đủ để sử dụng trong các ứng dụng thương mại. Sản phẩm đầu tiên của đèn LED xanh đã đạt hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với các thí nghiệm trước đó.LED xanh của Nakamura và đội ngũ tại Nichia đã được đưa vào ứng dụng thương mại, mở ra kỷ nguyên mới trong công nghệ LED và cho phép tạo ra ánh sáng trắng bằng cách kết hợp với LED đỏ và xanh lá.

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, và Shuji Nakamura được trao giải Nobel Vật lý năm 2014 vì đột phá trong phát minh đèn LED xanh. Công trình của họ không chỉ tạo ra ánh sáng màu xanh mà còn mở ra cơ hội tạo ra ánh sáng trắng, giúp tiết kiệm năng lượng và thay thế các loại đèn truyền thống.