Phần lớn đèn LED trắng quanh ta được dựng trên một tấm sapphire nhân tạo: những lớp gali nitrua (GaN) mỏng vài micromet mọc trên đế corundum đơn tinh thể, phát ánh sáng lam, rồi lớp bột huỳnh quang đổi một phần thành vàng để mắt thấy trắng. Sapphire không phát sáng, nhưng nó là "mặt bằng" bền nhiệt, trong suốt và đủ rẻ để ngành chiếu sáng dựng lên đó hàng tỷ con chip mỗi năm.
Bài toán đèn xanh lam kéo dài ba mươi năm
Đèn LED đỏ ra đời đầu thập niên 1960, LED vàng và lục theo sau. Nhưng muốn có ánh sáng trắng hay màn hình đủ màu, cần một LED lam sáng và bền, và suốt nhiều năm không ai làm được. Ánh sáng lam đòi hỏi bán dẫn có vùng cấm rộng; GaN là ứng viên đẹp trên giấy nhưng gần như không thể nuôi thành tinh thể lớn, và lớp GaN mọc trên đế khác thì đầy khuyết tật, lại không tạo được loại bán dẫn p.
Lời giải đến từng bước:
- 1986: Isamu Akasaki và Hiroshi Amano ở Đại học Nagoya phủ một lớp đệm nhôm nitrua rất mỏng lên đế sapphire ở nhiệt độ thấp, rồi mới mọc GaN ở nhiệt độ cao. Lớp đệm làm "cầu nối" giữa hai mạng tinh thể lệch nhau, cho lớp GaN chất lượng vượt bậc.
- 1989: nhóm Nagoya tạo được GaN loại p bằng cách chiếu chùm điện tử vào GaN pha magie, và làm ra LED tiếp giáp p–n phát ánh sáng lam đầu tiên.
- Đầu thập niên 1990: Shuji Nakamura, khi đó làm cho một công ty hoá chất ở Tokushima, cải tiến cách mọc lớp và tìm ra rằng chỉ cần ủ nhiệt GaN pha magie trong khí nitơ là kích hoạt được loại p, một bước dễ đưa vào sản xuất. Năm 1993, LED lam độ sáng cao dùng lớp indi gali nitrua ra đời.
- 2014: Akasaki, Amano và Nakamura nhận Nobel Vật lý cho việc phát minh LED lam hiệu suất cao, mở đường cho nguồn sáng trắng tiết kiệm điện.
Cả ba người đều mọc GaN trên sapphire. Vì sao lại là sapphire?
Vì sao chọn corundum làm đế
Sapphire ở đây là corundum, Al₂O₃ tinh khiết, không màu, cùng khoáng vật với ruby và sapphire đá quý nhưng gần như không có tạp chất tạo màu. Trên giấy, nó không phải đế lý tưởng cho GaN: khoảng cách nguyên tử trên mặt hai tinh thể lệch nhau cỡ 16%, và hai chất co giãn theo nhiệt khác nhau. Lớp GaN mọc trên sapphire chứa hàng trăm triệu đến hàng tỷ lệch mạng trên mỗi xăng-ti-mét vuông, mức mà với các bán dẫn khác sẽ làm linh kiện vô dụng.
Nhưng sapphire có những thứ quan trọng hơn:
- Chịu nhiệt và hoá chất: lớp GaN được mọc bằng phương pháp lắng đọng hơi hoá học từ hợp chất kim loại – hữu cơ, ở khoảng một nghìn độ C trong khí amoniac và hiđro. Sapphire không phân huỷ, không phản ứng trong môi trường đó.
- Cùng kiểu đối xứng sáu phương: mặt c của corundum có đối xứng phù hợp với GaN, nên GaN mọc định hướng đều trên đó dù khoảng cách nguyên tử lệch.
- Trong suốt: ánh sáng lam đi xuyên qua đế được, nên có thể lật chip lại để ánh sáng thoát qua mặt sapphire.
- Cách điện và rẻ dần theo quy mô: sản lượng sapphire tăng vọt cùng ngành LED, giá giảm, tạo vòng tuần hoàn có lợi.
Lạ là LED GaN trên sapphire vẫn phát sáng hiệu quả dù đầy lệch mạng. Một cách giải thích phổ biến là trong lớp indi gali nitrua, các vùng giàu indi giữ điện tử và lỗ trống lại tại chỗ, khiến chúng gặp nhau và phát sáng trước khi kịp trôi tới lệch mạng. Cơ chế chính xác vẫn còn được nghiên cứu và tranh luận.
Nuôi những khối sapphire nặng hàng chục kilôgam
Sapphire cho đá quý tổng hợp và chân kính đồng hồ từng được làm chủ yếu bằng ngọn lửa Verneuil, cho những khối nhỏ cỡ ngón tay. Ngành LED cần tinh thể lớn, ít ứng suất, nên dùng các phương pháp khác:
| Phương pháp | Nguyên tắc | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Kyropoulos | Mầm chạm vào khối nhôm oxit nóng chảy (khoảng 2.050 °C); tinh thể lớn dần xuống trong nồi, gần như không kéo lên, nhiệt độ hạ chậm | Cho khối rất lớn, ứng suất thấp; phổ biến cho đế LED |
| Czochralski | Kéo tinh thể lên từ khối nóng chảy, như silicon | Kiểm soát hướng tốt; dùng cho cả sapphire pha titan làm laser |
| Trao đổi nhiệt (HEM) | Làm lạnh từ đáy nồi qua mầm đặt dưới đáy | Khối lớn, đồng nhất |
| Kéo màng định hình (EFG) | Khối nóng chảy leo theo mao dẫn qua khuôn, kéo ra thành tấm, ống, thanh | Ra luôn hình dạng gần thành phẩm |
Khối sapphire lấy ra được khoan lõi thành những trụ tròn chạy dọc trục c, rồi cưa bằng dây phủ kim cương thành tấm, mài và đánh bóng. Vì sapphire cứng 9 trên thang Mohs, khâu mài cắt tốn công và tốn kim cương hơn nhiều so với silicon. Tấm đế LED phổ biến có đường kính từ 2 đến 6 inch (khoảng 5 đến 15 cm).
Tấm sapphire có hoa văn và lớp GaN được "bóc" ra
Một cải tiến quan trọng là tấm sapphire có hoa văn: bề mặt đế được ăn mòn thành hàng triệu chóp nón hoặc vòm nhỏ cỡ micromet trước khi mọc GaN. Hoa văn này làm ánh sáng bị bẻ hướng, thoát ra ngoài nhiều hơn thay vì phản xạ toàn phần quẩn bên trong, đồng thời giúp lớp GaN mọc ít lệch mạng hơn.
Ở một số dòng chip công suất cao, sau khi mọc xong, người ta chiếu tia laser tử ngoại xuyên qua sapphire. Sapphire trong suốt với tia này, còn lớp GaN sát mặt đế hấp thụ và phân huỷ, nhờ vậy lớp linh kiện được "bóc" khỏi đế và chuyển sang nền kim loại dẫn nhiệt tốt hơn. Sapphire lúc này giống giàn giáo: cần khi xây, tháo đi khi dùng.
Sapphire không độc quyền. Có những dòng LED mọc GaN trên silic cacbua, dẫn nhiệt tốt hơn nhưng đắt; trên silicon, rẻ và tận dụng được dây chuyền chip; hoặc trên chính GaN cho laser lam – tím chất lượng cao. Nhưng với đèn chiếu sáng thông dụng, sapphire vẫn là đế phổ biến nhất.
Từ ánh sáng lam đến ánh sáng trắng
Chip GaN chỉ phát ánh sáng lam. Để có ánh sáng trắng, cách phổ biến nhất là phủ lên chip một lớp bột huỳnh quang garnet nhôm ytri pha xeri (YAG:Ce). Bột hấp thụ một phần ánh sáng lam và phát lại ánh sáng vàng; lam còn lại trộn với vàng cho mắt cảm nhận màu trắng. Thêm bột phát đỏ sẽ ra ánh sáng trắng ấm hơn. Vậy là trong một bóng LED nhỏ có tới hai "đá quý nhân tạo": corundum làm đế, garnet làm bột huỳnh quang.
Vì sao phần phát sáng lại chứa indi: thêm indi vào GaN làm vùng cấm hẹp lại, đẩy màu phát từ tử ngoại sang lam rồi lục. Đây cũng là cách đèn LED lục và đèn LED màn hình lớn ra màu.
Góc nhìn hôm nay: soi một bóng LED và nhớ ba điều
Lấy một bóng LED hỏng, tháo chụp tán quang, bạn sẽ thấy những ô vàng nhỏ: đó là lớp bột huỳnh quang phủ trên chip. Dưới kính lúp 10 lần, có thể nhận ra chip vuông nhỏ nằm trong lớp keo vàng. Đừng tháo bóng còn cắm điện, và cẩn thận với tụ điện trong mạch nguồn có thể còn tích điện. Không nhìn thẳng vào LED công suất lớn đang sáng ở cự ly gần.
Ba điều đáng mang về: ánh sáng trắng của LED thường là lam cộng vàng; đế sapphire được chọn vì bền nhiệt và trong suốt hơn là vì khớp mạng hoàn hảo; và ngành chiếu sáng hiện đại phụ thuộc vào kỹ thuật nuôi corundum, khoáng vật mà con người đã quý từ khi chỉ biết đến ruby và sapphire trong lòng sông. Ai muốn đọc thêm có thể xem bài giảng Nobel 2014 của ba nhà khoa học, công bố trên trang của Quỹ Nobel.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đèn LED dùng sapphire?
Sapphire nhân tạo làm đế để mọc các lớp gali nitrua phát sáng. Nó chịu được nhiệt độ khoảng một nghìn độ C và khí amoniac khi mọc lớp, có đối xứng tinh thể phù hợp, trong suốt và giá thành giảm mạnh nhờ sản xuất quy mô lớn.
Sapphire trong LED có phải đá quý không?
Đó là corundum tổng hợp, cùng khoáng vật Al₂O₃ với ruby và sapphire đá quý, nhưng không màu và được nuôi trong lò thành khối lớn. Nó được cắt thành tấm mỏng, không dùng làm trang sức.
Ai phát minh LED xanh lam?
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura nhận Nobel Vật lý 2014 cho việc phát minh LED lam hiệu suất cao. Akasaki và Amano tạo được GaN chất lượng cao trên sapphire và GaN loại p cuối thập niên 1980; Nakamura đưa ra các cải tiến giúp sản xuất LED lam sáng từ năm 1993.
Đèn LED trắng tạo ánh sáng trắng thế nào?
Phần lớn LED trắng dùng chip phát ánh sáng lam phủ bột huỳnh quang YAG pha xeri. Bột đổi một phần ánh sáng lam thành vàng, hai màu trộn lại cho mắt thấy trắng. Thêm bột phát đỏ sẽ có ánh sáng trắng ấm.
Ngoài sapphire, LED còn mọc trên đế gì?
LED gali nitrua còn được mọc trên silic cacbua, silicon và đế GaN. Silic cacbua dẫn nhiệt tốt nhưng đắt, silicon rẻ và tận dụng dây chuyền chip, đế GaN cho chất lượng cao nhất nhưng giá thành lớn.
