دانشمندان پس از ساخت ال‌ای‌دی قرمز و سبز، ۳۰ سال با چالش‌های فیزیکی نیترید گالیم دست‌وپنجه نرم کردند تا سرانجام ال‌ای‌دی آبی و نور سفید متولد شد.
به لامپ سقف اتاقتان یا صفحه گوشی‌ای که در دست دارید نگاه کنید. نوری که می‌بینید سفید به نظر می‌رسد، اما در قلبش یک چراغ آبی کوچک می‌درخشد. می‌دانستید بشر نور قرمز و سبز را خیلی زود از نیمه‌رساناها بیرون کشید، ولی برای آبی نزدیک به سی‌سال منتظر ماند؟
راه‌حل هم نه از آزمایشگاه غول‌های الکترونیک، بلکه از شرکتی شیمیایی و کم‌نام در ژاپن بیرون آمد و مهندسی آن را یافت که روی ماده‌ای کار می‌کرد که بیشتر همکارانش بن‌بست می‌دانستند.
تابستان ۱۹۹۱، شوجی ناکامورا در آزمایشگاه شرکت نیچیا قطعه‌ای کوچک را به برق وصل کرد و نور آبی مایل به بنفشی از آن بیرون زد. نور کم‌فروغی بود، اما از سال‌ها آزمون‌وخطا به دست آمد. لایه‌های نازک درون قطعه پر از نقص‌های میکروسکوپی بودند و کسی نمی‌دانست چنین بلور معیوبی چقدر دوام می‌آورد. ناکامورا چراغ را روشن گذاشت و به خانه رفت.
صبح فردا چراغ هنوز می‌درخشید و شدت نورش تقریباً تغییری نکرده بود. آزمایش‌های بعدی نشان دادند قطعه بیش از هزار ساعت کار می‌کند. یکی از سرسخت‌ترین موانع راه کنار رفته بود. اما چرا رسیدن به همین نقطه این‌قدر طول کشید؟
چرا ساخت نور آبی سخت‌تر از قرمز بود؟
سال ۱۹۶۲، نیک هولونیاک در شرکت جنرال‌الکتریک یکی از نخستین LEDهای عملی را ساخت که نور مرئی قرمز تولید می‌کرد. او نشان داد برای تولید نور، عبور جریان برق از یک نیمه‌رسانای مناسب کفایت می‌کند و دیگر به رشته داغ لامپ یا گاز ملتهب نیازی نیست. در دهه‌های بعد، ال‌ای‌دی‌های قرمز و سبز به ماشین‌حساب‌ها و نمایشگرهای ساده راه یافتند. اما ال‌ای‌دی آبیِ پرنور و کارآمد همچنان معمای حل‌نشده صنعت الکترونیک ماند.
تولید فوتون آبی، انرژی بیشتری از فوتون قرمز می‌خواهد
ریشه‌ی ماجرا به شیوه تولید نور در LED برمی‌گردد. درون ال‌ای‌دی الکترون‌ها با «حفره‌ها» بازترکیب می‌شوند و انرژی‌شان را به‌شکل فوتون یا ذره نور آزاد می‌کنند. حفره در فیزیک نیمه‌رسانا، به‌جای خالی یک الکترون گفته می‌شود که مثل بار مثبت رفتار می‌کند.
رنگ نور ال‌ای‌دی به انرژی همین فوتون‌ها بستگی دارد و فوتون آبی از فوتون قرمز پرانرژی‌تر است. برای ساخت ال‌ای‌دی آبی باید از نیمه‌رسانایی استفاده کرد که هنگام بازترکیب الکترون‌ها و حفره‌ها، انرژی بیشتری آزاد کند. مقدار این انرژی را ویژگی‌ای در ساختار ماده تعیین می‌کند که فیزیک‌دان‌ها آن را گاف انرژی (band gap) می‌نامند.
موادی که برای ساخت ال‌ای‌دی قرمز مناسب بودند، لزوماً نمی‌توانستند نور آبی تولید کنند و پژوهشگران باید سراغ ترکیبات دیگری می‌رفتند که ساخت و کنترل آن‌ها دشوارتر بود.
البته پیش از دهه ۱۹۹۰ نیز نمونه‌های ال‌ای‌دی آبی وجود داشتند. پژوهشگران در اوایل دهه ۱۹۷۰ از نیترید گالیم نور آبی و بنفش تولید کردند و بعدها ال‌ای‌دی‌های آبی مبتنی بر کاربید سیلیسیم وارد بازار شدند. اما این نمونه‌ها بازده بسیار پایینی داشتند و بیشتر انرژی الکتریکی مصرفی آن‌ها به نور مفید تبدیل نمی‌شد.
نمونه‌های آبی پیش از دهه ۱۹۹۰ هم ساخته شده بودند. پژوهشگران در اوایل دهه ۱۹۷۰ از نیترید گالیم نور آبی و بنفش تولید کردند و بعدها ال‌ای‌دی‌های آبی مبتنی بر کاربید سیلیسیم وارد بازار شدند؛ ولی بازدهشان آن‌قدر پایین بود که بیشتر برق مصرفی هدر می‌رفت.
مسئله خود نور آبی نبود، دانشمندان نوری می‌خواستند که هم درخشان باشد، هم کم‌مصرف و هم ماندگار.
ماده‌ای که همه از آن قطع امید کرده بودند
نیترید گالیم، ترکیبی از گالیم و نیتروژن، از نظر ویژگی‌های الکترونیکی برای نور آبی ایده‌ال به‌نظر می‌رسید، ولی پژوهشگران باوجود شناختن ماده‌ی مناسب هنوز نمی‌توانستند بلورهای لازم را با کیفیت مطلوب تولید کنند.
ال‌ای‌دی از چند لایه بسیار نازک نیمه‌رسانا تشکیل می‌شود. در بسیاری از فرایندهای تولید این لایه‌ها روی صفحه‌ای به نام زیرلایه رشد می‌کنند و اتم‌هایشان باید با نظم مشخصی کنار هم قرار بگیرند. رایج‌ترین زیرلایه برای نیترید گالیم، یاقوت کبود مصنوعی بود؛ اما فاصله اتم‌ها در این دو ماده حدود ۱۶ درصد با هم فرق داشت.
نیترید گالیم ظرفیت تولید نور آبی را داشت، اما رشد بلورهای باکیفیتش دشوار بود
تصور کنید بخواهید کاشی‌هایی را روی کف‌پوشی بچینید که ردیف‌هایش اندازه دیگری دارد؛ دیر یا زود ردیف‌ها کج می‌شوند و درز باز می‌کنند. در بلور به این درزها «نابجایی» می‌گویند و هر کدام مسیری برای هدررفتن انرژی می‌سازد.
در دهه ۱۹۸۰، بیشتر پژوهشگران سراغ ماده‌ی رقیبی به نام سلنید روی رفتند. سلنید روی را می‌شد روی زیرلایه‌ای با ساختار سازگارتر رشد داد و بلورهایی با نقص‌های بسیار کمتر تولید کرد. نیترید گالیم عملاً به حاشیه رفت و فقط گروه کوچکی در ژاپن حاضر نشدند از آن دست بکشند.
دو پژوهشگر سمج در ناگویا
در دانشگاه ناگویا، ایسامو آکاساکی و شاگردش هیروشی آمانو سال‌ها با نیترید گالیم کلنجار می‌رفتند. سال ۱۹۸۵ گروه او به پیشرفت مهمی رسید که نتیجه‌اش یک سال بعد منتشر شد. آن‌ها پیش از رشد نیترید گالیم، لایه‌ای بسیار نازک از نیترید آلومینیوم را در دمای پایین روی یاقوت کبود نشاندند. همین لایه واسط یا بافر مثل پلی میان دو شبکه ناسازگار عمل کرد و بلورهایی صاف‌تر و باکیفیت‌تر به دست آمد.
بهبود کیفیت بلور اهمیت زیادی داشت؛ ولی پژوهشگران باید مشکل دیگری را هم حل می‌کردند که به رفتار الکتریکی نیمه‌رسانا مربوط می‌شد.
برای ساخت ال‌ای‌دی، معمولاً دو ناحیه نیمه‌رسانا را کنار یکدیگر قرار می‌دهند. در ناحیه‌ی اول یا نوع n، الکترون‌ها حامل بار اصلی‌اند و در ناحیه‌ی دوم یا نوع p، حفره‌ها نقش حامل بار را بر عهده دارند. وقتی جریان برق برقرار شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به ناحیه اتصال می‌رسند و امکان بازترکیب آن‌ها و تولید نور فراهم می‌شود.
لایه‌ای بسیار نازک از نیترید آلومینیوم، کیفیت رشد بلور را بهبود داد
نیترید گالیم نوع n به‌راحتی ساخته می‌شد، اما ساخت نوع p سال‌ها با مشکل مواجه می‌شد. پژوهشگران مقدار کنترل‌شده‌ای منیزیم به بلور اضافه می‌کردند، فرایندی که آلایش نام دارد. منیزیم باید شرایط لازم برای ایجاد حفره‌های متحرک را فراهم می‌کرد، اما نتایج آزمایش‌ها با انتظارشان مطابقت نداشت.
در سال ۱۹۸۹، آکاساکی و آمانو نشان دادند که تاباندن پرتو الکترونی به نیترید گالیم آلاییده به منیزیم می‌تواند نیمه‌رسانای نوع p تولید کند. این کشف امکان ساخت نوع p را اثبات کرد، اما استفاده از پرتودهی الکترونی برای تولید صنعتی قطعات، راه‌حل چندان ساده و سریعی نبود.
دانشمندان به روشی نیاز داشتند که علاوه‌بر حل مشکل الکتریکی، امکان تولید تعداد انبوه ال‌ای‌دی آبی را نیز فراهم کند. در همان سال‌ها، مهندسی در شرکتی کوچک، آزمایش‌های خود را برای رسیدن به همین هدف آغاز کرده بود.
مهندسی که دستگاهش را از نو ساخت
شوجی ناکامورا در شرکت نیچیا در شهر آنان، در استان توکوشیمای ژاپن کار می‌کرد؛ شرکتی شیمیایی که در مقایسه با غول‌های صنعت الکترونیک، امکانات محدودی داشت. او از سال ۱۹۷۹ در نیچیا مشغول کار شده بود و بخش مهمی از تجربه‌اش را از ساخت و اصلاح تجهیزات آزمایشگاهی به دست آورد.
ناکامورا در سال ۱۹۸۹ پژوهش روی نیترید گالیم را آغاز کرد؛ عمدتاً با دستگاهی که با نام رسوب‌دهی شیمیایی بخار مواد آلی‌فلزی یا MOCVD شناخته می‌شود. دستگاه مواد اولیه را به‌شکل گاز وارد محفظه می‌کند تا لایه‌های نیمه‌رسانا روی زیرلایه رشد کنند.
ناکامورا با تغییر مسیر جریان گازها، رشد بلور را یکنواخت‌تر کرد
اما بلورهایی که دستگاه تحویل می‌داد کیفیت لازم را نداشتند. ناکامورا به‌جای تنظیم و تغییر مکرر دما و مواد اولیه، سراغ خود دستگاه رفت. ماه‌ها با روالی ثابت، هر روز بخشی از تجهیزات را اصلاح می‌کرد. صبح‌ها لوله‌ها و قطعات را تغییر می‌داد، بعدازظهرها بلور تازه‌ای رشد می‌داد و نتیجه را می‌سنجید.
مشکل اصلی گازهایی بودند که پیش از رسیدن به زیرلایه با هم واکنش می‌دادند و پودری سفید و مزاحم می‌ساختند که کیفیت بلور را پایین می‌آورد. ناکامورا برای حل این مشکل، سیستمی با دو جریان گاز طراحی کرد. جریان دوم، گازهای واکنش‌دهنده را به سطح زیرلایه می‌فشرد و رشد نیترید گالیم را یکنواخت و کنترل‌پذیر می‌کرد.
او همچنین با استفاده از لایه نازکی از خود نیترید گالیم به‌عنوان لایه واسط، توانست کیفیت بلورها را افزایش دهد. نتیجه آزمایش‌ها نشان می‌داد که دستگاه اصلاح‌شده، بلورهایی با ویژگی‌های الکتریکی بسیار بهتر تولید می‌کند.
ژوئیه ۱۹۹۱، ناکامورا همان LED آبی مایل به بنفشی را ساخت که شب روشن گذاشت و صبح روز بعد همچنان روشن بود. دوام قطعه نشان می‌داد نیترید گالیم حتی باوجود نقص‌های بلوری فراوان نیز می‌تواند عملکرد مناسبی داشته باشد.
عملیات حرارتی، منیزیم را از بند هیدروژن آزاد و ساخت لایه نوع p را آسان‌تر کرد
ناکامورا پس از این موفقیت، تلاش‌هایش را بر بهبود لایه نوع p متمرکز کرد. در دسامبر ۱۹۹۱ نیترید گالیم آلاییده به منیزیم را گرم کرد و دید حرارت مناسب بلور، همان کاری را انجام می‌دهد که پرتو الکترونی می‌کرد.
بررسی‌های بعدی نشان دادند که هنگام رشد بلور، اتم‌های هیدروژن با منیزیم پیوند برقرار می‌کنند و مانع فعالیت آن می‌شوند. در واقع، منیزیم درون بلور وجود داشت، اما به‌خاطر حضور هیدروژن نمی‌توانست نقش الکتریکی موردانتظار را انجام دهد. گرما هیدروژن را بیرون می‌راند و منیزیم را آزاد می‌کرد.
روش جدید ناکامورا از پرتودهی سریع‌تر بود، امکان فعال‌سازی بخش بیشتری از لایه نیمه‌رسانا را فراهم می‌کرد و برای تولید صنعتی مناسب‌تر به نظر می‌رسید.
آخرین قدم؛ نوری که در روز دیده شود
سال ۱۹۹۲، ناکامورا LED آبی‌اش را در کنفرانسی علمی معرفی کرد و از دوام بیش از هزار ساعتی آن گفت. حاضران به احترامش ایستادند و دست زدند، چون ماده‌ای که بیشتر آزمایشگاه‌ها کنار گذاشته بودند، حالا می‌توانست در ساخت ال‌ای‌دی کاربردی باشد.
متمرکزکردن الکترون‌ها و حفره‌ها در لایه فعال، احتمال تولید نور را افزایش داد
اما ناکامورا می‌دانست که برای رسیدن به محصولی تجاری، دوام کافی نیست. نور ال‌ای‌دی او هنوز به بنفش می‌زد و روشنایی‌اش با نیازهای صنعت فاصله داشت. برای حل مشکل روشنایی، باید ساختار داخلی ال‌ای‌دی تغییر می‌کرد.
الکترون‌ها و حفره‌ها باید در فضایی کوچک‌تر متمرکز می‌شدند تا به‌جای هدردادن انرژی، نور بسازند، کاری که در هتروساختار دوگانه ممکن می‌شود. این ساختار ناحیه تولید نور را میان لایه‌هایی با ویژگی‌های الکترونیکی متفاوت می‌نشاند و حامل‌های بار را درونش نگه می‌دارد.
حالا رنگ نور ال‌ای‌دی باید از بنفش به آبی می‌رسید. ناکامورا سراغ آلیاژ نیترید ایندیم گالیم یا InGaN رفت. در این آلیاژ، انرژی گاف با تغییر نسبت ایندیم و گالیم تنظیم می‌شود؛ ایندیم بیشتر یعنی طول‌موج بلندتر و نوری آبی‌تر.
استفاده از ایندیم مشکل تازه‌ای به وجود آورد، چون پیوندش با نیتروژن در دمای بالا سست می‌شود. ناکامورا برای ساخت ال‌ای‌دی ناچار بود ابتدا لایه نازک نیترید ایندیم گالیم را رشد دهد و سپس لایه‌های دیگری را روی آن بنشاند، اما افزایش دما در مرحله بعد می‌توانست باعث ازدست‌رفتن ایندیم و آسیب‌دیدن لایه‌ی نورزا شود.
ناکامورا با دو راهکار از این مشکل عبور کرد. اول، مقدار ایندیم ورودی به دستگاه را به‌شدت بالا برد تا حتی اگر بخشی از آن هدر برود، سهم کافی در بلور بماند. دوم، لایه‌ای محافظ روی InGaN کشید تا ترکیبش هنگام گرم‌شدن دست‌نخورده بماند.
افزودن ایندیم، امکان تنظیم رنگ نور از بنفش به آبی را فراهم کرد
سال ۱۹۹۲، او و همکارش تاکاشی موکای لایه‌های نیترید ایندیم گالیم باکیفیتی ساختند که در دمای اتاق نور آبی و بنفشِ خوبی می‌دادند. این دستاورد اهمیت زیادی داشت، چون بسیاری از نیمه‌رساناها فقط در سرما خوب کار می‌کنند.
ناکامورا پس از رشد موفق آلیاژ، تلاش کرد آن را درون ساختار چندلایه ال‌ای‌دی قرار دهد. سپتامبر ۱۹۹۲، نخستین نمونه ال‌ای‌دی هتروساختار دوگانه را ساخت، اما طول موج نور خروجی هنوز کوتاه‌تر از محدوده مطلوب بود و رنگش بیشتر به بنفش می‌زد.
ناکامورا ماه‌ها ایندیم را بیشتر و ناحیه فعال را نازک‌تر کرد. تا اواخر همان سال به نوری رسید که حتی در روشنایی روز به‌خوبی دیده می‌شد. شدت نور ال‌ای‌دی‌های آبی قدیمی را با میلی‌کاندلا، یعنی یک‌هزارم کاندلا، می‌سنجیدند. نمونه تازه به حدود یک کاندلا رسیده بود و نزدیک به صد برابر روشن‌تر از ال‌ای‌دی‌های کاربید سیلیسیمی می‌درخشید.
۲۹ نوامبر ۱۹۹۳، نیچیا در کنفرانسی خبری در توکیو از ال‌ای‌دی آبی پرنورش رونمایی کرد و حاضران به‌سختی باورشان شد. معمایی که دهه‌ها پژوهشگران را سرگردان کرده بود، در شرکتی کوچک حل شده بود. سال بعد، ناکامورا و همکارانش ساختاری بهبودیافته معرفی کردند که شدت نورش از یک کاندلا فراتر می‌رفت و به‌ازای هر صد الکترون، حدود ۲٫۷ فوتون به بیرون می‌فرستاد.
نکته‌ی جالب اینکه بلورهای نیترید گالیم هنوز پر از نقص بودند. ناکامورا نشان داد برای رسیدن به نور کارآمد، همیشه به بلوری بی‌نقص نیاز نداریم؛ طراحی هوشمندانه ساختار می‌تواند بخش بزرگی از عیب‌ها را جبران کند.
از نور آبی تا نور سفید
با تولید ال‌ای‌دی آبی در کنار قرمز و سبز، امکان ترکیب سه رنگ اصلی نور و ساخت طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها فراهم شد؛ قابلیتی که نقش مهمی در توسعه نمایشگرهای تمام‌رنگ ایفا کرد. اما مهم‌ترین پیامد این اختراع در صنعت روشنایی شکل گرفت، جایی که استفاده از نور آبی راه تازه‌ای برای تولید نور سفید فراهم کرد.
برای ساختن نور سفید، لزوماً مجبور نیستیم سه ال‌ای‌دی مجزای قرمز، سبز و آبی را کنار هم قرار دهیم. بیشتر لامپ‌های ال‌ای‌دی رایج به ترکیب نور آبی و ماده‌ای نورگسیل موسوم به phosphor تکیه دارند. بخشی از نور آبی از پوشش نورگسیل عبور می‌کند و بخش دیگری به نوری با طول‌موج بلندتر، معمولاً در محدوده زرد، تبدیل می‌شود. چشم ما ترکیب این نورها را سفید می‌بیند.
پوشش نورگسیل، بخشی از نور آبی را به نور با طول موج بلندتر تبدیل می‌کند و چشم ترکیب نورها را سفید می‌بیند
سال ۱۹۹۶، شرکت نیچیا نخستین ال‌ای‌دی‌های سفید ساخته‌شده با همین روش را به بازار آورد و این فناوری به یکی از روش‌های اصلی تولید نور سفید با قطعات نیمه‌رسانا تبدیل شد.
مزیت مهم ال‌ای‌دی‌ها، بازدهی انرژی‌شان در مقایسه با لامپ‌های رشته‌ای بود. لامپ رشته‌ای با داغ‌کردن رشته‌ای فلزی نور می‌دهد و بیشتر برق را به گرما تبدیل می‌کند. ال‌ای‌دی همان روشنایی را با برق کمتر می‌سازد و عمر بسیار طولانی‌تری دارد. طی سال‌های بعد، خانه‌ها و خیابان‌ها، چراغ خودروها و نور پس‌زمینه نمایشگرها به‌تدریج از پیشرفت این فناوری بهره بردند.
اختراعی که سه دانشمند را به نوبل رساند
هفتم اکتبر ۲۰۱۴، آکادمی سلطنتی علوم سوئد اعلام کرد که جایزه نوبل فیزیک آن سال به ایسامو آکاساکی، هیروشی آمانو و شوجی ناکامورا تعلق می‌گیرد؛ به‌خاطر اختراع ال‌ای‌دی‌های آبی کارآمدی که ساخت منابع نور سفید درخشان و کم‌مصرف را ممکن کردند.
آکاساکی و آمانو راه رشد بلور باکیفیت و ساخت نیترید گالیم نوع p را باز کردند و ناکامورا با دستگاه دوجریانه، فعال‌سازی حرارتی منیزیم و ساختارهای مبتنی بر نیترید ایندیم گالیم، این دستاوردها را به محصولی تجاری و پرنور رساند.
حدود ۲۳ سال پیش از مراسم نوبل، ناکامورا چراغی کم‌سو را در آزمایشگاه روشن گذاشته بود، بی‌آنکه بداند نوادگان همان چراغ روزی شب‌های شهرهای سراسر جهان را روشن خواهند کرد.
ساخت LED آبی سی‌سال بیشتر از قرمز طول کشید، چون دانشمندان به چیزی بیشتر از ماده‌ای مناسب نیاز داشتند. آن‌ها باید روش رشد بلور، کنترل خواص الکتریکی و ساختار چندلایه تولید نور را هم توسعه می‌دادند و امروز بسیاری از چراغ‌های سفید اطراف ما همچنان برای تولید نورشان به همان فناوری آبی وابسته‌اند.
