ال ای دی آبی

پازل LEDهای رنگی؛ چگونه کشف نور آبی دنیا را تکان داد

سه‌شنبه ۸ خرداد ۱۴۰۳ - ۲۱:۳۰
مطالعه 15 دقیقه
ساخت LED آبی و به‌دنبال آن نور سفید، رؤیایی غیرممکن به‌نظر می‌رسید؛ اما مهندسی ژاپنی با انگیزه‌ی تمام‌نشدنی، این رؤیا را به حقیقت تبدیل کرد.
تبلیغات

دیودهای نوری معروف‌ به LED (مخفف Light Emitting Diodes) رنگ‌های متفاوتی دارند.‌ تابه‌حال از خود پرسیده‌اید که این رنگ‌های سبز و قرمز و آبی LED‌ها چگونه ایجاد می‌شوند؟ و آیا می‌دانستید ساخت LED آبی تا مدت‌ها غیرممکن تصور می‌شد؟

در سال ۱۹۶۲ میلادی، مهندس برق آمریکایی به نام نیک هولونیاک (Nick Holonyak)‌ نخستین دیود نوری مرئی را ساخت. این LED با رنگ قرمز کم‌رنگ می‌تابید. سال‌ها پس از اختراع LED قرمز‌، مهندسان LED سبزرنگ را ساختند. تا سال‌ها، تنها دیودهای نوری به رنگ قرمز و سبز بود. اگر LED آبی ساخته می‌شد، با ترکیب سه رنگِ آبی، قرمز و سبز، ساخت LED‌هایی به رنگ سفید و رنگ‌های دیگر دور از انتظار نبود؛ بااین‌حال، ساخت LED آبی تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید.

ساخت LED آبی‌رنگ به رؤیایی دست‌نیافتنی تبدیل شده بود

در دهه‌ی ۶۰ میلادی، بسیاری از شرکت‌های مهندسی الکترونیک در سراسر دنیا، مانند IBM، به دنبال ساخت دیود نوری آبی‌رنگ بودند. ساخت این LED، میلیاردها دلار سود برای شرکت سازنده به ارمغان می‌آورد. هزاران پژوهشگر در سراسر دنیا روی این پروژه کار کردند، اما تلاش‌های آن‌ها بی‌فرجام ماند. ۳۰ سال پس از ساخت LED قرمز، تمام امیدها برای جایگزین کردن لامپ‌های معمولی با LED از بین رفت.

ماجرای ساخت LED آبی فرازونشیب‌های هیجان‌انگیزی دارد؛ اما پیش از پرداختن به این داستان اجازه بدهید اساس کار دیودهای نوری را بررسی کنیم.

LED یا دیود نوری چگونه کار می‌کند؟

دیود نوری از قطعه‌ای نیمه‌رسانا تشکیل شده است که با عبور جریان الکتریکی از آن، نور تابش می‌کند. LED کوچکی را مانند شکل زیر در نظر بگیرید که دو سر آن را به منبعی با ولتاژ معین مثلاً باتری متصل شده است. با روشن شدن منبع، LED روشن می‌شود و نوری با رنگ مشخص از خود ساطع می‌کند. پس از عبور جریان الکتریکی از ماده‌ی نیمه‌رسانا در LED، تعداد زیادی فوتون که همان ذرات نور و حامل انرژی الکترومغناطیسی هستند، از آن خارج می‌شوند. حال اگر به LED نور بتابانیم، تعداد زیادی فوتون‌ را به داخل آن می‌فرستیم. با انجام این کار LED ولتاژ بسیار کوچکی تولید می‌کند.

دیود نوری متصل به باتری

امروزه، LEDها رنگ‌ها، شکل‌ها و کاربردهای متفاوتی دارند. نماد استفاده‌شده برای LED مشابه نماد دیود است، با این تفاوت که در نماد دیود نوری از دو پیکان برای نمایش تابش نور استفاده می‌شود.

عملکرد دیود و دیود نوری مشابه یکدیگر است و در هر دو، از ماده‌ای نیمه‌رسانا استفاده می‌شود. دیود و دیود نوری پس از عبور جریان الکتریکی، فوتون تابش می‌کنند، اما تنها نور تابیده‌شده از LED در محدوده‌ی نور مرئی قرار می‌گیرد. بنابراین، چشم انسان می‌تواند آن را مشاهده کند.

نماد دیود نوری

نور مرئی، طول موجی در محدوده‌ی ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر و هر رنگ، طول موج مشخصی دارد. به عنوان مثال، طول موج نور قرمز برابر با ۷۰۰ نانومتر و طول موج نور آبی برابر با ۴۰۰ نانومتر است. همچنین، موج رادیویی را می‌توانیم به‌عنوان موج فوتونی با طول موجی در حدود سه متر در نظر بگیریم. سیگنال وای‌فای یا پرتوی ایکس نیز موج‌های فوتونی با طول موج‌هایی در حدود ۶ سانتی‌متر و ۰٫۰۱ نانومتر هستند. بااین‌حال، چشم انسان تنها می‌تواند طول موج‌های محدوده‌ی مرئی را ببیند.

طیف امواج الکترومعناطیسی - بخش نور مرئی
طیف امواج الکترومعناطیسی؛ بخش نور مرئی

نیمه‌رساناهای به‌کاررفته در دیودهای معمولی مانند LED ریموت کنترل تلویزیون پس از عبور جریان الکتریکی، فوتون‌هایی با طول موجی در محدوده‌ی فروسرخ (حدود ۹۴۰ نانومتر) تابش می‌کنند. دیود پس از تابش فوتون‌ها، گرم می‌شود، اما مقدار گرمای تولیدشده در مقایسه با لامپ‌های معمولی، بسیار کمتر است. بنابراین، دیودهای نوری می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای لامپ‌های معمولی باشند، زیرا این لامپ‌ها پس از روشن شدن، گرمای بسیار زیادی تولید می‌کنند.

الکترون‌ها در لامپ معمولی به هنگام حرکت در سیم به اتم‌ها برخورد می‌کنند. از گرمای بسیار زیاد تولیدشده در اثر این برخورد، نور مرئی ایجاد می‌شود. به‌عبارت دیگر، در لامپ‌های معمولی برای تولید نور، ابتدا باید گرما ایجاد شود، اما LED برای تولید نور، نیازی به تولید گرما ندارد.

LED از دو پایه تشکیل شده است:

  • آند: پایه بلند‌تر که به قطب مثبت باتری وصل می‌شود.
  • کاتد: پایه کوتاه‌تر که به قطب منفی باتری وصل می‌شود.
LED قرمزرنگ
پایه‌های آند و کاتد LED

البته پایه‌های LED همیشه شبیه تصویر بالا نیستند و گاهی طول یکسانی دارند. اگر به LED از کنار نگاه کنید، بخشی از آن به شکل مسطح ساخته شده است که قسمت کاتد را نشان می‌دهد.

به ساختار LED از نزدیک توجه کنید. آند و کاتد به بدنه‌ی اصلی LED متصل شده‌اند که از پوششی به رنگ‌های مختلف ساخته شده است. از رنگ این پوشش‌ها برای تشخیص نور تابشی LED استفاده می‌کنیم. انتهای پایه‌های LED داخل پوششِ رنگی در فاصله بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار گرفته‌اند.

تصویری نزدیک از داخل LED

صفحه‌ی بزرگ‌تر در تصویر بالا، کاتد را نشان می‌دهد. داخل صفحه‌ی کاتد،‌ قسمتی به شکل مخروط وجود دارد که داخل آن، قطعه‌ی نیمه‌رسانا قرار گرفته و از دو لایه‌ی N (منفی) و P (مثبت) تشکیل شده است. همچنین، آند با استفاده از سیمی نازک به لایه‌ی P وصل می‌شود.

با عبور جریان از دیود نوری، فوتون‌ها از محل اتصال دو لایه‌ی N و P ‌خارج می‌شوند. با توجه به طول موج فوتون‌های خروجی، LED به رنگ‌های مختلفی مشاهده می‌شود. همچنین، طول موج فوتون‌های تابیده‌شده از نیمه‌رسانا به جنس ماده‌ای که برای ساخت آن استفاده شده است، بستگی دارد.

قطعه نیمه رسانا داخل LED

همان‌طور که می‌دانید، الکترون‌ها به‌راحتی در مواد رسانا، مانند مس، حرکت می‌کنند؛ اما حرکت آن‌ها در مواد عایق، مانند چوب به‌راحتی انجام نمی‌شود. لایه‌ی N در نیمه‌رسانای داخل LED، تعداد زیادی الکترون دارد. در مقابل، لایه‌ی P بسیاری از الکترون‌های خود را از دست داده است. بنابراین، لایه‌ی P تعداد زیادی حفره دارد که الکترون‌ها نمی‌توانند داخل آن‌ها قرار بگیرند. کمبود الکترون به معنای بار مثبت است.

طول موج فوتون تابیده‌شده از LED به نیمه‌رسانای به‌کاررفته در آن وابسته است

در دیودهای معمولی، از سیلیکون به‌عنوان نیمه‌رسانا استفاده می‌شود. سیلیکون، چهار الکترون در لایه‌ی ظرفیت یا آخرین لایه‌ی الکترونی خود دارد. با افزودن عناصری مانند فسفر یا بور به ساختار سیلیکون، آن را به سیلیکون نوع N یا P تبدیل می‌کنیم. به بیان ساده، افزودن فسفر به سیلیکون، تعداد زیادی الکترون و افزودن بور به سیلیکون، تعداد زیادی حفره به ساختار آن اضافه می‌کند. با اتصال سیلیکون نوع N و نوع P به یکدیگر، اتصال PN تشکیل می‌شود.

چرا در ساخت تراشه‌ از سیلیکون استفاده می‌شود؟
چرا در ساخت تراشه‌ از سیلیکون استفاده می‌شود؟
مطالعه '12

در محل اتصال نیمه‌رساناهای نوع N و P به یکدیگر، ناحیه‌ای به نام ناحیه‌ی تخلیه تشکیل می‌شود. در این ناحیه، برخی الکترون‌ها از نیمه‌رسانای N به P می‌روند و حفره‌ها را پر می‌کنند. همچنین، برخی حفره‌ها نیز از نیمه‌رسانای P به N می‌روند. در این حالت، لایه‌ای در محل اتصال تشکیل می‌شود که قسمتی از آن که داخل نیمه‌رسانای نوع P قرار گرفته، اندکی بار منفی و قسمتی از آن که داخل نیمه‌رسانای N قرار گرفته است، اندکی بار مثبت دارد. به‌دلیل وجود بارهای مثبت و منفی در دو سمت ناحیه‌ی تهی، میدان الکتریکی داخل آن تشکیل می‌شود. میدان الکتریکی تشکیل‌شده از عبور الکترون‌ها جلوگیری می‌کند.

محل اتصال نیمه رساناهای نوع N و P به یکدیگر

با اتصال دیود به باتری، الکترون‌ها شروع به حرکت در مدار می‌کنند. به این حالت بایاس مستقیم گفته می‌شود. برای آنکه الکترون بتواند به‌راحتی از ناحیه‌ی تخلیه عبور کند، ولتاژ اعمال‌شده به دیود باید از مقدار مشخصی بیشتر باشد. مقدار این ولتاژ برای دیودهای سیلیکونی در حدود ۰٫۵۶۵ ولت است. اما دیودهای نوری قرمزرنگ، برای عبور جریان الکتریکی از خود و روشن شدن به ولتاژ بزرگ‌تری در حدود ۱٫۷۵۱ ولت، نیاز دارند.

اجازه دهید کمی ریزتر شویم و ساختار دیودها را در مقیاس اتمی بررسی کنیم. بر طبق مدل اتمی بور، هسته‌ی اتم در مرکز قرار گرفته است و الکترون‌ها در لایه‌هایی به نام اوربیتال، به دور هسته می‌چرخند. هر لایه‌ی اوربیتال تعداد مشخصی الکترون دارد. هر الکترون برای آنکه بتواند در لایه‌ای مشخص قرار بگیرد، باید انرژی مشخصی داشته باشد. به بیان دیگر، الکترون‌های هر لایه‌، انرژی مشخصی دارند. انرژی الکترون‌ها در لایه‌های دورتر نسبت به هسته، بزرگ‌تر است.

مدل اتمی بور

خارجی‌ترین لایه، لایه‌ی ظرفیت نام دارد و لایه‌ی رسانا بعد از آن قرار گرفته است. الکترون‌ها با رسیدن به لایه‌ی رسانا، از قید اتم آزاد شده‌اند و به‌راحتی می‌توانند به اطراف حرکت کنند. در ماده‌ی رسانایی مانند مس، لایه‌ی رسانا به لایه‌ی ظرفیت بسیار نزدیک است. بنابراین، الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند حرکت کنند. اما در ماده‌ی عایقی مانند پلاستیک، لایه‌ی رسانا در فاصله‌ی زیادی از لایه‌ی ظرفیت قرار گرفته است. از این‌ رو، الکترون‌ها به‌راحتی نمی‌توانند از لایه‌ی ظرفیت به لایه‌ی رسانا بروند. در نیمه‌رساناها، مانند سیلیکون، لایه‌ی رسانش در فاصله کمی از لایه‌ی ظرفیت قرار دارد. سیلیکون در حالت عادی مانند ماده‌ی عایق رفتار می‌کند، اما پس از اعمال ولتاژ، الکترون‌ها می‌توانند از لایه‌ی ظرفیت به لایه‌ی رسانش بروند و آزادانه در ساختار سیلیکون حرکت کنند.

در دیودهای سیلیکونی معمولی، الکترون از لایه‌ی رسانش نیمه‌رسانای نوع N (سیلیکون نوع N)‌ به لایه‌ی ظرفیت نیمه‌رسانای نوع P (سیلیکون نوع P) جهش می‌کند. لایه‌ی ظرفیت، انرژی کمتری نسبت به لایه‌ی رسانش دارد، بنابراین الکترون برای قرار گرفتن در لایه‌ی پایین‌تر باید مقداری انرژی از دست بدهد. از دست دادن انرژی توسط الکترون با آزاد شدن فوتون همراه است. در سیلیکون، الکترون باید انرژی برابر ۱٫۱ الکترون‌ولت از دست بدهد. طول موج فوتونی با این انرژی در حدود ۱۱۲۷ نانومتر است. این یعنی دیود سیلیکونی، نورِ فروسرخ تابش می‌کند که چشم انسان نمی‌تواند آن را مشاهده کند.

به‌جای سیلیکون، می‌توانیم از ترکیب دو عنصر گالیوم و آرسنیک، نیمه‌رسانا بسازیم و با افزودن ناخالصی به این ترکیب،‌ لایه‌های نوع N و P را تشکیل دهیم. فاصله‌ی بین تراز ظرفیت و رسانش در این نیمه‌رسانا برابر ۱٫۴۲۴ الکترون‌ولت و طول موج این انرژی در حدود ۸۷۰ نانومتر است. این طول موج از طول موج ناحیه‌ی فروسرخ بسیار کمتر است، اما هنوز تا رسیدن به طول موج نور مرئی فاصله دارد.

طول موج فوتون در دیودهای معمولی توسط چشم انسان دیده نمی‌شود

در ادامه، پژوهشگران از ترکیب گالیوم و فسفر برای ساخت دیود استفاده کردند. فاصله‌ی بین تراز ظرفیت و رسانش در این نیمه‌رسانا برابر ۲٫۲۶ الکترون‌ولت و طول موج این انرژی در حدود ۵۴۸ نانومتر است. این طول موج بسیار ایدئال است، زیرا در محدوده‌ی نور مرئی قرار دارد و چشم انسان به‌راحتی آن را به‌صورت رنگ سبز مشاهده می‌کند.

همچنین، پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که با ترکیب سه عنصر گالیوم، آرسنیک و فسفر (GaAsP) می‌توانند دیود نوری با هر رنگی بین سبز تا قرمز بسازند. به عنوان مثال، با ترکیب ۶۰ درصد گالیوم آرسنیک (GaAs) و ۴۰ درصد گالیوم فسفر (GaP)، نیمه‌رسانای GaAsP با انرژی گاف (فاصله‌ی بین تراز‌های رسانش و ظرفیت) ۱٫۷۵۸۴ الکترون‌ولت (طول موج ۷۰۵ نانومتر) به‌دست می‌آید. این طول موج متعلق به نور قرمز است.

LED با رنگ‌های متفاوت

همچنین، با ترکیب ۱۵ درصد GaAs و ۸۵ درصد GaP، نیمه‌رسانای GaAsP با انرژی گاف ۲٫۱۳۴۶ الکترون‌ولت (طول موج ۵۸۰ نانومتر) به‌دست می‌آید. این طول موج متعلق به نور زرد است. بنابراین، با ترکیب مواد مختلف با یکدیگر می‌توانیم LED با رنگ‌های مختلف داشته باشیم. اما ساخت LED آبی‌رنگ تا سال‌ها به چالشی جدی برای مهندسان تبدیل شده بود. دلیل آن چه بود؟

چرا ساخت LED آبی تا مدت‌ها غیرممکن بود؟

LED یکی از بهترین گزینه‌هایی است که می‌تواند جای لامپ‌های معمولی را بگیرد، زیرا لامپ‌های معمولی، گرمای زیادی تولید می‌کنند و در نتیجه، باز‌دهی بسیار کمی دارند. اما باز‌دهی دیودهای نوری بسیار بیشتر است. همان‌طور که در بخش قبل توضیح دادیم، انرژی گاف نیمه‌رسانای به کار رفته در LED، رنگ نور تابیده‌شده را مشخص می‌کند. نخستین LED ساخته‌شده، LED قرمزرنگ بود. در ادامه، دیودهای نوری زرد و سبز ساخته شدند؛ اما ساخت LED آبی‌رنگ به این سادگی‌ها نبود.

فوتون‌های موجود در نور آبی، انرژی بیشتری دارند؛ در نتیجه، نیمه‌رسانای استفاده‌شده برای تولید نور آبی باید انرژی گافِ بزرگ‌تری داشته باشد. تا سال ۱۹۸۰، میلیون‌ها دلار برای ساخت LED آبی‌رنگ هزینه شد، اما هیچ نتیجه‌ای به‌دست نیامد. آن زمان، پژوهشگران به این نتیجه رسیده بودند که ساخت LED آبی به کریستالی با کیفیت بسیار بالا نیاز دارد. کریستال با کیفیت بالا، کریستالی است که تقریباً هیچ ناخالصی‌ای نداشته باشد. کمترین ناخالصی بر عبور الکترون‌ها تأثیر می‌گذارد. در این حالت، الکترون‌ها به‌جای تابش فوتون‌های نور مرئی،‌ با برخورد به ناخالصی، گرما تولید می‌کنند.

تا سال ۱۹۸۰ میلیون‌ها دلار برای ساخت LED آبی‌ هزینه شد، اما تمام تلاش‌ها بی‌نتیجه ماند

در آن‌ سال‌ها، مؤسسه‌ای در فلوریدا از فناوری جدیدی به نام «لایه‌نشانی بخار شیمیایی فلز آلی» (Metal Organic Chemical Vapor Depositio؛ به‌اختصار MOCVD) برای ساخت کریستال استفاده می‌کرد. از این روش برای تولید لایه‌های نازک تک‌بلوری یا چندبلوری و رشد لایه‌های کریستالی برای ایجاد ساختارهای چندلایه‌ی پیچیده نیمه‌رسانا، استفاده می‌شود. این روش، هنوز یکی از بهترین روش‌ها برای تولید انبوه کریستال‌های ایدئال است.

در روش MOCVD، پیش‌ماده‌ها به شکل بخار با گاز حامل (هیدروژن یا نیتروژن) مخلوط و به داخل راکتور منتقل می‌شوند. داخل راکتور، بخار پیش‌ماده‌ها در دمای بالا با یکدیگر واکنش می‌دهند و لایه‌ی نازکی از مواد مورد نظر روی سطح زیرلایه می‌نشینند. پارامترهایی مانند دما، فشار، سرعت جریان گاز و نسبت پیش‌ماده‌ها بر ضخامت، مورفولوژی و خواص الکتریکی لایه‌ی نشانده‌شده تأثیر می‌گذارند. با MOCVD می‌توانیم لایه‌هایی با ضخامت یک لایه‌ی اتم بنشانیم.

راکتور MOCVD

مهندسی به نام شوجی ناکامورا (Shuji Nakamura) در دهه‌ی ۸۰ میلادی به مؤسسه‌ی پژوهشی در فلوریدا پیوست تا نیمه‌رسانایی برای ساخت LED آبی بسازد؛ اما او روزهای سختی را در این مؤسسه گذراند. همکاران در پژوهشکده با او به خوبی رفتار نمی‌کردند، زیرا او نه‌تنها مدرک دکتری نداشت، بلکه هیچ مقاله‌ای نیز به نام خود منتشر نکرده بود. اما ناکامورا تسلیم نشد و با نادیده گرفتن رفتار همکارانش، با جدیت به کار خود ادامه داد.

این مهندس در سال ۱۹۸۹ میلادی، با دو تصمیم بسیار مهم، به ژاپن برگشت؛ خرید MOCVD و دریافت مدرک دکتری. در آن زمان در ژاپن، افراد می‌توانستند بدون رفتن به دانشگاه و تنها با انتشار پنج مقاله‌ی پژوهشی، مدرک دکتری بگیرند. اکنون، ناکامورا به دنبال پاسخ به این پرسش بود: ساخت چه ماده‌ای با MOCVD او را به ساخت LED آبی‌رنگ نزدیک می‌کند؟ پس از سال‌ها پژوهش روی مواد مختلف، دو ماده بیشترین شانس را داشتند: سلنید روی و نیترید گالیوم. از دیدگاه نظری، انرژی گاف این دو نیمه‌رسانا در محدوده‌ی نور آبی بود.

ناکامورا پس از بازگشت به ژاپن به‌طور جدی به دنبال ساخت LED آبی‌رنگ بود

سلنید روی در مقایسه با نیترید گالیوم، ماده‌ی بسیار بهتری به نظر می‌رسید. در نتیجه، پژوهشگران تلاش کردند ساختار PN سلنید روی را بسازند، اما ساخت نوع P این نیمه‌رسانا به آسانی ساخت نوع N آن نبود. در حالی‌که تلاش‌ها برای ساخت سلنید روی نوع P ادامه داشت، نیترید گالیوم به سه دلیل از دایره‌ی رقابت خارج شد:

  • ساخت نیترید گالیوم با کیفیت بالا بسیار سخت بود.
  • بهترین زیرلایه برای نشاندن نیترید گالیوم روی آن Sapphire نام دارد، اما ناسازگاری GaN و Sapphire بسیار زیاد و برابر ۱۶ درصد است. در نتیجه، ناخالصی‌های زیادی در نیترید گالیوم به هنگام لایه‌نشانی شکل می‌گرفتند.
  • ساخت نیترید گالیوم نوع P بسیار سخت بود. همچنین، دیود نوری آبی‌رنگ برای آن‌که از نظر تجاری بصرفه باشد، باید حداقل توان خروجی برابر ۱۰۰۰ میکرووات داشته باشد.

در نتیجه، بین دو این گزینه، پژوهشگران سلنید روی را انتخاب کردند. اما ناکامورا از این فرصت استفاده کرد و تمام وقت خود را روی پژوهش در مورد GaN گذاشت، زیرا پژوهشگران کمتری روی آن کار می‌کردند و او ممکن بود به‌راحتی بتواند با تحقیق در این زمینه، پنج مقاله‌ی پژوهشی لازم برای دریافت مدرک دکتری را منتشر کند. در سال ۱۹۷۲، مهندسی به نام هِربرت ماروسکا (Herbert Maruska) توانست با استفاده از GaN دیود نوری آبی‌رنگ بسازد، اما به‌دلیل نور و بازده‌ بسیار کم، ساخت آن ادامه نیافت.

LED آبی با نور و بازده بسیار کم

در سال ۱۹۹۲، ناکامورا در کنفرانسی بسیار معتبر در ژاپن شرکت کرد. در آن کنفرانس، حدود ۵۰۰ مقاله در مورد سلنید روی و تنها پنج مقاله در مورد نیترید گالیوم، پذیرفته شد و از میان پنج مقاله، دو مقاله متعلق به دو پژوهشگر بسیار معروف به نام‌های ایسامو آکاساکی (Isamu Akasaki) و هیروشی آمانو (Hiroshi Amano) بود. این دو پژوهشگر، به‌جای رشد مستقیم GaN روی زیرلایه‌ی Sapphire، ابتدا لایه‌ی نیترید آلومینیوم را روی این زیرلایه، رشد دادند. در این حالت، نشاندن نیترید گالیوم بسیار راحت‌تر انجام می‌شد. اما مشکل دیگری ظاهر شد؛ با حضور نیترید آلومینیوم، فرایند کنترل ضخامت GaN به‌راحتی امکان‌پذیر نبود.

ناکامورا چند سال قبل از این کنفرانس، هنوز هیچ نتیجه‌ای به‌دست نیاورده بود. او حتی نتوانسته بود GaN را با استفاده از MOCVD روی زیرلایه، رشد دهد. پس از شش ماه پژوهش، او تصمیم گرفت دستگاه MOCVD را به قسمت‌های مختلفی تقسیم کند و نسخه‌ی بهتری از آن بسازد. ناکامورا حدود یک‌سال‌ونیم بی‌وقفه کار کرد تا سرانجام در اواخر زمستان سال ۱۹۹۰، یکی از نمونه‌های GaN، هدایت الکتریکی بسیار بالاتری از خود نشان داد. هدایت الکتریکی الکترون‌ها در این نمونه، چهار برابر بیشتر از تمام نمونه‌های ساخته‌شده تا آن زمان بود.

سرانجام ناکامورا توانست نخستین لایه‌ی GaN را بسازد، اما هنوز راه زیادی باقی مانده بود

ناکامورا از آن روز به‌عنوان یکی از هیجان‌انگیزترین روزهای زندگی خود نام می‌برد. اکنون زمانی رسیده بود که ناکامورا می‌توانست تمام رقبای خود را از میدان به در کند. اما هنوز مشکل بزرگ‌تری وجود داشت؛ ساخت نیترید گالیوم نوع P. دو رقیب مهم ناکامورا برای ساخت GaN نوع P، به آن منیزیم اضافه کرده بودند، اما این نمونه برای کاربردهای تجاری مناسب نبود.

ناکامورا ابتدا راه دو رقیب خود را ادامه داد، اما در ادامه نیترید گالیوم دوپ‌شده با منیزیم را تا دمای ۴۰۰ درجه سلسیوس حرارت داد؛ نتیجه، شگفت‌انگیز بود. ناکامورا به هنگام پژوهش روی GaN فهمید چرا ساخت نوع P این نیمه‌رسانا بسیار سخت بود. به هنگام ساخت نیترید گالیوم به روش MOCVD، نیتروژن از آمونیاک گرفته می‌شد. آمونیاک از دو عنصر نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است. همان‌طور که در بخش‌های قبل گفتیم، نیمه‌رسانای نوع P از تعداد زیادی حفره تشکیل شده است؛ اما هیدروژن موجود در آمونیاک پس از پیوند با منیزیم، تمام حفره‌ها را پر می‌کند. با گرم کردن GaN دوپ‌شده با منیزیم،‌ اتم‌های هیدروژن آزاد و حفره‌ها خالی می‌شوند.

ناکامورا به هدف نهایی بسیار نزدیک شده بود. او نتایج پژوهش خود را در کنفرانس سال ۱۹۹۲ میلادی به اطلاع عموم رساند و مورد تشویق حضار قرار گرفت. LED آبی‌رنگ ساخته‌شده در آن زمان، هنوز بازده بسیار کمی داشت و نور آن به بنفش نزدیک‌تر و توان خروجی آن ۴۲ میکرووات (بسیار کمتر از ۱۰۰۰ میکرووات) بود. ناکامورا در ادامه تلاش کرد تا توان خروجی LED آبی‌رنگ را به ۱۰۰۰ میکرووات افزایش دهد.

ناکامورا پس از کشف LED آبی گفت انگار به قله‌ی کوه فوجی صعوده کرده است

یکی از راه‌ها برای افزایش بازده‌ی LED، کاهش انرژی گاف به مقدار بسیار کم بود. در این حالت، الکترون‌های بیشتری می‌توانند در مدار جاری شوند. ناکامورا با اضافه کردن نیترید گالیوم ایندیوم (InGaN) به نیترید گالیوم، موفق به انجام این کار شد. ساختار LED آبی‌رنگ، پیچیده‌تر از حد تصور شد، اما در نهایت، این دیود نوری پس از سال‌ها پژوهش ساخته شد.

ناکامورا LED آبی رنگ را با خوشحالی در دست گرفته است.

LED آبی‌ به تولید انبوه رسید، به‌طوری که تا سال ۱۹۹۴، یک میلیون LED آبی در ماه تولید می‌شد. امروزه، شرکت «نیشیا» (NICHIA)، جایی‌ که ناکامورا LED آبی را کشف کرد، یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های تولیدکننده دیود نوری آبی‌رنگ است.

ناکامورا با ترکیب LED آبی با مواد فلورسنت، امکان ایجاد نور سفید را فراهم کرد. علاوه‌براین، با ترکیب LED آبی با LED‌های قرمز و سبز موجود، سازندگان توانستند هر رنگ دیگری از طیف نور مرئی را تولید کنند. این پیشرفت انقلابی تولید نمایشگرهای کم‌مصرف را که در تلویزیون‌ها، مانیتورها و گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود، امکان‌پذیر کرد.

ناکامورا همچنین به‌لطف دانش به‌دست‌آمده از توسعه‌ی LED آبی، لیزر آبی را نیز اختراع کرد که به افزایش ۵ تا ۱۰ برابری فضای ذخیره‌سازی و ایجاد استانداردهای صنعتی جدید ازجمله Blu-ray منجر شد.

اما شاید تأثیرگذارترین فناوری‌ای که در پی کشف LED آبی ناکامورا ظهور کرد، لامپ‌های LED بودند. منابع نور LED با مصرف تنها ۵درصد از توان لامپ رشته‌ای و تولید روشنایی بسیار بیشتر از لامپ‌های رشته‌ای و فلورسنت، صرفه‌ی اقتصادی چشم‌گیری دارند. از آنجا که لامپ‌های الکتریکی حدود ۲۵درصد از مصرف برق در جهان را دربرمی‌گیرند، استفاده از LED به‌عنوان منبع نور اصلی می‌تواند به تأثیرات زیست‌محیطی مثبتی منجر شود.

کشف LED آبی انقلاب بزرگی در صنعت فناوری به‌شمار می‌رود. ناکامورا پس از این کشف در جمله‌ای معروف نوشت: «احساس می‌کردم به قله‌ی کوه فوجی صعود کرده‌ام.»

تبلیغات
داغ‌ترین مطالب روز
تبلیغات

نظرات

تبلیغات