CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về LED LED là tên viết tắt của từ tiếng Anh (Light Emitting Diode) có nghĩa là điốt phát quang, các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hoặc tia tử ngoại, hồng ngoại được chế tạo từ chất bán dẫn – là vật liệu mà khi thay đổi nhiệt độ và nồng độ pha tạp thì tính chất điện cũng thay đổi. Khi nhiệt độ thấp thì chất bán dẫn dường như cách điện vì vùng dẫn nó không có hạt tải điện, nhưng khi nhiệt độ cao các hạt tải điện được sinh ra do việc điện tử nhảy từ vùng hóa trị đến vùng dẫn, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Cả điện tử và lỗ trống đều tham gia hoạt động dẫn điện khi ta đặt một điện thế thích hợp vào các lớp bán dẫn. Hạt tải được sinh ra tăng nhiệt độ và kích thích quang hay bơm từ điện cực, những hạt tải sinh ra theo hai quá trình như trên được chia làm hai dạng lần lượt đó là hạt tải cân bằng và hạt tải không cân bằng.
Chất bán dẫn cũng chia làm hai đó là bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp. Trong đó bán dẫn không pha tạp được gọi là bán dẫn thuần, nhưng trong các nghiên cứu về phát quang người ta dùng bán dẫn pha tạp hai loại tạp chất là donor (loại n) và acceptor (loại p), hai bán dẫn này khi kết hợp với nhau sẽ sinh ra vùng tiếp giáp gọi là chuyển tiếp p-n. Khi ta đặt điện áp phân cực thuận vào điốt, lúc này bên phía bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương ghép với lớp bán dẫn loại n mang nhiều điện tích âm sẽ có xu hướng dịch chuyển lại gần nhau. Ở vùng nghèo của mặt tiếp giáp, các điện tử bị thiếu hoặc lỗ trống sẽ tương tác và có thể kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tử trung hòa điện.
Trong quá trình này, có thể phát sinh ánh sáng hoặc các tia bức xạ điện từ với bước sóng gần nhau.1 Nguyên lý hoạt động của chip LED Vật liệu dùng để chế tạo LED thường có đỉnh của vùng hóa trị trùng với đáy vùng dẫn cho nên được gọi là bán dẫn vùng cấm thẳng. Hạt tải không cân bằng trong vùng bán dẫn vùng cấm thẳng có thời gian sống phát quang rất ngắn (cỡ nano giây do quá trình tái hợp đảm bảo định luật bảo toàn động lượng) nên việc chế tạo LED từ những vật liệu này là sự lựa chọn tối ưu nhất. Những chất bán dẫn nhóm IV như Si hay Ge không thích hợp với việc chế tạo làm LED vì đây là vất liệu bán dẫn vùng cấm xiên. Như vậy những bán dẫn trong nhóm III – V như GaAs (gallium 1 arsenide), GaP (gallium phosphide) là những bán dẫn được nghiên cứu và sử dụng ở những nghiên cứu đầu tiên về LED.
Lịch sử phát triển của LED được trải dài tài những năm đầu tiên của thế kỉ XX và kéo dài đến hiện nay. Nghiên cứu đầu tiên được thực hiện trên hợp chất GaS và các hợp chất khác phát ra tia hồng ngoại, đánh dấu cho sự phát triển đầu tiên về vật liệu bán dẫn có thể phát sáng vào năm 1955 bởi ông Braunstein, ông là nhân viên thuộc công ty của Mỹ Radio Corporation of America. Vào năm 1961, các nhà khoa học tại trường đại học Texas Instruments đã phát hiện ra rằng GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện đi qua. Đây đã dẫn đến sự phát minh của LED hồng ngoại và hai nhà khoa học người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman đã được tôn vinh bằng giải thưởng danh giá là giải thưởng Nobel vì công trình này [1][2].
Tuy nhiên năng lượng tạo ra từ LED phụ thuộc vào động vùng cấm nên hai chất bán dẫn này không phù hợp để chế tạo LED xanh lam, năng lượng LED xanh lam có năng lượng hơn rất nhiều so với LED đỏ. Nếu xét về mặt năng lượng photon thì các vật liệu như SiC(silicon carbide), GaS(gallium silicon) và một số chất khác được xem xét lựa chọn vì bán dẫn vùng cấm khá rộng. Từ những thách thức về việc tạo ra LED xanh lam thì đến những năm 70 của thế kỷ trước các nghiên cứu được tiến hành, vào năm 1972 nghiên cứu đầu tiên được diễn ra bởi Herb Maruska và Wally Rhines tại đại học Stanford University bằng cách sử dụng vật liệu GaN(gallium nitride) có pha tạp Mg được chế tạo và cho đến nay hầu hết các LED xanh công nghiệp đa số được chế tạo từ vật liệu nền này. Thế nhưng các nghiên cứu chế tạo LED xanh lam ở thời điểm này diễn ra chậm và hiệu xuaatst không được cao.
Bước đột phá được tạo ra khi Nakamura công bố phát minh của mình [U. patent 6900465 – Nitride semiconductor light- emitting device] lúc này Nakamura công bố công trình nghiên cứu của mình với việc sử dụng GaN, cùng lúc đó 2 nhà khoa học người Nhật khác đó là Hiroshi Amano và Issa Akaski cũng đang nghiên chứu và chứng minh được hạt nhân GaN quan trọng trong các chất nền sapphire và mô hình p-type GaN được ra đời. Với những phát minh mang tính bước ngoặc cho nghành công nghiệp chế tạo phát triển LED xanh lam này thì Nakamura và Hiroshi Amano cùng Isamu Akasaki được vinh dự nhận giải Nobel Vật lí năm 2014 [3]. Để kiểm soát bước sóng phát ra LED xanh, người ta thêm In và GaN và tạo ra bán dẫn 3 thành phần GaInN.
Ngày nay với việc các công nghệ làm LED phát triển nhanh chóng để tăng hiệu suất quang thì cấu tạo của một gói LED (hay LED) hoàn chỉnh thông thường bao gồm chip LED và các bộ phận hỗ trợ chung cho chip LED hoạt động, cụ thể: 2 Hình 1.2 Cấu tạo LED xanh lam do Nakamura phát minh:121 Đế saphire; 122-lớp đệm; 123- lớp tiếp xúc loại n cho điện cực âm; 124- lớp đệm loại n thứ hai; 125- lớp đệm loại n thứ nhất; 126- lớp tích cực; 128- lớp đệm loại p thứ hai; 129- lớp tiếp xúc loại p [3] - Chip LED (LED die): là trung tâm của LED bởi vì đây là thành phần phát ra ánh sáng chính cho LED. - Die-Attachment(chất kết dính): hỗn hợp keo cố định chip LED trên khung kim loại. - Lead-frame(khung LED kim loại dập): đóng vai trò tản nhiệt, dẫn điện cho LED, thường được làm từ các lớp kim loại mỏng để dễ dàng cho việc dẫn nhiệt và cấu tạo từ các kim loại dẫn điện tốt. - Reflector(cốc phản xạ): thành phần đóng vai trò phản xạ ánh sáng, để đưa ánh sáng LED ra bên ngoài.
- Dây dẫn Au/Al: dây dẫn có vai trò kết nối nguồn cho chip LED thường là dây vàng. - Hỗn hợp phủ: hỗn hợp bao gồm silicone hoặc có thể thêm phosphor là lớp trên của LED, cũng có thể để định hình bề mặt và bảo vệ LED.3 Cấu tạo của LED Với cấu tạo chung như vậy LED có thể được chia thành hai loại chính: - LED đơn sắc là các LED cấu tạo thì chip LED, cốc phản xạ và có lớp silicone bên trên thường có độ truyền qua là 99% để tăng hiệu suất phát quang cho LED - Loại thứ hai được nhiều nghiên cứu quan tâm hơn là loại LED mà cấu tạo từ chip LED, sau đó cho hỗn hợp silicone cùng phosphor lên trên bề mặt, ánh sáng phát ra là của cả chip LED và vật liệu phosphor kết hợp.1 LED đơn sắc Để hiểu rõ hơn về LED đơn sắc, trước hết ta cần tìm hiểu về khái niệm ánh sáng đơn sắc. Ánh sáng đơn sắc là một loại ánh sáng chỉ phát ra một màu duy nhất và không bị tạp nhiễm bởi các màu sắc khác. Theo định nghĩa vật lý, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có bước sóng duy nhất và bức xạ điện từ có tần số đơn.
Tuy nhiên, trong thực tế, không có nguồn bức xạ điện từ nào hoàn toàn có tần số đơn, do đó không thể tạo ra ánh sáng đơn sắc một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, nguồn ánh sáng lọc hoặc đèn laser được sử dụng để sản xuất ánh sáng đơn sắc trong các ứng dụng thực tế. Trong luận văn này, ta biết rằng LED đơn sắc được tạo ra bằng cách cho dòng điện phân cực thuận đi qua lớp bán dẫn p-n. Ánh sáng phát ra từ LED đơn sắc là một dải màu sắc với bước sóng hẹp nằm trong khoảng từ 38nm đến 780nm và bao gồm các màu sắc đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím.
Để tùy biến màu sắc của ánh sáng phát ra từ LED đơn sắc, người ta sử dụng các lớp bọc bảo vệ khác nhau. Lớp bọc này cũng có thể ảnh hưởng đến màu sắc của ánh sáng phát ra từ LED đơn sắc. Ngày nay, các vật liệu đóng rắn trong suốt có độ truyền qua gần như đạt tuyệt đối được sử dụng để đóng rắn bảo vệ LED đơn sắc.4 Phân vùng bước sóng ánh sáng đơn sắc Với các vật liệu bán dẫn khác nhau sẽ tạo ra các LED đơn sắc với màu bước sóng và màu sắc khác nhau [4].5 Phát xạ của các vật liệu làm LED khác nhau 4 1.2 LED trắng Hiện nay, có 2 phương pháp chế tạo LED trắng phổ biến được sử dụng trong công nghệ LED. Phương pháp đầu tiên là sử dụng các chip LED đơn sắc phát ra ánh sáng màu đỏ, xanh lam và xanh lục (RGB), sau đó phối hợp chúng lại với nhau để tạo ra LED trắng.
Phương pháp này được gọi là phương pháp trộn màu. Sự pha trộn các màu sắc này sẽ tạo ra ánh sáng trắng tương đối đồng nhất với phổ ánh sáng tự nhiên. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế, ví dụ như ánh sáng trắng tạo ra không đạt được độ sáng cao và không thể tạo ra màu trắng thuần khiết. Phương pháp thứ hai là sử dụng bột phosphor để chuyển đổi ánh sáng đơn sắc màu xanh lam hoặc tia cực tím (UV) thành ánh sáng trắng phổ rộng.
Phương pháp này được gọi là phương pháp chuyển đổi phổ. Khi LED đơn sắc phát ra ánh sáng màu xanh lam hoặc UV, bột phosphor sẽ hấp thụ ánh sáng này và phát ra ánh sáng trắng phổ rộng. Phương pháp này cho phép tạo ra ánh sáng trắng có độ sáng cao và màu trắng thuần khiết, tuy nhiên nó cũng có một số hạn chế, ví dụ như phát thải nhiệt và có thể tạo ra ánh sáng có phổ không đồng nhất. Cả hai phương pháp này đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.
Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các nhà sản xuất đang tìm cách kết hợp hai phương pháp này để tạo ra LED trắng có độ sáng cao và phổ ánh sáng đồng nhất. Phương pháp ghép LED đơn sắc RGB.