CHƯƠNG 1. Các nghiên cứu về LED/UVLED hiện nay: Diode phát quang (Light Emitting Diode, LED) là loại diode có khả năng phát ra ánh sáng. LED được cấu tạo từ 2 loại bán dẫn loại p và loại n được phát hiện vào năm 1907 bởi H. Hoạt động của LED giống như nhiều loại diode bán dẫn dựa vào cơ chế chuyển dời các điện tử sang lỗ trống để hình thành nguyên tử trung hòa tại vùng tiếp giáp P-N.
Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ với bước sóng ánh sáng xác định. Năm 1962, đèn LED thực tế đầu tiên được phát minh bởi Nick Holonyak, Jr tại công ty General Electric. Đầu tiên đèn LED màu đỏ được đưa ra trị trường và được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi cho việc hiển thị thông tin ở dạng là 7 đoạn. Các LED này cũng được lắp vào thiết bị trong các phòng thí nghiệm hiện đại.
Sau đó, chúng được dùng cho tivi, radio, điện thoại, máy tính và các thiết bị chiếu sáng khác. Tuy nhiên, các đèn LED đỏ chỉ đủ sáng cho người dùng hay phạm vi hẹp. Sau đó, công nghệ chế tạo LED đã phát triển nhanh đáp ứng nhu cầu về nhiều loại màu sắc khác nhau trong hiển thị, quảng cáo, chiếu sáng,. trong vùng khả kiến.
Các LED phát ra các bước sóng hồng ngoại, X-ray,. mới được phát hiện gần đây mà đặc biệt là bước sóng tử ngoại (Ultraviolet, UV) cũng có tiềm năng trong lĩnh vực y sinh. -1- Gallium Nitride cho LED màu xanh Hình 1. 1: Cuộc cách mạng của hợp chất Nitride với lợi điểm của khe năng lượng rộng.
Năm 1971, Nhà khoa học Jacques Pankove tại PTN RCA [18] đã thành 271H công trong việc nghiên cứu và thử nghiệm chế tạo Gallium Nitride LED là diode phát quang màu xanh. Tuy nhiên, chúng vẫn chưa được ứng dụng một cách rộng rãi và hiệu quả. Bước vào những năm 1980, các nhà khoa học Nhật bản (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano,.) [19], [20] đã tạo ra một cuộc cách mạng về LED 272H 273H xanh, linh kiện quang điện tử khi sử dụng phương pháp tạo mầm GaN cho bán dẫn loại p. Các lớp màng mỏng InGaN xen kẽ GaN tạo nên giếng lượng tử đa lớp (Multi Quantum Wells: MQW) nguồn gốc của sự phát quang từ vùng tím đến vùng đỏ.
AlGaN và AlN thường được sử dụng để tạo ra các lớp giếng lượng tử cho LED cực tím, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa hoàn tất nghiên cứu để nâng hiệu suất. Tuy nhiên, họ cũng phát hiện cấu trúc InGaN-GaN sẽ phát xạ màu xanh dương hay xanh lá. Nếu sự kích hoạt của lớp giếng lượng tử là GaN, như xen kẽ lớp InGaN hoặc AlGaN sẽ phát ra ánh sáng gần như tia cực tím với bước sóng từ 350-370 nm. LED xanh lá được phát xạ từ cấu trúc InGaN-GaN có hiệu xuất phát xạ cao và cường độ chiếu sáng mạnh hơn loại LED màu xanh lá được chế tạo từ vật liệu không có nitric.
-2- Hãng Siemens AG HLOS (Đức) [21] sử dụng vật liệu GaN/InGaN để chế 274H tạo các loại LED màu xanh trên đế SiC. So với sapphire thì SiC mắc hơn nhưng ngược lại họ có thể điều khiển được quá trình tạo các lớp InGaN và khảo sát một số tính chất của cấu trúc trở nên dễ hơn. Hãng này muốn nghiên cứu và đưa ra thị trường các ứng dụng khác của LED cho xe hơi, tín hiệu và chiếu sáng. Khoảng 10 năm gần đây, LED được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực hiển thị tín hiệu giao thông, đèn quảng cáo và trang trí nội thất cao cấp, màn hình hiển thị lớn và chiếu sáng diện rộng.
Công nghệ LED hiệu suất phát quang cao được đưa vào sản xuất đại trà tại Mỹ, Đức, Pháp, Trung quốc, Nhật bản, Hàn quốc, Đài Loan,. tuy nhiên, giá thành các đèn trang trí còn cao do phải đầu tư công nghệ chế tạo tốn kém. LED tử ngoại (UVLED) Các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra các lớp màng mỏng cấu trúc AlGaN và AlGaInN và phát hiện bước sóng phát xạ ngắn trong dải cực tím. Các LED cực tím này đang được thị trường ứng dụng chờ đợi với các ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực y-sinh, công nghệ sinh học, khử trùng, truyền dẫn quang,.
Nếu các LED phát sáng bước sóng gần cực tím như 375-395 nm thì khả năng chế tạo dễ hơn và giá thành thấp hơn. Nếu muốn đạt bước sóng ngắn hơn, dưới 247 nm, thì đòi hỏi công nghệ và kinh phí đầu tư cao nhưng các ứng dụng lại hiệu quả hơn các LED có bước sóng trên 370nm. Thí dụ, bước sóng 260nm rất nhạy cảm cho các gen di truyền kháng lại sức hút quang phổ của ADN. Sử dụng đèn UVLED với bước sóng từ 250 đến 270 nm có tác dụng diệt được các vi khuẩn, vi trùng do năng lượng cao và hàng loạt các thiết bị tẩy uế sẽ ra đời trong thời gian sắp tới.
Một số công bố của các nhóm nghiên cứu Nhật bản về cấu trúc khác nhau của LED để cho được phát quang cực tím sẽ được trình bày dưới đây cho thấy cuộc chạy đua không ngừng trên lĩnh vực UVLED. Nhóm tác giả Hideki Hirayama (RIKEN, Nhật bản) [22] đã công bố thành 275H công trong việc chế tạo cấu trúc UVLED cho phát xạ 231–261 nm sử dụng -3- AlGaN với vùng đệm đa lớp trên đế sapphire. Các thông số của UVLED với cấu trúc: thành phần x của Al trong giếng AlxGa1−xN vùng đệm (buffer), lớp cản (barrier) và lớp khóa điện tử (electron-blocking layers EBLs) như sau: Hình 1. 2: Cấu trúc của UVLED với giếng đa lượng tử của AlGaN-MQW cho phát quang 231-261 nm [22].7 nm vùng đệm Si-doped AlGaN.
3 lớp MQW gồm 2 nm giếng AlGaN. 4 nm AlGaN lớp cản. 7 nm lớp cản undoped AlGaN. 15 nm lớp Mg-doped AlGaN EBL.
10 nm lớp Mg-doped AlGaN,. Gần 10 nm lớp tiếp xúc Mg-doped GaN trên đa lớp ML-AlN. Nhóm Hideki Hirayama [22] cho thấy rằng, công suất tối đa (output power) 277H là 1.65 mW và hiệu suất lượng tử (external quantum efficiency: EQE) là 0.23% cho LED 261 nm. Công nghệ chế tạo UVLED này là kỹ thuật tạo AlN đa lớp sử dụng khí NH3 đối với MOCVD.
Một số cấu trúc khác cho bước sóng phát xạ cao hơn cũng được nghiên cứu: Nhóm Y. Aoyagi (Ritsumeikan Univ.) [44], [45] cũng thành công trong việc 278H 2 79H tạo mầm lớp AlN trên mặt của đế sapphire sử dụng phương pháp FM-MOCVD và sử dụng kỹ thuật SIMS để phát hiện oxy và carbon kết hợp thành nhiều lớp. Qua đó, họ nâng cao chất lượng lớp AlN trên đế sapphire. -4- Trong khu vực đông nam Á thì Đài Loan và Singapore đã đầu tư và phát triển mạnh công nghệ vi điện tử sản xuất chip, LED và các ứng dụng điện tử khác từ hơn 20 năm qua.
Họ đã có sự gắn kết chặt chẽ giữa nghiên cứu cơ bản trong các trường đại học và công nghệ chế tạo từ các công ty điện tử. VioLED International Inc tại Đài Loan sử dụng InGaN trên đế Si cho sản phẩm UVLED có cường độ dòng từ 20-100mA và công suất 80mW nhưng bước sóng tử ngoại là 370nm. Ý thức được vai trò của nguồn năng lượng chiếu sáng, Nhật bản, Singapore và một số nước khác đã có một chiến lược nghiên cứu tăng hiệu xuất các thiết bị chiếu sáng như sử dụng LED với vật liệu GaN và đầu tư nhiều thiết bị hiện đại cho R&D [45], [46], [47], [48], [49]. 280H 281H 282 H 283H 284H Cuối những năm 1977-1979, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Việt Nam đã chế tạo thành công LED công suất khoảng 0.1 W và có dòng điện cực đại 30mA.
Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế không cao nên kết quả nghiên cứu không được đầu tư và phát triển tiếp. Trong những năm qua, LED từ thị trường nước ngoài đã có mặt tại Việt Nam bằng nhiều hình thức khác nhau và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về quảng cáo điện tử từ phạm vi hẹp đến rộng. Tất cả các sản phẩm đều là các đèn chiếu sáng sử dụng LED do ưu điểm tiết kiệm điện. Hiện tại ở Việt Nam chưa có một đơn vị hay công ty nào đầu tư hoàn thiện qui trình từ nghiên cứu, chế tạo LED đến lắp ráp đèn.
Nguyễn Văn Khải [50] thuộc trung tâm tiết kiệm điện tại Hà Nội đã sản xuất thử nghiệm 28 5H các loại đèn sử dụng LED từ nước ngoài và thử nghiệm sử dụng tại các vùng mà lưới điện quốc gia chưa phủ hết. Một số loại đèn sử dụng LED có kiểu dáng đẹp, kết hợp tạo khí Ozone, tiết kiệm điện và giá cả hợp lý đã và đang được đưa vào thị trường. Một số nghiên cứu từ vật liệu, cấu trúc và linh kiện về LED được thực hiện tại Việt Nam trong những năm gần đây có sự gia tăng thể hiện sự quan tâm của các nhà Khoa học mà chủ yếu tại 2 trung tâm lớn của cả nước là Hà nội và -5- Tp.HCM về lĩnh vực chiếu sáng. Tác giả xin liệt kê tổng quan các nghiên cứu, tiếp cận và định hướng phối hợp.Chung [23] ĐHQG Hà Nội đã sử dụng diode phát ánh 286H sáng xanh dương nhờ chip InGaN được phủ bởi các màng hữu cơ MEH-PPV để tạo ra ánh sáng trắng.
Ưu điểm của MEH-PPV là dễ hòa tan trong các dung môi hữu cơ. MEH-PPV có phổ phát xạ màu vàng tại đỉnh 590 nm khi bị kích thích bởi ánh sáng xanh dương 450 nm. Nhóm giáo sư Nguyễn Đức Chiến (Viện Kỹ thuật, ĐHBK Hà nội) [04] đã nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang và các ứng 287 H dụng của LED từ tinh thể Si trong màng SiO2 cho ánh sáng khả kiến. Tại ĐHQG Tp.Hồ Chi Minh, một đề tài cấp Nhà nước [24], [25] về LED 288H 28 9H chiếu sáng do PGS.
Đặng Mậu Chiến chủ nhiệm đã được thực hiện từ năm 2006 tại PTN Nano. LED được chế tạo theo phương pháp MOCVD trên đế sapphire nhưng nghiên cứu nhiều loại lớp bán dẫn khác nhau cho phát sáng và có sự hợp tác với các đồng nghiệp nước ngoài. Nhóm tác giả đã tiếp tục thành công với LED màu xanh [26], [27] nghiên cứu các kết quả của LED phát sáng, chúng 29 0H 291H tôi có thêm cơ sở khoa học đề xuất hướng nghiên cứu và mô phỏng chế tạo LED trong vùng tử ngoại. Tại Trung tâm R&D, khu công nghệ cao Tp.HCM (Saigon Hi-Tech Park, Quận 9) [20] thuộc UBND Tp.HCM, hệ chế tạo màng kim loại hữu cơ lắng đọng hơi hóa (MOCVD) có tên là AIX 2400G3 HT (CHLB Đức) đã được đầu tư và đang từng bước hoàn chỉnh lắp đặt.
Hệ thống này có thể chế tạo cấu trúc MQW dầy vài chục đến trăm nm với các lớp AlGaInN cho LED.