phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc chia thành 5 chƣơng với nội dung nhƣ sau: 5 Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các vấn đề liên quan đến chiếu sáng rắn trên cơ sở LED. Chƣơng 2: Giới thiệu về các phƣơng pháp, kỹ thuật và công nghệ sử dụng Chƣơng 3: Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor Chƣơng 4: Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn Chƣơng 5: Thiết kế, chế tạo các bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính FO và ứng dụng xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED Chiếu sáng nói chung và chiếu sáng rắn SSL nói riêng là một lĩnh vực rất rộng và khó phân loại.
Trong chiếu sáng dân dụng, ngƣời ta phải phối hợp chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo, sử dụng nguồn sáng truyền thống và/hoặc nguồn sáng rắn. Tƣơng tự nhƣ vậy, lĩnh vực chiếu sáng rắn SSL cũng phải đƣợc phân loại theo mục đích ứng dụng (chiếu sáng nhà ở, chiếu sáng đƣờng phố, chiếu sáng ô tô, chiếu sáng màn hình, chiếu sáng chữa bệnh, chiếu sáng nông nghiệp.) hay phân loại theo công nghệ chế tạo nguồn sáng nhƣ LED, OLED (Organic LED) hay laser bán dẫn. Trong công trình này, chúng tôi chỉ đề cập đến công nghệ chế tạo LED trắng, ứng dụng trong chiếu sáng dân dụng và chiếu sáng nông nghiệp. Một bộ đèn LED trắng công suất cao tích hợp nhiều cấu phần khác nhau, bao gồm các gói LED trắng, nguồn nuôi và điều khiển, linh kiện quang học, tản nhiệt và kết cấu cơ khí.
Mỗi cấu phần tạo nên sản phẩm tích hợp lại đòi hỏi một cấu trúc và công nghệ chế tạo khác nhau, phù hợp với nhau để đạt đƣợc các tính năng và chất lƣợng mong muốn. Chúng tôi sẽ chỉ tập trung vào phân tích hai công nghệ cốt lõi tạo nên giá trị cho sản phẩm của chúng tôi, đó là công nghệ LED và công nghệ FO. Nguyên lý hoạt động của LED LED là tên viết tắt của từ tiếng Anh Light Emitting Diode (đi-ốt phát quang). LED đƣợc chế tạo từ chất bán dẫn, tức là một loại vật liệu mà tính chất điện của nó thay đổi theo nhiệt độ và nồng độ pha tạp.
Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn hầu nhƣ cách điện do vùng dẫn của nó không có hạt tải. Khi nhiệt độ tăng, các hạt tải đƣợc tạo ra do điện tử nhảy từ vùng dẫn lên vùng hóa trị, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Cả điện tử lẫn lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện khi đặt một điện thế phân cực vào phiến bán dẫn. Vật liệu dùng để chế tạo điôt phát quang thƣờng có đỉnh của vùng hóa trị trùng với đáy của vùng dẫn (trong không gian vectơ sóng k) cho nên đƣợc gọi là bán dẫn vùng cấm thẳng.
Hạt tải không cân bằng trong bán dẫn vùng cấm thẳng có thời gian 7 sống phát quang rất ngắn (cỡ nano giây, do trong quá trình tái hợp, định luật bảo toàn động lƣợng đƣợc tự động thỏa mãn) nên rất thích hợp với việc sử dụng để chế tạo LED. Bán dẫn nhóm III-V nhƣ GaAs, GaP là những bán dẫn truyền thống trong công nghệ chế tạo LED hồng ngoại và LED đỏ. Các bán dẫn vùng cấm rộng nhƣ SiC, ZnO, ZnS, GaN có thể phát ra ánh sáng xanh hoặc tử ngoại, đủ để kích thích huỳnh quang các màu lục, vàng, đỏ, tạo ra nguồn sáng trắng. GaN là vật liệu thích hợp nhất để chế tạo LED sử dụng cho chiếu sáng vì có độ rộng vùng cấm vào khoảng 3,4 eV tại nhiệt độ phòng [1] với khả năng phát ra ánh sáng có bƣớc sóng khoảng 400 nm, tuỳ thuộc vào mức năng lƣợng của hai loại tạp chất (donor và acceptor).
Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của việc tạo ra điốt phát quang là tạo ra đƣợc chuyển tiếp p-n, vì vậy chỉ từ sau phát minh của Nakamura liên quan đến phƣơng pháp pha tạp loại p cho GaN [2], công nghệ chế tạo LED trên cơ sở GaN mới phát triển thành quy mô công nghiệp. Mặc dù LED phát quang bƣớc sóng ~400 nm có một số ứng dụng nhất định, nhƣng trong công nghiệp chiếu sáng, ngƣời ta quan tâm hơn đến các loại LED phát ánh sáng xanh BLED (Blue LED) vì BLED nằm trong dải độ nhạy của mắt ngƣời. Để tạo ra BLED, ngƣời ta pha thêm In vào GaN, tạo thành bán dẫn 3 thành phần GaInN, có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn so với GaN. Thông thƣờng ngƣời ta chế tạo hai loại BLED gọi là BLED (460-470 nm) và DB (Deep Blue) LED (440 nm).
Để chế tạo LED trắng, BLED đƣợc sử dụng nhiều hơn, vì hiệu suất sáng của BLED cao hơn so với hiệu suất của DB LED (độ nhạy sáng của mắt ngƣời ở bƣớc sóng 470 nm cao hơn ở 440 nm). Để tạo nên linh kiện phát quang, ngƣời ta sử dụng bán dẫn pha hai loại tạp chất là donor (loại n) và acceptor (loại p), tạo nên một vùng tiếp giáp gọi là chuyển tiếp p-n, còn linh kiện này đƣợc gọi là điôt (Hình 1. Trong trạng thái cân bằng, mật độ điện tử trong bán dẫn loại n tƣơng đối cao (1018- 1019 cm-3) và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nồng độ donor, nhiệt độ, ánh sáng, còn mật độ lỗ trống hầu nhƣ không đáng kể. Ngƣợc lại trong bán dẫn loại p, chỉ có lỗ trống, còn điện tử hầu nhƣ không tồn tại.
Khi bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc với nhau, do hiệu ứng khuếch tán điện tử và lỗ trống sang phía đối diện, vùng tiếp giáp với một hàng rào thế năng đƣợc hình thành. Trong điều kiện cân bằng, hàng rào thế năng này sẽ ngăn cản quá trình tiếp tục khuếch tán và tạo thành một vùng nơi mà cả điện tử lẫn lỗ trống đều có mật độ rất thấp gọi là vùng nghèo. Sơ đồ năng lƣợng trong không Hình 1. Sơ đồ năng lƣợng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi không có điện áp [3] chất khi đặt điện áp thuận [3] Khi đặt điện thế phân cực thuận vào điôt thì độ cao hàng rào thế năng giảm đi.
Kết quả là các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, và ngƣợc lại các lỗ trống sẽ tràn từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Tại vùng nghèo các điện tử và lỗ trống sẽ gặp nhau, tái hợp và bức xạ (Hình 1. Nhằm mục đích tăng hiệu suất lƣợng tử của linh kiện, thay vì sử dụng các bán dẫn đồng chất ngƣời ta sử dụng các loại vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm Eg khác nhau để tạo ra tiếp giáp p-n gọi là tiếp giáp dị chất. Khi tiếp giáp p-n sử dụng vật liệu bán dẫn có Eg thấp hơn nằm kẹp giữa hai vật liệu có Eg cao hơn, các hạt tải tự do sẽ bị nhốt bên trong (Hình 1.3) vùng có Eg thấp, gọi là giếng lƣợng tử nếu độ rộng của giếng đủ nhỏ để tạo ra hiệu ứng lƣợng tử.
Cấu trúc giếng lƣợng tử làm tăng xác xuất tái hợp của các hạt tải, tức làm tăng hiệu suất phát quang của linh kiện. Sơ đồ năng lƣợng trong không gian chuyển tiếp p-n với bán dẫn dị chất khi đặt điện áp thuận [3] Một thông số quan trọng của LED là đặc trƣng I-V, là sự phụ thuộc của dòng vào điện thế phân cực. Khác với sự phụ thuộc tuyến tính của điện trở, sự phụ thuộc của dòng điện khi đặt điện áp thuận vào có dạng hàm mũ trong gần đúng bậc một 9 , ở đây I là dòng điện, V là điện thế phân cực thuận.4 là đặc trƣng I-V của gói LED LM301B, với điện thế ngƣỡng hoạt động khoảng 2,6 V.5 thể hiện sự phụ thuộc của của cƣờng độ sáng vào dòng thuận của gói LED, theo đó cƣờng độ sáng tƣơng đối giảm khi dòng tăng do các hạt tải bị nhiệt hoá, giảm xác xuất tái hợp phát quang. Đặc trƣng I-V của gói LED Hình 1.
Sự phụ thuộc của cƣờng độ Samsung LM 301B [4] sáng vào dòng thuận của gói LED Samsung LM 301B [4] Công nghệ chế tạo BLED thƣờng dùng là Lắng đọng Hóa học Cơ Kim (Metal Organic Chemical Vapor Deposition- MO CVD), cho phép chế tạo các wafer có đƣờng kính lên tới 200 mm, tức là hoảng 30 000 chip LED kích thƣớc 1 mm2. Do có nhiều tiến bộ trong việc chế tạo ra các màng epitaxy tƣơng đối hoàn hảo, hiệu suất lƣợng tử trong chip BLED xanh đã đạt đến trên 88% vào năm 2016 và dự kiến sẽ đạt 94% vào năm 2020. Mặc dù hiệu suất lƣợng tử của chip BLED đạt đƣợc khá cao nhƣng hiệu suất lƣợng tử ngoài lại thấp hơn (~75% cho chip BLED thƣơng mại) do bị giam hãm bên trong do hiệu ứng phản xạ toàn phần trong chip LED. Để tăng hiệu suất lƣợng tử ngoài, nhiều giải pháp thay đổi cấu trúc bề mặt của chip LED nhƣ phủ lớp chống phản xạ hay làm gồ ghề bề mặt đƣợc ứng dụng, nhƣng cũng làm tăng chi phí sản xuất.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng của chip BLED, cần nâng cao mật độ dòng tối đa và nhiệt độ hoạt động tới hạn. Hiện nay mật độ dòng tối đa Imax của chip BLED thƣơng mại vào khoảng 35A/cm2. Việc nâng cao mật độ dòng tối đa cho phép nâng cao tổng quang thông mà không cần thay đổi kết cấu của chip LED. Tuy nhiên do ảnh hƣởng 10 của hiện tƣợng giảm hiệu suất khi tăng dòng (current droop) gây ra bởi hiệu ứng Auger do các hạt tải va chạm trong chip LED tạo ra hạt tải nóng và sinh nhiệt khi hồi phục.
Tƣơng tự nhƣ vậy, hiệu suất quang điện của các gói LED cũng bị giảm khi nhiệt độ hoạt động của LED tăng lên (hiện tƣợng ―thermal droop‖). Giải pháp nâng cao nhiệt độ hoạt động là giảm nhiệt trở Rsj từ vỏ (s-soldering point) đến chuyển tiếp p-n (j-junction location). Nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành để nâng cao mật độ dòng của chip LED và giảm nhiệt trở Rjs để giảm nhiệt độ Tj khi hoạt động [5]. Cho đến nay, hiệu suất phát quang của BLED đạt tới hơn 70%, đối với WLED khoảng 210 lm/W và phổ biến ở mức 160 lm/W với WLED thƣơng mại [6].
Thị trƣờng tiêu thụ LED trên thế giới đƣợc tổng kết khoảng 15 tỷ USD vào năm 2018. Vật liệu phosphor Vật liệu phosphor (hay vật liệu chuyển đổi bƣớc sóng) chiếm vai trò rất quan trọng trong quá trình đóng gói và sản xuất LED trắng.