چرا ساخت ال‌ای‌دی آبی ۳۰ سال طول کشید؟
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.
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؟
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 ماشین‌حساب ها 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.
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.
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.