Blue lighting technology với  LEDs và LDs – phần III

cấu hoạt động

Trần  Trí Năng

(Univ. of Minnesota & Ecosolar International)

Trong những số trước [1,2], chúng tôi đă giới thiệu với độc giả GS Shuji Nakamura của University of Santa Barbara (UCSB), người đă đưa ra thị trường sản phẩm đi -ốt phát quang màu xanh (blue light emitting diodes hay LED’s) và laze đi- ốt màu xanh (blue laser diodes  hay LDs).  Đây là một thành công lớn với nhiều ứng dụng trong nhiều lănh vực khác nhau chẳng hạn như  blu-ray optical storage như blu-ray disc, HD-DVD, LED TV, LED displays , outdoors lighting medicine, traffic signals, laser printers, laser displays và lọc nước. Chúng tôi cũng đă giới thiệu sơ qua sự khác nhau về cấu tạo giữa hai linh kiện bán dẫn này : Về cấu tạo, cả hai LEDs và LDs đều được chế tạo dựa trên multi quantum wells (MQW) với nhiều  lớp màng cực mỏng thuộc dạng nanotechnology [3].  Thực ra theo nguyên ly th́ cả hai LED’s và LD’s trong cấu tạo cơ bản đều gồm có hai lớp vật liệu chính với những tạp chất (impurities) khác nhau , i.e, n-type và p-type  để cho nhiều hạt electrons và holes. Bằng cách đặt ḍng điện ở hai đầu điện cực, ḍng điện ép hạt electrons và holes chạy về vùng tiếp hợp (junction) nằm giữa  hai lớp bán dẫn. Sự khác nhau giữa LED’s và LD’s là ở trường hợp của LD’s,  tia sáng được khuếch đại ở trong buồng cộng hưởng của LD’s. Ở phần cuối của buồng cộng hưởng , có thiết lập  phần gương để phản chiếu   phôton di chuyển  qua lại nhiều lần, khiến  cho phôton  va chạm với hạt electrons, bị kích thích và kết quả là thêm  nhiều hạt phôton phóng ra và cường độ ánh sáng được khuếch đại.  Trong bài viết tháng này, chúng tôi sẽ triển khai rộng hơn nguyên lư hoạt động của LEDs và LDs.

Từ khóa : multi quantum well (MQW), band gap, conduction band, valence band, Fermi level, spontaneous emission, stimulated emission, population inversion, optical confinemen, quantum efficiency.

1. Thay lời tựa

Những năm đầu thời sinh viên ở Nhật, tôi rất thích bài hát “Blue Light Yokohama” do nữ ca sĩ Ishida Ayumi và bài “Yokohama tasogare/ hoàng hôn Yokohama” do  nam ca sĩ Itsuki Hiroshi hát khoảng đầu thập niên 70’s. Một phần có lẽ hai bài này có những nét “trữ t́nh” và thơ mộng về một  thành phố cảng với bóng đèn màu xanh blue; một phần cũng có lẽ bài này cho tôi sống lại những chuỗi ngày  “c̣n mài đũng quần” trên ghế học tṛ ở thành phố cảng Qui Nhơn với  ánh đèn Néon đủ màu rực sáng về đêm. Tôi có đến Yohohama vài lần ; đi qua khu Motomachi và khu Chukagai (China town). Yokohama tuyệt đẹp với ánh sáng màu  “ Machi no akari ga  tottemo kireine Yokohama”. Tôi đi một ḿnh dọc theo cảng khi chiều xuống, ngang qua các tiệm quán,   nh́n  khói thuốc (tabako  no kemuri ) loăng tan theo bóng đêm  trong khi  nghe tiếng đờn guitar réo rắt điệu t́nh (atenai koiuta nagashi no gitaa). Tôi đi thật chậm, mơ màng theo ḍng suy tư. Tôi  cứ lê chân đi, tiếp tục bước đi như con thuyền nhỏ trôi theo ḍng (aruite mo, aruite mo kobune no yooni). Đi để t́m về kỷ niệm, để thấy thấm thía sự mất mác của một chuyến ra đi :  Người ấy đă đi mất rồi (anohito wa itte shimatta),  như một cánh chim hải âu bay về phía đèn hải đăng (Uminari toodai ichiwa no kamome).  Rồi bay xa… xa măi… Có một lần tôi về thăm lại Yokohama,  gặp phải cơn mưa vào lúc ngày sắp tàn.  Nh́n những giọt mưa  tung tăng trong vũng nước phản chiếu ánh đèn néon như những ngọn đèn bé nhỏ màu xanh đang tung tăng trong điệu múa :

“…Mưa ră rich bước chân dài trong phố,
Màn  đêm
  buông lơi  trên hàng quán bên đường
Vũng nước lăng tăng những giọt thắm yêu thương
Ngàn đóm xanh tung tăng trong điệu múa …”

                                                TBA

Rồi thời gian cứ trôi qua;  “hành tŕnh ngược xuôi đi học, đi làm kiếm sống” đă khiến tôi rời Tokyo, Chiba và đưa tôi về những thành phố xa,   rất xa.  Lâu lắm rồi tôi chưa có cơ hội về thăm lại Yokohama, thành phố cảng thân thương ngày nào. Yokohama giờ chắc khác nhiều; những bóng đèn xanh “blue light” trong bài hát của Ishida Ayumi ngày nào chắc đă thay  thế bằng đèn nhỏ  LEDs; khu phố, con đường ngày xưa giờ chắc tấp nập hơn... Nhưng dù đèn Neon hay đèn LED’s, đối với tôi màu xanh lúc nào cũng dễ chịu, nhẹ nhàng và quyến rũ…(nhờ ḍng sông màu nắng hết xanh xao; nhờ màu trời  màu xanh thành hy vọng ; cám ơn đời tôi sống trọn bao năm – TBA).

2. Muôn sắc màu rực rỡ

“…Đỏ, vàng, xanh lộng lẫy
Tươi thắm rộn ḷng người
Bên em chiều biển vắng
Dă tràng theo sóng vơi…”

                    TBA

LEDs và LDs cho những màu sắc khác nhau. H́nh 1 biểu hiện  màu xanh blue của LDs và màu ultraviolet của LEDs  do GS Nakamura và nhóm ông chế tạo lúc ông c̣n làm ở Nichia.

 

 

     

H́nh  1  : On the left:. Blue light emission from a GaN-based electrical carrier injection laser diode. [Photo: Nichia Chemical Industries, ref. 4]; on the right: LED’s with UV light [5]

H́nh 2 tóm lược danh sách những chất bán dẫn dùng trong LEDs  với   chiều dài bức  sóng khác nhau và v́ thế cho những màu sắc khác nhau từ đỏ, sang vàng đến  xanh blue [6].  Chẳng hạn LED cho màu ultraviolet  ở h́nh 1 được chế tạo từ GaInN có chiều dài bức  sóng  370 nm; trong khi đó  LED với màu xanh blue  dùng GaInN với chiều dài bức  sóng 450 nm.

H́nh 2: Những chất bán dẫn dùng trong LEDs cho  những sắc màu khác nhau [6]

 

3.  Cấu tạo và nguyên ly hoạt động của blue LEDs & LDs

3-1 Vài nét về LDs

Trong những số trước, chúng tôi tŕnh bày khái niệm và lịch sử  khai phát LEDs. Trong số này, chúng tôi sẽ thảo luận vài nét đặc thù của LDs trước khi thảo luận về cơ cấu vận hành của hai linh kiện bán dẫn light emitting diodes (LEDs) và laser diodes/hay laze (LDs). Laser viết tắc từ  Light Amplification by the Stimulated Emission   of Radiation. Vận hành của linh kiện bán dẫn này dựa trên sự tổng hơp của ba cơ cấu : phát xạ kích thích (stimulated emission), tập hợp nghịch chuyển (population  inversion) và phản hồi dương trong buồng cộng hưởng (positive feedback in the cavity). LEDs và LDs cả hai đều có  cấu trúc với multi quantum wells (MQW), như đă tŕnh bày ở số tháng ba [3]. QW dùng để  kiềm chế hạt electrons và holes  theo  hướng thẳng góc với bề mặt của màng mỏng. The quantum well (hay  double-heterostructure như thường được biết) đầu tiên được đề xuất hầu như cùng một lúc vào năm 1963 bởi Herber Kroemer [7] ở Mỹ và các Zh. I. Alferov and R.F. Kazarinov ở Nga  [8].  Hai ông Alferov và Kroemer chia  giải thưởng Nobel về vật ly  năm 2000 về sự khám phá này.  Charles Henry & D. Dingle của  Bell Laboratories lần đầu tiên thành công trong việc chế tạo  quantum well laser có thể hoạt động vào năm 1974  [9]. Hai ông nhận được bằng sáng chế tựa đề “Quantum Effects in Heterostructure Lasers”  sau đó  vào ngày 21, tháng 9, 1976 với phần tóm lược  như sau :”   A quantum well laser is a laser diode in which the active region of the device is so narrow that quantum confinement occurs. The wavelength of the light emitted by a quantum well laser is determined by the width of the active region rather than just the bandgap of the material from which it is constructed. This means that much shorter wavelengths can be obtained from quantum well lasers than from conventional laser diodes using a particular semiconductor material. The efficiency of a quantum well laser is also greater than a conventional laser diode due to the stepwise form of its density of states function”. Khái niệm về   discrete energy levels  được biểu hiện ở H́nh 3.

 

H́nh 3: Khái niệm về discrete energy levels ở  quantum well laser [6].

MQW laser hữu hiệu hơn LEDs và những semiconductor lasers khác về công suất đầu ra (output power). Chẳng hạn như, với  LEDs,  ḍng điện 150 mA cho ra công suất  1 mW power; trong khi đó với LD thông thường, 10 mA cho ra 1 mW và với QW lasers 10 mA cho ra công suất đầu ra từ 3 mW- 100 mW. 

 

3-2 Ôn lại vài định nghĩa cơ  bản làm nền tảng cho việc cắt nghĩa nguyên ly hoạt động của LEDs và LDs

3-2-1 Băng dẫn (conduction band)  Ec và băng hóa trị (valence band) Ev

Băng dẫn  là nơi có nhiều hạt electrons trong khi đó hầu hết holes nằm ở băng hóa trị (h́nh 4 a). Những ṿng tṛn nhỏ tô đậm  chỉ định nồng độ  đỉnh của hạt electrons nằm gần  cạnh biên   của băng dẫn Ec. Tương tự như vậy, các ṿng tṛn trống  chị định nồng độ đỉnh của  holes gần cạnh biên  của băng hóa trị Ev.

 

 

(a)

(b)

H́nh 4:  (a) Sơ đồ về sự phân phối của hạt electrons và holes  ở băng dẫn Ec  và băng hóa trị Ev  ; (b) Vị trí của băng dẫn (conduction band) Ec, băng hóa trị (valence band)  EV ,  mức Fermi (Fermi level) EF , mức trung tính Ei  trong ba trạng thái bán dẫn : intrinsic (không pha  tạp chất), n-type (với tạp chất thuộc nhóm V)  và p-type  (với tạp chất thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn)  [10]

3-2-2  Mức trung tính (intrinsic level) Ei  và mức Fermi (Fermi level) EF 

 Mức trung tính  Ei nằm giữa băng dẫn Ec và băng hóa trị Ev ; trong khi đó mức Fermi được dùng như mức tham khảo để chỉ định xác xuất  số lượng hạt electrons hiện hữu. Khi mức Fermi EF  nằm ở trên  mức trung tính  E(đường chấm chấm trong h́nh), chúng ta có chất bán dẫn thuộc dạng n-type : ở trạng thái này, có nhiều hạt electrons (hay nói một cách khác : hạt electrons là hạt tải đa số/majority carriers)  và ít holes (hạt tải thiểu số/ minority carriers). Trường họp ngược lại có thể  áp dụng khi mức Fermi EF  nằm dưới  mức trung tính Ei. Tham khảo h́nh 4 (b).

3-2-3  Tiếp hợp p-n  (p-n junction) 

 Giờ chúng ta thử mang chất bán dẫn p-type (h́nh 5 a) tiếp hợp với chất bán dẫn  n-type, mức năng lượng  của hai bên sẽ điều hợp với nhau bằng cách mang  mức Fermi  EF  đến  ngang với nhau đưa đến  trang thái thằng bằng (h́nh 5 b); kết  quả là tạo nên  sự  khác nhau về năng lượng  Vbi giữa băng  dẫn  EC  của p-type  và n-type (h́nh 5 c). Ở t́nh trạng này như chỉ định trên  biểu đồ băng (band diagram), hạt electrons từ phía n-type  phải có năng lượng hoặc bằng hoặc  lớn hơn Vbi  đủ để chuyển sang phía p-type  và để cho ḍng điện bắt đầu   chạy. Nếu không đủ năng lượng đ̣i hỏi  th́ hạt electrons không thể tham gia vào hoạt động dẫn điện và linh kiện bán dẫn sẽ không hoạt động.

 

 

(c)

H́nh 5: Biểu đồ băng (band diagram) của tiếp hợp  p-n. [10]

  Như thế nếu không đủ năng lương để vượt qua bức tường năng lượng Vbi , những hạt electrons sẽ phải quay ngược trở lại theo chiều mũi tên về phía bán dẫn  n-type của h́nh 6a. Trường hợp tương tự sẽ  xảy ra  cho holes theo chiều mũi tên đi về phía bán dẫn p-type.  Để  cho sự di động của hạt electrons từ phía n-type  sang phía p-type  được dễ dàng hơn, chúng ta có thể đặt một điện thế dương  (positive voltage VA  hay gọi nôm nà là  forward bias)  để làm giảm chiều cao của bức tường năng lương xuống c̣n Vbi – Vnhư được biểu hiện ở h́nh 6 b.  

            H́nh 6 (a) : Band diagram of p-n junction at VA =0 (thermal equilibrium). The total current  is the sum of the individual electron omponents (electron diffusion component + electron drift component)  and hole components (hole diffusion component + holedrift component). The n vs E curve in the inset indicates the  distribution of carrier concentration n as a function of energy E [from A. Doolittle- Georgia Tech]

           

Ở h́nh 5 (a) khoảng cách giữa băng dẫn  EC  và  băng hóa trị  EV  gọi là  vùng cấm (energy gap) hay bandgap.  Khoảng cách này càng nhỏ, th́ năng lượng đ̣i hỏi càng ít cho hạt electrons  nhày từ băng hóa trị Elên đến băng dẫn EC. Trên quan điểm vật liệu, th́ bandgap  này tỉ lệ nghịch với chiều dài bước  sóng λ (chiều  dài này quyết định màu sắc phát quang) theo công thức dưới đây :

   (1)

E: bandgap; h=  hằng số Plank (Plank’s constant), = tần số ánh sáng (frequency of light)   và  λ= chiều dài bước sóng (wavelength).

H́nh 6 b : Forward bias với điện thế dương VA  đặt   ở  hai đầu điện cực của  tiếp hợp p-n làm giảm bức tường năng lượng xuống c̣n Vbi – VA và v́ thế sự di chuyển của hạt electrons và holes được  dễ dàng hơn [from A. Doolittle- Georgia Tech].

Để có nhiều hạt electrons  nợi băng dẫn  và nhiều holes ở băng hóa trị, chúng ta có thể “heavily dope/ thêm rất nhiều tạp chất” để cho  nhiều donors  (cho hạt electrons) hay acceptors (nhận hạt electrons) hơn. Trong trường họp này, mức Fermi  EF  nằm trong băng dẫn  – gọi là  EFC  ; và khi mức Fermi EF  nằm trong băng hóa trị  – gọi là  EFV  . Khi hạt electrons chuyển  từ mức năng lượng cao  kết hợp với holes  ở  mức năng lượng thấp,   số năng lương dư sẽ được phóng thích ra dưới dạng nhiệt hay  ánh sáng.

3-2-4  Phát xạ tự phát (spontaneous emission), phát xạ kích thích (stimulated emission) và tập hợp  nghịch chuyển (population  inversion) 

3-2-4-1 Mô h́nh tổng quát

H́nh 7  biểu hiện mô h́nh tổng quát của các qui tŕnh  : phát xạ  tự phát, hấp thụ (absorption) và phát xạ  kích thích.

Phát xạ tự phát của ánh sáng gây ra do sự tái kết hợp phát xạ ( radiative recombination)  của đi-ốt. Hiện tượng này  thường được  biết  là  điện phát quang (electroluminescence hay EL). Từ  “electroluminescence”  được dùng khi phát quang được tạo ra với tác động của điện trường.  Trong trường hợp này,  mặc dù sự tái kết hợp có thể xảy ra trên  toàn cấu trúc của đi-ốt  v́  “hạt tải/carriers” có khuynh hướng khuếch tán  xa khỏi vùng tiếp hợp,  phần lớn ánh sáng phát ra  từ  vùng tiếp hợp của  p-n đi- ốt. Số lượng   tái kết hợp phát xạ và vùng phát xạ trong cấu trúc tùy thuộc vào chất bán dẫn và phương pháp chế tạo linh kiện bán dẫn.

 

H́nh 7: Mô h́nh tổng quát  biểu hiện các  hiện tượng  phát xạ tự phát (spontaneous emission), hấp thụ (absorption) và phát xạ kích thích (stimulated emission).

Phát xạ tự phát xảy ra khi hạt electrons từ băng dẫn EC tái kết hợp với holes ở băng hóa trị EV; trong khi đó,  sư hấp thụ (absorption)  là kết quả đạt được khi hạt electrons nhảy từ băng hóa trị lên đến băng dẫn, để lại holes  nơi băng hóa trị  EV.  C̣n phát xạ kích thích là do sự  kích thích  bởi một lượng  năng lượng  khác.

3-2-4-2  Phát xạ tự phát (spontaneous  emission)

Phát xạ tự phát  diễn tả một quy tŕnh nơi mà hạt electrons từ một trạng thái kích thích (excited state)  rơi xuống trạng thái an định (ground sate). Năng lượng của phô-ton/ quang tử (photons) sinh ra bởi quá tŕnh này  được định nghĩa  như là sự  khác biệt  năng lượng  giữa trạng thái kích thích (the excited state) Evà trạng thái an định  E1 (h́nh 8)

                        (2)

H́nh 8 cắt nghĩa chi tiết  hơn về quá tŕnh này tuần tự theo  thứ tự ở ba giai đoạn : trước khi tái kết hợp, lúc tái kết hợp và sau khi  tái kết hợp xảy ra. Ở giai đoạn ba, pho-tôn  được phát ra.

 

H́nh 8: Phát xạ tứ phát (spontaneous  emission)

 

3-2-4-3 Stimulated emission

Phát xạ kích thích ( stimulated  emission) xảy ra  khi chúng ta có nghịch chuyển về tập hợp hay  nồng độ hạt tải (population inversion). Nói một cách khác, khi chúng ta đưa vào chất bán dẫn  hạt tải thiểu số  nhiều đến nỗi  ở vài vùng trong cấu trúc có nhiếu “excited carriers” (hạt electrons) hơn là “ground state carriers” (holes). Nói một cách khác, phát xạ tự phát  là một qui tŕnh nơi đó hạt electrons “relax”  khi rơi từ trạng thái kích thích.  Phát xạ kích thích ngược lại là một qui trính xảy ra  khi pho-tôn tới (incident photons) kích thích sự hồi phục (relaxation)  của hạt electrons từ trạng thái kích thích E2 rơi xuống trạng thái an định   E1 . Kết quả cho ra hai phô-ton có cùng năng lượng (nên cùng bức sóng), cùng hướng (direction)  và cùng pha (phase). Sự liên kết pha ( phase coherence)  dẫn đến sự phân kỳ tối thiểu (minimal divergence) của tia quang học và đưa đến nguồn ánh sáng định hướng (directed light source). Nguồn ánh sáng này có cùng trạng thái lượng tử và v́ thế được gọi là coherent light (h́nh 9).

 

H́nh 9: Phát xạ kích thích (stimulated emission)

 

. 3-2-4-4  Tập hợp  nghich chuyển (population inversion)

Ở chất bán dẫn, sự nghịch chuyển  về dân số hay nồng độ  hạt tải (population inversion) có thể đạt được bằng cách cho một số lượng lớn hạt tải (high  carrier injection)  vào  vùng hoạt động mỏng ( thin active region  ~ μm) thuộc heavily doped p+-n+  junction  hay double heterostructure (chất bán dẫn có bandgap nhỏ nằm giữa hai chất bán dẫn có bandgap lớn) , đưa đến t́nh trạng  kích thích tự phát hạt electrons và holes ở cùng một không gian. Kết quả  đưa đến một số lượng lớn và bằng nhau của  hạt electrons và holes ở băng dẫn và  băng hóa trị  Lúc đó,   những hạt electrons “chuyển tiếp xuống /downward transitions” từ băng dẫn. Những pho-tôn tạo ra thay phiên  kích thích nhiều hạt electrons và  kết quả là nhiều chuyển tiếp sẽ xảy ra, dẫn đến hiện tượng khuếch đại (amplification)  và đưa đến  pho-tôn có cùng pha.

3-3  Working mechanism of LEDs vs LDs

LEDs và LDs sẽ được cắt nghĩa dựa vào những khái niệm căn bản chẳng hạn như band gap, phát xạ kích thích, phát xạ tự phát, MQW, tập hợp nghịch chuyển  và kiềm chế quang học (optical confinement) mà chúng ta đă thảo  luận trong  số tháng hai [2]. Về cấu tạo  cả hai đều thuộc dạng  đi-ốt với heavily doped semiconductors ; ở đó sự tái kết hợp xảy ra trong vùng hoạt động  khi  ḍng điện  bắt đầu  chạy vào linh kiện bán dẫn. Forward bias dùng để giảm bức tường điện thế nằm  ở vùng tiếp hợp p-n; và hạt electrons ở băng dẫn kết hợp với holes ở vùng băng hóa trị tạo năng lương đủ để phóng ra tia sáng.

3-3-1 LED’s

LEDs được tạo thành với những chất bán dẫn hỗn hợp như  gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), gallium arsenide-phosphide (GaAsP), silicon carbide (SiC) and gallium indium nitride (GaInN).  Việc chọn chất bán dẫn sẽ quyết định  chiều dài bức sóng của đỉnh phát xạ (peak emission)  của phôton  và v́ thế sẽ ảnh hưởng đến màu sắc của ánh sáng phát ra. Tia  sáng của LEDs đạt được do phát xạ tự phát, do sự tái kết hợp  của hạt electrons và holes trong vùng hoạt động khi  đi-ốt đặt ở forward bias. Lúc này tia sáng được phóng ra theo  nhiều hướng. Chất bán dẫn dùng, thường  thuộc nhóm III-V compounds, có direct band gap  để bảo đảm hiệu xuất lượng tử cao (high quantum efficiency).

LED phóng ra photon không liên kết pha (incoherent), không cùng hướng (non-directiona) và  không phân cực (unpolarized). Những photon tự phát này sẽ không bị khuếch đại  bới phát xạ kích thích.. Thêm vào đó LED không có ḍng điện giới hạn (threshold current).

H́nh 10 biểu hiện  cấu tạo tổng quát của LEDs : (a) phía p –type nằm trên bề mặt nới ánh sáng phát ra ; thường rất   hẹp  (khoảng vài microns) để phôton có thể thoát ra mà không bị  hấp thụ  trở lại; (b) phía n-type  pha rất nhiều với tạp chất (heavily doped)  để bảo đảm  sự tái kết hợp sẽ xảy ra ở phía p-type; (c) phôton  phóng  ra về phía  n-type  hoặc bị hấp thụ   hoặc  bị phản chiếu ngược lại từ phía phân giới với vật nền, tùy thuộc vào chiều dày  của vật nền và cấu tạo của LEDs. Biểu đồ băng  và cơ cấu vận hành của LEDs được biểu hiện ở h́nh 11;  cơ cấu vận hành thực ra giống như  cơ cấu ở h́nh 6 (a) và (b).

 

H́nh 10. Schematic illustration of typical planar surface emitting LED devices.[6]

 

H́nh 11. Band diagram and working mechanism of LEDs [6]

H́nh 12 biểu hiện biểu đồ băng (band diagram)  của trường hợp tiếp hợp p+-n+ có rất nhiều chất pha tạp (heavily doped p+-n+ junction). (a) trạng thái thăng  bằng nhiệt và (b) với điện thế đặt ở hai đầu điện cực của tiếp hợp p+-n+ để làm giảm bức tường năng lượng.

Để có nhiều hạt electrons  nợi băng dẫn  và nhiều holes ở băng hóa trị, chúng ta có thể “heavily dope” chất bán dẫn p-type và n-type để cho  nhiều donors  (cho hạt electrons) hay acceptors (nhận hạt electrons) hơn. Trong trường họp này, mức Fermi (Fermi level)  EF  nằm trong băng dẫn  – gọi là  EFC  ; và khi mức Fermi EF  nằm trong băng hóa trị  – gọi là  EFV ; và EFC  và  EFV  đều hợp với nhau để có thể   nằm ở cùng một mức năng lượng ngang nhau (h́nh 12 a ).

 

.H́nh   12  (a) Heavily doped p+-n+ junction in thermal equilibrium; (b) heavily doped p+-n+ junction under forward bias.[6]

When the forward bias  > Eg,  với  high  injection carrier density, vùng hoạt động  được h́nh thành  gần vùng tiếp hợp p-n.

Khi hạt electrons chuyển  từ mức năng lượng cao  kết hợp với holes  ở  mức năng lượng thấp, số năng lương dư sẽ được phóng thích ra dưới dạng nhiệt hay  ánh sáng (h́nh 12b).

Một thí dụ về biểu đồ băng với quantum well QW  được biểu hiện ở h́nh 13 ; ở đây, chất bán dẫn   trong cấu trúc của LED’s  có direct bandgap.  Hạt tải đa số   tiêm nhập  vào phía đối diện  của LED trở thành hạt  tải thiểu số và tái kết hợp,  phát sinh ra phôton. QW dùng để bẫy (trapped)  hạt electrons và holes và v́ thế tăng độ kết hợp (recombination. rate).

 

 H́nh 13 :  LED’s with MQW (from A. Doolittle- Georgia Tech)

 

Như có thể biểu hiện ở h́nh 14, công xuất quang học gia tăng với số QWs dùng trong LEDs, thường th́ con số này giới hạn trong ṿng 3-5.

 

H́nh 14:  Light  output của LEDs tăng lên với số QW dùng.

 

3-3-2 LDs

Khác với LEDs, LDs  dùng  phát xạ kích thích để cho ra tia sáng cùng pha (coherent light) và cần một số lượng  lớn phôton  để tạo phát xạ kích thích.  Khi năng lượng đặt  trên chất bán dẫn lớn hơn bandgap, hai trường hợp có thể sẽ xảy ra: phôton bị hấp thụ trong  chất bán dẫn, kích thích hạt electron; electrons  sẽ di  chuyển  từ băng hóa trị  đến băng dẫn; hoặc  năng lượng  này  kích thích sự tái kết hợp phát xạ của hạt electrons và holes, hay gọi là phát xạ kích thích. Nếu phôton thứ hai này (second photon)  có cùng tần số và định  hướng như phôton thứ nhất, hai photons sẽ tạo tia sáng cùng pha (coherent light). Tập hợp nghịch chuyển   xảy ra  khi hạt tải thiểu số  của p-n tiếp hợp vượt quá số hạt tải đa số. Điều này có thể xảy ra khi  dùng kích thích quang (optical excitation) hay bằng cách dùng  tiêm nhập điện (electrical injection) với mật độ ḍng điện  cao . Với blue LD’s, ḍng điện thuận (forward current) tăng lên  tới  mức độ tới hạn (critical level)   lúc mà tập hợp  nghịch chuyển xảy ra.. Ở trong trường họp này, sẽ có  nhiếu holes hơn là hạt electrons ở băng dẫn và nhiều hạt electrons hơn holes ở vùng băng hóa trị. Nói một cách khác  một số lượng rất lớn hạt electrons và holes  có khả năng kết hợp với nhau  để phóng ra phôton.  Và khi t́nh trạng này xảy ra,  những hạt phôton mới tạo ra có thể bị khởi động (triggered) bởi những xung đột ngẫu nhiên (random  collisions)  của hạt electrons và holes, tùy thuộc   vào ảnh hưởng của   những hạt photons chạy ngang qua. Những photons này có khả năng kích thích  thêm và gia tăng   sự sản xuất ra nhiều photons hơn.

Điều quan trọng  thực hiện được ở đây  là photons  bị khởi động  bởi những  phôton   có cùng chiều dài bức sóng  và cùng pha   với nhau. Nói một cách khác, những photon này đồng bộ hóa với nhau (synchronization) và tạo thành  lớp sóng liên tục của phát xạ cùng pha (continuous wave  coherent radiation). Phần gương  được đặt ở hai đầu của đi-ốt để tạo ra pḥng cộng hưởng  quang   và để lượng phôton trong vùng hoạt động   gia tăng cho đến khi  lượng phát xạ từ  phát xạ kích thích  cao hơn  lượng phát xạ từ phát xạ tự phát. Để cho ra ánh sáng,  một trong hai phần gương  phài  hoặc là một nửa trong suốt   hay có lỗ nhỏ trên đó.   Với  sự hiện diện của  buồng cộng hưởng, phôton có thể di chuyển qua lại nhiều lần từ đầu bên này  đến đầu bên kia của buồng, khởi động  nhiều hơn nữa lượng photons đồng bộ với nhau. Kết quả là có nhiều  coherent light  được phát ra.  Và v́ hai đầu của buồng cộng hưởng không hoàn toàn  phản xạ  (thường khoảng 90-95%), một số coherent light rời laser chip để tạo luồng áng sáng phát ra bên ngoài.  Một điểm nữa cần đề cập  là  một lượng lớn hạt tải mang điện  cần thiết ở vùng hoạt động có thể gây ra sự co lại trong lớp bán dẫn. Một cách để giải quyết vấn đề  này là dùng heterostructure  ở đó  n-type và p-type chung quanh có bandgap lớn hơn  và kết quả là hạt tải bị kiềm chế ở vùng giữa (như đă tŕnh bày trước).

LDs có hai dạng: dạng nằm ngang (horizontal type)  với ánh sáng  phóng ra từ đầu được mài nhẵn của con chip, và dạng thẳng đứng (vertical  type) . Cà hai dạng đều vận hành theo nguyên ly‎ đă được cắt nghĩa trên ; sự khác nhau chính nhất nằm ở  vùng hoạt động phát sinh ánh sáng và ở buồng cộng hưởng. Bởi v́ LDs  vận hành  với mật độ ḍng điện cao  và có điện trở thuận rất thấp khi lasing, LDs  dễ bị phá hủy  do độ không ổn định nhiệt ( thermal runaway). Cường độ của tia sáng  có thể tăng lên đến độ  làm phần gương bị nóng chảy.  Thế nên, chúng ta cần phải thận trọng khi vận hành LDs hơn là LEDs.  Có nghĩa là ḍng điện phải điều chỉnh   và optical feedback thường được dùng để bảo đảm độ an toàn  cho phần phát quang ở đầu ra.

3-3-3 Hệ mạch điện

3-3-3-1 LEDs

Về cấu tạo, đèn LED gồm có thấu kính epoxy màu (colored epoxy lens), màng kính nơi ánh sáng từ LED chip xuyên qua, hộp kim loại, LED chip, metal header và lớp cách điện bằng kính (glass insulator) [h́nh 15]. LED chip  được gắn  trên  phần trong nơi có dây dẫn điện cực catốt bằng một chất  xi-măng dẫn điện. Đầu điện cực catốt này thường  được h́nh thành  dưới  dạng vật phản xạ h́nh đĩa nhỏ  theo phương cách   thích họp để cho  nhiều ánh sáng phát ra ở phần trên của đèn. Một dây ghép nối nhỏ  dùng  để kết nối  đầu anốt với  điện cực nằm ở phần trên của con chip. Sau khi hoàn thành, bộ phận lắp ráp được bọc kín với nhựa epoxy trong   hoặc có   màu nước (water clear) hay có màu thích hợp với đỉnh phát sáng của LEDs.  Thường th́ có khoảng 15.000 LEDs  trên 2” (5 cm)  wafer với kích cỡ của mỗi con chip là  0.35 mm x 0.35 mm. Đặc tính quang học của chất bán dẫn  sẽ quyết định màu  phát sáng của LEDs : chẳng hạn nhự AlGaAs, AlGaInP cho màu đỏ  đến màu vàng/xanh lá cây (yellow/green); và  InGaN cho màu xanh lá cây/xanh đậm (green/blue)

 

H́nh 15: Cấu tạo cơ bàn  của đèn LEDs [11]

 

         

(a)                                                                 (b)

H́nh 16 (a) Circuit for running LED from a DC source;
(b) two ways of running LED from an AC supply.  [12]

Khi LED vận hành ở DC  mode, điện trở  Rs được dùng để thiết lập  ḍng diện thuận (forward current) của  mạch điện vận hành ở một mức độ thích hợp nằm trong khoảng  5-20 mA (h́nh 16 a). Điện trở Rs được tính dựa theo công thức :

Rs= (VS-VF)/IF 

VS = điện thế nguốn ; VF =  điện thế thuận

Mặc dù LEDs thường dùng ở forward conduction mode và không được đặt ở  điện thế nghịch. Thường thường người ta giữ điện thế nghịch  chỉ tiêu (reverse voltage rating) vào  khoảng -5V  pḥng ngờ trường hợp có sự kết nối nghịch (reverse connection) bất trắc xảy ra.

Trường hợp LED vận hành với nguồn AC, để tránh  sự kết nối với điện cực nghịch không xảy ra, mạch điện  B  có thể dùng (Fig.16b). Ở đây silicon đi-ốt  kết nối theo hướng nghịch được kết nối trực tiếp ở hai đầu  của LED  để giới hạn điện thế nghịch  vào khoảng 0.6 V (điện thế phân giới   của silicon đi-ốt).

Như thế LED  sẽ được bảo vệ; nhưng sẽ gặp vấn đề là ánh sáng từ LED chỉ phát ra ở nửa chu kỳ (AC). Thế nên,  lượng ánh sáng ra và hiệu xuất  sẽ bị giảm một nửa.  Phương pháp (Wheatstone Briege) biểu hiện ở H́nh  16 b có thể giải quyết vấn đề này và duy tŕ được lượng  ánh sáng phát ra và hiệu xuất cao hơn. Người ta cũng dùng  short pulse cycle- short duty cycle (on/off ratio)   trong trường hợp ánh sáng đầu ra nhiều hơn. Trong trường hợp này, ánh sáng ở đầu ra có thể gia tăng nhiều với  mạch xung (pulses), trong khi đó vẫn c̣n có thể duy tŕ mức  điện trung b́nh và công xuất  sinh ra nằm trong phạm vi đ̣i hỏi  bởi chỉ tiêu.

 

3-3-3-2 LDs

Package của LD được biểu hiện ở H́nh 17 với đi-ốt dùng để để kiểm soát công suất.

 

           

(a)                                                                  (b)

H́nh 17 [12]

LDs vận hành ở mật độ ḍng điện cao và có điện trở thuận  rất thấp  khi phát quang lasing xảy ra,  LDs v́ thế  rất có thể bị hủy hoại v́ độ không ổn định nhiệt.  Mật độ phát sáng có thể tăng lên đến mức  mà lớp  kính ở hai đầu   có thể bắt đầu nóng chảy. 

Thế có nghĩa là chẳng những ḍng điện của  LDs  phải được điều chỉnh bằng một mạch điện nhất định hơn là chỉ bằng  điện trở thôi; và  đồng thời phản hồi quang tiếp ngược (optical negative feedback)  thường cũng phải  dùng luôn để bảo đảm việc duy tŕ đầu ra quang (optical output) ở một mức  độ nhất định.  Để dễ dàng hơn trong việc thực hiện phản hồi quang này,  hầu hết các LDs  có  silicon PIN photodiode  đặt ngay trong hệ thống điều chỉnh;  dàn xếp  thế nào mà photodiode này  sẽ nhận một cách tự động một lượng quang   tương đương với lượng quang từ đầu ra của  LDs.  Output này của photodiode  sau đó được dùng  để kiểm soát  lương điện cung cấp  qua LDs  bởi một mạch điện nhất định để giữ  sự vận hành  an định và đáng tin cậy.

H́nh 17 (b)  biểu hiện một hệ thống điều chỉnh ḍng điện đơn giản  dùng  để vận hành LDs. Mạch điện  dùng cho LDs  gồm có  diodes dùng để kiểm soát ḍng điện vận hành  và ánh sáng phát ra. Đi -ốt  dùng trong việc kiểm soát “shunt” the base  forward  bias ở tranzito  Q1; và  emitter voltage của tranzito này được giữ ở mức độ nhất định bởi  Zener diode. Kết quả là với sự điếu chỉnh điện trở VR, ḍng diện của LD  được giữ ở mức độ ổn định

3-3-3-3 So sánh hiệu suất và công suất giữa LEDs và  LDs

Cả hai LEDs và LDs có cấu trúc p+-n+  của direct  bandgap semiconductor vận hành với forward bias. LED không có điện thế giới hạn (threshold voltage);  phát quang khi ḍng điện tiêm nhập (injection current) chạy qua vùng tiếp hợp. Tia sáng của LEDs đạt được là do  sự tái kết hợp phát xạ của electrons-holes  trong vùng hoạt động của linh kiện đi-ốt này. LEDs cho ra phôton tự phát không cùng pha, không độ chỉ hướng và không phân cực (incoherent, không non-directional và unpolarized spontaneous photons). Những photons này sẽ không được  khuếch đại  bởi sự phát xạ kích thích như LDs. Trường hợp của LDs th́ khác : LD là một linh kiện bán dẫn  khuếch đại quang (semiconductor optical amplifier).   Sự phản hồi quang học ( optical feedback) của LDs được thực hiện  bằng cách cleaving chất bán dẫn dọc theo trục kết tinh của tài liệu bán dẫn này. Sự khác nhau rơ rệt giữa tinh thể và môi trường chung quanh làm cho cleaved surfaces đóng vai tṛ như tấm gương phản xạ. Thêm vào đó, sự khác biệt rơ rệt của hai linh kiện bán dẫn LEDs và  LDs nằm ở  công suất đầu ra (output power) : công suất đỉnh (peak power) của LDs  được đo bằng đơn vị watt (W)  trong khi đó công suất  của LEDs chỉ ở vào khoảng milliwatts (mW). Ngoài ra LEDs có 50% chu tŕnh hoạt động (duty cycle); có nghĩa là ON 50%   và OFF 50% bất luận vận hành ở tầng số nào.

 Khi vận hành dưới threshold, LDs  tạo phát xạ tư phát   và tương tự như LEDs. LDs có tính năng  tốt hơn  v́ hiệu suất chiết xuất (extraction efficiencies)  ήe khoảng trên 10%  trong khi đó  hiệu suất chiết xuất của LEDs ở  vào khoảng vài %. Điều này  manh nha từ  sư kiện LDs  vận hành trên căn bản phát xạ kích thích. Vă lại,  LDs  phóng ra nhiều nhiệt hơn, nên cần có bộ hấp thụ nhiệt  để phân tán nhiệt. So với LEDs, LDs nhỏ hơn, cho nhiều ánh sáng,  có tuổi thọ  dài hơn  và có thể mở/ đóng với tốc độ  cao hơn. Một điều nữa là bởi  v́  tia sáng LDs có cùng pha  (coherent) và v́ thế ít tạp âm (noise) hơn;  băng thông (bandwidth)  cũng hẹp và rơ ràng hơn LEDs.

      

(a)                                           (b)

H́nh 18 : Liên hệ giữa laser region (coherent emission) và LED region (incoherent emission) : (a) light output  vs current và (b) optical power vs. current. [12]

Nếu dùng ḍng điện giới hạn (threshold current) là điểm tham khảo trong đồ thị  output power hay light output.  vs. current (h́nh 17), vùng dưới ḍng điện giới hạn  ith  là LED và vùng trên ith  thuộc về LD. Ở đây, hiệu suất phát xạ, tỷ số điều biến (modulate rate) và hiệu xuất kết nối  với cáp quang (optical fibers) cao hơn. 

Bảng 1 biểu hiện sự so sánh giữa LEDs và LDs. Độc giả có thể tham khảo thêm ở reference [13].

 

 Bảng 1. So sánh cơ cấu và đặc tính của LEDs và LDs.  

 Trong số tháng trước và tháng này, chúng tôi đă thảo luận những thông số căn bản về lượng tử và cơ cấu vận hành của LEDs và LDs. Trong số tới, chúng tôi sẽ tŕnh bày một hệ thống chế tạo màng mỏng dùng trong việc h́nh thành  hai linh kiện điện tử quan trọng này : metal-organo  chemical vapor deposition hay thường gọi nôm na là MOCVD. 

 

Tài liệu tham khảo

[1] http ://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm 

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDs-V2.htm

[3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDS-PART-2.htm

[4] S. Nakamura : Science, vol. 272, 21 June 1996, p. 1751

[5] S. Nakamura : JSAP International No.1, Jan. 2000, p.5

[6] S. Nakamura. Bài nói chuyện  với high school students, California, 2007

[7] H. Kroemer, "A proposed class of heterojunction injection lasers," in Proc. IEEE, vol. 51, 1963, p. 1782.

[8] Zh. I. Alferov and R.F. Kazarinov, Authors Certificate 28448 (U.S.S.R) 1963

[9] C.  Henry & D. Dingle, US Patent  No. 3,982,297. "the active layers are thin enough (e.g., about 1 to 50 nanometres) to separate the quantum levels of electrons confined therein. These lasers exhibit wavelength tunability by changing the thickness of the active layers. Also described is the possibility of threshold reductions resulting from modification of the density of electron states."

[10]  R.F. Pierret: Semiconductor device fundamentalsAddison  Wesley Publishing Inc., 1996

[11] S. Nakamura et al. Apply. Phys. Lett. 67, 1868 (1995).

[12] Electus Distribution reference data sheet 2001.

[13] Physics of Optoelectronics, Michael A. Parker, CRC Taylor and Francis, pp.47-78

 

Lake Elmo 9 tháng 4, 2013