NOBEL FISIKA 2014: PENEMUAN LED BIRU DAN Let There Be a High Efficiency Light!



LED (Light Emitting Diode) merupakan sebuah divais (alat) yang terbuat dari bahan semikonduktor yang dapat berfungsi sebagai sumber cahaya. Cahaya yang dapat dihasilkan LED memiliki panjang gelombang yang merentang dari panjang gelombang sinar inframerah sampai panjang gelombang sinar ultraviolet. LED untuk pertama kalinya dipelajari dan dibuat dalam kurun waktu 1950-1960an oleh beberapa laboratorium di dunia. LED ini memancarkan cahaya pada berbagai panjang gelombang, dari panjang gelombang inframerah hingga panjang gelombang warna hijau.

Dalam perkembangannya, menghasilkan LED dengan pancaran cahaya biru adalah merupakan sebuah pekerjaan yang berat. Dibutuhkan lebih dari tiga dekade untuk dapat mewujudkannya. Capaian ini tak terlepas dari perkembangan teknik penumbuhan kristal berkualitas kualitas tinggi terutama pada kemampuan mengontrol doping tipe-p pada semikonduktor yang memiliki celah pita yang besar, yang sebelumnya hanya dapat dilakukan dengan menggunakan bahan galium-nitrida (GaN) di tahun 1980an. Pengembangan LED biru yang efisien juga didukung oleh kemampuan produksi material paduan berbasis GaN dengan komposisi yang berbeda-beda serta bagaimana menyatukannya ke dalam struktur yang terdiri atas banyak lapisan, misalnya persambungan hetero dan sumur kuantum.

Penemuan LED biru yang efisien telah mengantarkan kita ke arah pengembangan sumber cahaya putih yang dapat digunakan untuk menyinari dunia ini. Jika kita mengeksitasi sebuah bahan fosfor dengan menggunakan LED biru, maka cahaya terpancar yang berada pada rentang spektrum warna hijau dan merah, akan bergabung dengan cahaya biru sehingga akan menghasilkan cahaya putih. Atau, dengan menggunakan cara lain, yaitu LED ganda dengan warna-warna komplementer (hijau, merah, dan biru) digunakan secara bersama-sama untuk menghasilkan cahaya putih yang diperlukan. Kedua teknologi inilah yang digunakan dalam membuat sumber cahaya putih elektroluminasi berefisiensi tinggi. Sumber cahaya ini, dengan waktu hidup yang sangat tinggi, telah mulai menggantikan lampu pijar dan lampu tabung yang selama ini lazim digunakan sebagai sumber utama penerangan. Karena penggunaan cahaya sebagai penerangan mengambil 20% - 30% konsumsi energi listrik kita, dan karena sumber cahaya putih baru ini membutuhkan energi yang 10 kali lebih rendah dibandingkan dengan bohlam lampu biasa, maka pemanfaatan LED biru ini akan menyebabkan penghematan energi secara signifikan, sebuah keuntungan yang sangat besar bagi umat manusia.

Itulah sebabnya Nobel Fisika tahun 2014 ini dianugerahkan kepada penemu LED biru yang efisien tersebut. Mereka adalah I. Akasaki, H. Amano dan S. Nakamura.

Kilas Balik Perkembangan Penemuan LED

Ads by Google
Bahwa cahaya dapat dihasilkan secara listrik melalui emisi dalam sebuah zat padat berawal dari laporan H. J. Round yang bekerja di perusahaan Marconi Electronics pada tahun 1907. Ketika itu Round memberikan beda tegangan di antara dua kontak pada sebuah kristal carborundum (SiC). Pada nilai tegangan yang rendah Round mengamati pancaran cahaya warna kuning, tetapi jika tegangan diperbesar maka akan tampak lebih banyak warna yang teramati. Karena pemancaran cahaya ini disebabkan oleh elektron-elektron dalam sebuah material, maka peristiwa ini disebut juga elektroluminasi.

Elektroluminasi juga diteliti oleh O. Losev (1903-1942), seorang yang ahli dalam bidang alat-alat fisika di Soviet, dimana pada tahun 1920-an dan 1930-an dia telah menerbitkan beberapa artikel di jurnal internasional tentang elektroluminasi dari carborundum ini. Perkembangan ini terjadi menjelang formulasi teori modern tentang struktur elektronik zat padat.

Pemahaman tentang fisika semikonduktor khususnya persambungan p-n mengalami kemajuan selama tahun 1940an. Atas kemajuan ini, sebuah alat yang disebut transistor berhasil dibuat di Laboratorium Bell Telephone  di USA pada tahun 1947 (pembuat alat ini, William B. Schotkley, John Bardeen, dan Brattain pun dianugerahi hadiah Nobel tahun 1956). Dengan berkembangnya pemahaman tentang teori persambungan p-n tersebut, memberikan petunjuk jelas bahwa persambungan p-n dapat menjadi alat yang dapat memancarkan cahaya.

Pada tahun 1951, K. Lehovec dan sejawatnya di laboratorium Signal Corps Engineering di USA menggunakan ide ini untuk menjelaskan proses elektroluminasi dalam SiC sebagai akibat dari injeksi muatan pembawa melintasi sebuah persambungan yang diikuti oleh rekombinasi radiatif elektron-elektron dan hole. Namun demikian, energi foton yang teramati lebih kecil dibandingkan dengan energi gap SiC, sehingga mereka menyarankan bahwa rekombinasi radiatif kelihatannya disebabkan oleh ketidakmurnian atau cacat-cacat kisi. Pada tahun 1955, elektroluminasi injeksi dapat dihasilkan dengan menggunakan beberapa campuran unsur golongan III-V. Pada tahun 1955 dan 1956, J.R. Haynes di laboratorium Bell Telephone mendemonstrasikan bahwa elektroluminasi dapat teramati dalam germanium dan silikon sebagai akibat dari rekombinasi hole dan elektron dalam sebuah persambungan p-n.

LED inframerah

Teknik membuat persambungan p-n yang efisien dengan bahan GaAs berkembang dengan pesat pada tahun-tahun selanjutnya. GaAs menarik karena memiliki celah energi yang bersifat langsung, sehingga memungkinkan rekombinasi elektron dan hole tanpa melibatkan fonon. Celah pita untuk bahan GaAs ini adalah 1,4 eV yang bersesuaian dengan panjang gelombang cahaya inframerah. Pada musim semi tahun 1962, pengamatan tentang adanya pemancaran cahaya dari persambungan p-n dilaporkan oleh J.I. Pankove dan kawan-kawan. Beberapa bulan kemudian, pancaran laser dalam GaAs pada temperatur nitrogen cair (77 K) didemonstrasikan secara terpisah dan hampir secara bersamaan oleh tiga grup peneliti di General Electric, IBM dan Laboratorium MIT Lincoln, di Amerika Serikat. Penemuan ini terjadi hanya beberapa tahun sebelum diode laser digunakan secara luas. Berkat keberhasilan pengembangan struktur heterogen (heterostructures) oleh Z.I. Alferov dan H. Kroemer (keduanya meraih nobel fisika 2000), serta pengembangan sumur kuantum beberapa waktu setelahnya, memberi jalan kepada kita untuk melakukan pengurungan muatan-muatan pembawa dengan cara yang lebih baik sekaligus mengurangi kerugian akibat hilangnya muatan-muatan pembawa tersebut dalam material. Keberhasilan ini memungkinkan pembuatan sebuah diode laser yang dapat beroperasi secara terus menerus dalam temperatur kamar, dengan cakupan penerapan yang lebih luas. 

LED cahaya tampak

Menyusul eksperimen-eksperimen sebelumnya tentannng LED di penghujung tahun 1950an, kemajuan dalam pembuatan LED yang efisien dengan menggunakan GaP (memiliki celah pita tak langsung sebesar kurang lebih 2,2 eV) dicapai secara bersamaan oleh tiga grup peneliti, yaitu dari Laboratorium Philips Central di Jerman (H. G. Grimmeiss), laboratorium Servicel Electronics (SERL) di U.K. (J. W. Allen) dan laboratorium Bell Telephone di USA (M. Gershenzon). Ketiga laboratorium ini memiliki tujuan yang berbeda-beda terhadap penelitian yang dilakukannya, mulai dari untuk tujuan komunikasi, pencahayaan, dan sebagai lampu indikator untuk televisi, alat elektronika dan telepon. Dengan menggunakan dopan yang berbeda-beda (misalnya Zn-O atau N) dengan berbagai konsentrasi, berbagai panjang gelombang dapat dihasilkan mulai dari warna merah sampai warna hijau. Di akhir tahun 1960-an sejumlah perusahaan di negara-negara yang berbeda telah memproduksi LED merah dan LED hijau dengan menggunakan material GaP.

Kristal yang merupakan campuran dari Ga, As, dan P (GaPxAs1-x) menarik perhatian peneliti karena emisi panjang gelombangnya dapat lebih pendek daripada GaAs, sehingga mencapai panjang gelombang cahaya tampak. Sementara itu celah energinya adalah celah energi langsung untuk nilai x di bawah 0,45. Fakta ini mendorong N. Holonyak Jr. beserta sejawatnya di laboratorium General Electric di USA, untuk mulai bekerja dengan GaPxAs1-x di akhir tahun 1950-an, dan berhasil membuat persambungan p-n serta mengamati adanya emisi LED. Penemuan laser diode emisi pada panjang gelombang 710 nm (warna merah) kemudian dilaporkan oleh N. Holonyak Jr. dan koleganya pada tahun 1962.

Proyek Awal tentang LED biru

Upaya ke arah pemancaran cahaya biru terbukti jauh lebih sulit. Upaya pertama yang dilakukan dengan menggunakan ZnSe dan SiC, yang memiliki celah pita tak langsung yang besar, tidak berhasil menghasilkan pancaran cahaya yang efisien. Akhirnya diketahui bahwa material yang memungkinkan pembentukan LED biru adalah GaN (galium nitrida).

Di akhir tahun 1950an, peluang ditemukannya teknologi pencahayaan yang baru dengan menggunakan GaN, yang celah pitanya baru berhasil diukur, secara serius digarap di laboratorium Philips Research. Dalam laboratorium tersebut, H.G. Grimmeiss dan H. Koelmans mengamati fotoluminasi yang efisien dari GaN pada rentang spektral yang lebar dengan menggunakan berbagai aktivator. Namun demikian, pada waktu tersebut sangat sulit untuk menumbuhkan kristal GaN kecuali dalam bentuk kristal kecil, dalam bentuk bubukan. Sayangnya, dalam bentuk bubukan seperti itu, kita tidak dapat menghasilkan persambungan p-n. Akhirnya, mereka memutuskan untuk berkonsentrasi pada material GaP.

Kristal GaN dihasilkan secara lebih efisien pada akhir tahun 1960an dengan menumbuhkannya pada substrat menggunakan teknik HVPE (Hyper Vapour Phase Epitaxy). Sejumlah laboratorium di Amerika Serikat, Jepang dan Eropa kemudian mempelajari teknik penumbuhan dan doping GaN dengan tujuan untuk mengembangkan LED biru, tetapi masalah yang berkaitan dengan material kelihatannya masih belum dapat dipecahkan. Kekasaran permukaan tidak terkontrol, material yang ditumbuhkan secara HVPE terkontaminasi oleh logam ketidakmurnian transisi dan doping tipe–p mengalami passivasi karena kehadiran oksigen, sehingga membentuk kerumitan dengan dopan akseptor. Peranan hidrogen tidak dimengerti pada tahun tersebut sehingga J.I. Pankove, seorang ilmuwan terkemuka pada bidang tersebut, menuliskan dalam sebuah artikel review dari tahun 1973 bahwa: “meskipun banyak kemajuan dalam studi GaN sepanjang lebih dari dua tahun ini, masih banyak yang tersisa yang harus dikerjakan. Tujuan utama teknologi GaN adalah: (1) sitensis kristal tunggal bebas regangan, (2) penggabungan sebuah akseptor dalam konsentrasi yang tinggi” (agar dihasilkan doping tipe-p yang efektif). Sekali lagi upaya penelitian ini terhambat oleh kurangnya kemajuan yang signifikan dalam bidang tersebut.

Teknik Penumbuhan Baru

Pada tahun 1970-an, teknik penumbuhan kristal yang baru, MBE (molecular beam epitaxy) dan MOVPE (Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy) dikembangkan. Teknik baru ini kemudian diterapkan dalam menumbuhkan GaN termasuk oleh Isamu Akasaki. Akasaki mulai mempelajari GaN ini di awal tahun 1974, pada saat dia bekerja di  Matsushita Research Institute di Tokyo. Pada tahun 1981, Akasaki menjadi profesor di Nagoya University dan melanjutkan penelitiannya tentang GaN, bersama dengan Hiroshi Amano dan rekan-rekan sejawat lainnya. Dibutuhkan waktu hingga tahun 1986 sebelum GaN dengan kualitas kristal yang tinggi dan sifat-sifat optik yang baik dapat dihasilkan melalui teknik MOVPE. Terobosan ini merupakan hasil dari serangkaian panjang eksperimen dan observasi. Sebuah lapisan tipis (30 nm) dari polikristal AlN pertama-tama dinukleasi di atas substrat safir pada temperatur rendah (500o C) kemudian dipanaskan sampai mencapai temperatur penumbuhan (1000 oC). Selama proses pemanasan, lapisan membentuk sebuah tekstur kristalit yang kecil dengan orientasi yang memungkinkan untuk penumbuhan GaN.

Rapat dislokasi penumbuhan kristal GaN pada awalnya cukup tinggi, tetapi kemudian menurun secara cepat setelah mencapai ketebalan penumbuhan sebesar beberapa mikrometer. Dengan capaian ini, permukaan material dengan kualitas yang tinggi akan dapat diperoleh, yang mana sangat penting peranannya dalam menumbuhkan struktur multilapisan tipis pada langkah selanjutnya dari pengembangan LED. Dengan cara ini, GaN kualitas tinggi dapat dihasilkan untuk pertama kalinya. GaN juga dapat dihasilkan dengan melakukan doping–n rendah secara signifikan. Shuji Nakamura di Nichia Chemical Corporation, sebuah perusahaan kimia kecil di Jepang, selanjutnya mengembangkan sebuah metode yang serupa dimana AlN digantikan dengan sebuah lapisan tipis dari penumbuhan GaN pada temperatur yang rendah.

Doping GaN

Masalah utama pembentukan persambungan p-n dengan bahan GaN adalah sulitnya melakukan pengontrolan doping tipe p. Di akhir tahun 1980, Amano, Akasaki, dan rekan sejawatnya berhasil melakukan pengamatan yang penting; mereka memperhatikan bahwa pada saat GaN yang didoping dengan Zn diamati dengan menggunakan sebuah SEM, maka akan dipancarkan cahaya yang lebih banyak. Hal ini merupakan indikasi doping – p yang lebih baik. Dengan cara yang sama, jika GaN yang didoping dengan Mg disinari dengan elektron berenergi rendah, maka akan dihasilkan karakteristik doping–p yang lebih baik pula. Hal temuan ini merupakan terobosan yang sangat penting dan membuka jalan pada pembentukan persambungan p-n pada GaN.

Efek penyinaran dengan menggunakan elektron dapat dijelaskan oleh Nakamura dan timnya dalam sebuah artikel beberapa tahun kemudian. Atom-atom akseptor seperti Mg atau Zn membentuk ikatan yang kompleks dengan hidrogen sehingga bersifat pasif. Berkas elektron kemudian membongkar ikatan kompleks ini dan mengaktifkan kembali akseptor. Nakamura kemudian menunjukkan bahwa dengan perlakuan termal biasa pun (misalnya annealing) akseptor Mg dapat diaktivasi secara efisien. Sedangkan efek hidrogen pada proses netralisasi dopan diketahui berdasarkan beberapa hasil penelitian sebelumnya yang menggunakan material lain yang dilakukan oleh Pankove, G. F. Neumark Rothschild, dan yang lainnya.

Sebuah langkah yang krusial dalam proses pengembangan LED biru yang efisien adalah metode penumbuhan dan teknik doping–p pada material paduan (AlGaN, InGaN). Penemuan ini krusial karena dengan diketahuinya teknik doping-p tersebut, kita dapat membuat persambungan yang heterogen. Persambungan heterogen seperti ini diwujudkan pada tahun 1990an baik oleh kelompok Akasaki maupun kelompok Nakamura.

Heterostruktur Ganda dan Sumur Kuantum

Pengembangan LED inframerah dan diode laser telah menunjukkan bahwa persambungan heterogen dan sumur kuantum sangat penting untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi. Dalam struktur seperti itu, hole dan elektron diinjeksikan pada sebuah volume kecil dimana rekombinasi terjadi secara lebih efisien serta dengan kerugian yang lebih sedikit. Akasaki dan sejawatnya mengembangkan struktur AlGaN/GaN sedangkan Nakamura berhasil mengeksploitasi kombinasi InGaN/GaN dan InGaN/AlGaN untuk menghasilkan persambungan heterogen, sumur kuantum, dan sumur kuantum ganda. Pada tahun 1994, Nakamura dan sejawatnya mencapai sebuah nilai efisiensi kuantum sebesar 2,7% dengan menggunakan persambungan heterogen ganda InGaN/AlGaN.
Struktur LED persambungan heterogen ganda InGaN/AlGaN
Dengan langkah pertama yang penting ini, jalan yang lebih terang ke arah pengembangan LED biru yang efisien dan aplikasinya menjadi terbuka. Kedua tim peneliti tersebut melanjutkan upayanya dalam mengembangkan LED biru, hingga mencapai nilai efisiensi yang lebih tinggi lagi, memiliki beragama kemampuan selain sebagai penyinaran, dan aplikasi lainnya. Alhasil, pancaran laser biru dengan menggunakan GaN berhasil diamati oleh keduanya dalam kurun tahun 1995-1996.
Dewasa ini, LED berbasis GaN yang lebih efisien telah diperoleh dari serangkaian terobosan-terobosan panjang dalam fisika material dasar dan teknik penumbuhan kristal, perkembangan fisika divais dengan desain struktur heterogen yang lebih maju, serta kemajuan dalam fisika optik dalam hal optimasi kopling cahaya keluaran.

Penerapan

Teknologi pencahayaan sekarang ini telah melalui revolusi yang panjang, mulai dari lampu bohlam, lampu tabung (lampu neon), hingga sekarang mencapai era lampu LED. Lampu bohlam, yang ditemukan oleh Thomas Edison pada tahun 1879 memiliki energi yang rendah, yaitu kurang lebih 16 lumen/watt. Satu lumen merupakan satuan yang digunakan untuk mengarakterisasi fluks cahaya, yang mempertimbangkan respons spektral mata. Nilai ini menyiratkan bahwa efisiensi pengubahan energi listrik menjadi energi cahaya pada jenis lampu pijar adalah sekitar 4%. Sedangkan tabung fluoresens (lampu neon), yang mengandung raksa dan ditemukan oleh P. Cooper Hewitt pada tahun 1900, mencapai efisiensi 70 lm/W. Sementara itu, lampu LED dewasa ini mencapai energi lebih dari 300 lm/watt, yang menyatakan efisiensi yang lebih besar dari 50%.

LED cahaya putih yang digunakan dalam teknologi pencahayaan ini biasanya didasarkan pada LED biru yang efisien yang mengeksitasi fosfor sehingga cahaya biru tersebut dikonversi menjadi cahaya putih. LED kualitas tinggi ini, dengan umur pakai yang sangat panjang (100 000 jam) kini harganya semakin murah, dan sedang merebak di pasaran. Pada beberapa masa mendatang, LED tiga warna diperkirakan akan menggantikan teknik kombinasi LED biru dan fosfor ini untuk menghasilkan pencahayaan yang lebih efisien. Teknologi ini juga akan memungkinkan pengontrolan yang dinamis terhadap komposisi warna lampu.

Menggantikan bohlam lampu atau lampu neon dengan menggunakan lampu LED juga akan menurunkan secara drastis konsumsi listrik demi keperluan pencahayaan. Karena 20% - 30% energi listrik dikonsumsi oleh industri hanya untuk tujuan pencahayaan, maka berbagai upaya telah dilakukan agar dapat menggantikan teknologi lampu yang telah lama dengan menggunakan teknologi lampu LED.

Ada banyak fungsi lain yang bisa dicapai dengan penemuan teknologi LED biru ini. Saat ini, LED berbahan dasar GaN merupakan teknologi yang paling dominan dalam pencahayaan yang digunakan pada layar LCD, yang banyak terdapat dalam berbagai perangkat teknologi seperti telepon seluler, tablet, laptop, monitor komputer, layar TV, dan sebagainya. Laser diode GaN yang memancarkan sinar UV dan cahaya biru juga digunakan dalam DVD berteknologi tinggi untuk menyimpan musik, gambar, dan film. Penerapan lainnya adalah penggunaan LED AlGaN/GaN yang memancarkan sinar-UV untuk proses pemurnian air. Kita tahu bahwa sinar UV dapat menghancurkan DNA bakteri, virus dan mikroorganisme. 

(Sumber: disadur dari Scientific Background  on the Nobel Prize in Physics 2014  www.nobelprize.com)
NOBEL FISIKA 2014: PENEMUAN LED BIRU DAN Let There Be a High Efficiency Light! NOBEL FISIKA 2014: PENEMUAN LED BIRU DAN Let There Be a High Efficiency Light! Reviewed by Astri on 12/02/2014 11:54:00 AM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.