Đèn LED không lấy màu từ lớp vỏ nhựa của chúng. Bạn có thể thấy rõ điều này vì đây là một đèn LED trong suốt nhưng vẫn phát sáng màu đỏ. Màu của ánh sáng đến từ chính thành phần điện tử bên trong; lớp vỏ chỉ giúp chúng ta phân biệt các đèn LED khác nhau.
Năm 1962, kỹ sư Nick Holonyak của General Electric đã tạo ra đèn LED khả kiến đầu tiên. Nó phát sáng màu đỏ rất nhạt. Vài năm sau, các kỹ sư tại Monsanto tạo ra đèn LED màu xanh lục. Nhưng suốt hàng thập kỷ, chúng ta chỉ có hai màu đó, nên đèn LED chỉ được dùng trong các đèn báo (indicator), máy tính bỏ túi và đồng hồ. Nếu như có thể tạo ra ánh sáng màu xanh lam, chúng ta sẽ phối trộn đỏ, lục, lam thành ánh sáng trắng và mọi màu khác, mở ra tiềm năng ứng dụng trong mọi loại thiết bị chiếu sáng: từ bóng đèn, điện thoại, máy tính, TV đến biển quảng cáo. Nhưng màu xanh lam gần như là bất khả thi.
Trong thập niên 1960, mọi tập đoàn điện tử lớn trên thế giới—từ IBM, GE đến Bell Labs—đều chạy đua để tạo ra đèn LED xanh. Họ biết nó sẽ có giá trị hàng tỷ đô la. Dù hàng nghìn nhà nghiên cứu nỗ lực, không ai thành công. Mười năm kể từ đèn LED đỏ đầu tiên của Holonyak trôi qua, rồi hai mươi, ba mươi năm, và hy vọng dùng đèn LED để chiếu sáng dần tắt. Một giám đốc của Monsanto tuyên bố đèn LED sẽ không bao giờ thay thế đèn bếp; chúng chỉ dùng cho bảng điều khiển, bảng táp-lô ô tô hay dàn âm thanh, để báo rằng thiết bị đang bật. Có lẽ đến giờ điều đó vẫn đúng, nếu không có một kỹ sư bất chấp cả ngành công nghiệp và đạt ba đột phá lớn để tạo ra đèn LED xanh đầu tiên trên thế giới.
Shuji Nakamura là nhà nghiên cứu tại Nichia, một công ty hóa chất nhỏ ở Nhật Bản. Nichia vừa mở rộng sang sản xuất chất bán dẫn để tạo đèn LED đỏ và lục. Đến cuối thập niên 1980, mảng chất bán dẫn của họ lao đao, thua kém những công ty lớn. Mâu thuẫn bắt đầu dâng cao. Nhân viên trẻ năn nỉ Nakamura tạo sản phẩm mới, trong khi người kỳ cựu gọi nghiên cứu của ông là lãng phí. Ở Nichia, ngân sách hạn hẹp. Phòng thí nghiệm của Nakamura hầu như chỉ toàn máy móc ông thu gom và hàn gắn lại. Rò rỉ phốt-pho gây nhiều vụ nổ đến mức đồng nghiệp không còn dám ghé qua. Đến năm 1988, cấp trên quá thất vọng với dự án của ông nên đã bảo ông nghỉ việc.
Trong bước đường cùng, ông đưa đề xuất táo bạo lên nhà sáng lập và chủ tịch công ty, Nobuo Ogawa: chính đèn LED xanh mà Sony, Toshiba và Panasonic đều thất bại. Sau khi lỗ triền miên với mảng bán dẫn hơn một thập kỷ, Ogawa đánh cược. Ông chi 500 triệu Yên (khoảng 3 triệu USD) – có lẽ khoảng 15% lợi nhuận hằng năm của công ty – cho dự án “viển vông” của Nakamura.
Mọi người đều biết đèn LED có thể thay thế bóng đèn dây tóc, vì bóng đèn – vốn được xem là biểu tượng “ý tưởng lóe sáng” – thật ra tạo ánh sáng rất tệ. Chúng hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua sợi đốt tungsten, làm nó nóng rực đến mức phát sáng, nhưng phần lớn năng lượng điện bị tỏa thành tia hồng ngoại (nhiệt), chỉ một phần cực nhỏ là ánh sáng thấy được. Ngược lại, LED là “Light Emitting Diode” – đi-ốt phát quang – nên chủ yếu tạo ra ánh sáng, do đó hiệu suất cao hơn nhiều. Đi-ốt có hai cực điện và chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều.
Cách đèn LED hoạt động như sau: khi ta có nguyên tử độc lập, mỗi điện tử chiếm một mức năng lượng rời rạc. Mọi nguyên tử cùng loại, khi đứng riêng lẻ, có các mức năng lượng giống nhau. Nhưng khi gộp nhiều nguyên tử để tạo thành chất rắn, các điện tử lớp ngoài chịu lực hút không chỉ từ hạt nhân của chúng mà còn từ những hạt nhân lân cận. Mức năng lượng của chúng thay đổi, tạo thành một dải năng lượng sít nhau, gọi là vùng năng lượng (energy band). Vùng có mức năng lượng cao nhất có điện tử chiếm chỗ gọi là “vùng hóa trị” (valence band). Vùng năng lượng cao hơn kế tiếp là “vùng dẫn” (conduction band).
Trong vật dẫn (conductors), vùng hóa trị chỉ lấp đầy một phần, cho phép điện tử di chuyển. Trong vật cách điện (insulators), vùng hóa trị đầy kín và khe năng lượng (band gap) quá lớn để điện tử nhảy lên vùng dẫn. Chất bán dẫn (semiconductors) có khe năng lượng nhỏ hơn, nên ở nhiệt độ phòng, một số điện tử có đủ năng lượng để nhảy lên vùng dẫn và dẫn điện. Những “chỗ trống” chúng để lại ở vùng hóa trị được gọi là “lỗ trống” (hole), cũng di chuyển như điện tích dương.
Để làm chất bán dẫn hữu dụng hơn, ta pha tạp (doping) nguyên tử ngoại lai. Nếu pha photpho vào silic, ta được bán dẫn loại n (n-type), nơi điện tử (mang điện âm) chiếm ưu thế. Nếu pha bo vào silic, ta được bán dẫn loại p (p-type), nơi lỗ trống (mang điện dương) chiếm ưu thế. Về tổng thể, vật liệu vẫn trung hòa điện, chỉ khác ở loại hạt dẫn điện chủ yếu.
Khi ghép một miếng p-type và một miếng n-type, điện tử từ n khuếch tán sang p, lấp đầy các lỗ trống. Điều này tạo ra một điện trường nội tại ngăn điện tử tiếp tục vượt qua. Khu vực đó gọi là “vùng nghèo” (depletion region). Nếu nối pin (hoặc nguồn điện) sai chiều, vùng nghèo mở rộng, không cho dòng điện chạy. Nếu đảo chiều, vùng nghèo co lại, điện tử từ n sang p. Khi điện tử rơi từ vùng dẫn (conduction band) xuống một lỗ trống ở vùng hóa trị (valence band), sự chênh lệch năng lượng được phát ra dưới dạng một phôtôn (photon). Cỡ khe năng lượng quyết định màu ánh sáng.
Ở silic tinh khiết, khe năng lượng là 1,1 eV, ánh sáng phát ra thuộc hồng ngoại, không thấy được. Tiến lên dần dải quang phổ, ta hiểu vì sao đèn LED đầu tiên là đỏ, rồi đến xanh lục, trong khi xanh lam khó hơn nhiều. Xanh lam đòi hỏi khe năng lượng lớn hơn. Đến thập niên 1980, dù tốn hàng trăm triệu đô la, chưa ai tìm ra vật liệu phù hợp. Người ta biết rằng phải có cấu trúc tinh thể gần như hoàn hảo, vì sai hỏng sẽ cản trở điện tử, biến năng lượng thành nhiệt thay vì ánh sáng.
Bước đầu tiên của Nakamura là học công nghệ MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) – phương pháp kết tinh mới. Ông sang Florida học tại phòng thí nghiệm một đồng nghiệp cũ. Nhưng ông không được dùng máy MOCVD đang chạy, phải tự lắp ráp một bộ máy mới gần như từ đầu. Ông cũng không có bằng Tiến sĩ hay bài báo khoa học, nên bị coi thường. Trải nghiệm đó khiến ông hậm hực nhưng tăng thêm quyết tâm. Năm 1989, ông trở về Nhật với hai thứ quan trọng: một đơn hàng cho máy MOCVD mới của Nichia, và khát khao lấy bằng Tiến sĩ.
Khi ấy, giới nghiên cứu đã rút gọn vật liệu LED xanh còn hai lựa chọn: kẽm selenua (zinc selenide) và gali nitrua (gallium nitride). Kẽm selenua ít sai lệch mạng tinh thể (3%) so với gallium arsenide nên dễ kết tinh hơn, nhưng chưa ai tạo được loại p cho nó. Trong khi đó, gali nitrua gần như bị bỏ rơi vì chênh lệch mạng tinh thể với sapphire đến 16%, dẫn đến vô số khuyết tật, lại khó tạo p-type. Ngoài ra, để khả thi thương mại, đèn LED xanh cần công suất ánh sáng ít nhất 1.000 microwatt – cao hơn gấp hàng trăm lần so với thử nghiệm trước đó. Gần như tất cả tập trung vào kẽm selenua. Nakamura lại chọn gali nitrua, vì lĩnh vực này vắng đối thủ và ông cần xuất bản 5 bài báo để lấy bằng.
Chỉ còn hai chuyên gia về gali nitrua là tiến sĩ Isamu Akasaki và tiến sĩ Hiroshi Amano ở Đại học Nagoya. Họ đã nghĩ ra lớp đệm (buffer) bằng nhôm nitrua (AlN) để cải thiện kết tinh gali nitrua trên sapphire, nhưng vẫn khó mở rộng quy mô. Còn Nakamura, ở Nichia, không thể làm cho gali nitrua bám tốt vào máy MOCVD mới suốt 6 tháng. Quá bí, ông quyết định tháo máy ra rồi thiết kế lại. Mỗi ngày, ông hàn, cắt, đấu dây vào buổi sáng, rồi thí nghiệm buổi chiều.
Sau một năm rưỡi, vào cuối năm 1990, ông cuối cùng cũng thành công. Ông kết tinh được gali nitrua có độ linh động điện tử gấp 4 lần mọi mẫu trước đó. Đột phá của ông là bổ sung vòi phun thứ hai, tạo luồng khí trơ thổi xuống, cố định dòng chất phản ứng gần bề mặt đế, thay vì để chúng bay lơ lửng và kết tụ bột. Phát minh này, “reactor hai luồng” (two-flow reactor), giúp ông kết tinh gali nitrua chất lượng cao. Không cần lớp đệm AlN, ông có thể dùng luôn một lớp gali nitrua làm đệm cho lớp gali nitrua chính.
Tiếp đó, Nakamura giải quyết vấn đề p-type. Akasaki và Amano đã chế tạo được gali nitrua pha tạp magie, nhưng phải chiếu chùm điện tử để biến nó thành p-type. Cách này không thực tế cho sản xuất đại trà. Nakamura nghi ngờ chỉ cần thêm năng lượng, nên thử “nung” mẫu pha tạp magie (annealing). Phương pháp này còn hiệu quả hơn chiếu điện tử. Qua đó, ông tìm ra rằng nguyên tử hydro từ ammonia liên kết với magie, làm mất các lỗ trống. Nung nóng sẽ giải phóng hydro, khôi phục đặc tính p-type.
Năm 1992, ông giới thiệu mẫu LED xanh đầu tiên nhưng thiên về tím xanh, công suất chỉ 42 microwatt, kém xa ngưỡng 1.000 microwatt. Giám đốc mới của Nichia, Aji Ogawa, mất kiên nhẫn, ra lệnh dừng dự án, nhưng Nakamura phớt lờ. Lúc này, ông chỉ còn một bước cuối: cần lớp “hoạt tính” (active layer) indi-gali nitrua (InGaN) ở mối nối p-n, để thu hẹp khe năng lượng xuống đúng mức xanh lam (thay vì tím). Tuy nhiên, nhiều người nghĩ indium và gali nitrua như nước với dầu, không thể hòa trộn. Máy MOCVD tùy chỉnh của Nakamura cho phép ông “ép” indium lên bề mặt gali nitrua, và kết quả đáng ngạc nhiên: lớp InGaN hình thành trơn tru. Để ngăn điện tử tràn ra ngoài, ông thêm một lớp chặn bằng nhôm-gali nitrua (AlGaN). Đến năm 1992, ông hoàn thiện đèn LED xanh sáng chói công suất 1.500 microwatt với bước sóng 450 nm.
Sau 30 năm tìm kiếm của vô số nhà khoa học, Nakamura đã thành công. Ông ví như cảm giác chinh phục đỉnh Phú Sĩ. Nichia công bố phát minh năm 1993, khiến ngành điện tử kinh ngạc. Nó sáng hơn gấp 100 lần so với mọi LED xanh giả (pseudo-blue) trước đó. Đơn đặt hàng tràn về, và đến 1994, Nichia sản xuất 1 triệu LED xanh mỗi tháng. Họ sớm phủ thêm phosphor vàng lên LED xanh để tạo ánh sáng trắng, mở ra khả năng thay thế hầu như mọi nguồn sáng. Đến 2001, doanh thu Nichia chạm gần 700 triệu USD, 60% từ LED xanh. Hiện Nichia vẫn là một trong các nhà sản xuất LED hàng đầu thế giới, doanh thu mỗi năm hàng tỷ USD.
Dù mang về hàng trăm triệu đô la cho Nichia, Nakamura chỉ được tăng lương ít ỏi và thưởng không đáng kể. CEO Aji Ogawa cho rằng ông quá cứng đầu. Năm 2000, Nakamura rời công ty sang Mỹ, nhận vô số lời mời. Nichia kiện ông vì “rò rỉ bí mật” khi ông cố vấn cho Cree, một công ty LED khác. Nakamura phản kiện đòi bồi thường xứng đáng. Ban đầu tòa xử cho ông một khoản rất cao, nhưng sau đàm phán, số tiền ông nhận được còn lại khoảng 8 triệu USD, phần lớn trả phí luật sư. Đó là tất cả những gì ông có, trong khi phát minh của ông thúc đẩy một ngành công nghiệp 80 tỷ USD.
Ngày nay, đèn LED xanh có mặt trong hầu hết thiết bị: điện thoại, máy tính, bảng hiệu giao thông, biển quảng cáo, và nhiều màn hình RGB khác. Thậm chí ta còn nhận cảnh báo về việc ánh sáng xanh gây rối loạn nhịp sinh học (circadian rhythm) khi dùng thiết bị trước giờ ngủ. Nhưng về mặt chiếu sáng, LED gần như không có nhược điểm so với bóng đèn sợi đốt hay huỳnh quang: hiệu suất cao hơn nhiều, tuổi thọ lâu hơn, ít tỏa nhiệt, an toàn hơn và tùy biến dễ dàng. Giá cả giờ đã đủ thấp để ta thu hồi tiền mua đèn LED sau vài tháng dùng điện, rồi tiếp tục tiết kiệm năng lượng trong nhiều năm.
Năm 2010, chỉ 1% lượng bóng đèn dân dụng bán ra là LED. Đến 2022, con số vượt quá một nửa, và chuyên gia dự báo trong vòng một thập kỷ, gần như tất cả đèn bán ra sẽ là LED, giúp tiết kiệm năng lượng cực lớn và cắt giảm đáng kể khí thải carbon. Hiện Nakamura nghiên cứu thế hệ LED tiếp theo: micro LED cho màn hình thực tế tăng cường (AR) hay thực tế ảo (VR), và LED tử ngoại (UV) diệt khuẩn trong bệnh viện, nhà bếp. Chúng diệt mầm bệnh trong vài giây, nhưng còn vướng rào cản chi phí cao, hiệu suất thấp.
Ông thậm chí còn theo đuổi lĩnh vực nhiệt hạch (nuclear fusion) thông qua công ty khởi nghiệp riêng. Năm 2014, Nakamura, Akasaki và Amano nhận giải Nobel Vật lý cho phát minh đèn LED xanh. Nakamura công khai cảm ơn Nichia và đề nghị hàn gắn, nhưng mối quan hệ đôi bên vẫn lạnh nhạt. Quan trọng hơn, từ năm 1994, ông đã xuất bản đủ công trình để lấy bằng Tiến sĩ. Tính đến nay, ông có hơn 900 bài báo khoa học. Xuyên suốt hành trình, điều không hề thay đổi là: ý chí, tư duy phản biện và khả năng giải quyết vấn đề đã làm nên sự khác biệt của ông. Nơi người khác thấy bế tắc, ông lại thấy hướng đi mới.
vninfinity.net
Năm 1962, kỹ sư Nick Holonyak của General Electric đã tạo ra đèn LED khả kiến đầu tiên. Nó phát sáng màu đỏ rất nhạt. Vài năm sau, các kỹ sư tại Monsanto tạo ra đèn LED màu xanh lục. Nhưng suốt hàng thập kỷ, chúng ta chỉ có hai màu đó, nên đèn LED chỉ được dùng trong các đèn báo (indicator), máy tính bỏ túi và đồng hồ. Nếu như có thể tạo ra ánh sáng màu xanh lam, chúng ta sẽ phối trộn đỏ, lục, lam thành ánh sáng trắng và mọi màu khác, mở ra tiềm năng ứng dụng trong mọi loại thiết bị chiếu sáng: từ bóng đèn, điện thoại, máy tính, TV đến biển quảng cáo. Nhưng màu xanh lam gần như là bất khả thi.
Trong thập niên 1960, mọi tập đoàn điện tử lớn trên thế giới—từ IBM, GE đến Bell Labs—đều chạy đua để tạo ra đèn LED xanh. Họ biết nó sẽ có giá trị hàng tỷ đô la. Dù hàng nghìn nhà nghiên cứu nỗ lực, không ai thành công. Mười năm kể từ đèn LED đỏ đầu tiên của Holonyak trôi qua, rồi hai mươi, ba mươi năm, và hy vọng dùng đèn LED để chiếu sáng dần tắt. Một giám đốc của Monsanto tuyên bố đèn LED sẽ không bao giờ thay thế đèn bếp; chúng chỉ dùng cho bảng điều khiển, bảng táp-lô ô tô hay dàn âm thanh, để báo rằng thiết bị đang bật. Có lẽ đến giờ điều đó vẫn đúng, nếu không có một kỹ sư bất chấp cả ngành công nghiệp và đạt ba đột phá lớn để tạo ra đèn LED xanh đầu tiên trên thế giới.
Shuji Nakamura là nhà nghiên cứu tại Nichia, một công ty hóa chất nhỏ ở Nhật Bản. Nichia vừa mở rộng sang sản xuất chất bán dẫn để tạo đèn LED đỏ và lục. Đến cuối thập niên 1980, mảng chất bán dẫn của họ lao đao, thua kém những công ty lớn. Mâu thuẫn bắt đầu dâng cao. Nhân viên trẻ năn nỉ Nakamura tạo sản phẩm mới, trong khi người kỳ cựu gọi nghiên cứu của ông là lãng phí. Ở Nichia, ngân sách hạn hẹp. Phòng thí nghiệm của Nakamura hầu như chỉ toàn máy móc ông thu gom và hàn gắn lại. Rò rỉ phốt-pho gây nhiều vụ nổ đến mức đồng nghiệp không còn dám ghé qua. Đến năm 1988, cấp trên quá thất vọng với dự án của ông nên đã bảo ông nghỉ việc.
Trong bước đường cùng, ông đưa đề xuất táo bạo lên nhà sáng lập và chủ tịch công ty, Nobuo Ogawa: chính đèn LED xanh mà Sony, Toshiba và Panasonic đều thất bại. Sau khi lỗ triền miên với mảng bán dẫn hơn một thập kỷ, Ogawa đánh cược. Ông chi 500 triệu Yên (khoảng 3 triệu USD) – có lẽ khoảng 15% lợi nhuận hằng năm của công ty – cho dự án “viển vông” của Nakamura.
Mọi người đều biết đèn LED có thể thay thế bóng đèn dây tóc, vì bóng đèn – vốn được xem là biểu tượng “ý tưởng lóe sáng” – thật ra tạo ánh sáng rất tệ. Chúng hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua sợi đốt tungsten, làm nó nóng rực đến mức phát sáng, nhưng phần lớn năng lượng điện bị tỏa thành tia hồng ngoại (nhiệt), chỉ một phần cực nhỏ là ánh sáng thấy được. Ngược lại, LED là “Light Emitting Diode” – đi-ốt phát quang – nên chủ yếu tạo ra ánh sáng, do đó hiệu suất cao hơn nhiều. Đi-ốt có hai cực điện và chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều.
Cách đèn LED hoạt động như sau: khi ta có nguyên tử độc lập, mỗi điện tử chiếm một mức năng lượng rời rạc. Mọi nguyên tử cùng loại, khi đứng riêng lẻ, có các mức năng lượng giống nhau. Nhưng khi gộp nhiều nguyên tử để tạo thành chất rắn, các điện tử lớp ngoài chịu lực hút không chỉ từ hạt nhân của chúng mà còn từ những hạt nhân lân cận. Mức năng lượng của chúng thay đổi, tạo thành một dải năng lượng sít nhau, gọi là vùng năng lượng (energy band). Vùng có mức năng lượng cao nhất có điện tử chiếm chỗ gọi là “vùng hóa trị” (valence band). Vùng năng lượng cao hơn kế tiếp là “vùng dẫn” (conduction band).
Trong vật dẫn (conductors), vùng hóa trị chỉ lấp đầy một phần, cho phép điện tử di chuyển. Trong vật cách điện (insulators), vùng hóa trị đầy kín và khe năng lượng (band gap) quá lớn để điện tử nhảy lên vùng dẫn. Chất bán dẫn (semiconductors) có khe năng lượng nhỏ hơn, nên ở nhiệt độ phòng, một số điện tử có đủ năng lượng để nhảy lên vùng dẫn và dẫn điện. Những “chỗ trống” chúng để lại ở vùng hóa trị được gọi là “lỗ trống” (hole), cũng di chuyển như điện tích dương.
Để làm chất bán dẫn hữu dụng hơn, ta pha tạp (doping) nguyên tử ngoại lai. Nếu pha photpho vào silic, ta được bán dẫn loại n (n-type), nơi điện tử (mang điện âm) chiếm ưu thế. Nếu pha bo vào silic, ta được bán dẫn loại p (p-type), nơi lỗ trống (mang điện dương) chiếm ưu thế. Về tổng thể, vật liệu vẫn trung hòa điện, chỉ khác ở loại hạt dẫn điện chủ yếu.
Khi ghép một miếng p-type và một miếng n-type, điện tử từ n khuếch tán sang p, lấp đầy các lỗ trống. Điều này tạo ra một điện trường nội tại ngăn điện tử tiếp tục vượt qua. Khu vực đó gọi là “vùng nghèo” (depletion region). Nếu nối pin (hoặc nguồn điện) sai chiều, vùng nghèo mở rộng, không cho dòng điện chạy. Nếu đảo chiều, vùng nghèo co lại, điện tử từ n sang p. Khi điện tử rơi từ vùng dẫn (conduction band) xuống một lỗ trống ở vùng hóa trị (valence band), sự chênh lệch năng lượng được phát ra dưới dạng một phôtôn (photon). Cỡ khe năng lượng quyết định màu ánh sáng.
Ở silic tinh khiết, khe năng lượng là 1,1 eV, ánh sáng phát ra thuộc hồng ngoại, không thấy được. Tiến lên dần dải quang phổ, ta hiểu vì sao đèn LED đầu tiên là đỏ, rồi đến xanh lục, trong khi xanh lam khó hơn nhiều. Xanh lam đòi hỏi khe năng lượng lớn hơn. Đến thập niên 1980, dù tốn hàng trăm triệu đô la, chưa ai tìm ra vật liệu phù hợp. Người ta biết rằng phải có cấu trúc tinh thể gần như hoàn hảo, vì sai hỏng sẽ cản trở điện tử, biến năng lượng thành nhiệt thay vì ánh sáng.
Bước đầu tiên của Nakamura là học công nghệ MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) – phương pháp kết tinh mới. Ông sang Florida học tại phòng thí nghiệm một đồng nghiệp cũ. Nhưng ông không được dùng máy MOCVD đang chạy, phải tự lắp ráp một bộ máy mới gần như từ đầu. Ông cũng không có bằng Tiến sĩ hay bài báo khoa học, nên bị coi thường. Trải nghiệm đó khiến ông hậm hực nhưng tăng thêm quyết tâm. Năm 1989, ông trở về Nhật với hai thứ quan trọng: một đơn hàng cho máy MOCVD mới của Nichia, và khát khao lấy bằng Tiến sĩ.
Khi ấy, giới nghiên cứu đã rút gọn vật liệu LED xanh còn hai lựa chọn: kẽm selenua (zinc selenide) và gali nitrua (gallium nitride). Kẽm selenua ít sai lệch mạng tinh thể (3%) so với gallium arsenide nên dễ kết tinh hơn, nhưng chưa ai tạo được loại p cho nó. Trong khi đó, gali nitrua gần như bị bỏ rơi vì chênh lệch mạng tinh thể với sapphire đến 16%, dẫn đến vô số khuyết tật, lại khó tạo p-type. Ngoài ra, để khả thi thương mại, đèn LED xanh cần công suất ánh sáng ít nhất 1.000 microwatt – cao hơn gấp hàng trăm lần so với thử nghiệm trước đó. Gần như tất cả tập trung vào kẽm selenua. Nakamura lại chọn gali nitrua, vì lĩnh vực này vắng đối thủ và ông cần xuất bản 5 bài báo để lấy bằng.
Chỉ còn hai chuyên gia về gali nitrua là tiến sĩ Isamu Akasaki và tiến sĩ Hiroshi Amano ở Đại học Nagoya. Họ đã nghĩ ra lớp đệm (buffer) bằng nhôm nitrua (AlN) để cải thiện kết tinh gali nitrua trên sapphire, nhưng vẫn khó mở rộng quy mô. Còn Nakamura, ở Nichia, không thể làm cho gali nitrua bám tốt vào máy MOCVD mới suốt 6 tháng. Quá bí, ông quyết định tháo máy ra rồi thiết kế lại. Mỗi ngày, ông hàn, cắt, đấu dây vào buổi sáng, rồi thí nghiệm buổi chiều.
Sau một năm rưỡi, vào cuối năm 1990, ông cuối cùng cũng thành công. Ông kết tinh được gali nitrua có độ linh động điện tử gấp 4 lần mọi mẫu trước đó. Đột phá của ông là bổ sung vòi phun thứ hai, tạo luồng khí trơ thổi xuống, cố định dòng chất phản ứng gần bề mặt đế, thay vì để chúng bay lơ lửng và kết tụ bột. Phát minh này, “reactor hai luồng” (two-flow reactor), giúp ông kết tinh gali nitrua chất lượng cao. Không cần lớp đệm AlN, ông có thể dùng luôn một lớp gali nitrua làm đệm cho lớp gali nitrua chính.
Tiếp đó, Nakamura giải quyết vấn đề p-type. Akasaki và Amano đã chế tạo được gali nitrua pha tạp magie, nhưng phải chiếu chùm điện tử để biến nó thành p-type. Cách này không thực tế cho sản xuất đại trà. Nakamura nghi ngờ chỉ cần thêm năng lượng, nên thử “nung” mẫu pha tạp magie (annealing). Phương pháp này còn hiệu quả hơn chiếu điện tử. Qua đó, ông tìm ra rằng nguyên tử hydro từ ammonia liên kết với magie, làm mất các lỗ trống. Nung nóng sẽ giải phóng hydro, khôi phục đặc tính p-type.
Năm 1992, ông giới thiệu mẫu LED xanh đầu tiên nhưng thiên về tím xanh, công suất chỉ 42 microwatt, kém xa ngưỡng 1.000 microwatt. Giám đốc mới của Nichia, Aji Ogawa, mất kiên nhẫn, ra lệnh dừng dự án, nhưng Nakamura phớt lờ. Lúc này, ông chỉ còn một bước cuối: cần lớp “hoạt tính” (active layer) indi-gali nitrua (InGaN) ở mối nối p-n, để thu hẹp khe năng lượng xuống đúng mức xanh lam (thay vì tím). Tuy nhiên, nhiều người nghĩ indium và gali nitrua như nước với dầu, không thể hòa trộn. Máy MOCVD tùy chỉnh của Nakamura cho phép ông “ép” indium lên bề mặt gali nitrua, và kết quả đáng ngạc nhiên: lớp InGaN hình thành trơn tru. Để ngăn điện tử tràn ra ngoài, ông thêm một lớp chặn bằng nhôm-gali nitrua (AlGaN). Đến năm 1992, ông hoàn thiện đèn LED xanh sáng chói công suất 1.500 microwatt với bước sóng 450 nm.
Sau 30 năm tìm kiếm của vô số nhà khoa học, Nakamura đã thành công. Ông ví như cảm giác chinh phục đỉnh Phú Sĩ. Nichia công bố phát minh năm 1993, khiến ngành điện tử kinh ngạc. Nó sáng hơn gấp 100 lần so với mọi LED xanh giả (pseudo-blue) trước đó. Đơn đặt hàng tràn về, và đến 1994, Nichia sản xuất 1 triệu LED xanh mỗi tháng. Họ sớm phủ thêm phosphor vàng lên LED xanh để tạo ánh sáng trắng, mở ra khả năng thay thế hầu như mọi nguồn sáng. Đến 2001, doanh thu Nichia chạm gần 700 triệu USD, 60% từ LED xanh. Hiện Nichia vẫn là một trong các nhà sản xuất LED hàng đầu thế giới, doanh thu mỗi năm hàng tỷ USD.
Dù mang về hàng trăm triệu đô la cho Nichia, Nakamura chỉ được tăng lương ít ỏi và thưởng không đáng kể. CEO Aji Ogawa cho rằng ông quá cứng đầu. Năm 2000, Nakamura rời công ty sang Mỹ, nhận vô số lời mời. Nichia kiện ông vì “rò rỉ bí mật” khi ông cố vấn cho Cree, một công ty LED khác. Nakamura phản kiện đòi bồi thường xứng đáng. Ban đầu tòa xử cho ông một khoản rất cao, nhưng sau đàm phán, số tiền ông nhận được còn lại khoảng 8 triệu USD, phần lớn trả phí luật sư. Đó là tất cả những gì ông có, trong khi phát minh của ông thúc đẩy một ngành công nghiệp 80 tỷ USD.
Ngày nay, đèn LED xanh có mặt trong hầu hết thiết bị: điện thoại, máy tính, bảng hiệu giao thông, biển quảng cáo, và nhiều màn hình RGB khác. Thậm chí ta còn nhận cảnh báo về việc ánh sáng xanh gây rối loạn nhịp sinh học (circadian rhythm) khi dùng thiết bị trước giờ ngủ. Nhưng về mặt chiếu sáng, LED gần như không có nhược điểm so với bóng đèn sợi đốt hay huỳnh quang: hiệu suất cao hơn nhiều, tuổi thọ lâu hơn, ít tỏa nhiệt, an toàn hơn và tùy biến dễ dàng. Giá cả giờ đã đủ thấp để ta thu hồi tiền mua đèn LED sau vài tháng dùng điện, rồi tiếp tục tiết kiệm năng lượng trong nhiều năm.
Năm 2010, chỉ 1% lượng bóng đèn dân dụng bán ra là LED. Đến 2022, con số vượt quá một nửa, và chuyên gia dự báo trong vòng một thập kỷ, gần như tất cả đèn bán ra sẽ là LED, giúp tiết kiệm năng lượng cực lớn và cắt giảm đáng kể khí thải carbon. Hiện Nakamura nghiên cứu thế hệ LED tiếp theo: micro LED cho màn hình thực tế tăng cường (AR) hay thực tế ảo (VR), và LED tử ngoại (UV) diệt khuẩn trong bệnh viện, nhà bếp. Chúng diệt mầm bệnh trong vài giây, nhưng còn vướng rào cản chi phí cao, hiệu suất thấp.
Ông thậm chí còn theo đuổi lĩnh vực nhiệt hạch (nuclear fusion) thông qua công ty khởi nghiệp riêng. Năm 2014, Nakamura, Akasaki và Amano nhận giải Nobel Vật lý cho phát minh đèn LED xanh. Nakamura công khai cảm ơn Nichia và đề nghị hàn gắn, nhưng mối quan hệ đôi bên vẫn lạnh nhạt. Quan trọng hơn, từ năm 1994, ông đã xuất bản đủ công trình để lấy bằng Tiến sĩ. Tính đến nay, ông có hơn 900 bài báo khoa học. Xuyên suốt hành trình, điều không hề thay đổi là: ý chí, tư duy phản biện và khả năng giải quyết vấn đề đã làm nên sự khác biệt của ông. Nơi người khác thấy bế tắc, ông lại thấy hướng đi mới.
Tại sao gần như không thể tạo ra đèn LED màu xanh - VnInfinity
Năm 1962, kỹ sư Nick Holonyak của General Electric đã tạo ra đèn LED khả kiến đầu tiên. Nó phát sáng màu đỏ rất nhạt. Vài năm sau, các kỹ sư tại Monsanto tạo
vninfinity.net
