Pada awal bulan Oktober 2014 ini, penghargaan Nobel untuk bidang fisika diberikan kepada 3 ilmuwan asal Jepang, yaitu Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, dan Shuji Nakamura (tetapi Nakamura sebenarnya telah beralih menjadi warga negara Amerika Serikat). Mereka bertiga dianggap sangat berkontribusi bagi perkembangan ilmu dan teknologi di dunia dengan penemuan LED biru.
Akasaki, Amano, dan Nakamura (gambar dari CBC.ca).
Seperti yang kita ketahui, LED (singkatan dari light emitting diode) merupakan komponen kecil perangkat elektronik yang dapat memancarkan cahaya dengan warna tertentu. Sumber cahaya berbasis LED saat ini dapat ditemukan hampir di mana-mana, mulai dari penerangan rumah, lampu mobil, layar komputer (LED screen), lampu lalu lintas, hingga laser pointer.
LED biru (gambar dari physicsworld.com).
Namun, kita mungkin bertanya-tanya mengapa harus penemuan LED berwarna biru yang mendapatkan penghargaan Nobel. Selain itu, bagaimana sebenarnya prinsip kerja dari LED biru ini dan LED lainnya secara umum?
“Batu Bata Terakhir”
Kalaulah kita ibaratkan LED biru ini sebagai penyusun suatu bangunan, dapat dikatakan bahwa LED biru merupakan sebuah batu bata terakhir. Untuk apa? LED biru ini rupanya syarat mutlak yang diperlukan untuk membuat sumber cahaya putih yang memadukan warna merah, hijau, dan biru.
LED merah, hijau, dan biru (gambar dari physicsworld.com).
LED merah dan LED hijau telah ada secara komersial sejak tahun 1960-an. Namun, LED biru baru berhasil direalisasikan awal 1990-an melalui kegigihan Profesor Akasaki yang telah bergelut dengan penelitian LED selama puluhan tahun, dengan dibantu mahasiswanya saat itu, Hiroshi Amano, di Universitas Nagoya, Jepang.
Di waktu yang berdekatan dengan penelitian Akasaki dan Amano, muncullah Shuji Nakamura sebagai seorang lulusan master Universitas Tokushima yang baru mulai bekerja di Nichia Chemical Jepang. Ia turut mencoba peruntungannya dalam mengembangkan LED biru dan meminta perusahaan tempatnya bekerja mengalokasikan dana khusus untuk riset tersebut.
Dimulai tahun 1988, Nakamura cukup beruntung tidak memerlukan waktu selama Akasaki dan Amano untuk menemukan ramuan yang tepat dan lebih efisien dalam menghasilkan LED biru. Hanya dalam 4 tahun saja ia berhasil membuat LED biru dengan cara yang lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan metode dari Akasaki dan Amano.
Dari sisi historis, Akasaki dan Amano adalah pionir dari segala teknik fundamental dalam pengembangan LED biru. Namun, untuk komersialisasi produk, desain LED biru ala Nakamura yang muncul belakangan telah menjadi standar awal produk LED biru di pasaran. Perusahaan Nichia pun saat ini merupakan pemegang pasar LED paling dominan di dunia. Sayangnya, karena suatu konflik hak cipta, Nakamura mengundurkan diri dari Nichia. Ia bahkan beralih kewarganegaraan ke Amerika Serikat dan menjadi profesor fisika material di sana.
Terlepas dari berbagai kisah dan intrik menarik di balik penemuan LED biru, komponen elektronik ini segera saja membawa berbagai perubahan dalam kehidupan manusia di dunia. Produk komersial pertama yang jadi sasaran substitusi oleh keberadaan LED adalah alat penerangan kehidupan kita sehari-hari, apalagi kalau bukan lampu, seperti lampu pijar ataupun lampu neon/fluorosens.
Pada dasarnya, lampu bekerja dengan mengubah listrik menjadi cahaya. Namun, banyak bagian energi listrik yang terbuang menjadi panas dikarenakan sifat material penyusun lampu, alias efisiensinya rendah. Masalah efisiensi ini sudah menjadi ciri khas lampu pijar (bohlam) dan demikian pula dengan lampu neon meskipun lampu jenis ini masih jauh lebih efisien daripada lampu pijar.
Sebagai perbandingan kasar, lampu neon komersial secara umum dapat bertahan sekitar 10 ribu jam, sedangkan lampu pijar hanya bertahan sekitar 1000 jam. Lampu pijar hanya mampu mengubah sekitar 4% energi listrik yang diterimanya untuk menjadi cahaya, sedangkan lampu neon masih lumayan mampu mengubah sekitar 30% energi listrik yang diterimanya untuk menjadi cahaya.
Dalam hal ini, ambisi manusia yang tak pernah puas tentu cukup jelas. Untuk mendapatkan sumber cahaya yang lebih efisien, kita memerlukan komponen elektronik yang mampu mengubah lebih banyak lagi listrik yang diterimanya menjadi cahaya. LED adalah perangkat yang dimaksudkan. Faktanya, lampu putih LED terbaik saat ini bahkan mampu mengubah lebih dari 50% energi listrik menjadi cahaya.
Sialnya, puluhan tahun yang lalu hanya ada LED merah dan hijau. Hanya kurang LED biru saja untuk membuat sumber cahaya putih ataupun warna-warna lainnya dengan mengombinasikan warna merah, hijau, dan biru. Wajar jika penemuan LED biru oleh Akasaki, Amano, dan Nakamura menjadi terobosan terpenting dalam perkembangan dunia elektronik di akhir abad ke-20. Mereka dianggap telah menemukan batu bata yang selama ini hilang.
Teori semikonduktor yang menjadi prinsip kerja perangkat LED sebenarnya telah tersedia segera sejak mekanika kuantum pertama kali dirumuskan hampir seabad yang lalu. Dalam definisinya yang paling sederhana, semikonduktor merupakan material yang sifat listriknya berada di antara konduktor dan isolator. Ciri khas dari semikonduktor adalah adanya celah energi (band gap) yang tidak terlalu besar dibandingkan dengan isolator sehingga memungkinkan transisi elektron secara kolektif dari satu tingkat energi ke tingkat lainnya.
Perbandingan kasar antara celah energi (Eg) pada isolator, semikonduktor, dan konduktor.
Secara intrinsik, material semikonduktor seperti unsur-unsur golongan IV (karbon, silikon, germanium), ataupun senyawa golongan III-V (seperti GaN, BN, GaP) memiliki sejumlah elektron valensi pada kristal yang terlibat dalam ikatan kovalen sempurna yang membuat elektron-elektron tersebut tidak bisa bergerak dengan bebas. Oleh karena itu, kita perlu mengubah sedikit sifat kristal tersebut melalui sebuah proses yang disebut sebagai doping sehingga celah energi semikonduktor dapat dimanfaatkan sesuai kebutuhan.
Dalam proses doping, pada dasarnya kita mencampurkan sejumlah kecil ketidakmurnian (impurity) ke dalam kristal semikonduktor intrinsik. Ada dua macam ketidakmurnian ini, yaitu doping tipe-n dan doping tipe-p. Pada doping tipe-n, unsur golongan V ditambahkan ke dalam semikonduktor intrinsik sehingga menghasilkan elektron yang bebas bergerak ke sekitarnya. Pada doping tipe-p, unsur golongan III yang ditambahkan sehingga menghasilkan lubang yang tidak ditempati elektron (disebut hole), yang dapat dianggap sebagai muatan positif yang juga dapat bergerak.
Kegunaan semikonduktor sebenarnya baru muncul ketika kita memiliki semikonduktor tipe-n dan tipe-p. Beragam variasi struktur yang melibatkan semikonduktor tipe-n dan tipe-p akan menghasilkan perangkat elektronik yang berbeda-beda, mulai dari diode, transistor, sel surya, hingga IC (integrated circuit). Pemilihan material yang tepat dengan nilai celah energi tertentu dan kebutuhan akan struktur kristal berkualitas tinggi untuk setiap perangkat yang berbeda menjadi hal yang sangat krusial dan penting diperhatikan.
Diode merupakan perangkat semikonduktor paling sederhana yang mungkin dibuat. Diode dihasilkan dengan menyambungkan suatu semikonduktor tipe-p dengan semikonduktor tipe-n. Sebuah diode memungkinkan arus untuk mengalir pada satu arah, tetapi tidak pada arah sebaliknya. Barangkali kita pernah melihat pintu putar pembatas di stadion atau pusat perbelanjaan yang hanya bisa dilalui ke satu arah tertentu dan menghambat orang untuk bergerak mundur kembali ke arah sebelumnya. Nah, diode bisa dibayangkan seperti pintu tersebut.
Selanjutnya, agar diode dapat menjadi LED yang memancarkan cahaya, elektron dari semikonduktor tipe-n dan holedari semikonduktor tipe-p harus dapat bertemu (rekombinasi) sehingga terjadi transisi kuantum yang melepaskan energi dalam bentuk cahaya. Proses ini dapat terjadi dengan pemberian tegangan serta pilihan material semikonduktor yang tepat. Warna (atau panjang gelombang) cahaya yang dihasilkan bersesuaian dengan celah energi dari material semikonduktor yang digunakan.
Ilustrasi cara kerja LED (gambar diadaptasi dari nobelprize.org).
Warna cahaya biru berkaitan dengan celah energi yang lebih besar dibandingkan dengan warna merah dan hijau. Oleh karenanya, proses rekombinasi elektron-hole pada material dengan celah energi yang besar memiliki kendala berupa kehilangan energi yang lebih besar untuk panas, alih-alih untuk cahaya. Hal ini terjadi sebagai akibat dari elektron dan hole yang tidak melakukan rekombinasi dengan sempurna. Satu-satunya cara untuk memperoleh rekombinasi sempurna adalah dengan memiliki material kristal berkualitas tinggi yang nyaris tanpa cacat.
Ketika Akasaki, Amano, dan Nakamura memulai penelitian LED biru, kandidat material dengan celah energi yang sesuai untuk warna biru adalah GaN (Galium nitrida). Namun, banyak peneliti menyerah untuk membuat kristal GaN berkualitas tinggi karena material ini cenderung punya banyak cacat dalam kristalnya. Apalagi ketika diberikan doping, GaN akan semakin rapuh. Selain itu, dengan cacat kristal pada GaN, konduktivitas elektron meningkat sehingga secara alami GaN lebih bersifat sebagai semikonduktor tipe-n. Tentunya sangat sulit untuk membuat GaN yang bersifat sebagai semikonduktor tipe-p agar dapat melengkapi struktur LED yang diinginkan.
Tanpa kenal menyerah, Akasaki dan Amano akhirnya menjadi orang pertama yang berhasil membuat kristal GaN berkualitas tinggi dengan metode yang disebut MOVPE (Metalorganic Vapour Phase Epitaxy) dengan terlebih dahulu menumbuhkan material AlN (Aluminium nitrida) di atas substrat safir. Struktur dasar ini memungkinkan penumbuhan GaN di atasnya pada temperatur sekitar 1000oC dengan kualitas yang sangat baik. Nakamura kemudian mengakali metode ini dengan mengganti AlN menggunakan lapisan tipis GaN pada temperatur lebih rendah dan dapat menghasilkan struktur kristal GaN yang lebih baik lagi.
Setelah mendapatkan kristal GaN berkualitas tinggi, proses penting berikutnya dalam penelitian LED biru adalah bagaimana caranya membuat GaN aktif bertipe-p. Pemberian ketidakmurnian saja rupanya tidak cukup. Lagi-lagi Akasaki dan Amano menjadi yang pertama menemukan (secara tidak sengaja) bahwa penembakan berkas elektron berenergi rendah pada proses doping GaN tipe-p merupakan proses yang penting dilakukan untuk membuat kristal GaN tipe-p meskipun mereka saat itu tidak tahu alasan di balik pentingnya proses tersebut.
Menariknya, lagi-lagi Nakamura pula yang datang dengan solusi lebih baik dan alasan mengapa penembakan berkas elektron berenergi rendah diperlukan dalam proses pembuatan GaN tipe-p. Ia mengemukakan bahwa unsur doping tipe-p normalnya membentuk senyawa kompleks dengan hidrogen sehingga membuat GaN tipe-p bersifat pasif meski sudah didoping. Penembakan berkas elektron akan membuat ikatan hidrogen terlepas sehingga GaN tipe-p dapat aktif menjalankan fungsinya.
Akhirnya, semua bahan dasar untuk membuat LED biru sudah tersedia. Racikan Akasaki dan Amano kemudian menghasilkan LED biru berbasis sambungan AlGaN/GaN, sedangkan Nakamura lebih memilih basis sambungan InGaN/AlGaN. Mungkin karena insting Nakamura yang berada di perusahaan, tidak seperti Akasaki-Amano yang berada di universitas, hasil penelitian Nakamura-lah yang lebih cocok untuk aplikasi komersial.
Perangkat elektronik berbasis LED saat ini dapat ditemukan di mana-mana, hampir di seluruh aspek kehidupan kita. Namun, ketika Akasaki, Amano, dan Nakamura bekerja keras 20-30 tahun yang lalu untuk membuat LED biru, mereka mungkin takkan pernah menyangka akan memasuki panggung penerima penghargaan Nobel, yang disoroti oleh lampu-lampu berbahan dasar LED. Di dalam lampu-lampu itu, LED biru menjadi batu bata terakhir yang pernah menjadi komponen yang paling sulit dibuat.
