LED Biru Sebagai Cahaya Masa Depan Teknologi: Mengapa Pembuatan LED Biru Sempat Dianggap Mustahil?

Oleh: Muhammad Fachri Irfansyah
Prodi Teknologi Informasi UIN Walisongo Semarang

A. PENDAHULUAN
Selama puluhan tahun, seluruh insinyur elektronik dan perusahaan teknologi besar di dunia mencoba untuk menciptakan LED biru. Banyak perusahaan yang mengeluarkan ribuan sampai jutaan dolar untuk untuk membuat LED ini tetapi hasilnya sia-sia sampai ada seorang ilmuwan dari perusahaan kecil di Jepang yang berhasil menciptakan LED dengan keluaran cahaya biru yang sangat terang. Lalu, bagaimana seorang ilmuwan dari perusahan kecil dapat menciptakan LED biru yang bahkah perusahaan teknologi besar di dunia sangat sulit untuk membuatnya? Berikut ini adalah cerita dibalik terciptanya LED biru.

B. Sejarah LED
LED (Light Emitting Diode) adalah merupakan komponen semikonduktor yang memancarkan cahaya saat dialiri listrik. LED juga memiliki tingkat efisiensi energi dan pancaran cahaya yang tinggi dibandingkan lampu pijar. Pada tahun 1962 seorang insinyur elektronika asal Amerika Serikat yang bernama Nick Holonyak berhasil menciptakan LED yang memancarkan cahaya merah. Lalu, pada beberapa tahun setelahnya, LED hijau berhasil diciptakan.

Namun selama puluhan tahun setelah terciptanya LED hijau dan biru, LED hanya bisa digunakan untuk perangkat sederhana seperti indikator atau kalkulator pada masa itu. Karena keterbatasan LED yang hanya dapat memancarkan sedikit warna, Perusahaan elektronik terbesar di dunia seperti IBM, 3M, atau GE berlomba-lomba untuk membuat LED yang dapat memancarkan warna biru. Alasannya sederhana, ketika menggabungkan cahaya merah, hijau, dan biru. Para insinyur dapat menciptakan cahaya putih, Cahaya ini yang menjadi fondasi perangkat modern seperti smartphone, bohlam, atau TV dll. Melihat peluang yang sangat besar, beberapa perusahaan ingin menciptakan LED biru karena tanpa warna biru, Semua itu mustahil untuk dibuat. Namun, setelah puluhan tahun perusahaan elektronik di seluruh dunia telah mencoba untuk membuat LED biru, tetapi tidak ada hasilnya.

C. Mengapa LED Biru Sulit Dibuat?
Tantangan dalam membuat LED biru tidak hanya pada cara teknis saja, melainkan pada fisika material yang sangat rumit. Cahaya biru memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dan energi yang lebih tinggi dibanding cahaya merah dan hijau. Artinya, dibutuhkan bahan semikonduktor dengan band gap (celah pita energi) yang lebih besar pula.

Selama puluhan tahun, para ilmuwan dari perusahaan besar di seluruh dunia memiliki dua kandidat material yang dapat memancarkan cahaya biru yaitu, Zinc Selenide (ZnSe) dan Gallium Nitride (Gan). Pada saat itu, ilmuwan memilih Zinc Selenide (ZnSe) karena memiliki tingkat kecacatan yang lebih rendah. Namun, satu per satu penelitian terasa buntu, karena kristal Zinc Selenide (ZnSe) ternyata sangat rapuh dan sulit dikendalikan untuk produksi massal.

Sementara itu ada kandidat yang sering diabaikan yaitu Gallium Nitride (Gan). Ilmuwan pada saat itu meremehkan material ini karena Gallium Nitride (Gan) memiliki tingkat kecacatan yang lebih tinggi dan sangat sulit untuk membuat kristal berkualitas tinggi dari material ini. Sampai seorang insinyur elektronika asali Jepang yang bernama Shuji Nakamura menemukan cara untuk memanipulasi Gallium Nitride (Gan) yang dapat memberikan kristal berkualitas tinggi.

D. Bagaimana LED Biru Dibuat?
Sebelum melakukan manipulasi pada Gallium Nitride (Gan), Nakamura telah mengetahui ada tiga masalah utama untuk menjadikan Gallium Nitride (InGan) sebagai lapisan aktif pada LED biru.

1. Menciptakan Kristal Berkualitas Tinggi
Untuk menciptakan kristal berkualitas tinggi, Nakamura memodifikasi alat MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). Alat ini dapat menumbuhkan lapisan kristal tipis dan murni di atas substrat semikonduktor. Nakamura menambahkan nozzle kedua pada reaktor MOCVD yang berfungsi untuk melepaskan arus gas lembap kebawah, gas lembap tersebut terdiri dari gas nitrogen (N2) dan hidrogen (H2). Dengan ditambahkannya nozzle kedua pada reaktor MOCVD, nakamura berhasil menciptakan kristal berkualitas tinggi.

2. Menciptakan Gan Tipe-p
Sebuah LED membutuhkan dua jenis lapisan semikonduktor, yaitu tipe-n dan tipe-p. Gan tipe-n mudah untuk dibuat, tetapi tipe-p sangatlah sulit. Seorang peneliti dari Universitas Nagoya di Jepang yang bernama Isamu Akasaki menemukan cara untuk membuat Gan tipe-p, yaitu dengan dengan menyinari sinar elektron pada Gallium Nitride dengan doping magnesium, tetapi cara ini tidak cocok untuk produksi masal. Namun, Nakamura berhasil menemukan cara yang lebih baik dengan cara memanaskan Gallium Nitride dengan doping magnesium sampai suhu 400°C, proses ini disebut annealing. Hasilnya, sempel tipe-p berhasil dibuat yang memungkinkan LED biru untuk diciptakan.

3. Membuat Keluaran Cahaya yang Lebih Tinggi
Meskipun LED biru berhasil dibuat, cahaya yang dihasilkan hanya 42 microwatt, jauh dibawah ambang 1000 microwatt untuk penggunaan praktis. Untuk mengatasi hal tersebut, Nakamura menambahkan lapisan Indium Gallium Nitride (InGan) untuk memperkecil celah pita (band gap). Tetapi masalah lain muncul, penambahan InGan menimbulkan masalah yaitu elektron yang masuk pada InGan membuatnya bocor dan masuk kembali pada lapisan Gan. Tidak dibikin bingung, Nakamura berhasil mengatasi masalah tersebut dengan menambahkan Aluminium Gallium Nitride (AlGan) untuk menghalangi elektron yang sudah masuk ke InGan. Dengan ini, Nakamura berhasil menciptakan LED biru dengan keluaran cahaya 1,500 microwatt.

E. Keberhasilan LED Biru Pada Dunia

Keberhasilan Nakamura dalam membuat LED biru berdampak besar pada dunia elektronik. Seperti lampu pijar yang telah ditinggalkan karena efisiensi energi yang diberikan lampu LED jauh lebih sedikit. Selain itu, industri elektronik mulai berkembang yang memungkinkan penggunaan LED jauh lebih luas seperti teknologi layar yang memanfaatkan LED biru sebagai dasar pencahayaan (backlight) untuk membuat layar seperti smartphone, monitor, atau TV.