Hadiah Nobel

Berinvestasi dalam Pencapaian Hadiah Nobel – Diod LED Cahaya Biru Menerangi Masa Depan

Diterbitkan 15 Juli 2024

Diperbarui 31 Juli 2026

Oleh

Jonathan Schramm

Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google

Sebuah Revolusi Biasa

Beberapa Hadiah Nobel Fisika diberikan karena revolusi dalam cara fundamental kita memahami alam semesta, mulai dari lubang hitam (2020) hingga partikel subatomik (2013) atau ekspansi Alam Semesta (2011). Lainnya menghargai penemuan yang tampaknya lebih “biasa” namun tetap sepenuhnya layak dimenangkan karena dampak tahan lama dan radikal yang akan mereka miliki pada peradaban manusia.

Penghargaan Nobel 2014, yang diberikan kepada Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, dan Shuji Nakamura atas penemuan dioda pemancar cahaya biru, adalah salah satunya.

LED dioda yang dapat memancarkan cahaya merah, kuning, dan hijau telah dikenal sejak penemuan teknologi LED. Namun, untuk menghasilkan cahaya putih, dioda LED harus memancarkan cahaya biru bila diperlukan, dan hal ini terbukti sulit dicapai.

Jenis Cahaya yang Tepat

Energi Kuantum

Apa yang membuat cahaya biru begitu sulit diproduksi dengan LED berasal dari fisika fundamental dioda LED.

LED menghasilkan cahaya berkat prinsip fisika kuantum. Dalam versi sederhana fisika kuantum, atom terbentuk dari inti, di sekitar mana satu atau beberapa elektron mengorbit, tidak berbeda jauh dengan Bumi mengelilingi Matahari.

Menurut aturan mekanika kuantum, elektron‑elektron ini hanya dapat “mengorbit” di sekitar inti atom pada tingkat yang telah ditentukan, masing‑masing ditentukan oleh tingkat energi tertentu. Ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi rendah, kelebihannya dipancarkan dalam bentuk cahaya.

Cahaya berenergi rendah cenderung berada di “sisi merah” spektrum cahaya, sementara cahaya berenergi tinggi cenderung berada di sisi biru spektrum.

Sumber: Online Learning College

Dasar-dasar LED

Kemampuan atom untuk memancarkan cahaya, yang berasal dari fisika fundamental, merupakan prinsip dasar di balik dioda LED. Dalam praktiknya, diperlukan beberapa karakteristik spesifik tambahan.

Untuk membuat sebuah dioda LED, pertama-tama Anda memerlukan bahan yang merupakan semikonduktor, sehingga memiliki kemampuan untuk mengalirkan atau memblokir arus listrik (oleh karena itu disebut “semi”).

Anda harus kemudian menggabungkan 2 jenis semikonduktor yang berbeda:

Satu yang dapat melepaskan elektron juga disebut “tipe-n”.
Satu dengan ruang tambahan untuk menerima elektron tersebut, juga disebut “tipe-p”.

Kombinasi semikonduktor yang digunakan dalam LED memiliki “celah pita”, dengan perbedaan potensial energi yang signifikan antara kedua bahan.

Ketika elektron berpindah dari satu semikonduktor ke yang lain, energi yang dilepaskan menjadi cahaya yang kita inginkan dari dioda.

Sumber: BYJUS

Sistem LED awal memiliki perbedaan energi yang sangat kecil antara kedua jenis semikonduktor, yang menghasilkan cahaya inframerah berenergi rendah. Dengan cepat, ilmuwan dan perusahaan elektronik menemukan cara meningkatkan celah energi tersebut, menghasilkan LED cahaya tampak berwarna merah, kuning, dan hijau.

Bagian penting dari perbaikan ini adalah “penyuntikan” elemen lain ke dalam bahan semikonduktor yang sebelumnya murni, yang meningkatkan kinerjanya.

Sumber: Wikipedia by VectorVoyager

Metode ini tidak cukup selama beberapa dekade untuk menciptakan celah pita berenergi tinggi yang diperlukan agar LED dapat memancarkan cahaya biru.

Jalur Sulit Menuju Diod LED Biru

Gallium Nitride – Material Keajaiban yang Sulit

Celah pita bahan yang digunakan untuk lampu LED berenergi rendah, seperti gallium arsenide (1,42 eV) dan gallium fosfat (2,26 eV), yang dipakai untuk LED merah dan hijau, masih kurang dibandingkan 2,6 hingga 3,4 eV yang diperlukan untuk cahaya biru.

Alternatif ditemukan dengan gallium nitride (3,37 eV). Menggunakan gallium nitride untuk menciptakan cahaya LED biru tampak ide yang bagus, namun dalam praktiknya tampak tidak praktis.

Sumber: Britannica

Rintangan pertama adalah tidak adanya metode untuk menyiapkan permukaan tempat menumbuhkan kristal gallium nitride. Selain itu, tidak ada yang tahu cara membuat lapisan tipe-p dari gallium nitride. Banyak yang mencoba dan gagal mengubah gallium nitride menjadi sistem LED fungsional untuk cahaya biru. Di sinilah tiga pemenang Hadiah Nobel 2014 masuk ke dalam pertempuran.

Menyelesaikan LED Biru dari Berbagai Sudut

Pada tahun 1986, Isamu Asaki dan Hiroshi Amano pertama kali menemukan cara menumbuhkan kristal gallium nitride pada lapisan aluminium nitride di atas substrat safir.

Beberapa tahun kemudian mereka membuat lapisan p, dan akhirnya menciptakan prototipe pertama LED cahaya biru terang pada tahun 1992.

Secara paralel, Shuji Nakamura mulai mengembangkan LED birunya pada tahun 1988. Ia menemukan cara sendiri untuk menumbuhkan kristal gallium nitride, pertama menumbuhkan lapisan tipis gallium nitride pada suhu rendah dan menumbuhkan lapisan selanjutnya pada suhu yang lebih tinggi.

Pemahaman Sejati tentang Gallium Nitride

Lapisan p milik Asaki dan Amano dioptimalkan dengan memaparkan gallium nitride pada berkas elektron dari mikroskop elektron pemindai.

Nakamura memiliki kerangka teoretis untuk menjelaskan cara kerja mikroskop elektron: ia menghilangkan atom hidrogen, yang mencegah pembentukan lapisan p. Ia kemudian menemukan metode yang lebih sederhana & lebih murah untuk mencapai hasil yang sama: pemanasan terkontrol pada material.

Kedua kelompok riset paralel terus melanjutkan dengan desain yang semakin maju dan kompleks untuk LED biru mereka, menciptakan berbagai paduan gallium nitride dengan aluminium atau indium, secara efektif mendoping semikonduktor untuk meningkatkan output cahaya dan efisiensinya.

Sumber: Nobel Prize

Mereka juga menemukan laser biru menggunakan LED cahaya biru mereka. Karena frekuensi cahaya biru jauh lebih kecil dibandingkan warna lain, ia dapat memuat 4x lebih banyak informasi daripada cahaya inframerah, membuka jalan bagi disk Blu-ray.

Pencapaian Cahaya LED Biru

Lebih Banyak Cahaya dengan Lebih Sedikit Listrik

LED biru memungkinkan penciptaan cahaya putih, sehingga memungkinkan penggantian sebagian besar bola lampu dan lampu fluoresen dengan LED. Hal ini sangat penting, karena LED 20 kali lebih efisien daripada bola lampu dan 4 kali lebih efisien daripada lampu pijar.

Sumber: Nobel Prize

Karena 1/4^th konsumsi listrik digunakan untuk menghasilkan cahaya, ini merupakan penghematan radikal pada konsumsi energi global.

Hal ini juga membuat sistem penerangan off‑grid jauh lebih layak, dengan panel surya kecil atau sumber energi alternatif lainnya kini dapat menyalakan cahaya di daerah terpencil atau miskin. Ini, pada gilirannya, memungkinkan peningkatan produktivitas dan pendidikan yang lebih baik.

Warna yang Disesuaikan

Selain LED putih, kombinasi LED merah, hijau, dan biru memungkinkan penciptaan semua warna yang mungkin dalam spektrum tampak. Ini membuka jalan bagi berbagai LED khusus untuk aplikasi niche.

Salah satu aplikasi utama LED biru dan warna khusus sesuai permintaan adalah layar LED untuk TV, komputer, dan smartphone, karena fluktuasi rasio merah/hijau/biru bertanggung jawab menampilkan warna yang tepat piksel demi piksel.

Atau, misalnya, tanaman tidak menggunakan cahaya hijau untuk fotosintesis. Jadi lampu LED untuk budidaya dalam ruangan dapat menggunakan hanya LED merah dan biru, sangat mengoptimalkan konsumsi daya pada budidaya rumah kaca dan memungkinkan revolusi dalam hidroponik dan pertanian perkotaan. Dan mungkin suatu hari bahkan menumbuhkan makanan di luar angkasa atau di Mars.

Sumber: Agritecture

LED Ultraviolet

Setelah pengembangan awal LED cahaya biru, perbaikan lebih lanjut telah memungkinkan sistem yang lebih kuat yang memancarkan cahaya ultraviolet.

LED UV‑C ini dapat digunakan untuk memurnikan air dalam skala apa pun, mulai dari peralatan berkemah hingga utilitas yang melayani puluhan juta orang di kota besar. Mereka juga dapat digunakan untuk membunuh patogen udara dan mensterilkan permukaan, misalnya di rumah sakit.

Blu‑Ray dan Laser Biru

Seperti disebutkan sebelumnya, Blu‑ray dan solusi penyimpanan data berkapasitas tinggi yang bergantung pada laser biru tidak akan mungkin tanpa LED biru. Kepadatan data tinggi juga berguna untuk komunikasi optik, terutama ketika bandwidth tinggi diperlukan.

Laser biru juga merupakan “sumber cahaya ideal untuk pemrosesan logam dengan reflektansi tinggi, menawarkan keuntungan signifikan dalam berbagai aplikasi industri seperti pemotongan dan pengelasan”.

Laser biru kini juga digunakan untuk operasi laring, berkat output energi tinggi mereka dan penyerapan panjang gelombang 445nm oleh hemoglobin, memungkinkan koagulasi pembuluh darah yang sangat tepat sasaran.

Gallium Nitride di Luar Lampu LED

Lampu LED biru menciptakan seluruh industri yang memproduksi secara skala besar dan mempelajari kristal gallium nitride. Hal ini, pada gilirannya, dapat menciptakan revolusi dalam desain elektronik, dengan gallium nitride disebut “hal besar berikutnya dalam elektronik daya.

Gallium nitride dapat beroperasi pada suhu yang jauh lebih tinggi dan tegangan yang lebih tinggi dibandingkan transistor efek medan (FET) berbasis silikon. Jadi, berbasis gallium nitride dapat digunakan untuk stasiun pangkalan seluler 5G, transistor, perangkat elektronik kecil, bahkan AI, karena aplikasi komputasi membutuhkan konsumsi energi yang semakin tinggi.

Semua aplikasi ini tidak akan mungkin tanpa ekonomi skala dalam produksi dan kekayaan pengetahuan yang diciptakan oleh industri LED biru pada awalnya.

Perusahaan LED Biru

Perusahaan Terkait Nakamura

Nakamura mengembangkan lampu LED birunya saat bekerja di Nichia Corporation. Setelah perubahan kepemimpinan pada tahun 1989, perusahaan sebenarnya memerintahkan Nakamura untuk menghentikan proyek tersebut, yang beruntung tidak dilakukannya. Ini juga menjadi kabar baik bagi perusahaan, yang melipatgandakan pendapatannya antara 1993 hingga 2001, dengan 60% dari total bisnis berasal dari lampu LED biru.

Nakamura meninggalkan Nichia pada tahun 1999, dan kemudian ia terlibat dalam serangkaian gugatan hukum yang kompleks mengenai kepemilikan teknologi, melibatkan Nakamura, Nichia, dan pesaing berbasis AS Cree. Nakamura akhirnya menyelesaikan dengan pembayaran ¥840 juta (≈US$8,1 juta) kepada Nichia.

Nakamura kemudian mendirikan pada 2008 Soraa, sebuah perusahaan swasta yang menjual LED biru, yang baru-baru ini diakuisisi oleh Ecosense pada 2020.

Pada 2022, Nakamura bersama mendirikan Blue Laser Fusion, sebuah perusahaan fusi nuklir komersial. Perusahaan ini berencana menggunakan laser energi pulsa mega-joule dengan laju pengulangan cepat untuk mencapai fusi komersial. Perusahaan berencana menyelesaikan prototipe pertamanya pada 2025 dan mendemonstrasikan reaktor fusi siap komersial pada 2030.

Blue Laser Fusion didukung oleh Mirai Creation Fund, yang sendiri didukung oleh Toyota Motor (TM ) dan investor lainnya.

Dengan Soraa/Ecosense dan Nichia (tidak boleh dikacau dengan Nichias – NICFF) perusahaan swasta, investor harus melihat produsen lampu LED biru lainnya untuk berinvestasi dalam teknologi yang menjadi dasar inovasi modern dalam elektronik, telekomunikasi, kedokteran, manufaktur, bahkan pertanian.

1. SMART Global Holdings

Cree adalah perusahaan Amerika yang termasuk di antara yang pertama memasarkan secara massal lampu LED biru dan merupakan pesaing utama Nichia yang terkait dengan Nakamura. Perusahaan ini juga berada di balik wafer silikon karbida komersial pertama.

Kemudian perusahaan ini berganti nama menjadi ‘Wolfspeed‘, dan menjual bisnis LED-nya kepada SMART Global Holdings pada 2021.

Sumber: SGH

Cree LED
Penguin Solutions , sebuah solusi infrastruktur AI.
Stratus, sebuah platform komputasi ultra‑handal.
SMART Modular Technologies, pemimpin dalam teknologi DRMA dan penyimpanan data solid‑state.

Cree LED mewakili sekitar 1/5^th dari total pendapatan, dan solusi platform cerdas menyumbang setengah dari total pendapatan.

Jadi, SGH bukan perusahaan yang hanya fokus pada LED. Namun, Cree LED adalah pemilik IP penting (terutama XLamp Brand), dengan reputasi keunggulan teknologi di bidangnya dan kehadiran di semua pasar terkait LED biru.

2. Osram (OSAGF)

Osram adalah perusahaan global yang memimpin dalam sensor dan solusi cahaya inovatif. Segmen semikonduktor, termasuk LED, laser, sirkuit terintegrasi, dan sensor, mewakili 2/3 dari pendapatan perusahaan.

Itu secara khusus #1 di banyak kategori:

Lampu LED dan laser otomotif.
Lampu otomotif tradisional.
LED hortikultura.
CT pencitraan medis.

Sumber: OSRAM

Secara keseluruhan, OSRAM berada di peringkat #2 di pasar LED dengan pangsa pasar 13%, di belakang Nichia (15%), namun jauh di depan kompetitor lainnya seperti #3 & #4 Seoul Semiconductors (7%) dan Samsung LED (7%), serta MLS (6%).

OSRAM juga merupakan pemimpin dalam sensor cahaya, dengan 29,2% pangsa pasar, sedikit di atas STMicroelectronics (28,5%).

Sebagian besar pendapatan perusahaan berasal dari wilayah Asia-Pasifik, dengan pendapatan terbaru hampir terbagi rata antara EMEA dan Amerika.

Pasar LED diperkirakan akan terus tumbuh dengan CAGR 6,8% hingga setidaknya 2028. Hal ini terutama disebabkan oleh pasar LED otomotif dan pencahayaan umum.