諾貝爾獲獎者中村修二與藍光LED的開發故事(下)

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-10-08

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苦熬十余載迎來柳暗花明，研發開始迅速推進

自從製出作為發光層的GaN膜后，開發工作開始順利推進。中村修二完成了平滑GaN膜的生長、p型GaN膜的製造以及pn結發光二極體的試製。中村順勢將有望用於半導體雷射器的雙異質接面結構作為目標。但就在此時，一個意外的障礙出現了。 

 

　　在遭遇突然無法製造出高品質GaN膜之后，時光轉眼就過去兩個月了。裝置改造，尤其是氣體噴出方式的精調仍在繼續之中。不過，上天并未拋棄中村。就在1990年都快要結束的時候，中村摸索找到了可以使GaN膜穩定生長的條件。

在1990年9月份以來的兩個月內，薄膜持續處於無法生長的狀態。一旦氣體的噴出角度等出現微小偏離，薄膜就會無法生長。經過兩個月的反覆試驗，終於開始掌握了生長條件。引自1990年12月25日的實驗筆記。

 

　　當初能夠製成高品質GaN膜幾乎是個奇跡。因為只要薄膜的生長條件稍有變化，就會完全無法成膜。當初可以說是在如此嚴格的條件下，偶然製出了薄膜。不管怎麼說還是成功了。中村以此為激勵，成功地探索到了穩定的成膜條件。研發形勢朝著中村設想的方向發展。 
辛苦終於得到回報 

苦苦堅持了十多年。這期間中村經歷了接二連三的磨難。埋頭研究玻璃焊接的新人時代、每天忍受爆炸事故危險的時代 注1）、忙於製造裝置的美國留學時代，等等。原本認為可能會白費的努力，在今天都變成了肥沃的土壤，開始催生豐碩的果實。 

 

注1）中村在進入公司那一年負責的研發課題是製作GaP結晶。將Ga和P封裝在石英玻璃中進行加熱。這時經常會發生爆炸事故。發生爆炸后玻璃就會四處飛散，周圍如同失火。 

 

　　曾經的辛苦絲毫沒有白費。玻璃焊接、氣體管路以及裝置製造，這一切都是為成功開發出藍色發光二極體所做的鋪墊。正是因為擁有這些豐富的經驗，中村才能夠輕鬆完成MOCVD裝置的製造和改造工作。在製造GaP結晶時，質量，雖然開發取得了成功但卻沒能戰勝大型廠商的痛苦經歷讓中村堅定了「做別人沒有做過的事」這一信念，這成為了他取得成功的契機。 

 

　　就連之前的爆炸經歷也都變成了好事。被人認為是危險的MOCVD裝置改造工作，中村也都能夠充滿勇氣地果敢前行。命運的所有齒輪都向著成功開發出藍色發光二極體的方向轉動。猶如神助的快速開發由此開始了。 

 

　　儘管如此，當時也就是在1990年年底的階段，中村還只不過是終於製出了發光層的結晶膜而已（表1）。必須要做的事情和必須跨越的障礙還有很多（圖2）。首先，必須進一步提高GaN膜的品質。最開始製成的GaN膜雖然遷移率比較高，但薄膜表面凹凸不平 注2）。這樣就無法層疊薄膜製成發光二極體。 

 

注2）在底板上生長單晶膜時，一般採用晶格常數（構成結晶的原子間距離）與將要生長的單晶膜基本相同的單晶底板。原因是單晶底板的結晶排列，會強烈地影響到在其上面生長的薄膜的原子排列。如果可以選擇與薄膜具有相同晶格常數的底板，那麼在底板上生長的薄膜也可以輕鬆地成為單晶。至於GaN，則沒有晶格常數與GaN基本相同的底板。因此，一般在底板中採用晶格常數有15.4％不同的單晶Al2O3（藍寶石）。強迫GaN單晶在其上面生長。因此，很容易形成表面有凹凸的薄膜和多晶膜。 

圖2：開發目標是p型膜的生長和pn結發光二極體的試製

在1991年年初，LED照明企業，中村將這兩件事情作為了目標。這一目標在1991年3月輕鬆完成了。引自1991年1月16日的報告。

首先要製出平滑的薄膜 

為了製出平滑的薄膜，中村在GaN膜下面設置了基礎層（緩沖層）。日本名古屋大學的研究小組通過將AlN膜用作緩沖層，成功地生長出了平滑的GaN膜。中村採用相同的方法進行了試製，果真製成了平滑的薄膜。但是，不能原封不動地仿傚別人的方法。這不符合中村的「做別人沒有做過的事」這一信條。 

 

　　因此，中村決定試試在緩沖層中採用GaN而非AlN的方法。具體方法是在低溫生長的非結晶狀態的GaN膜之上，在高溫條件下生長出GaN單晶膜。只要這個取得成功，就可以製出與在底板上直接生長單晶GaN膜相同的構造。中村立即進行了嘗試。成功了！而且意外地簡單。（圖3）。 

 

圖3：將GaN作為緩沖層生長GaN膜

通過採用這種方法，可以製成薄膜表面平滑、結晶品質較高的GaN膜。引自1991年2月4日的報告。(點擊放大)

 

　　中村好像有高人暗中相助一樣，萬事都順利得很。中村甚至心里納悶「這麼簡單的事情，為什麼別人都沒有去做呢？」。后來才知道，在緩沖層中採用GaN膜，對中村以外的人來說是一件非常困難的事情。因為中村一直使用的「Two-Flow」法可以順利進行。但是對採用不同方法生長GaN膜的許多研究人員來說，他們都未能獲得滿意的結果。 

 

　　在緩沖層中採用GaN的方法，只有在非常特定的成膜條件下才會取得成功。但是只要取得成功，便可製成平滑且高品質的薄膜。而在緩沖層中採用AlN的方法，平滑膜生長的條件范圍很大。任何人都可以進行再現實驗結果。但是難以製成高品質的薄膜。 

 

偷懶都帶來了成功 

 

　　中村在1991年1月成功地製成了以GaN為緩沖層的高品質GaN膜。下一個課題是製作p型GaN膜。通過向GaN膜中加入雜質，可以簡單地製成n型膜。但卻難以製成p型膜。 

 

　　當時名古屋大學的研究小組製成了向GaN中添加Mg作為雜質的薄膜，而且獲得了通過向該薄膜照射電子束、製成p型GaN膜的實驗結果。中村也仿傚了這一方法。但這次實驗進行得非常不順利。雖然將試料放到掃描電子顯微鏡中照射了電子束，但是一點都未能形成p型。 

 

　　在改變各種條件推進P型膜製作的過程中，酒店led照明，一件小事卻成全了p型膜。這就是採用螢光體評測用裝置而非電子顯微鏡進行電子束照射后，材料形成了p型。日亞化學工業的主力產品是CRT中使用的螢光體。日亞化學工業有許多在加熱螢光體的過程中照射電子束，然后評測發光狀態的裝置。只有採用這種裝置製作的材料在照射電子束后形成了p型。