諾貝爾獲獎?wù)咧写逍薅c藍(lán)光LED的開發(fā)故事(下)
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2014-10-08
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苦熬十余載迎來柳暗花明，研發(fā)開始迅速推進(jìn)
自從製出作為發(fā)光層的GaN膜后，開發(fā)工作開始順利推進(jìn)。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(jié)發(fā)光二極體的試製。中村順勢將有望用於半導(dǎo)體雷射器的雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)作為目標(biāo)。但就在此時，一個意外的障礙出現(xiàn)了。
在遭遇突然無法製造出高品質(zhì)GaN膜之后，時光轉(zhuǎn)眼就過去兩個月了。裝置改造，尤其是氣體噴出方式的精調(diào)仍在繼續(xù)之中。不過，上天并未拋棄中村。就在1990年都快要結(jié)束的時候，中村摸索找到了可以使GaN膜穩(wěn)定生長的條件。
在1990年9月份以來的兩個月內(nèi)，薄膜持續(xù)處於無法生長的狀態(tài)。一旦氣體的噴出角度等出現(xiàn)微小偏離，薄膜就會無法生長。經(jīng)過兩個月的反覆試驗(yàn)，終於開始掌握了生長條件。引自1990年12月25日的實(shí)驗(yàn)筆記。
當(dāng)初能夠製成高品質(zhì)GaN膜幾乎是個奇跡。因?yàn)橹灰∧さ纳L條件稍有變化，就會完全無法成膜。當(dāng)初可以說是在如此嚴(yán)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(wěn)定的成膜條件。研發(fā)形勢朝著中村設(shè)想的方向發(fā)展。
辛苦終於得到回報
苦苦堅持了十多年。這期間中村經(jīng)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(xué)時代，等等。原本認(rèn)為可能會白費(fèi)的努力，在今天都變成了肥沃的土壤，開始催生豐碩的果實(shí)。
注1）中村在進(jìn)入公司那一年負(fù)責(zé)的研發(fā)課題是製作GaP結(jié)晶。將Ga和P封裝在石英玻璃中進(jìn)行加熱。這時經(jīng)常會發(fā)生爆炸事故。發(fā)生爆炸后玻璃就會四處飛散，周圍如同失火。
曾經(jīng)的辛苦絲毫沒有白費(fèi)。玻璃焊接、氣體管路以及裝置製造，這一切都是為成功開發(fā)出藍(lán)色發(fā)光二極體所做的鋪墊。正是因?yàn)閾碛羞@些豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(jié)晶時，質(zhì)量，雖然開發(fā)取得了成功但卻沒能戰(zhàn)勝大型廠商的痛苦經(jīng)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(jī)。
就連之前的爆炸經(jīng)歷也都變成了好事。被人認(rèn)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(yùn)的所有齒輪都向著成功開發(fā)出藍(lán)色發(fā)光二極體的方向轉(zhuǎn)動。猶如神助的快速開發(fā)由此開始了。
儘管如此，當(dāng)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(fā)光層的結(jié)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(jìn)一步提高GaN膜的品質(zhì)。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(fā)光二極體。
注2）在底板上生長單晶膜時，一般採用晶格常數(shù)（構(gòu)成結(jié)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(jié)晶排列，會強(qiáng)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(shù)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(shù)與GaN基本相同的底板。因此，一般在底板中採用晶格常數(shù)有15.4％不同的單晶Al2O3（藍(lán)寶石）。強(qiáng)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(fā)目標(biāo)是p型膜的生長和pn結(jié)發(fā)光二極體的試製
在1991年年初，LED照明企業(yè)，中村將這兩件事情作為了目標(biāo)。這一目標(biāo)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(shè)置了基礎(chǔ)層（緩沖層）。日本名古屋大學(xué)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(jìn)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(jié)晶狀態(tài)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(gòu)造。中村立即進(jìn)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(jié)晶品質(zhì)較高的GaN膜。引自1991年2月4日的報告。(點(diǎn)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?yàn)橹写逡恢笔褂玫摹窽wo-Flow」法可以順利進(jìn)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(jié)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(zhì)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(jìn)行再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是難以製成高品質(zhì)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(zhì)GaN膜。下一個課題是製作p型GaN膜。通過向GaN膜中加入雜質(zhì)，可以簡單地製成n型膜。但卻難以製成p型膜。
當(dāng)時名古屋大學(xué)的研究小組製成了向GaN中添加Mg作為雜質(zhì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。中村也仿傚了這一方法。但這次實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(diǎn)都未能形成p型。
在改變各種條件推進(jìn)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(jìn)行電子束照射后，材料形成了p型。日亞化學(xué)工業(yè)的主力產(chǎn)品是CRT中使用的螢光體。日亞化學(xué)工業(yè)有許多在加熱螢光體的過程中照射電子束，然后評測發(fā)光狀態(tài)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。