诺贝尔获奖者中村修二与蓝光LED的开发故事(下)

文章来源:恒光电器

发布时间:2014-10-08

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苦熬十余载迎来柳暗花明，研发开始迅速推进

自从製出作為发光层的GaN膜后，开发工作开始顺利推进。中村修二完成了平滑GaN膜的生长、p型GaN膜的製造以及pn结发光二极体的试製。中村顺势将有望用於半导体雷射器的双异质接面结构作為目标。但就在此时，一个意外的障碍出现了。 

 

　　在遭遇突然无法製造出高品质GaN膜之后，时光转眼就过去两个月了。装置改造，尤其是气体喷出方式的精调仍在继续之中。不过，上天并未拋弃中村。就在1990年都快要结束的时候，中村摸索找到了可以使GaN膜稳定生长的条件。

在1990年9月份以来的两个月内，薄膜持续处於无法生长的状态。一旦气体的喷出角度等出现微小偏离，薄膜就会无法生长。经过两个月的反覆试验，终於开始掌握了生长条件。引自1990年12月25日的实验笔记。

 

　　当初能够製成高品质GaN膜几乎是个奇跡。因為只要薄膜的生长条件稍有变化，就会完全无法成膜。当初可以说是在如此严格的条件下，偶然製出了薄膜。不管怎麼说还是成功了。中村以此為激励，成功地探索到了稳定的成膜条件。研发形势朝著中村设想的方向发展。 
辛苦终於得到回报 

苦苦坚持了十多年。这期间中村经歷了接二连三的磨难。埋头研究玻璃焊接的新人时代、每天忍受爆炸事故危险的时代 注1）、忙於製造装置的美国留学时代，等等。原本认為可能会白费的努力，在今天都变成了肥沃的土壤，开始催生丰硕的果实。 

 

注1）中村在进入公司那一年负责的研发课题是製作GaP结晶。将Ga和P封装在石英玻璃中进行加热。这时经常会发生爆炸事故。发生爆炸后玻璃就会四处飞散，周围如同失火。 

 

　　曾经的辛苦丝毫没有白费。玻璃焊接、气体管路以及装置製造，这一切都是為成功开发出蓝色发光二极体所做的铺垫。正是因為拥有这些丰富的经验，中村才能够轻鬆完成MOCVD装置的製造和改造工作。在製造GaP结晶时，质量，虽然开发取得了成功但却没能战胜大型厂商的痛苦经歷让中村坚定了「做别人没有做过的事」这一信念，这成為了他取得成功的契机。 

 

　　就连之前的爆炸经歷也都变成了好事。被人认為是危险的MOCVD装置改造工作，中村也都能够充满勇气地果敢前行。命运的所有齿轮都向著成功开发出蓝色发光二极体的方向转动。犹如神助的快速开发由此开始了。 

 

　　儘管如此，当时也就是在1990年年底的阶段，中村还只不过是终於製出了发光层的结晶膜而已（表1）。必须要做的事情和必须跨越的障碍还有很多（图2）。首先，必须进一步提高GaN膜的品质。最开始製成的GaN膜虽然迁移率比较高，但薄膜表面凹凸不平 注2）。这样就无法层叠薄膜製成发光二极体。 

 

注2）在底板上生长单晶膜时，一般採用晶格常数（构成结晶的原子间距离）与将要生长的单晶膜基本相同的单晶底板。原因是单晶底板的结晶排列，会强烈地影响到在其上面生长的薄膜的原子排列。如果可以选择与薄膜具有相同晶格常数的底板，那麼在底板上生长的薄膜也可以轻鬆地成為单晶。至於GaN，则没有晶格常数与GaN基本相同的底板。因此，一般在底板中採用晶格常数有15.4％不同的单晶Al2O3（蓝宝石）。强迫GaN单晶在其上面生长。因此，很容易形成表面有凹凸的薄膜和多晶膜。 

图2：开发目标是p型膜的生长和pn结发光二极体的试製

在1991年年初，LED照明企业，中村将这两件事情作為了目标。这一目标在1991年3月轻鬆完成了。引自1991年1月16日的报告。

首先要製出平滑的薄膜 

為了製出平滑的薄膜，中村在GaN膜下面设置了基础层（缓冲层）。日本名古屋大学的研究小组通过将AlN膜用作缓冲层，成功地生长出了平滑的GaN膜。中村採用相同的方法进行了试製，果真製成了平滑的薄膜。但是，不能原封不动地仿傚别人的方法。这不符合中村的「做别人没有做过的事」这一信条。 

 

　　因此，中村决定试试在缓冲层中採用GaN而非AlN的方法。具体方法是在低温生长的非结晶状态的GaN膜之上，在高温条件下生长出GaN单晶膜。只要这个取得成功，就可以製出与在底板上直接生长单晶GaN膜相同的构造。中村立即进行了尝试。成功了！而且意外地简单。（图3）。 

 

图3：将GaN作為缓冲层生长GaN膜

通过採用这种方法，可以製成薄膜表面平滑、结晶品质较高的GaN膜。引自1991年2月4日的报告。(点击放大)

 

　　中村好像有高人暗中相助一样，万事都顺利得很。中村甚至心里纳闷「这麼简单的事情，為什麼别人都没有去做呢？」。后来才知道，在缓冲层中採用GaN膜，对中村以外的人来说是一件非常困难的事情。因為中村一直使用的「Two-Flow」法可以顺利进行。但是对採用不同方法生长GaN膜的许多研究人员来说，他们都未能获得满意的结果。 

 

　　在缓冲层中採用GaN的方法，只有在非常特定的成膜条件下才会取得成功。但是只要取得成功，便可製成平滑且高品质的薄膜。而在缓冲层中採用AlN的方法，平滑膜生长的条件范围很大。任何人都可以进行再现实验结果。但是难以製成高品质的薄膜。 

 

偷懒都带来了成功 

 

　　中村在1991年1月成功地製成了以GaN為缓冲层的高品质GaN膜。下一个课题是製作p型GaN膜。通过向GaN膜中加入杂质，可以简单地製成n型膜。但却难以製成p型膜。 

 

　　当时名古屋大学的研究小组製成了向GaN中添加Mg作為杂质的薄膜，而且获得了通过向该薄膜照射电子束、製成p型GaN膜的实验结果。中村也仿傚了这一方法。但这次实验进行得非常不顺利。虽然将试料放到扫描电子显微镜中照射了电子束，但是一点都未能形成p型。 

 

　　在改变各种条件推进P型膜製作的过程中，酒店led照明，一件小事却成全了p型膜。这就是採用萤光体评测用装置而非电子显微镜进行电子束照射后，材料形成了p型。日亚化学工业的主力產品是CRT中使用的萤光体。日亚化学工业有许多在加热萤光体的过程中照射电子束，然后评测发光状态的装置。只有採用这种装置製作的材料在照射电子束后形成了p型。