諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)咧写逍薅c藍(lán)光LED的開(kāi)發(fā)故事(下)
文章來(lái)源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2014-10-08
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苦熬十余載迎來(lái)柳暗花明，研發(fā)開(kāi)始迅速推進(jìn)
自從製出作為發(fā)光層的GaN膜后,，開(kāi)發(fā)工作開(kāi)始順利推進(jìn),。中村修二完成了平滑GaN膜的生長(zhǎng)、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(shì)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(shí)，一個(gè)意外的障礙出現(xiàn)了,。
在遭遇突然無(wú)法製造出高品質(zhì)GaN膜之后,，時(shí)光轉(zhuǎn)眼就過(guò)去兩個(gè)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(guò)，上天并未拋棄中村,。就在1990年都快要結(jié)束的時(shí)候,，中村摸索找到了可以使GaN膜穩(wěn)定生長(zhǎng)的條件。
在1990年9月份以來(lái)的兩個(gè)月內(nèi),，薄膜持續(xù)處?kù)稛o(wú)法生長(zhǎng)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(huì)無(wú)法生長(zhǎng),。經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的反覆試驗(yàn),，終於開(kāi)始掌握了生長(zhǎng)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(gè)奇跡,。因?yàn)橹灰∧さ纳L(zhǎng)條件稍有變化，就會(huì)完全無(wú)法成膜,。當(dāng)初可以說(shuō)是在如此嚴(yán)格的條件下,，偶然製出了薄膜。不管怎麼說(shuō)還是成功了,。中村以此為激勵(lì),，成功地探索到了穩(wěn)定的成膜條件。研發(fā)形勢(shì)朝著中村設(shè)想的方向發(fā)展,。
辛苦終於得到回報(bào)
苦苦堅(jiān)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(shí)代、每天忍受爆炸事故危險(xiǎn)的時(shí)代 注1）,、忙於製造裝置的美國(guó)留學(xué)時(shí)代,，等等。原本認(rèn)為可能會(huì)白費(fèi)的努力,，在今天都變成了肥沃的土壤,，開(kāi)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(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生爆炸事故。發(fā)生爆炸后玻璃就會(huì)四處飛散,，周?chē)缤Щ稹?nbsp;
曾經(jīng)的辛苦絲毫沒(méi)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(kāi)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(shí),，質(zhì)量，雖然開(kāi)發(fā)取得了成功但卻沒(méi)能戰(zhàn)勝大型廠商的痛苦經(jīng)歷讓中村堅(jiān)定了「做別人沒(méi)有做過(guò)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(xiǎn)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(kāi)發(fā)出藍(lán)色發(fā)光二極體的方向轉(zhuǎn)動(dòng),。猶如神助的快速開(kāi)發(fā)由此開(kāi)始了,。
儘管如此，當(dāng)時(shí)也就是在1990年年底的階段,，中村還只不過(guò)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(kāi)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(wú)法層疊薄膜製成發(fā)光二極體,。
注2）在底板上生長(zhǎng)單晶膜時(shí)，一般採(cǎi)用晶格常數(shù)（構(gòu)成結(jié)晶的原子間距離）與將要生長(zhǎng)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(huì)強(qiáng)烈地影響到在其上面生長(zhǎng)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(zhǎng)的薄膜也可以輕鬆地成為單晶,。至於GaN,，則沒(méi)有晶格常數(shù)與GaN基本相同的底板。因此,，一般在底板中採(cǎi)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(zhǎng)。因此,，很容易形成表面有凹凸的薄膜和多晶膜,。
圖2：開(kāi)發(fā)目標(biāo)是p型膜的生長(zhǎng)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(bào)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(guò)將AlN膜用作緩沖層,，成功地生長(zhǎng)出了平滑的GaN膜,。中村採(cǎi)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(dòng)地仿傚別人的方法。這不符合中村的「做別人沒(méi)有做過(guò)的事」這一信條,。
因此,，中村決定試試在緩沖層中採(cǎi)用GaN而非AlN的方法。具體方法是在低溫生長(zhǎng)的非結(jié)晶狀態(tài)的GaN膜之上,，在高溫條件下生長(zhǎng)出GaN單晶膜,。只要這個(gè)取得成功，就可以製出與在底板上直接生長(zhǎng)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(jiǎn)單,。（圖3）,。
圖3：將GaN作為緩沖層生長(zhǎng)GaN膜
通過(guò)採(cǎi)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(bào)告。(點(diǎn)擊放大)
中村好像有高人暗中相助一樣，萬(wàn)事都順利得很,。中村甚至心里納悶「這麼簡(jiǎn)單的事情,，為什麼別人都沒(méi)有去做呢？」,。后來(lái)才知道,，在緩沖層中採(cǎi)用GaN膜，對(duì)中村以外的人來(lái)說(shuō)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(duì)採(cǎi)用不同方法生長(zhǎng)GaN膜的許多研究人員來(lái)說(shuō)，他們都未能獲得滿意的結(jié)果,。
在緩沖層中採(cǎi)用GaN的方法,，只有在非常特定的成膜條件下才會(huì)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(cǎi)用AlN的方法，平滑膜生長(zhǎng)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(lái)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(gè)課題是製作p型GaN膜,。通過(guò)向GaN膜中加入雜質(zhì)，可以簡(jiǎn)單地製成n型膜,。但卻難以製成p型膜,。
當(dāng)時(shí)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(guò)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(guò)程中,，酒店led照明,，一件小事卻成全了p型膜。這就是採(cǎi)用螢光體評(píng)測(cè)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(guò)程中照射電子束,，然后評(píng)測(cè)發(fā)光狀態(tài)的裝置。只有採(cǎi)用這種裝置製作的材料在照射電子束后形成了p型。