中村開發(fā)高亮度藍光LED全過程詳細(xì)介紹

中村開發(fā)高亮度藍光LED全過程詳細(xì)介紹
　　

20世紀(jì)90年代中期使得超過人類身高的超大屏幕全彩顯示器成為可能、2000年前后又為手機屏幕彩色化做出貢獻的,就是高亮度藍色發(fā)光二極管.藍色發(fā)光二極管技術(shù)還成為了開發(fā)藍色激光器的基礎(chǔ),其實用化使得錄制高清節(jié)目的藍光成為現(xiàn)實.高亮度藍色LED通過與紅色和綠色LED組合便可制造出各種顏色,接踵而來的便是促生出取代白熾燈和熒光燈的新一代節(jié)能照明巨大市場.

　　 日本的企業(yè)及大學(xué)為開發(fā)高亮度藍色LED做出了巨大貢獻.在GaNLED的研究階段,名古屋大學(xué)赤崎勇教授(現(xiàn)為名城大學(xué)特聘教授)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組取得了出色的成果.在之后的實用化及高亮度化階段,日亞化學(xué)工業(yè)的中村修二(現(xiàn)為美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授)發(fā)揮了重要作用.1995年1~3月《日經(jīng)電子》連續(xù)報道了中村從GaN類藍色LED的研究開始到產(chǎn)品化為止的故事,此次本站將刊登該系列報道,希望能向讀者展現(xiàn)在該技術(shù)開發(fā)過程中,技術(shù)人員的艱辛與快樂.

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　　日亞總部內(nèi)的藍色發(fā)光二極管顯示器展示區(qū)，站在左側(cè)的就是開發(fā)成功藍光發(fā)光二極管的中村修二.

　　 中村在進入該公司后一直在開發(fā)金屬Ga、InP、GaAs、GaAlAs等單結(jié)晶材料及多結(jié)晶材料.為了節(jié)約經(jīng)費,從設(shè)備到部件加工的整個過程均由中村一人完成.雖然開發(fā)最終取得成功,并順利啟動了業(yè)務(wù),但產(chǎn)品卻賣不出去.焦急之下,中村選擇了藍色發(fā)光二極管作為下一研究課題,而這是一種只要能業(yè)務(wù)化必定會暢銷的產(chǎn)品.

　　 總部位于日本德島縣阿南市的日亞化學(xué)工業(yè)(以下簡稱日亞,注1)是當(dāng)?shù)仡H為有名的公司.因為該公司有長達三周的夏季休假制度.員工將這一長假全部用到了阿波舞的練習(xí)上.而且到阿波舞演出正式舉行時,該公司還會派出員工組成的"日亞方陣"跳上大街.

　　注1)日亞化學(xué)工業(yè)是總部位于日本德島縣阿南市的化學(xué)品廠商.員工數(shù)量在1994年4月為640名,銷售額在1993年1月~1993年12月為167億日元.主要產(chǎn)品為CRT及熒光燈等使用的熒光體材料,占銷售額的8成~9成.此外還制造化合物半導(dǎo)體材料、真空蒸鍍材料、濺射靶材以及液晶面板背照燈等使用的EL(場致發(fā)光)燈等.公司成立于1956年12月.在中村1979年進入公司時,銷售額約為40億日元,員工數(shù)量約為200名.

　　日亞化學(xué)工業(yè)在阿南的總部

　　 日亞在一舉成為全球聞名的公司是在1993年底(表1).這源于該公司開發(fā)出了亮度達到1cd的藍光發(fā)光二極管,并成功實施量產(chǎn).曾一度被公認(rèn)"要到21世紀(jì)才能實現(xiàn)"的高亮度藍色發(fā)光二極管由此順利地進入了實用期 注2).

　　注2)日本電子機械工業(yè)會(EIAJ)電子顯示器和電子管業(yè)務(wù)委員會電子顯示器2000年研究會在1993年7月公布的《電子顯示器產(chǎn)業(yè)2000年前景調(diào)查研究報告》中曾這樣描述:"在可視LED中,藍光LED被公認(rèn)為最難實現(xiàn)高亮度化的產(chǎn)品,而且實際的開發(fā)進展也頗為緩慢,為了在2000年達到1cd,業(yè)界幾乎找遍了一切可能性".

　　表1藍色發(fā)光二極管的開發(fā)年表

　　 對于日亞的壯舉,該領(lǐng)域的技術(shù)人員及研究人員與全世界一樣感到震驚.而更驚奇的是,實現(xiàn)如此壯舉的,并非在該領(lǐng)域長期從事研究的海內(nèi)外知名大學(xué),也非大型電子廠商,而是一家地方城市的化學(xué)廠商.由此,日亞的稱呼從"夏季休假的日亞"變成了"藍光發(fā)光二極管的日亞".

　　 為了孩子選擇回鄉(xiāng)

　　 幾乎全靠一己之力開發(fā)成功高亮度藍色發(fā)光二極管的是當(dāng)年40歲的研究人員中村修二(圖1).中村1979年從德島大學(xué)研究生院畢業(yè)后進入日亞.專業(yè)是電子工程學(xué).

　　 學(xué)生時代,中村當(dāng)然向往到東京或大阪等大城市工作.但到了畢業(yè)參加工作時,中村卻已經(jīng)有了孩子.他在上大學(xué)時就結(jié)婚了.

　　 "單身的話,可以留在城市闖一闖.但有了孩子的話,還是到鄉(xiāng)下生活的好.不想因為工作而犧牲家庭".正是這種想法最終使中村與日亞結(jié)下了不解之緣.

　　 但并不是說中村就沒有猶豫過.實際上,中村也曾到總部位于京都的京瓷面試過.盡管通過了嚴(yán)格的考試,順利獲得了進入京瓷的機會,但結(jié)果中村還是放棄了.最后,中村選擇留在了當(dāng)?shù)?也就是妻子娘家的所在地德島市.

　　 日亞是中村的大學(xué)導(dǎo)師介紹的.雖然自己的專業(yè)是電子工程學(xué),但中村希望從事材料開發(fā)工作,因此導(dǎo)師向他推薦了這家公司.不過,當(dāng)中村來到日亞時卻頗感意外.這只是一家員工僅200人的小型化學(xué)公司,到處都有一股刺鼻的硫化氫(H2S)的氣味注3)."這家公司怎么這么臟啊!",這就是日亞給中村留下的第一印象.

　　注3)硫化氫的氣味類似臭雞蛋味.

　　"瀕死"的開發(fā)課

　　 進入日亞后,中村被分到了開發(fā)課.進入公司后中村發(fā)現(xiàn),這里的員工全部都是阿南附近的人,像他這樣來自德島的還真少見.而且,中村還是該公司第一個學(xué)電子專業(yè)的員工.中村感覺公司是考慮到他學(xué)的專業(yè)與眾不同,所以才把他分配到可以做新業(yè)務(wù)的開發(fā)部門的.

　　 中村最初負(fù)責(zé)的開發(fā)課題是提煉用于化合物半導(dǎo)體GaP注4)中的金屬Ga材料.雖說是開發(fā)課,但其實只是一名課長帶著兩名開發(fā)人員和幾個助手的小部門.辦公場所是由帶屋頂?shù)耐＼噲龈脑斓?只是在四周增加了圍墻,十分簡陋(圖2).

　　注4)GaP(磷化鎵)是III-V族化合物半導(dǎo)體的一種.屬于能帶為2.3eV的間接遷移型.通過電子-空穴的再結(jié)合可獲得較強的發(fā)光現(xiàn)象(主波長為590nm),因此可用作發(fā)光二極管的材料.但波長580nm~590nm的黃色發(fā)光二極管用材料目前大多使用可獲得高亮度的GaAsP及In-GaAlP等.

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　　圖2:開發(fā)課原址

　　 現(xiàn)在用于對廢棄物進行化學(xué)處理.氣味仍像當(dāng)年一樣刺鼻.在置物架上,中村曾經(jīng)用過的石英管還放在那里,只是上面布滿了灰塵.

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　　 在開始提煉金屬Ga的幾個月后,營業(yè)部門要求除了金屬Ga之外還要制造有望暢銷的GaP.當(dāng)時開發(fā)課已經(jīng)處于垂死狀態(tài),甚至開始有傳言說"馬上就要撤銷了".在這種情況下,恐怕也只有啟動這一有望形成賺錢的業(yè)務(wù)了.公司隨即指定中村來負(fù)責(zé)開發(fā).當(dāng)時的開發(fā)人員有兩名.一名繼續(xù)負(fù)責(zé)金屬Ga的提煉,而另一名,也就是中村,則開始著手開發(fā)GaP.

　　 表面上聽起來這是"為了開拓新業(yè)務(wù)而進行的開發(fā)課題",但實際情況仍然嚴(yán)峻.因為并沒有預(yù)算.所以無法購買相關(guān)設(shè)備.也買不起昂貴的部件.結(jié)果,只有完全靠自己來制造有關(guān)設(shè)備(圖3).

　　 黃昏時分的"爆炸慣犯"

　　 要使GaP實現(xiàn)結(jié)晶生長,需要使用昂貴的石英管.操作時,將石英管的一端封上,在管的兩端放置金屬Ga和P.然后再封上另一端,對管內(nèi)進行真空處理.之后加熱石英管,內(nèi)部的材料就會氣化,相互反應(yīng)便可形成GaP.最后割開石英管,將反應(yīng)生成物取出就能獲得GaP.

　　 不過,問題是如何處理使用過的石英管.由于石英管價格昂貴,因此不能用完就扔掉.至少在日亞不能這樣做.于是,中村決定將切斷的石英管重新焊接起來,進行再利用.

　　 從那以后中村就開始沒完沒了地焊接石英管."我進入公司難道就是為了當(dāng)一個焊工嗎?",中村不止一次地問自己.而且最頭疼的是爆炸事故頻頻發(fā)生.對封有Ga和P的石英管進行高溫加熱使,管內(nèi)的壓力會上升到20~30個大氣壓.這時,只要焊接部位有小小的損傷或是強度不足的話,石英管就會破裂.

　　 早上將材料封到石英管中.下午開始加熱,當(dāng)溫度達到最高時正好是傍晚.爆炸總是發(fā)生在要下班的時候.巨大的聲響往往傳遍整個公司."又是中村".員工們一邊調(diào)侃著,一邊趕緊回家.

　　 上司不理解

　　 而此時此刻,中村在實驗室里卻正忙著上演一場激烈大戰(zhàn).

　　 逐漸習(xí)慣事故頻發(fā)場面的中村制定出了一套自我保護措施,在自己的桌子與緊靠桌子設(shè)置的GaP制造設(shè)備之間吊起了金屬板.這樣就不用再擔(dān)心爆炸時被飛散的石英片打中了.

　　 不過,石英管一旦爆炸的話,破裂的石英管碎片就會與加熱到高溫的P一起飛射出來.P是也可用作火柴材料的可燃物.當(dāng)然會燃燒.帶著火的碎塊會向四處飛散.所以中村要追上去一個個將火滅掉.事故頻發(fā)程度事后讓中村回想起來都奇怪"竟然平安無事沒有出大事故".

　　 可是長期這樣下去的話,身體可吃不消.懷著這種想法,中村與當(dāng)時的上司談了多次.只要采用對石英管內(nèi)部進行高壓處理的方法,爆炸事故就不會停止.因此中村想改用在低壓也可制造出GaP的方法.但是,公司的想法很頑固:"發(fā)生爆炸是焊接得不好,并非方式的問題",所以沒有接受中村的提案.

　　 即便如此,開發(fā)還是走上了正軌.從1981年開始,中村制造的GaP開始銷售.正是由于付出如此之多的努力,當(dāng)自己制造的產(chǎn)品上市時,中村真是萬分感慨.GaP的制造開發(fā)總算是成功了.不過,GaP的銷售額每月卻只有數(shù)百萬日元.作為一項業(yè)務(wù),并不算是太大的成功.中村在1982年結(jié)束了開發(fā),制造也交接給了后輩.中村從GaP的開發(fā)中完全撤了出來.

　　 從這一開發(fā)過程中,中村學(xué)到的是石英的焊接技術(shù)、面對爆炸也毫不畏懼的勇氣、以及"不能一味服從公司"這一教訓(xùn).

　　 下一個課題是GaAs結(jié)晶生長

　　 從1982年起,中村開始著手與GaAs注5)結(jié)晶生長有關(guān)的研究課題.這次仍然是營業(yè)部門提供的信息:"今后GaAs的增長空間比GaP更大".由于涉及的是新材料,因此新的開發(fā)人員也從其他公司跳槽給挖了過來.中村煥發(fā)精神開始開發(fā)GaAs的多結(jié)晶材料.

　　注5)在III-V族化合物半導(dǎo)體中,GaAs(砷化鎵)是一種為人所熟知的最普通半導(dǎo)體材料.能帶為1.4eV,屬于直接遷移型.電子遷移率為8800cm2/Vs,空穴遷移率為420cm2/Vs,遠遠高于Si,因此適于用作可高速運行的邏輯電路元等使用的材料.另外,由于可通過電子-空穴的再結(jié)合獲得較強的發(fā)光(主波長為850nm),因此還被廣泛用作發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器材料.

　　日亞目前制造的化合物半導(dǎo)體(GaAs,InP)

　　 雖說開發(fā)的材料變了,但公司內(nèi)部的開發(fā)環(huán)境還是一如既往.先要制造設(shè)備,其次是要焊接石英管.中村的焊接技術(shù)當(dāng)時已被公認(rèn)為一把"絕活",在新的開發(fā)中仍然每天都在發(fā)揮作用(圖4).不用說,爆炸事故依舊是頻繁發(fā)生.

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　中村展示以往的焊接"絕活"加熱石英棒進行焊接.

　　 即便如此,1983年中村成功開發(fā)出了能夠形成產(chǎn)品的GaAs多結(jié)晶技術(shù).隨后,GaAs單結(jié)晶的開發(fā)也完成了.接著,從1985年起,中村又開始著手研究發(fā)光二極管用GaAlAs注6)膜的結(jié)晶生長.單結(jié)晶的生長方法選擇的是液相生長 注7)方式.當(dāng)然,液相生長的設(shè)備也是中村自己制造的(圖5).

　　注6)GaAlAs(砷鋁化鎵)是III-V族化合物半導(dǎo)體GaAs和AlAs的混合結(jié)晶.通過改變Ga1-xAlxAs中的x,可使能帶從2.1eV變?yōu)?.4eV.利益于這一特點,GaAlAs被廣泛用于紅色發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器使用的材料.

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　　注7)在單結(jié)晶底板上使單結(jié)晶生長被稱為外延生長(EpitaxialGrowth),是制造半導(dǎo)體器件時的重要技術(shù).液相外延(LPE:Liquid PhaseEpitaxy)是其中的一種.這是一種利用經(jīng)由溶劑的物質(zhì)移動來實現(xiàn)生長的方法.當(dāng)利用液相外延技術(shù)使GaAs外延生長時,需要使用Ga等制成的溶劑.在Ga中添加GaAs后加熱至900℃高溫,GaAs就會溶解到Ga中.在GaAs底板上導(dǎo)入該溶劑,只要慢慢降低溫度,即可使溶解率降低,從而在GaAs底板上析出GaAs.通過精細(xì)控制這一溫度下降速度,便可在GaAs上析出單結(jié)晶的GaAs.按照同樣的方法,還可在GaAs底板上使GaAlAs單結(jié)晶薄膜生長.

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　　 當(dāng)時,從研究、制造到質(zhì)量管理、直至銷售,全部是中村一個人擔(dān)當(dāng)?shù)?中村將研制出來的單結(jié)晶推薦給了發(fā)光二極管廠商.但其他競爭公司卻拿出了質(zhì)量更高的單結(jié)晶.于是,中村經(jīng)過反復(fù)研究,最終實現(xiàn)了質(zhì)量毫不遜色的產(chǎn)品.而這時,其他公司在質(zhì)量上又走在了前面.無論怎么追都追不上.而其原因就在于評測速度過慢.

　　日亞只銷售材料,自己并不制造發(fā)光二極管.因此,在將單結(jié)晶制成發(fā)光二極管后,全部交由用戶進行評測.而這種方式的話,需要花費1個月才能得到評測結(jié)果.這樣,在評測結(jié)果出來后再怎么改進,也無法趕上其他公司的開發(fā)速度.

　　 押寶發(fā)光二極管

　　 "如果不自已制造發(fā)光二極管,即使用戶說不行也無法反駁".中村通過與社長直接談判,最后終于成功地導(dǎo)入了發(fā)光二極的制造設(shè)備和評測設(shè)備.而且單結(jié)晶的制造人員也得到增加,GaAlAs單結(jié)晶的開發(fā)由此步入了正軌.最后,中村順利完成了開發(fā).

　　 對于該研究課題,中村給自己打了100分.從制造裝置開始,一切工作全部都是自己完成的.在未從其他公司引進技術(shù)的情況下,依靠一已之力確立了GaAlAs單結(jié)晶的制造技術(shù).而且還成功地將其變成了一項業(yè)務(wù).

　　 盡管如此,比自己后來公司、接替自己工作的人都一個個升遷,自己卻被拋在人后,殘酷的現(xiàn)實使得中村萌生退意.再呆在日亞已沒有多大意思了.獲得如此大的成功,自己卻并未獲得肯定…….

　　 經(jīng)過反復(fù)思考,中村最后得出的結(jié)論如下:即使開發(fā)取得成功,產(chǎn)品賣得不好的話,自己就不會受到好評.不暢銷就得不到肯定.因此要選擇開發(fā)成功后會形成大業(yè)務(wù)的課題.就這樣,中村選擇了高亮度藍色發(fā)光二極管這項課題.如果研究成功的話,產(chǎn)品肯定會暢銷.

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　　 要想研究藍色發(fā)光二極管,就需要不同于GaAlAs的結(jié)晶生長技術(shù).中村決定先學(xué)習(xí)這一技術(shù).

　　 正當(dāng)中村這樣考慮的時候,求之不得的事情隨之而來.為了掌握結(jié)晶成長技術(shù),愿不愿意被公司派往美國?對此詢問,中村充滿了期待.

　　 這一非常有吸引力的差事其實卻暗藏著一個陷阱.這是當(dāng)時中村萬萬都沒有想到的

為了研究藍色發(fā)光二極管,首先必須掌握發(fā)光層--薄膜的結(jié)晶生長技術(shù).為此,中村遠赴美國學(xué)習(xí),不過在美國則為制造裝置浪費了一年時間.回國后他仍繼續(xù)制造并改造裝置.經(jīng)過長期艱苦的努力,終于取得了初步成果……

　　 但進入10月份以后,不可思議的事情發(fā)生了,GaN膜突然無法生長了.中村急忙檢查裝置,卻沒有發(fā)現(xiàn)任何問題.成功了一次,也確實成膜了,現(xiàn)在卻無法生長,而且原因不明.肯定是哪里出現(xiàn)問題了.