藍(lán)色LED發(fā)光技術(shù)的研發(fā)（上）

　　1993年日亞化學(xué)工業(yè)推出藍(lán)色LED之后，有一段時(shí)期公眾普遍認(rèn)為藍(lán)色LED就是日亞化學(xué)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。對(duì)此，天野教授說(shuō)，“藍(lán)色LED的產(chǎn)品化是眾多先行者為了合成出氮化鎵（GaN）類(lèi)半導(dǎo)體晶體而開(kāi)發(fā)的技術(shù)和堅(jiān)持的結(jié)果”。

　　赤崎和天野的研究小組，就在GaN類(lèi)藍(lán)色LED的開(kāi)發(fā)中做出了重要貢獻(xiàn)。赤崎在2001年獲得了“應(yīng)用物理學(xué)會(huì)成就獎(jiǎng)”，獲獎(jiǎng)理由中有這樣一段話(huà)：“在GaN類(lèi)氮化物半導(dǎo)體材料和元器件的研發(fā)中，赤崎及其研究小組的研究是所有研究的出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)發(fā)低溫緩沖層技術(shù)，1986年成功地獲得了品質(zhì)明顯提高的晶體，并在1989年實(shí)現(xiàn)了此前不可能的p型傳導(dǎo)和n型傳導(dǎo)性控制，同年還實(shí)現(xiàn)了pn結(jié)藍(lán)色發(fā)光二極管。”

　　藍(lán)色LED技術(shù)確立于1985年，對(duì)外公開(kāi)發(fā)表在1986年。

　　圖：高亮度藍(lán)色LED的構(gòu)造藍(lán)寶石襯底上有低溫GaN緩沖層

　　在介紹藍(lán)色LED發(fā)明時(shí)，提到的全是GaN類(lèi)藍(lán)色LED，因?yàn)镚aN類(lèi)藍(lán)色LED被認(rèn)為是現(xiàn)在實(shí)用化的藍(lán)色LED的原型。其實(shí)，要說(shuō)發(fā)藍(lán)光的LED這個(gè)概念，碳化硅（SiC）類(lèi)藍(lán)色LED早在GaN類(lèi)藍(lán)色LED之前就誕生了。不過(guò)，SiC類(lèi)藍(lán)色LED輸出的光較弱，對(duì)很多研究人員在藍(lán)色 LED之后瞄準(zhǔn)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器的開(kāi)發(fā)也沒(méi)有起作用，所以，現(xiàn)在如果沒(méi)有特別說(shuō)明，藍(lán)色LED就是指GaN類(lèi)藍(lán)色LED。

　　赤崎和天野的研究小組之所以能獲得這么高的評(píng)價(jià)，是因?yàn)樗麄円恢眻?jiān)持研究很多研究人員已經(jīng)放棄的GaN材料，付出的努力最終成就了藍(lán)色LED。

　　赤崎選擇的是GaN這條艱難之路

　　要想讓藍(lán)色LED和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器等藍(lán)色發(fā)光器件發(fā)光，至少需要帶隙在2.6eV（電子伏）以上的大型半導(dǎo)體材料。發(fā)光波長(zhǎng)與帶隙能量之間的公式為

　　發(fā)光波長(zhǎng)（nm）= 1.24/帶隙能量（eV）×100

　　藍(lán)色發(fā)光波長(zhǎng)為455～485nm，按照公式倒推，需要的帶隙能量為2.55～2.72eV。因此，要想實(shí)現(xiàn)藍(lán)色發(fā)光器件，至少需要 2.6eV以上的帶隙能量。這種帶隙能量較大的半導(dǎo)體被稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體，根據(jù)上面的公式可知，只有寬禁帶半導(dǎo)體才能發(fā)出高能量藍(lán)色區(qū)域的短波長(zhǎng)的光。

　　在1960年代后半期至1980年代前半期，這種藍(lán)色發(fā)光器件的候補(bǔ)材料有SiC、硒化鋅（ZnSe）和GaN三種。但這三種材料受到的期待并不相同。根據(jù)晶體生長(zhǎng)的難易程度，大多數(shù)研究人員都把目光投向了SiC和ZnSe這兩種材料。