日经BP社专题报道 中村开发高亮度蓝光LED全过程(二) 中村开发高亮度蓝光LED全过程(一) GaN发光二极管虽然发出了光,但光线相当暗。中村下决心从pn结型结构改为双异质(Double Hetero)结构。之后开发速度迅速加快。开发也一帆风顺,在双异质结构中掺入杂质形成发光中心,实现了1cd的亮度,并最终投产。信号灯等应用产品也相继开始出现。 1992年4月,从美国学会讲演归来的中村为了开发出双异质结构,埋头研究InGaN膜的生成(表1)。如果将双异质结构导入到GaN发光二极管中,亮度应该会大为提高 注1)。 注1)当时已完成的是pn结型发光二极管。pn结型仅仅将p型与n型半导体进行接合,构造简单。对pn结施加正向偏压以注入电子,当电子在空穴(Hole)中再接合时便会产生光。而双异质结构的发光二极管,则在能隙(Energy Gap)比发光层更大的半导体层夹入了发光层。发光层与周围半导体层之间的接合方面,两侧均为异质接合(不同材料间的接合)。在对pn结施加正向偏压时,所注入的载流子(Carrier)并不会全都从能带向能带迁移(再接合)。载流子的大部分将流出到电极,对发光不做贡献。如果是双异质型发光二极管,则发光层的能隙比周围更小。因此,载流子被关闭在发光层中,再接合的概率提高。所以,如果采用双异质结构,可将亮度提到比pn结型更高。
从这一时期开始,中村的研究小组才得到资金及人才的投入。这是社长的决心产品化的体现。对于GaN发光二极管的研究,日亚已投入了数以亿计的金额。从公司角度来看,这个决策如同从京都清水寺的舞台上纵身一跳,生死只有天知道。终于等到了GaN发光二极管发光的这一天。所以公司希望尽早把其变成畅销产品。作为决定投资的对象,社长对其寄予的期待之大不言自明。 然而,这种期待成了阻碍中村前进的障碍。社长认为哪怕稍微暗点也没关系,成天着急着要把pn结型发光二极管产品化。而中村已看透了pn结型发光二极管的局限性,希望将研究推向更深层次。因为他拥有短时间内拿出成果的自信。 不顾众人反对,发起攻坚战 中村决定先从“中央突破”来打开局面。他想方设法向社长介绍改用双异质结构的必要性,希望得到社长的理解。然而,这一努力没有收效。社长主张早日投产,毫不让步。 既然如此,中村只好改变“作战方针”。中村决定表面上听从社长的意见。不过,只是听听而已。公司会议上,社长要求“赶快投产pn结型产品”。“是是,知道了”,中村满口答应。虽然答应下来,但其实中村丝毫没有推进pn结型产品化的意愿。中村全然不顾公司的想法,把自己关在实验室里一门心思开始双异质结构研究。 果然不出中村所料,InGaN膜的生长实验只用了2～3个月即有了眉目。之后,在1992年的9月份,双异质结构的GaN发光二极管终于试制成功了。虽然成功地发出了光,可是还比较暗(图1)。中村拿给社长看,得到的评价是,“是你制作的啊,还是很暗”。 
图1：实现双异质结构
1992年9月,试制出双异质结构的蓝色发光二极管,并成功实现发光(a)。不过,此时还称不上高亮度。但是,这一成功,在开发现已生产出产品的高亮度蓝色发光二极管(b)方面是重要的一步。(a)首次发光的双异质结构蓝色发光二极管(b)现已生产出产品的双异质结构蓝色发光二极管.
虽然还很暗,但能够在GaN材料上制作成功双异质结构,并且还发出了光,这本身就具有划时代的意义。其未来将具有无限的发展潜力。中村决定以论文的方式让世界来给出评判。他瞒着公司,持续在研发取得关键性进展时投稿论文。
论文在欧美的研究人员中引起了巨大反响。表示赞赏的书信、索要中村过去所写论文的增印本的书信络绎不绝。然而,“在日本根本得不到承认”,中村回忆当时的状况时这样说。“日本的研究人员不是通过成果内容,而是通过公司名或者大学名来判断论文的可信度的吧。我试着询问过几位研究人员,回答说‘当时根本不信’的人居多。等高亮度蓝色发光二极管变成了产品,才急忙去读过去的论文的人估计有不少”(中村)。 孤独的研究者 按照公司的规定,在学会上发表论文是被禁止的。论文秘密地投稿不会被公司知道,而在学会上发表的话可能就瞒不住了 注2)。因为在日本国内召开的学会,公司的研究人员会去听听。 注2)在当时,公司规定禁止在学会发表演讲和投稿论文。然而,这一时期中村却投稿了多篇英文论文。在公司里,因为除了中村以外没有其他人订购英文论文杂志,因此不必担心投稿被公司知道。然而,如果在日本国内学会上发表的话,未必不会被公司知道。 不过,参加学会的意义已变得越来越小。这是因为,无法与其他研究人员进行深入的讨论。虽然对中村发表论文的那项成果信以为真的人较少是原因之一,但最主要的是中村太超前了。中村已不需要从学会上得到什么技术了。产品化成功的那一瞬间正在逼近。中村停止了一切学会活动以及论文投稿,精力只集中在GaN蓝色发光二极管的产品化上。产品化进入了倒计时阶段。 这以后的进展是惊人的。为什么光线较暗的原因中村很清楚。第1个原因是,发光波长为紫外线。所以首先将其变成眼睛可见的蓝色光即可。为此,中村决定在发光层InGaN中添加作为发光中心的杂质 注3)。这样一来,所发光的波长从420nm跃升至450nm,人眼可见的亮度达到以前的4倍。这是1992年12月的事情。然而快速推进的步伐并未因这一成功而停顿。通过进一步调整膜的生成条件,逐渐提高结晶性。亮度在一天天地不断增高(图2)。 
图2：迅速提高的发光亮度
双异质结构实现了之后,这种蓝色发光二极管的亮度与日俱增不断提高。从最初的试制后过了约半年,亮度就上升到以前的100倍,达到1cd。
注3)发光中心是在导带与价电子带之间、即禁带中设置的杂质能级(图)。借助这一能级,电子与正孔进行再结合,从而发光。通过导入发光中心,可在采用相同能隙的半导体的同时,增加所发光的波长。
终于亮度达到1cd
终于来到了投产前的最终调整阶段。这一阶段主要是提高GaN膜及InGaN膜的结晶等级,以提高亮度。同时完善量产技术,提高成品率。中村断绝一切对外联络,把自己关在实验室里的日子。 经过这样的努力,在InGaN双异质结构发光二极管试制成功后不到1年的1993年10月,产品化的条件基本具备了。亮度达到了1cd。是当时市售的采用SiC的蓝色发光二极管的约100倍。 
图3：投产1cd的高亮度蓝色发光二极管,中村展示用此次开发的蓝色发光二极管制作的显示板。
打破近1年的沉寂,蓝色发光二极管终于脱颖而出(图3)。产品发布日定在11月30日。在此之前,中村与上司一起带着引以为豪的蓝色发光二极管,到日本主要的大学及研究机构等走访了一圈。其中,对这一成功给予了最大祝福的,是日本东北大学的西泽润一校长(图4)。西泽校长当场就提出要向中村赠予博士称号 注4)。 注4)当时,中村已向其母校日本德岛大学申请取得博士称号。中村称,因此不得不割爱拒绝了西泽校长的好意。 由此,中村获得了挺起胸脯发布成果的自信。终于到了产品发布的前一天。虽说是产品发布,但并不像大厂商那样租用一流酒店,召开隆重的发布会。而是向日本经济新闻社的德岛支局长公开了成果的内容。中村说,由于是“亮度达到以往产品的100倍”的震撼性成果,所以支局长一开始也并不相信。虽然召开的是只有内部人员参加的小型发布会,但该新闻却发表在了11月30日《日经产业新闻》的第一版上。 接下来的目标还有很多 自这一天起,日亚化学工业公司里,来自媒体的采访请求、以及来自用户及同行业其他公司的咨询蜂拥而至。每天能接到40～50个电话。这种状况持续了1 周多。“是这么了不起的一项成果吗”,社长也慌了手脚。电話潮之后,又是一波访问潮。带着技术合作以及资助等各种提案,访问日亚化学工业的人络绎不绝。 
图4：受到西泽润一校长的赞赏,看到高亮度蓝色发光二极管后,日本东北大学的西泽校长立即挥毫题词。
社长一个个地拒绝了这些提案。中村的“人不为者,我为之”信念终于获得了超越大企业的成果。社长同样也坚守其信念,即“不依赖他人”。此前,该公司一直凭借自己的力量进行研发。社长决定今后仍然自力更生搞下去。 将那些喧嚣抛到脑后,中村继续进行着研究。虽然蓝色发光二极管生产出了产品,但作为研发目标的半导体激光器尚未完成。 另外,蓝色发光二极管完成后,消费者对绿色及蓝绿色发光二极管的需求变得愈发强烈。如果将此次完成的蓝色发光二极管,与早已产品化的红色及绿色发光二极管组合在一起,就能制造出全彩色显示的显示器(图5)。但是,与蓝色及红色二极管的高亮度相比,绿色二极管的亮度较低。需要有更高亮度的绿色发光二极管。 
图5：采用发光二极管的大型全彩色显示器面世
照片为近畿日本铁道开发、并于1995年1月设置在日本上本町火车站中央大厅的显示器。像素数为320×240。
另外,红黄蓝3色发光二极管至此都已制造出来,将其应用于信号灯的大门也就由此打开。不过,日本的绿色信号灯的颜色是蓝绿色。所以还需要开发与此相匹配的发光二极管。
力争实现能带间发光 中村首先完成了蓝绿色发光二极管。目前,采用这种发光二极管的信号灯已面世,并获得了实用(图6)。剩下的是激光器以及高亮度绿色发光二极管了。 
图6：信号灯上所采用的蓝绿色发光二极管
当时在日本爱知县以及德岛县进行了试验性设置。采用发光二极管的信号灯由于不发光时无色,因而可防止误认。
要想采用GaN材料制造出蓝色半导体激光器,存在着2个难题。第一个难题是,需要实现半导体激光器所需的能带间发光 注5)。在夹持InGaN的能隙的情况下,可通过能带间发光得到蓝色。通过进一步夹持能隙,还可实现绿色发光二极管以及半导体激光器 注6)。
注5)现在生产的发光二极管如果进行能带间发光,则会发出紫外线光,因此,此前一直是通过将发光中心导入发光层,借此实现蓝色发光。然而,用这种方法制造不出半导体激光器。不过,如果能增加发光层InGaN的In浓度,并夹持InGaN的能隙的话,则可通过能带间发光得到蓝色。如果能进一步提高In浓度,则可相应地夹持能隙,从而实现蓝绿色及绿色发光二极管以及半导体激光器。 注6)在InGaN中,通过改变In与Ga的比率,能够改变能隙。如果逐渐增加Ga,能隙可扩大到最大6.3eV,相反如果逐渐增加In,能隙可缩小到最小2.0eV。通过这样改变能隙,在红色直到紫外线的波长范围内,可制作出任意光色的发光二极管。不过,越是增加In,则制作结晶性较好的InGaN膜将变得越困难。 另一个难题是,在GaN材料上制作出激光器振荡所必需的构造。目前的半导体激光器采用以镜面覆盖双异质结构发光二极管的发光层的构造,借此将光封闭在内,使光发生共振。结晶膜的劈开面*被作为镜面使用。但是,GaN无法劈开。必需用其他手段制作共振面。 下一页 [1][2] LED之家小提示：若文章图片无法显示，又急需查看图片，请将需求文章的网址发往邮箱：wantled@163.com ，本站将尽快将相关图片回复到您的邮箱。 相关词语： 推广 蓝光 效率 合作 波长 封装 光电 LED技术 竞争力 价格 颜色 测试 政策 厂商 全国 半导体晶片 节能 调光 产业发展
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