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中村修二:与蓝色 LED 的奇妙相遇

导读: 诺贝尔物理奖得主中村修二,2015年9月3日受邀至台大演讲,分享自己研发高亮度蓝色发光二极体(LED)技术历程,以及接下来固态照明技术的关键发展趋势。LED大厂晶电、隆达、亿光与台达电也到场参与。

  诺贝尔物理奖得主中村修二,2015年9月3日受邀至台大演讲,分享自己研发高亮度蓝色发光二极体(LED)技术历程,以及接下来固态照明技术的关键发展趋势。LED大厂晶电、隆达、亿光与台达电也到场参与,现场座无虚席。而中村幽默风趣的演讲,获得在场观众热烈回响。

  中村谈到1980年代末着手研究蓝色LED时,在材料选择上遇到了极大挑战。当时可能实现蓝色LED的材料主要有两种,分别是硒化锌(ZincSelenide,ZnSe)与氮化镓(GalliumNitride,GaN)。

  在不看好声浪下,坚持与众不同

  在那个年代,GaN材料几乎没什么人看好,因为GaN与蓝宝石基板晶格不匹配,使晶体结构缺陷密度达1x109cm-2以上,品质远远不及ZnSe,也因此有多达99%研究员,都选择以ZnSe做为实现蓝光LED这块拼图的研究材料,相关研究论文更是多不胜数。

  只不过中村偏偏反其道而行,坚持跟别人走不一样的路,选择仅有1%人关注的冷门材料GaN。中村那看似不可能成功的决定,改变了往后的人生,正如同他在个人著作《我的思考,我的光》中所说,“就像我和蓝色发光二极体奇妙的相遇一般,每个人的人生中都会有不可思议的相遇”。

  为了改善GaN与蓝宝石基板之间晶格不匹配的问题,中村以GaN为材料在蓝宝石基板上制作缓冲层(BufferLayer),并为此改造出双气流(Two-Flow)有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备,大幅提升磊晶品质,也为实现高亮度蓝色LED奠定了基础。

  在双气流MOCVD辅助下,中村以热退火(ThermalAnnealing)制程,有效实现p型层GaN;后来,又成功生长出实现高亮度蓝色LED的关键材料氮化铟镓(IndiumGalliumNitride,InGaN),并以InGaN做为p型层GaN与n型层GaN之间的发光层,达成双异质接面结构(DoubleHeterostructure),改善原本p-n同质接面(Homojunction)的LED发光效率,实现高亮度蓝色LED。

  InGaN对产生高亮度蓝色LED、蓝色半导体激光及蓝紫色半导体激光,都是不可或缺的要角,中村也因此称之为“神奇材料”,但诺贝尔奖在授奖说明中对InGaN贡献只字未提,也让中村不只一次表达心中的遗憾。

  至于接下来固态照明技术趋势,除了利用“GaNonGaN”技术制造紫色LED,继而产生发光一致、更纯净均匀的白光外,中村也指出激光照明将会是产业发展关键。相较于LED,激光二极体能够实现更高效率照明,中村认为LED在不久的将来会相当有市场。

  中村不受传统框架束缚、勇于挑战,执着且不轻言放弃的个性,让他在遭遇无数失败下仍然奋力前行,这些历程都为后来的成功奠定基石,也获致今日的成就,为人类生活做出极大贡献,影响深远。

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