中村開(kāi)發(fā)高亮度藍光LED全過(guò)程詳細介紹

20世紀90年代中期使得超過(guò)人類(lèi)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(kāi)發(fā)藍色激光器的基礎,其實(shí)用化使得錄制高清節目的藍光成為現實(shí).高亮度藍色LED通過(guò)與紅色和綠色LED組合便可制造出各種顏色,接踵而來(lái)的便是促生出取代白熾燈和熒光燈的新一代節能照明巨大市場(chǎng).

　　 日本的企業(yè)及大學(xué)為開(kāi)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(現為名城大學(xué)特聘教授)領(lǐng)導的研究小組取得了出色的成果.在之后的實(shí)用化及高亮度化階段,日亞化學(xué)工業(yè)的中村修二(現為美國加州大學(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》連續報道了中村從GaN類(lèi)藍色LED的研究開(kāi)始到產(chǎn)品化為止的故事,此次本站將刊登該系列報道,希望能向讀者展現在該技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,技術(shù)人員的艱辛與快樂(lè ).

　　日亞總部?jì)鹊乃{色發(fā)光二極管顯示器展示區，站在左側的就是開(kāi)發(fā)成功藍光發(fā)光二極管的中村修二.

　　 中村在進(jìn)入該公司后一直在開(kāi)發(fā)金屬Ga、InP、GaAs、GaAlAs等單結晶材料及多結晶材料.為了節約經(jīng)費,從設備到部件加工的整個(gè)過(guò)程均由中村一人完成.雖然開(kāi)發(fā)最終取得成功,并順利啟動(dòng)了業(yè)務(wù),但產(chǎn)品卻賣(mài)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(huì )暢銷(xiāo)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(jiǎn)稱(chēng)日亞,注1)是當地頗為有名的公司.因為該公司有長(cháng)達三周的夏季休假制度.員工將這一長(cháng)假全部用到了阿波舞的練習上.而且到阿波舞演出正式舉行時(shí),該公司還會(huì )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(chǎng)商.員工數量在1994年4月為640名,銷(xiāo)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(xiāo)售額的8成~9成.此外還制造化合物半導體材料、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(chǎng)致發(fā)光)燈等.公司成立于1956年12月.在中村1979年進(jìn)入公司時(shí),銷(xiāo)售額約為40億日元,員工數量約為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(kāi)發(fā)出了亮度達到1cd的藍光發(fā)光二極管,并成功實(shí)施量產(chǎn).曾一度被公認"要到21世紀才能實(shí)現"的高亮度藍色發(fā)光二極管由此順利地進(jìn)入了實(shí)用期 注2).

　　注2)日本電子機械工業(yè)會(huì )(EIAJ)電子顯示器和電子管業(yè)務(wù)委員會(huì )電子顯示器2000年研究會(huì )在1993年7月公布的《電子顯示器產(chǎn)業(yè)2000年前景調查研究報告》中曾這樣描述:"在可視LED中,藍光LED被公認為最難實(shí)現高亮度化的產(chǎn)品,而且實(shí)際的開(kāi)發(fā)進(jìn)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(kāi)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(shí)現如此壯舉的,并非在該領(lǐng)域長(cháng)期從事研究的海內外知名大學(xué),也非大型電子廠(chǎng)商,而是一家地方城市的化學(xué)廠(chǎng)商.由此,日亞的稱(chēng)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

　　 幾乎全靠一己之力開(kāi)發(fā)成功高亮度藍色發(fā)光二極管的是當年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(jìn)入日亞.專(zhuān)業(yè)是電子工程學(xué).

　　 學(xué)生時(shí)代,中村當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(shí),中村卻已經(jīng)有了孩子.他在上大學(xué)時(shí)就結婚了.

　　 "單身的話(huà),可以留在城市闖一闖.但有了孩子的話(huà),還是到鄉下生活的好.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下了不解之緣.

　　 但并不是說(shuō)中村就沒(méi)有猶豫過(guò).實(shí)際上,中村也曾到總部位于京都的京瓷面試過(guò).盡管通過(guò)了嚴格的考試,順利獲得了進(jìn)入京瓷的機會(huì ),但結果中村還是放棄了.最后,中村選擇留在了當地,也就是妻子娘家的所在地德島市.

　　 日亞是中村的大學(xué)導師介紹的.雖然自己的專(zhuān)業(yè)是電子工程學(xué),但中村希望從事材料開(kāi)發(fā)工作,因此導師向他推薦了這家公司.不過(guò),當中村來(lái)到日亞時(shí)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(lèi)似臭雞蛋味.

　　"瀕死"的開(kāi)發(fā)課

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

　　 中村最初負責的開(kāi)發(fā)課題是提煉用于化合物半導體GaP注4)中的金屬Ga材料.雖說(shuō)是開(kāi)發(fā)課,但其實(shí)只是一名課長(cháng)帶著(zhù)兩名開(kāi)發(fā)人員和幾個(gè)助手的小部門(mén).辦公場(chǎng)所是由帶屋頂的停車(chē)場(chǎng)改造的,只是在四周增加了圍墻,十分簡(jiǎn)陋(圖2).

　　注4)GaP(磷化鎵)是III-V族化合物半導體的一種.屬于能帶為2.3eV的間接遷移型.通過(guò)電子-空穴的再結合可獲得較強的發(fā)光現象(主波長(cháng)為590nm),因此可用作發(fā)光二極管的材料.但波長(cháng)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.

　　圖2:開(kāi)發(fā)課原址

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

　　
　　 在開(kāi)始提煉金屬Ga的幾個(gè)月后,營(yíng)業(yè)部門(mén)要求除了金屬Ga之外還要制造有望暢銷(xiāo)的GaP.當時(shí)開(kāi)發(fā)課已經(jīng)處于垂死狀態(tài),甚至開(kāi)始有傳言說(shuō)"馬上就要撤銷(xiāo)了".在這種情況下,恐怕也只有啟動(dòng)這一有望形成賺錢(qián)的業(yè)務(wù)了.公司隨即指定中村來(lái)負責開(kāi)發(fā).當時(shí)的開(kāi)發(fā)人員有兩名.一名繼續負責金屬Ga的提煉,而另一名,也就是中村,則開(kāi)始著(zhù)手開(kāi)發(fā)GaP.

　　 表面上聽(tīng)起來(lái)這是"為了開(kāi)拓新業(yè)務(wù)而進(jìn)行的開(kāi)發(fā)課題",但實(shí)際情況仍然嚴峻.因為并沒(méi)有預算.所以無(wú)法購買(mǎi)相關(guān)設備.也買(mǎi)不起昂貴的部件.結果,只有完全靠自己來(lái)制造有關(guān)設備(圖3).

　　 黃昏時(shí)分的"爆炸慣犯"

　　 要使GaP實(shí)現結晶生長(cháng),需要使用昂貴的石英管.操作時(shí),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,對管內進(jìn)行真空處理.之后加熱石英管,內部的材料就會(huì )氣化,相互反應便可形成GaP.最后割開(kāi)石英管,將反應生成物取出就能獲得GaP.

　　 不過(guò),問(wèn)題是如何處理使用過(guò)的石英管.由于石英管價(jià)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(lái),進(jìn)行再利用.

　　 從那以后中村就開(kāi)始沒(méi)完沒(méi)了地焊接石英管."我進(jìn)入公司難道就是為了當一個(gè)焊工嗎?",中村不止一次地問(wèn)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(jìn)行高溫加熱使,管內的壓力會(huì )上升到20~30個(gè)大氣壓.這時(shí),只要焊接部位有小小的損傷或是強度不足的話(huà),石英管就會(huì )破裂.

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

　　 上司不理解

　　 而此時(shí)此刻,中村在實(shí)驗室里卻正忙著(zhù)上演一場(chǎng)激烈大戰.

　　 逐漸習慣事故頻發(fā)場(chǎng)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置的GaP制造設備之間吊起了金屬板.這樣就不用再擔心爆炸時(shí)被飛散的石英片打中了.

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

　　 可是長(cháng)期這樣下去的話(huà),身體可吃不消.懷著(zhù)這種想法,中村與當時(shí)的上司談了多次.只要采用對石英管內部進(jìn)行高壓處理的方法,爆炸事故就不