中村開(kāi)發(fā)高亮度藍光LED全過(guò)程詳細介紹
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即便如此,開(kāi)發(fā)還是走上了正軌.從1981年開(kāi)始,中村制造的GaP開(kāi)始銷(xiāo)售.正是由于付出如此之多的努力,當自己制造的產(chǎn)品上市時(shí),中村真是萬(wàn)分感慨.GaP的制造開(kāi)發(fā)總算是成功了.不過(guò),GaP的銷(xiāo)售額每月卻只有數百萬(wàn)日元.作為一項業(yè)務(wù),并不算是太大的成功.中村在1982年結束了開(kāi)發(fā),制造也交接給了后輩.中村從GaP的開(kāi)發(fā)中完全撤了出來(lái).
從這一開(kāi)發(fā)過(guò)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.
下一個(gè)課題是GaAs結晶生長(cháng)
從1982年起,中村開(kāi)始著(zhù)手與GaAs注5)結晶生長(cháng)有關(guān)的研究課題.這次仍然是營(yíng)業(yè)部門(mén)提供的信息:"今后GaAs的增長(cháng)空間比GaP更大".由于涉及的是新材料,因此新的開(kāi)發(fā)人員也從其他公司跳槽給挖了過(guò)來(lái).中村煥發(fā)精神開(kāi)始開(kāi)發(fā)GaAs的多結晶材料.
注5)在III-V族化合物半導體中,GaAs(砷化鎵)是一種為人所熟知的最普通半導體材料.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(guò)電子-空穴的再結合獲得較強的發(fā)光(主波長(cháng)為850nm),因此還被廣泛用作發(fā)光二極管及半導體激光器材料.
日亞目前制造的化合物半導體(GaAs,InP)
雖說(shuō)開(kāi)發(fā)的材料變了,但公司內部的開(kāi)發(fā)環(huán)境還是一如既往.先要制造設備,其次是要焊接石英管.中村的焊接技術(shù)當時(shí)已被公認為一把"絕活",在新的開(kāi)發(fā)中仍然每天都在發(fā)揮作用(圖4).不用說(shuō),爆炸事故依舊是頻繁發(fā)生.
中村展示以往的焊接"絕活"加熱石英棒進(jìn)行焊接.
即便如此,1983年中村成功開(kāi)發(fā)出了能夠形成產(chǎn)品的GaAs多結晶技術(shù).隨后,GaAs單結晶的開(kāi)發(fā)也完成了.接著(zhù),從1985年起,中村又開(kāi)始著(zhù)手研究發(fā)光二極管用GaAlAs注6)膜的結晶生長(cháng).單結晶的生長(cháng)方法選擇的是液相生長(cháng) 注7)方式.當然,液相生長(cháng)的設備也是中村自己制造的(圖5).
注6)GaAlAs(砷鋁化鎵)是III-V族化合物半導體GaAs和AlAs的混合結晶.通過(guò)改變Ga1-xAlxAs中的x,可使能帶從2.1eV變?yōu)?.4eV.利益于這一特點(diǎn),GaAlAs被廣泛用于紅色發(fā)光二極管及半導體激光器使用的材料.
注7)在單結晶底板上使單結晶生長(cháng)被稱(chēng)為外延生長(cháng)(EpitaxialGrowth),是制造半導體器件時(shí)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(dòng)來(lái)實(shí)現生長(cháng)的方法.當利用液相外延技術(shù)使GaAs外延生長(cháng)時(shí),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(huì )溶解到Ga中.在GaAs底板上導入該溶劑,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(guò)精細控制這一溫度下降速度,便可在GaAs上析出單結晶的GaAs.按照同樣的方法,還可在GaAs底板上使GaAlAs單結晶薄膜生長(cháng).
當時(shí),從研究、制造到質(zhì)量管理、直至銷(xiāo)售,全部是中村一個(gè)人擔當的.中村將研制出來(lái)的單結晶推薦給了發(fā)光二極管廠(chǎng)商.但其他競爭公司卻拿出了質(zhì)量更高的單結晶.于是,中村經(jīng)過(guò)反復研究,最終實(shí)現了質(zhì)量毫不遜色的產(chǎn)品.而這時(shí),其他公司在質(zhì)量上又走在了前面.無(wú)論怎么追都追不上.而其原因就在于評測速度過(guò)慢.
日亞只銷(xiāo)售材料,自己并不制造發(fā)光二極管.因此,在將單結晶制成發(fā)光二極管后,全部交由用戶(hù)進(jìn)行評測.而這種方式的話(huà),需要花費1個(gè)月才能得到評測結果.這樣,在評測結果出來(lái)后再怎么改進(jìn),也無(wú)法趕上其他公司的開(kāi)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(hù)說(shuō)不行也無(wú)法反駁".中村通過(guò)與社長(cháng)直接談判,最后終于成功地導入了發(fā)光二極的制造設備和評測設備.而且單結晶的制造人員也得到增加,GaAlAs單結晶的開(kāi)發(fā)由此步入了正軌.最后,中村順利完成了開(kāi)發(fā).
對于該研究課題,中村給自己打了100分.從制造裝置開(kāi)始,一切工作全部都是自己完成的.在未從其他公司引進(jìn)技術(shù)的情況下,依靠一已之力確立了GaAlAs單結晶的制造技術(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(lái)公司、接替自己工作的人都一個(gè)個(gè)升遷,自己卻被拋在人后,殘酷的現實(shí)使得中村萌生退意.再呆在日亞已沒(méi)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(guò)反復思考,中村最后得出的結論如下:即使開(kāi)發(fā)取得成功,產(chǎn)品賣(mài)得不好的話(huà),自己就不會(huì )受到好評.不暢銷(xiāo)就得不到肯定.因此要選擇開(kāi)發(fā)成功后會(huì )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(huà),產(chǎn)品肯定會(huì )暢銷(xiāo).
要想研究藍色發(fā)光二極管,就需要不同于GaAlAs的結晶生長(cháng)技術(shù).中村決定先學(xué)習這一技術(shù).
正當中村這樣考慮的時(shí)候,求之不得的事情隨之而來(lái).為了掌握結晶成長(cháng)技術(shù),愿不愿意被公司派往美國?對此詢(xún)問(wèn),中村充滿(mǎn)了期待.
這一非常有吸引力的差事其實(shí)卻暗藏著(zhù)一個(gè)陷阱.這是當時(shí)中村萬(wàn)萬(wàn)都沒(méi)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--薄膜的結晶生長(cháng)技術(shù).為此,中村遠赴美國學(xué)習,不過(guò)在美國則為制造裝置浪費了一年時(shí)間.回國后他仍繼續制造并改造裝置.經(jīng)過(guò)長(cháng)期艱苦的努力,終于取得了初步成果hellip;…
1988年3月,中村修二懷著(zhù)激動(dòng)的心情登上了飛往美國弗羅里達的航班.他將以研究員的身份在弗羅里達大學(xué)(University ofFlorida)學(xué)習一年
去美國做訪(fǎng)問(wèn)研究員的契機,來(lái)自中村拜訪(fǎng)在德島大學(xué)求學(xué)時(shí)的校友酒井士朗(現德島大學(xué)教授)的交談.要制造藍色發(fā)光二極管,必須從形成用于藍色發(fā)光二極管的單晶膜著(zhù)手.其技術(shù)包括MBE法(molecularbeam epitaxy,分子束外延)注1)和MOCVD法(metal organic chemical vapordeposition,金屬有機物化學(xué)氣相沉積)注2).中村毫不猶豫地選擇了MOCVD法.原因是MBE裝置的價(jià)格高達數億日元,公司根本不可能考慮購置.
注1)MBE(molecular beamepitaxy)法是在底板上生長(cháng)出單晶膜的方法,屬于氣相生長(cháng)法的一種.在對導入高真空中的原子(分子)束進(jìn)行控制的同時(shí),照射底板,使原子沉積.可稱(chēng)為高精度真空沉積技術(shù).制造使用硅及GaAs等化合物半導體的元件時(shí),需要使用這種技術(shù).
注2)MOCVD(metal organic chemical vapordeposition)法是在底板上沉積薄膜的CVD(chemical vapordeposition,化學(xué)沉積)法的一種.也稱(chēng)為OMCVD(organometalCVD)法.CVD法是將含有沉積物質(zhì)的氣體,或者這種氣體與非活性氣體的混合氣體通入加熱后的底板上,使其發(fā)生熱分解、氧化還原及置換等化學(xué)反應,從而在底板上生成或沉積所需物質(zhì)的方法.其中,原料氣體采用有機金屬(有機物質(zhì)直接與金屬結合形成的化合物,organometal)的方法稱(chēng)為MOCVD法.在底板上生長(cháng)出GaAs等化合物半導體單晶膜時(shí),普遍采用這種技術(shù).
雖然選擇了MOCVD法,但中村卻是第一次接觸這種技術(shù).所以首先需要學(xué)習.他決定向當時(shí)研究MOCVD法而知名的酒井請教.此時(shí),酒井已決定去弗羅里達大學(xué).他建議中村,"機會(huì )難得,一起去吧".這是求之不得的好機會(huì ),但不知公司是否會(huì )派自己去.
公司肯定不會(huì )同意,先向公司申請再說(shuō).抱著(zhù)這種心理,中村決定試一試.于是,他請酒井陪同,向會(huì )長(cháng)和社長(cháng)說(shuō)明了自己的想法.出人意料的是,公司當場(chǎng)就決定派他去弗羅里達.
又回到以前的狀態(tài)
一切都暢行無(wú)阻!讓人覺(jué)得順利的恍如夢(mèng)境.但好景不長(cháng),抵達弗羅里達大學(xué)之后的中村感到非常吃驚,這里沒(méi)有MOCVD裝置,情況與想象的不同.
中村去的研究室本應有2臺MOCVD裝置.其中一臺被隔壁研究室搬走了,而另一臺則需要從現在開(kāi)始制造.就這樣在美國,中村同樣開(kāi)始為制造裝置而忙碌起來(lái)(圖1).每天忙于配管和焊接,簡(jiǎn)直和在日本時(shí)沒(méi)有什么兩樣.他不禁想,難道自己是為做這些工作千里迢迢來(lái)到弗羅里達的嗎?隨之而來(lái)的便是倦怠感.時(shí)間則毫不理會(huì )中村的心情繼續在無(wú)情
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