中村開發高亮度藍光LED全過程詳細介紹
　　

20世紀90年代中期使得超過人類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,就是高亮度藍色發光二極管.藍色發光二極管技術還成為了開發藍色激光器的基礎,其實用化使得錄制高清節目的藍光成為現實.高亮度藍色LED通過與紅色和綠色LED組合便可制造出各種顏色,接踵而來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.

　　 日本的企業及大學為開發高亮度藍色LED做出了巨大貢獻.在GaNLED的研究階段,名古屋大學赤崎勇教授(現為名城大學特聘教授)領導的研究小組取得了出色的成果.在之后的實用化及高亮度化階段,日亞化學工業的中村修二(現為美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授)發揮了重要作用.1995年1~3月《日經電子》連續報道了中村從GaN類藍色LED的研究開始到產品化為止的故事,此次本站將刊登該系列報道,希望能向讀者展現在該技術開發過程中,技術人員的艱辛與快樂.

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　　日亞總部內的藍色發光二極管顯示器展示區，站在左側的就是開發成功藍光發光二極管的中村修二.

　　 中村在進入該公司后一直在開發金屬Ga、InP、GaAs、GaAlAs等單結晶材料及多結晶材料.為了節約經費,從設備到部件加工的整個過程均由中村一人完成.雖然開發最終取得成功,并順利啟動了業務,但產品卻賣不出去.焦急之下,中村選擇了藍色發光二極管作為下一研究課題,而這是一種只要能業務化必定會暢銷的產品.

　　 總部位于日本德島縣阿南市的日亞化學工業(以下簡稱日亞,注1)是當地頗為有名的公司.因為該公司有長達三周的夏季休假制度.員工將這一長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,該公司還會派出員工組成的"日亞方陣"跳上大街.

　　注1)日亞化學工業是總部位于日本德島縣阿南市的化學品廠商.員工數量在1994年4月為640名,銷售額在1993年1月~1993年12月為167億日元.主要產品為CRT及熒光燈等使用的熒光體材料,占銷售額的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(場致發光)燈等.公司成立于1956年12月.在中村1979年進入公司時,銷售額約為40億日元,員工數量約為200名.

　　日亞化學工業在阿南的總部

　　 日亞在一舉成為全球聞名的公司是在1993年底(表1).這源于該公司開發出了亮度達到1cd的藍光發光二極管,并成功實施量產.曾一度被公認"要到21世紀才能實現"的高亮度藍色發光二極管由此順利地進入了實用期 注2).

　　注2)日本電子機械工業會(EIAJ)電子顯示器和電子管業務委員會電子顯示器2000年研究會在1993年7月公布的《電子顯示器產業2000年前景調查研究報告》中曾這樣描述:"在可視LED中,藍光LED被公認為最難實現高亮度化的產品,而且實際的開發進展也頗為緩慢,為了在2000年達到1cd,業界幾乎找遍了一切可能性".

　　表1藍色發光二極管的開發年表

　　 對于日亞的壯舉,該領域的技術人員及研究人員與全世界一樣感到震驚.而更驚奇的是,實現如此壯舉的,并非在該領域長期從事研究的海內外知名大學,也非大型電子廠商,而是一家地方城市的化學廠商.由此,日亞的稱呼從"夏季休假的日亞"變成了"藍光發光二極管的日亞".

　　 為了孩子選擇回鄉

　　 幾乎全靠一己之力開發成功高亮度藍色發光二極管的是當年40歲的研究人員中村修二(圖1).中村1979年從德島大學研究生院畢業后進入日亞.專業是電子工程學.

　　 學生時代,中村當然向往到東京或大阪等大城市工作.但到了畢業參加工作時,中村卻已經有了孩子.他在上大學時就結婚了.

　　 "單身的話,可以留在城市闖一闖.但有了孩子的話,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.

　　 但并不是說中村就沒有猶豫過.實際上,中村也曾到總部位于京都的京瓷面試過.盡管通過了嚴格的考試,順利獲得了進入京瓷的機會,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.

　　 日亞是中村的大學導師介紹的.雖然自己的專業是電子工程學,但中村希望從事材料開發工作,因此導師向他推薦了這家公司.不過,當中村來到日亞時卻頗感意外.這只是一家員工僅200人的小型化學公司,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)硫化氫的氣味類似臭雞蛋味.

　　"瀕死"的開發課

　　 進入日亞后,中村被分到了開發課.進入公司后中村發現,這里的員工全部都是阿南附近的人,像他這樣來自德島的還真少見.而且,中村還是該公司第一個學電子專業的員工.中村感覺公司是考慮到他學的專業與眾不同,所以才把他分配到可以做新業務的開發部門的.

　　 中村最初負責的開發課題是提煉用于化合物半導體GaP注4)中的金屬Ga材料.雖說是開發課,但其實只是一名課長帶著兩名開發人員和幾個助手的小部門.辦公場所是由帶屋頂的停車場改造的,只是在四周增加了圍墻,十分簡陋(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.通過電子-空穴的再結合可獲得較強的發光現象(主波長為590nm),因此可用作發光二極管的材料.但波長580nm~590nm的黃色發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.

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　　圖2:開發課原址

　　 現在用于對廢棄物進行化學處理.氣味仍像當年一樣刺鼻.在置物架上,中村曾經用過的石英管還放在那里,只是上面布滿了灰塵.

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　　 在開始提煉金屬Ga的幾個月后,營業部門要求除了金屬Ga之外還要制造有望暢銷的GaP.當時開發課已經處于垂死狀態,甚至開始有傳言說"馬上就要撤銷了".在這種情況下,恐怕也只有啟動這一有望形成賺錢的業務了.公司隨即指定中村來負責開發.當時的開發人員有兩名.一名繼續負責金屬Ga的提煉,而另一名,也就是中村,則開始著手開發GaP.

　　 表面上聽起來這是"為了開拓新業務而進行的開發課題",但實際情況仍然嚴峻.因為并沒有預算.所以無法購買相關設備.也買不起昂貴的部件.結果,只有完全靠自己來制造有關設備(圖3).

　　 黃昏時分的"爆炸慣犯"

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

　　 不過,問題是如何處理使用過的石英管.由于石英管價格昂貴,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,進行再利用.

　　 從那以后中村就開始沒完沒了地焊接石英管."我進入公司難道就是為了當一個焊工嗎?",中村不止一次地問自己.而且最頭疼的是爆炸事故頻頻發生.對封有Ga和P的石英管進行高溫加熱使,管內的壓力會上升到20~30個大氣壓.這時,只要焊接部位有小小的損傷或是強度不足的話,石英管就會破裂.

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

　　 上司不理解

　　 而此時此刻,中村在實驗室里卻正忙著上演一場激烈大戰.

　　 逐漸習慣事故頻發場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被飛散的石英片打中了.

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

　　 可是長期這樣下去的話,身體可吃不消.懷著這種想法,中村與當時的上司談了多次.只要采用對石英管內部進行高壓處理的方法,爆炸事故就不會停止.因此中村想改用在低壓也可制造出GaP的方法.但是,公司的想法很頑固:"發生爆炸是焊接得不好,并非方式的問題",所以沒有接受中村的提案.

　　 即便如此,開發還是走上了正軌.從1981年開始,中村制造的GaP開始銷售.正是由于付出如此之多的努力,當自己制造的產品上市時,中村真是萬分感慨.GaP的制造開發總算是成功了.不過,GaP的銷售額每月卻只有數百萬日元.作為一項業務,并不算是太大的成功.中村在1982年結束了開發,制造也交接給了后輩.中村從GaP的開發中完全撤了出來.

　　 從這一開發過程中,中村學到的是石英的焊接技術、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.

　　 下一個課題是GaAs結晶生長

　　 從1982年起,中村開始著手與GaAs注5)結晶生長有關的研究課題.這次仍然是營業部門提供的信息:"今后GaAs的增長空間比GaP更大".由于涉及的是新材料,因此新的開發人員也從其他公司跳槽給挖了過來.中村煥發精神開始開發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,由于可通過電子-空穴的再結合獲得較強的發光(主波長為850nm),因此還被廣泛用作發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)

　　 雖說開發的材料變了,但公司內部的開發環境還是一如既往.先要制造設備,其次是要焊接石英管.中村的焊接技術當時已被公認為一把"絕活",在新的開發中仍然每天都在發揮作用(圖4).不用說,爆炸事故依舊是頻繁發生.

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　中村展示以往的焊接"絕活"加熱石英棒進行焊接.

　　 即便如此,1983年中村成功開發出了能夠形成產品的GaAs多結晶技術.隨后,GaAs單結晶的開發也完成了.接著,從1985年起,中村又開始著手研究發光二極管用GaAlAs注6)膜的結晶生長.單結晶的生長方法選擇的是液相生長 注7)方式.當然,液相生長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.通過改變Ga1-xAlxAs中的x,可使能帶從2.1eV變為1.4eV.利益于這一特點,GaAlAs被廣泛用于紅色發光二極管及半導體激光器使用的材料.

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　　注7)在單結晶底板上使單結晶生長被稱為外延生長(EpitaxialGrowth),是制造半導體器件時的重要技術.液相外延(LPE:Liquid PhaseEpitaxy)是其中的一種.這是一種利用經由溶劑的物質移動來實現生長的方法.當利用液相外延技術使GaAs外延生長時,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.

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　　 當時,從研究、制造到質量管理、直至銷售,全部是中村一個人擔當的.中村將研制出來的單結晶推薦給了發光二極管廠商.但其他競爭公司卻拿出了質量更高的單結晶.于是,中村經過反復研究,最終實現了質量毫不遜色的產品.而這時,其他公司在質量上又走在了前面.無論怎么追都追不上.而其原因就在于評測速度過慢.

　　日亞只銷售材料,自己并不制造發光二極管.因此,在將單結晶制成發光二極管后,全部交由用戶進行評測.而這種方式的話,需要花費1個月才能得到評測結果.這樣,在評測結果出來后再怎么改進,也無法趕上其他公司的開發速度.

　　 押寶發光二極管

　　 "如果不自已制造發光二極管,即使用戶說不行也無法反駁".中村通過與社長直接談判,最后終于成功地導入了發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單結晶的開發由此步入了正軌.最后,中村順利完成了開發.

　　 對于該研究課題,中村給自己打了100分.從制造裝置開始,一切工作全部都是自己完成的.在未從其他公司引進技術的情況下,依靠一已之力確立了GaAlAs單結晶的制造技術.而且還成功地將其變成了一項業務.

　　 盡管如此,比自己后來公司、接替自己工作的人都一個個升遷,自己卻被拋在人后,殘酷的現實使得中村萌生退意.再呆在日亞已沒有多大意思了.獲得如此大的成功,自己卻并未獲得肯定…….

　　 經過反復思考,中村最后得出的結論如下:即使開發取得成功,產品賣得不好的話,自己就不會受到好評.不暢銷就得不到肯定.因此要選擇開發成功后會形成大業務的課題.就這樣,中村選擇了高亮度藍色發光二極管這項課題.如果研究成功的話,產品肯定會暢銷.

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　　 要想研究藍色發光二極管,就需要不同于GaAlAs的結晶生長技術.中村決定先學習這一技術.

　　 正當中村這樣考慮的時候,求之不得的事情隨之而來.為了掌握結晶成長技術,愿不愿意被公司派往美國?對此詢問,中村充滿了期待.

　　 這一非常有吸引力的差事其實卻暗藏著一個陷阱.這是當時中村萬萬都沒有想到的

為了研究藍色發光二極管,首先必須掌握發光層--薄膜的結晶生長技術.為此,中村遠赴美國學習,不過在美國則為制造裝置浪費了一年時間.回國后他仍繼續制造并改造裝置.經過長期艱苦的努力,終于取得了初步成果……

　　 但進入10月份以后,不可思議的事情發生了,GaN膜突然無法生長了.中村急忙檢查裝置,卻沒有發現任何問題.成功了一次,也確實成膜了,現在卻無法生長,而且原因不明.肯定是哪里出現問題了.