與藍色 LED 的奇妙相遇,中村修二暢談光明歷程

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 05 日 14:13 | 分類 光電科技 , 零組件 follow us in feedly
2015-09-04_182117

諾貝爾物理獎得主中村修二,2015 年 9 月 3 日受邀至台大演講,分享自己研發高亮度藍色發光二極體(LED)技術歷程,以及接下來固態照明技術的關鍵發展趨勢。LED 大廠晶電、隆達、億光與台達電也到場參與,現場座無虛席。而中村幽默風趣的演講,獲得在場觀眾熱烈迴響。




中村談到 1980 年代末著手研究藍色 LED 時,在材料選擇上遇到了極大挑戰。當時可能實現藍色 LED 的材料主要有兩種,分別是硒化鋅(Zinc Selenide,ZnSe)與氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)。

在不看好聲浪下,堅持與眾不同

在那個年代,GaN 材料幾乎沒什麼人看好,因為 GaN 與藍寶石基板晶格不匹配,使晶體結構缺陷密度達 1 x 109 cm-2 以上,品質遠遠不及 ZnSe,也因此有多達 99 %研究員,都選擇以 ZnSe 做為實現藍光 LED 這塊拼圖的研究材料,相關研究論文更是多不勝數。

只不過中村偏偏反其道而行,堅持跟別人走不一樣的路,選擇僅有 1 %人關注的冷門材料 GaN。中村那看似不可能成功的決定,改變了往後的人生,正如同他在個人著作《我的思考,我的光》(考える力、やり抜く力  私の方法)中所說,「就像我和藍色發光二極體奇妙的相遇一般,每個人的人生中都會有不可思議的相遇」。

2015-09-04_111102

▲ 中村修二「嶄新光明大道」演講(圖片:《科技新報》攝)

實現高亮度藍色 LED,InGaN 功不可沒

為了改善 GaN 與藍寶石基板之間晶格不匹配的問題,中村以 GaN 為材料在藍寶石基板上製作緩衝層(Buffer Layer),並為此改造出雙氣流(Two-Flow)有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)裝置,大幅提升磊晶品質,也為實現高亮度藍色 LED 奠定了基礎。

在雙氣流 MOCVD 輔助下,中村以熱退火(Thermal Annealing)製程,有效實現 p 型層 GaN;後來,又成功生長出實現高亮度藍色 LED 的關鍵材料氮化銦鎵(Indium Gallium Nitride,InGaN),並以 InGaN 做為 p 型層 GaN 與 n 型層 GaN 之間的發光層,達成雙異質接面結構(Double Heterostructure),改善原本 p-n 同質接面(Homojunction)的 LED 發光效率,實現高亮度藍色 LED。

InGaN 對產生高亮度藍色 LED、藍色半導體雷射及藍紫色半導體雷射,都是不可或缺的要角,中村也因此稱之為「神奇材料」,但諾貝爾獎在授獎說明中對 InGaN 貢獻隻字未提,也讓中村不只一次表達心中的遺憾。

2015-09-04_181855

▲ 中村修二與同為 2014 諾貝爾物理獎得主赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano),各自在實現藍色 LED 上所做的貢獻
(圖片:翻攝簡報內容)

次世代照明趨勢,聚焦 GaN on GaN、LD 技術

至於接下來固態照明技術趨勢,除了利用「GaN on GaN」技術製造紫色 LED,繼而產生發光一致、更純淨均勻的白光外,中村也指出雷射照明將會是產業發展關鍵。相較於 LED,雷射二極體(Laser Diode,LD)能夠實現更高效率照明,中村認為 LD 在不久的將來會相當有市場。

中村不受傳統框架束縛、勇於挑戰,執著且不輕言放棄的個性,讓他在遭遇無數失敗下仍然奮力前行,這些歷程都為後來的成功奠定基石,也獲致今日的成就,為人類生活做出極大貢獻,影響深遠。

(首圖來源:《科技新報》攝於「嶄新光明大道」中村修二教授演講會場)

延伸閱讀:

發表迴響