中村修二解讀下一代固態(tài)照明技術(shù)

　　諾貝爾物理獎得主中村修二，2015年9月3日受邀至臺大演講，分享自己研發(fā)高亮度藍色發(fā)光二極體(LED)技術(shù)歷程，以及接下來固態(tài)照明技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展趨勢。

　　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(zhàn)。當時可能實現(xiàn)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)。

　　▲ 中村修二“嶄新光明大道”演講

　　在不看好聲浪下，堅持與眾不同

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

　　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(guān)注的冷門材料GaN。中村那看似不可能成功的決定，改變了往后的人生，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(fā)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”。

　　實現(xiàn)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制作緩沖層(Buffer Layer)，并為此改造出雙氣流(Two-Flow)有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置，大幅提升磊晶品質(zhì)，也為實現(xiàn)高亮度藍色 LED 奠定了基礎(chǔ)。

　　在雙氣流MOCVD輔助下，中村以熱退火(Thermal Annealing)制程，有效實現(xiàn)p型層GaN;后來，又成功生長出實現(xiàn)高亮度藍色LED的關(guān)鍵材料氮化銦鎵(Indium Gallium Nitride，InGaN)，并以InGaN做為p型層GaN與n型層GaN之間的發(fā)光層，達成雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)(Double Heterostructure)，改善原本p-n同質(zhì)接面(Homojunction)的LED發(fā)光效率，實現(xiàn)高亮度藍色LED。

　　InGaN對產(chǎn)生高亮度藍色LED、藍色半導(dǎo)體雷射及藍紫色半導(dǎo)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?wù)f明中對InGaN貢獻只字未提，也讓中村不只一次表達心中的遺憾。

　　▲ 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(xiàn)藍色 LED 上所做的貢獻。

　　次世代照明趨勢，聚焦GaN on GaN、LD技術(shù)

　　至于接下來固態(tài)照明技術(shù)趨勢，除了利用“GaN on GaN”技術(shù)制造紫色 LED，繼而產(chǎn)生發(fā)光一致、更純凈均勻的白光外，中村也指出雷射照明將會是產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵。相較于LED，雷射二極體(Laser Diode，LD)能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)框架束縛、勇于挑戰(zhàn)，執(zhí)著且不輕言放棄的個性，讓他在遭遇無數(shù)失敗下仍然奮力前行，這些歷程都為后來的成功奠定基石，也獲致今日的成就，為人類生活做出極大貢獻，影響深遠。