中村开发高亮度蓝光LED全过程详细介绍

发布时间：2020-02-03 03:16:55 阅读：次来源：风管厂家

20世纪90年代中期使得超过人类身高的超大屏幕全彩显示器成为可能、2000年前后又为手机屏幕彩色化做出贡献的,就是高亮度蓝色发光二极管.蓝色发光二极管技术还成为了开发蓝色激光器的基础,其实用化使得录制高清节目的蓝光成为现实.高亮度蓝色LED通过与红色和绿色LED组合便可制造出各种颜色,接踵而来的便是促生出取代白炽灯和荧光灯的新一代节能照明巨大市场.

日本的企业及大学为开发高亮度蓝色LED做出了巨大贡献.在GaNLED的研究阶段,名古屋大学赤崎勇教授(现为名城大学特聘教授)领导的研究小组取得了出色的成果.在之后的实用化及高亮度化阶段,日亚化学工业的中村修二(现为美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授)发挥了重要作用.1995年1~3月《日经电子》连续报道了中村从GaN类蓝色LED的研究开始到产品化为止的故事,此次本站将刊登该系列报道,希望能向读者展现在该技术开发过程中,技术人员的艰辛与快乐.

日亚总部内的蓝色发光二极管显示器展示区，站在左侧的就是开发成功蓝光发光二极管的中村修二.

中村在进入该公司后一直在开发金属Ga、InP、GaAs、GaAlAs等单结晶材料及多结晶材料.为了节约经费,从设备到部件加工的整个过程均由中村一人完成.虽然开发最终取得成功,并顺利启动了业务,但产品却卖不出去.焦急之下,中村选择了蓝色发光二极管作为下一研究课题,而这是一种只要能业务化必定会畅销的产品.

总部位于日本德岛县阿南市的日亚化学工业(以下简称日亚,注1)是当地颇为有名的公司.因为该公司有长达三周的夏季休假制度.员工将这一长假全部用到了阿波舞的练习上.而且到阿波舞演出正式举行时,该公司还会派出员工组成的"日亚方阵"跳上大街.

注1)日亚化学工业是总部位于日本德岛县阿南市的化学品厂商.员工数量在1994年4月为640名,销售额在1993年1月~1993年12月为167亿日元.主要产品为CRT及荧光灯等使用的荧光体材料,占销售额的8成~9成.此外还制造化合物半导体材料、真空蒸镀材料、溅射靶材以及液晶面板背照灯等使用的EL(场致发光)灯等.公司成立于1956年12月.在中村1979年进入公司时,销售额约为40亿日元,员工数量约为200名.

日亚化学工业在阿南的总部

日亚在一举成为全球闻名的公司是在1993年底(表1).这源于该公司开发出了亮度达到1cd的蓝光发光二极管,并成功实施量产.曾一度被公认"要到21世纪才能实现"的高亮度蓝色发光二极管由此顺利地进入了实用期注2).

注2)日本电子机械工业会(EIAJ)电子显示器和电子管业务委员会电子显示器2000年研究会在1993年7月公布的《电子显示器产业2000年前景调查研究报告》中曾这样描述:"在可视LED中,蓝光LED被公认为最难实现高亮度化的产品,而且实际的开发进展也颇为缓慢,为了在2000年达到1cd,业界几乎找遍了一切可能性".

表1蓝色发光二极管的开发年表

对于日亚的壮举,该领域的技术人员及研究人员与全世界一样感到震惊.而更惊奇的是,实现如此壮举的,并非在该领域长期从事研究的海内外知名大学,也非大型电子厂商,而是一家地方城市的化学厂商.由此,日亚的称呼从"夏季休假的日亚"变成了"蓝光发光二极管的日亚".

为了孩子选择回乡

几乎全靠一己之力开发成功高亮度蓝色发光二极管的是当年40岁的研究人员中村修二(图1).中村1979年从德岛大学研究生院毕业后进入日亚.专业是电子工程学.

学生时代,中村当然向往到东京或大阪等大城市工作.但到了毕业参加工作时,中村却已经有了孩子.他在上大学时就结婚了.

"单身的话,可以留在城市闯一闯.但有了孩子的话,还是到乡下生活的好.不想因为工作而牺牲家庭".正是这种想法最终使中村与日亚结下了不解之缘.

但并不是说中村就没有犹豫过.实际上,中村也曾到总部位于京都的京瓷面试过.尽管通过了严格的考试,顺利获得了进入京瓷的机会,但结果中村还是放弃了.最后,中村选择留在了当地,也就是妻子娘家的所在地德岛市.

日亚是中村的大学导师介绍的.虽然自己的专业是电子工程学,但中村希望从事材料开发工作,因此导师向他推荐了这家公司.不过,当中村来到日亚时却颇感意外.这只是一家员工仅200人的小型化学公司,到处都有一股刺鼻的硫化氢(H2S)的气味注3)."这家公司怎么这么脏啊!",这就是日亚给中村留下的第一印象.

注3)硫化氢的气味类似臭鸡蛋味.

"濒死"的开发课

进入日亚后,中村被分到了开发课.进入公司后中村发现,这里的员工全部都是阿南附近的人,像他这样来自德岛的还真少见.而且,中村还是该公司第一个学电子专业的员工.中村感觉公司是考虑到他学的专业与众不同,所以才把他分配到可以做新业务的开发部门的.

中村最初负责的开发课题是提炼用于化合物半导体GaP注4)中的金属Ga材料.虽说是开发课,但其实只是一名课长带着两名开发人员和几个助手的小部门.办公场所是由带屋顶的停车场改造的,只是在四周增加了围墙,十分简陋(图2).

注4)GaP(磷化镓)是III-V族化合物半导体的一种.属于能带为2.3eV的间接迁移型.通过电子-空穴的再结合可获得较强的发光现象(主波长为590nm),因此可用作发光二极管的材料.但波长580nm~590nm的黄色发光二极管用材料目前大多使用可获得高亮度的GaAsP及In-GaAlP等.

图2:开发课原址

现在用于对废弃物进行化学处理.气味仍像当年一样刺鼻.在置物架上,中村曾经用过的石英管还放在那里,只是上面布满了灰尘.

在开始提炼金属Ga的几个月后,营业部门要求除了金属Ga之外还要制造有望畅销的GaP.当时开发课已经处于垂死状态,甚至开始有传言说"马上就要撤销了".在这种情况下,恐怕也只有启动这一有望形成赚钱的业务了.公司随即指定中村来负责开发.当时的开发人员有两名.一名继续负责金属Ga的提炼,而另一名,也就是中村,则开始着手开发GaP.

表面上听起来这是"为了开拓新业务而进行的开发课题",但实际情况仍然严峻.因为并没有预算.所以无法购买相关设备.也买不起昂贵的部件.结果,只有完全靠自己来制造有关设备(图3).

黄昏时分的"爆炸惯犯"

要使GaP实现结晶生长,需要使用昂贵的石英管.操作时,将石英管的一端封上,在管的两端放置金属Ga和P.然后再封上另一端,对管内进行真空处理.之后加热石英管,内部的材料就会气化,相互反应便可形成GaP.最后割开石英管,将反应生成物取出就能获得GaP.

不过,问题是如何处理使用过的石英管.由于石英管价格昂贵,因此不能用完就扔掉.至少在日亚不能这样做.于是,中村决定将切断的石英管重新焊接起来,进行再利用.

从那以后中村就开始没完没了地焊接石英管."我进入公司难道就是为了当一个焊工吗?",中村不止一次地问自己.而且最头疼的是爆炸事故频频发生.对封有Ga和P的石英管进行高温加热使,管内的压力会上升到20~30个大气压.这时,只要焊接部位有小小的损伤或是强度不足的话,石英管就会破裂.

早上将材料封到石英管中.下午开始加热,当温度达到最高时正好是傍晚.爆炸总是发生在要下班的时候.巨大的声响往往传遍整个公司."又是中村".员工们一边调侃着,一边赶紧回家.

上司不理解

而此时此刻,中村在实验室里却正忙着上演一场激烈大战.

逐渐习惯事故频发场面的中村制定出了一套自我保护措施,在自己的桌子与紧靠桌子设置的GaP制造设备之间吊起了金属板.这样就不用再担心爆炸时被飞散的石英片打中了.

不过,石英管一旦爆炸的话,破裂的石英管碎片就会与加热到高温的P一起飞射出来.P是也可用作火柴材料的可燃物.当然会燃烧.带着火的碎块会向四处飞散.所以中村要追上去一个个将火灭掉.事故频发程度事后让中村回想起来都奇怪"竟然平安无事没有出大事故".

可是长期这样下去的话,身体可吃不消.怀着这种想法,中村与当时的上司谈了多次.只要采用对石英管内部进行高压处理的方法,爆炸事故就不