H、白色LED照明灯具到蓝色激光灯具回顾 中村团队还于1995年12月使用数十层的InGaN薄膜制成了青紫色的激光二极管(LD),并于1997年10月实现了在室温下连续发振1万小时。1999年12月日亚公司开始对外出售紫色激光二极管样品,从而为蓝色激光灯具和蓝色光盘(BD)的问世奠定了技术基础,并大量使用蓝色激光灯具的鸟巢夜景。研制蓝色LED取得成功的考察中,可以看出中村修二进入日亚公司的最初九年,应销售部门的提议先后开发出了三个产品:磷化镓、砷化镓和砷化铝镓。无论是试制磷化镓和砷化镓所需的水平布里奇曼法装置,还是试制砷化铝镓所需的液相外延生长法装置,都是由中村、或者是由中村带领人研制出来的。 在试制磷化镓和砷化镓过程中,为了节约研究经费,中村经常使用焊接设备将已经使用过的石英管拼接起来继续使用,从而练就了一手高质量地焊接石英管的绝技。这对其后来改造气相外延生长装置,研制氮化镓半导体薄膜帮助甚大。1988年中村修二赴佛罗里达州立大学学习金属化合物气相外延生长法时,由于学历和地位不高,不得不使用闲置的零部件自行搭建金属化合物气相外延生长装置。这样一来,在美国的最初九个月几乎和他在日亚的最初九年一样,大多数时候都在从事焊接、配管等作业。如果没有经历这段时间的磨炼,很难想象,他返回日亚公司后敢对花巨款从美国进口的金属化合物气相外延生长装置进行随心所欲的改造。 在佛罗里达进修期间,中村修二就已决定迎难而上,使用氮化镓来试制蓝色发光二极管。由于没有现成的生长氮化镓之类半导体薄膜用的金属化合物气相外延生长装置,所以日亚公司只能从美国订购了一套主要用于生长砷化镓半导体薄膜的金属化合物气相外延生长装置。使用这套进口装置试制氮化镓半导体薄膜不可避免地会遇到很多困难。首先遇到的难题是,使用线圈在反应室外部加热时,反应室内的配管和喷嘴只能用石英之类非金属制作,因此不便调整。采用电阻丝加热器在反应室内加热时,电阻丝很容易受到氨的腐蚀,从而发生断路。这个难题后来被“工匠出身”的中村非常巧妙地解决了。 这项改进意义重大,因为此后反应室内的配管和喷嘴便可以使用金属材料来加工制作,因而配管的走向和喷嘴的形状可以根据需要随时加以改变。其次遇到的难题是,以单气流的方式将氮化镓反应气体和运载气体一并喷向基板上方时,气体会在高温基板上方形成对流,因而难以在基板上沉积出高质量的半导体薄膜。中村受日本学界的研究启发,觉得让反应气体和运载气体由水平方向喷向基板,同时让另一股惰性气体自上而下喷向基板,有可能会起到有效抑制对流的效果。按照这一思路,中村又对实验装置进行了一系列改造,并于1990年在蓝宝石基板上试制出了氮化镓单晶体薄膜。 正是因为在不断试错的基础上于1990年研制出了上述这种加热器放置在反应室内的双气流式金属化合物气相沉积制膜装置,中村才能在比较短的时间内试制出一批制备高效率蓝色发光二极管所需的半导体材料或器件。譬如,使用上述这种特殊装置,中村用氮化镓作低温缓冲层于1991年初试制出了质量远高于竞争对手的氮化镓单晶体薄膜。而这种两步成膜的思路是由赤崎勇率先提出的,不仅如此,赤崎勇还曾让研究生使用氮化镓作低温缓冲层试制过氮化镓单晶体薄膜,只是因为没有合适的外延生长装置,未能取得成功。 上述这种双气流MOCVD装置,也为中村修二开展氮化镓掺杂研究带来了很多便利。实际上中村早在1991年3月就已试制出了P-N结型氮化镓发光二极管,只是这种二极管通电后发出来的光是青紫色的,而且不是很亮。为此,中村团队尝试着在氮化镓中添加少许铟,以改变发光波长。使用上述双气流MOCVD装置,中村团队很快就掌握了能发蓝光的氮化铟镓结晶薄膜的制备诀窍。此后,中村团队又开始向双异质结发起冲击,因为采用双异质结,可以提高电子在发光层中的复合概率,从而提高发光效率。使用上述双气流式特殊装置和刚刚掌握的氮化铟镓结晶薄膜制备技术,中村团队又成功地试制出了氮化镓/氮化铟镓双异质结发光二极管。 之后又通过给氮化铟镓掺少许锌和硅,获得了发光亮度更高的氮化铟镓掺杂结晶。1993年3月中村团队又进一步将双异质结发光二极管的发光波长调整到蓝光范围,并大幅提高了其亮度,为当年正式投产氮化镓基双异质结型高效率蓝色发光二极管奠定了基础。如果没有双气流式金属化合物气相沉积制膜装置,很难想象中村修二团队在1993年就能掌握批量生产高效率蓝色发光二极管的关键核心技术。正是因为中村能够设计制作出全球唯一的先进实验装置,他的团队才能率先开发出全球第一个高效率蓝色发光二极管。 参考文献 [1]弗兰克·维尔切克,我们生活在虚拟世界中吗,环球科学,2020年2月号; [2]王德奎,三旋理论初探,四川科学技术出版社,2002年5月; [3]孔少峰、王德奎,求衡论──庞加莱猜想应用,四川科学技术出版社,2007年9月; [4]王德奎,解读《时间简史》,天津古籍出版社,2003年9月; [5]陈超,量子引力研究简史,环球科学,2012年第7期; [6][英]罗杰•彭罗斯,皇帝新脑,湖南科技出版社,许明贤等译,1995年10月; [7]文小刚,量子多体理论──从声子起源到光子和电子起源,高等教育出版社,2004年12月; [8]吴非,谢诺夫斯基:人工智能的下一阶段,环球科学,2020年3月号; [9]王德奎、林艺彬、孙双喜,中医药多体自然叩问,独家出版社,2020年1月。
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