半導(dǎo)體可以產(chǎn)生除綠色外所有顏色的激光。但新的綠色激光二極管制造技術(shù)將很快取得全光譜顯示這一輝煌成就。

      對于四季如春的南加利福尼亞來說，1月份正是一年中稀有的雨季。2007年1月下旬一個星期六的上午，美國加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校（U.C.S.B）校委會的成員們正在冒雨召開周末分析例會。校長楊祖佑（Henry Yang）突然接到一個緊急電話。他匆匆向身邊的助手交待了幾句，就抓過自己的外套和雨傘，急急忙忙地穿過雨幕下微寒的校園，走進(jìn)了固態(tài)發(fā)光與顯示中心的大樓。

     本文作者之一中村修二就是這個科研中心的成員，因為發(fā)明了第一個藍(lán)色發(fā)光二極管，他剛剛獲得千禧科技獎。而在取得這項突破性進(jìn)展之后，中村修二又進(jìn)入固態(tài)（半導(dǎo)體）發(fā)光領(lǐng)域繼續(xù)從事開創(chuàng)性研究，十幾年來，相繼研發(fā)出了綠色發(fā)光二極管和目前的藍(lán)光播放器（Blu-ray disc player）中的核心器件——藍(lán)光激光器。

     楊祖佑校長在10分鐘后到達(dá)科研中心，人們正聚集在一間小小的測試實驗室里。“中村修二也是剛到不久，還是穿著那件皮夾克，站在那里詢問一些問題，”楊校長回憶道。中村修二的同事史蒂文·登巴斯（Steven DenBaars）和詹姆斯·C·斯佩克（James C. Speck）正與幾個研究生及博士后討論著什么。大家一邊討論，一邊輪流看顯微鏡。輪到楊校長時，他從顯微鏡中看到，一束耀眼的藍(lán)紫色光芒從玻璃般的氮化鎵（gallium nitride，GaN）芯片中射出來。

     幾天以后， U.C.S.B固態(tài)發(fā)光與顯示中心的合作伙伴之一，日本東京羅姆微電子公司（Rohm Company）的另一個科研小組也采用類似技術(shù)完成了上述壯舉。藍(lán)色發(fā)光二極管本身并不是一個巨大的革命，但日本日亞化工（Nichia Chemical Industries，中村修二在那里工作到2000年）、索尼和其他一些公司在制作藍(lán)光播放器所用的廉價氮化鎵藍(lán)光激光器時都陷入了困境。這些二極管的傳統(tǒng)制作方法存著一些固有的缺陷，成品率低、成本高。

     U.C.S.B和羅姆微電子公司的研究小組正在研發(fā)一種新的方法，用氮化鎵及相關(guān)合金的晶體層來制作激光二極管。這種方法不僅意味著成品率更高，還有望取得更大突破：制造出堅固緊湊的氮化鎵基綠光激光器——這是科學(xué)家和工程師一直夢寐以求的。綠色發(fā)光二極管將比目前的器件更加高效。

      進(jìn)化使人類對綠色最為敏感，但各種激光器卻無法直接發(fā)出綠光。上述成果即將改變這一現(xiàn)狀，填補(bǔ)全色激光顯示和激光投影儀所需的紅綠藍(lán)三色單元中的“綠光空白”。這將使激光投影儀更快地應(yīng)用于電視機(jī)和電影院，能夠比其他系統(tǒng)顯示更為豐富的色彩；手持“微型投影儀”也將更快地應(yīng)用到手機(jī)之類的電子產(chǎn)品當(dāng)中。大功率綠色發(fā)光二極管還可應(yīng)用于DNA測序、工業(yè)流程控制、水下通訊等許多領(lǐng)域。

     傳統(tǒng)制作方法是將鎵、銦和氮原子沉積在藍(lán)寶石襯底上，晶體層平行于襯底C面。新方法則使用了氮化鎵襯底，晶體生長方向也改變了。

    上世紀(jì)90年代中期，人們開始使用氮化鎵及其合金材料來制作發(fā)光二極管和激光二極管，這一重要進(jìn)展催生了高亮度藍(lán)光固態(tài)發(fā)光技術(shù)。此前，大多數(shù)研究者把研究重點放在硒化鋅及其相關(guān)化合物上。新方法將一層非常平整的、納米級厚度的銦鎵氮薄膜夾在兩層氮化鎵之間（參見第28頁插圖），這種結(jié)構(gòu)被稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)（heterostructure）或者量子阱（quantum well）。

     通過施加適當(dāng)?shù)碾妷?，研究者建立起一個垂直于這些層的電場，來驅(qū)動存在于銦鎵氮活性層中的電子和空穴（晶體原子之間共價鍵上的價電子脫離后而形成的空洞，可以簡單理解為帶正電荷的準(zhǔn)粒子）。在這些狹窄溝道里，電子和空穴相互復(fù)合、湮滅，并形成光子（photon）?；钚詫影雽?dǎo)體材料的性質(zhì)精確決定了這些光子能量。增加合金中銦的含量，可以降低光子能量，從而使光波波長變長，使顏色由紫到藍(lán)，由藍(lán)到綠。

     發(fā)光二極管中的光子幾乎沒有停留，立即離開量子阱，最多反射一兩次就會射出器件，或者被其他層吸收。但激光二極管能產(chǎn)生相干光（coherent light），光子大都被限制在溝道中。兩個高度反射的鏡面，通常是二極管兩端經(jīng)過拋光處理的晶體表面，使光子在溝道內(nèi)不停地來回反射，進(jìn)一步激發(fā)電子－空穴復(fù)合。通過這種“受激發(fā)射”過程產(chǎn)生的激光，就像鉛筆芯一樣，細(xì)而直，顏色也極純。#p#分頁標(biāo)題#e#

    氮化鎵二極管的傳統(tǒng)制法，是把一片藍(lán)寶石薄襯底（現(xiàn)在更常用的是氮化鎵襯底）放入反應(yīng)室。熱氣流依次把鎵、銦和氮原子沉積在襯底上，每一個單晶層中的元素量都須精確控制。每一層中的原子按照已經(jīng)存在的晶體結(jié)構(gòu)自動排列，這些結(jié)構(gòu)則由襯底決定。晶體層一個原子一個原子地生長，平行于襯底C面，垂直于晶體六邊形結(jié)構(gòu)的對稱軸（參見第29頁插圖）。

     不幸的是，帶正電荷的鎵離子或銦離子和帶負(fù)電荷的氮離子一層層間隔排列，它們之間的靜電力和內(nèi)應(yīng)力會產(chǎn)生垂直于C面的強(qiáng)電場，強(qiáng)度可能高達(dá)100伏/微米，相當(dāng)于在一個普通人的頭頂和腳底加上2億伏的高壓。電場把電子和空穴拉開，使它們難以復(fù)合并產(chǎn)生光子。實際情況是，電子堆積在長長的量子舞廳的一端，空穴則聚集在另一端，雙方都不愿意走到對面去彼此相見。

     當(dāng)發(fā)出的光線由紫變藍(lán)、由藍(lán)變綠時，一種令人困擾的“量子限制斯塔克效應(yīng)”（quantum-confined Stark effect）就變得特別嚴(yán)重：隨著二極管中流過的電流逐漸加大，越來越多的載流子會屏蔽一部分使電子和空穴彼此分開的內(nèi)部電場，讓能量較高的電子和空穴有機(jī)會復(fù)合，使發(fā)光波長朝藍(lán)色方向偏移［稱之為藍(lán)移（blue shift）］。

     由于存在這些問題，十多年來，綠色激光二極管和高效率綠色發(fā)光二極管都只能是一個無法實現(xiàn)夢想（演講者常用的激光筆也能發(fā)出綠光，但采用的方法無非是讓半導(dǎo)體激光器發(fā)射紅外輻射，再通過一種復(fù)雜而低效的倍頻技術(shù)轉(zhuǎn)換為另一種激光罷了）。

     U.C.S.B和羅姆微電子公司研究小組開創(chuàng)的方法試圖回避這些問題，他們首先沿大塊結(jié)晶氮化鎵的M面切片，然后把所得到的M面薄晶拋光（參見第29頁插圖）。在這些所謂的非極性襯底上制作的二極管，不會遇到常規(guī)極性C面器件的問題，因為由極化和內(nèi)部應(yīng)力引起的“惹事生非”的電場要弱得多。生長在氮化鎵襯底上的二極管，也比藍(lán)寶石上的二極管發(fā)光效率更高，這是因為它們的結(jié)晶缺陷（crystalline defect）更少。結(jié)晶缺陷是指不同層間界面上細(xì)小的不規(guī)則和不匹配，這種缺陷會起到關(guān)鍵作用，讓電子和空穴在復(fù)合時產(chǎn)生不必要的熱量，而不是我們想要的光。它們在生長過程中很容易向上蔓延，貫通二極管中的各個連續(xù)層，形成所謂的線位錯（threading dislocation），并直達(dá)活性層。當(dāng)日亞化工和索尼公司首次嘗試生產(chǎn)藍(lán)色激光二極管時，這些缺陷就起到了極大的破壞作用。和藍(lán)寶石襯底相比，采用氮化鎵襯底生長氮化鎵或相應(yīng)的合金，出現(xiàn)缺陷的情況就少得多。因此，生長在非極性氮化鎵上的二極管可以發(fā)出更多的光，并減少相應(yīng)的熱量釋放。

      非極性技術(shù)最早是在上世紀(jì)90年代后期提出的。從2000年以來，好幾個研究小組都開始嘗試?yán)眠@種技術(shù)，這里面就有U.C.S.B的登巴斯和斯佩克的小組。由于缺乏高質(zhì)量氮化鎵襯底，早期器件性能一般。然而從2006年開始， U.C.S.B中心的另一個合作伙伴——日本東京的三菱化學(xué)株式會社，開始向羅姆微電子公司和U.C.S.B的研究小組提供優(yōu)良的低缺陷M面氮化鎵襯底。這些邊長不到1厘米的襯底，是從鉛筆橡皮擦般大小的小氮化鎵晶體上切下來的。

     有了新材料，2006年年底，羅姆微電子公司和U.C.S.B制造出了更高效的發(fā)光二極管，并在2007年初開始努力研制更具有挑戰(zhàn)性的激光二極管。2007年1月27日，在那個下雨的星期六的上午，U.C.S.B研究生馬修·施密特（Matthew Schmidt）在實驗室里完成了制作激光二極管最后的步驟，把二極管拿到附近的測試實驗室接上了電源。當(dāng)他提高流經(jīng)二極管的電流時，突然，一束藍(lán)紫色光束發(fā)射出來了。

      “哇！”施密特想，“我終于可以畢業(yè)了！”他馬上打電話給他的導(dǎo)師登巴斯。登巴斯的第一個念頭是馬修·施密特在開玩笑，但他還是很快通知了楊校長和研究小組中的其他人。于是便有了本文開頭那一幕。他們都在數(shù)分鐘內(nèi)抵達(dá)實驗室，親眼看到了這個令人驚訝的成果。這是第一個非極性氮化鎵激光二極管，工作波長為405納米；羅姆微電子公司幾天后制作的第一個類似器件也能發(fā)出同樣波長的激光。流經(jīng)這些二極管的電流只有日亞和索尼生產(chǎn)的商用器件的2~3倍，表明任何發(fā)熱問題都是可以優(yōu)化的?？茖W(xué)家使用非極性和半極性襯底制得的二極管，發(fā)光波長更長，越來越接近綠光。

      在取得上述突破之后，U.C.S.B團(tuán)隊決定放棄極性二極管方面的大部分工作，專注于非極性器件，并且開始研究基于“半極性”氮化鎵襯底的相關(guān)生長方法。半極性晶片切割角與主軸線約成45°角（參見第29頁插圖）。雖然在半極性襯底上制備的二極管中，內(nèi)部電場要比非極性二極管中的電場高，但仍比極性二極管中的電場低得多。U.C.S.B的研究人員希望從中找出一種結(jié)構(gòu)，制造出第一個綠色激光二極管，甚至波長更長的高功率發(fā)光二極管。羅姆微電子公司也在這些領(lǐng)域發(fā)力，把精力集中在了非極性襯底上。

       新襯底本身并不足以超越藍(lán)色。綠色激光二極管需要在銦鎵氮活性層中增加更多的銦，但額外的銦會加大內(nèi)應(yīng)力并影響晶體結(jié)構(gòu)。它增加了晶體缺陷的數(shù)量，反過來又降低了光輸出，并產(chǎn)生多余的熱量。盡管缺陷增加，發(fā)光二極管仍然可以工作，但當(dāng)顏色由藍(lán)變綠時，效率會明顯下降。而且，激光二極管更加挑剔，不能容忍如此多的缺陷。迄今為止，這種激光二極管取得的最高波長是488納米，在頻譜中處于藍(lán)綠色（或青色）區(qū)域。銦鎵氮層還必須在大約700℃的溫度下生長，才能夠防止銦原子從它與其他原子的結(jié)合物中分離出來。然而，與它相鄰的氮化鎵層生長溫度卻高達(dá)1,000℃，明顯高出許多。高溫導(dǎo)致的原子分離可以形成不均勻的銦合金，我們或稱之為“島嶼”。這種“島嶼”又會導(dǎo)致不同位置的電子和空穴復(fù)合能量不同。這一變化使發(fā)射光譜范圍太寬，無法產(chǎn)生激光所需的相干單色光。因此，提高反應(yīng)溫度在銦鎵氮層上生長嬌貴的氮化鎵層時必須特別小心，以免形成過多“島嶼”。但是，隨著銦濃度的增高，這種晶體生長過程會更為艱難。

      在極性二極管中，要減少這些“島嶼”的形成更加困難，超強(qiáng)的內(nèi)部電場使人們不得不制備超薄的銦鎵氮層，厚度不超過4納米，只有大約20個原子厚。這種做法有助于讓電子和空穴緊靠在一起，提高相遇發(fā)光的機(jī)會。由于非極性和半極性二極管內(nèi)部的電場幾乎可以忽略，銦鎵氮活性層就可以做得較厚，可達(dá)20納米。盡管這些更堅固的層中仍有“島嶼”形成，但它們大都出現(xiàn)在與氮化鎵層相接的界面附近。限制這些“島嶼”可以提高產(chǎn)生激光所需的狹窄光譜的機(jī)會。更厚、更堅固的活性層也有助于用其他方式簡化制造工藝，取消二極管多層結(jié)構(gòu)中原先用來限制和引導(dǎo)光子的“包層”。自從2007年1月取得技術(shù)突破以來，U.C.S.B和羅姆微電子公司的研究小組一直站在最前沿，穩(wěn)步推進(jìn)這項新技術(shù)，幾乎每個月都有新成果。2007年4月，U.C.S.B報道，波長為402納米的非極性藍(lán)紫色發(fā)光二極管的量子效率，即發(fā)射的光子數(shù)和注入的電子數(shù)之比，已達(dá)到45%以上。這表明，該器件的性能在短短一年內(nèi)提高了100倍。數(shù)月后，該研究小組又報道了發(fā)光波長高達(dá)519納米的半極性綠色發(fā)光二極管，效率接近20%。不幸的是，這些二極管的發(fā)光波長藍(lán)移嚴(yán)重，原因仍然不明。

     最近，U.C.S.B制作了半極性黃色發(fā)光二極管，工作波長為563納米，效率高于13%，這是第一個用氮化鎵及其合金制作的高效黃色發(fā)光二極管。非極性激光二極管的性能也開始朝相對應(yīng)的極性器件靠攏。2008年5月，羅姆微電子公司實現(xiàn)了非極性激光二極管，發(fā)光波長高達(dá)481納米，已經(jīng)非常接近極性二極管所創(chuàng)造的488納米的紀(jì)錄了。科學(xué)家一方面想方設(shè)法降低襯底成本，使新產(chǎn)品早日能夠量產(chǎn)，同時還準(zhǔn)備首次研制出綠色激光二極管。但是，在實驗室中制備一個器件，往往與商業(yè)中的大規(guī)模生產(chǎn)不一樣。也許，對于非極性和半極性氮化鎵激光二極管和發(fā)光二極管而言，無論紫色、藍(lán)色、綠色還是黃色，制約它們大規(guī)模生產(chǎn)的最大障礙是，能否找到價格合理且足夠大的襯底。目前，三菱公司提供的氮化鎵襯底是從小型晶體材料中切割而來的，表面積約1平方厘米。如果要量產(chǎn)，這個面積還須提升20倍。

      羅伯特·沃克（Robert Walker）是美國加利福尼亞州門洛帕克市創(chuàng)投公司的半導(dǎo)體工業(yè)專家，他認(rèn)為要制造經(jīng)濟(jì)的激光二極管，襯底直徑至少要大于5厘米，成本要控制在每片2,000美元左右。此外他還提到，要制造更簡單（同時也更便宜）的發(fā)光二極管，襯底的成本還得降低一個數(shù)量級才行。極性藍(lán)光、綠光二極管已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，例如北卡羅來納州達(dá)勒姆市的科銳公司2007年下半年在碳化硅襯底上制作出的發(fā)光器件——非極性和半極性二極管必須與這些成熟技術(shù)展開競爭。三菱正在擴(kuò)大生產(chǎn)，并提升制作工藝的效率，旨在實現(xiàn)非極性氮化鎵襯底的商業(yè)化。研發(fā)出非極性氮化鎵襯底制作方法的藤戶健史（Kenji Fujito）認(rèn)為，這是一個緩慢而艱苦的過程。目前，三菱只能制作出足夠U.C.S.B和羅姆微電子公司研究使用的非極性或半極性氮化鎵襯底。

      藤戶稱，他們至少需要一到兩年才能制作出直徑5厘米的襯底。沃克則預(yù)測，無論是三菱還是其他襯底供應(yīng)商，例如北卡羅來納州羅利市的Kyma科技公司，都還需要好幾年的時間，才能提供價格可以接受的非極性襯底。但U.C.S.B的登巴斯教授預(yù)計非極性二極管會出現(xiàn)得更早，因為更高的產(chǎn)量可以降低總成本，從而使得低廉的襯底成為可能。研究工作還在繼續(xù)進(jìn)行。羅姆微電子公司、U.C.S.B，以及其他一些研究小組，已經(jīng)著眼于實現(xiàn)第一個綠色激光二極管。2008年9月，U.C.S.B報道了非極性和半極性氮化鎵二極管在藍(lán)綠光（480納米）和綠光波長（514納米）的激光光學(xué)泵浦受激發(fā)射。即使用另一束激光泵浦二極管作為激發(fā)源，這與真正的激光二極管中采用電流來驅(qū)動二極管的方式差距并不大。如果在今年晚些時候，無論哪個研究小組宣布實現(xiàn)了電子激發(fā)的受激輻射，我們都不會感到驚訝。#p#分頁標(biāo)題#e#