半導體可以產(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展之后，中村修二又進入固態(tài)（半導體）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光播放器（Blu-ray disc player）中的核心器件——藍光激光器。

     楊祖佑校長在10分鐘后到達科研中心，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光播放器所用的廉價氮化鎵藍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，填補全色激光顯示和激光投影儀所需的紅綠藍三色單元中的“綠光空白”。這將使激光投影儀更快地應用于電視機和電影院，能夠比其他系統(tǒng)顯示更為豐富的色彩；手持“微型投影儀”也將更快地應用到手機之類的電子產(chǎn)品當中。大功率綠色發(fā)光二極管還可應用于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，這一重要進展催生了高亮度藍光固態(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?shù)碾妷海芯空呓⑵鹨粋€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粒子）。在這些狹窄溝道里，電子和空穴相互復合、湮滅，并形成光子（photon）。活性層半導體材料的性質(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，由藍到綠。

     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，進一步激發(fā)電子－空穴復合。通過這種“受激發(fā)射”過程產(chǎn)生的激光，就像鉛筆芯一樣，細而直，顏色也極純。#p#分頁標題#e#

    氮化鎵二極管的傳統(tǒng)制法，是把一片藍寶石薄襯底（現(xiàn)在更常用的是氮化鎵襯底）放入反應室。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)應力會產(chǎn)生垂直于C面的強電場，強度可能高達100伏/微米，相當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。

     當發(fā)出的光線由紫變藍、由藍變綠時，一種令人困擾的“量子限制斯塔克效應”（quantum-confined Stark effect）就變得特別嚴重：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會復合，使發(fā)光波長朝藍色方向偏移［稱之為藍移（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體激光器發(fā)射紅外輻射，再通過一種復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），并直達活性層。當日亞化工和索尼公司首次嘗試生產(chǎn)藍色激光二極管時，這些缺陷就起到了極大的破壞作用。和藍寶石襯底相比，采用氮化鎵襯底生長氮化鎵或相應的合金，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，并減少相應的熱量釋放。

      非極性技術(shù)最早是在上世紀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利用這種技術(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。當他提高流經(jīng)二極管的電流時，突然，一束藍紫色光束發(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。科學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，但當顏色由藍變綠時，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1,000℃，明顯高出許多。高溫導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”又會導致不同位置的電子和空穴復合能量不同。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)光波長藍移嚴重，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納米的紀錄了?？茖W家一方面想方設法降低襯底成本，使新產(chǎn)品早日能夠量產(chǎn)，同時還準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)投公司的半導體工業(yè)專家，他認為要制造經(jīng)濟的激光二極管，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。沃克則預測，無論是三菱還是其他襯底供應商，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綠光（480納米）和綠光波長（514納米）的激光光學泵浦受激發(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#分頁標題#e#