半導體(ti) 可以產(chan) 生除綠色外所有顏色的激光。但新的綠色激光二極管製造技術將很快取得全光譜顯示這一輝煌成就。

      對於(yu) 四季如春的南加利福尼亞(ya) 來說，1月份正是一年中稀有的雨季。2007年1月下旬一個(ge) 星期六的上午，美國加利福尼亞(ya) 大學聖巴巴拉分校（U.C.S.B）校委會(hui) 的成員們(men) 正在冒雨召開周末分析例會(hui) 。校長楊祖佑（Henry Yang）突然接到一個(ge) 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(san) ，急急忙忙地穿過雨幕下微寒的校園，走進了固態發光與(yu) 顯示中心的大樓。

     本文作者之一中村修二就是這個(ge) 科研中心的成員，因為(wei) 發明了第一個(ge) 藍色發光二極管，他剛剛獲得千禧科技獎。而在取得這項突破性進展之後，中村修二又進入固態（半導體(ti) ）發光領域繼續從(cong) 事開創性研究，十幾年來，相繼研發出了綠色發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分鍾後到達科研中心，人們(men) 正聚集在一間小小的測試實驗室裏。“中村修二也是剛到不久，還是穿著那件皮夾克，站在那裏詢問一些問題，”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(yu) 幾個(ge) 研究生及博士後討論著什麽(me) 。大家一邊討論，一邊輪流看顯微鏡。輪到楊校長時，他從(cong) 顯微鏡中看到，一束耀眼的藍紫色光芒從(cong) 玻璃般的氮化镓（gallium nitride，GaN）芯片中射出來。

     幾天以後， U.C.S.B固態發光與(yu) 顯示中心的合作夥(huo) 伴之一，日本東(dong) 京羅姆微電子公司（Rohm Company）的另一個(ge) 科研小組也采用類似技術完成了上述壯舉(ju) 。藍色發光二極管本身並不是一個(ge) 巨大的革命，但日本日亞(ya) 化工（Nichia Chemical Industries，中村修二在那裏工作到2000年）、索尼和其他一些公司在製作藍光播放器所用的廉價(jia) 氮化镓藍光激光器時都陷入了困境。這些二極管的傳(chuan) 統製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一種新的方法，用氮化镓及相關(guan) 合金的晶體(ti) 層來製作激光二極管。這種方法不僅(jin) 意味著成品率更高，還有望取得更大突破：製造出堅固緊湊的氮化镓基綠光激光器——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(wei) 敏感，但各種激光器卻無法直接發出綠光。上述成果即將改變這一現狀，填補全色激光顯示和激光投影儀(yi) 所需的紅綠藍三色單元中的“綠光空白”。這將使激光投影儀(yi) 更快地應用於(yu) 電視機和電影院，能夠比其他係統顯示更為(wei) 豐(feng) 富的色彩；手持“微型投影儀(yi) ”也將更快地應用到手機之類的電子產(chan) 品當中。大功率綠色發光二極管還可應用於(yu) DNA測序、工業(ye) 流程控製、水下通訊等許多領域。

     傳(chuan) 統製作方法是將镓、銦和氮原子沉積在藍寶石襯底上，晶體(ti) 層平行於(yu) 襯底C麵。新方法則使用了氮化镓襯底，晶體(ti) 生長方向也改變了。

    上世紀90年代中期，人們(men) 開始使用氮化镓及其合金材料來製作發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發光技術。此前，大多數研究者把研究重點放在硒化鋅及其相關(guan) 化合物上。新方法將一層非常平整的、納米級厚度的銦镓氮薄膜夾在兩(liang) 層氮化镓之間（參見第28頁插圖），這種結構被稱為(wei) 異質結構（heterostructure）或者量子阱（quantum well）。

     通過施加適當的電壓，研究者建立起一個(ge) 垂直於(yu) 這些層的電場，來驅動存在於(yu) 銦镓氮活性層中的電子和空穴（晶體(ti) 原子之間共價(jia) 鍵上的價(jia) 電子脫離後而形成的空洞，可以簡單理解為(wei) 帶正電荷的準粒子）。在這些狹窄溝道裏，電子和空穴相互複合、湮滅，並形成光子（photon）。活性層半導體(ti) 材料的性質精確決(jue) 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(cong) 而使光波波長變長，使顏色由紫到藍，由藍到綠。

     發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(liang) 次就會(hui) 射出器件，或者被其他層吸收。但激光二極管能產(chan) 生相幹光（coherent light），光子大都被限製在溝道中。兩(liang) 個(ge) 高度反射的鏡麵，通常是二極管兩(liang) 端經過拋光處理的晶體(ti) 表麵，使光子在溝道內(nei) 不停地來回反射，進一步激發電子－空穴複合。通過這種“受激發射”過程產(chan) 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#

    氮化镓二極管的傳(chuan) 統製法，是把一片藍寶石薄襯底（現在更常用的是氮化镓襯底）放入反應室。熱氣流依次把镓、銦和氮原子沉積在襯底上，每一個(ge) 單晶層中的元素量都須精確控製。每一層中的原子按照已經存在的晶體(ti) 結構自動排列，這些結構則由襯底決(jue) 定。晶體(ti) 層一個(ge) 原子一個(ge) 原子地生長，平行於(yu) 襯底C麵，垂直於(yu) 晶體(ti) 六邊形結構的對稱軸（參見第29頁插圖）。

     不幸的是，帶正電荷的镓離子或銦離子和帶負電荷的氮離子一層層間隔排列，它們(men) 之間的靜電力和內(nei) 應力會(hui) 產(chan) 生垂直於(yu) C麵的強電場，強度可能高達100伏/微米，相當於(yu) 在一個(ge) 普通人的頭頂和腳底加上2億(yi) 伏的高壓。電場把電子和空穴拉開，使它們(men) 難以複合並產(chan) 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，雙方都不願意走到對麵去彼此相見。

     當發出的光線由紫變藍、由藍變綠時，一種令人困擾的“量子限製斯塔克效應”（quantum-confined Stark effect）就變得特別嚴(yan) 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(hui) 屏蔽一部分使電子和空穴彼此分開的內(nei) 部電場，讓能量較高的電子和空穴有機會(hui) 複合，使發光波長朝藍色方向偏移［稱之為(wei) 藍移（blue shift）］。

     由於(yu) 存在這些問題，十多年來，綠色激光二極管和高效率綠色發光二極管都隻能是一個(ge) 無法實現夢想（演講者常用的激光筆也能發出綠光，但采用的方法無非是讓半導體(ti) 激光器發射紅外輻射，再通過一種複雜而低效的倍頻技術轉換為(wei) 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的方法試圖回避這些問題，他們(men) 首先沿大塊結晶氮化镓的M麵切片，然後把所得到的M麵薄晶拋光（參見第29頁插圖）。在這些所謂的非極性襯底上製作的二極管，不會(hui) 遇到常規極性C麵器件的問題，因為(wei) 由極化和內(nei) 部應力引起的“惹事生非”的電場要弱得多。生長在氮化镓襯底上的二極管，也比藍寶石上的二極管發光效率更高，這是因為(wei) 它們(men) 的結晶缺陷（crystalline defect）更少。結晶缺陷是指不同層間界麵上細小的不規則和不匹配，這種缺陷會(hui) 起到關(guan) 鍵作用，讓電子和空穴在複合時產(chan) 生不必要的熱量，而不是我們(men) 想要的光。它們(men) 在生長過程中很容易向上蔓延，貫通二極管中的各個(ge) 連續層，形成所謂的線位錯（threading dislocation），並直達活性層。當日亞(ya) 化工和索尼公司首次嚐試生產(chan) 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，采用氮化镓襯底生長氮化镓或相應的合金，出現缺陷的情況就少得多。因此，生長在非極性氮化镓上的二極管可以發出更多的光，並減少相應的熱量釋放。

      非極性技術最早是在上世紀90年代後期提出的。從(cong) 2000年以來，好幾個(ge) 研究小組都開始嚐試利用這種技術，這裏麵就有U.C.S.B的登巴斯和斯佩克的小組。由於(yu) 缺乏高質量氮化镓襯底，早期器件性能一般。然而從(cong) 2006年開始， U.C.S.B中心的另一個(ge) 合作夥(huo) 伴——日本東(dong) 京的三菱化學株式會(hui) 社，開始向羅姆微電子公司和U.C.S.B的研究小組提供優(you) 良的低缺陷M麵氮化镓襯底。這些邊長不到1厘米的襯底，是從(cong) 鉛筆橡皮擦般大小的小氮化镓晶體(ti) 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製造出了更高效的發光二極管，並在2007年初開始努力研製更具有挑戰性的激光二極管。2007年1月27日，在那個(ge) 下雨的星期六的上午，U.C.S.B研究生馬修·施密特（Matthew Schmidt）在實驗室裏完成了製作激光二極管最後的步驟，把二極管拿到附近的測試實驗室接上了電源。當他提高流經二極管的電流時，突然，一束藍紫色光束發射出來了。

      “哇！”施密特想，“我終於(yu) 可以畢業(ye) 了！”他馬上打電話給他的導師登巴斯。登巴斯的第一個(ge) 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。於(yu) 是便有了本文開頭那一幕。他們(men) 都在數分鍾內(nei) 抵達實驗室，親(qin) 眼看到了這個(ge) 令人驚訝的成果。這是第一個(ge) 非極性氮化镓激光二極管，工作波長為(wei) 405納米；羅姆微電子公司幾天後製作的第一個(ge) 類似器件也能發出同樣波長的激光。流經這些二極管的電流隻有日亞(ya) 和索尼生產(chan) 的商用器件的2~3倍，表明任何發熱問題都是可以優(you) 化的。科學家使用非極性和半極性襯底製得的二極管，發光波長更長，越來越接近綠光。

      在取得上述突破之後，U.C.S.B團隊決(jue) 定放棄極性二極管方麵的大部分工作，專(zhuan) 注於(yu) 非極性器件，並且開始研究基於(yu) “半極性”氮化镓襯底的相關(guan) 生長方法。半極性晶片切割角與(yu) 主軸線約成45°角（參見第29頁插圖）。雖然在半極性襯底上製備的二極管中，內(nei) 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(cong) 中找出一種結構，製造出第一個(ge) 綠色激光二極管，甚至波長更長的高功率發光二極管。羅姆微電子公司也在這些領域發力，把精力集中在了非極性襯底上。

       新襯底本身並不足以超越藍色。綠色激光二極管需要在銦镓氮活性層中增加更多的銦，但額外的銦會(hui) 加大內(nei) 應力並影響晶體(ti) 結構。它增加了晶體(ti) 缺陷的數量，反過來又降低了光輸出，並產(chan) 生多餘(yu) 的熱量。盡管缺陷增加，發光二極管仍然可以工作，但當顏色由藍變綠時，效率會(hui) 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(wei) 止，這種激光二極管取得的最高波長是488納米，在頻譜中處於(yu) 藍綠色（或青色）區域。銦镓氮層還必須在大約700℃的溫度下生長，才能夠防止銦原子從(cong) 它與(yu) 其他原子的結合物中分離出來。然而，與(yu) 它相鄰的氮化镓層生長溫度卻高達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(men) 或稱之為(wei) “島嶼”。這種“島嶼”又會(hui) 導致不同位置的電子和空穴複合能量不同。這一變化使發射光譜範圍太寬，無法產(chan) 生激光所需的相幹單色光。因此，提高反應溫度在銦镓氮層上生長嬌貴的氮化镓層時必須特別小心，以免形成過多“島嶼”。但是，隨著銦濃度的增高，這種晶體(ti) 生長過程會(hui) 更為(wei) 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(nei) 部電場使人們(men) 不得不製備超薄的銦镓氮層，厚度不超過4納米，隻有大約20個(ge) 原子厚。這種做法有助於(yu) 讓電子和空穴緊靠在一起，提高相遇發光的機會(hui) 。由於(yu) 非極性和半極性二極管內(nei) 部的電場幾乎可以忽略，銦镓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(men) 大都出現在與(yu) 氮化镓層相接的界麵附近。限製這些“島嶼”可以提高產(chan) 生激光所需的狹窄光譜的機會(hui) 。更厚、更堅固的活性層也有助於(yu) 用其他方式簡化製造工藝，取消二極管多層結構中原先用來限製和引導光子的“包層”。自從(cong) 2007年1月取得技術突破以來，U.C.S.B和羅姆微電子公司的研究小組一直站在最前沿，穩步推進這項新技術，幾乎每個(ge) 月都有新成果。2007年4月，U.C.S.B報道，波長為(wei) 402納米的非極性藍紫色發光二極管的量子效率，即發射的光子數和注入的電子數之比，已達到45%以上。這表明，該器件的性能在短短一年內(nei) 提高了100倍。數月後，該研究小組又報道了發光波長高達519納米的半極性綠色發光二極管，效率接近20%。不幸的是，這些二極管的發光波長藍移嚴(yan) 重，原因仍然不明。

     最近，U.C.S.B製作了半極性黃色發光二極管，工作波長為(wei) 563納米，效率高於(yu) 13%，這是第一個(ge) 用氮化镓及其合金製作的高效黃色發光二極管。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了非極性激光二極管，發光波長高達481納米，已經非常接近極性二極管所創造的488納米的紀錄了。科學家一方麵想方設法降低襯底成本，使新產(chan) 品早日能夠量產(chan) ，同時還準備首次研製出綠色激光二極管。但是，在實驗室中製備一個(ge) 器件，往往與(yu) 商業(ye) 中的大規模生產(chan) 不一樣。也許，對於(yu) 非極性和半極性氮化镓激光二極管和發光二極管而言，無論紫色、藍色、綠色還是黃色，製約它們(men) 大規模生產(chan) 的最大障礙是，能否找到價(jia) 格合理且足夠大的襯底。目前，三菱公司提供的氮化镓襯底是從(cong) 小型晶體(ti) 材料中切割而來的，表麵積約1平方厘米。如果要量產(chan) ，這個(ge) 麵積還須提升20倍。

      羅伯特·沃克（Robert Walker）是美國加利福尼亞(ya) 州門洛帕克市創投公司的半導體(ti) 工業(ye) 專(zhuan) 家，他認為(wei) 要製造經濟的激光二極管，襯底直徑至少要大於(yu) 5厘米，成本要控製在每片2,000美元左右。此外他還提到，要製造更簡單（同時也更便宜）的發光二極管，襯底的成本還得降低一個(ge) 數量級才行。極性藍光、綠光二極管已經發展得非常成熟，例如北卡羅來納州達勒姆市的科銳公司2007年下半年在碳化矽襯底上製作出的發光器件——非極性和半極性二極管必須與(yu) 這些成熟技術展開競爭(zheng) 。三菱正在擴大生產(chan) ，並提升製作工藝的效率，旨在實現非極性氮化镓襯底的商業(ye) 化。研發出非極性氮化镓襯底製作方法的藤戶健史（Kenji Fujito）認為(wei) ，這是一個(ge) 緩慢而艱苦的過程。目前，三菱隻能製作出足夠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镓襯底。

      藤戶稱，他們(men) 至少需要一到兩(liang) 年才能製作出直徑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(jia) 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(hui) 出現得更早，因為(wei) 更高的產(chan) 量可以降低總成本，從(cong) 而使得低廉的襯底成為(wei) 可能。研究工作還在繼續進行。羅姆微電子公司、U.C.S.B，以及其他一些研究小組，已經著眼於(yu) 實現第一個(ge) 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镓二極管在藍綠光（480納米）和綠光波長（514納米）的激光光學泵浦受激發射。即使用另一束激光泵浦二極管作為(wei) 激發源，這與(yu) 真正的激光二極管中采用電流來驅動二極管的方式差距並不大。如果在今年晚些時候，無論哪個(ge) 研究小組宣布實現了電子激發的受激輻射，我們(men) 都不會(hui) 感到驚訝。#p#分頁標題#e#