研发历程率先让蓝色LED发光的赤崎和天野生存

在199 年日亚化学工业推出蓝色以前，很多技术人员都为获得氮化镓（GaN）类半导体晶体付出了巨大的努力。其中，在GaN类蓝色LED的开发历史中可以说留下了不可磨灭足迹的，是日本名城大学教授赤崎勇和天野浩（名古屋大学教授）的研究小组。

大约10年前，围绕 中村诉讼 一案，笔者曾为验证蓝色LED的开发过程而对天野进行过采访，本文就以当时的采访内容为基础，重新介绍一下赤崎和天野取得的成绩。

199 年日亚化学工业推出蓝色LED之后，有一段时期公众普遍认为蓝色LED就是日亚化学开发出来的。对此，天野教授说， 蓝色LED的产品化是众多先行者为了合成出氮化镓（GaN）类半导体晶体而开发的技术和坚持的结果 。

赤崎和天野的研究小组，就在GaN类蓝色LED的开发中做出了重要贡献。赤崎在2001年获得了 应用物理学会成就奖 ，获奖理由中有这样一段话： 在GaN类氮化物半导体材料和元器件的研发中，赤崎及其研究小组的研究是所有研究的出发点。通过开发低温缓冲层技术，1986年成功地获得了品质明显提高的晶体，并在1989年实现了此前不可能的p型传导和n型传导性控制，同年还实现了pn结蓝色发光二极管。

蓝色LED技术确立于1985年，对外公开发表在1986年。

在介绍蓝色LED发明时，提到的全是GaN类蓝色LED，因为GaN类蓝色LED被认为是现在实用化的蓝色LED的原型。其实，要说发蓝光的LED这个概念，碳化硅（SiC）类蓝色LED早在GaN类蓝色LED之前就诞生了。不过，SiC类蓝色LED输出的光较弱，对很多研究人员在蓝色LED之后瞄准的蓝色半导体激光器的开发也没有起作用，所以，现在如果没有特别说明，蓝色LED就是指GaN类蓝色LED。

赤崎和天野的研究小组之所以能获得这么高的评价，是因为他们一直坚持研究很多研究人员已经放弃的GaN材料，付出的努力最终成就了蓝色LED。

赤崎选择的是GaN这条艰难之路

要想让蓝色LED和蓝色半导体激光器等蓝色发光器件发光，至少需要带隙在2.6eV（电子伏）以上的大型半导体材料。发光波长与带隙能量之间的公式为

发光波长（nm）＝1.24/带隙能量（eV） 100

蓝色发光波长为455～485nm，按照公式倒推，需要的带隙能量为2.55～2.72eV。因此，要想实现蓝色发光器件，至少需要2.6eV以上的带隙能量。这种带隙能量较大的半导体被称为宽禁带半导体，根据上面的公式可知，只有宽禁带半导体才能发出高能量蓝 域的短波长的光。

在1960年代后半期至1980年代前半期，这种蓝色发光器件的候补材料有SiC、硒化锌（ZnSe）和GaN三种。但这三种材料受到的期待并不相同。根据晶体生长的难易程度，大多数研究人员都把目光投向了SiC和ZnSe这两种材料。

而赤崎却选择了GaN。关于这个选择，他2002年获得武田奖时发表的演讲中做了解释。

从大约1970年开始到80年代，致力于蓝色发光器件研究的人员大多都以这三种材料（GaN、ZnSe、SiC）为研究对象。其中只有SiC在当时就实现了pn结。因此相当多的研究人员都在努力研究SiC材料。其余的人则选择了ZnSe或者GaN。二者的共同点是都还没形成p型半导体。不过，SiC的能带结构为间接跃迁型，因此无望实现强发光，更无法制成半导体激光器。而ZnSe和GaN虽然都是直接跃迁型，但尚未实现pn结。

因此，除了选择SiC的研究人员以外，大部分人都选择了ZnSe。这是因为，虽然ZnSe和GaN都很难形成晶体，但相对来说ZnSe比GaN要容易一些。

另外，ZnSe还具有柔软易加工的特点。而GaN极难制作晶体，而且能隙比ZnSe大，因此p型化被认为是难上加难。

我也知道GaN的pn结和蓝色发光器件非常难实现。但既然横竖都要做，就决定挑战一下比较难的GaN。

赤崎开始对蓝色LED和蓝色半导体激光器的开发持有强烈意愿是在1966年前后。当时就职于松下电器东京研究所（后更名为松下技研）的赤崎主要从事氮化铝（AlN）和砷化镓（GaAs）的晶体生长及特性研究，以及采用磷砷化镓（GaAsP）的红色LED和采用磷化镓（GaP）的绿色LED的开发。其中，红色LED方面，赤崎1969年成功开发出了外部量子效率全球最高、达到2％的器件。

不过，选择GaN开发蓝色发光器件的不仅仅是赤崎。世界上还有人在他之前就着手GaN类蓝色LED的开发了。在赤崎开发亮度更高的红色LED的1969年，美国RCA研究所的Muruska等人利用HVPE（氢化物气相外延）法在蓝宝石衬底上成功制作出了GaN单晶体。1971年美国RCA研究所的Pankove等人制作了采用GaN的MIS（金属-绝缘体-半导体）型蓝色LED，这就是全球最先诞生的蓝色LED。不过，由于未实现p型半导体，因此外部量子效率只有0.1％。

在MIS型蓝色LED首次发光2年后的197 年，赤崎正式开始GaN类蓝色发光器件的开发。他的目标是实现p型半导体，实现亮度更高的蓝色LED和蓝色半导体激光器。当时，赤崎决定把无人涉足的 通过GaN类氮化物的p-n结实现蓝色发光器件 这个挑战当成毕生的事业。

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