藍(lán)色LED發(fā)光技術(shù)的研發(fā)（下）

　　為了進(jìn)行GaN單晶的生長實(shí)驗(yàn)而投入到專用MOCVD裝置的設(shè)計(jì)和制作中的人員之一是1982年進(jìn)入赤崎研究室、當(dāng)時還是學(xué)生的天野（圖）。尚無人取得成功的pn結(jié)藍(lán)色LED的研究激起了天野的挑戰(zhàn)欲望，于是他叩響了赤崎研究室的大門。天野回顧了制作MOCVD裝置時的情景：

　　“當(dāng)時由于沒有市售的GaN專用MOVPE裝置等原因，我與高一屆的前輩小出康夫（現(xiàn)就職于日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)）一起從制造MOVPE裝置開始做起。襯底加熱用振蕩器使用研究室以前就有的老產(chǎn)品，昂貴的石英部件中，1/4英寸的石英管等是用研究室的預(yù)算購買的，而60cm的高價的石英管等是某企業(yè)捐贈的，我們就這樣展開了實(shí)驗(yàn)。另外，還用研究室的預(yù)算以最低限度采購了必要的氣體流量計(jì)等部件，但組裝全部是我們自己完成的?！?/p>

　　圖：天野浩使用的MOCVD裝置

　　利用上方的一根石英玻璃噴射管向傾斜設(shè)置的藍(lán)寶石襯底提供原料氣體。原料氣體的流速達(dá)到原來的100倍，為500cm/s。天野發(fā)現(xiàn)在原來5cm/s的流速下，高溫藍(lán)寶石襯底的熱量會形成對流，導(dǎo)致來自上方的原料氣體避開藍(lán)寶石襯底流動，于是進(jìn)行了改良。

　　研究室雖然這樣自己完成了MOCVD裝置，但優(yōu)質(zhì)GaN單晶的制作并不順利。在兩年的時間里，除了過年這天，天野每天都在做GaN單晶生長實(shí)驗(yàn)。對襯底溫度、反應(yīng)真空度、反應(yīng)氣體的流量、生長時間等條件反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)驗(yàn)次數(shù)超過1500次，但依然沒有制造出優(yōu)質(zhì)的GaN單晶。

　　不過，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的過程中，天野注意到了氣體及其流速。他使用發(fā)煙筒的原料，觀察了原料氣體在MOCVD裝置中如何流動。他發(fā)現(xiàn)，原料氣體會避開基座（放置藍(lán)寶石襯底的底座）流動。制作GaN單晶需要使襯底保持高溫，但高溫的熱量會引起對流，導(dǎo)致原料氣體無法到達(dá)襯底。發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，他將原料氣體的流速由原來的5cm/s提高了100倍，調(diào)整到500cm/s。

　　在與赤崎共同獲得武田獎時發(fā)表的演講中，天野這樣說道：

　　“以前，氣體的流速非常慢，只有5cm/s，而我們將速度提高到了100倍。這一過程中比較費(fèi)力的是石英的精細(xì)加工。當(dāng)時沒有預(yù)算，外包需要的時間較長，因此石英的加工全部是自己完成的。最開始非常難，不過反復(fù)幾十次之后就能加工成預(yù)想的樣子了，能夠充分供應(yīng)氣體。當(dāng)時，由于Ga原料容易與氨氣發(fā)生反應(yīng)，一般認(rèn)為應(yīng)該分開供應(yīng)，但我們打破了這一常識，為了盡量增加氣體流量，就一起供應(yīng)這兩種材料。而且，氣體流速也提高到了當(dāng)時的MOCVD裝置的正常速度以上。另外，通過把我們自己制作的基座斜著切割，實(shí)現(xiàn)了徹底的氣體流動?！?/p>

　　提高了MOCVD裝置氣體控制性的天野于1985年利用前面提到的低溫AlN緩沖層，全球首次制作出了優(yōu)質(zhì)GaN單晶。

　　有意思的是，這次成功是偶然實(shí)現(xiàn)的。1985年的一天，為了像往常一樣生長GaN單晶，天野想把MOCVD裝置爐的溫度提高到1000℃以上，但那天碰巧爐子出了問題，溫度只達(dá)到700～800℃左右。當(dāng)然，這個溫度是無法生長GaN單晶的。但此時天野的腦海里冒出了“加入Al也許能提高結(jié)晶品質(zhì)”的想法。于是，天野沒有進(jìn)行GaN單晶的生長，而是在藍(lán)寶石襯底上試著生長AlN單晶薄膜。在這一過程中爐子恢復(fù)了正常，天野又將爐子溫度提高到 1000℃開始生長GaN單晶。最后從爐子中取出，用顯微鏡進(jìn)行確認(rèn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生長出了均勻的GaN單晶。

　　先在藍(lán)寶石襯底上制作低溫AlN緩沖層，然后在這上面制作GaN單晶。天野確認(rèn)了用這種方法能以良好的再現(xiàn)性制作出優(yōu)質(zhì)GaN單晶。這種優(yōu)質(zhì)GaN單晶的實(shí)現(xiàn)被視為藍(lán)色LED發(fā)明的“突破性技術(shù)”之一。

　　1989年實(shí)際驗(yàn)證了p型GaN單晶

　　在藍(lán)色LED的發(fā)明中，被視為突破性技術(shù)的共有三項(xiàng)。除了（1）優(yōu)質(zhì)GaN單晶的實(shí)現(xiàn)外，還有（2）p型GaN單晶的實(shí)現(xiàn)和（3）用于發(fā)光層的窒化銦鎵（InGaN）單晶的實(shí)現(xiàn)。其中，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)GaN單晶的天野在1989年全球首次成功制作出了p型GaN單晶。