物理群星
赤崎勇 肖像

图:日本内阁府(大臣官房人事课),2011 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

赤崎勇

Isamu Akasaki

1929–2021 · 生于日本鹿儿岛县知览 · 日本

凝聚态

全世界都放弃了氮化镓,他一个人接着做——二十年后蓝光从那条路上出来

诺贝尔物理学奖 2014 发明高效蓝色发光二极管,使明亮且节能的白色光源成为可能

红色发光二极管 1962 年就有了,绿色随后也有了。蓝色卡了三十年。

不是没人想做——三原色缺一个,就拼不出白光,而白光意味着照明,意味着一个巨大的市场。问题出在材料上:蓝光的光子能量高,需要带隙足够宽的半导体,而候选者本来就不多。

1970 与 1980 年代,几乎所有人都押注硒化锌。它容易长出好晶体,带隙也够。氮化镓则被认为是死路:它没有同质衬底,只能长在蓝宝石上,而两者的晶格常数相差约 16%,长出来的膜坑坑洼洼、位错密布;更要命的是,谁也做不出 p 型的氮化镓——没有 p 型,就没有 pn 结,就不会发光。

一个人的荒野

赤崎 1973 年在松下开始做氮化镓,那时研究者还不算少。往后十年,这一行的人一个个转向硒化锌,到 1980 年代中期,全世界还在认真做氮化镓的,几乎只剩他和他的学生。

他 1981 年回名古屋大学任教,把这条路带进了大学实验室。选择的理由并不神秘:氮化镓是直接带隙、化学性质稳定、耐高温——如果能解决晶体质量,它比硒化锌更适合做真正耐用的器件。硒化锌恰恰在这一点上输了:即使做出了蓝光,器件寿命也短得没法商用。

赌注押的是二十年后。

两道关

第一道关在 1985 年被他的学生天野浩撞开:先在蓝宝石上低温沉积一层氮化铝作缓冲,再升温长氮化镓。缓冲层把巨大的晶格失配吸收掉,长出来的膜第一次表面平整、质量优良。

第二道关是 p 型。他们先试锌,失败;1989 年改用镁,并对样品做低能电子束辐照——这一招原本是天野浩在实习时偶然发现的(辐照会让蓝色发光不可逆地增强)。镁掺杂加辐照,氮化镓终于显出明确的 p 型导电。

同年,世界第一个氮化镓 pn 结型紫外/蓝光二极管做了出来。

押对的那部分

赤崎与天野浩的器件亮度还不够商用,把它变成真正明亮的产品的是四国一家小公司里的中村修二。但通往那里的两块基石——能长出好晶体、能做出 p 型——是名古屋这间实验室铺的。

2014 年三人同获诺贝尔奖。授奖词里那句话说得直白:白炽灯照亮了二十世纪,二十一世纪要靠发光二极管来照亮。

他 2021 年去世,享年九十二岁。今天全世界的手机屏幕、显示屏与白光照明背后,都有他当年不肯放弃的那种材料。

代表方程

为什么非氮化镓不可

λ [nm]=1240Eg [eV],Eg(GaN)≈3.4 eV\lambda\,[\mathrm{nm}] = \frac{1240}{E_g\,[\mathrm{eV}]},\qquad E_g(\mathrm{GaN}) \approx 3.4\ \mathrm{eV}

发光波长由半导体的带隙决定。要发蓝光需要 2.6 电子伏以上的带隙,能选的材料本来就少;氮化镓的 3.4 电子伏还带来一个额外好处——它是直接带隙,电子与空穴复合时能直接把能量交给光子,而不像硅那样先浪费在晶格振动上。问题只在于,当年没人能把它长成好晶体。

长不出好晶体的原因

aGaN−aAl2O3aAl2O3≈16%\frac{a_{\mathrm{GaN}} - a_{\mathrm{Al_2O_3}}}{a_{\mathrm{Al_2O_3}}} \approx 16\%

氮化镓没有同质的衬底可用,只能长在蓝宝石上,而两者的晶格常数差了约 16%。这么大的失配会在界面上撕出密密麻麻的位错,晶体表面坑洼不平,做不成器件。整个 1970 与 1980 年代,这一条把绝大多数人赶去了硒化锌。

伟大发现