诺奖获得者中村修二演绎激光二极管蓝绿切换

来源:白城互联网平台 2019-10-19 07:45

  半导体可以产生除绿色外所有颜色的。但新的绿色制造技术将很快取得全光谱显示这一辉煌成就。

  对于四季如春的南加利福尼亚来说,1月份正是一年中稀有的雨季。2007年1月下旬一个星期六的上午,美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校(U.C.S.B)校委会的成员们正在冒雨召开周末分析例会。校长杨祖佑(HenryYang)突然接到一个紧急。他匆匆向身边的助手交待了几句,就抓过自己的外套和雨伞,急急忙忙地穿过雨幕下微寒的校园,走进了固态发光与显示中心的大楼。

  中村修二就是这个科研中心的成员,因为发明了第一个蓝色发光二极管,他刚刚获得诺贝尔物理学奖。而在取得这项突破性进展之后,中村修二又进入固态(半导体)发光领域继续从事开创性研究,十几年来,相继研发出了绿色发光二极管和目前的蓝光播放器(Blu-raydiscplayer)中的核心器件 蓝光。

  杨祖佑校长在10分钟后到达科研中心,人们正聚集在一间小小的测试实验室里。 中村修二也是刚到不久,还是穿着那件皮夹克,站在那里询问一些问题, 杨校长回忆道。中村修二的同事史蒂文 登巴斯(StevenDenBaars)和詹姆斯 C 斯佩克(eck)正与几个研究生及博士后讨论着什么。大家一边讨论,一边轮流看显微镜。轮到杨校长时,他从显微镜中看到,一束耀眼的蓝紫色光芒从玻璃般的氮化镓(galliumnitride,GaN)芯片中射出来。

  几天以后,U.C.S.B固态发光与显示中心的合作伙伴之一,日本东京罗姆微电子公司(RohmCompany)的另一个科研小组也采用类似技术完成了上述壮举。蓝色发光二极管本身并不是一个巨大的革命,但日本日亚化工(NichiaChemicalIndustries,中村修二在那里工作到2000年)、索尼和其他一些公司在制作蓝光播放器所用的廉价氮化镓蓝光激光器时都陷入了困境。这些二极管的传统制作方法存着一些固有的缺陷,成品率低、成本高。

  U.C.S.B和罗姆微电子公司的研究小组正在研发一种新的方法,用氮化镓及相关合金的晶体层来制作激光二极管。这种方法不仅意味着成品率更高,还有望取得更大突破:制造出坚固紧凑的氮化镓基绿光激光器 这是科学家和工程师一直梦寐以求的。绿色发光二极管将比目前的器件更加高效。

  进化使人类对绿色最为敏感,但各种激光器却无法直接发出绿光。上述成果即将改变这一现状,填补全色激光显示和激光投影仪所需的红绿蓝三色单元中的 绿光空白 。这将使激光投影仪更快地应用于电视机和电影院,能够比其他系统显示更为丰富的色彩;手持 微型投影仪 也将更快地应用到之类的当中。大功率绿色发光二极管还可应用于DNA测序、工业流程控制、水下通讯等许多领域。

  新视角:激光二极管曾经的 萌芽 史

  传统制作方法是将镓、铟和氮原子沉积在蓝宝石衬底上,晶体层平行于衬底C面。新方法则使用了氮化镓衬底,晶体生长方向也改变了。

  上世纪90年代中期,人们开始使用氮化镓及其合金材料来制作发光二极管和激光二极管,这一重要进展催生了高亮度蓝光固态发光技术。此前,大多数研究者把研究重点放在硒化锌及其相关化合物上。新方法将一层非常平整的、纳米级厚度的铟镓氮薄膜夹在两层氮化镓之间(参见第28页插图),这种结构被称为异质结构(heterostructure)或者量子阱(quantumwell)。

  通过施加适当的电压,研究者建立起一个垂直于这些层的电场,来驱动存在于铟镓氮活性层中的电子和空穴(晶体原子之间共价键上的价电子脱离后而形成的空洞,可以简单理解为带正电荷的准粒子)。在这些狭窄沟道里,电子和空穴相互复合、湮灭,并形成光子(photon)。活性层半导体材料的性质精确决定了这些光子能量。增加合金中铟的含量,可以降低光子能量,从而使光波波长变长,使颜色由紫到蓝,由蓝到绿。

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