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‧科學人 2009/05/22
除了綠色以外，半導體能發出各種色彩的雷射光。新的雷射二極體突破這個困境，可望讓亮麗的全光譜顯示器成真。
【撰文／中村修二（Shuji Nakamura）、黎奧丹（Michael Riordan）；翻譯／甘錫安】
(照片提供/科學人)
重點提要
■固態雷射可產生光譜中的紅色和藍色部份，但無法產生綠色部份。
■最近的研究顯示，這個「綠色缺口」最快可望在今年完整填補起來。
■這項進展將有助於以雷射技術製作、可裝在行動電話中的超小型顯示器。
2007年1月某個下雨的星期六早晨，美國加州大學聖巴巴拉分校校長楊祖佑接到一通急電，他立刻提前退出會議，抓起外套和雨傘，快步走過風吹雨打的聖巴巴拉分校校園，到達固態照明與顯示中心。這個中心的研究團隊成員包含本文作者之一中村修二，他於2006年以發明能放射淺藍色光的發光二極體（LED）獲頒千禧年科技獎。從10多年前的突破性成果至今，中村一直站在固態（半導體）照明研究的最前線，開發出綠光LED與現在已成為Blu-ray 光碟播放機核心組件的藍光雷射二極體。
10分鐘後，楊祖佑抵達中心，小小的測試實驗室裡大家忙成一團。他回憶當時的情況：「修二也才剛到，穿著皮夾克站在那裡問問題。」而中村修二的同事丹巴爾斯（Steven DenBaars）和史派克（James C. Speck）正在和幾名輪流看顯微鏡的研究生及博士後研究員講話。他們讓了個位子給楊祖佑，他透過目鏡，目睹了一片光滑的氮化鎵（GaN）放射出亮麗的藍紫色光芒。
幾天後，該中心的合作夥伴——日本京都羅姆公司的研究團隊也以類似的材料獲得相同的成果。雖然藍光雷射二極體已經不算是革命性產品，但日本德島的日亞化學（中村於2000年以前任職的公司）、索尼等公司仍然試圖針對Blu-ray光碟市場，開發低成本的氮化鎵雷射裝置。這類二極體的製造方法曾經存在難以解決的限制，因此無法提高生產良率，成本也隨之居高不下。
加州大學聖巴巴拉分校和羅姆公司的研究團隊正在開發新技術，以製作氮化鎵結晶層以及構成雷射二極體的相關合金。這種方式一旦成功，不僅可望提高良率，也將往另一個更大的目標邁進，就是可發射綠色雷射光並且耐用又小巧的氮化鎵雷射二極體，這是許多科學家和工程師多年來追尋的目標。運用這項技術，還可製作出比現有產品更亮的綠光LED。
這些成果將可填補人類經過演化後，眼睛的可見光譜中最為敏感的空缺，補足製作全彩雷射投影機與顯示器所需的紅藍綠三色光中一直存在的「綠色缺口」。這些產品應該有助於雷射投影裝置運用在電視機和電影院，因為它能顯示的色彩比其他系統更豐富；另外也將促成掌上型「超微投影機」進入手機等裝置。高功率綠光二極體還有許多不同的應用，例如用於DNA定序、工業製程控制，以及水底通訊等。
換個不同角度的晶面
開發淺藍色固態發光的關鍵進展，是1990年代中期改用以氮化鎵與相關合金製造LED與雷射二極體，在此之前，大多數研究人員將研究重點放在硒化鋅與相關化合物。新的技術是將一層極為光滑、數奈米薄的氮化銦鎵（InGaN）夾在兩層氮化鎵之間，形成所謂的異質結構或量子井。
研究人員對此結構施加適當電壓後，可形成垂直於各層的電場，推動電子與電洞（因電子缺損而形成的帶正電準粒子）在氮化銦鎵作用層中結合。在這個狹小的空間中，電子與電洞再度結合，互相抵消並放出光子，光子的能量則依半導體材料的特性而定。如果提高合金中銦的濃度，可以降低光子能量，進而增加放射光的波長，使它的顏色由紫色轉成藍色，最後變成綠色。
在LED中，光子幾乎立刻離開量子井，可能反彈一、兩次後就離開裝置，或是被其他層吸收。但在產生同調光的雷射二極體中，光子則大多會停留在這個狹小空間中。兩面高效率反射鏡（通常是晶體兩端拋光過的表面）使光子在晶體內部來回反射，激發出更多電子與電洞重新結合，這種「激發放射」過程所產生的雷射光，是一道色彩純淨的筆直光束。
製作傳統氮化鎵二極體時，工作人員先將一片薄薄的藍寶石（近來有逐漸改用氮化鎵的趨勢）放入反應室中。高熱氣體逐次在基板上沉積一層層的鎵、銦和氮原子，每一層的各種元素比例各不相同。各層中的原子會自動與原有的晶體結構對齊，晶體結構則由基板預先決定。原子一層層堆積起來，平行於基板的 c平面，c平面本身則垂直於晶體的六角對稱軸。
可惜的是，靜電力與一層層帶正電的鎵或銦離子與帶負電的氮離子之間的內部應力，會形成垂直於c平面的強大電場。這類電場（強度可達每微米 100伏特，在一般人身高的長度則可高達兩億伏特）會抵消外界施加的電壓，將電子與電洞拉開，使它們難以結合產生光子。電子就像聚集在長形量子舞廳的一端，電洞則聚集在另一端，彼此不願走到對面去接觸對方。
這個擾人的問題稱為量子局限史塔克效應，在二極體放射光束由紫色、藍色轉為綠色時變得越來越嚴重。此外，通過二極體的電流增加時，數量更多的帶電粒子阻斷一部份隔離電子與電洞的內部電場。電場被部份阻斷時，電子與電洞以更高的能量互相結合，使放射光偏向藍光。這些問題正是綠光雷射二極體與高效率綠光LED 10多年來一直只是夢想的主因（演講時常見的綠光雷射筆，是使用半導體雷射裝置發射出紅外光，再透過複雜且效率低落的倍頻技術推動另一組雷射裝置）。
為了避開這些問題，加州大學聖巴巴拉分校和羅姆公司率先開發新技術。他們使用沿大塊晶體m平面切割，再加以拋光，得到純粹結晶氮化鎵薄片。使用這種所謂非極性基板製造的雷射二極體，由極化和內部應力所造成的擾人電場會減少許多，不會有傳統極性c平面雷射裝置的問題。
以氮化鎵製造的二極體發光效率也高於以藍寶石製造的二極體，因為其晶格缺陷（也就是各層之間的微小不規則和錯位現象）少得多。晶格缺陷會使電子與電洞結合時產生不需要的熱，而不會產生光，在二極體製造過程中，這類缺陷很容易在各層內向上擴散（這種現象稱為「螺紋狀差排缺陷」），到達作用層。日亞化學和索尼剛開始生產藍光雷射二極體時，這類缺陷對生產良率造成很大的影響。由於氮化鎵基板和上一層氮化鎵或合金其他成份之間產生的錯位比藍寶石少得多，因此以非極性氮化鎵製作的二極體發出的光更多，所散發的熱也隨之較少。
這項非極性技術於1990年代末首次提出，2000年開始有數個團隊著手嘗試，其中包括加州大學聖巴巴拉分校的丹巴爾斯和史派克，最初製作的裝置表現平平，主要是因為缺乏高品質的氮化鎵基板。不過到了2006年，日本東京的三菱化學（也是加州大學聖巴巴拉分校的合作夥伴），開始供應低缺陷m 平面的氮化鎵基板給羅姆公司和聖巴巴拉分校研究團隊，這種基板的邊長不到一公分，是由大小和橡皮擦相仿的氮化鎵晶體切割而成。
取得新材料之後，羅姆和聖巴巴拉分校於2006年底製作出效率高出許多的LED，2007年初，兩個團隊開始製作難度更高的雷射二極體。1 月27日這個下雨的星期六早晨，聖巴巴拉分校研究生施密特（Matthew Schmidt）到實驗室完成最後一個製作步驟，隨後他將二極體拿到附近的測試實驗室，接上電源供應器。當他提高通過二極體的電流時，二極體突然射出一道藍紫色光。
【完整內容請見《科學人》2009年第87期5月號；訂閱科學人紙本雜誌】
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