除了雷射照明,「諾獎得主」中村修二還在關注什麼?

 
 
因改造有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)機台為雙流式,創造了高效率藍色發光二極體,改變了照明及輕薄顯示器的未來,而被讚譽為「藍光之父」的諾貝爾物理學獎得主中村修二博士,於2017年2月份前往台灣中央研究院演講,以「The Invention of High Efficient Blue LEDs and Future Solid State Lighting」為題。
 
演說中,中村教授表示持續在研究如何製造更高演色性及更高外部量子效率(EQE)的發光二極體,提高演色性,可以提升照明應用或是顯示器的顏色表現;而更高的外部量子效率,可以提升器件的發光效率。當然意料之中的,中村教授也談了一些有關雷射照明的優勢,這個我們後面再提。

 
先回顧一下藍光的歷史,時間來到1980年代,當時對於藍光器件有兩種材料選擇,一種是ZnSe;另一種就是GaN,從Cross section TEM可以觀察到在ZnSe做成長時有好的品質,因為在GaN/Sapphire可以看到有一條一條黑色的線就是在半導體器件中常談論的缺陷,他是影響器件效率很大的凶手之一。在1989年代時,ZnSe on GaAs substrate具有高品質的結晶特性,同時有超過99%的研究者從事相關的研究工作,中村教授偏偏選擇了少於1%的人關注的GaN on Sapphire substrates,當時許多人都說GaN沒有未來,紛紛改投ZnSe的懷抱,中村的選擇可說是「背道而馳」。
 
遙想筆者唸書當年,曾經帶著實驗室的孩子做實驗,其中一個課題就是研究利用MOCVD成長出來的ZnSe QW及ZnSe QD半導體器件的基礎物理特性,真心不騙,大夥兒在做PL實驗時,對光路還要刻意不將光對入到偵測器當中,避免偵測器超過可接收的強度,這是多麼奢侈的包袱啊!由此可知為何ZnSe能吸引主流的目光。


至於之後中村修二如何離經叛道,用GaN逆轉勝,就是大家耳熟能詳的故事了。
 
演講的內容也談到許多人擔心的藍害,雖然筆者會說這只是「一個人能接受多少量」的簡單問題,但中村修二這次沒有忽視主流的聲音,在加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的團隊從事開發Blue-free的LED,用來解決藍害的問題,演講中中村表示主要是將主發光層移到UV的區段,一般LED是成長在藍寶石基板(有些公司研發的技術是利用SiC基板與Si基板),然而為了減少晶格不匹配而產生的應力效應會造成內部量子效率或外部量子效率的下降,中村的研發團隊則專心研究使用GaN基板,用以提升晶格匹配程度,其結晶品質相較於Sapphire或SiC基板都要來得高。
 
而中村修二成立公司Soraa, 亦往UV-LED的方向走,為了做到這一點,他們將GaN LED的發光峰值設計在在410nm~420nm之間的紫光,並搭配多磷光體混合物,使整個白光光譜覆蓋至700nm,這表示整個白光的頻譜將涵蓋人眼可視波長範圍(一般來說,人眼可是範圍約為400nm~700nm),從紫光(400nm)到深紅色(700nm)連續且完整,這樣的好處是,使用者可以看到較為真實的白色。
在演講中,中村教授也提到,用LED當作白光是很棒的,但是若用雷射則是更棒的一個想法,因為現行的LED結構若要發光60W的白幟燈,用現行的LED排列需要約28平方毫米的面積,而目前他們研究的產品雷射產品若要發光60W的白幟燈則需要大約0.3平方毫米的面積,面積是大幅的縮小。
 
同時若使用雷射器件後在增加電流密度後,外部量子效率竟然不會下降太多啊!這是多麼厲害的一件事啊(這邊推薦大家去閱讀世界第一簡單的半導體原理 老葉科普堂(五)),因為從半導體器件物理可以知道LED或LD在增加電流密度後,雖然會越來越亮,但是會造成發光峰值紅移及外部量子效率下降,這是因為受到晶格震盪的熱效應而造成的下降,因此在平板顯示或是照明的用途會更多元。


演講中,無線光通訊技術「Li-Fi」也是中村修二看重的技術,Li-Fi是使用發光二極體器件或雷射器件作為資料傳輸的來源。因此想像一件事,燈具就是通訊的基地台,將訊號投射到各處和橋接訊號,讓電腦、家電、手機等上網。中村修二也提及若使用發光二極體器件的Li-Fi,將會比Wi-Fi傳輸資料快上10倍以上,而雷射器件的Li-Fi更快。不過筆者就想到了,如果下班關燈,那就沒有網路啦!所以時間到就不能辦公。
 
 
在演講結束後中村教授提及,在平板顯示科技應用上,LED跟OLED還是可以保持競爭的,並特別提及u-LED是可能的技術方向。
 
 
來源:行家說APP
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