除了激光照明,“蓝光之父”最近在忙什么?

  因改造有机金属化学气相沉积(MOCVD)机台为双流式,创造了高效率蓝色发光二极体,改变了照明及轻薄显示器的未来,而被赞誉为“蓝光之父”的诺贝尔物理学奖得主中村修二博士,于2017年2月份前往台湾中央研究院演讲,以“The Invention of High Efficient Blue LEDs and Future Solid State Lighting”为题,小书僮得知后立刻订了一张火星出发的太空船票前往台湾聆听蓝光教父的风采。



  演说中,中村教授表示持续在研究如何制造更高演色性及更高外部量子效率(EQE)的发光二极体,提高演色性,可以提升照明应用或是显示器的颜色表现;而更高的外部量子效率,可以提升器件的发光效率。当然意料之中的,中村教授也谈了一些有关激光照明的优势,这个我们后面再提。



  先回顾一下蓝光的历史,时间来到1980年代,当时对于蓝光器件有两种材料选择,一种是ZnSe;另一种就是GaN,从Cross section TEM可以观察到在ZnSe做成长时有好的品质,因为在GaN/Sapphire可以看到有一条一条黑色的线就是在半导体器件中常谈论的缺陷,他是影响器件效率很大的凶手之一。在1989年代时,ZnSe on GaAs substrate具有高品质的结晶特性,同时有超过99%的研究者从事相关的研究工作,中村教授偏偏选择了少于1%的人关注的GaN on Sapphire substrates,当时许多人都说GaN没有未来,纷纷改投ZnSe的怀抱,中村的选择可说是“背道而驰”。


  遥想小书僮念书当年,曾经带着实验室的孩子做实验,其中一个课题就是研究利用MOCVD成长出来的ZnSe QW及ZnSe QD半导体器件的基础物理特性,真心不骗,大伙儿在做PL实验时,对光路还要刻意不将光对入到侦测器当中,避免侦测器超过可接收的强度,这是多么奢侈的包袱啊!由此可知为何ZnSe能吸引主流的目光。



  至于之后中村修二如何离经叛道,用GaN逆转胜,就是大家耳熟能详的故事了。


  演讲的内容也谈到许多人担心的蓝害,虽然小书僮会说这只是“一个人能接受多少量”的简单问题,但中村修二这次没有忽视主流的声音,在加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的团队从事开发Blue-free的LED,用来解决蓝害的问题,演讲中中村表示主要是将主发光层移到UV的区段,一般LED是成长在蓝宝石基板(有些公司研发的技术是利用SiC基板与Si基板),然而为了减少晶格不匹配而产生的应力效应会造成内部量子效率或外部量子效率的下降,中村的研发团队则专心研究使用GaN基板,用以提升晶格匹配程度,其结晶品质相较于Sapphire或SiC基板都要来得高。


  而中村修二成立公司Soraa, 亦往UV-LED的方向走,为了做到这一点,他们将GaN LED的发光峰值设计在在410nm~420nm之间的紫光,并搭配多磷光体混合物,使整个白光光谱覆盖至700nm,这表示整个白光的频谱将涵盖人眼可视波长范围(一般来说,人眼可是范围约为400nm~700nm),从紫光(400nm)到深红色(700nm)连续且完整,这样的好处是,使用者可以看到较为真实的白色。





  在演讲中,中村教授也提到,用LED当作白光是很棒的,但是若用激光则是更棒的一个想法,因为现行的LED结构若要发光60W的白帜灯,用现行的LED排列需要约28mm^2的面积,而目前他们研究的产品激光产品若要发光60W的白帜灯则需要大约0.3mm^2的面积,面积是大幅的缩小。


  同时若使用激光器件后在增加电流密度后,外部量子效率竟然不会下降太多啊!这是多么厉害的一件事啊(这边推荐大家去阅读世界第一简单的半导体原理 老叶科普堂(五)),因为从半导体器件物理可以知道LED或LD在增加电流密度后,虽然会越来越亮,但是会造成发光峰值红移及外部量子效率下降,这是因为受到晶格震荡的热效应而造成的下降,因此在平板显示或是照明的用途会更多元。



  演讲中,无线光通讯技术“Li-Fi”也是中村修二看重的技术,Li-Fi是使用发光二极体器件或激光器件作为资料传输的来源。因此想像一件事,灯具就是通讯的基地台,将讯号投射到各处和桥接讯号,让电脑、家电、手机等上网。中村修二也提及若使用发光二极体器件的Li-Fi,将会比Wi-Fi传输资料快上10倍以上,而激光器件的Li-Fi更快。不过小书僮就想到了,如果下班关灯,那就没有网路啦!所以时间到就不能办公。



  在演讲结束后中村教授提及,在平板显示科技应用上,LED跟OLED还是可以保持竞争的,并特别提及u-LED是可能的技术方向,至于u-LED的未来,小书僮就交接给囧史诺了。


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