【會後報導】中村修二教授主講「嶄新光明大道」

11705479_10153596173544246_2254187826924499299_o撰文|陳姿穎 審訂|陳勁豪

「在台北鬧區的夜晚,閃爍的廣告看板跑著特價的消息,開著大燈的車子從身旁駛過,回到家,開燈點亮一室的光明, 邊看著60吋LED電視中的節目邊吃著晚餐,逐漸洗脫整天疲憊。」

以上場景日復一日地發生在你我身邊。在白光LED (light emitting diode)普及到日常生活前,雖然一樣是「燈火通明」,但發光的方式與效率卻截然不同。這一切的巨大改變都要歸功於三位研究者:赤崎勇、天野浩與中村修二的努力。他們三位在1980年代發明了藍光二極體(Blue LED),為光的三原色,也就是紅色、綠色與藍色,補上了最後一塊拼圖,使得白光LED能在黑暗中大放光明。因此他們在2014年以發明藍光LED獲得諾貝爾物理學獎。這次臺大邀請中村修二教授以親身參與的第一手經驗,來介紹藍光二極體的發展史,並與聽眾分享他的獨特經驗。

2014年的三位日本籍諾貝爾物理學獎得主,赤崎勇與天野浩是製造出P型氮化鎵(GaN)磊晶體的關鍵人物。而中村修二立足於赤崎勇與天野浩等人的研究,提出正確的理論解釋並利用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition)長成高品質氮化鎵銦(InGaN)晶體,使藍光LED能夠用較簡單的方式發光,大幅提高藍光LED的實用性,中村修二也因此被譽為「藍光之父」。

人類電燈的演進,從二十世紀的白熾燈、日光燈到二十一世紀的白光LED燈,發光方式有著飛越性的改變。LED,或是發光二極體,發光的原理是利用半導體材料中,電子和電洞在發光層(emitting layer)結合而產生單色光。改變發光層的材料則可以產生不同顏色的光。由於一個LED元件僅能產生一種顏色的光,所以如果要產生白光,便需要結合不同顏色的光源。最容易產生白光的方式是結合藍光和黃光,但是要產生最高品質的白光,則是需要結合光的三原色,也就是紅光、綠光與藍光藍。自從藍光LED發明之後,藍光LED的發光效率逐漸提昇,也連帶使白光LED的效能持續提高,亮度目前已可達300lm/W,約是一般白熾燈的二十倍、日光燈管的四倍。若廣泛地使用發光效率良好的白光LED為照明設備,根據估計,在2030年時可以省下46%的電力,從2010到2030年約可省下2500億美元,並可減少1億8500萬噸的二氧化碳排放量。有些偏遠地區利用燃燒的方法照明,不但危險,而且成本相當高,每年的照明成本高達150美金。如果把LED燈泡太陽能板跟電池整合在一起,不但安全耐用,而且可以大幅降低照明成本至一年僅3美元,將可為全世界15億偏遠地區的人口帶來照明希望。

中村先生認為LED的發展可以分為三個階段:

  1. 異質磊晶(Hetero-epitaxial growth)時期──第一階段LED:磊晶長在碳化矽(SiC)基板、矽(Si)基板和藍寶石 (Al2O3,sapphire) 基板
  2. 同質磊晶 (Homo-epitaxial growth) 時期──第二階段LED:磊晶長在氮化鎵(GaN)基板時期
  3. 雷射二極體 (Solid-state Laser, SSL)時期──第三階段SSL:利用氮化鎵基板的雷射二極體

早在1960年代,就有人提出硒化鋅(ZnSe)和氮化鎵( GaN)是實現藍光LED的可能方法,當時的主流方法是把硒化鋅晶體長在砷化鎵(GaAs)基板上,品質較氮化鎵良好。當時氮化鎵的瓶頸在於當時的技術無法在藍寶石基板上長出高品質的氮化鎵磊晶。在1990年間,赤崎勇與天野浩以低溫緩衝層技術製作出高品質氮化鎵磊晶,並以注入脈衝電流的方式首度觀察到元件受激發後的光現象;接著中村利用「Two-flow雙流式有機金屬化學氣相沉積(two-flow MOCVD)」的磊晶技術,成功長出高品質的銦氮化鎵(InGaN)單晶。1994年,又研發出在InGaN藍光LED晶粒上塗上螢光活性物質,藉由活性物質吸收部分或全部藍光(波長460nm)以產生黃光(波長555nm)。由於黃光是藍光的互補色,所以黃光可和藍光產生白光,成為製造白光LED的另外一種方法。

中村先生除了發明高亮度藍光二極體外,亦是青紫色雷射二極體的發明者。雷射二極體又名半導體雷射,是指利用二極體(diode)做成的雷射,其原理是原子內部的電子在不同能階狀態躍遷,躍遷的過程會伴隨著光的吸收和輻射。根據不同的材質,雷射二極體可以放出不同波長的光子,藍光雷射的主要材質即是氮化鎵銦。雷射二極體的消耗功率小,且輸入電流與輸出光功率為線性關係,因此可藉由改變輸入電流來控制輸出光的強度,降低調製器的成本。除此之外,雷射二極體亦有體積輕巧、使用壽命長、經濟效益高等優點。中村先生認為未來所有的照明元件都將在氮化鎵基板上,使得雷射二極體成為照明革命發展的第三階段,也將是未來照明世界的主流。

中村先生回想起開發藍光LED的過程時表示:「我從未想過我會用氮化鎵發明藍光LED。」他在攻讀博士班時,因為希望發表更多的學術成果,因此選擇較少人涉足的藍光二極體作為研究領域,在經過許多努力後,才有了現在的成功。他強調:「No risks, no rewards」。他認為成功的要素,要先有勇於冒險犯難的精神,加上思考上的創意與彈性,具備良好的溝通能力,並與具有多樣性風格的團隊合作。個人必須要能自由思考,與別人想的不一樣。具備上述條件後,就不斷地認真嘗試。他以自身經驗分享美日教育上的差異,從小日本學生便很用功讀書、準備各級學校的入學考試,以便能考上好學校並進入好公司,而美國人從小就有多元化科目的學習,如:程式語言、商業課程等實用性的科目,也有較多機會能學到發表與旁人溝通的技巧,因此能持續地發展個人特質。在如此差異下,日本教育下的學生喪失了在複雜社會的「生存技能」。他認為過度強調禮節與規範的日本教育,限縮了日本學生的思考與冒險精神,使大家只願意走安全的路,不願意與別人不同。求職只想進大公司走安穩的生活,政府在政策上對於大公司也有著較多的支持,更助長了日本人不敢創新的情形。

中村修二教授有別於傳統日本學者的印象,顯得隨興許多。立著他隨意地站在講台上,開著西裝外套的扣子,少了領帶拘束、甚至還立起了襯衫的領子講到有趣之處,語調提高,語速加快,一個多小時的演講與座談,除了經驗傳承,也使聽眾初窺諾貝爾獎得主的思維與創新。

 

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