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產品知識  Product Knowledge

燈的第三次革命:半導體

沒有熱的光

古代人最初使用的光,既是「火」也是「爐」更是「灶」,使用上非常的不方便又不經濟;想要用光就要同時使用爐,即使是在大熱天;而且又很難拿捏需要使用的木材量。有好幾千年的時間,人類就這樣含混的使用著,日子也過去了。

當電燈泡問市時,科學家一度認為要想得到光,就必須先將物質加熱到呈現白熱化,這時候光就會伴隨著熱而出現;將任何物質加熱之後才能得到光,這是20世紀結束前的科學認知。但是白熱化的物質,除了放出看得見的光,也同時放出看不見的熱,而且放出熱的能量比放出光的能量還要多出許多。

也許會有人覺得,設法除掉這些放出來的熱真的有這麼重要嗎?重要性倒是其次,可以確定的是放出來的熱對我們沒有任何用處;而且我們買電燈泡回來也只是要取得它所發出來的光而已,又為何要承擔電燈泡發出來的熱而產生的額外電費支出呢?以白熾燈泡來說,有90%的用電量都轉變成沒有用處的熱,如果在得到光的同時又能減少90%由電費轉變成的發熱量,身為讀者的您還會認為不重要嗎?

雖然電燈泡問市之後科學家仍一直在「沒有熱的光」這個議題有不少的研究貢獻,但是都沒辦法像燈泡與燈管那樣的實用化與商業化。把光和熱分開來確實不是一件容易的事;因此,科學家們領悟到有必要在得到光的科學理論及做法上進行革命了,也就是不要再依靠「將物體加熱」這種方式來發光,改用其它方法來取得光。

1962年,發光二極體登場了,也進入另一場光的變革期。

發光二極體(Light-Emitting Diode簡稱:LED)

發光二極體是一種「半導體」元件,半導體就是介於「導體」和「絕緣體」之間的一種物質,並且可以透過人為的控制來讓這種元件成為導體或絕緣體。「導體」就是電流容易通過的物質,譬如:金屬、電線等;「絕緣體」則是電流無法通過的物質,也稱「非導體」,譬如:木材、石材、塑膠等。發光二極體的發光原理與過去的電燈泡及螢光燈都截然不同,發光二極體不是將電轉換成熱來取得光,而是將電直接轉換為光,理論上的轉換效率就要比白熾燈泡高出非常多。

LED發光原理

市面上有許多紅色、橘色、黃色的發光二極體,都是二極體裡面容易被開發出來的光色,很早就已經商品化。1960年代,美國開發出紅色發光二極體時也震驚了產業界;到了1974年,綠光也被研發成功並問世;接下來就剩下波長更短的藍光與紫光了。在1993年以前,要開發藍光與紫光這兩種顏色幾乎被視為不可能的任務,因為全球的研發機構和大型企業無不砸下巨資競相開發,卻都徒勞無功,無法將其商品化;因此,半導體界普遍認為在二十世紀內是不可能辦到,藍光或許就是發光二極體的極限。

陸續開發問市的發光二極體產品種類,獨缺藍色光

為何藍色光對發光二極體的開發如此至關重要呢?
全世界為什麼迫切想突破這道難關,競相企圖領先開發這項產品呢?
藍光二極體到底可以用來做什麼呢?
既然紅光的二極體已經研發出來,為何還要執著於研發藍光的二極體呢?
若能讓紅光二極體足夠明亮,只要加以應用紅色光不就足夠了,何必繼續發展藍光呢?

當然不夠。藍光二極體有一個很重要的作用,就是可以調合紅色光跟綠色光,搭配出白色光的二極體;因為既有的紅光和綠光,若能再研發出藍光的話,就能應用這三種「色光三原色(紅、綠、藍)」組合出任何眼睛看的到的顏色出來,當然也包含白色光;發光二極體的應用就可以往更多產業延伸出去,讓大且薄型的全彩顯示器不再是科幻小說的情節。除此之外,發光二極體還能明顯延長發光體的使用壽命,使用壽命至少可達三至五萬小時以上。

1970年代中開始,全世界都紛紛投入藍光二極體的研發中。當時,只有碳化矽、硒化鋅、氮化鎵這三種材料被用在藍光二極體的研發上;其中,碳化矽雖然能發出藍色光芒,但僅能發出昏暗的藍光,所以發展性受到質疑,多數研究者都是以硒化鋅及氮化鎵這兩種材料進行研發。但是氮化鎵又有難以形成晶體的嚴重缺陷;所以,多數大型企業與研究單位在氮化鎵上嘗到失敗之後都改選用硒化鋅做為藍光二極體的研究材料並投入開發之中。

但還是有三位研究人員沒失去信心。其中兩位分別是一位日本大學生「天野浩」和他年過半百的老師「赤崎勇」教授。赤崎勇當時在企業中做研究,氮化鎵已經不是藍光LED研究的焦點,很多人勸他不要再做這方面研究了,赤崎勇只好把研究轉到了名古屋大學。1982年,天野浩本科畢業後進入到赤崎勇工作室,開始接觸藍光LED的研發工作。在一個冷門的材料上投入,沒有經費也不被看好,這條研究之路在開始之初就註定崎嶇;但是天野浩卻不在意,反而是一頭栽進了艱苦的研究中,因為當時的天野浩覺得說:「在這個方向上面到現在沒什麼人和我競爭,也才能讓我專心做研究;如果藍光二極體可以成功,就可以製造出嶄新的全彩顯示器,這是一件可以改變世界的大事」。天野浩最初也只是抱著造福世界的想法;於是,天野浩進入赤崎勇工作室以後,和其他學生一起跟著赤崎勇教授投入氮化鎵的研究工作。

當時研究經費非常困難,他們需要的實驗裝置價格大概在一億日元,但工作室經費只有日幣270萬~310萬元。為了正常的展開研究,學生們一起商量自己做實驗裝置,採用各種土法練鋼的方式來克服困難。天野浩本科三年、碩士兩年都投入在氮化鎵的研究上,但完全沒看到成功希望。當時家人也並不支持他死抱著這項研究,只好忍痛停掉了他的學費,好在天野浩獲得獎學金,才可以繼續博士課程。在碩士最後一年,天野浩在一次討論中受到一位老師的啟發,想到了製作藍光晶體的新方法;1986年,實驗證明這種方法可以做成品質很高的氮化鎵結晶,這種方法被視為藍光二極體發明的突破性技術之一。此後,天野浩攻讀博士期間,1989年,赤崎勇工作室又取得能夠讓發光量增強的突破性進展。

另一位則是位於日本德島縣的日亞化學公司(Nichia),一位研究員名叫「中村修二」,他選擇使用氮化鎵來做為研究的材料的理由則是因為當時的日亞化學是一間沒有名氣的鄉下小公司,由於先前曾經替公司開發出性能優於知名大企業的紅色發光二極體,卻因為公司是一間沒有知名度的小公司,導致產品不被大多數客戶採納;因此,嘗過這種苦頭,中村修二很明白,若他跟著大企業的選擇也採用硒化鋅來進行研究,即便研發成功,也會因為公司知名度不高而導致產品無法銷售;因此,中村修二下定決心採用成功機率接近零的氮化鎵來投入研發,只有這樣才有機會讓日亞化學的商品獨步全球。

中村修二憑藉其過往從廢棄零件裡頭取材並親手打造實驗設備的經驗,任何實驗項目都親自試驗,除了涉獵相關文獻和論文之外, 為了避免被限制在即有文獻的框架中,也會自己動手改造實驗裝置,試圖完全掌握實驗的每個環節,發現問題立刻補救缺失,將觀察到的失敗情況再予以自行改良裝置,從失敗中去修正MOCVD裝置(有機金屬化學氣相沉積法Metal Organic Chemical Vapor),並將修正後的裝置取名為「雙氣流MOCVD設備(Two Flow MOCVD)」;最後終於順利讓氮化鎵結成晶體。1991年8月,中村修二測試出來的半導體「電洞遷移率」實驗數據為500,當時的世界最高記錄是 300;同年底,又開發出能夠大量生產氮化鎵p型半導體的方法。p型半導體在過去是非常難製作,這也是世界上的研究人員對氮化鎵敬而遠之的理由。


雙氣流概念圖示

這時候,中村修二應邀出席應用物理學會在日本召開的大型會議時,或許是當時硒化鋅已成功製造出青藍光雷射的緣故,使得參加者擠爆硒化鋅的發表會場,500人的大型會議室都還擠到滿出來並延伸到走廊上;而中村修二主持的氮化鎵發表會場是在約40人的會議室,卻只有三位聽眾,可說是相當淒涼的發表會,也很快就結束了。中村修二認為此時的氮化鎵二極體發光量還很微弱,無法跟當時採用硒化鋅研發出來的藍光二極體的發光量相比,因為他心裡很清楚,若是將微弱發光亮的藍光二極體倉促上市,很可能馬上就被大企業給追趕過去,這是處在沒有名氣小公司裡十年來的椎心之痛。不過中村修二認為氮化鎵有耐高溫跟長壽命的優點,還是有機會贏過硒化鋅。這時候,中村修二注意到了赤崎勇工作室開發出能夠增加二極體發光量的研究成果,並在他們的基礎上,把開發重點放在能夠提高發光亮度的「雙異質結構(Double Hetero structure)」的研究上繼續反覆做著實驗。

1993 年11月,中村修二終於做出讓自己滿意的高亮度藍光二極體,比起過去的實驗品還要明亮百倍的新產品,而且不輸給紅光二極體的亮度。能夠做為三原色使用的純藍光終於完成了,被認為在二十世紀不可能開發完成的事情竟然被他做到,這一項由鄉下小公司研究員所研發完成的消息也馬上震撼全世界。隔一個月,正式發表藍光二極體的商品,LED在照明和顯示器上的應用終於成為可能。1995年,高亮度綠光二極體也成功商品化,壽命可達到一萬小時,而其它競爭對手只能維持一秒;半年後,足以取代白熾燈泡的白光二極體問市了。這一連串的發明讓日亞化學在市場上獨占鰲頭,申請專利的件數也達到500件之多,員工規模從不到200人發展到超過1,800人,年營業額也達到480億日元。而這一連串的商品陸續問市,也讓世界各國的競爭對手都相當傻眼,因為他們開發的藍光二極體在耐用性與信賴度兩方面,完全比不上日亞化學開發的藍光二極體,各國的研究人員也相繼放棄研究硒化鋅而改研究氮化鎵,現在幾乎沒有人從事硒化鋅的研究,所有企業也都放棄硒化鋅的研究。這是在先前由中村修二主持的那場淒涼的氮化鎵發表會所無法想像的榮景。

這些開創性的成果證明中村修二沒有模仿他人,而是在當時的日亞化學這樣的小公司裡,所有事情都必須自己親自動手下工夫,透過不斷實驗並深入思考結果,涉獵相關文獻也要避免被侷限在文獻當中,利用它長久累積的實務經驗與實驗精神。如今的中村修二回憶起這段開發過程,將他成功的關鍵分享出來,他說:「在研發產品的路上,極需要挑戰的精神,更要有做傻事的決心;這個社會經常看不起跳脫常識的事情,但這才是發明神奇產品的第一步呀!因為在常識裡頭是沒有發明家表演的舞臺,超越常識之處若潛藏翻轉世界的大轉機,就算周遭人們都認為可能性極低,也要沒常識地賭上熱情。因為在常識裡既沒有大契機也沒有大商機。」

諾貝爾獎頒發有一定程度的延遲性,一項研究成果要經過時間證明其價值才會得到諾貝爾獎的肯定。直到藍光二極體被做成一種新型態節能商品,並開始被大規模使用之後,也就是在藍光二極體發明後第21年的2014年,赤崎勇、天野浩、中村修二因為在藍光二極體上作出的相關貢獻而得到了諾貝爾物理學獎的肯定。

2014年諾貝爾物理學獎得主

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