高亮蓝光LED开发故事之一不堪回首的开发期Word文档格式.docx
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(注1:
日亚化学工业是总部位于日本德岛县阿南市的化
学品厂商。
员工数量在1994年4月为640名,销售额在1993年1月~1993年12月为167亿日元。
主要产品为CRT及荧光灯等使用的荧光体材
料,占销售额的8成~9成。
此外还制造化合物半导体材料、真空蒸镀材料、溅射靶材以及液晶面板背照灯等使用的EL(场致发光)灯等。
公司成立于1956年
12月。
在中村1979年进入公司时,销售额约为40亿日元,员工数量约为200名。
)
日亚在一举成为全球闻名的公司是在1993年底(表1)。
这源于该公司开发出了亮度达到1cd的蓝光发光二极管,并成功实施量产。
曾一度被公认“要
到21世纪才能实现”的高亮度蓝色发光二极管由此顺利地进入了实用期(注2)。
(注2:
日本电子机械工业会(EIAJ)电子显示器和电子管业务委员会电子
显示器2000年研究会在1993年7月公布的《电子显示器产业2000年前景调查研究报告》中曾这样描述:
“在可视LED中,蓝光LED被公认为最难实
现高亮度化的产品,而且实际的开发进展也颇为缓慢,为了在2000年达到1cd,业界几乎找遍了一切可能性”。
)表1蓝色发光二极管的开发年表
对于日亚的壮举,该领域的技术人员及研究人员与全世界一样感到震惊。
而更惊奇的是,实现如此壮举的,并非在该领域长期从事研究的海内外知名大学,也非大型电子厂商,而是一家地方城市的化学厂商。
由此,日亚的称呼从“夏季休假的日亚”变成了“蓝光发光二极管的日亚”。
为了孩子选择回乡
几乎全靠一己之力开发成功高亮度蓝色发光二极管的是当年40岁的研究人员中村修二(图1)。
中村1979年从德岛大学研究生院毕业后进入日亚。
专业是电子工程学。
图1:
日亚总部内的蓝色发光二极管显示器展示区。
站在左侧的就是开发成功蓝光发光二极管的中村修二。
学生时代,中村当然向往到东京或大阪等大城市工作。
但到了毕业参加工作时,中村却已经有了孩子。
他在上大学时就结婚了。
“单身的话,可以留在城市闯一闯。
但有了孩子的话,还是到乡下生活的好。
不想因为工作而牺牲家庭”。
正是这种想法最终使中村与日亚结下了不解之缘。
但并不是说中村就没有犹豫过。
实际上,中村也曾到总部位于京都的京瓷面试过。
尽管通过了严格的考试,顺利获得了进入京瓷的机会,但结果中村还是放弃了。
最后,中村选择留在了当地,也就是妻子娘家的所在地德岛市。
日亚是中村的大学导师介绍的。
虽然自己的专业是电子工程学,但中村希望从事材料开发工作,因此导师向他推荐了这家公司。
不过,当中村来到日亚时却颇
感意外。
这只是一家员工仅200人的小型化学公司,到处都有一股刺鼻的硫化氢(H2S)的气味(注3)。
“这家公司怎么这么脏啊!
”,这就是日亚给中村留
下的第一印象。
(注3:
硫化氢的气味类似臭鸡蛋味。
“濒死”的开发课
进入日亚后,中村被分到了开发课。
进入公司后中村发现,这里的员工全部都是阿南附近的人,像他这样来自德岛的还真少见。
而且,中村还是该公司第一个学电子专业的员工。
中村感觉公司是考虑到他学的专业与众不同,所以才把他分配到可以做新业务的开发部门的。
中村最初负责的开发课题是提炼用于化合物半导体GaP(注4)中的金属Ga材料。
虽说是开发课,但其实只是一名课长带着两名开发人员和几个助手的小
部门。
办公场所是由带屋顶的停车场改造的,只是在四周增加了围墙,十分简陋(图2)。
(注4:
GaP(磷化镓)是III-V族化合物半导体的一种。
属于能
带为2.3eV的间接迁移型。
通过电子-空穴的再结合可获得较强的发光现象(主波长为590nm),因此可用作发光二极管的材料。
但波长580
nm~590nm的黄色发光二极管用材料目前大多使用可获得高亮度的GaAsP及In-GaAlP等。
)图2:
开发课原址。
现在用于对废弃物进行化学处理。
气味仍像当年一样刺鼻。
在置物架上,中村曾经用过的石英管还放在那里,只是上面布满了灰尘。
在开始提炼金属Ga的几个月后,营业部门要求除了金属Ga之外还要制造有望畅销的GaP。
当时开发课已经处于垂死状态,甚至开始有传言说“马上就要
撤销了”。
在这种情况下,恐怕也只有启动这一有望形成赚钱的业务了。
公司随即指定中村来负责开发。
当时的开发人员有两名。
一名继续负责金属Ga的提炼,而
另一名,也就是中村,则开始着手开发GaP。
表面上听起来这是“为了开拓新业务而进行的开发课题”,但实际情况仍然严峻。
因为并没有预算。
所以无法购买相关设备。
也买不起昂贵的部件。
结果,只有完全靠自己来制造有关设备(图3)。
图3:
中村自制的电炉
黄昏时分的“爆炸惯犯”要使GaP实现结晶生长,需要使用昂贵的石英管。
操作时,将石英管的一端封上,在管的两端放置金属Ga和P。
然后再封上另一端,对管内进行真空处理。
之后加热石英管,内部的材料就会气化,相互反应便可形成GaP。
最后割开石英管,将反应生成物取出就能获得GaP。
不过,问题是如何处理使用过的石英管。
由于石英管价格昂贵,因此不能用完就扔掉。
至少在日亚不能这样做。
于是,中村决定将切断的石英管重新焊接起来,进行再利用。
从那以后中村就开始没完没了地焊接石英管。
“我进入公司难道就是为了当一个焊工吗?
”,中村不止一次地问自己。
而且最头疼的是爆炸事故频频发生。
对
封有Ga和P的石英管进行高温加热使,管内的压力会上升到20~30个大气压。
这时,只要焊接部位有小小的损伤或是强度不足的话,石英管就会破裂。
早上将材料封到石英管中。
下午开始加热,当温度达到最高时正好是傍晚。
爆炸总是发生在要下班的时候。
巨大的声响往往传遍整个公司。
“又是中村”。
员工们一边调侃着,一边赶紧回家。
上司不理解
而此时此刻,中村在实验室里却正忙着上演一场激烈大战。
逐渐习惯事故频发场面的中村制定出了一套自我保护措施,在自己的桌子与紧靠桌子设置的GaP制造设备之间吊起了金属板。
这样就不用再担心爆炸时被飞散的石英片打中了。
不过,石英管一旦爆炸的话,破裂的石英管碎片就会与加热到高温的P一起飞射出来。
P是也可用作火柴材料的可燃物。
当然会燃烧。
带着火的碎块会向四处飞散。
所以中村要追上去一个个将火灭掉。
事故频发程度事后让中村回想起来都奇怪“竟然平安无事没有出大事故”。
可是长期这样下去的话,身体可吃不消。
怀着这种想法,中村与当时的上司谈了多次。
只要采用对石英管内部进行高压处理的方法,爆炸事故就不会停止。
因
此中村想改用在低压也可制造出GaP的方法。
但是,公司的想法很顽固:
“发生爆炸是焊接得不好,并非方式的问题”,所以没有接受中村的提案。
即便如此,开发还是走上了正轨。
从1981年开始,中村制造的GaP开始销售。
正是由于付出如此之多的努力,当自己制造的产品上市时,中村真是万分
感慨。
GaP的制造开发总算是成功了。
不过,GaP的销售额每月却只有数百万日元。
作为一项业务,并不算是太大的成功。
中村在1982年结束了开发,制造
也交接给了后辈。
中村从GaP的开发中完全撤了出来。
从这一开发过程中,中村学到的是石英的焊接技术、面对爆炸也毫不畏惧的勇气、以及“不能一味服从公司”这一教训。
下一个课题是GaAs结晶生长
从1982年起,中村开始着手与GaAs(注5)结晶生长有关的研究课题。
这次仍然是营业部门提供的信息:
“今后GaAs的增长空间比GaP更
大”。
由于涉及的是新材料,因此新的开发人员也从其他公司跳槽给挖了过来。
中村焕发精神开始开发GaAs的多结晶材料。
(注5:
在III-V族化合物半导
体中,GaAs(砷化鎵)是一种为人所熟知的最普通半导体材料。
能带为1.4eV,属于直接迁移型。
电子迁移率为8800
cm2/Vs,空穴迁移率为420
cm2/Vs,远远高于Si,因此适于用作可高速运行的逻辑电路元等使用的材料。
另外,由于可通过电子-空穴的再结合获得较强的发光(主波长为850
nm),因此还被广泛用作发光二极管及半导体激光器材料。
虽说开发的材料变了,但公司内部的开发环境还是一如既往。
先要制造设备,其次是要焊接石英管。
中村的焊接技术当时已被公认为一把“绝活”,在新的开发中仍然每天都在发挥作用(图4)。
不用说,爆炸事故依旧是频繁发生。
图4:
中村展示以往的焊接“绝活”加热石英棒进行焊接。
即便如此,1983年中村成功开发出了能够形成产品的GaAs多结晶技术。
随后,GaAs单结晶的开发也完成了。
接着,从1985年起,中村又开始
着手研究发光二极管用GaAlAs(注6)膜的结晶生长。
单结晶的生长方法选择的是液相生长(注7)方式。
当然,液相生长的设备也是中村自己制造的(图
5)。
(注6:
GaAlAs(砷铝化镓)是III-V族化合物半导体GaAs和AlAs的混合结晶。
通过改变Ga1-xAlxAs中的x,可使能带从
2.1eV变为1.4eV。
利益于这一特点,GaAlAs被广泛用于红色发光二极管及半导体激光器使用的材料。
)(注7:
在单结晶底板上使单结晶生长被称
为外延生长(EpitaxialGrowth),是制造半导体器件时的重要技术。
液相外延(LPE:
LiquidPhase
Epitaxy)是其中的一种。
这是一种利用经由溶剂的物质移动来实现生长的方法。
当利用液相外延技术使GaAs外延生长时,需要使用Ga等制成的溶剂。
在Ga中添加GaAs后加热至900
℃高温,GaAs就会溶解到Ga中。
在GaAs底板上导入该溶剂,只要慢慢降低温度,即可使溶解率降低,从而在GaAs底板上析出GaAs。
通过精细控制
这一温度下降速度,便可在GaAs上析出单结晶的GaAs。
按照同样的方法,还可在GaAs底板上使GaAlAs单结晶薄膜生长。
)图5:
中村开发的液相沉积设备中村开发的装置目前仍在使用。
当时,从研究、制造到质量管理、直至销售,全部是中村一个人担当的。
中村将研制出来的单结晶推荐给了发光二极管厂商。
但其他竞争公司却拿出了质量更
高的单结晶。
于是,中村经过反复研究,最终实现了质量毫不逊色的产品。
而这时,其他公司在质量上又走在了前面。
无论怎么追都追不上。
而其原因就在于评测速
度过慢。
日亚只销售材料,自己并不制造发光二极管。
因此,在将单结晶制成发光二极管后,全部交由用户进行评测。
而这种方式的话,需要花费1个月才能得到评测结果。
这样,在评测结果出来后再怎么改进,也无法赶上其他公司的开发速度。
押宝发光二极管
“如果不自已制造发光二极管,即使用户说不行也无法反驳”。
中村通过与社长直接谈判,最后终于成功地导入了发光二极的制造设备和评测设备。
而且单结晶的制造人员也得到增加,GaAlAs单结晶的开发由此步入了正轨。
最后,中村顺利完成了开发。
对于该研究课题,中村给自己打了100分。
从制造装置开始,一切工作全部都是自己完成的。
在未从其他公司引进技术的情况下,依靠一已之力确立了GaAlAs单结晶的制造技术。
而且还成功地将其变成了一项业务。
尽管如此,比自己后来公司、接替自己工作的人都一个个升迁,自己却被抛在人后,残酷的现实使得中村萌生退意。
再呆在日亚已没有多大意思了。
获得如此大的成功,自己却并未获得肯定……。
经过反复思考,中村最后得出的结论如下:
即使开发取得成功,产品卖得不好的话,自己就不会受到好评。
不畅销就得不到肯定。
因此要选择开发成功后会形成大业务的课题。
就这样,中村选择了高亮度蓝色发光二极管这项课题。
如果研究成功的话,产品肯定会畅销。
要想研究蓝色发光二极管,就需要不同于GaAlAs的结晶生长技术。
中村决定先学习这一技术。
正当中村这样考虑的时候,求之不得的事情随之而来。
为了掌握结晶成长技术,愿不愿意被公司派往美国?
对此询问,中村充满了期待。
这一非常有吸引力的差事其实却暗藏着一个陷阱。
这是当时中村万万都没有想到的。
(记者:
仲森智博译者:
甘阳)
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- 高亮蓝光 LED 开发 故事 之一 不堪回首