在2007年1月一個下雨的星期六早上，加州大學聖巴巴拉分校校長亨利·楊接到了一個緊急電話。他突然從會議中告退，抓起外套和雨傘，匆匆穿過狂風呼嘯的加州大學聖巴巴拉分校校園，趕往固態照明和顯示中心。該研究小組包括我們中的一位（中村），他剛剛因創造了發出明亮藍光的首批發光二極體（LED）而獲得了千禧年技術獎。自從十多年前的這項突破以來，中村繼續了他對固態（半導體）照明的開創性研究，開發了綠色LED和藍色雷射二極體，這些二極體現在是現代藍光光碟播放器的核心。
當楊校長大約10分鐘後到達中心時，人們正在一個小型的測試實驗室裡走動。“中村剛到，穿著他的皮夾克站在那裡提問，”他回憶說。中村的同事史蒂文·丹巴爾斯和詹姆斯·C·斯佩克正在與幾名研究生和博士後研究人員交談，他們輪流看著顯微鏡。他們為楊校長讓開路，楊校長湊近目鏡，目睹了從一塊玻璃狀氮化鎵（GaN）晶片中發出的耀眼的藍紫色閃光。
幾天之內，京都羅姆公司的另一組研究人員，加州大學聖巴巴拉分校中心的合作伙伴，使用類似的材料複製了這一壯舉。儘管藍色雷射二極體本身並不具有革命性[參見羅伯特·L·岡瑟和阿託·V·努爾米科的《藍光雷射CD技術》；《大眾科學》，1996年7月]，但日亞化學工業株式會社（總部位於日本德島，中村於2000年之前在那裡工作）、索尼和其他公司仍在努力為藍光光碟市場生產廉價的GaN雷射器件。這些二極體以前是使用一種具有頑固侷限性的方法制造的，這種方法降低了製造良率並提高了二極體成本。
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來自加州大學聖巴巴拉分校和羅姆公司的研究小組正在開發一種新的方法來生長構成雷射二極體的氮化鎵及相關合金的晶體層。該方法早期的成功不僅有望提高良率，而且還為更大的回報帶來了希望：堅固、緊湊的GaN二極體，可以發出綠色雷射——這是科學家和工程師長期以來夢寐以求的目標。該技術還應帶來比現有器件發光效率更高的綠色LED。
這些成就將填補可見光譜中的巨大空白，進化使我們的眼睛對該光譜最敏感，從而彌合了全綵色雷射投影和顯示所需的紅-綠-藍三原色中的“綠色缺口”。它們應有助於加速電視和電影院雷射投影儀的推出，這些投影儀將顯示比其他系統更豐富的色彩，以及用於手機等裝置的微型手持“微型投影儀”。高功率綠色二極體甚至可以應用於DNA測序、工業過程控制和水下通訊等各種應用。
新角度 實現明亮的藍色固態照明的關鍵進展是20世紀90年代中期轉換為由氮化鎵及其合金製成的LED和雷射二極體[有關中村的簡介，請參見格倫·佐佩特的《藍籌股》；《大眾科學》，2000年8月]。在此之前，大多數研究人員都將精力集中在硒化鋅及相關化合物上。在新方法中，在兩層GaN之間夾有一層極其光滑、奈米級薄的氮化銦鎵（InGaN），形成所謂的異質結構或量子阱[要檢視相關側邊欄，請購買數字版]。
透過施加合適的電壓，研究人員建立了垂直於這些層的電場，該電場驅動電子和空穴（帶正電的準粒子，對應於電子的缺失）在InGaN有源層內聚集。在這個狹窄的溝槽內，電子和空穴複合，相互湮滅，併產生光子，光子的能量由有源半導體材料的特性精確決定。透過增加合金中銦的濃度，可以降低這種能量，從而增加光的波長，並將其顏色從紫色變為藍色再變為綠色。
在LED中，光子幾乎立即離開量子阱，可能反彈一兩次，然後離開器件或被其他層吸收。但在產生相干光的雷射二極體中，光子主要被限制在溝槽內。通常在溝槽兩端拋光的晶體表面形成的兩面高反射鏡在內部來回迴圈光子，進一步刺激電子-空穴複合。這種“受激發射”過程產生的雷射束是顏色極其純正的細束光。
為了製造傳統的GaN二極體，工人將一片薄薄的藍寶石晶片（或越來越多的氮化鎵）放入反應室中。在那裡，熱氣體會將連續的鎵、銦和氮原子層沉積在該襯底上，每種元素的精確比例因層而異。這些層中的原子會自動與現有的晶體結構對齊，這是由襯底預先確定的。原子逐原子地，這些層與所謂的襯底c面平行生長，該c面垂直於晶體的六方對稱軸[要檢視相關側邊欄，請購買數字版]。
不幸的是，帶正電的鎵或銦離子和帶負電的氮離子連續層之間的靜電力和內應力會產生垂直於c面的強電場。這些電場可以達到每微米100伏特，相當於平均身高的人身上近2億伏特，從而抵消了施加的外部電壓。它們將電子從空穴中拉開，使它們更難複合併產生光。實際上，電子堆積在長量子舞廳的一側，而空穴堆積在另一側，兩者都不願意跨越並相遇。
被稱為量子限制斯塔克效應，當發射光的顏色從紫色變為藍色再變為綠色時，這個惱人的問題變得尤為突出。並且隨著透過二極體的電流增加，更多的載流子會部分阻擋使電子和空穴分離的內部電場。隨著這些電場被部分遮蔽，電子和空穴然後在更高的能量下複合，將光線向光譜的藍色端移動。這些問題是綠色雷射二極體和高效綠色LED十多年來一直只是夢想的主要原因。（講師常用的綠色雷射筆具有發射紅外輻射的半導體雷射器，並在複雜的、低效的倍頻方案中泵浦另一種雷射器。）
加州大學聖巴巴拉分校和羅姆公司研究小組開創的方法試圖透過從一塊薄薄的純淨晶體GaN晶片開始來規避這些問題，該晶片沿較大晶體的m面切割[要檢視相關側邊欄，請購買數字版]，然後進行拋光。在這些所謂的非極性襯底上製造的二極體不會遇到傳統極性c面器件的問題，因為由極化和內部應力引起的麻煩電場要低得多。
在GaN上生長的二極體也比在藍寶石上生長的二極體更有效地產生光，因為它們受到的晶體缺陷（亞微觀不規則性和連續層之間介面的不匹配）要少得多。這些缺陷充當電子和空穴複合產生不必要的熱量而不是光的中心。它們很容易在生長過程中向上傳播到連續的二極體層（在所謂的螺紋位錯中），併到達有源層。當日亞和索尼首次嘗試製造藍色雷射二極體時，這些缺陷的存在嚴重影響了生產良率。由於GaN襯底與下一層GaN或其合金產生的失配遠不如藍寶石，因此在非極性GaN襯底上生長的二極體可以產生更多的光，並相應地減少需要散發的熱量。
非極性技術最初在20世紀90年代後期被提出，從2000年開始，包括加州大學聖巴巴拉分校的丹巴爾斯和斯佩克在內的幾個研究小組嘗試了該技術。早期的器件效能平平，主要是由於缺乏高質量的GaN襯底。然而，2006年，東京三菱化學株式會社（加州大學聖巴巴拉分校中心的另一合作伙伴）開始向羅姆公司和加州大學聖巴巴拉分校研究小組提供優質、低缺陷的m面GaN襯底。這些襯底的邊長不到一釐米，是從鉛筆橡皮擦大小的小型GaN晶體上切割下來的。
有了新材料，羅姆公司和加州大學聖巴巴拉分校在2006年末製造出了效率更高的LED，到2007年初，這些研究小組開始嘗試製造更具挑戰性的雷射二極體。在1月27日那個下雨的星期六早上，加州大學聖巴巴拉分校的研究生馬修·施密特來到實驗室完成最後的製造步驟。然後，他將二極體拿到附近的測試實驗室，並將其連線到電源。突然，當他加大流過二極體的電流時，一道狹窄的藍紫色光束從中射出。
“哇！”施密特心想。“我終於可以畢業了！”
他打電話給他的論文導師丹巴爾斯，丹巴爾斯起初以為他在開玩笑，但很快就通知了研究小組的其他成員和校長楊。他們幾分鐘之內趕到，觀察了令人驚訝的結果。第一個非極性GaN雷射二極體的工作波長為405奈米（nm），幾天後羅姆公司的第一個器件也是如此。並且流過這些二極體的電流僅為當時日亞和索尼製造的商用器件所實現電流的兩到三倍，這表明任何發熱問題都是可控的。
走向綠色
在那次突破之後，加州大學聖巴巴拉分校的研究小組決定放棄大部分極性二極體的工作，轉而專注於非極性二極體。它還開始研究一種基於“半極性”GaN襯底的相關策略，這些襯底是從與晶體主軸成約45度角切割的晶片[要檢視相關側邊欄，請購買數字版]。在半極性襯底上製造的二極體也比極性二極體具有強度低得多的內部電場，儘管沒有非極性二極體那麼低。加州大學聖巴巴拉分校的研究人員希望，這些幾何結構之一將使他們能夠製造出第一個綠色雷射二極體，並製造出波長更長的高功率LED。羅姆公司也在這些領域取得了進展，將其精力集中在非極性襯底上。
然而，新的襯底本身不足以超越藍色。綠色二極體需要向InGaN有源層新增更多的銦，但額外的銦會加劇內部應力並破壞晶體結構。它增加了晶體缺陷的數量，進而降低了光輸出併產生了過多的熱量。雖然LED即使存在額外的缺陷仍然可以工作，但隨著顏色從藍色變為綠色，其效率會直線下降。雷射二極體更加挑剔，無法容忍如此多的缺陷。迄今為止，雷射二極體中實現的最高波長為488奈米，位於光譜的藍綠色（或青色）部分。
InGaN層也必須在明顯較低的溫度下生長（約700攝氏度，而周圍的GaN層為1000攝氏度），以防止銦原子與其他原子分離。這種分離會形成不均勻的銦合金區域或“島嶼”，這反過來又會導致電子-空穴複合能量因點而異。這種變化使發射光譜太寬，無法產生雷射器預期的相干單色光。因此，當工人提高反應器溫度以在剛剛沉積的精細InGaN層頂部生長下一個GaN層時，他們必須格外小心，以免形成過多的這些島嶼。但是，隨著銦濃度的增加，該過程變得越來越困難。
在極性二極體中，問題更加嚴重，其中強烈的內部電場導致製造商製造出極其薄的InGaN有源層（小於4奈米，或僅約20個原子厚）。這種方法有助於使電子和空穴更緊密地聚集在一起，從而增加它們相遇並結合產生光的機會。然而，由於非極性和半極性二極體的內部電場幾乎可以忽略不計，因此它們的InGaN有源層可以生長得更厚（高達20奈米）。銦島仍然在這些更堅固的層中形成，但據認為它們更靠近與周圍GaN的介面。將島嶼限制在那裡應該會提高獲得雷射作用所需更窄光譜的機會。更厚、更堅固的有源層還有助於簡化其他方面的製造，從而可以消除二極體堆疊中的額外“包層”，這些包層以前是為了幫助捕獲和引導光子而新增的。
自2007年1月取得突破性演示以來，加州大學聖巴巴拉分校和羅姆公司研究小組一直在穩步推進這項新技術的邊界，幾乎每個月都發表新的成果。例如，在2007年4月，加州大學聖巴巴拉分校報告了一種非極性LED，其發射的藍紫色光波長為402奈米，實現了量子效率（發射的光子數與流入的電子數之比）超過45%。這個數字代表了這些器件在短短一年內提高了100倍。幾個月後，該研究小組報告了半極性綠色LED，其工作波長高達519奈米，效率接近20%。（不幸的是，這些二極體經歷了明顯的藍移，原因仍然不明。）
最近，加州大學聖巴巴拉分校製造了工作波長為563奈米的黃色半極性LED，效率超過13%。這些是用GaN及其合金製成的首批高效黃色LED。非極性雷射二極體也開始接近其極性同類產品的效能。2008年5月，羅姆公司報告稱，其實現的非極性雷射二極體的工作波長高達481奈米，接近極性二極體保持的488奈米的記錄。
大時代 但在實驗室中製造器件與能夠商業化量產是不同的。對於非極性和半極性GaN雷射二極體和LED（無論是紫色、藍色、綠色還是黃色）的大規模製造而言，可能最大的障礙是以可接受的成本獲得足夠大的襯底。到目前為止，三菱公司提供的GaN襯底的表面積約為一平方釐米，這些襯底是從小型晶體上切割下來的，但晶片面積需要增加近20倍。
半導體行業專家、位於加利福尼亞州門洛帕克的謝拉風險投資公司的羅伯特·沃克表示，為了經濟地生產雷射二極體，製造商必須擁有直徑至少為5釐米的襯底，每個晶片的成本約為2000美元。他補充說，為了製造更簡單（也更便宜）的LED，襯底成本必須再降低一個數量級。這些LED仍然必須與先進的藍色和綠色LED競爭，例如北卡羅來納州達勒姆市科銳公司（也是加州大學聖巴巴拉分校中心的合作伙伴）於2007年末推出的LED，該公司在其碳化矽襯底上製造器件。
三菱公司目前正在精簡和擴大其現有的製造工藝，以實現非極性GaN襯底的商業化。據開發了用於生長非極性GaN襯底的方法的藤戶健二稱，這是一個緩慢而艱苦的過程。目前，三菱公司只能生產足夠的非極性（或半極性）GaN襯底來滿足羅姆公司和加州大學聖巴巴拉分校的研究需求。藤戶說，他們至少還需要一兩年才能生產出直徑為5釐米的襯底晶片。沃克對此表示贊同，他預計非極性襯底需要幾年時間才能在經濟上可行，無論是來自三菱公司還是其他襯底供應商，例如北卡羅來納州羅利市的Kyma Technologies公司。但加州大學聖巴巴拉分校的丹巴爾斯預計，商用非極性二極體將更快地製造出來，理由是這些襯底應允許更高的良率和更低的總體成本。
與此同時，實驗室工作將繼續引領方向。羅姆公司和加州大學聖巴巴拉分校的研究小組以及其他幾個小組都將目光投向了實現首批成功的綠色雷射二極體。在2008年9月，加州大學聖巴巴拉分校報告稱，在從另一個雷射器光泵浦的非極性和半極性GaN二極體中觀察到了青色（480奈米）和綠色（514奈米）波長的受激發射。使用電流驅動二極體獲得類似的發射應該不會太遙遠。我們不會驚訝地看到這些研究小組中的一個或兩個在今年晚些時候取得成功。
在這些層內部，電子和空穴湮滅產生光（右）。這種光的波長取決於有源層中銦（In）的含量
更多的銦導致更長的波長，從而產生更綠色的光。但是，這些層中銦越多，銦就越有可能在製造過程中匯聚成小的“島嶼”。這些島嶼會改變光的波長，這是雷射器中不可接受的缺陷。
編者注：本文最初以“微型綠色雷射器的黎明”為標題發表