赤崎・天野氏が基盤技術

  ノーベル物理学賞の授賞対象となった青色発光ダイオード(LED)は「20世紀中の実現は困難」とされた夢の技術だった。しかし、赤崎勇・名城大終身教授(85)=写真左=と天野浩・名古屋大教授(54)=写真右=が共同で基盤技術を開発し、米カリフォルニア大サンタバーバラ校の中村修二教授(60)が実用化への道を切り開いた。
 
 LEDは1962年、米ゼネラル・エレクトリック社の研究員だったニック・ホロニアック氏(85)が発明した。電球と違って半導体の中の電子が直接光に変わるので熱を出さず、エネルギー効率もいいのが最大の利点だ。

 光の三原色のうち、赤色と緑色のLEDは1960年代に実現。残る青色がそろえば、どんな色でも合成が可能になり、自由自在な調光や映像表示装置への応用も見えてくる。しかし、実用的な輝度の青色を放つ高品質な半導体結晶を作るのは困難を極めた。

 各国の研究者がセレン化亜鉛という物質を材料に青色LEDの研究を進める中で、松下電器産業(現パナソニック)に在籍していた赤崎氏は、窒化ガリウムを使って実現を目指した。

 昭和56(1981)年に名古屋大工学部の教授に就任。原料となるガリウムや窒素、水素を含んだガスを約1千度の高温でサファイア基板に吹き付ける方式で、窒化ガリウムの結晶化に成功した。

 しかし、結晶はゴツゴツして不透明で、品質は低かった。青色LEDの開発には透明でひび割れのないきれいな結晶が必要だった。

 58年ごろ街を歩いているときに、以前に別の研究で開発した「低温堆積バッファー層技術」の導入をふと思いついた。基板と結晶の間に、相互の性質の干渉を和らげる緩衝地帯となる層を設け、結晶生成時に生じるひずみを少しでも減らそうという手法だ。

 そして60年、サファイア基板上に、原料ガスより低温の約500度で窒化アルミニウムを吹き付けてごく薄い膜を作り、その後から原料ガスを約1千度で吹き付けてみた。すると、表面が鏡のように平らで、無色透明な窒化ガリウム結晶ができ上がっていた。48年に研究を始めて以来、10年以上も夢見てきた見事な結晶だった。

 得られた高品質結晶はN型半導体だったが、赤崎氏はこれに微量のマグネシウムを加えて電子線を当てることにより、平成元年にP型の作製にも成功。ただちにN型を接合し電気を流してみると、ついにLEDは青い光を放った。

 「目にしみるような青さで、本当に感動した」と赤崎氏は振り返る。世界で初めて青色LEDの基礎技術が完成した瞬間だった。

 この成果がブレークスルーとなって関連研究が大きく進み、表示装置や照明の一大変革につながった。

 大学院生だった天野氏は赤崎氏の研究室で実験に参加。昭和60年のある日、実験装置の不具合をきっかけに、天野氏が窒化ガリウムの結晶を成長させるため、窒化アルミニウムの薄膜を使う実験を担当。薄膜を作った後、装置が回復したため温度を上げ、窒化ガリウムを付着させると、高品質の窒化ガリウム結晶が成長していた。

 一連の功績が評価され、ノーベル賞委員会が発表した授賞内容の資料は赤崎、天野両氏の連名だった。

中村氏 新手法で量産化道筋


 窒化ガリウムの結晶化は赤崎勇氏が成功していたが、時間がたつにつれ基板が熱くなって上昇気流が起こり、きれいな窒化ガリウムの結晶ができなくなってしまう課題があった。 高輝度青色LEDの量産技術を開発し、実用化への道筋をつけたのは中村修二氏。日亜化学工業に勤務していた平成元年、青色LEDの実現に必要な窒化ガリウムの研究を始めた。
 従来の方法は反応装置内で、窒化アルミニウムの薄膜を表面に作ったサファイア基板にガリウムや窒素、水素を混ぜた原料ガスを約1千度で噴きつけ、基板上に結晶をつくっていた。
 中村氏はさまざまな方法を検討した末、「上昇気流の発生をなんとか抑えることができれば、高品質結晶を長時間にわたって作り続けられるのではないか」と思いついた。
 そこで、中村氏は基板の上から窒素ガスを、横からはガリウムと窒素、水素の高温ガスを吹き付ける方法を考案した。
 反応装置内で、窒化アルミニウムの薄膜を作ったサファイア基板に原料ガスを吹き付けるまでは同じだったが、上昇気流を押さえつける工夫を加えたのだ。短期の米国留学で習得した技術に独自の改良を加えた「ツーフロー」と呼ばれる新しい結晶育成法だ。
 実験してみると、2つの噴き出し口を使うことで、窒化ガリウム膜の結晶性は飛躍的に向上。中村氏は「(青色LEDの実用化は)この新手法が決め手になったといって過言ではない」と語った。