ノーベル物理学賞への軌跡
青色LED研究開発ストーリー
赤㟢 勇，天野 浩，中村修二の三氏は，研究開発の長い道のりで，
いずれも大きなブレークスルー（障害の突破）を果たし，
それが今回のノーベル物理学賞受賞につながっている．
三氏の歩みを振り返り，なぜブレークスルーを成しえたのか，
何が“勝因”となったのかを探ってみる．
10月7日，スウェーデン王立科学アカデミーによる2014年ノーベル物理学賞発表の様子．Photo: Xinhua/Aflo 巻頭特別企画ネセンスと縁ができる．名古屋大学に移った１９５９年，結晶成 長の研究に着手する．名古屋大学時代が「研究者としての私 の原点」と語る．「日曜日もほとんど休まずに，夜遅くまで， 実験室立ち上げの準備に追われていました．大変苦労はしま したが，自分で手を動かしたことが血肉となり，自分の実験屋 としての力になった」（赤㟢氏）． 大学で手がけたのは当時の半導体研究で最も重要なゲルマ ニウムで，その結晶成長法として，日本初，海外でも米国ＩＢ Ｍ社だけが取り組んでいたというエピタキシャル成長法を独自 に開発した．「ゲルマニウムの気相エピタキシャル成長に関す る研究」が赤㟢氏の博士論文となり，以後，結晶成長にます ますのめり込んでいく． この博士論文が，赤㟢氏に再びの転機をもたらす．同論文 に関する研究発表を聞いた，当時，東北大学教授で松下電器 東京研究所の所長就任が決まっていた小池勇二郎氏から， 研究所に来ないかと誘われたのだ．赤㟢氏は応諾し１９６４年， 松下電器東京研究所の基礎第 4 研究室長に就く．３５歳の最 年少室長は就任時，小池所長に「光る半導体をやります」，「結 晶成長に軸足をおいて，ⅠⅠⅠ－Ⅴ族化合物半導体を研究したい」 と語っている． 赤㟢氏は松下電器時代に GaAs，GaP など８種類のⅠⅠⅠ－ Ⅴ族化合物半導体に取り組んだ．１９６９年には GaP を用いて 当時，世界最高の発光効率となる超小型の赤色発光ダイオード （Light-Emitting Diode: ＬＥＤ）を開発した． ただ，赤色ＬＥＤや緑色ＬＥＤは米国で開発済みで，「性能はと もかく，しょせんは二番煎じ」（赤㟢氏）．一方，３原色のうち， 残された青色ＬＥＤは実用化の見通しが全く立っていない未 踏のテーマ．さてどうするか．赤㟢氏は「これ（青色ＬＥＤ） り，成果が出ず，何年も論文が書けない状態が続いた．それ でも GaN の可能性を確信し続けていたという． １９７９年，気相エピタキシャル成長法の一手法である有機金 属 気 相 成 長 法（ M e t a l O r g a n i c V a p o r Phase Epitaxy: ＭＯＶＰＥ）を新たに採用し，その基板にサファイア を選んだのが正解となり，今日につながる（現在，GaN の 作製はほとんどがＭＯＶＰＥ法とサファイア基板の組み合わせ）． とは言っても，確たる研究成果を上げるまでには長い年月を要 し，松下電器で青色ＬＥＤの研究を続けるのは難しい状況を迎 えて，１９８１年，古巣の名古屋大学に戻る． 名古屋大学では，手作りのＭＯＶＰＥ装置を用いた，手探り の実験を繰り広げる．これといった実験結果が得られない中， １９８３年に，基板のサファイアと成長層である GaN 単結晶と の間にバッファ層を設けるアイデアを思い付く．「木に竹を接ぐ」 とも言われるサファイアと GaN のミスマッチ度を，緩衝材を かますことで低減させて，木と竹をくっつけようという発想で ある． バッファ層は，松下電器時代，赤色レーザーの材料を液相 エピタキシャル成長法で作製した際に活用したことがあり， 経験が生きた．バッファ層の材料に AlN を用いた，この AlN による低温バッファ層技術が，高品質な窒化ガリウム単結晶を 作り出し，ひいては高性能青色ＬＥＤを実現させていく． では，低温バッファ層技術はどのようにして確立されたのか． そこには幸運の女神が舞い降りる“セレンディピティ”があった． そして，女神は，３人のノーベル物理学賞受賞者の２人めとな る天野浩氏の頭上に舞い降りる．
巻頭特別企画
天野 浩 博士
（名古屋大学教授） １９８２年３月，１人の青年が赤㟢研究室のドアを叩たたいた． 名古屋大学工学部３年の天野浩氏だ．もともとマイコン少年 だった天野氏は，ＣＰＵ（中央演算装置）を研究したかったが， ぴったりの研究室は見つからない．そこで，半導体に取り組ん でいた赤㟢研が，ＣＰＵと近く，また青色ＬＥＤの開発という テーマがわかりやすくて魅力的だったことから，新学期が始ま る１カ月前，赤㟢氏を訪ねて，すぐに指導を受け始める． 天野氏はまず，ＭＯＶＰＥ装置の改良で大いに貢献する． GaN の結晶を成長させるには，基板温度を１０００℃まで加熱 する必要があるが，高温にすると基板付近に熱対流が生じ， 対流に阻まれて原料ガスが基板に届かず，つまり結晶成長は 起こらない．試行錯誤の末，ガスを吹き付ける角度を基板に 平行ではなく，斜め方向からとし，また，ガスの供給速度を １００倍に高めることで，難問をクリアした． １つのハードルを越えたものの，十分な結晶成長を得るまで の道のりはまだまだ遠い．天野氏は，盆暮れもなく休むのは 元日だけという実験漬けの日々を数年間続ける．その間， 毎回２，３時間はかかる実験を１５００回以上も繰り返したが， それでも成果は得られない． １９８５年のある日，電気炉の不調で炉の温度がいつもの １０００℃まで上がらず，８５０℃ほどで止まってしまう．まぁ， これでも実験はできると考え，基板の上にまず AlN のバッファ 層を形成し，その上に GaN の結晶を重ねる作業をした． 実験を終え，基板を取り出すと，いつも見てきた磨りガラス状 とは異なるツルツルした表面になっている． 天野氏は最初，原料ガスを流し忘れたのかと思った．確認し たらガスは供給されている．もしかして……と，顕微鏡で基板 を観察すると，六角柱の結晶がきれいに並んでいる．「心 臓が打ち震えるような感動を覚えた」と，天野氏はそのときを 語っている．低温バッファ層技術がここに実を結ぶ．炉の不調 というアクシデントが，幸運の女神を呼び寄せたのだ． 赤㟢，天野コンビは続いて，GaN によるｐ型半導体の作製 に挑む．ｐｎ接合を基本構造とする青色ＬＥＤで，ｎ型の GaN の結晶は簡単に作れるが，ｐ型結晶は GaN では無理だという のが当時の定説，常識だった．しかし，「窒化ガリウム（GaN） でもとことんきれいな結晶をつくり，p 型をつくれるアクセプ ター不純物を，（通常）残留電子濃度の少なくとも１０倍以上 ドープすれば必ずｐ型をつくれる」と信じていたという赤㟢氏 および天野氏に神は頬ほ ほ え笑む． 当初，GaN に Zn をドープしｐ型を目指したが，うまくい かない．そこで，Znドープ条件と発光スペクトルの関係を知 るために，条件を変えて作製したサンプルに電子線を照射し， どう発光するかを調べてみた．その際，思わぬ現象を発見した． 電子線を照射するにつれ，光の強度が高まっていくのだ． 光の強度の増大は，「フェルミ準位」の変化を示唆し，つまり はｐ型化した可能性を示す． 結局，Znドープではいかなる条件でもｐ型結晶には至らな かったが，電子線照射の予期せぬ効用を見いだせて，８合目付 近までは到達したことになる．予期せぬ効用の発見＝セレンディ ピティがここにもあった．さらに，頂上までの残りの道のりは， 不純物として Zn の代わりに Mg を用いることで踏破する． こうして，１９８９年３月，GaN のｐ型半導体が世界で初めて 誕生する．あとは青色ＬＥＤの実用化へ向け，一いつしや瀉千里で突き 進む．その担い手の 1 人となったのがノーベル賞トリオの３ 人め，中村修二氏である．中村 修二 博士
（米国カリフォルニア大学サンタバーバラ校教授） １９７９年，徳島大学大学院工学研究科の修士課程を修了し た中村氏は日亜化学工業（株）に就職した．黄緑色ＬＥＤの材 料となる GaP や，赤色系ＬＥＤの材料に用いる GaAs の研究 開発で一定の成果を収めた．ただ，製品化したそれら材料の 売れ行きはあまり芳しくない．「社内的にも厳しい立場に立た されていましたので，何か思い切ったものを，という心境」（中 村氏）から，社長に「青色ＬＥＤをやりたい」と直訴する． １９８８年のことで，直訴は通り，米国フロリダ大学に１年間留 学したのち，青色ＬＥＤの研究開発に着手する． 赤㟢研と同様に有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD）と GaN の組みMOCVD 装置の手直しにエネルギーを投入する．まずヒータ を改良し，次いで，ガスの流れを変える仕掛けを工夫する． 課題は，前述の（天野氏が貢献の箇所）熱対流への対応で， たまたま応用物理学会学術講演会で聞いた発表が大きなヒン トとなり，対流を押さえ込む Two Flow 法を編み出す． Two Flow 法とは水平方向に原料ガスを流す一方で，上か ら垂直方向に押圧ガスを送り込む方式．そのため，ガスの流量， 流速や吐出のタイミングなどで微細な制御が必要となるが， 入社以来，研究開発のほぼ全てを１人でこなしてきて，“研究 職人”の名人の域に達していた中村氏は，職人の勘を働かせ て最適条件を突き止める． こうして完成させた Two Flow 法とその派生技術によって， 世界最高品質となる GaN の結晶成長に成功する．結晶の 完成度を表すホール移動度は，それまでの最高値１００cm2/ Vs を大幅に上回る２００cm2/Vs を得た．以後，世界初，世界 最高を次々と達成し，ゴールとなる高輝度青色ＬＥＤの作製に 向かって突き進む．「前人未踏の宇宙探検のようなものだ． 最新鋭の惑星探査ロケットが宇宙空間を飛んでいるようなイ メージ」．中村氏は自著で当時をそう述懐している． 中村氏は Two Flow 法の開発に続いて，いくつものブレー クスルーを成し遂げている．まず，バッファ層に，AlN ではな く GaN そのものを用いる方式を開発する．低温（約６００℃） でアモルファス GaN のバッファ層を形成して，その上に高温 での結晶成長を図るもので，同方式も GaN 薄膜結晶の高品 質化に大いに貢献した． 次いで，ｐ型半導体の作製において新たな知見を見いだすこ とで，青色ＬＥＤの量産化への道を切り開く．赤㟢研が電子線照 射によりｐ型化に成功したのを受け，1990 年代初め，中村氏も の発見により，青色ＬＥＤの量産化が，いよいよ現実のもの となる． ダブルヘテロ構造の青色ＬＥＤへの導入も見逃せないブレー クスルーの１つだ．同構造に関しては，今回のノーベル物理学 賞の授賞理由（スウェーデン王立科学アカデミー）の中でも 図を交えて説明されている．ダブルヘテロとは，Zn をドープ した InGaN を発光層として，発光層の上下を，それぞれｐ型， ｎ型の AlGaN で挟む構造であり，中村氏らは１９９３年秋， 開発に成功する． この青色ＬＥＤは，当時市販されていた SiC 青色ＬＥＤと比べ明 るさが１００倍の高輝度を誇るもので，日亜化学では翌 1994 年 から量産に乗り出す．それから２０年．今，照明の世界は一新さ れ，青色ＬＥＤ関連技術の利活用は，電機・情報系はもちろん， 医療，印刷，農業といった分野にまで広がろうとしている．
参考文献
赤㟢勇：青い光に魅せられて（日本経済新聞出版社，2013）． 中島彰：「青色」に挑んだ男たち（日本経済新聞出版社，2003）． 中村修二：好きなことだけやればいい（バジリコ，2002）． 中村修二：Wild Dream（ビジネス社，2002 年）． Newton 2014 年 12 月号（ニュートンプレス）． 日経サイエンス 2014 年 12 月号（日本経済新聞出版社）． 中村修二：応用物理 78，360（2009）． 赤㟢勇：応用物理 76，892（2007）．Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014 （The Royal Swedish Academy of Sciences, 2014）．
巻頭特別企画
