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三流大学非典型科学家中村修二: 愤怒其"倍受歧视"是获诺奖成功之路的全部动因

2017-10-19 综编| 科文哲 蝌蚪士

特别声明


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《蝌蚪士导读》中村修二是个非典型的日本科学家:出身普通渔民家庭,考试能力也平平,上了日本三流大学德岛大学; 他动手能力非常强:上午调仪器,下午做实验; 自学能力非常强:中村对物理学具有深刻的理解,但他完全是靠自学而来的。他读的德岛大学甚至没有物理系。


因研发蓝光LED而获得2014年度诺贝尔物理学奖的中村修二于2015年1月16日在东京的驻日外国记者协会举行记者会,批评了日本的专利制度和整个东亚教育体系。他抨击了日本的教育制度,称大学入学考试制度非常糟糕,中国和韩国也都如此,所有高中生的教育目标都是考入著名大学。他认为亚洲的教育制度是浪费时间,年轻人应该学习不同的事情。


中村的发言跟他的个人经历有关,中村很有才华,但是却不是日本帝国大学这样的名校毕业的,也没有博士学位。在学术界跟日本的各个帮派没有瓜葛,他自身做的巨大贡献,在日亚公司也没有得到相应的回报。


说白了,中村这样的人在日本是狠吃亏的。如果他是哪个帝国大学实验室的博士,可能早就被召回接班实验室,像天野浩接班赤崎勇的实验室一样。如果按照贡献来说,日亚应该给中村更多。中村这样的人,确实在美国是比较合适的,不拘一格降人才,有贡献就能得到相应的回报。


对于一个本土日本人来说,放弃国籍加入外籍不是一件轻松的事情。想了解日本的人应该可以理解,这里面有很大的心理压力,特别是从小受日本这套社会观念影响的日本人。直到今天,虽然获得科学界最高奖,中村的怨气未消,或者他用这种方式来证明自己走的路是正确的。


中村这样以在日本时期做的成果为美国人拿一个诺贝尔奖其实是蛮尴尬的。这跟完全就在美国混的是不一样的。虽然成果几乎都是在美国做的,但是根岸英一依然保留日本国籍,在日本还是蛮受欢迎的。中村这样的事就算放到中国身上,普通中国人也会有不少质疑吧。对于讲究忠诚的日本社会来说,日本人虽然不说,但是心里可能会有不同想法。中村这种大声的说法,其实就是表明是日本社会不好,我才放弃日本国籍,加入美籍。不是我的错,越是大声批判日本,越是说明他想证明自己是没有过错的,越是想说明自己是被逼迫的才有今天的结果。中村这样搞,估计会跟日本社会和学界的梁子越结越深吧。


当然,回归原题,中村这样的人才毕竟是少数。对于大多数东亚的学生来说,怎么做好是个大问题。实际上,在日本的著名大学还是有很多非常有才华的人,虽然他们的贡献不能得诺奖,但是他们对日本社会也是有巨大贡献的。他最有意见的还是日本社会看门第出身的习惯,以及企业对个人的压抑。这跟教育关系不大,而是社会文化,社会文化是一个极大的话题,相比之下,教育制度只是其中的一个方面。就算日本采用美国那样的教育制度,只要企业和学界的文化不变,还是一样的。实际上,好像日本也有教育改革,也在批判应试教育,感觉学生是越来越水。


仅就个人观点而言,日本社会最应该检讨的就是企业文化,而学界和教育界还好。毕竟,日本的人才培养和科技发展还说的过去,而企业竞争力是在走下坡路。虽然是应试教育,但是日本的大学和公司培养人才还是用心的,大体还算合格。虽然学界有不太合理的一方面,但是日本的科技水平也没有下降,一切还可以。只是,企业竞争力因为刻板的文化氛围有些跟不上时代了。另外,中村说的日本人太不重视英语也是事实。这点中国比日本好的多。


总之,中村虽然是牛人,但是对日本意见很深,说话难免偏颇,当不得真的。要真谈东亚教育体系,得专业的人士来做,中村的话是不足信的。科学家不要乱介入教育改革,教育改革涉及到的东西比他们知道的能感觉到的要更为广泛的多,术业有专攻,中村看到的东西也不免片面,要懂得敬畏,李远哲的例子就在那里摆着。




  • 1954年,出生于日本日本爱媛县伊方町;

  • 1965年,爱媛县小学转入兵库县尼崎市·尼崎市立桩濑小学;

  • 1967年,尼崎市立桩濑小学毕业;

  • 1973年,爱媛县立大洲高等学校普通科毕业;

  • 1977年,德岛大学工学院电子工程学士毕业;

  • 1979年,德岛大学电子工程硕士学位毕业, 同年进入日亚化学(Nichia);

  • 1987年,佛罗里达大学电子工学部留学(1988年9月);

  • 1988 年,日亚化学资助中村进入美国佛罗里达州立大学研究金属有机物化学气相沉积 (MOCVD);

  • 1989年,中村教授开始研究基于三族氮材料的蓝光LED;

  • 1991年,获得氮化镓成长的关键技术;

  • 1993年,高亮度青色发光二极管的开发,开发了蓝色发光二极管--被称为世纪发明、诺贝尔奖级别的发明--该项技术曾被认为20世纪不可能的任务--并商品化;

  • 1994年,日本德岛大学“InGaN高亮度LED青色関研究”获得电气工程博士学位;

  • 1995年,开始研发蓝色激光二极管,InGaN/氮化镓青色半导体激光的室温脉冲振荡实现;

  • 1997年,开发出紫外LED;

  • 1999年12月,离开日亚公司;

  • 2000年,任美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校・材料物性工学部教授一职,同时以每周一天的频率指导cree;

  • 2002年,任信州大学客座教授一职。与赤崎勇、天野浩同时研究“青色发光半导体设备的开发”中;

  • 2005年,从水容易取出氢原理开发成功;

  • 2006年,爱媛大学客座教授一职;

  • 2006年5月24日,中村修二博士与加州大学巴巴拉分校(UCSB)研究小组制造出第一款无极性(non-polar)和半极性(semi-polar)GaN 衬底LED;

  • 2006年9月8日:青色发光二极管(LED)等“革命的发光设备的发明”为理由,芬兰政府等千禧年技术奖;

  • 2007年1月,世界首次的,无极性青紫色半导体激光开发了发表;

  • 2008年,阿斯图利亚斯皇太子奖(学术、技术研究部门)获奖;

  • 2011年9月,大型显示屏等的开发先进的作用的评价,第63届艾美奖技术开发部门获奖;

  • 2014年10月7日赤崎勇、天野弘和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖。[1] 

  • 2016年9月15日[2]  ,受聘中国矿业大学名誉教授。


1

中村修二:愤怒是我得诺贝尔奖成功的全部动因


择要:不同于大多数诺奖得主一脸笑意,日本人中村修二好像总是很生气。即便是获得2014年诺贝尔物理学奖以后的照片,他也是眉毛倒竖、眼神坚毅。“愤怒是我全部的动因,如果没有憋着一肚子气,就不会成功。” 中村修二总结说。



2014年10月7日,美国加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家中村修二荣获2014年度诺贝尔物理学奖,召开新闻发布会。CFP供图


上世纪90年代,当赤崎勇教授带着研究生天野浩在名古屋大学进行研究时,技术员中村正在日本一家小公司的地下室独自一人悄悄捣腾蓝光二极管。公司对他并不支 持,好不容易获得赴美学习的机会,又因“草根”出身被鄙视。这位草根科学家研制出高亮度蓝色发光二极管(LED),却被公司抢先申请了专利……


10月7日,凭借上世纪90年代初发明的高亮度蓝色发光二极管,他和赤崎勇、天野浩共同获得2014年诺贝尔物理学奖。


上司每次见到我都会说,你怎么还没有辞职?


很难想象,这位新晋诺奖得主曾经的梦想是当一名快乐的奶爸。中村大学时就已结婚生子,为了不“因为事业舍弃生活”,他1979年毕业时放弃了大城市的工作机会,选择了妻子家乡德岛县一家名叫日亚化工的企业。


在这个一切以产品销售为导向的小公司里,技术员中村的日子并不好过。他在研究上的突破不被重视,被称为“吃白饭的”,“上司每次见到我都会说,你怎么还没有辞职? 把我气得发抖。”中村回忆道。


这位愤怒青年决定选择开发高亮度蓝色发光二极管,以此证明自己。


当时,红光与绿光二极管已发展成熟,只缺高效率的蓝光二极管,就能够获得可用于照明的白色二极管光源。不过,当时大多数研究者选择了氧化锌跟硒化锌作为发光材料。


出于“做比较少人做的题目才有发展机会”的想法,中村选择了另一种材料——氮化镓。


和他作出同样选择的还有名古屋大学的赤崎勇师徒。“他们几乎是在同一时段进行实验并最终取得成果,接着又互相提高对方的实验成果。”2014年诺贝尔物理学奖专家委员会主席、瑞典查尔姆斯理工大学教授皮尔·德尔辛说。


在当时选择这种不被看好的材料堪称一场豪赌。1988年,为了学习制造蓝光二极管所必须的结晶生长技术,中村赴美留学。


不过,当他漂洋过海寻求梦想时,又遇到了另一困境。由于公司不允许,中村此前没有发过一篇论文,这使他完全没有被当作研究人员看待。同事们在工作时不与他交流,研究发光二极管的人员对他的请教爱理不理,连开会都没人通知他,整整一年,“没有一点儿好的回忆”。


时隔多年,这位加州大学圣塔芭芭拉分校的教授愤愤不平地说,那时他们把自己当作门外汉来对待,对这种态度的愤怒促使他勇攀科学高峰。


受了一年气回到日本的中村不得不进行“地下工作”。新上任的社长要求他停止LED研究,改作电子元件。他只能瞒着公司,继续研究,并在取得关键性进展时投论文。这在欧美的研究人员中引起了巨大反响,但在以公司或大学名头评判论文可信度的日本,中村的研究“根本得不到承认”。


“我试着询问过几位研究人员,回答说 当时根本不信 的居多。等高亮度蓝色发光二极管变成了产品,才急忙去读过去论文的人估计有不少。”中村回忆道。


直到1993年11月30日,中村愤怒的结晶——蓝色发光二极管发布。媒体的采访请求、用户及同行业其他公司的咨询让公司电话像闹钟一样响个不停。当每天四五十个的电话潮持续了一周,社长终于悟到了什么:“是这么了不起的一项成果吗?”


在这之前,是否明亮是检验中村工作的唯一标准。1991年3月,在发光层中采用氮化镓的发光二极管发出了紫外线,闻讯赶来的社长轻声嘟囔,“好暗啊,这样可没法作为商品出售”。1992年9月,双异质结构的氮化镓发光二极管终于试制成功,社长如同在评价一份中学生实验作业,“是你制作的啊,还是很暗。”


当耀眼的蓝光从日亚的地下室里发出来时,全球固态照明的新时代开始了。多年后,用怒火点燃蓝光的中村修二被瑞典皇家学院誉为21世纪的爱迪生。


全球四分之一的人口获得了光亮,蓝光之父却还在阴影里生闷气


不久前的新闻发布会上,中村修二在明亮的LED灯光下接受瑞典皇家科学院的赞美:“对于全球15亿尚未能受益于电网的人口来说,这种新型光源带来了更高的生活品质。”


全球四分之一的人口获得了光亮,“蓝光之父”中村修二却还在阴影里生闷气。


发明刚刚问世,日亚便以公司的名义申请了专利,并开始大量生产出售蓝色发光二极管,摇身一变成为世界最大的LED公司。发明人中村修二获得的全部奖励是两万日元(约合人民币1141元)的奖金,海外同仁笑他“奴隶中村”。


“当我们飞到日本时,发现中村修二在地下室做实验,职位只是一个技术员,我知道这就是我们的机会。”美国加州大学圣塔芭芭拉分校华裔校长杨祖佑说。


为了邀请中村修二,这所高校专门为他配置了研究团队,并让研究人员到日本工作一年,学习日语,为他营造一种日本文化环境,让他能愉快地待在大学里。


这也是中村修二拒绝了斯坦福大学和惠普公司派专机邀请,而选择到圣塔芭芭拉分校的原因。


他从日亚辞职,恩怨却没有结束。


由于拒绝签署“保证3年内不再从事蓝光二极管的基础技术研究”的合同,在这家公司工作了20年的中村没能领到退职金。


日亚甚至追到美国,要求中村签署合同。再次遭拒以后,以泄露企业秘密为由,将中村告上法庭。


中村积攒了多年的怒火再次爆发,这一次不是在实验室里,而是在法庭上。2004年,中村修二向东京地方法院提起诉讼,状告日亚,要求其支付发明补偿金。


中村胜诉,法院判决日亚应支付给中村补偿金200亿日元(约合人民币11.4亿元)。最终,这个金额缩水到了8.4亿日元(约合人民币4793万元)。


这场前无古人的诉讼激励了很多发明者在法庭上寻求帮助,他们当中的很多人赢了诉讼或者获得庭外和解。如今,中村诉日亚一案已成为专利诉讼教材的指标性案例。


中村更为在意的似乎是东京地方法院的这一判断:“发明者的贡献度即使保守估算也不低于50%。原告几乎靠一己之力完成了世界性的发明。”


多年后言及自己的成就,这个“与老东家战斗到底的男人”毫不犹豫:“愤怒是我全部的动因,如果没有憋着一肚子气,就不会成功。”


他的枪膛里总躺着愤怒的子弹,一有机会就向日本的科研环境射击


10月7日,西装革履的中村站在新闻发布会上,拿着提前准备好的演讲稿,一字一句地说:“制造LED灯的梦想能够成为现实,我非常高兴。如今我们能在超市买到高效节能的灯泡,我希望这对降低全球变暖也有帮助。”


不过,他还是充满遗憾。由于与公司纠纷长达20年,中村认为自己浪费了不少时间,“与美国同行相比,起步实在太晚”。


他的枪膛里总躺着愤怒的子弹,一有机会就向日本的科研环境射击。


另一场发布会上,这位美籍日裔教授,操着口音极重的蹩脚英语讲着自己的“美国梦”,“每个人都有机会做美国梦,如果你努力工作,每个人都有机会!”随即加上一句,“但在日本就不是这样!”


“直到今天,日本公司仍然不愿承担风险进行研发,也不愿为员工的智力成果提供补偿。”

“在日亚工作时,买支铅笔也要上司签字!”


“在日本公司发明东西只能拿奖金,但在美国可以马上创业,差别非常大。”


也许没有人比他更了解,在等级森严的公司中,许许多多如“技术员中村”一样的工程师是如何“长期被忽视”的。


而今,中村修二创办了自己的公司——位于加州弗里蒙特市的发光二极管企业SORAA,是世界上唯一一家制造氮化镓对氮化镓基板发光二极管的企业。


在中村对未来的畅想中,LED能在节约能源、减少碳排放上大有作为,该技术还会渗透到显示屏、汽车、医药、园艺等方方面面。


“大体上说,(我的生活)没什么变化。我已经得过很多奖了,这是最高的奖项,但是不会使我的工作产生什么变化。”他的怒火熊熊燃烧了几十年,从获奖的喜悦回归原来的生活,却只用了几天,仿佛他并未为此奋斗了20年,又等待了20年。


在加州大学圣塔芭芭拉分校师从中村的博士黄嘉彦眼里,这位“非典型教授”生活中则是一个好相处的大叔,喜欢美食和泡温泉,最喜欢的座右铭是“盛者必衰”。


在2002年出版的《把喜欢的事当做工作来做》一书中,中村描绘了自己渴望的社会,不过是“可以让人做自己喜欢之事,并且得以体面生存”而已。


2

被诺奖相中的“小人物”:中村修二的故事

高亮度蓝色发光二极管开发:中村修二的故事

一个平凡科技工作者创造的不平凡人生传奇

  Shuji Nakamura Story
http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/50715-20100326.html

作者:酒井士郎,资料来源:日经技术在线

 
一、引言
20世纪的伟大发明——高亮度蓝色发光二极管

二、设备需自制、部件反复用,不堪回首的开发期

日亚化学工业在阿南的总部


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。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。

 

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。



"濒死"的开发课


中村自制的电炉


黄昏时分的"爆炸惯犯"

 

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[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8800cm2/Vs,空穴迁移率为420cm2/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850nm),因此还被广泛用作发光二极管及半导体激光器材料]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。



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。不用说,爆炸事故依旧是频繁发生。



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 [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]膜的结晶生长。单结晶的生长方法选择的是液相生长[在单结晶底板上使单结晶生长被称为外延生长(Epitaxial Growth),是制造半导体器件时的重要技术。液相外延(LPE:Liquid Phase 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]方式。当然,液相生长的设备也是中村自己制造的。



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。

 

"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。

 
三、带着失意回国,一切从零开始,整日忙于装置改造
 
1988年3月,中村修二怀着激动的心情登上了飞往美国弗罗里达的航班。他将以研究员的身份在弗罗里达大学(University of Florida)学习一年。

去美国做访问研究员的契机,来自中村拜访在德岛大学求学时的校友酒井士朗(现德岛大学教授)的交谈。要制造蓝色发光二极管,必须从形成用于蓝色发光二极管的单晶膜着手。其技术包括MBE法(molecular beam epitaxy,分子束外延)[MBE(molecular beam epitaxy)法是在底板上生长出单晶膜的方法,属于气相生长法的一种。在对导入高真空中的原子(分子)束进行控制的同时,照射底板,使原子沉积。可称为高精度真空沉积技术。制造使用硅及GaAs等化合物半导体的元件时,需要使用这种技术]和MOCVD法(metal organic chemical vapor deposition,金属有机物化学气相沉积)[MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法是在底板上沉积薄膜的CVD(chemical vapor deposition,化学沉积)法的一种。也称为OMCVD(organometal CVD)法。CVD法是将含有沉积物质的气体,或者这种气体与非活性气体的混合气体通入加热后的底板上,使其发生热分解、氧化还原及置换等化学反应,从而在底板上生成或沉积所需物质的方法。其中,原料气体采用有机金属(有机物质直接与金属结合形成的化合物,organometal)的方法称为MOCVD法。在底板上生长出GaAs等化合物半导体单晶膜时,普遍采用这种技术]。中村毫不犹豫地选择了MOCVD法。原因是MBE装置的价格高达数亿日元,公司根本不可能考虑购置。 


虽然选择了MOCVD法,但中村却是第一次接触这种技术。所以首先需要学习。他决定向当时研究MOCVD法而知名的酒井请教。此时,酒井已决定去弗罗里达大学。他建议中村,"机会难得,一起去吧"。这是求之不得的好机会,但不知公司是否会派自己去。

公司肯定不会同意,先向公司申请再说。抱着这种心理,中村决定试一试。于是,他请酒井陪同,向会长和社长说明了自己的想法。出人意料的是,公司当场就决定派他去弗罗里达。
 

又回到以前的状态

一切都畅行无阻!让人觉得顺利的恍如梦境。但好景不长,抵达弗罗里达大学之后的中村感到非常吃惊,这里没有MOCVD装置,情况与想象的不同。

 

中村去的研究室本应有2台MOCVD装置。其中一台被隔壁研究室搬走了,而另一台则需要从现在开始制造。就这样在美国,中村同样开始为制造装置而忙碌起来。每天忙于配管和焊接,简直和在日本时没有什么两样。他不禁想,难道自己是为做这些工作千里迢迢来到弗罗里达的吗?随之而来的便是倦怠感。时间则毫不理会中村的心情继续在无情地流逝。等到中村好不容易完成制造装置的时,已经到了他要回国前的一个月了。

 


中村在美国时制造的MOCVD装置中村1994年秋季访问弗罗里达时,与自己安装的这台仍在运转的装置再会 


除了中村之外,当时研究室还有数名来自韩国和中国等国家的研究员。中村陪着笑脸央求:我一个月之后必须回日本,时间很紧,装置能不能让我优先使用。得到的回答却是No!。中村只进行了3、4次结晶生长实验,就要为在美国的学习画上句号了。

 

连开会也不通知

不知是觉得中村可怜,还是看中了中村出色的焊接和配管技术,研究室的教授挽留他:"我给你发工资,再待一年吧"。但在美国期间,给中村留下的不愉快回忆太多了。

中村去美国之前没有写过一篇论文。因为公司不允许。就是因为这个原因,好不容易以研究员的身份去美国,对方却没有把他当做研究人员对待,连开会都不通知他。该大学还有研究发光二极管的人员,但中村想请教问题时,人家爱理不理的。

 

在美国学习期间,中村还第一次体会到了以前只听说过的"种族障碍"。美国人会很自然地和美国人在一起,亚洲人也会和亚洲人形成一个圈子。尽管好不容易获得了与来自世界各地的研究人员一同工作的机会,相互之间却没有交流。

 

中村回顾在美国学习的日子时说道,"没有一点儿好的回忆"。但是回国后等待着他依然是痛苦的日子。他为"回来之后没有岗位"而苦恼。在美国没有学到技术,回来后没有工作岗位,什么都是没有,中村只能一切从零开始。

 

无法实现GaN膜

 即便如此,中村还是开始了研究。虽然在职场上中村如同浦岛太郎,但派他去美国的社长却记住了他。公司分配给了中村两名新员工,开始制造装置。他决定购买市售的MOCVD装置,然后进行改造。此外,他还让公司购买了结晶膜评测装置。所有装置加在一起公司先后花费了数亿日元。

 

当年在开发GaAs单结晶时,公司几乎什么装置都没有购买。即便是好说歹说同意出钱了,最多也只有100万日元左右。突然增加到上亿日元的投资,这对中村来说是非常难得的,同时这也形成了一种压力。

 

中村从1989年4月回到日本后开始着手进行研究。一个月、两个月,甚至半年的时间过去了,但研究丝毫没有取得进展。蓝色发光二极管的发光层——GaN膜始终无法形成。甚至在还没有到达形成GaN膜之前就跌跟头了。

 

MOCVD法是在经过高温加热的底板上通入原料气体,然后使气体在底板表面分解来形成结晶薄膜的方法。需要在通入气体的容器内放置底板,对其进行高温加热,问题就出在这里。

 

第一个问题是,中村选择的是GaN [GaN(氮化镓)是III-V族化合物半导体的一种。属于直接迁移型,能隙(Energy Gap)为3.4eV。通过与InN(能隙为2.0eV)及AlN(能隙为6.3eV)形成混合结晶,可使能隙介于2.0eV到6.3eV之间]作为蓝色发光二极管的发光材料。从原理上来说,好几种材料都能实现蓝色发光功能。其中,GaN是受人冷落的材料[蓝色发光二极管用材料有ZnSe、SiC及GaN等。1989年,SiC面向蓝色发光二极管用途的研究进展最快,已有人制造出亮度较低的发光二极管。ZnSe的研究也很盛行,作为蓝色发光二极管及蓝色半导体激光器用材料的有力候选而备受关注。而GaN却很少有人研究,当时日本国内的学会也曾出现过ZnSe研讨会座无虚席、而GaN研讨会的参加者不足10人的情况]。只因"其他人没有采用",中村便决定选择这种材料。开始挑战结晶膜生长之后,他才明白这种材料不受欢迎的原因。那就是GaN成膜非常困难。如果只对市售装置稍加改造,根本无法实现膜生长。

 

被称为怪人 

为了采用MOCVD法在底板上生长出GaN单晶膜,必须将底板加热至+1000℃以上的高温。光实现这一点就非常困难,更糟的是,中村的另一选择又使情况进一步恶化,那就是采用了用加热器加热底板的方法。


很早就开始研究GaN膜的名古屋大学研究小组[除了日亚化学工业以外,其他研究GaN的日本研究小组还包括丰田合成的研究小组,以及名古屋大学赤碕勇教授(当时,现任名城大学教授)的小组等。丰田合成和名古屋大学的研究小组,1989年已成功生长出GaN单晶膜,1990年初相继成功试制出了GaN蓝色发光二极管,可以说均比日亚化学工业领先一步]采用从装置外部施加高频电磁场的方法加热底板。中村仍以"不想和别人采用同一方法"为由,选择了加热器加热。


底板的加热方法

使用高频电磁场的方法,需在用导体制成的加热台(Susceptor,基座)上放置底板,利用从反应室外施加的高频电磁场提高基座的温度,从而对底板进行加热(a)。无需在反应室内设置用于加热的机构,因此构造比较简单。但不能采用作为导体的金属形成反应室,一般采用石英玻璃制造反应室。而使用加热器的(b)方法,可在反应室内放置装有加热器的加热台,然后在上面放置底板,通过这种方法对底板加热。采用这种方法时,可自由选择反应室的材料。(注:目前国际上使用加热器设计是主要方法,供应商有VEECO,东洋日酸,AIXTRON的CCS)


制造GaN膜的原料气体——NH3具有腐蚀性。没有一种加热器即耐高温又耐腐蚀。因此,加热器很快就会被腐蚀坏,导致薄膜无法生长。 那时候中村每天都很郁闷。早上来到公司,打开装置。今天有没有生成真正的膜,加热器又被烧坏。下午的工作便是改造和修理设备。他早上第一个上班,下午6点下班。每天都在重复这种没有尽头的单调日子。

  

中村的话变得越来越少,电话也不接,周围的人开始把他当成怪人。当初部下的两名新员工,其中一人因"根本看不到成功的希望"而辞职了。


胜利女神曾经微笑,但转瞬即逝

 事情突然出现了转机。经过多次失败和不断摸索,中村终于开发出了不会烧坏的加热器 [绝密中的绝密在于如何避免加热器烧坏。现在仍为不外泄的技术诀窍。据介绍,因开发出了这种加热器,中村"成了加热器设计专家"。这与焊接技术和配管技术同为中村的特技。]。(注:中村使用的是石墨加热器,经过热解氮化硼涂层处理后,耐反应气体的腐蚀能力大大提高)

 

底板加热成功后,那么剩下的就只是改造装置和改进原料气体的通入方法了。

 中村对改造装置有绝对信心。因为进入公司开发部门以后,所有装置都是自己制造的,而且在美国的一年里充分掌握了气体配管技巧。虽然周围的人都劝他,随意改造MOCVD装置很危险,但这并没有让中村退缩。以前在公司开发科时,他就经历过数次爆炸事故,所以一点都不害怕。

 

 加热器开发成功后,用加热器加热的方法果真效果不错。利用高频率电磁场加热时,需要用石英玻璃制造MOCVD装置的反应室、室内配管及出气口等。虽然中村的焊接技术非常高超,但对石英部件构成的装置进行改造并非易事。 ( 注:Aixtron的设计就是使用了感应加热)

 

 但用加热器加热的话,反应室、配管及出气口均可用金属制造。加工比较容易,安装及拆卸也很方便,改造变得非常轻松。


据中村当时的实验笔记记载,1990年8月底曾尝试过4种气体导入方法,9月上旬发现从底板旁边和上方导入气体的Two-Flow法比较有效。(a)1990年8月27日的实验笔记;(b)1990年9月10日的实验笔记。 


1990年9月,终于迎来了GaN膜面世的时刻。中村发明了可从底板的两个方向吹入气体的"Two-Flow法",成功生长出了结晶薄膜(图b)。他满怀喜悦地对此次形成的薄膜进行了评测。这种薄膜在此前发布的薄膜中迁移率最高。太棒了!终于成功了!中村急忙开始第二批和第三批结晶膜的生长工作。打算生成更高品质的薄膜……


 1990年9月,使用Two-Flow法生长出了GaN膜。获得了当时最高的迁移率,比处于领先地位的名古屋大学的研究小组公布的数值还高一位数。摘自1990年9月17日的实验笔记。

 

但进入10月份以后,不可思议的事情发生了,GaN膜突然无法生长了。中村急忙检查装置,却没有发现任何问题。成功了一次,也确实成膜了,现在却无法生长,而且原因不明。肯定是哪里出现问题了。

 

四、苦熬十余载迎来柳暗花明,研发开始迅速推进
 

在遭遇突然无法制造出高质量GaN膜之后,时光转眼就过去两个月了。装置改造,尤其是气体喷出方式的精调仍在继续之中。不过,上天并未抛弃中村。就在1990年都快要结束的时候,中村摸索找到了可以使GaN膜稳定生长的条件。


 GaN膜再次开始生长在1990年9月份以来的两个月内,薄膜持续处于无法生长的状态。一旦气体的喷出角度等出现微小偏离,薄膜就会无法生长。经过两个月的反复试验,终于开始掌握了生长条件。引自1990年12月25日的实验笔记。 

 

当初能够制成高质量GaN膜几乎是个奇迹。因为只要薄膜的生长条件稍有变化,就会完全无法成膜。当初可以说是在如此严格的条件下,偶然制出了薄膜。不管怎么说还是成功了。中村以此为激励,成功地探索到了稳定的成膜条件。研发形势朝着中村设想的方向发展。


辛苦终于得到回报


苦苦坚持了十多年。这期间中村经历了接二连三的磨难。埋头研究玻璃焊接的新人时代、每天忍受爆炸事故危险的时代(注:石英玻璃的焊接后,要在退火炉中充分退火去除应力,如果用火焰退火,不太可能完全退掉应力)[中村在进入公司那一年负责的研发课题是制作GaP结晶。将Ga和P封装在石英玻璃中进行加热。这时经常会发生爆炸事故。发生爆炸后玻璃就会四处飞散,周围如同失火。P在高温下的饱和蒸汽压很高,石英玻璃较难承受 ]、忙于制造装置的美国留学时代,等等。原本认为可能会白费的努力,在今天都变成了肥沃的土壤,开始催生丰硕的果实。

 

 曾经的辛苦丝毫没有白费。玻璃焊接、气体管路以及装置制造,这一切都是为成功开发出蓝色发光二极管所做的铺垫。正是因为拥有这些丰富的经验,中村才能够轻松完成MOCVD装置的制造和改造工作。在制造GaP结晶时,虽然开发取得了成功但却没能战胜大型厂商的痛苦经历让中村坚定了"做别人没有做过的事"这一信念,这成为了他取得成功的契机。

 

 就连之前的爆炸经历也都变成了好事。被人认为是危险的MOCVD装置改造工作,中村也都能够充满勇气地果敢前行。命运的所有齿轮都向着成功开发出蓝色发光二极管的方向转动。犹如神助的快速开发由此开始了。


尽管如此,当时也就是在1990年年底的阶段,中村还只不过是终于制出了发光层的结晶膜而已(表1)。必须要做的事情和必须跨越的障碍还有很多(图2)。首先,必须进一步提高GaN膜的质量。最开始制成的GaN膜虽然迁移率比较高,但薄膜表面凹凸不平[在底板上生长单晶膜时,一般采用晶格常数(构成结晶的原子间距离)与将要生长的单晶膜基本相同的单晶底板。原因是单晶底板的结晶排列,会强烈地影响到在其上面生长的薄膜的原子排列。如果可以选择与薄膜具有相同晶格常数的底板,那么在底板上生长的薄膜也可以轻松地成为单晶。至于GaN,则没有晶格常数与GaN基本相同的底板。因此,一般在底板中采用晶格常数有15.4%不同的单晶Al2O3(蓝宝石)。强迫GaN单晶在其上面生长。因此,很容易形成表面有凹凸的薄膜和多晶膜]。这样就无法层叠薄膜制成发光二极管。

 

开发目标是p型膜的生长和pn结发光二极管的试制在1991年年初,中村将这两件事情作为了目标。这一目标在1991年3月轻松完成了。引自1991年1月16日的报告。
 

首先要制出平滑的薄膜

为了制出平滑的薄膜,中村在GaN膜下面设置了基础层(缓冲层)。日本名古屋大学的研究小组通过将AlN膜用作缓冲层,成功地生长出了平滑的GaN膜。中村采用相同的方法进行了试制,果真制成了平滑的薄膜。但是,不能原封不动地仿效别人的方法。这不符合中村的"做别人没有做过的事"这一信条。


因此,中村决定试试在缓冲层中采用GaN而非AlN的方法。具体方法是在低温生长的非结晶状态的GaN膜之上,在高温条件下生长出GaN单晶膜。只要这个取得成功,就可以制出与在底板上直接生长单晶GaN膜相同的构造。中村立即进行了尝试。成功了!而且意外地简单。

将GaN作为缓冲层生长GaN膜通过采用这种方法,可以制成薄膜表面平滑、结晶质量较高的GaN膜。引自1991年2月4日的报告。 
 

中村好像有高人暗中相助一样,万事都顺利得很。中村甚至心里纳闷"这么简单的事情,为什么别人都没有去做呢?"。后来才知道,在缓冲层中采用GaN膜,对中村以外的人来说是一件非常困难的事情。因为中村一直使用的"Two-Flow"法可以顺利进行。但是对采用不同方法生长GaN膜的许多研究人员来说,他们都未能获得满意的结果。

在缓冲层中采用GaN的方法,只有在非常特定的成膜条件下才会取得成功。但是只要取得成功,便可制成平滑且高质量的薄膜。而在缓冲层中采用AlN的方法,平滑膜生长的条件范围很大。任何人都可以进行再现实验结果。但是难以制成高质量的薄膜。


偷懒都带来了成功

 中村在1991年1月成功地制成了以GaN为缓冲层的高质量GaN膜。下一个课题是制作p型GaN膜。通过向GaN膜中加入杂质,可以简单地制成n型膜。但却难以制成p型膜。

当时名古屋大学的研究小组制成了向GaN中添加Mg作为杂质的薄膜,而且获得了通过向该薄膜照射电子束、制成p型GaN膜的实验结果。中村也仿效了这一方法。但这次实验进行得非常不顺利。虽然将试料放到扫描电子显微镜中照射了电子束,但是一点都未能形成p型。

 

 在改变各种条件推进P型膜制作的过程中,一件小事却成全了p型膜。这就是采用荧光体评测用装置而非电子显微镜进行电子束照射后,材料形成了p型。日亚化学工业的主力产品是CRT中使用的荧光体。日亚化学工业有许多在加热荧光体的过程中照射电子束,然后评测发光状态的装置。只有采用这种装置制作的材料在照射电子束后形成了p型。

但是,并不是采用该装置制作的所有材料都能形成p型。偶然形成p型的试料,其实是由一个偷懒的行为带来的结果。评测荧光体时,需要一边加热载物台一边照射电子束。下一次使用该装置时,要等到加热的载物台冷却后才能使用。而形成p型的材料,就是中村偷懒,未等到载物台冷却便照射了电子束的那些试料。

 

成功了!发光了!还太暗!

 

不过,只照射电子束是不行的。中村通过一边加热试料一边照射电子束,首次制成了p型膜。这是一个新发现。不过,中村不知道为什么这样做就可以形成p型。反复思索后中村得出的结论是:其实不需要照射电子束。中村的感觉是对的。进行实验后发现,只进行加热也可以制成p型膜。这个发现推翻了原来的需要照射电子束的定论。这样可以比原来预想的简单地多地制成p型膜。

 

评测二极管发光状态的中村首次观察GaN二极管的发光情况是在1991年3月。

n型膜和p型膜制成后,剩下的就是二极管了。中村在1991年3月试制出了pn结[pn结发光二极管可以说是只接合p型和n型半导体的、构造最简单的发光二极管。向pn结中加载正向偏压,然后注入少数载流子。此时,作为少数载流子的电子处于偏离热平衡状态的高能量状态。该电子与作为多数载流子的空穴复合时会发光。利用这种发光现象的就是pn结发光二极管]型GaN发光二极管,并观测到了首次的发光情况(图4)。二极管终于发光了。当时大家都以为中村一定会高兴得蹦起来,结果中村在看到发光后反而多少有些失望。在发光层中采用GaN的发光二极管发出了紫外线。(注:光谱由材料能带决定)用肉眼来看的话,即便是奉承,也无法说达到了明亮的程度。听到喜讯赶来的社长轻声嘟囔道,"好暗啊。这样可没法作为商品出售"。


pn结GaN发光二极管亮度为数mcd。由于是紫外线发光,因此外表较暗。 

 

 让中村更加失望的消息也在此时从美国传来。这就是美国3M公司采用II-VI族的ZnSe类材料,成功实现了蓝绿色半导体激光器的振荡发光。"完了。让II-VI族抢先了。对手甚至跳过发光二极管阶段,直接成功地实现了半导体激光器"。就在成功近在咫尺的时候,中村却完全陷入了意志消沉的状态。杂志和学术期刊更是争先恐后地报道:"蓝色发光基本上就是II-VI类族了。GaN希望渺茫"。


目标是激光器

 就在此时,美国的一个学会向中村发出了邀请,请他去做特邀演讲。虽然请示了社长,但得到的答复如同中村预想的那样是"不许去"。日亚化学工业禁止员工在学会发表任何成果[当时,日亚化学工业按照社长的方针,完全禁止员工向学会投稿或进行学会发表。但是,中村曾经有过一段因为没有写论文而在美国不被认可为研究人员的痛苦经历,他偷偷地向学会寄出了论文。除了中村以外,在日亚化学工业甚至没有人会阅读杂志和学术期刊,因此即便发表了论文也不担心会被发现。论文写作是在休息日进行的。中村甚至有过休息日在公司正对着电脑写论文时社长到来,结果中村慌忙拔掉电源开关的经历])。即便是特邀演讲也不例外。虽然美国学会盛情相邀,但中村不得不拒绝了邀请。不过,对方也非常执着。他们以为被拒绝的原因是因为日亚化学工业是一家中小企业,拿不出差旅费,便又再次发出了邀请:我方负责差旅费和住宿费,希望能到会发表演讲。

 

中村给美国的学会写了回信:"如果想让我去发表演讲的话,请给我们社长写封信。只要社长不同意,我就无法去发表演讲"。不久,社长收到了一封长信。被对方热情所打动的社长,勉强答应了。不过,费用由日亚化学工业承担。社长表示"没有比免费更可怕的事情了"。

 

强忍着被ZnSe抢先的失望感,中村向美国出发了。他在美国第一次知道了ZnSe类半导体激光器的全貌。当听说寿命还只有秒级的时候,中村非常欣慰。他试制的GaN类pn结发光二极管的寿命已经超过1000个小时。他还没有输!

 

向周围的人询问后才知道,原来大家其实都已经知道了"ZnSe类虽然可以振荡,但寿命较短"这个事实。只有一直被禁止参加学会活动的中村不知道,才独自一人陷入了意志消沉的状态。

 

总之真是太好了!中村原本是强忍着失望出发到美国的,回来的时候却是精神百倍。下一个研究目标已经决定。他豪迈地表示"绝不输给ZnSe。要用GaN制造出半导体激光器"。要想制造半导体激光器,就不再是pn结,而必须实现双异质结构造了 [双异质结结构是指通过能隙大于发光层的半导体层来夹住发光层的结构。发光层和周围半导体层之间的接合,两侧都是异质结(指不同材料间的结合,相同材料间的接合称为同质结)。向pn结中加载正向偏压时,注入的载流子并不是都从一个能带过渡(复合)到另一能带。载流子的大部分都流出电极被浪费了。采用双异质结时,发光层的能隙小于周围。因此,可以将载流子锁在发光层中,提高复合概率。双异质结结构用于高亮度发光二极管和半导体激光器中]。中村回国后立即着手制作实现双异质结结构所需要的InGaN膜。他很有自信。因为他相信只要做就一定会成功。

 

但是,难题一个接着一个。在中村刚开始实验,就碰到了一个很大的障碍。而且问题还出现在意想不到之处。

 

五、难关突破,终于投产,一鼓作气开发激光器
1992年4月,从美国学会讲演归来的中村为了开发出双异质结构,埋头研究InGaN膜的生成。如果将双异质结构导入到GaN发光二极管中,亮度应该会大为提高[当时已完成的是pn结型发光二极管。pn结型仅仅将p型与n型半导体进行接合,构造简单。对pn结施加正向偏压以注入电子,当电子在空穴(Hole)中再接合时便会产生光。而双异质结构的发光二极管,则在能隙(Energy Gap)比发光层更大的半导体层夹入了发光层。发光层与周围半导体层之间的接合方面,两侧均为异质接合(不同材料间的接合)。在对pn结施加正向偏压时,所注入的载流子(Carrier)并不会全都从能带向能带迁移(再接合)。载流子的大部分将流出到电极,对发光不做贡献。如果是双异质型发光二极管,则发光层的能隙比周围更小。因此,载流子被关闭在发光层中,再接合的概率提高。所以,如果采用双异质结构,可将亮度提到比pn结型更高]。


从这一时期开始,中村的研究小组才得到资金及人才的投入。这是社长的决心产品化的体现。对于GaN发光二极管的研究,日亚已投入了数以亿计的金额。从公司角度来看,这个决策如同从京都清水寺的舞台上纵身一跳,生死只有天知道。终于等到了GaN发光二极管发光的这一天。所以公司希望尽早把其变成畅销产品。作为决定投资的对象,社长对其寄予的期待之大不言自明。


然而,这种期待成了阻碍中村前进的障碍。社长认为哪怕稍微暗点也没关系,成天着急着要把pn结型发光二极管产品化。而中村已看透了pn结型发光二极管的局限性,希望将研究推向更深层次。因为他拥有短时间内拿出成果的自信。


不顾众人反对,发起攻坚战


中村决定先从"中央突破"来打开局面。他想方设法向社长介绍改用双异质结构的必要性,希望得到社长的理解。然而,这一努力没有收效。社长主张早日投产,毫不让步。

既然如此,中村只好改变"作战方针"。中村决定表面上听从社长的意见。不过,只是听听而已。公司会议上,社长要求"赶快投产pn结型产品"。"是是,知道了",中村满口答应。虽然答应下来,但其实中村丝毫没有推进pn结型产品化的意愿。中村全然不顾公司的想法,把自己关在实验室里一门心思开始双异质结构研究。

 

果然不出中村所料,InGaN膜的生长实验只用了2~3个月即有了眉目。之后,在1992年的9月份,双异质结构的GaN发光二极管终于试制成功了。虽然成功地发出了光,可是还比较暗(图1)。中村拿给社长看,得到的评价是,"是你制作的啊,还是很暗"。

 


实现双异质结构 1992年9月,试制出双异质结构的蓝色发光二极管,并成功实现发光(a)。不过,此时还称不上高亮度。但是,这一成功,在开发现已生产出产品的高亮度蓝色发光二极管(b)方面是重要的一步。(a)首次发光的双异质结构蓝色发光二极管(b)现已生产出产品的双异质结构蓝色发光二极管 

 

虽然还很暗,但能够在GaN材料上制作成功双异质结构,并且还发出了光,这本身就具有划时代的意义。其未来将具有无限的发展潜力。中村决定以论文的方式让世界来给出评判。他瞒着公司,持续在研发取得关键性进展时投稿论文。

 

论文在欧美的研究人员中引起了巨大反响。表示赞赏的书信、索要中村过去所写论文的增印本的书信络绎不绝。然而,"在日本根本得不到承认",中村回忆当时的状况时这样说。"日本的研究人员不是通过成果内容,而是通过公司名或者大学名来判断论文的可信度的吧。我试着询问过几位研究人员,回答说'当时根本不信'的人居多。等高亮度蓝色发光二极管变成了产品,才急忙去读过去的论文的人估计有不少"(中村)。

 
孤独的研究者
 

按照公司的规定,在学会上发表论文是被禁止的。论文秘密地投稿不会被公司知道,而在学会上发表的话可能就瞒不住了[在当时,公司规定禁止在学会发表演讲和投稿论文。然而,这一时期中村却投稿了多篇英文论文。在公司里,因为除了中村以外没有其他人订购英文论文杂志,因此不必担心投稿被公司知道。然而,如果在日本国内学会上发表的话,未必不会被公司知道]。因为在日本国内召开的学会,公司的研究人员会去听听。

 

不过,参加学会的意义已变得越来越小。这是因为,无法与其他研究人员进行深入的讨论。虽然对中村发表论文的那项成果信以为真的人较少是原因之一,但最主要的是中村太超前了。中村已不需要从学会上得到什么技术了。产品化成功的那一瞬间正在逼近。中村停止了一切学会活动以及论文投稿,精力只集中在GaN蓝色发光二极管的产品化上。产品化进入了倒计时阶段。

 

 这以后的进展是惊人的。为什么光线较暗的原因中村很清楚。第1个原因是,发光波长为紫外线。所以首先将其变成眼睛可见的蓝色光即可。为此,中村决定在发光层InGaN中添加作为发光中心的杂质注3)。这样一来,所发光的波长从420nm跃升至450nm,人眼可见的亮度达到以前的4倍。这是1992年12月的事情。然而快速推进的步伐并未因这一成功而停顿。通过进一步调整膜的生成条件,逐渐提高结晶性。亮度在一天天地不断增高。

 

迅速提高的发光亮度双异质结构实现了之后,这种蓝色发光二极管的亮度与日俱增不断提高。从最初的试制后过了约半年,亮度就上升到以前的100倍,达到1cd。

发光中心是在导带与价电子带之间、即禁带中设置的杂质能级。借助这一能级,电子与正孔进行再结合,从而发光。通过导入发光中心,可在采用相同能隙的半导体的同时,增加所发光的波长。
 

终于亮度达到1cd

终于来到了投产前的最终调整阶段。这一阶段主要是提高GaN膜及InGaN膜的结晶等级,以提高亮度。同时完善量产技术,提高成品率。中村断绝一切对外联络,把自己关在实验室里的日子。

 

经过这样的努力,在InGaN双异质结构发光二极管试制成功后不到1年的1993年10月,产品化的条件基本具备了。亮度达到了1cd。是当时市售的采用SiC的蓝色发光二极管的约100倍。

 

打破近1年的沉寂,蓝色发光二极管终于脱颖而出。产品发布日定在11月30日。在此之前,中村与上司一起带着引以为豪的蓝色发光二极管,到日本主要的大学及研究机构等走访了一圈。其中,对这一成功给予了最大祝福的,是日本东北大学的西泽润一校长。西泽校长当场就提出要向中村赠予博士称号[当时,中村已向其母校日本德岛大学申请取得博士称号。中村称,因此不得不割爱拒绝了西泽校长的好意]。

投产1cd的高亮度蓝色发光二极管中村展示用此次开发的蓝色发光二极管制作的显示板

受到西泽润一校长的赞赏 看到高亮度蓝色发光二极管后,

日本东北大学的西泽校长立即挥毫题词

 

由此,中村获得了挺起胸脯发布成果的自信。终于到了产品发布的前一天。虽说是产品发布,但并不像大厂商那样租用一流酒店,召开隆重的发布会。而是向日本经济新闻社的德岛支局长公开了成果的内容。中村说,由于是"亮度达到以往产品的100倍"的震撼性成果,所以支局长一开始也并不相信。虽然召开的是只有内部人员参加的小型发布会,但该新闻却发表在了11月30日《日经产业新闻》的第一版上。


接下来的目标还有很多
 

自这一天起,日亚化学工业公司里,来自媒体的采访请求、以及来自用户及同行业其他公司的咨询蜂拥而至。每天能接到40~50个电话。这种状况持续了1周多。"是这么了不起的一项成果吗",社长也慌了手脚。电話潮之后,又是一波访问潮。带着技术合作以及资助等各种提案,访问日亚化学工业的人络绎不绝。


社长一个个地拒绝了这些提案。中村的"人不为者,我为之"信念终于获得了超越大企业的成果。社长同样也坚守其信念,即"不依赖他人"。此前,该公司一直凭借自己的力量进行研发。社长决定今后仍然自力更生搞下去。

 

将那些喧嚣抛到脑后,中村继续进行着研究。虽然蓝色发光二极管生产出了产品,但作为研发目标的半导体激光器尚未完成。

 

另外,蓝色发光二极管完成后,消费者对绿色及蓝绿色发光二极管的需求变得愈发强烈。如果将此次完成的蓝色发光二极管,与早已产品化的红色及绿色发光二极管组合在一起,就能制造出全彩色显示的显示器。但是,与蓝色及红色二极管的高亮度相比,绿色二极管的亮度较低。需要有更高亮度的绿色发光二极管。

 

采用发光二极管的大型全彩色显示器面世照片为近畿日本铁道开发、并于1995年1月设置在日本上本町火车站中央大厅的显示器。像素数为320×240 

 

 

另外,红黄蓝3色发光二极管至此都已制造出来,将其应用于信号灯的大门也就由此打开。不过,日本的绿色信号灯的颜色是蓝绿色。所以还需要开发与此相匹配的发光二极管。

 

 力争实现能带间发光

中村首先完成了蓝绿色发光二极管。目前,采用这种发光二极管的信号灯已面世,并获得了实用。剩下的是激光器以及高亮度绿色发光二极管了。


信号灯上所采用的蓝绿色发光二极管
 

当时在日本爱知县以及德岛县进行了试验性设置。采用发光二极管的信号灯由于不发光时无色,因而可防止误认。

 

要想采用GaN材料制造出蓝色半导体激光器,存在着2个难题。第一个难题是,需要实现半导体激光器所需的能带间发光[现在生产的发光二极管如果进行能带间发光,则会发出紫外线光,因此,此前一直是通过将发光中心导入发光层,借此实现蓝色发光。然而,用这种方法制造不出半导体激光器。不过,如果能增加发光层InGaN的In浓度,并夹持InGaN的能隙的话,则可通过能带间发光得到蓝色。如果能进一步提高In浓度,则可相应地夹持能隙,从而实现蓝绿色及绿色发光二极管以及半导体激光器]。在夹持InGaN的能隙的情况下,可通过能带间发光得到蓝色。通过进一步夹持能隙,还可实现绿色发光二极管以及半导体激光器[在InGaN中,通过改变In与Ga的比率,能够改变能隙。如果逐渐增加Ga,能隙可扩大到最大6.3eV,相反如果逐渐增加In,能隙可缩小到最小2.0eV。通过这样改变能隙,在红色直到紫外线的波长范围内,可制作出任意光色的发光二极管。不过,越是增加In,则制作结晶性较好的InGaN膜将变得越困难]。

 

 另一个难题是,在GaN材料上制作出激光器振荡所必需的构造。目前的半导体激光器采用以镜面覆盖双异质结构发光二极管的发光层的构造,借此将光封闭在内,使光发生共振。结晶膜的劈开面[劈开面=晶体在某个特定方向上容易裂开并形成的平滑面。制作这种劈开面,称为劈开。切断半导体单晶等材料时,会利用劈开的方法。不过,根据晶体的种类,有容易劈开的以及不能劈开的之分]被作为镜面使用。但是,GaN无法劈开。必需用其他手段制作共振面。

 

能带间发光有望得到实现。比目前的蓝色发光二极管亮度更高的蓝色发光二极管以及绿色发光二极管,在不久的将来都会制造出来。

 

在剩余的难题——共振面方面,目前正在加快完善采用蚀刻法形成共振面的技术。中村充满自信地表示1995年年内成功实现室温振荡发光。

 

周围的人终于理解自己了

 

所有的事情都在顺利进行。在不被学会承认的情况下,中村坚信能够成功,因而一门心思地搞研究。其付出的辛苦结出了硕果。自此开始,局面完全改变。学会请他去发表演讲的邀请函接连不断。他的生活从终日躲在研究室里,变成了飞来飞去发表演讲。

 

研究的环境也大为改观。此前是孤独一人开展研究,如今研究员已增加到5人。中村开始主动在工作内容中增加管理工作的比重。虽然他嘴上说"因为我是凡事亲力亲为的性格,所以还有点寂寞",但看到已能独当一面的年轻技术人员的成长,中村还是满意地眯起了双眼。

 

"不过变化最大的,是得到了周围人的承认吧。过去尽管发光二极管制成了,并且发出了光,但周围的人还是不相信你。又在浪费钱,真的成功了吗,真的能赚钱吗,这么说的比比皆是。现在这种状况改变了。大家对我开始尊敬起来"。这样说着,中村不好意思地笑了。

 

六、续后篇   学者对研发报道的不同观点
 

最近,多年悬而未决的蓝色发光二极管(LED)终于实现了产品化。身为一名材料研究人员,笔者对此成就自然不胜欢喜。《日经电子》长篇详细报道了日亚化学工业取得的业绩,并聚焦核心人物中村修二进行了连载报道。
 

在拜读了这些报道后,笔者感觉文章对GaN LED开发历程的认识与自己的观点有较大差异,因此想借此机会,在回顾开发历史的同时,阐述一下一名研究人员的意见。
 

GaN LED开发历史
图1将英国电气工程师学会(IEE)的数据库INSPEC-A (收录文献约290万篇)中以GaN为关键词收录的758篇论文按照年份进行了细分。当然这一收录未必囊括了所有论文,而且有些论文可能与LED也无多大关系,但从中仍可以看出研究的发展趋势概貌。

 

GaN相关论文的数量在不同年份的变化  

从图中可知,1968年首篇论文发表,1969年有关结晶生长的论文发表。相关研究在20世纪70年代达到一个高峰,论文数量在20世纪80年代数量基本固定,而进入20世纪90年代后开始激增。

 

制造具有实用性的高亮度LED需要采用多项重要技术。表1列出了这些技术的最初实现年代及发明者姓名。对照图1来回溯上述历史过程就会发现一个有趣的现象。在1969年材料合成取得成功的促动下,研究活动在20世纪70年代活跃起来迎来了一个研究高潮。最初的LED及光激发激光器在20世纪70年代初期就已经实现。但由于存在未能实现p-n结型、发光强度不足等重大缺陷,之后论文数量趋于减少。

 

GaN类半导体的主要研究成果  

 

不过,进入1991年后论文数量再次出现激增。估计这是受到了1989年实现p型层的影响。接着,1992年实现高效LED,1993年实现蓝色LED,研究活动变得更加活跃,本年度(指本文发表的1995年,译者注)论文数量将一步增加。1991年论文数量开始迅速上升,其契机正是源于p型层的实现。当时由于其他难点都已得到解决,p型层这一最后的障碍得以清除,所以立即有大量研究人员投入到了研究之中。 
 

通过回溯历史可以看出,名古屋大学赤崎勇教授(现为名城大学教授)的研究小组在LED基本结构的研究上可谓功不可没,之后日亚化学工业的中村修二为开发实用性LED做出巨大贡献。从这一历史过程来看,此次《日经电子》的报道仅涉及到了后者,令人感觉有失偏颇。


日亚GaN研究的启动过程

1986年笔者到美国佛罗里达大学从事MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,金属有机物化学气相沉积)研究。当时笔者对在Si晶圆上使GaAs实现结晶生长的研究前景感到不安,所以对宽能带隙半导体进行了调查。在对II-VI族半导体及黄铜矿半导体等进行调查之后,笔者在1987年得出的结论是GaN类半导体最为有望。主要理由有两点,一是与II-VI族半导体相比,虽然研究人员数量较少,但成果却较多;二是存在的问题也比较明确。

 

当时笔者认为GaN类半导体的问题在于:(1)大量的N空穴起施体作用,难以实现p型,(2)由于AIN、GaN、InN的生长条件大为不同,因此混合在一起的结晶生长颇为困难。

 

1988年笔者决定到德岛大学赴任之际,日亚化学工业启动了GaN LED的研究。当时笔者考虑,如果V族原子(氮)的空穴是问题的根源的话,那么用V族原子填埋即可解决该问题,所以通过添加P(磷)、As(砒),或者C(碳)来填埋的话,就有望形成受体。笔者将此想法提案给日亚化学工业,该公司开始了研发尝试。另外,为了降低生长温度,笔者还提出了用有机氮化合物来替代氨的方案,该公司也同样进行了尝试。


为了以二元多层薄膜替代三元混合结晶,1988年笔者设计出了可形成多层薄膜的特殊MOCVD装置。之后,中村通过改进该装置,开发出了Two-Flow型MOCVD装置。


3

从中村修二到诺奖之路 

作者:鲍海飞   来源:科学网博客

 

这几天,诺贝尔奖又成了这一年科研人员万众瞩目的时候了,而诺贝尔物理奖更是重中之重,今年诺贝尔物理奖授予了日本的科学家Isamu Akasaki(赤崎勇), Hiroshi Amano (天野浩)和 Shuji Nakamura(中村修二),其主要工作是成功研制出一种有效的、环境友好的光源---蓝光发光二极管。有很多人觉得意外,认为它简单,不应该被授予诺奖,也就有了一些所谓的不公平和抱怨之声。

 

然而事实是,这的确是一次继爱迪生发明的灯泡之后,在凝聚态固体物理上一次划时代的光革命。就如同人类从未停止对火,对电,以至于到对光的追求、应用和研究始终没有停下脚步一样,人类始终对光有一种热切的渴望和向往。因为,光代表了生命,光代表了希望。而其中半导体上的蓝光更由于其代表了继红光、绿光二极管之后近三十年没有解决的问题,从此有了突破性的进展,以至于今天的实用化了

 

这几天,看到不少文章描述今年的物理诺贝尔奖的人物介绍,虽然授予了三个日本人,然而人们格外青睐其中的一个美籍日裔的科学家,一个被誉为当代爱迪生的叫中村修二的科学家,他的风头早把另两个人盖了过去,似乎只有他才是真正的得奖者。我想其中是有一定原因的。虽然很多人都在研究相关类似的工作,但只有他才是突破技术瓶颈的人,却得了成功。这类似于蒸汽机发明史上,瓦特成了其中一个重要的技术突破者和代表人物。

 

从客观的技术层面上讲,中村是第一个寻找到了一种有效的技术途径研制出了高效率的蓝色发光二极管,利用金属有机化学化学沉积的方法(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长出了基于掺Zn的InGaN的高亮度发兰光的二极管,人们由此找到了该器件通向实用化的道路。

 

从主观人的层面上来讲,中村代表了一个普通的科研人员的奋斗史,他即没有显赫的身世背景可炫耀,也没有堂而皇之的大学殿堂美名来依托,更没有大树底下好乘凉的地方可依赖,只凭借个人的研究和坚忍不拔的奋斗解决了其它大学、研究所众多科研人员一直没有解决的问题。影响半导体发光效率的关键是有源层材料的选取、界面晶格失配缺陷和结构层内的各种缺陷等。

 

在研究的道路上,中村修二无疑是个勇者,具有‘明知山有虎,偏向虎山行’的性格特点,而这无疑来源于他在生产实践中积累了丰富的经验有关。他具有较强的动手能力,勇于思考,善于学习,敢于挑战的性格是分不开,因此,在积累了其它种材料外延生长技术之后,他敢于向未知的蓝光挑战。重要的一点是,他能够跟踪和把握住当时技术发展的动态,了解市场的关键需求。如在信息存储方面,若光的波长越短,光盘信息的存储密度就越大;在半导体光源中,唯独缺少蓝光,而形不成白光,因此,人们对蓝光有迫切的需求。而这些都不是坐在办公室里面天马行空想、高谈阔论出来的,完全是他个人努力追求的结果。此外,他在研究道路上的干劲,更来源于他个人受到环境生存压力的影响,“即使获得了成功,在那些企业里,个人也永远得不到薪水和职位提升的空间(大意)”。这使他迫切意识到自己所处的环境状态,于是更加明白自己需要什么,应该做什么。只有通过自己的不断努力,才能不断寻求个人成长空间的突破,才能逐步提升自己的人生价值。

 

中村修二代表了一个平平凡凡的科研工作者,是一个从底层一线干起来,摸爬滚打出来的。想想我们自己身边的同事。不是也能经常看到这样的身影吗:他们不辞劳苦,任劳任怨,踏踏实实,认认真真地工作。但中村修二无疑更是一个真正懂得做实事的人,有着明确目标、理想和方向的人。敢于做别人不敢做,敢于想别人不敢想。而我们经常的不是好高骛远,就是望洋兴叹,忘记了脚踏实地,忘记了寻找自己方向,甚至都不知道自己的人生方向。有时候,我们不是没有目标,而是没有坚持,而有时候,我们不是不能坚持,而是没有方向。从这一点上来说,中村修二的人生目标是明确的,工作的态度是认真的。

 

中村修二无疑是一个有智慧和胆识的人。在他工作的环境,不允许发表文章和专利,他居然偷偷地发表了。而这一发表,不但给他工作的企业带来了生机,也给他自己带来了第二次生命。在他离职时,原来公司要求他三年内不许从事蓝光的研制工作,他断然拒绝签字,其中各色滋味只有本人才知晓。从此,人们知道有这样一个科研工作者,他制造出了高亮度的蓝光二极管。从此,世界的大门便向他敞开了。敢于突破封锁,敢于打破陈规陋矩,敢于冲破那些所谓的‘不允许’的清规戒律,敢于说‘不’,是需要胆识的。作为智者,一天不能只傻干活,一定要悟出道理,一定要把有价值的东西变成激光照排的文字,变成沉甸甸的油墨字才是硬道理。

 

发表的意义不言而喻。这不由得让人们想起了学界的那句名言:publish, or perish! 不发表,便死亡!真是这个道理。如果不发表,那么谁知道你的工作?谁会承认你的工作。只有做出了真东西,那才是实打实的真货,才有显示度;而只有印刷到了纸上的文字,那才是永远改变不了的档案、那才是永远抹不掉的印迹和功勋。

 

中村修二无疑是一个幸运儿。在别人几十年都做不出来的东西,在他的手里,居然三个月就成功了,虽说里面有巧合的成分,但是幸运真的只垂青那些能够抓住机遇的人,而他抓住了。在他感觉到自己的职业生涯、甚至人生生涯没有出路的时候,这时候,‘穷则思变’的他选择了大美利坚,而大洋彼岸的大美利坚正翘首以盼、早就按耐不住内心的狂喜,人才啊!快来吧!那可是‘百万军中取上将人头,如探囊取物耳’的人才啊!无疑如获至宝,对他仁爱有佳,收入囊中。因此,作为年轻人,如果觉得一个地方不适合你,而你还有一份雄心,那么你就尽快收拾好行囊重新选择自己的道路吧。人挪活!

 

诺贝尔奖为什么非得授予那些无比玄妙、琢磨不定的东西呢?那些看不见、摸不着的东西就高雅吗?有时候我们过于好高骛远,更多时候又眼高手低。授予这些实用、有用的东西有什么不好?大道至简!既然认为它简单,但是为什么那么多象牙塔内的学者们就是没有摸到芝麻开门的钥匙呢?难道其中只是个简单的工程技术问题吗?事实上,其中还包含着我们尚不是十分清楚的物理机制和发光过程等。所谓:人间正道是沧桑。

 

一个造福于民的东西,能给人们带来福音的东西就是好东西。若诺贝尔先生健在,他一定会举双手赞成的。

 

从事科学研究,拼的是什么呢?拼的不是高端的设备,拼的不是单纯的技术,拼的不是大科学大项目,而是要拼一股干劲,拼一股持久的干劲和创造探索的劲,更要拼的是智慧和眼光,还有机遇、胆识、魄力和坚韧不拔。

 

这正是:精诚所至,金石为开;又道是:万丈高楼平地起,苍天不负有心人。这的确是一个平凡的科技工作者创造的不平凡的人生传奇。性格决定命运,眼界造就人生。


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