►獲諾獎前的中村修二（ShujiNakamura，1954～）
作者按：
在中國，不僅生產高端芯片用的光刻機嚴重受制於人，生產LED芯片用的MOCVD設備也嚴重依賴進口。MOCVD設備是LED芯片生產過程中最為關鍵的設備，也是LED芯片製造環節中最為昂貴的設備。很長一段時期裡，只有美國的Veeco、德國的AIXTRON、日本的日新電機和日本酸素能夠生產這種設備。由於日本限制MOCVD設備出口，所以Veeco和AIXTRON長期壟斷了全球90%以上的市場，而全球70%左右的MOCVD設備均銷往中國。可想而知，中國為此付出了多大的代價！然而，這種新型的化學氣相沉積設備卻是在氣相外延生長（MOVPE）技術的基礎上發展起來的。而當年一位名不經傳的日本普通大學碩士畢業生中村修二在日亞這個鄉鎮企業就研製出了雙氣流MOVPE，從而為率先發明高效率藍色LED奠定了基礎。讀罷這個精彩紛呈的動人故事，不禁令人唏噓再三。
撰文 | 周程（北京大學科學技術史教授）
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
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LED是Light Emitting Diode（發光二極管）的縮寫。它的心臟是一塊半導體晶片。LED的主要優點是壽命長，可達到10萬小時，而白熾燈的壽命通常只有1千小時，熒光燈的壽命也只有1萬小時左右。所以，LED很早就被用來製作交通信號燈和汽車尾燈。而且，LED屬於冷光源，沒有紅外和紫外耗損。因此，在同樣亮度下，LED耗電量大約僅為普通白熾燈的十分之一，熒光燈的二分之一。目前，照明消耗了全球發電量的近四分之一，超過了水力和核能發電量的總和。若今後全球逐步改用LED照明，必將會產生巨大的節能環保效益。
►大量使用藍色LED進行裝飾照明的水立方
科研人員在研製LED過程中，首先攻克的是波長比較長的紅外和紅色LED，其次是波長稍短的黃色LED和綠色LED，之後才是波長更短、研製難度更大的藍色LED。有了紅、綠、藍三種基本色光之後，人們便可以複合出光譜中的任何一種色光。換言之，沒有藍色LED，全綵LED顯示便不可能實現。而且，沒有藍色LED，也就不可能有白光LED照明。因此，2014年度的諾貝爾物理學獎授予了為攻克藍色LED作出開創性貢獻的三名科學家：赤崎勇、天野浩和中村修二。
►顏色與波長的關係
赤崎勇和天野浩是師生關係，他們在日本的著名高等學府——名古屋大學研製出藍色LED也許並不令人感到特別意外。但是，攻克高效率藍色LED技術難題的中村修二隻是一名普通大學的碩士畢業生，而且他所在的日亞化學公司當時只是一家位於偏僻的四國島上、員工不超過200人的小型家族企業。由於不少員工農忙時還要請假回家幹農活，所以說其是鄉鎮企業，似乎一點都不過分。
►日亞化學公司總部所在的地理位置
藍色LED的應用前景極其廣闊，其市場規模也非常龐大。這項關鍵核心技術怎麼會被一位普通碩士畢業生在一家小型家族企業一舉攻克？接下來，就基於中村修二本人的自述、日亞公司技術負責人寫的著作以及諾貝爾獎委員會公佈的資料，給大家描述一下中村修二在日亞公司“發明高效率藍色LED，帶來節能明亮的白色光源”的過程。大家讀完後或許會發現，攻克關鍵核心技術、開展顛覆性技術創新雖然沒那麼簡單，但是也沒有一般人想象的那麼難！關鍵是要得法。
研究生入職鄉鎮企業
中村修二1954年5月22日出生於日本四國島上的愛媛縣。其父是日本四國電力公司一名主要負責變電站維護保養的普通員工。中村修二在家排行老三，上面有一個姐姐和哥哥，下面還有一個弟弟。中村修二讀小學二年級時跟隨全家由愛媛縣西南部的西宇和郡搬遷至愛媛縣西部的大洲市，並在那裡讀完了市立小學和初中，以及縣立高中。
1973年4月，中村修二考入四國島上的一所普通國立大學——德島大學的工學院電子工程學系。1977年3月本科畢業後，中村決定留在多田修教授的實驗室從事半導性鈦酸鋇的物性研究。入學不久，他就與在德島大學附屬幼兒園工作的一名女同學結了婚。第二年，妻子為他生了一個可愛的女兒。在這種情況下，中村修二不得不考慮留在德島發展。最終，其導師多田教授把他推薦給了自己的同鄉好友——日亞化學工業公司總裁小川信雄。
►中村的母校——德島大學
日亞當時是一家總部坐落在德島縣阿南市的小型家族企業，創立於1956年，主要生產顯像管和日光燈用熒光材料，1979年的年銷售額在30億日元左右。儘管當時的員工數不超過200人，且大多是當地的農家子弟，但它卻是日本最大的熒光材料生產廠家。
1979年4月，中村修二正式加盟日亞公司，成了該公司第一個學電子工程出身的員工，並被安排到了主要從事新產品開發的開發科。雖說是開發科，實際上除科長外，只有兩名全職研究開發人員。當時，主要生產化工材料的日亞正在思考如何拓展經營範圍。產品銷售部門提供的信息表明，發光半導體材料市場前景很大，日亞可以從製備紅色發光二極管用磷化鎵（GaP）多晶體入手，逐步擴展產品線。這樣，如何製備磷化鎵多晶體便成了開發科的主要研究課題。
►中村在自制的電熱爐前
攻克一個又一個難關
進日亞時，中村並沒有想到自己可以從事與材料物性有關的研究，因此當接到磷化鎵多晶體研製任務時，感到非常興奮。但他啟動研究後發現，在日亞這樣的小型化學公司研製磷化鎵多晶體需要解決的難題實在太多。經過不斷的探索，中村在進入日亞後的第三年，終於掌握了製備磷化鎵多晶體的技術訣竅。
中村修二進入日亞公司的最初九年，應銷售部門的提議先後開發出了三個產品：磷化鎵、砷化鎵和砷化鋁鎵。無論是試製磷化鎵和砷化鎵所需的水平布里奇曼法裝置，還是試製砷化鋁鎵所需的液相外延生長法裝置，都是由中村、或者是由中村帶領人研製出來的。在試製磷化鎵和砷化鎵過程中，為了節約研究經費，中村經常使用焊接設備將已經使用過的石英管拼接起來繼續使用，從而練就了一手高質量地焊接石英管的絕技。這對其後來改造氣相外延生長裝置，研製氮化鎵半導體薄膜幫助甚大。
在日亞公司歷練九年之後，中村深刻地意識到，在日亞這樣的小公司開發新產品，即使起步比較早，也難保不被大公司迎頭趕上乃至全面超越。因此，小公司開發絕對不能跟風、模仿，必須另闢蹊徑、獨樹一幟。基於這種認識，中村認為日亞有必要啟動當時連很多大公司都望而卻步的藍色發光二極管研究。
令中村感到意外的是，小川總裁當即就批准了他的研究開發計劃，並答應為此項目提供3億日元研發經費。1988年的日亞年銷售額不到200億日元，這稱得上是一筆鉅額投入。
研製藍色發光二極管，需要有金屬化合物氣相外延生長（MOVPE）裝置。因此，日亞決定派遣中村到美國佛羅里達州立大學MOVPE項目組進修學習一年。
►中村進修過一年的佛羅里達州立大學
1988年，中村修二赴佛羅里達州立大學學習金屬化合物氣相外延生長法時，由於學歷和地位不高，不得不使用閒置的零部件自行搭建MOVPE裝置。這樣一來，在美國的最初九個月幾乎和他在日亞的最初九年一樣，大多數時候都在從事焊接、配管等作業。如果沒有經歷這段時間的磨鍊，很難想象，他返回日亞公司後敢對花鉅款從美國進口的MOVPE裝置進行隨心所欲的改造。
在美國進修時，中村修二就已決定迎難而上，使用氮化鎵來試製藍色發光二極管。由於沒有現成的生長氮化鎵之類半導體薄膜用的MOVPE裝置，所以日亞公司只能從美國訂購了一套主要用於生長砷化鎵半導體薄膜的MOVPE裝置。使用這套進口裝置試製氮化鎵半導體薄膜不可避免地會遇到很多困難。
首先遇到的難題是，使用線圈在反應室外部加熱時，反應室內的配管和噴嘴只能用石英之類非金屬製作，因此不便調整。採用電阻絲加熱器在反應室內加熱時，電阻絲很容易受到氨的腐蝕，從而發生斷路。這個難題後來被“工匠出身”的中村非常巧妙地解決了。這項改進意義重大，因為此後反應室內的配管和噴嘴便可以使用金屬材料來加工製作，因而配管的走向和噴嘴的形狀可以根據需要隨時加以改變。
其次遇到的難題是，以單氣流的方式將氮化鎵反應氣體和運載氣體一併噴向基板上方時，氣體會在高溫基板上方形成對流，因而難以在基板上沉積出高質量的半導體薄膜。中村受日本學界的研究啟發，覺得讓反應氣體和運載氣體由水平方向噴向基板，同時讓另一股惰性氣體自上而下噴向基板，有可能會起到有效抑制對流的效果。按照這一思路，中村又對實驗裝置進行了一系列改造，並於1990年在藍寶石基板上試製出了氮化鎵單晶體薄膜。
►中村研製的雙氣流MOVPE裝置
正是因為在不斷試錯的基礎上於1990年研製出了上述這種加熱器放置在反應室內的雙氣流式MOVPE裝置，中村才能在比較短的時間內試製出一批製備高效率藍色發光二極管所需的半導體材料或器件。譬如，使用上述這種特殊裝置，中村用氮化鎵作低溫緩衝層於1991年初試製出了質量遠高於競爭對手的氮化鎵單晶體薄膜。
上述這種雙氣流式特殊裝置，也為中村開展氮化鎵摻雜研究帶來了很多便利。實際上，中村早在1991年3月就已試製出了P-N結型氮化鎵發光二極管，只是這種二極管通電後發出來的光是青紫色的，而且不是很亮。為此，中村團隊嘗試著在氮化鎵中添加少許銦，以改變發光波長。使用上述雙氣流式特殊裝置，中村團隊很快就掌握了能發藍光的氮化銦鎵結晶薄膜的製備訣竅。
►中村等人開發的藍色LED基本結構
此後，中村團隊又開始向雙異質結髮起衝擊，因為採用雙異質結，可以提高電子在發光層中的複合概率，從而提高發光效率。使用上述雙氣流式特殊裝置和剛剛掌握的氮化銦鎵結晶薄膜製備技術，中村團隊又成功地試製出了氮化鎵/氮化銦鎵雙異質結髮光二極管。之後，又通過給氮化銦鎵摻少許鋅和硅，獲得了發光亮度更高的氮化銦鎵摻雜結晶。1993年3月，中村團隊又進一步將雙異質結髮光二極管的發光波長調整到藍光範圍，並大幅提高了其亮度，為當年正式投產氮化鎵基雙異質結型高效率藍色發光二極管奠定了基礎。
總之，如果沒有雙氣流式金屬化合物氣相外延生長裝置，很難想象中村修二團隊在1993年就能掌握批量生產高效率藍色發光二極管的關鍵核心技術。換言之，正是因為中村能夠設計製作出全球唯一的先進實驗裝置，他的團隊才能率先開發出全球第一個高效率藍色發光二極管。
1993年11月30日，日亞召開產品發佈會，正式宣佈高效率藍色發光二極管開始投產，並從即日起對外銷售。緊接著，日亞又於1995年9月開發出了亮度為黃綠色60倍的純綠色LED；一年後，即1996年9月又將白色LED推向市場，從而拉開了白色LED照明的序幕。
►白色LED照明燈具
自己動手豐衣足食
在科學日益技術化、技術日益科學化的今日，自行改造或設計製作實驗裝置，確保其先進性和唯一性，在一些情況下已成為開拓研究領域、催生源頭創新、推動前沿突破、攻克核心技術的前提條件之一。使用別人已經使用過的實驗裝置開展研究，無異於跟在先行者後面去海邊拾貝殼，雖然偶爾也能夠獲得一些意外的發現，拾得幾個漂亮的貝殼，但其概率要遠小於先行者。因此，對於從事實驗研究和技術開發的科研人員來講，沒有什麼事情比率先獲得最先進的測控儀器和實驗設備更令人高興的了。
但是，最先進的測控儀器和實驗設備靠金錢是很難買得到的，即使買得到，也需要花費很多時間。所以，能否自行設計製作研究開發所需的測控儀器和實驗設備，對那些希望開展原始性創新、攻克關鍵核心技術的中國科研人員來講，尤為重要。
而科研人員要自行設計製作實驗裝置，首先得到第一線從事實驗研究，知道哪些測控儀器和實驗設備需要改進以及應朝什麼方向改進。如何只是忙著坐在辦公室寫項目申請書和論文，或者到處應酬，很少進實驗室和年輕的助手們一起動手做研究，那是很難了解真實的實驗需求的。其次不能過於依賴測控儀器和實驗設備的外購，更不能將其維修保養都一律外包。如果不肯動手搭建實驗裝置，甚至連維修、調試儀器設備都覺得麻煩，那是培養不出動手改進實驗裝置的能力的，久而久之便會完全失去自行研製實驗裝置的能力。
要而言之，欲攻克重要產業領域中那些卡脖子的關鍵核心技術，首先得解決精密測控儀器和先進實驗設備的自行設計製作問題。當很多精密測控儀器和先進實驗設備我們都能自行設計製作之時，攻克重要產業領域中的關鍵核心技術就不會像今天這麼困難！為此，高等院校，乃至中小學都有必要像日本那樣高度重視動手能力、工匠精神和創新意識的培養。
本文系根據周程發表於《自然辯證法通訊》2018年第2期上的“從實驗裝置改造能手到諾貝爾物理學獎得主——中村修二在日亞公司研製藍色LED案例研究”一文改寫而成。
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