诺贝尔获奖者中村修二与蓝光LED的开发故事（下）

　　上篇讲述了开发人员中村修二从进入日亚化学工业到选定蓝色发光二极管作为研究课题的过程。本篇将继续讲述中村从着手开始研究到成功地使选定的GaN材料生长出结晶膜的故事。为了研究蓝色发光二极管，首先必须掌握发光层——薄膜的结晶生长技术。为此，中村远赴美国学习，不过在美国则为制造装置浪费了一年时间。回国后他仍继续制造并改造装置。经过长期艰苦的努力，终于取得了初步成果……

　　中村美国短暂的学习之后，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。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。

　　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。

　　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。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……

　　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。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。中村以此为激励，成功地探索到了稳定的成膜条件。

　　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结型GaN发光二极管，并观测到了首次的发光情况。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。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”。

　　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”。

　　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。

　　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。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了。

　　成功之路

　　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。

　　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。

　　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。中村拿给社长看，得到的评价是，“是你制作的啊，还是很暗”。

　　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)。

　　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。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。

　　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，这是当时市售的采用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1993年11月30日。

　　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。电话潮之后，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。

　　此外，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。

　　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。

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责编：李杰