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中村修二与蓝光二极管的传奇

 

中村修二最头疼的是爆炸事故频频发生,爆炸总是发生在要下班的时候。巨大的声响往往传遍整个公司。“又是中村”。员工们一边调侃着,一边赶紧回家。

 

赛先生编辑部 综合撰写

 

总部位于日本德岛县阿南市的日亚化学工业(以下简称日亚),是当地颇为有名的公司,主要产品为CRT及荧光灯等使用的荧光体材料,占销售额的8成~9成。此外还制造化合物半导体材料、真空蒸镀材料、溅射靶材以及液晶面板背照灯等使用的EL(场致发光)灯等。公司成立于1956年12月。

 

1979年,中村修二从德岛大学研究生院毕业进入公司时,该公司销售额约为40亿日元,员工数量约为200名。日亚在一举成为全球闻名的公司是在1993年。这源于该公司开发出了亮度达到1cd的蓝光发光二极管,并成功实施量产。曾一度被公认“要到21世纪才能实现”的高亮度蓝色发光二极管由此顺利地进入了实用期。

 

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。中村修二当年40岁。

 

学生时代,中村当然向往到东京或大阪等大城市工作。但到了毕业参加工作时,中村却已经有了孩子。他在上大学时就结婚了。

 

“单身的话,可以留在城市闯一闯。但有了孩子的话,还是到乡下生活的好。不想因为工作而牺牲家庭”。正是这种想法最终使中村与日亚结下了不解之缘。最后,中村选择留在了当地,也就是妻子娘家的所在地德岛市。

 

日亚是中村的大学导师介绍的。虽然自己的专业是电子工程学,但中村希望从事材料开发工作,因此导师向他推荐了这家公司。不过,当中村来到日亚时却颇感意外。这只是一家员工仅200人的小型化学公司,到处都有一股刺鼻的硫化氢(H2S)的气味。“这家公司怎么这么脏啊!”,这就是日亚给中村留下的第一印象。

 

进入日亚后,,中村修二才发现他居然是该公司第一个学电子专业的员工。中村最初负责的开发课题是提炼用于化合物半导体GaP中的金属Ga材料,办公场所是由带屋顶的停车场改造的,只是在四周增加了围墙,十分简陋。

 

在开始提炼金属Ga的几个月后,营业部门要求除了金属Ga之外还要制造有望畅销的GaP。于是中村修二开始着手开发GaP。实际情况相当严峻,并没有预算。无法购买相关设备,也买不起昂贵的部件。结果,中村只能靠自己来制造有关设备。

 

要使GaP实现结晶生长,需要使用昂贵的石英管。操作时,将石英管的一端封上,在管的两端放置金属Ga和P。然后再封上另一端,对管内进行真空处理。之后加热石英管,内部的材料就会气化,相互反应便可形成GaP。最后割开石英管,将反应生成物取出就能获得GaP。

 

不过,问题是如何处理使用过的石英管。由于石英管价格昂贵,因此不能用完就扔掉。至少在日亚不能这样做。于是,中村决定将切断的石英管重新焊接起来,进行再利用。

 

从那以后中村就开始没完没了地焊接石英管。“我进入公司难道就是为了当一个焊工吗?”中村不止一次地问自己。而且最头疼的是爆炸事故频频发生。对封有Ga和P的石英管进行高温加热使,管内的压力会上升到20~30个大气压。这时,只要焊接部位有小小的损伤或是强度不足的话,石英管就会破裂。

 

早上将材料封到石英管中。下午开始加热,当温度达到最高时正好是傍晚。爆炸总是发生在要下班的时候。巨大的声响往往传遍整个公司。“又是中村”。员工们一边调侃着,一边赶紧回家。

 

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,在自己的桌子与仅靠桌子设置的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。

 

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。

 

从1982年起,中村开始着手与GaAs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膜的结晶生长。单结晶的生长方法选择的是液相生长方式。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蒙生退意。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井。这是当时中村万万都没有想到的。

 

GaN发光二极管虽然发出了光,但光线相当暗。中村下决心从pn结型结构改为双异质(Double Hetero)结构。之后开发速度迅速加快。开发也一帆风顺,在双异质结构中掺入杂质形成发光中心,实现了1cd的亮度,并最终投产。信号灯等应用产品也相继开始出现。

 

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”。

 

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。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。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。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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。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。

 

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*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。

 

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。

 

“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。”中村如是说。

 

延伸阅读:LED发展简史

 

1968年首篇论文发表,1969年有关结晶生长的论文发表。在1969年材料合成取得成功的促动下,相关研究在20世纪70年代达到一个高峰,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。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。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,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。

 

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