本文將以連載形式介紹高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管的開(kāi)發(fā)故事。本篇為中村修二從進(jìn)入日亞化學(xué)工業(yè)到著手研究藍(lán)色發(fā)光二極管的整個(gè)過(guò)程。中村在進(jìn)入該公司后一直在開(kāi)發(fā)金屬Ga、InP、GaAs、GaAlAs等單結(jié)晶材料及多結(jié)晶材料。為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，從設(shè)備到部件加工的整個(gè)過(guò)程均由中村一人完成。雖然開(kāi)發(fā)最終取得成功，并順利啟動(dòng)了業(yè)務(wù)，但產(chǎn)品卻賣(mài)不出去。焦急之下，中村選擇了藍(lán)色發(fā)光二極管作為下一研究課題，而這是一種只要能業(yè)務(wù)化必定會(huì)暢銷(xiāo)的產(chǎn)品。

總部位于日本德島縣阿南市的日亞化學(xué)工業(yè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)日亞，注1）是當(dāng)?shù)仡H為有名的公司。因?yàn)樵摴居虚L(zhǎng)達(dá)三周的夏季休假制度。員工將這一長(zhǎng)假全部用到了阿波舞的練習(xí)上。而且到阿波舞演出正式舉行時(shí)，該公司還會(huì)派出員工組成的“日亞方陣”跳上大街。

注1）日亞化學(xué)工業(yè)是總部位于日本德島縣阿南市的化學(xué)品廠商。員工數(shù)量在1994年4月為640名，銷(xiāo)售額在1993年1月～1993年12月為167億日元。主要產(chǎn)品為CRT及熒光燈等使用的熒光體材料，占銷(xiāo)售額的8成～9成。此外還制造化合物半導(dǎo)體材料、真空蒸鍍材料、濺射靶材以及液晶面板背照燈等使用的EL（場(chǎng)致發(fā)光）燈等。公司成立于1956年12月。在中村1979年進(jìn)入公司時(shí)，銷(xiāo)售額約為40億日元，員工數(shù)量約為200名。

日亞在一舉成為全球聞名的公司是在1993年底（表1）。這源于該公司開(kāi)發(fā)出了亮度達(dá)到1cd的藍(lán)光發(fā)光二極管，并成功實(shí)施量產(chǎn)。曾一度被公認(rèn)“要到21世紀(jì)才能實(shí)現(xiàn)”的高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管由此順利地進(jìn)入了實(shí)用期 注2）。

日亞化學(xué)工業(yè)在阿南的總部

注2）日本電子機(jī)械工業(yè)會(huì)（EIAJ）電子顯示器和電子管業(yè)務(wù)委員會(huì)電子顯示器2000年研究會(huì)在1993年7月公布的《電子顯示器產(chǎn)業(yè)2000年前景調(diào)查研究報(bào)告》中曾這樣描述：“在可視LED中，藍(lán)光LED被公認(rèn)為最難實(shí)現(xiàn)高亮度化的產(chǎn)品，而且實(shí)際的開(kāi)發(fā)進(jìn)展也頗為緩慢，為了在2000年達(dá)到1cd，業(yè)界幾乎找遍了一切可能性”。

表1 藍(lán)色發(fā)光二極管的開(kāi)發(fā)年表

對(duì)于日亞的壯舉，該領(lǐng)域的技術(shù)人員及研究人員與全世界一樣感到震驚。而更驚奇的是，實(shí)現(xiàn)如此壯舉的，并非在該領(lǐng)域長(zhǎng)期從事研究的海內(nèi)外知名大學(xué)，也非大型電子廠商，而是一家地方城市的化學(xué)廠商。由此，日亞的稱(chēng)呼從“夏季休假的日亞”變成了“藍(lán)光發(fā)光二極管的日亞”。

為了孩子選擇回鄉(xiāng)

幾乎全靠一己之力開(kāi)發(fā)成功高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管的是當(dāng)年40歲的研究人員中村修二（圖1）。中村1979年從德島大學(xué)研究生院畢業(yè)后進(jìn)入日亞。專(zhuān)業(yè)是電子工程學(xué)。

圖1：日亞總部?jī)?nèi)的藍(lán)色發(fā)光二極管顯示器展示區(qū)
站在左側(cè)的就是開(kāi)發(fā)成功藍(lán)光發(fā)光二極管的中村修二

學(xué)生時(shí)代，中村當(dāng)然向往到東京或大阪等大城市工作。但到了畢業(yè)參加工作時(shí)，中村卻已經(jīng)有了孩子。他在上大學(xué)時(shí)就結(jié)婚了。

“單身的話，可以留在城市闖一闖。但有了孩子的話，還是到鄉(xiāng)下生活的好。不想因?yàn)楣ぷ鞫鵂奚彝ァ?。正是這種想法最終使中村與日亞結(jié)下了不解之緣。

但并不是說(shuō)中村就沒(méi)有猶豫過(guò)。實(shí)際上，中村也曾到總部位于京都的京瓷面試過(guò)。盡管通過(guò)了嚴(yán)格的考試，順利獲得了進(jìn)入京瓷的機(jī)會(huì)，但結(jié)果中村還是放棄了。最后，中村選擇留在了當(dāng)?shù)?，也就是妻子娘家的所在地德島市。

日亞是中村的大學(xué)導(dǎo)師介紹的。雖然自己的專(zhuān)業(yè)是電子工程學(xué)，但中村希望從事材料開(kāi)發(fā)工作，因此導(dǎo)師向他推薦了這家公司。不過(guò)，當(dāng)中村來(lái)到日亞時(shí)卻頗感意外。這只是一家員工僅200人的小型化學(xué)公司，到處都有一股刺鼻的硫化氫（H2S）的氣味 注3）?！斑@家公司怎么這么臟??！”，這就是日亞給中村留下的第一印象。

注3）硫化氫的氣味類(lèi)似臭雞蛋味。

“頻死”的開(kāi)發(fā)課

進(jìn)入日亞后，中村被分到了開(kāi)發(fā)課。進(jìn)入公司后中村發(fā)現(xiàn)，這里的員工全部都是阿南附近的人，像他這樣來(lái)自德島的還真少見(jiàn)。而且，中村還是該公司第一個(gè)學(xué)電子專(zhuān)業(yè)的員工。中村感覺(jué)公司是考慮到他學(xué)的專(zhuān)業(yè)與眾不同，所以才把他分配到可以做新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)部門(mén)的。

中村最初負(fù)責(zé)的開(kāi)發(fā)課題是提煉用于化合物半導(dǎo)體GaP 注4）中的金屬Ga材料。雖說(shuō)是開(kāi)發(fā)課，但其實(shí)只是一名課長(zhǎng)帶著兩名開(kāi)發(fā)人員和幾個(gè)助手的小部門(mén)。辦公場(chǎng)所是由帶屋頂?shù)耐＼?chē)場(chǎng)改造的，只是在四周增加了圍墻，十分簡(jiǎn)陋（圖2）。

注4）GaP（磷化鎵）是III-V族化合物半導(dǎo)體的一種。屬于能帶為2.3eV的間接遷移型。通過(guò)電子-空穴的再結(jié)合可獲得較強(qiáng)的發(fā)光現(xiàn)象（主波長(zhǎng)為590nm），因此可用作發(fā)光二極管的材料。但波長(zhǎng)580nm～590nm的黃色發(fā)光二極管用材料目前大多使用可獲得高亮度的GaAsP及In-GaAlP等。

圖2：開(kāi)發(fā)課原址?，F(xiàn)在用于對(duì)廢棄物進(jìn)行化學(xué)處理。氣味仍像當(dāng)年一樣刺鼻。
在置物架上，中村曾經(jīng)用過(guò)的石英管還放在那里，只是上面布滿(mǎn)了灰塵。

在開(kāi)始提煉金屬Ga的幾個(gè)月后，營(yíng)業(yè)部門(mén)要求除了金屬Ga之外還要制造有望暢銷(xiāo)的GaP。當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)課已經(jīng)處于垂死狀態(tài)，甚至開(kāi)始有傳言說(shuō)“馬上就要撤銷(xiāo)了”。在這種情況下，恐怕也只有啟動(dòng)這一有望形成賺錢(qián)的業(yè)務(wù)了。公司隨即指定中村來(lái)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)。當(dāng)時(shí)的開(kāi)發(fā)人員有兩名。一名繼續(xù)負(fù)責(zé)金屬Ga的提煉，而另一名，也就是中村，則開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)GaP。

表面上聽(tīng)起來(lái)這是“為了開(kāi)拓新業(yè)務(wù)而進(jìn)行的開(kāi)發(fā)課題”，但實(shí)際情況仍然嚴(yán)峻。因?yàn)椴](méi)有預(yù)算。所以無(wú)法購(gòu)買(mǎi)相關(guān)設(shè)備。也買(mǎi)不起昂貴的部件。結(jié)果，只有完全靠自己來(lái)制造有關(guān)設(shè)備（圖3）。[!--empirenews.page--]

黃昏時(shí)分的“爆炸慣犯”

要使GaP實(shí)現(xiàn)結(jié)晶生長(zhǎng)，需要使用昂貴的石英管。操作時(shí)，將石英管的一端封上，在管的兩端放置金屬Ga和P。然后再封上另一端，對(duì)管內(nèi)進(jìn)行真空處理。之后加熱石英管，內(nèi)部的材料就會(huì)氣化，相互反應(yīng)便可形成GaP。最后割開(kāi)石英管，將反應(yīng)生成物取出就能獲得GaP。

不過(guò)，問(wèn)題是如何處理使用過(guò)的石英管。由于石英管價(jià)格昂貴，因此不能用完就扔掉。至少在日亞不能這樣做。于是，中村決定將切斷的石英管重新焊接起來(lái)，進(jìn)行再利用。

從那以后中村就開(kāi)始沒(méi)完沒(méi)了地焊接石英管?！拔疫M(jìn)入公司難道就是為了當(dāng)一個(gè)焊工嗎？”，中村不止一次地問(wèn)自己。而且最頭疼的是爆炸事故頻頻發(fā)生。對(duì)封有Ga和P的石英管進(jìn)行高溫加熱使，管內(nèi)的壓力會(huì)上升到20～30個(gè)大氣壓。這時(shí)，只要焊接部位有小小的損傷或是強(qiáng)度不足的話，石英管就會(huì)破裂。

早上將材料封到石英管中。下午開(kāi)始加熱，當(dāng)溫度達(dá)到最高時(shí)正好是傍晚。爆炸總是發(fā)生在要下班的時(shí)候。巨大的聲響往往傳遍整個(gè)公司?！坝质侵写濉?。員工們一邊調(diào)侃著，一邊趕緊回家。

上司不理解

而此時(shí)此刻，中村在實(shí)驗(yàn)室里卻正忙著上演一場(chǎng)激烈大戰(zhàn)。

逐漸習(xí)慣事故頻發(fā)場(chǎng)面的中村制定出了一套自我保護(hù)措施，在自己的桌子與僅靠桌子設(shè)置的GaP制造設(shè)備之間吊起了金屬板。這樣就不用再擔(dān)心爆炸時(shí)被飛散的石英片打中了。

不過(guò)，石英管一旦爆炸的話，破裂的石英管碎片就會(huì)與加熱到高溫的P一起飛射出來(lái)。P是也可用作火柴材料的可燃物。當(dāng)然會(huì)燃燒。帶著火的碎塊會(huì)向四處飛散。所以中村要追上去一個(gè)個(gè)將火滅掉。事故頻發(fā)程度事后讓中村回想起來(lái)都奇怪“竟然平安無(wú)事沒(méi)有出大事故”。

可是長(zhǎng)期這樣下去的話，身體可吃不消。懷著這種想法，中村與當(dāng)時(shí)的上司談了多次。只要采用對(duì)石英管內(nèi)部進(jìn)行高壓處理的方法，爆炸事故就不會(huì)停止。因此中村想改用在低壓也可制造出GaP的方法。但是，公司的想法很頑固：“發(fā)生爆炸是焊接得不好，并非方式的問(wèn)題”，所以沒(méi)有接受中村的提案。

即便如此，開(kāi)發(fā)還是走上了正軌。從1981年開(kāi)始，中村制造的GaP開(kāi)始銷(xiāo)售。正是由于付出如此之多的努力，當(dāng)自己制造的產(chǎn)品上市時(shí)，中村真是萬(wàn)分感慨。GaP的制造開(kāi)發(fā)總算是成功了。不過(guò)，GaP的銷(xiāo)售額每月卻只有數(shù)百萬(wàn)日元。作為一項(xiàng)業(yè)務(wù)，并不算是太大的成功。中村在1982年結(jié)束了開(kāi)發(fā)，制造也交接給了后輩。中村從GaP的開(kāi)發(fā)中完全撤了出來(lái)。

從這一開(kāi)發(fā)過(guò)程中，中村學(xué)到的是石英的焊接技術(shù)、面對(duì)爆炸也毫不畏懼的勇氣、以及“不能一味服從公司”這一教訓(xùn)。

下一個(gè)課題是GaAs結(jié)晶生長(zhǎng)

從1982年起，中村開(kāi)始著手與GaAs 注5）結(jié)晶生長(zhǎng)有關(guān)的研究課題。這次仍然是營(yíng)業(yè)部門(mén)提供的信息：“今后GaAs的增長(zhǎng)空間比GaP更大”。由于涉及的是新材料，因此新的開(kāi)發(fā)人員也從其他公司跳槽給挖了過(guò)來(lái)。中村煥發(fā)精神開(kāi)始開(kāi)發(fā)GaAs的多結(jié)晶材料。

注5）在III-V族化合物半導(dǎo)體中，GaAs（砷化鎵）是一種為人所熟知的最普通半導(dǎo)體材料。能帶為1.4eV，屬于直接遷移型。電子遷移率為8800cm2/Vs，空穴遷移率為420cm2/Vs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si，因此適于用作可高速運(yùn)行的邏輯電路元等使用的材料。另外，由于可通過(guò)電子-空穴的再結(jié)合獲得較強(qiáng)的發(fā)光（主波長(zhǎng)為850nm），因此還被廣泛用作發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器材料。

雖說(shuō)開(kāi)發(fā)的材料變了，但公司內(nèi)部的開(kāi)發(fā)環(huán)境還是一如既往。先要制造設(shè)備，其次是要焊接石英管。中村的焊接技術(shù)當(dāng)時(shí)已被公認(rèn)為一把“絕活”，在新的開(kāi)發(fā)中仍然每天都在發(fā)揮作用（圖4）。不用說(shuō)，爆炸事故依舊是頻繁發(fā)生。

圖4：中村展示以往的焊接“絕活” 加熱石英棒進(jìn)行焊接。

即便如此，1983年中村成功開(kāi)發(fā)出了能夠形成產(chǎn)品的GaAs多結(jié)晶技術(shù)。隨后，GaAs單結(jié)晶的開(kāi)發(fā)也完成了。接著，從1985年起，中村又開(kāi)始著手研究發(fā)光二極管用GaAlAs 注6）膜的結(jié)晶生長(zhǎng)。單結(jié)晶的生長(zhǎng)方法選擇的是液相生長(zhǎng) 注7）方式。當(dāng)然，液相生長(zhǎng)的設(shè)備也是中村自己制造的（圖5）。

注6）GaAlAs（砷鋁化鎵）是III-V族化合物半導(dǎo)體GaAs和AlAs的混合結(jié)晶。通過(guò)改變Ga1-xAlxAs中的x，可使能帶從2.1eV變?yōu)?.4eV。利益于這一特點(diǎn)，GaAlAs被廣泛用于紅色發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器使用的材料。

注7）在單結(jié)晶底板上使單結(jié)晶生長(zhǎng)被稱(chēng)為外延生長(zhǎng)（Epitaxial Growth），是制造半導(dǎo)體器件時(shí)的重要技術(shù)。液相外延（LPE：Liquid Phase Epitaxy）是其中的一種。這是一種利用經(jīng)由溶劑的物質(zhì)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)的方法。當(dāng)利用液相外延技術(shù)使GaAs外延生長(zhǎng)時(shí)，需要使用Ga等制成的溶劑。在Ga中添加GaAs后加熱至900℃高溫，GaAs就會(huì)溶解到Ga中。在GaAs底板上導(dǎo)入該溶劑，只要慢慢降低溫度，即可使溶解率降低，從而在GaAs底板上析出GaAs。通過(guò)精細(xì)控制這一溫度下降速度，便可在GaAs上析出單結(jié)晶的GaAs。按照同樣的方法，還可在GaAs底板上使GaAlAs單結(jié)晶薄膜生長(zhǎng)。

圖5：中村開(kāi)發(fā)的液相沉積設(shè)備中村開(kāi)發(fā)的裝置目前仍在使用。

當(dāng)時(shí)，從研究、制造到質(zhì)量管理、直至銷(xiāo)售，全部是中村一個(gè)人擔(dān)當(dāng)?shù)?。中村將研制出?lái)的單結(jié)晶推薦給了發(fā)光二極管廠商。但其他競(jìng)爭(zhēng)公司卻拿出了質(zhì)量更高的單結(jié)晶。于是，中村經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，最終實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量毫不遜色的產(chǎn)品。而這時(shí)，其他公司在質(zhì)量上又走在了前面。無(wú)論怎么追都追不上。而其原因就在于評(píng)測(cè)速度過(guò)慢。

日亞只銷(xiāo)售材料，自己并不制造發(fā)光二極管。因此，在將單結(jié)晶制成發(fā)光二極管后，全部交由用戶(hù)進(jìn)行評(píng)測(cè)。而這種方式的話，需要花費(fèi)1個(gè)月才能得到評(píng)測(cè)結(jié)果。這樣，在評(píng)測(cè)結(jié)果出來(lái)后再怎么改進(jìn)，也無(wú)法趕上其他公司的開(kāi)發(fā)速度。

押寶發(fā)光二極管

“如果不自已制造發(fā)光二極管，即使用戶(hù)說(shuō)不行也無(wú)法反駁”。中村通過(guò)與社長(zhǎng)直接談判，最后終于成功地導(dǎo)入了發(fā)光二極的制造設(shè)備和評(píng)測(cè)設(shè)備。而且單結(jié)晶的制造人員也得到增加，GaAlAs單結(jié)晶的開(kāi)發(fā)由此步入了正軌。最后，中村順利完成了開(kāi)發(fā)。 [!--empirenews.page--]

對(duì)于該研究課題，中村給自己打了100分。從制造裝置開(kāi)始，一切工作全部都是自己完成的。在未從其他公司引進(jìn)技術(shù)的情況下，依靠一已之力確立了GaAlAs單結(jié)晶的制造技術(shù)。而且還成功地將其變成了一項(xiàng)業(yè)務(wù)。

盡管如此，比自己后來(lái)公司、接替自己工作的人都一個(gè)個(gè)升遷，自己卻被拋在人后，殘酷的現(xiàn)實(shí)使得中村蒙生退意。再呆在日亞已沒(méi)有多大意思了。獲得如此大的成功，自己卻并未獲得肯定……。

經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，中村最后得出的結(jié)論如下：即使開(kāi)發(fā)取得成功，產(chǎn)品賣(mài)得不好的話，自己就不會(huì)受到好評(píng)。不暢銷(xiāo)就得不到肯定。因此要選擇開(kāi)發(fā)成功后會(huì)形成大業(yè)務(wù)的課題。就這樣，中村選擇了高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管這項(xiàng)課題。如果研究成功的話，產(chǎn)品肯定會(huì)暢銷(xiāo)。

要想研究藍(lán)色發(fā)光二極管，就需要不同于GaAlAs的結(jié)晶生長(zhǎng)技術(shù)。中村決定先學(xué)習(xí)這一技術(shù)。

正當(dāng)中村這樣考慮的時(shí)候，求之不得的事情隨之而來(lái)。為了掌握結(jié)晶成長(zhǎng)技術(shù)，愿不愿意被公司派往美國(guó)？對(duì)此詢(xún)問(wèn)，中村充滿(mǎn)了期待。

這一非常有吸引力的差事其實(shí)卻暗藏著一個(gè)陷井。這是當(dāng)時(shí)中村萬(wàn)萬(wàn)都沒(méi)有想到的。（未完待續(xù)）