上篇講述了開發(fā)人員中村修二從進入日亞化學工業(yè)到選定藍色發(fā)光二極管作為研究課題的過程。本篇將繼續(xù)講述中村從著手開始研究到成功地使選定的GaN材料生長出結(jié)晶膜的故事。為了研究藍色發(fā)光二極管，首先必須掌握發(fā)光層——薄膜的結(jié)晶生長技術(shù)。為此，中村遠赴美國學習，不過在美國則為制造裝置浪費了一年時間?；貒笏岳^續(xù)制造并改造裝置。經(jīng)過長期艱苦的努力，終于取得了初步成果……

中村美國短暫的學習之后，從1989年4月回到日本后開始著手進行研究。一個月、兩個月，甚至半年的時間過去了，但研究絲毫沒有取得進展。藍色發(fā)光二極管的發(fā)光層——GaN膜始終無法形成。甚至在還沒有到達形成GaN膜之前就跌跟頭了。

MOCVD法是在經(jīng)過高溫加熱的底板上通入原料氣體，然后使氣體在底板表面分解來形成結(jié)晶薄膜的方法。需要在通入氣體的容器內(nèi)放置底板，對其進行高溫加熱，問題就出在這里。

第一個問題是，中村選擇的是GaN作為藍色發(fā)光二極管的發(fā)光材料。從原理上來說，好幾種材料都能實現(xiàn)藍色發(fā)光功能。其中，GaN是受人冷落的材料。只因“其他人沒有采用”，中村便決定選擇這種材料。開始挑戰(zhàn)結(jié)晶膜生長之后，他才明白這種材料不受歡迎的原因。那就是GaN成膜非常困難。如果只對市售裝置稍加改造，根本無法實現(xiàn)膜生長。

那時候中村每天都很郁悶。早上來到公司，打開裝置。今天有沒有生成真正的膜，加熱器又被燒壞。下午的工作便是改造和修理設(shè)備。他早上第一個上班，下午6點下班。每天都在重復(fù)這種沒有盡頭的單調(diào)日子。

中村的話變得越來越少，電話也不接，周圍的人開始把他當成怪人。當初部下的兩名新員工，其中一人因“根本看不到成功的希望”而辭職了。

1990年9月，終于迎來了GaN膜面世的時刻。中村發(fā)明了可從底板的兩個方向吹入氣體的“Two-Flow法”，成功生長出了結(jié)晶薄膜。中村急忙開始第二批和第三批結(jié)晶膜的生長工作，打算生成更高品質(zhì)的薄膜……

就在1990年都快要結(jié)束的時候，中村摸索找到了可以使GaN膜穩(wěn)定生長的條件。當初能夠制成高質(zhì)量GaN膜幾乎是個奇跡。因為只要薄膜的生長條件稍有變化，就會完全無法成膜。當初可以說是在如此嚴格的條件下，偶然制出了薄膜。中村以此為激勵，成功地探索到了穩(wěn)定的成膜條件。

n型膜和p型膜制成后，剩下的就是二極管了。中村在1991年3月試制出了pn結(jié)型GaN發(fā)光二極管，并觀測到了首次的發(fā)光情況。二極管終于發(fā)光了。當時大家都以為中村一定會高興得蹦起來，結(jié)果中村在看到發(fā)光后反而多少有些失望。在發(fā)光層中采用GaN的發(fā)光二極管發(fā)出了紫外線。用肉眼來看的話，即便是奉承，也無法說達到了明亮的程度。聽到喜訊趕來的社長輕聲嘟囔道，“好暗啊，這樣可沒法作為商品出售”。

讓中村更加失望的消息也在此時從美國傳來。這就是美國3M公司采用II-VI族的ZnSe類材料，成功實現(xiàn)了藍綠色半導(dǎo)體激光器的振蕩發(fā)光。“完了。讓 II-VI族搶先了。對手甚至跳過發(fā)光二極管階段，直接成功地實現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器”。就在成功近在咫尺的時候，中村卻完全陷入了意志消沉的狀態(tài)。雜志和學術(shù)期刊更是爭先恐后地報道：“藍色發(fā)光基本上就是II-VI類族了。GaN希望渺茫”。

強忍著被ZnSe搶先的失望感，中村向美國出發(fā)了。他在美國第一次知道了ZnSe類半導(dǎo)體激光器的全貌。當聽說壽命還只有秒級的時候，中村非常欣慰。他試制的GaN類pn結(jié)發(fā)光二極管的壽命已經(jīng)超過1000個小時。

向周圍的人詢問后才知道，原來大家其實都已經(jīng)知道了“ZnSe類雖然可以振蕩，但壽命較短”這個事實。中村原本是強忍著失望出發(fā)到美國的，回來的時候卻是精神百倍。下一個研究目標已經(jīng)決定。他豪邁地表示“絕不輸給ZnSe，要用GaN 制造出半導(dǎo)體激光器”。要想制造半導(dǎo)體激光器，就不再是pn結(jié)，而必須實現(xiàn)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造了

成功之路

1992年4月，從美國學會講演歸來的中村為了開發(fā)出雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，埋頭研究InGaN膜的生成。如果將雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到GaN發(fā)光二極管中，亮度應(yīng)該會大為提高。

從這一時期開始，中村的研究小組才得到資金及人才的投入。這是社長的決心產(chǎn)品化的體現(xiàn)。對于GaN發(fā)光二極管的研究，日亞已投入了數(shù)以億計的金額。從公司角度來看，這個決策如同從京都清水寺的舞臺上縱身一跳，生死只有天知道。終于等到了GaN發(fā)光二極管發(fā)光的這一天。所以公司希望盡早把其變成暢銷產(chǎn)品。作為決定投資的對象，社長對其寄予的期待之大不言自明。

然而，這種期待成了阻礙中村前進的障礙。社長認為哪怕稍微暗點也沒關(guān)系，成天著急著要把pn結(jié)型發(fā)光二極管產(chǎn)品化。而中村已看透了pn結(jié)型發(fā)光二極管的局限性，希望將研究推向更深層次。因為他擁有短時間內(nèi)拿出成果的自信。

中村決定先從“中央突破”來打開局面。他想方設(shè)法向社長介紹改用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的必要性，希望得到社長的理解。然而，這一努力沒有收效。社長主張早日投產(chǎn)，毫不讓步。

既然如此，中村只好改變“作戰(zhàn)方針”。中村決定表面上聽從社長的意見。不過，只是聽聽而已。公司會議上，社長要求“趕快投產(chǎn)pn結(jié)型產(chǎn)品”。“是是， 知道了”，中村滿口答應(yīng)。雖然答應(yīng)下來，但其實中村絲毫沒有推進pn結(jié)型產(chǎn)品化的意愿。中村全然不顧公司的想法，把自己關(guān)在實驗室里一門心思開始雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。

果然不出中村所料，InGaN膜的生長實驗只用了2～3個月即有了眉目。之后，在1992年的9月份，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN發(fā)光二極管終于試制成功了。雖然成功地發(fā)出了光，可是還比較暗。中村拿給社長看，得到的評價是，“是你制作的啊，還是很暗”。

雖然還很暗，但能夠在GaN材料上制作成功雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且還發(fā)出了光，這本身就具有劃時代的意義。其未來將具有無限的發(fā)展?jié)摿?。中村決定以論文的方式讓世界來給出評判。他瞞著公司，持續(xù)在研發(fā)取得關(guān)鍵性進展時投稿論文。

論文在歐美的研究人員中引起了巨大反響。表示贊賞的書信、索要中村過去所寫論文的增印本的書信絡(luò)繹不絕。然而，“在日本根本得不到承認”，中村回憶當時的狀況時這樣說。“日本的研究人員不是通過成果內(nèi)容，而是通過公司名或者大學名來判斷論文的可信度的吧。我試著詢問過幾位研究人員，回答說‘當時根本不信’的人居多。等高亮度藍色發(fā)光二極管變成了產(chǎn)品，才急忙去讀過去的論文的人估計有不少”（中村）。

產(chǎn)品化成功的那一瞬間正在逼近。中村停止了一切學會活動以及論文投稿，精力只集中在GaN藍 色發(fā)光二極管的產(chǎn)品化上。產(chǎn)品化進入了倒計時階段。

這以后的進展是驚人的。為什么光線較暗的原因中村很清楚。第1個原因是，發(fā)光波長為紫外線。所以首先將其變成眼睛可見的藍色光即可。為此，中村決定在發(fā)光層InGaN中添加作為發(fā)光中心的雜質(zhì)。這樣一來，所發(fā)光的波長從420nm躍升至450nm，人眼可見的亮度達到以前的4倍。這是1992年12月的事情。然而快速推進的步伐并未因這一成功而停頓。通過進一步調(diào)整膜的生成條件，逐漸提高結(jié)晶性，亮度在一天天地不斷增高。

終于來到了投產(chǎn)前的最終調(diào)整階段。這一階段主要是提高GaN膜及InGaN膜的結(jié)晶等級，以提高亮度。同時完善量產(chǎn)技術(shù)，提高成品率。中村斷絕一切對外聯(lián)絡(luò)，把自己關(guān)在實驗室里的日子。

經(jīng)過這樣的努力，在InGaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管試制成功后不到1年的1993年10月，產(chǎn)品化的條件基本具備了。亮度達到了1cd，這是當時市售的采用SiC的藍色發(fā)光二極管的約100倍。

打破近1年的沉寂，藍色發(fā)光二極管終于脫穎而出。產(chǎn)品發(fā)布日定在1993年11月30日。

自這一天起，日亞化學工業(yè)公司里，來自媒體的采訪請求、以及來自用戶及同行業(yè)其他公司的咨詢蜂擁而至。每天能接到40～50個電話。這種狀況持續(xù)了1 周多。“是這么了不起的一項成果嗎”，社長也慌了手腳。電話潮之后，又是一波訪問潮。帶著技術(shù)合作以及資助等各種提案，訪問日亞化學工業(yè)的人絡(luò)繹不絕。

社長一個個地拒絕了這些提案。中村的“人不為者，我為之”信念終于獲得了超越大企業(yè)的成果。社長同樣也堅守其信念，即“不依賴他人”。此前，該公司一直憑借自己的力量進行研發(fā)。社長決定今后仍然自力更生搞下去。

將那些喧囂拋到腦后，中村繼續(xù)進行著研究。雖然藍色發(fā)光二極管生產(chǎn)出了產(chǎn)品，但作為研發(fā)目標的半導(dǎo)體激光器尚未完成。

另外，藍色發(fā)光二極管完成后，消費者對綠色及藍綠色發(fā)光二極管的需求變得愈發(fā)強烈。如果將此次完成的藍色發(fā)光二極管，與早已產(chǎn)品化的紅色及綠色發(fā)光二極管組合在一起，就能制造出全彩色顯示的顯示器。但是，與藍色及紅色二極管的高亮度相比，綠色二極管的亮度較低，需要有更高亮度的綠色發(fā)光二極管。

此外，紅黃藍3色發(fā)光二極管至此都已制造出來，將其應(yīng)用于信號燈的大門也就由此打開。不過，日本的綠色信號燈的顏色是藍綠色。所以還需要開發(fā)與此相匹配的發(fā)光二極管。

中村首先完成了藍綠色發(fā)光二極管。目前，采用這種發(fā)光二極管的信號燈已面世，并獲得了實用。

來源：日經(jīng)技術(shù)在線