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獨(dú)孤求敗的中村修二 鮑海飛2014-10-29 隨著諾獎在一年一度的秋風(fēng)中又漸漸冷去的時(shí)候，中村修二的故事卻依然在我的腦海里縈繞，中村修二的故事還遠(yuǎn)沒有結(jié)束。如果說中村修二有所突破的話，還有兩件事是應(yīng)該提到的，而且是最有分量而最容易被人忽略的，一個(gè)是有關(guān)薄膜外延生長設(shè)備，以及多種結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件制造。在他早期發(fā)表的論文中，有幾篇很值得一看，其中有兩篇雖然看似只有幾頁紙頭，還有很多相似之處，但恐怕是中村修二在走出國門前最有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)研究，其中涉及到他的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法，所謂獨(dú)門秘器，相信這一定是他苦心經(jīng)營、獨(dú)具匠心的結(jié)果。這兩篇文章是（JJAP，V30,N10A, Oct,1991,pp. L 1705-L1707,GaN growth using GaN buffer layer），以及（APL,58(18)6May1991,pp2021-2023，Novel metalorganic chemical vapor deposition system for GaN growth）。 常規(guī)的MOCVD薄膜外延技術(shù)，是將襯底以一定角度放置在平行的爐管中，爐管加熱，然后利用載氣（carrier gas）氫氣或者氮?dú)鈹y帶被沉積的金屬復(fù)合物等組份沉積到襯底上，改變進(jìn)氣通道，就可以改變不同材料的生長。中村修二別出心裁地提出了雙氣流（two-flow MOCVD）的外延生長方法。之所以提出這樣的方法，是因?yàn)槌Ｒ?guī)的GaN薄膜制備很難，其中一個(gè)原因是由于GaN與襯底的晶格常數(shù)有較大的失配，不能在襯底上生長出連續(xù)勻整的鏡面般的薄膜。因此，不能靠調(diào)節(jié)溫度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)品質(zhì)良好的薄膜制備。 在雙氣流生長法中，主載氣氣流攜帶著反應(yīng)的氣相物質(zhì)，從石英噴嘴以較高的速度出來，水平與襯底方向。而另一個(gè)子氣流，攜帶著惰性的氣體垂直于襯底方向，從而改變主載氣流的方向，使反應(yīng)氣體與襯底接觸。子氣流非常重要，沒有子氣流，就得不到表面均勻連續(xù)的薄膜，而只能生長出島狀的薄膜。子氣流由氫氣和氮?dú)饨M成，在藍(lán)寶石襯底上、在環(huán)境壓力下進(jìn)行薄膜生長。 （A novel MOCVD reactor, which is shown in Fig. 1, was developed for the GaN growth. It has two different gas flows. One is the main flow which carries the reactant gas parallel to the substrate with a high velocity through the quartz nozzle. Another flow is the subflow which transports the inactive gas perpendicular to the substrate for the purpose of changing the direction of the main flow to bring the reactant gas into contact with the substrate. This subflow is very important. Without the subflow, a continuous film was not obtained and only few island growths were obtained on the substrate. The mixed gas of H, and N, was used as the subflow. We call this system a two-flow MOCVD(TF-MOCVD). The growth of GaN film was operated at atmospheric pressure. Sapphire with (0001) orientation (C face) was used as a substrate. Trinethylgallium (TMG) and ammonia (NH3) were used as Ga and N sources, respectively. ）
在雙氣流法中，反應(yīng)氣體流與襯底平行，這樣，GaN的橫向生長速率比常規(guī)的氣體垂直于或者斜入射到襯底上的MOCVD系統(tǒng)要快很多。這樣獲得了連續(xù)均勻的薄膜，晶體質(zhì)量有很大提高。 （In the TF-MOCVD system, the reactant gas flows parallel to the substrate. Thus, the lateral growth rate in the GaN growth by this system is larger in comparison with that by the conventional MOCVD system in which the reactant gas flows perpendicular or diagonally to the substrate. A continuous film is easily obtained by the present method. Also the crystal quality of the GaN film is improved.）
因此，在GaN薄膜制備上，中村修二極大地開動了腦筋，極大地發(fā)揮了主觀能動性和創(chuàng)造性。雙氣流法的外延技術(shù)，這不能不說是中村修二在MOCVD設(shè)備技術(shù)上的一個(gè)重要突破，至少在實(shí)現(xiàn)藍(lán)光二極管等器件中具有重要作用。
在制造了該設(shè)備后，中村修二如魚得水，設(shè)備畢竟是親生的，自己熟悉秉性，想怎么用就怎么用。他利用了該設(shè)備開創(chuàng)性地制備了一種又一種的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，解決了一個(gè)又一個(gè)的問題，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)的奇跡。所謂另辟蹊徑，別開天地，最重要的是學(xué)以致用！在文獻(xiàn)（InGaN-Based Blue/Green LEDs and Laser Diodes，Adv. Mater. 1996.8, No. 8，--689-692 ）的前言中，就有描述：
1994年，（他）制備出了第一個(gè)可商用具有1cd（光照明單位）的第一個(gè)高亮度的InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)藍(lán)光二極管；并且同樣制作出了具有10cd商用的高亮度單量子阱藍(lán)光、綠光、黃光的InGaN發(fā)光二極管。最后，在1996年，又成功展示了在通常半導(dǎo)體激光器中具有最短輻射波長（390-440nm）的多量子阱式紫光InGaN激光管。 （In 1994 the first high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure (DH) blue LEDs with a luminous intensity of 1 cd were commercialized. Also, high brightness single- quantum-well structure (SQW) blue, green and yellow InGaN LEDs with a luminous intensity above 10 cd have been achieved and commercialized.[61 Finally, violet InGaN multi-quantum-well (MQW) structure LDs, which have the shortest emission wavelength (390-440 nm) among the conventional semiconductor LDs, were demonstrated in 1996。] 中村修二在短短的幾年時(shí)間，為了提高二極管、激光管的發(fā)光效率和壽命，在制造技術(shù)上，不斷將理論踐行并在實(shí)驗(yàn)上得到實(shí)施和突破。從pn結(jié)結(jié)構(gòu)開始制造，到雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造，再到單量子阱、以及多量子阱的多層結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)施中，不斷實(shí)現(xiàn)了多種顏色的光并極大地提高了發(fā)光效率和器件的壽命等，從脈沖工作到連續(xù)工作的二極管、激光器的實(shí)現(xiàn)等，這些都標(biāo)志著中村修二將半導(dǎo)體理論成功地運(yùn)用到實(shí)踐中去，并使多層薄膜制造技術(shù)的路線成功實(shí)施并得到不斷提升。由此看來，中村修二是一個(gè)匠心獨(dú)運(yùn)的研究人員，具有扎實(shí)和充分的物理功底，能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的物理知識牢牢地運(yùn)用到實(shí)際工作中。
翻閱一下歷史，或許會讓我們有所領(lǐng)悟，畢竟要以史為鑒，由此可以看到差距。薄膜制備技術(shù)由來已久，尤其是多層薄膜制備技術(shù)，因?yàn)橐婕暗奖∧ぶg的粘附問題、應(yīng)力問題、導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐摩擦腐蝕問題等，至于半導(dǎo)體薄膜，更因?yàn)樯婕暗奖∧らg晶格匹配、發(fā)光效率和電極接觸等問題，因此，要采用多層薄膜制備技術(shù)。1970年，美國IBM實(shí)驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，即交替周期性地生長兩種晶格匹配很好的材料，每層材料的厚度在100nm以下，則電子沿生長方向的運(yùn)動將會產(chǎn)生振蕩，可用于制造微波器件，該設(shè)想兩年以后在分子式外延設(shè)備上得以實(shí)現(xiàn)。與之相關(guān)的兩個(gè)概念是量子阱和多量子阱。量子阱是指由兩種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢阱，其最基本特征是，載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。多量子阱的概念，是指由兩種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢壘層足夠厚，以致相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，則多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱（背景資料基本來源于百度）。之所以提此，是因?yàn)槔昧孔于濉⒊Ц竦冉Y(jié)構(gòu)可以制造出性能優(yōu)異的發(fā)光器件，而中村修二在90年代前后一步一步成功地將這些概念運(yùn)用到發(fā)光器件的制造中。 從1970年到1990年，這整整20年的時(shí)間，薄膜外延制造技術(shù)，如分子束外延、液相外延和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)突飛猛進(jìn)。歷史資料顯示，1968年左右，在North American Rockwell，當(dāng)時(shí)認(rèn)識到液相外延技術(shù)的缺點(diǎn)和局限性，H.M.Manasevit先生開創(chuàng)性地研究了復(fù)合物半導(dǎo)體材料和器件的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積過程技術(shù)，當(dāng)時(shí)叫OMCVD（organometallic chemical vapor deposition），現(xiàn)在叫MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)技術(shù)。80年代，MOCVD技術(shù)是對中國封鎖的。1986年，在中國科學(xué)院上海冶金所（現(xiàn)上海微系統(tǒng)所），彭瑞武先生制造了第一臺真正的MOCVD設(shè)備；再后來，由于我們也有了自己的技術(shù)，終于打破了封鎖，當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體所引進(jìn)了第一臺瑞典制造的MOCVD設(shè)備。 在八十、九十年代的時(shí)候，在我們還徜徉在書本里面疑惑并伴著愉悅欣賞的外延技術(shù)的時(shí)候，在我們還覺得那些量子阱和超晶格好奇和神秘的時(shí)候，甚至在還不知道這些技術(shù)將來有什么用途的時(shí)候，在我們還在炒著、玩著這些概念的時(shí)候，顯然西方的薄膜制造技術(shù)和理念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地走在前面了。他們已經(jīng)成熟地將這些概念運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)研究中去了，而不是將一個(gè)又一個(gè)的概念翻來覆去地進(jìn)行炒作。另一方面，在我們大量購置設(shè)備的時(shí)候，他們就在開發(fā)和研制著自己的設(shè)備。因此，差距是顯而易見的。 試想，如果沒有底層的研發(fā)，哪里能夠發(fā)掘出真正的創(chuàng)造呢？所有的一切研究不都是空中樓閣嗎？又如何能夠在理論和實(shí)驗(yàn)上有所提升和突破？所有的研究只能跟著人家屁股后面跑，人家做什么，我們就只能做什么！這從一個(gè)方面來說，是我們沒有目的性和長久的眼光性；從另一個(gè)方面來說，更我們沒有刨根問底、深入研究和探索的內(nèi)在動力，很多工作都是為了完成一個(gè)任務(wù)而已，只是一個(gè)好奇而已，只是一個(gè)擺設(shè)而已。或許，我們過多地背負(fù)著任務(wù)的重?fù)?dān)和壓力，以及患得患失的境遇，而忘記了在探索中獲得發(fā)現(xiàn)的樂趣，而忘記了在探索中去獲得創(chuàng)造的愉悅。說白了，又有多少人愿意從低端、從底層干起，那些工作費(fèi)力又不討好。不過，話又說回來，在某些技術(shù)方面的落后，其實(shí)并不可怕，可怕的是從此沒有了信心，沒有了信念，沒有了執(zhí)著的干勁和方向。
還有一件值得提及的事情，一個(gè)研究生出身的中村剛到日亞的時(shí)候，可謂是單槍匹馬、白手起家，在那里他沒有老師的指導(dǎo)，也沒有其他人可以共同探討。但是，他能夠把所學(xué)的東西用到他要研究的課題上。他敢于打破常規(guī)、改造設(shè)備，能夠在理解中運(yùn)用，在運(yùn)用中理解和創(chuàng)造。我想這應(yīng)該源于他在大學(xué)期間或在研究生期間的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有主要關(guān)系。此外，他之所以能夠成功，也是源于他對微納物理機(jī)制的理解、認(rèn)識和自信，以及很強(qiáng)的動手能力有關(guān)。有的文章說，日本理工科的學(xué)生畢業(yè)后都喜歡擺弄機(jī)器，這恰與我們的學(xué)生形成鮮明的對比?？磥?，社會文化環(huán)境和氛圍是會帶來人觀念上和社會意識形態(tài)上的天壤之別，從而導(dǎo)致人們價(jià)值觀的巨大差異。但是另一方面，按照中村的說法，這里（日亞）絕不是個(gè)好地方，沒有提升的空間，也缺少人文關(guān)懷，更缺少公平合理，因此，他最后選擇了憤然離去。由此，我想到的是，肥沃的土地上固然能夠孕育參天大樹，貧瘠的土地上也依然能夠孕育參天大樹。這與個(gè)人的修行和歷練是分不開的。有人說他‘二’，我覺得這個(gè)詞用得很不好，應(yīng)該說他骨子里有一股倔強(qiáng)和不服輸?shù)男愿?。中村在探尋中找尋到了自己并?chuàng)造了自己。
回過頭來，在某些方面，我們之所以沒有突破，其中的一個(gè)深層次原因，是對技術(shù)不夠重視，對前景沒有把握。理論是用來炫耀的，技術(shù)是用來玩弄的。修理機(jī)器、拆拆裝裝，我們感覺這不是體面的工作，藍(lán)領(lǐng)如何比得上白領(lǐng)。這就是社會價(jià)值觀的取向問題。就像以前重文輕農(nóng)、重農(nóng)輕商一樣，如今人們更多地也是重文輕理，或者重理輕技、或者重上輕下、或者重外輕內(nèi)…….難以言盡。我們經(jīng)?？床黄鹨稽c(diǎn)點(diǎn)小小的技術(shù)改進(jìn)，但是就是一點(diǎn)點(diǎn)小小的技術(shù)改進(jìn)或許就有可能在微觀尺度上帶來一個(gè)極大的變化，比如，中村所創(chuàng)造的雙氣流薄膜外延法。中村修二讓我們看到的是一個(gè)不斷摸索和創(chuàng)造的例子，藍(lán)光半導(dǎo)體發(fā)光管成就了他人生的標(biāo)簽。中村不是一個(gè)墨守成規(guī)的人，而是不拘一格、突破創(chuàng)新，具有創(chuàng)造和改造的精神。更主要地是，他是一個(gè)不吃現(xiàn)成飯的人！因?yàn)?，他沒有現(xiàn)成的飯可吃，一切都要由自己動手。因此，建議我們的學(xué)生在校期間，在研究生期間，要多多培養(yǎng)動手能力，而且要敢于動手，多鍛煉實(shí)習(xí)，同時(shí)要不斷從最新的文獻(xiàn)中開闊視野，發(fā)掘財(cái)富，培養(yǎng)探索的精神和信心。還有一點(diǎn)，動手之前一定要好好動動腦。
在我們狂熱的比設(shè)備、拼資源的時(shí)候，人力的比拼才是最重要的。而人力比的是什么？是一個(gè)人創(chuàng)造性的思想。當(dāng)有了靈動的思想，活躍的思維，我們才能建造屬于自己的設(shè)備，制造自己的器件，才能戰(zhàn)勝一個(gè)又一個(gè)的困難。 中村修二的傳奇故事，這遠(yuǎn)不是結(jié)尾，在凝聚態(tài)物理的研究與探索的大路上，在諾獎的道路上，這只是剛剛的開始。 原來的標(biāo)題是《匠心獨(dú)運(yùn)的中村修二》，后改為《遠(yuǎn)沒有結(jié)束的中村修二故事》，但覺得不夠有趣，于是就來個(gè)《獨(dú)孤求敗的中村修二》，以此激勵后來者奮進(jìn)。
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