中村修二（來源：wikipedia）

撰文 | 張華

1973年4月，本文的主人公，19歲的中村修二進(jìn)入位于四國島的德島大學(xué)，成為一名電子工程系的本科生。中村修二大學(xué)畢業(yè)以后，繼續(xù)留在德島大學(xué)攻讀碩士研究生。他的導(dǎo)師名叫多田修，多田修的實(shí)驗(yàn)室主要從事半導(dǎo)性鈦酸鋇的物理性質(zhì)研究，中村修二在實(shí)驗(yàn)室里工作，積累了一些半導(dǎo)體制備的知識(shí)，這為他日后獲得諾獎(jiǎng)打下了一定的基礎(chǔ)。

碩士畢業(yè)以后，中村修二進(jìn)入了大學(xué)附近的一家鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)——日亞化學(xué)工業(yè)公司上班。

中村修二入職日亞化工的場景（來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

這是1979年的春天，LED產(chǎn)業(yè)開始迅猛發(fā)展。LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光的器件，在物理學(xué)上稱為固體發(fā)光技術(shù)（solid state light）。日光燈內(nèi)充的是氣體，所以日光燈這樣的傳統(tǒng)光源是氣體發(fā)光；而半導(dǎo)體發(fā)光的技術(shù)，則是固體發(fā)光。LED為什么能發(fā)光呢？簡單地說，半導(dǎo)體中的電子與空穴結(jié)合在一起時(shí)，會(huì)發(fā)出光子，其情景類似于一塊石頭（電子）掉到水井（空穴）里，會(huì)濺出水花（光子）。

當(dāng)時(shí)，市場上開始出現(xiàn)紅、橙、黃、綠等顏色的LED燈。這些LED可以做成五彩斑斕的霓虹燈，裝點(diǎn)著城市街道的夜景。除了制作廣告牌，LED燈在照明產(chǎn)業(yè)也有巨大的潛力。因?yàn)長ED可以大幅降低照明所需的電量。相同功率的LED燈，所需電能只有白熾燈泡的1/10。

為什么LED那么省電呢？因?yàn)長ED是冷光源，它不會(huì)產(chǎn)生紅外線與紫外線這種對照明無用的損耗。另一方面，LED燈的壽命極長，至少可以到達(dá)上百萬小時(shí)，也就是說一盞LED燈可以用392年。所以，無論從節(jié)能還是從使用壽命來說，LED燈的市場前景被極度看好。

但是，盡管五顏六色的LED燈已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)人們卻無法制造出白色的LED，因此也就沒法用LED燈實(shí)現(xiàn)照明。

而歸根結(jié)底，造不出白色的LED，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們無法生產(chǎn)藍(lán)色的LED。要產(chǎn)生白光，有兩種方案，一種是藍(lán)色與黃色的組合，另外一種是紅色、綠色與藍(lán)色的組合。無論怎么樣，這都需要用到藍(lán)光LED。

來源：S. Pimputkar et al., Nature Photonics

在日亞化工，中村修二的工作任務(wù)就是開發(fā)LED。

日亞化工是一家以產(chǎn)品銷售拉動(dòng)增長，而不是以技術(shù)推動(dòng)增長的小公司。日子看起來十分平靜，就好像四國島上的云淡風(fēng)輕。但是，中村修二內(nèi)心并不寧靜，因?yàn)樗敫梢环蟮氖聵I(yè)。

一開始，中村修二主要研究磷化鎵（GaP）與砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體晶體的生長工作。辛苦工作了10年后，他對開發(fā)LED的流程與方法已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)闹R(shí)與技術(shù)積累。

1988年，中村修二已經(jīng)來公司九年了，他走進(jìn)公司董事長的辦公室，提出了要用氮化鎵（GaN）研制藍(lán)光LED——氮化鎵這種半導(dǎo)體可以發(fā)出藍(lán)光，波長很合適。董事長當(dāng)即決定資助500萬美元的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行破釜沉舟式的研發(fā)。對于這樣一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，500萬美元的研發(fā)費(fèi)用無疑是一筆巨款。

可是，怎么樣才能做出藍(lán)光LED呢？當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界與工業(yè)界都還停留在迷糊的狀態(tài)。

為了學(xué)習(xí)開發(fā)藍(lán)光LED技術(shù)，公司派遣中村修二在1988年到1989年間去美國的佛羅里達(dá)大學(xué)進(jìn)修，學(xué)習(xí)藍(lán)光LED技術(shù)所需要的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）結(jié)晶技術(shù)。當(dāng)時(shí)的中村修二沒有發(fā)表過論文，所以在美國大學(xué)里大家都不把他當(dāng)研究人員看待，開學(xué)術(shù)會(huì)議也沒人通知他去參加。大家只覺得他是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室打雜的人。

從美國回來后，中村修二學(xué)會(huì)了MOCVD技術(shù)，公司也購買了設(shè)備，中村修二開始用MOCVD技術(shù)制備氮化鎵的LED。

1991年，中村修二制備的氮化鎵終于發(fā)出了藍(lán)光。不過，光亮度很暗淡，做照明光看起來是沒希望了。中村修二繼續(xù)研究，在1992年研制出了高效率的藍(lán)光LED——這種結(jié)構(gòu)叫做雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了原來的傳統(tǒng)PN結(jié)構(gòu)。這意味著日亞化工可以提供高效率的藍(lán)光LED了，這一下子開辟出一片藍(lán)海，日亞化工也迅速占領(lǐng)了藍(lán)光LED的市場，快速擴(kuò)張為一家大企業(yè)。

藍(lán)光LED燈（來源：wikipedia）

那么，中村修二的貢獻(xiàn)到底是什么呢？

簡單地說，氮化鎵是一種十分難做出來的半導(dǎo)體材料。而中村修二的主要貢獻(xiàn)，是提出了生長氮化鎵晶體的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法。在中村修二之前，半導(dǎo)體藍(lán)光光源薄膜材料的制備工藝一直做不好，而中村修二解決了這個(gè)工藝難題。

對于高質(zhì)量氮化鎵薄膜的生長，中村修二改進(jìn)了MOCVD過程中組分氣流進(jìn)入的方式，他設(shè)計(jì)了雙氣流式金屬化合物氣相外延生長工藝，掌握了批量生產(chǎn)高效率藍(lán)色LED的關(guān)鍵技術(shù)。中村修二在普通藍(lán)寶石基片上獲得高效率的氮化鎵薄膜。

中村修二的另一個(gè)貢獻(xiàn)是氮化鎵空穴導(dǎo)電的調(diào)控。

LED發(fā)光效率與半導(dǎo)體材料的光學(xué)折射率有關(guān)。一般的半導(dǎo)體材料折射率接近4，而空氣的折射率僅為1。所以，當(dāng)電子掉進(jìn)空穴里產(chǎn)生光子后，光線在半導(dǎo)體材料內(nèi)能順暢傳播，但要想傳播到低折射率的空氣中，卻是非常困難的。

對此，中村修二改進(jìn)了半導(dǎo)體材料，在氮化鎵中摻雜銦氮化鎵來實(shí)現(xiàn)周期量子阱結(jié)構(gòu)，降低了材料的折射率，大幅提升了亮度。可以做到300流明/瓦特的發(fā)光效率，這是日光燈發(fā)光效率的4倍。

以上兩大貢獻(xiàn)，使得中村修二把日亞化工的藍(lán)光LED推向了全世界。

從1991年起，中村修二在日本與美國的學(xué)術(shù)雜志發(fā)表了多篇論文（日亞化工不一定知情），介紹自己研發(fā)藍(lán)光LED的過程。正是這些論文，成為了諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)授予中村修二諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的重要依據(jù)。

中村修二發(fā)表的論文之一。在這些論文中，中村修二的工作單位寫的是日亞化工研發(fā)部。

1993年，日亞化工實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光LED的量產(chǎn)。同時(shí)，日亞化工以公司的名義申請了藍(lán)光LED的專利，據(jù)此來壟斷技術(shù)，但只獎(jiǎng)勵(lì)給了專利發(fā)明人中村修二2萬日元（約合人民幣1140元）的獎(jiǎng)金。

1999年底，中村修二從日亞化工離職，前往美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校擔(dān)任教授。由于拒絕簽署“保證3年內(nèi)不再從事藍(lán)光二極管的基礎(chǔ)技術(shù)研究”的保證書，在日亞化工工作了20年的中村修二沒能拿到離職補(bǔ)償。

2004年1月，中村修二把日亞化工告上了法庭，要求公司支付藍(lán)光LED的發(fā)明補(bǔ)償金200億日元（大約11億人民幣）。后來，東京高等法庭組織雙方調(diào)解，中村修二接受了日亞化工給與的8.4億日元（約4800萬人民幣）的補(bǔ)償。

到了2014年，中村修二因?yàn)榘l(fā)明高效率的藍(lán)光LED，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，徹底震驚了科學(xué)界。對于他與日亞化工的官司，因?yàn)樯婕暗降陌讣?biāo)的巨大，已經(jīng)成為專利史上的著名案件。這個(gè)案件引起了很多討論，涉及到職務(wù)發(fā)明的發(fā)明人應(yīng)該如何分享經(jīng)濟(jì)權(quán)益，這不但在日本，而且在中國同樣有探討的意義。

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