图:Glenn Beltz,2014 年摄于加州大学圣塔芭芭拉分校 / Wikimedia Commons / CC BY 2.0
中村修二
Shuji Nakamura1954–今 · 生于日本爱媛县伊方 · 日本 / 美国
一家两百人小公司里的工程师,向社长要了相当于全年营收 2% 的钱,去做全世界都做不出来的蓝光
诺贝尔物理学奖 2014 发明高效蓝色发光二极管,使明亮且节能的白色光源成为可能
中村修二生在四国海边的一个小渔村,村里去镇上得坐渡船。父亲是四国电力的维修工,教他用木头做弹弓和竹蜻蜓。他从小爱动手,也擅长动手——这件事后来救了他。
中学时他把时间都给了排球,高考成绩不足以进名校,只能读本地的德岛大学。他想学理论物理,老师劝他:物理养不活自己,学电气工程好找工作。
硕士导师是个彻头彻尾的实验派,实验室外号「废品间」,堆满拆坏的电视和旧收音机。学生要什么设备自己造:焊接、切割玻璃、敲打钣金、车床加工。他后来回忆,那两年像是在小工厂当钣金工。
想学理论,结果学了一身手艺。这身手艺,正是后来他一个人跑赢大公司的凭仗。
十年,零论文
1979 年他进日亚化学,公司不到两百人,做电视和荧光灯用的荧光粉。他被派去开发新产品:高纯镓、磷化镓、砷化镓……做出来了,卖不动——大公司早就在做同样的东西,价格更低。
十年过去,他的产品销售额约等于零,论文一篇也没有(公司不许发表)。从职业履历上看,他一事无成。
1988 年,走投无路的他直接去找社长小川信雄,提了一个近乎冒犯的方案:做全世界第一只高亮度蓝光二极管。所需经费约五亿日元,相当于公司当年营收的 2%。
小川答应了。
双气流与那炉退火
三分之二的钱买设备、盖洁净室,剩下的用来掌握金属有机气相沉积。1988 年他去佛罗里达大学学了一年——三十四岁的他和一群二十来岁的博士生同处一室,那也是他第一次坐飞机、第一次出国。
回来后他每天改装反应炉:氮化物生长中,气体会在半空提前反应生成白色粉末(业内叫「下雪」)落到片子上,毁掉薄膜。他想出把两股气流分开注入的办法,称为双气流 MOCVD。
失败接着失败。公司不断追问何时能有产品,后来上司也不问了,同事也不来找他了。
某个冬日,他照常长了一片氮化镓,测电子迁移率——数值高得出奇,是当时世界最好的,比名古屋大学赤崎与天野浩的纪录高出一倍以上。
1991 年 12 月,他试着把掺镁的样品简单加热退火。材料变成了 p 型。此前赤崎与天野浩用的是电子束辐照,只在极浅的表层起作用;热退火更简单,能穿透整层,而且适合生产线。顺带地,他弄清了困扰这一行二十年的补偿机制:氨分解出的原子氢与镁结合成络合物,把受主锁死,加热让氢跑掉,受主就活了。
1992 年 9 月做出双异质结构,年底调整铟含量与量子阱厚度,器件跨进坎德拉级——比碳化硅蓝光亮一百倍,白天也看得清。1993 年 11 月 29 日,日亚在东京宣布:世界第一只高亮度蓝光二极管。
第一反应是不相信。等到怀疑消散,订单涌了进来。
之后
1995 年他做出蓝紫光半导体激光器,那是后来蓝光光盘的核心。1999 年底他离开日亚,去了加州大学圣塔芭芭拉分校。
2001 年他起诉日亚,主张职务发明的合理对价。一审判赔金额之高在日本前所未有,二审以和解收场,金额大幅缩水。这场官司直接推动了日本专利法中职务发明条款的修订——发明人与雇主之间怎么分,从此写进了规则。
他常被问到动力是什么。他的答案一向不客气:愤怒。
代表方程
p 型氮化镓的真正机制
镁掺进氮化镓后为什么不导电?因为氨气分解出的原子氢与镁结合成络合物,把受主锁死了。1991 年他试着简单加热退火,氢跑掉,镁恢复受主功能,材料整体变成 p 型——比电子束辐照更简单、更彻底,也终于能上生产线。这个二十年的谜,他一并解开了。
用铟调颜色
在氮化镓里掺进铟,带隙随铟含量连续下降,发光颜色就能从紫外一路调到蓝、青、绿。他把铟含量与量子阱厚度反复对调,1992 年底做出的器件第一次跨进「坎德拉级」——比此前的碳化硅蓝光亮一百倍,白天也看得清。