芯片的诞生：三位诺奖得主的十年缠斗故事

2023-07-04 13:07

作者：汪波

转载：返朴

【写在开头】

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正文

随着数字化转型的加速和信息科技竞争的加剧，半导体芯片作为数字化世界的基石日益为大众所关注。近年来我国遭遇的芯片技术“卡脖子”境况，也提醒着我们芯片事关当今世界最关键的技术争夺战，赢得芯片战争，才可能主导未来。此时，我们尤需了解芯片是怎样诞生并改变世界的，了解创新和超越等同于对传统的叛逆和颠覆，了解芯片开拓者所遭遇的阻力和付出的代价。

1962年，LED的色彩家族中有了第一种颜色——红色。实际上，何伦亚克不只是发明了红光LED，他还开创了一条制作其他颜色LED的通用道路——合金之路。沿着这条道路，人们只要不断地尝试着在III/V族化合物中加入不同元素以形成新的合金，就有可能做出黄光LED甚至蓝光LED。

1972年，何伦亚克的学生乔治·克劳福德（George Craford）在磷砷化镓化物中掺杂了氮，发明了黄光LED。接下来，由彩色LED构成的画面中只剩下了最后一块拼图——实用的蓝光LED……

2014年，诺贝尔物理学奖颁发给了蓝光LED的三位研究者。消息传来，何伦亚克很震惊，他说：“我已经是个老头了，但我觉得这个决定简直是对我的侮辱。”在他看来，诺贝尔奖评选委员会忽略了之前所有的开拓性研究。

他所在的伊利诺伊大学工程学院院长说，这个结果“非常令人困惑、让人倍感失望”，“我不禁想问，为什么诺贝尔奖评委会把蓝光LED的研究单独拎出来颁奖？”在何伦亚克之后，异质结和蓝光LED的发明者都相继获得了诺贝尔物理学奖，唯独最早的红光LED没有获奖。那么蓝光LED研究凭什么获奖呢？

绝望中的希望

事情要从日本名古屋大学年轻的研究助理天野浩（Hiroshi Amano）说起。

1989年的一天，29岁的天野浩参加了一个学术会议的审稿会，他眼睁睁地看着自己的文章被拒。事情是这样的，那年早些时候，天野浩在研究蓝光LED时有了一个发现，他兴冲冲地写好摘要并提交到了一个学术研讨会。天野浩的导师赤崎勇（Isamu Akasaki）是会议评委会成员之一，但评委会开会那天他临时有事，无法参会，让天野浩代为参加。

评审到天野浩的论文时，一位委员提出：“这个研究没意思，不应列入发表内容中。”就这样，天野浩的文章被否决了。然而，事情就是这么巧。评审会要结束时，一篇本应发表的文章临时撤销了，空出来一个名额。评审委员长放出话来：“有想发表论文的，可以举手。”天野浩本不好意思推荐自己的文章，但又觉得不发表有点可惜，于是就羞涩地举起了手。

委员长对众评委说：“在海报上发表还是可以的吧？”于是这篇关于P型氮化镓（GaN）半导体的文章被发表了出来。

为了实现蓝光LED，天野浩选取的材料是一种当时很冷门的III/V族半导体——氮化镓，这就是他的文章一开始被拒的原因。

自从20世纪70年代以来，世界上绝大部分研究机构都认为研究氮化镓是一条死胡同，纷纷停止，转到了硒化锌（ZnSe）研究方向上。如果要请全世界的氮化镓研究者吃顿饭，只要预定一张圆桌就够了。

而在日本有一位孤独的研究者，他就是天野浩的导师赤崎勇。出生于1930年的赤崎勇在第二次世界大战时遇到了空袭，他藏身的房子被烧毁，侥幸逃出后又遭到战斗机的机枪扫射，于慌乱中捡回了一条命。

1973年，在松下实验室工作的赤崎勇决定开始研究氮化镓。1981年，他在一次国际会议上展示了氮化镓的研究成果，但是台下的观众对此毫无回应。赤崎勇心里想：“我独自一人走进了这荒野之地。”他在心里暗暗发誓，绝不停止研究氮化镓。

同年，他转到了名古屋大学，后来招收了天野浩等学生。1989年，天野浩发现，用电子射线照射氮化镓晶体后蓝光增强了，这是制作P型氮化镓的关键一步。

1989年9月，天野浩去参加了研讨会。会场里驻足观看天野浩海报的寥寥无几。在300多人参加的会议中，这篇P型氮化镓的文章没有激起任何“水花”。

不过，还是有人注意到了天野浩的研究，那就是在德岛县阿南市日亚化学公司（Nichia Chemical）工作的中村修二（Shuji Nakamura，见图1）。那时，他刚刚从美国佛罗里达州立大学回来，时年35岁。

图1.　赤崎勇（a）、天野浩（b）和中村修二（c）

中村修二仔细地聆听了天野浩的讲解。他的心越来越沉，看来这个叫天野浩的研究者已经在氮化镓的研究上走得很远了，解决了做出蓝光LED最关键的一步——制备P型半导体。如此一来，天野浩用不了多久就能制作出PN结二极管，并使其发出蓝光。

中村修二原本想加入氮化镓的阵营，就是看中了这个领域几乎没有人研究。他想第一个做出氮化镓蓝光LED，让自己一鸣惊人。

听完天野浩的讲解后，中村修二感到绝望正一点点地吞食自己残留的希望，他的心沉到了谷底，只问了一个简单的问题：氮化镓中单位体积的空穴数量是多少？

天野浩认真地回答后，还坦诚地告诉中村修二，实际上用他自己提出的电子辐照法做出来的氮化镓晶体的质量并不是特别好。

“哦，是吗？”中村修二的脑子快速地转了一下，电子辐照法虽好，但只适合在实验室里小规模地使用。中村修二的内心又燃起了一丝新的希望。

在返回阿南市的路上，中村修二觉得，自己也许可以提出一个能大规模地制造高质量P型氮化镓的方法。就这样，一场无声的竞技赛开始了。

立刻停止研究氮化镓

中村修二1954年出生于日本爱媛县一个偏僻的小渔村。小时候，他讨厌死记硬背，喜欢久久地凝视着山海。“我什么都不做，只是呆呆地看着。从小我就不知疲倦。对我来说，发呆的状态，就是暂时停止判断的时间带。”

1979年，中村修二在德岛大学获得电子工程学硕士学位。他的老师多田修教授认识日亚化学公司的小川信雄（Nobuo Ogawa）会长，于是带他去那里面试。面试那天，车子穿过一大片稻田，停在了一座工厂前，一股浓烈的硫黄气味扑面而来。中村修二心想，这肯定就是日亚化学公司了。

几天后，中村修二接到了小川信雄的电话。小川信雄问他是不是真的想来日亚化学公司：“我们是一家乡下的企业，说不定哪天就倒闭了，你要好好想清楚！”

照明业务是日亚化学公司的主攻方向，公司主要生产用在日光灯中的荧光剂。不同于白炽灯的发光原理，日光灯是用高电压电离灯管里的水银发出紫外线，继而激发荧光粉发出白光，这是继白炽灯之后又一种被广泛使用的照明光源。

但是，日光灯中80%的能量被过滤掉了，效率不太高。而LED可以直接将电能转换为光，效率高出很多。小川信雄给中村修二定下了研究目标：半导体LED。

一天，日亚化学公司的研发部响起了一声巨大的爆炸声，即使在公司外面100米外的停车场都能听得到。受惊的员工们寻声望去，实验室的一角升起了一股白色浓烟，爆炸的一刹那火星四溅，浓烟笼罩了实验室。惊慌的同事们急忙朝着爆炸的角落飞奔而去。

“中村修二，你还活着吗？”同事们在白烟外围站定，探头朝里面望去。随着烟雾慢慢地散去，一个人影显现出来，他站在原地，头发上、衣服上沾满了白色粉末。中村修二拍打掉身上的粉末，朝同事们摆了摆手，表示自己没事，同事们这才转身散去。

原来，为了制作红光LED，中村修二需要合成磷化镓，但白磷是易燃品，一旦空气进入反应试管后就会发生爆炸，使石英管碎片四溅，很容易扎伤皮肤。

没过多久，实验室又发生了一次爆炸。幸运的是这次中村修二很谨慎，他自制了一个挡板，预感到要爆炸时，就提前钻到挡板后面。如此炸了五六次后，同事们都懒得跑过去问了，只会在听到响声时嘟囔一句：“中村修二这家伙，又来了！”

在日亚化学公司的前8年中，中村修二做出了红光LED和红外LED。但是在市场上，客户都纷纷表示怀疑：“日亚化学公司这种小公司生产的东西质量有保证吗？”也有人说：“如果半价的话还可以考虑。”

这让中村修二非常委屈。自己辛苦看文献，照着别人的方法做出来的东西，只因为公司规模小就被别人拒绝了。每次出差喝完酒，上司和市场部的负责人就开始教训中村修二：“我们辛辛苦苦地制造荧光剂挣来的钱，就被你这么挥霍了，你还是趁早辞职吧！”

中村修二认识到，沿着别人的方法，照着已有器件去做，即使做出来也无人问津。他下定决心，一定要靠自己做出独特的器件来。中村修二注意到，当时已经有了红光LED和黄光LED，如果再有了蓝光LED，就能实现白光照明了。1988年的一天，中村修二去了小川信雄会长的办公室，提出要研究蓝光LED，需要3亿日元（约300万美元）经费，这笔钱占公司年销售额的2%。说完，中村修二等着会长的问询。然而，小川信雄只是简单地说了一句：“如果你觉得那是你非常想做的事情，那就去做吧。”

中村修二愣住了，相关人士稍微调查一下就会发现世界上最优秀的大学和研究机构20多年来都没有做出蓝光LED，而一个只有几百人的乡镇企业却敢去冒险，简直是“癞蛤蟆想吃天鹅肉”。如果是在别的公司，研发蓝光LED的提议经过中高层经理层层审议后，最后的结果只能是无疾而终。

中村打算花2/3的经费购买制备LED所需的设备，主要是一种叫作金属有机化学气相沉积（简称MOCVD）的晶体生长设备，剩下的钱用于建设超净间以及他个人学习使用MOCVD的费用。

当时公司没有人会用MOCVD，中村修二从他的大学同学酒井四郎（Shiro Sakai）那里打听到美国佛罗里达州立大学有这种设备。

1988年3月，中村修二启程赴美国，来到佛罗里达州立大学，准备用一年的时间学习使用MOCVD。这时恰好他访学的实验室准备买零件再搭建一台MOCVD，中村修二主动请缨帮忙组装，从早到晚都泡在机器旁。

同事们一开始对中村修二很客气，问他是否有博士学位，中村修二回答说没有。有人又问他是否在写论文，中村修二回答说也没有。这两个“没有”说出来后，实验室的人态度大变，他们不再把中村修二当作研究伙伴和同事，只是把他当作一个低级技术员。有什么研究会议也不叫他参加，只是在设备有故障时找他来维修。中村修二觉得自己受到了莫大的歧视。

带着这股屈辱的感觉，中村修二在佛罗里达州立大学待了一年后回到了日亚化学公司。他发誓自己要做出蓝光LED，让那些只看重论文的人目瞪口呆。

他需要做出的第一个决定是采用什么材料来制备蓝光LED，是冷门的氮化镓，还是众人趋之若鹜的硒化锌？任何一个进入蓝光LED领域的研究者都不难发现，成千上万的人都在研究硒化锌，这是一条安全而保险的研究路径。

实际上早在十多年前，贝尔实验室和美国无线电公司就已经停止研究氮化镓了。1969年，25岁的赫伯特·马鲁斯卡（Herbert Maruska）在美国无线电公司第一个成功地使蓝宝石基座上生长出了氮化镓晶体。1971年，他的同事雅克·潘科夫做出了金属-绝缘体-半导体（简称MIS）结构的蓝光LED，但是它的光很微弱。如果要使LED发出更明亮的光，必须采用PN结二极管才行。但是P型氮化镓极难制备，潘科夫的团队卡在了那里，项目由此被砍掉了。

但是，中村修二偏要用氮化镓。他想起自己在日亚化学公司前8年辛辛苦苦地做出红光LED来却无人问津，心里暗自较劲，就算用硒化锌做出来蓝光LED，又能怎样？还可能因为日亚化学公司不是大公司而被客户拒绝！

下定决心后，中村修二找来了自己的学长、已经在德岛大学做教师的酒井四郎，希望能一起合作，用MOCVD制备氮化镓。出乎意料的是，这位推荐他学习使用MOCVD的学长却拒绝了。学长的理由是，要想通过大学的考核，他必须不停地发表论文，而研究氮化镓很难发论文。在大学里，只有选择那些主流的研究，才有可能通过考核。就这样，中村修二一个人踏上了氮化镓的研究之路。

就在中村修二去美国这一年，日亚化学公司的小川信雄已经76岁了，卸下了社长之职，将其交给了女婿小川英治（Eiji Ogawa），自己只担任会长。一次，一位研究蓝光LED的著名教授到访日亚化学公司，在新社长面前，他断言氮化镓没有出路。紧接着，中村修二的办公桌上就出现了一张纸条：“立刻停止研究氮化镓！”下面是新社长的签名。

这是世界上最好的晶体

对于天野浩来说，他之所以选择氮化镓也有自己的一番考虑。1982年，他在选择本科毕业设计题目时看到列表中有氮化镓蓝光LED，内心很激动。他天真地以为制备氮化物应该比较容易，而且如果做好了，还能够应用到壁挂式电视和漂亮的电脑显示器上。

然而，氮化镓非常坚硬，很难生长成晶体，已经被美国无线电公司和贝尔实验室等判定为是“死胡同”。而硒化锌则较软，容易生长出晶体，背后有庞大的研究阵营，包括布朗大学、普渡大学、索尼公司、东芝公司和IBM公司等。

但是天野浩注意到，硒化锌晶体非常不稳定，没法大规模应用。他研究的目的不是发文章，而是为了应用。氮化镓虽然难以制备，但它很稳定。单凭这一点，天野浩认定了制作蓝光LED非氮化镓不可。

有一年，天野浩参加了日本国内的一个学术会议，氮化物方面的文章只有两篇，天野浩的文章排在后面。前面的人讲完离场后，会场里除了主持人和天野浩，只剩下一位听众。天野浩讲完后，这位唯一的听众勉强提了一个问题，听完天野浩的回答后，他感慨地说道：“真是很难啊！”

天野浩的导师赤崎勇采用了金属有机物气相外延生长设备（简称MOVPE，类似MOCVD）来生长晶体。当时他们手头只有300万日元的经费，买不起设备，只能自己研制。因此，天野浩用“土方法”——绕感应线圈，用煤油喷灯加热铜丝，缠绕在啤酒瓶上。为了将反应管抽成真空，他们需要一台泵，而实验室那台老旧的泵用了几次后传送带就断了，他们只好向隔壁实验室借了一台。3个月后，他们自制的1号机做好了，但是抽真空装置每周都会发生一次泄漏，导致晶体无法生长。

中村修二回到日亚化学公司后，同样需要手工改造生长晶体的设备，幸好他在佛罗里达州立大学学习期间就已经对MOCVD机器了如指掌，并磨炼出了匠人般的手艺。有了问题，他能自己摸索出对策来。如果他像其他研究机构那样买现成的设备，一出故障就打电话叫厂家来维修，他永远也不知道如何改装设备来满足自己特殊的需要。

制备氮化镓晶体的第一步是选择一种有效的基底。这就像是在拼乐高积木，首先要有一大块基板，然后在此基板上拼出图案来。基板的凸起跟乐高积木块的凹槽要刚好匹配上才行。除此之外，基板要能耐1000℃以上的高温，故红宝石是理想的基板材料。

这时，天野浩遇到了第一个挑战，红宝石跟氮化镓的晶格系数不太匹配，而且氮化镓非常坚硬，无法直接在红宝石上生长。

天野浩想到，可以先找一种能在红宝石上生长的、晶格系数比较匹配的材质作为较软的缓冲层。1985年2月，他用多晶形态的氮化铝作为缓冲层，成功生长出了氮化镓晶体。

天野浩为此申请了专利。当时他还只是一个普通学生，拿不准专利申请能否获批，在权利申明中他只描述了用氮化铝作为缓冲层。

然而，天野浩这个保守的决定给了中村修二在夹缝中突围的机会。1989年，中村修二制备氮化镓晶体时也遇到了同样的问题，他想出用多晶形态的氮化镓作为缓冲层，获得了成功。中村修二也申请了专利，“仅排除氮化铝”，用氮化铝和氮化镓的混合晶体作为低温缓冲层，也得到了批准。

中村修二放出话来：“氮化铝缓冲层已经不管用了，必须使用氮化镓！”听了这话，天野浩心里很不是滋味。

有了缓冲层，氮化镓晶体就能在基板上生长了，这需要把包含氮和镓两种元素的气体吹到红宝石上方。如果能完美地生长出晶体，红宝石上方的晶体应该是完全透明的。然而，天野浩得到的却是灰蒙蒙的一片……天野浩发现，气体还没有吹到基板就会反弹起来在上方打转，就是不贴近基板。原来，红宝石基板被加热到了1000℃，导致上方气体对流、四处飞扬，根本无法落在基板上。

这时，天野浩就快要硕士毕业了，要面临找工作的问题。可他发现，别的小组的同学手握好几份录用通知，而自己在人才市场上根本找不到与氮化镓相关的工作。导师主动对他说：“你留下来读博吧。”

为了解决气流的问题，天野浩参观了东北大学的实验室，他发现东北大学的设备里气流很快。于是，他灵机一动，想到了吹生日蜡烛时缩小嘴巴开口，会加速气流。最终，他缩小了孔径，流速一下子增大了100倍，可以使气体顺利到达基板上！

1985年2月，天野浩又做了一次晶体生长实验，但实验结果是红宝石上面什么都没有。奇怪，难道忘记添加反应气体了吗？哦，不！是结晶非常透明，几乎看不到！大阪大学的伊藤进夫教授是晶体测试专家，他看到X射线的结果说：“这是世界上最好的晶体！”

1990年，中村修二每天忙碌于利用MOCVD进行研究，他不参加公司的会议，甚至不接电话。中村修二完全沉浸在自己的世界里，从早到晚仅跟助手说几句话，变得越来越沉默。不过，他仍然每天晚上8点准时回家陪妻子和孩子吃饭。这是他多年来的习惯，在他看来，绝不能把身体搞垮了。

面对晶体生长的问题，中村修二想到了一个“土方法”。除上方的进气口外，在侧面再增加一个进气口。这使得气体进入基板附近时，被上方的气体压制住，无法形成对流，只能“老老实实”地停留在基板附近。中村修二将其称为“双流法”，这是他的独门秘籍。

1991年8月的一天，上午11点多，中村修二照例打开反应炉，拿出生长出来的透明晶体。他切割下一小块并测量半导体迁移率，结果比天野浩的最好数值还高了将近一倍。“这是我人生中最激动的一天！”他后来回忆道。

黯淡的蓝光

有了良好的氮化镓晶体，接着就是做出P型氮化镓，在此过程中要掺入一些特定类型的杂质原子，使得纯净的半导体变成带正电荷的P型半导体。

当时有论文认为，P型氮化镓是做不出来的。那时天野浩在大学里当助教，在阅读一本教材时，他发现掺杂镁到氮化镓里更容易做出P型半导体。但是镁很贵，而且要进口，他等待了8个月才收到镁。天野浩将其掺进氮化镓里，但半导体没有发光。

天野浩这时去了日本电报电话公司（简称NTT）实习，那里有一种电子辐照设备，他把氮化镓晶体放到电子辐照设备下照射，终于做出了P型半导体。于是就有了本文开头的一幕，天野浩把研究成果投稿到了1989年的研讨会。

为什么电子辐照会让半导体变成P型的？天野浩并没有完全弄清楚背后的原理。

1991年冬天，中村修二发现，反应物受到电子辐照时的温度升高了，他大胆猜测：也许只需加热也能制作出P型半导体？他试着加热掺杂镁的氮化镓，果然得到了P型半导体。中村修二的加热法简单易用，比电子辐照法更适合大规模生产。

于是，中村修二又放出话来：“电子辐照法不管用！”听了这样的说法，天野浩心里不太舒服。不过，他也意识到加热这么简单的方法谁都想得到，而自己用复杂的电子辐照法的确有点绕远路了，谁让自己没有早点开窍呢？他感到有些沮丧。

有了P型半导体，接下来就是最关键的一步，制作出PN结，使LED发光。1989年，天野浩和同事一起做了上千次实验。除了新年休息一天外，天野浩其他时间都在做实验。他每天晚上从实验室出来，在星光下骑着小摩托车回宿舍时都在想，也许明天会有不错的结果。

一天，天野浩制作好包含PN结的氮化镓晶体，发现通上电流后，晶体发出了一丝微弱的蓝光。这是世界上第一个PN结型蓝光LED！天野浩兴奋地请导师来观看。年近60岁的赤崎勇眯起眼来仔细地观察了半天后问，是什么地方发光了？原来，那时他们制作的蓝光LED发光效率只有0.2%。

1991年8月，中村修二用氮化镓PN结做出了一个蓝光LED，器件发出了紫蓝色的光，而且很稳定，整个下午都在持续发光。中村修二第二天回到实验室时，它仍然亮着！中村修二兴冲冲地直接去找会长。小川信雄抓起相机，跟着中村修二来到了实验室。“哈，这有什么大不了的？！”小川信雄看到LED发出了黯淡的蓝光。中村修二连忙把实验室的所有灯光都关掉，会长仍然摇着头说：“太暗了，这样的产品根本卖不出去。”

没过多久，中村修二得到了一个坏消息：美国的3M公司用硒化锌做出了蓝绿色激光器。这意味着他们已经做出了对应的普通LED，如此一来，3M公司的蓝绿光LED就可以大规模地应用了。

这对中村修二来说无疑是个沉重的打击，他感到很绝望，这意味着他4年多的努力——远渡重洋求学、日复一日地做实验，都打了水漂，他甚至都不想继续做研究了。

不久，中村修二参加了日本的应用物理学年会。有关氮化镓研究的会场只安排了一个小房间，稀稀落落地坐着5个人，他不禁心虚起来。

有关氮化镓研究的会议议程一结束，中村修二立刻起身赶到了硒化锌的发布区，那里能坐500人的大讲堂已经挤不进去了，他只能站在后面听别人演讲。中村修二前面站着一位著名教授，他谈论起了氮化镓，振振有词地说：“听说有人还在研究氮化镓，他们真的相信用氮化镓能制造出LED和激光吗？真是笨蛋！”

白炽灯时代终结的序幕

不久，中村修二收到了一封来自美国伊利诺伊大学哈比斯·莫鲁克休教授的信，邀请他参加于圣路易斯举办的第一届氮化镓会议，并做特邀演讲。中村修二有点受宠若惊，估计是此前他的有关“双流法”的文章发表到《应用物理快报》上，引起了大家的关注。

中村修二向新社长请示出国开会，却被拒绝了，很可能是他偷偷发表论文这件事让公司有所不满。后来，中村修二一上班就看到桌上摆着一张纸条：“没有公司许可，不准发表论文。”

中村修二告知莫鲁克休教授自己无法前往，对方则直接发传真到了新社长那里，力陈中村修二出席会议的必要性，中村修二直到最后一刻才获得准许。

这次会议也邀请到了名古屋大学的赤崎勇和天野浩。其实就在这次会议召开前几个月，也就是1991年12月，赤崎勇受邀参加了在美国波士顿举办的材料研究协会会议，那时他的团队做出了较为明亮的蓝光LED，但由于还没申请专利，所以他不便在会议上公开演示。在会议间隙，赤崎勇走到蓝光LED研究先驱——第一个用金属-绝缘体-半导体结构做出氮化镓蓝光LED的马鲁斯卡面前，约定晚上9点到酒店房间找他，准备将一样东西展示给他看。

“咚咚咚”——马鲁斯卡听到一阵敲门声后打开了门，赤崎勇站在门口，把一小块电路举到身材高大的马鲁斯卡眼前：“看看这个！”电路发出明亮的蓝光。马鲁斯卡惊讶地叫道：“老天，这蓝光LED真是明亮！”“你说得没错。”当马鲁斯卡还想再仔细看一下时，赤崎勇已经收起了他的蓝光LED，转身消失在走廊尽头。马鲁斯卡回想着刚才的演示，仿佛做了一场梦！

在圣路易斯举办的这次会议也邀请了3M公司。在会上，他们演示了采用硒化锌做的激光二极管。中村修二发现这种激光发光时间很短，只有0.1秒，而且发光条件是必须在液氮低温下。他悬着的心稍微放松了一些。

中村修二鼓起最后的勇气走上了讲台。他说自己研制的氮化镓虽然发出的光很弱，但是能在常温下连续工作1000个小时以上。他的演讲收获了比3M公司更多的掌声。令中村修二意外的是，听众们纷纷说：“你的LED更优秀。”“你的LED虽然暗，但寿命长，氮化镓也许能行！”

赤崎勇团队也发布了他们做的蓝光LED，此时他们已经在氮化镓领域坚守了近20年。自从1989年做出第一个发蓝光的氮化镓LED，每一年他的团队都会做出比前一年更亮一些的LED，这一次他们的蓝光LED发光效率达到了1%。赤崎勇演讲结束后，中村修二想上前认识一下他。碰巧赤崎勇在跟一位美国同行交谈，于是中村修二耐心地在一旁等待。当机会到来时，中村修二立刻上前，拿出准备好的名片，双手捧上前说：“我叫中村修二。”但是，赤崎勇仍在跟其他人交谈，好像没有听到一样。

赤崎勇在氮化镓领域是元老级人物，来自日本的一流大学。而眼前这个三年前才冒出来的来自日本一家无名企业的30多岁的不知名工程师却在这次会议上抢了他的风头，这自然让他心里有点不爽。不过，这还不是最大的原因。

前一段时间，天野浩经常被一个德岛大学的研究者酒井四郎“纠缠”，详细地追问氮化镓实验的细节。这让名古屋大学的团队提起了警惕之心。这个酒井四郎是谁呢？他是中村修二的大学同学，那么会不会是中村修二派他来打听细节的呢？

赤崎勇团队不知道一开始酒井四郎就不看好氮化镓，拒绝了跟中村修二合作。后来，酒井四郎看到有人用氮化镓做出了蓝光LED，自己也转而研究起氮化镓，只是没有脸面再去找中村修二合作了，更不可能向他泄露秘密。

圣路易斯会议后，赤崎勇团队和中村修二的新一轮竞赛要开始了。然而，就在这一年，赤崎勇教授63岁了，达到了日本公立大学规定的退休年龄，他没有别的选择，只好关闭名古屋大学的实验室。紧接着，他拿到了私立的名城大学的聘书，他可以把实验室搬过去，但无法马上实现，这导致他的团队在近一年的时间里都没法好好做实验。

中村修二会赶上并实现超越吗？也没那么容易。最大的阻力恰好来自日亚化学公司内部。研发出蓝光LED后，新社长急于将其变为产品进行销售。这时，中村修二的办公桌上又出现了新的纸条：“立刻开始推动蓝光LED的商品化”。

然而，中村修二知道，这么微弱的光还无法投入实际运用中，他决定把产品研发放一放，先研究新的LED结构。中村修二觉得自己这么做是为了公司的长远利益考虑，但是日亚化学公司的领导觉得中村修二这个家伙不听话，我行我素，“烧”着公司的钱，却不肯为公司赚取利润。就这样，中村修二和公司的关系滑到了危险的边缘。

要想让氮化镓发出更明亮的蓝光，就需要掺杂进更多带隙较小的半导体杂质。III族的铟是一种理想的杂质。中村修二和天野浩都准备在氮化镓中掺进铟，做成氮化铟镓（InGaN）。但是，晶体里多了一种元素，就让工艺变得非常复杂。

此时，天野浩只能去一家合作企业做实验。而中村修二则开始发力，他拿出了独门秘籍“双流法”，成功做出了氮化铟镓，把蓝光LED的发光效率提升到了3%。天野浩只能眼睁睁地看着中村修二如入无人之境，取得一个又一个的突破。

1992年9月，中村修二做出了双异质结LED，双异质结的概念最早是阿尔费罗夫和克勒默在1963年提出的。中村用氮化镓和氮化铝镓夹住中间的氮化铟镓，使得相应的LED发光效率达到了10%。

1993年11月的一天，64岁的赤崎勇接到了日亚化学公司81岁的小川信雄打来的电话。小川信雄小心翼翼地透露了一星期后即将发布的大新闻。

11月27日，日亚化学公司正式对外公布了第一个实用的蓝光LED产品，发光亮度超过1坎德拉。“在一片黑暗之中，那蓝色的光芒就像一只巨大的萤火虫，那点儿光芒，就是我的梦想。”这一天，中村修二的梦想实现了。

消息一出立刻震惊了世界，一家日本不知名的化学企业竟然第一个做出了实用的蓝光LED。美国产业界在惊讶之余默默地将沮丧吞到了肚子里。讽刺的是，那个曾经说氮化镓研究者“真是笨蛋”的日本教授，后来也转到了氮化镓研究者的行列。

赤崎勇团队在名城大学建立的新实验室终于可以正常运转了，他们要奋力追赶。1995年，赤崎勇和天野浩团队做出了基于量子阱的LED。

同一年，中村团队将蓝光LED和黄光LED组合起来，并在外面涂上磷光剂，做出了第一个用于照明的白光LED。

1996年1月，中村修二团队在柏林发布了可发出紫色-蓝色激光的器件，他们制作的半导体达到了惊人的26层，而天野浩做的半导体只有5层。

克勒默，这位曾经提出了双异质结的学者就在现场，他观看了中村修二的演示后心想，“明亮的光线绝对令人震惊，很明显这是一种质的突破”。克勒默低头对旁边的朋友耳语道：“我们此刻见证了白炽灯时代的终结。”

1997年底，中村修二做出了能在室温下连续工作的激光二极管，预期工作寿命达到了10000小时。1998年，中村修二在法国斯特拉斯堡举行的学术会议的主题演讲中断言，蓝光LED的研究竞赛已经结束。

一个偶然的机会，中村修二碰到了美国加州大学圣芭芭拉分校研究半导体的史蒂文·丹巴斯（Steven Den Baars）。后者问中村修二：“搞出这么大的发明，你一定成为亿万富翁了吧？”中村修二很尴尬，因为他只从公司得到了180美元奖励，仍然是一个普通的上班族。丹巴斯教授惊叹道：“这不就跟奴隶一样吗？！”从此他有了一个绰号——“奴隶中村”。

1999年12月26日，中村修二向领导递交了辞职信，口里只说了一句：“明天我就不来公司上班了。”随后，他接受了丹巴斯教授的邀请，去加州大学圣芭芭拉分校当教授。

2000年，日亚化学公司起诉中村修二，控告其将公司机密泄漏给了美国科锐公司（Cree）。而中村修二则反诉日亚化学公司，称自己对日亚化学公司的巨大贡献没有收到应有的回报。2005年，中村修二赢得了810万美元的补偿。

21世纪10年代，白光LED每瓦的光通量达到了300流明，是白炽灯的20倍、荧光灯的4倍。随着蓝光LED和蓝光激光器的普及，大密度的DVD和蓝光碟成为可能，LED照明从城市扩展到了乡村。此外，手机屏幕和电脑屏幕也换成了更节能高效的LED。

赤崎勇一直保留阅读文献的习惯。2014年10月初的一天，晚上6点，85岁的赤崎勇在办公室整理文献，电话铃响了，是从斯德哥尔摩打来的……距离他从1973年决定研究氮化镓已经过去了41年。后来，他接受采访时展示了一幅书法：吾道一以贯之。

天野浩实验室的灯每天依然亮到很晚，包括节假日。一次，蒙古国教育部部长访问他的实验室时说：“有了LED台灯和太阳能电池，从此草原上蒙古包里的孩子也能在夜晚阅读和写作业了。”2014年10月的一天，天野浩出国开会时在法兰克福转机，突然一大堆标题为“祝贺”的邮件涌进他的电子邮箱。由于赶飞机，他没有及时查看，当他最终在十多个小时后抵达巴西里约热内卢机场时，大批日本记者挤在出口对着他挥手大喊。

中村修二是在睡梦中被诺贝尔奖评选委员会打来的电话叫醒的，他喜欢这种叫醒方式。可惜小川信雄会长没机会与他共同分享喜悦（小川信雄已于2002年去世）……当初他把三亿日元拨给中村修二后说：“中村修二这家伙虽然爱吹牛，但做起事来毫不含糊。”

中村修二一直保留着儿时的一个习惯，那就是——发呆。“不断地重复实验时，我也会在实验的间隙一边看着乡下的山、水田、白云，一边发呆。在这种时候，实验的相关资料、文献和其他学者的意见等外在的判断都会被我抛在一边。我能够不被这些东西左右，逼近事物的本质……”

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作者：汪波，资深芯片研究专家、科普作家。早年留学法国，获法国里昂国立应用科学学院集成电路硕士学位和利摩日大学高频微电子学博士学位，后分别在华为公司、法国里昂纳米国家实验室和北京大学深圳研究生院从事集成电路设计的教学与科研工作，积累了二十余年经验。已出版科普图书《芯片简史》、《时间之问》等。

来源：节选自《芯片简史》（浙江教育出版社2023年4月）。本文版权归属作者/原载媒体。

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