从实验装置改造能手到诺贝尔物理学奖得主——中村修二在日亚公司研制蓝色LED案例研究

作者: 周程

来源: 科学春秋

发布日期: 2018-07-27

中村修二在日亚公司研制出高效率蓝色LED,打破了国际垄断,为全球LED照明技术的发展做出了重大贡献。文章详细描述了中村修二在技术研发过程中的挑战和突破,强调了实验装置改造在技术创新中的重要性。

在中国,不仅生产高端芯片用的光刻机严重受制于人,生产LED芯片用的MOCVD设备也严重依赖进口。MOCVD设备是LED芯片生产过程中最为关键的设备,也是LED芯片制造环节中最为昂贵的设备。很长一段时期里,只有美国的Veeco、德国的AIXTRON、日本的日新电机和日本酸素能够生产这种设备。

由于日本限制MOCVD设备出口,所以Veeco和AIXTRON长期垄断了全球90%以上的市场,而全球70%左右的MOCVD设备均销往中国。然而,这种新型的化学气相沉积设备却是在气相外延生长(MOVPE)技术的基础上发展起来的。而当年一位名不经传的日本普通大学硕士毕业生中村修二在日亚这个乡镇企业就研制出了双气流MOVPE,从而为率先发明高效率蓝色LED奠定了基础。

LED是Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写。它的心脏是一块半导体晶片。LED的主要优点是寿命长,可达到10万小时,而白炽灯的寿命通常只有1千小时,荧光灯的寿命也只有1万小时左右。所以,LED很早就被用来制作交通信号灯和汽车尾灯。而且,LED属于冷光源,没有红外和紫外耗损。因此,在同样亮度下,LED耗电量大约仅为普通白炽灯的十分之一,荧光灯的二分之一。

目前,照明消耗了全球发电量的近四分之一,超过了水力和核能发电量的总和。若今后全球逐步改用LED照明,必将会产生巨大的节能环保效益。

科研人员在研制LED过程中,首先攻克的是波长比较长的红外和红色LED,其次是波长稍短的黄色LED和绿色LED,之后才是波长更短、研制难度更大的蓝色LED。有了红、绿、蓝三种基本色光之后,人们便可以复合出光谱中的任何一种色光。

换言之,没有蓝色LED,全彩LED显示便不可能实现。而且,没有蓝色LED,也就不可能有白光LED照明。因此,2014年度的诺贝尔物理学奖授予了为攻克蓝色LED作出开创性贡献的三名科学家:赤崎勇、天野浩和中村修二。

赤崎勇和天野浩是师生关系,他们在日本的著名高等学府——名古屋大学研制出蓝色LED也许并不令人感到特别意外。但是,攻克高效率蓝色LED技术难题的中村修二只是一名普通大学的硕士毕业生,而且他所在的日亚化学公司当时只是一家位于偏僻的四国岛上、员工不超过200人的小型家族企业。由于不少员工农忙时还要请假回家干农活,所以说其是乡镇企业,似乎一点都不过分。

中村修二1954年5月22日出生于日本四国岛上的爱媛县。其父是日本四国电力公司一名主要负责变电站维护保养的普通员工。中村修二在家排行老三,上面有一个姐姐和哥哥,下面还有一个弟弟。中村修二读小学二年级时跟随全家由爱媛县西南部的西宇和郡搬迁至爱媛县西部的大洲市,并在那里读完了市立小学和初中,以及县立高中。1973年4月,中村修二考入四国岛上的一所普通国立大学——德岛大学的工学院电子工程学系。

1977年3月本科毕业后,中村决定留在多田修教授的实验室从事半导性钛酸钡的物性研究。

在日亚公司历练九年之后,中村深刻地意识到,在日亚这样的小公司开发新产品,即使起步比较早,也难保不被大公司迎头赶上乃至全面超越。因此,小公司开发绝对不能跟风、模仿,必须另辟蹊径、独树一帜。基于这种认识,中村认为日亚有必要启动当时连很多大公司都望而却步的蓝色发光二极管研究。

令中村感到意外的是,小川总裁当即就批准了他的研究开发计划,并答应为此项目提供3亿日元研发经费。1988年的日亚年销售额不到200亿日元,这称得上是一笔巨额投入。

总之,如果没有双气流式金属化合物气相外延生长装置,很难想象中村修二团队在1993年就能掌握批量生产高效率蓝色发光二极管的关键核心技术。

换言之,正是因为中村能够设计制作出全球唯一的先进实验装置,他的团队才能率先开发出全球第一个高效率蓝色发光二极管。1993年11月30日,日亚召开产品发布会,正式宣布高效率蓝色发光二极管开始投产,并从即日起对外销售。紧接着,日亚又于1995年9月开发出了亮度为黄绿色60倍的纯绿色LED;一年后,即1996年9月又将白色LED推向市场,从而拉开了白色LED照明的序幕。

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