科学网-蓝光二极管的中村修二“二”在何处？-戴德昌的博文

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蓝光二极管的中村修二“二”在何处？

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2014-10-8 01:43

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标签：蓝光二极管, 中村修二

这篇比较多的专业术语和知识。

上篇博文扯到，中村的成功在于其修练上很“二”，所以才能修成正果。这里搜集出一些网络资料，看他“二”在何处。

1988年，在日本一个叫阿南的小城市里，一位普通的日亚（Nichia）公司职员厌倦了十年来生长一些磷化镓（GaP）砷化镓(GaAs)单晶的活，冒然越级走进公司董事长的办公室，提出了要制备氮化镓(GaN)蓝光发光二极管，董事长当即决定资助500万美元的设备支持。

三年后这位中村修二同学便在《应用物理快报》（Applied Physics Letter）上发表了生平第一篇英文文章：一种用于生长氮化镓新颖的金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)。论文一发表便轰动了世界半导体产业界和科学界，要知道这个时候世界上有多少大公司、著名大学科研机构都在为半导体蓝光光源薄膜材料的制备工艺头痛不已，而氮化镓(GaN)正是III-V族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。

问题并不在于这些科学家们不知道氮化镓，物理学上关于这种材料的能带结构、PN导电类型调控以及发光特性都有大量的理论和实验上的成果，真正让人头疼的是如果要实现这种材料的器件化，必须要使基板材料和氮化镓晶格匹配才行！正是因为这个难题全世界科学界和产业界几乎都把氮化镓抛在脑后，一股风地去研究能生长在砷化镓基板上的硫化锌(ZnS)、硒化锌（ZnSe）等II-VI族半导体，即便这些半导体材料发光效率并不高，而且使用寿命很短。正如中村修二后来打趣的说，因为这些大公司的研发力量把II-VI族半导体的山头都占满了，不能竞争，只有另辟蹊径走别人不走的路。这里符合，独上高楼望断天涯路的境界。

一个人走在这条荒无人烟的路上，这确实是一条中村修二自己踏出的路，没有实验员，没有助手，难怪整个科学界都感到惊讶。他在短短四年时间克服了两个重大材料制备工艺难题，一个是高质量氮化镓薄膜的生长；另一个是氮化镓空穴导电的调控。前者他改进了金属有机物气相生长(MOCVD)过程中组分气流进入的方式，经过无数多次试验，终于在普通蓝宝石基片上获得高电子迁移率的氮化镓薄膜；解决后一个问题采用的方法更加具有传奇色彩，当时日本Meiji大学的Akasaki和Amano教授（因此跟中村一次得奖）已经报道镁掺杂的氮化镓薄膜利用电子束辐射可以实现空穴导电，但是中村修二实验发现只要控制工艺中的氢气浓度就可以大规模地得到p型掺杂材料。1994年4月，当中村修二在美国旧金山举办的春季材料会议上打开他发明的蓝色二极管那一瞬间，整个会议厅的科学家们如同小孩看烟火一般不断发出赞叹的声音。

我们有时候很惊讶为什么日本这个国家总是出现这么多科学上的‘奇迹’，中村修二是个公司的普通职员而已，发明蓝色二极管之前他也只是日本一个不知名大学（德岛大学）毕业的硕士生。回想到2002年诺贝尔化学奖奖给日本岛津公司的田中耕一，一时间世界化学家们都不知道这个人是谁，日本化学界也都茫然地面对记者的提问，后来才知道田中耕一只是岛津制造所的一个小职员，本科生学历，所发表的关于测定蛋白质质量的论文也只是登载在日本一个小刊物上。

对比起来，当我们中国科学界沉醉于谈论SCI、影响因子和量化指标的时候，科学变成了一个急功近利炫耀的舞台，而不是充满冒险、乐趣、坚守和奉献的探索之旅，浮躁有理么？我们的科技体制到底要将科学轨道扳向何方？

中村修二虽然把最有显示度的结果都发表在美国的《应用物理快报》上面，但是对于核心的工艺成果却是通通发表在引用因子非常低的《日本应用物理杂志》（JJAP）上面。当然器件物理领域一些繁琐的革新是无法上一些物理化学明星期刊的，成果的优劣当然没有必要用这些期刊的高影响因子来证明。我们很多时候喜欢反过来说，国内大学科研院所网站上科技新闻的特点就是一有突破就是在Nature，Science，Cell，JACS，PRL等等上面发了什么文章，如果没有这些期刊充面子简直提不上创新。另一方面，为什么中村会将工艺上的突破全部让本国刊物来发表？我猜测这个和日本应用物理学会对于重大知识产权的保护有很大的关系，如果试图发表在他国刊物上，必然会经受‘同行求疵’而不是‘同行评价’，严重的还会出现被压制或者被某个小组抢先一步发表。原创性成果的抢先发表有时候是科学家们的战争。但是我们还是应该鼓励好的成果在做好知识产权保护之后（如申请专利或者在国际会议上简要宣布）发表在国际刊物上。

中村修二发明的氮化镓蓝光二极管对人类的贡献是显而易见的：利用深紫外发光可以高效率地净化生活用水；光纤通信的传输效率得到提高；超长使用寿命和高电光转换效率的全固态白光光源将极大促进绿色能源进程。美国能源部（DOE）主持的一个关于全固态照明应用节能报告中指出，2027年如果用半导体发光技术取代现有主要照明工具的话，将可以节省近660TWh，相当于让40个1000兆瓦的发电站停工。

激光方向的院士杜祥琬帮中国算了一个帐：如果都改用节能灯，可以节约一千亿度电，长江三峡每年是800亿度，就是说我们能节约一个三峡还要多。

爱迪生曾经说过一句很有名的话：我们将生产出最便宜的电力，让富人去买蜡烛！半导体发光照明的最终实现，将来在昏黄的白炽灯下怀旧或会变成一种奢侈的享受呢。这真是一场III-V族半导体引发的能源革命。