藍色晶片

我按下袖珍發光二極體測試儀上的一個按鈕，三點塑膠和半導體發出了足夠刺痛我眼睛的藍色和綠色光線。兩個藍色裝置發出強烈的蔚藍色，略帶一絲紫色。綠色是鮮明而濃郁的，而不是那種如果你想要一個“綠色”LED直到最近都不得不忍受的可怕的黃綠色色調。

直到，那個正在對我微笑的男人，中村修二，有了一些非常聰明的想法。

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中村是加州大學聖巴巴拉分校工程學院最新加入的成員，他在1999年末透露他將離開日亞化學工業株式會社時，震驚了半導體界。日亞化學曾經是一家規模小且默默無聞的日本陰極射線管和熒光燈磷光體制造商。多虧了中村，日亞現在製造出世界上最好的藍色LED、最好的綠色LED以及世界上唯一可商用的藍紫半導體雷射器，這些成就已將日亞推向了一家年銷售額達5億美元，銷售遍佈全球的公司。最令人矚目的是，中村在獨自一人且研究預算緊張的情況下，設法領先於美國、日本和歐洲一些工業研究巨頭數年。更令人難以置信的是，包括惠普、施樂、斯坦利電氣、夏普、三洋、住友、東芝、豐田合成、NEC、索尼和飛利浦在內的公司，至今仍未趕上。這種情況在半導體研究的半個世紀歷史中是前所未有的。

分析師估計，自20世紀60年代以來，這些公司以及幾十所大學在追求藍光裝置上花費了大約10億美元。這很容易理解為什麼。25年多來，LED，即迄今為止生產的最高效的燈，就像彩虹的三分之一。紅色、橙色、黃色和黃綠色是你所能得到的一切。工程師們想要藍色和真正的綠色，因為有了這些顏色，再加上他們已經擁有的紅色，他們可以製造出令人驚歎的東西，比如一種比普通燈泡效率高12倍，壽命長12倍的白光發光裝置。難怪分析師表示，LED有望徹底改變照明行業，並超越其在電子裝置上作為指示燈的常見角色。與此同時，彩色LED正在被部署為交通訊號燈和顯示器，其中最大的一個是在紐約時代廣場的八層樓高的納斯達克顯示器。

潛在的巨大收益還不止於此。藍光半導體雷射器是LED的衍生產品，也具有巨大的商業潛力。這與藍光的波長大約是CD播放器和雷射印表機中常見的紅外半導體雷射器的一半有關。波長縮短一半意味著可以免費將CD上的資料量或雷射印表機的解析度增加四倍。

通往這些光電子學勝利的大部分里程碑都發生在四國島上，這在日本列島中有點偏僻。中村在那裡出生、長大並在德島大學接受教育。他從他所謂的“中等”機構畢業，於1979年獲得電氣工程碩士學位，並渴望在索尼或東芝等公司的研發部門工作。但一位教授勸阻了他，指出如果他去大城市，他將只是另一個工薪階層，買不起房子。由於妻子和孩子即將出生，他不情願地決定留在四國。他在日亞獲得了一份研發工作，當時日亞擁有約200名員工，每年銷售磷光體的收入約為3000萬美元，並希望進入LED市場。在一名研究員更換工作後，公司的整個研發部門由中村、他的老闆和另一名員工組成。他是公司中唯一擁有碩士學位的人，也是唯一的電氣工程師。

“如果我去了大公司，我很難自由地進行研究，”他事後說。“在大公司，比如索尼，有很多非常優秀的研究人員。所以我必須問他們我可以做什麼。”

事實證明，在日亞也沒有多少自由，至少在最初是這樣。就在中村加入公司後，一位銷售經理要求中村的老闆指導這位年輕的研究員開發用於紅色和黃綠色LED的磷化鎵晶體。而且由於日亞規模很小，中村無法購買必要的裝置；他必須自己製造。

在當時用於生產此類晶體的水平布里奇曼法中，源材料（在這種情況下是鎵金屬和磷）在1500攝氏度的氫氧燃料爐中熔化，並在真空室中的石英上發生反應。中村不僅要學會如何製造那種爐子，還要學會如何焊接石英，這是一項棘手且深奧的任務。

真正的挑戰是在他製造出裝置之後。每天早上8:00，他開始準備石英和材料。反應物在10:00到11:00之間進入他實驗室辦公室的防護罩後面的爐子。然後他提高溫度直到2:00或3:00，在溫度達到1100度後開始反應。每天，他都要用完兩根高高的氫氣和氧氣鋼瓶。

大約每月三次，石英會破裂，讓氧氣進入，與磷發生反應並引起爆炸。它總是在5:00左右發生，當時他的同事們正在前往距離他實驗室僅150米的停車場的汽車。濃密的白色煙霧會從他的窗戶裡冒出來。他開心地笑著回憶說：“人們會進來問，‘發生了什麼事？中村，你還活著嗎？’到第五次或第六次時，他們懶得進來了。”

每次發生爆炸時，他都必須向爐子內部噴水，以防止剩餘的磷著火。煙霧散去後，他必須寫一份報告。他的老闆們並不高興。“我以為我的一生都會這樣，”他說。

三年後，他終於獲得了與日亞規模較大的競爭對手生產的一樣好的磷化鎵晶體。不幸的是，在所有條件相同的情況下，大多數客戶都從規模更大、更知名的公司購買，只給日亞留下了很小的一部分：每月約10000美元的磷化鎵銷售額。

銷售經理很失望，表示他希望中村再次嘗試用砷化鎵晶體，也用於LED。因此，在1983年，中村開始使用砷化鎵。他的經歷大致相同，只是這一次，當爐子爆炸時，它釋放出致命的有毒氧化砷。中村明智地將爐子搬到了一個與他的實驗室辦公室分開的房間。他會等到煙霧消散，然後穿著全身防護服，戴著呼吸器進去清理殘局。“我非常幸運，因為我從未受傷，”他解釋說，笑著回憶他穿著“太空服”的樣子。

經過這一切，砷化鎵晶體的商業反響與磷化鎵晶體的反響大致相同。日亞規模較大的競爭對手再次佔據主導地位。更糟糕的是，銷售人員開始指責中村銷售業績令人失望，儘管他的晶體與市場上任何產品一樣好。

大約在1985年，銷售經理有了另一個想法：日亞不應該製造LED的晶體，而應該製造完整的LED。為此，中村必須自學液相外延技術，該技術通常用於在襯底上生長髮光半導體層。他仔細研究了美國和日本的專利以及《應用物理快報》和《應用物理學雜誌》等期刊上的文章。到1988年，他透過在砷化鎵襯底上生長砷化鎵鋁，開發出了優秀的紅色和紅外LED。但三洋、夏普、斯坦利、羅姆、松下、東芝和許多其他公司也開發出了相同的LED。

“漸漸地，我的公司對我感到惱火，”他說。面對令人失望的銷售業績，一些資深同事甚至對中村相對微薄的研發支出感到不滿，希望他辭職。中村自己也變得“非常生氣”。他也有了一個想法。“像日亞這樣的小公司應該做利基產品，”他說。“10年後，我可以理解這些事情。”從他大量的閱讀中，他知道發藍光的半導體器件是光電子學的聖盃，他決心投入這場競爭。

他記得他的老闆，研發經理，回答說：“你瘋了。所有的大公司和大學都做不到。你為什麼認為你可以在一家小公司做到？”

因此，在1988年1月，他繞過他的老闆，衝進了日亞的執行長小川信夫的辦公室，並列出了一系列要求。他希望獲得約330萬美元的研發資金用於研究藍光裝置，並休假一年到佛羅里達大學學習金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）。MOCVD當時正在興起為生產異質半導體（例如能夠發出藍光的半導體）的首選技術。

中村的舉動在美國小型初創公司中可能會引起一些人的注意，但在封建的、基於資歷的日本製度中，這絕對是令人震驚的。“我很生氣，”當被問及是什麼促使他發出最後通牒時，他解釋說。“我想辭職。我不在乎任何事。他們解僱我也可以。我什麼都不怕。”

令他驚訝的是，小川竟然同意了他所有的要求。中村後來聽說，這位執行長曾對心腹說：“中村是個大騙子。但他是一位最棒的研究員。”“騙子”顯然指的是中村未能創造出可觀的收入。但是，他對研究能力的讚美表明了小川和中村之間潛在的同情。作為 20 世紀 50 年代初一位特立獨行的化學工程研究員，小川成功地製造出了比競爭對手更好的熒光粉。中村說，除了小川和中村之外，日亞公司的其他人都沒有創造出新的創收產品。“他自己開發過熒光粉，所以他知道僅僅透過閱讀論文和專利來製造產品有多麼困難，”中村解釋說。

三個月後的 1988 年 3 月，中村前往佛羅里達州。他的同事們並沒有因為他的離開而感到太難過：儘管他在與小川的會議中得到了他想要的東西，但他魯莽的舉動並沒有得到其他一些員工的認可。“當他們遇到我時，每次都會問，‘你為什麼還在這裡？’”他回憶道。在佛羅里達州，還有更多不愉快的意外在等著他。首先，那位曾以可以接觸到 MOCVD 系統為承諾吸引他來這所大學的教員透露說，他剛剛在一場地盤爭奪戰中失去了對三臺機器的控制權。這位教授所擁有的只是可以組裝成 MOCVD 系統的部件。事實證明，中村正是完成這項工作的人：由於缺乏博士學位和已發表的論文清單，他“被當作工程師對待，而不是研究員”。

於是，他組裝了一臺 MOCVD 機器。他花了 10 個月的時間，每週工作 7 天，每天工作 16 個小時，比他在日本的日常工作時間多出大約 4 個小時。他還獲得了一項重要的職業相關見解：“我在佛羅里達大學學到的最重要的事情是，在美國，博士學位和撰寫論文非常重要。”

1989 年 3 月回到日亞開始從事藍光器件的工作時，他必須在當時正在開發的兩種主要半導體材料之間做出選擇：硒化鋅和氮化鎵。毫無疑問：他選擇了氮化鎵，主要是因為所有工業界和學術界巨頭都在追求前者。“我不喜歡與大公司競爭，”他說。“即使我成功地開發了硒化鋅，我也無法與大公司競爭。”

他選擇研究的材料氮化鎵，長期以來一直被認為是難度最高的半導體材料之一。“當時，人們嘗試氮化鎵是瘋狂的，”他承認。他真的不認為自己會一舉成功，製造出商用藍色 LED。他只是希望能夠穩紮穩打地取得進展：“我想寫一篇論文。即使我取得某種基本成果，我也可以期望能夠寫出一篇論文。”

大公司大多都在忽略氮化鎵，這似乎有很多很好的理由。最好的氮化鎵晶體中的缺陷密度為每平方釐米 1.0¹⁰ 個位錯，比人們認為商業成功所必需的密度高出 1000 萬倍，尤其是在雷射器中。更不吉利的是，沒有實際的方法可以製造出含有過量電子空穴（稱為“空穴”）的 p 型氮化鎵。任何半導體器件都需要 p 型和 n 型材料。

回憶起他在佛羅里達大學學到的重要教訓，中村決心儘可能多地撰寫研究論文。這個策略很危險，因為執行長小川擔心技術機密洩露，嚴格禁止日亞的員工撰寫論文或在會議上發言。

在接下來的 10 年裡，隨著他從氮化鎵中提取出越來越多的光線，並遠遠領先於競爭對手，中村取得了一系列成就，其天才和純粹的難以置信程度可以與半導體研究史上任何其他成就相媲美。而且，所有這些成就都記錄在文獻中，幾乎所有文獻都是秘密撰寫的，這令人震驚。在 1991 年至 1999 年間，他撰寫或與人合著了 146 篇技術論文、6 本書和 10 本關於氮化鎵半導體的書籍章節。中村的出版活動在很大程度上沒有引起公司的注意，因為他將研究成果發表在相當晦澀的期刊上。但他還是被抓住了一兩次，並同意遵守禁止發表論文的規定，但隨後繼續悄悄地違抗它。日亞並沒有因此受到損害：由於中村的工作，該公司在日本獲得了 68 項專利，在美國獲得了 13 項專利，還有許多其他專利已提交但尚未決定。到 1994 年，中村的成果已經如此驚人，以至於德島大學授予了他似乎最渴望的東西：工程學博士學位。

到 1992 年，中村開發了一種熱處理工藝，可以商業化生產 p 型氮化鎵；現在所有商業化的 p 型氮化鎵都是用他的方法生產的。大約在同一時間，在 20 世紀 90 年代初，他正努力提高器件中在氮化鎵上生長的銦鎵氮薄膜的質量。這層薄膜是發光的“活性”層，電子和空穴在這裡結合並釋放光子。

中村成功的基石不僅是對半導體晶體生長的深刻理解，還有對實現晶體生長的機器的深刻理解。他認識到市售的 MOCVD 機器無法生長出足夠好以發出明亮光線的銦鎵氮薄膜，因此他著手改進他的裝置。從他多年來建造反應器和爐子的經驗中，他知道如何焊接石英，這使他能夠快速修改 MOCVD 機器中輸送反應物的管道。此外，由於組裝過 MOCVD 系統，他非常熟悉它的工作原理。

當時（或現在）沒有其他人進行 MOCVD 研究的人擁有中村的技能範圍。因此，他可以自己進行修改，而對於其他研究人員來說，這可能意味著編寫規範、完成採購訂單並引入供應商或技術專家，換句話說，這需要延遲幾個月而不是幾個小時。

每天早上，中村都會修改反應器。每天下午，他會生長四五個樣品。經過大約兩年的每週七天的工作，他找到了最終讓他領先於同行的配置。他稱之為“雙流 MOCVD”。在傳統的 MOCVD 系統中，當反應氣體流過襯底時，半導體就形成了，與襯底表面平行。在中村的系統中，一種氣體平行流動，另一種氣體垂直於表面流動。這種配置抑制了襯底上的熱對流，並在反應物發生反應之前冷卻了反應氣體。反過來，這種較低的溫度會導致更穩定的反應和更高質量的薄膜。

在 1991 年年中，他生產出了一種薄膜，其中的電子移動速度異常快，比以前在半導體中看到的任何薄膜的移動速度快了約 43%。他回憶說：“那是我一生中最激動人心的一天。”“我從未在世界上排名第一。現在我是第一名。”九年後，他仍然在那裡。

調整雙流 MOCVD 系統足以生產出亮度越來越高的藍色 LED，然後是綠色 LED。但是，要獲得可靠的雷射器，他必須解決缺陷密度問題。這裡的突破受到了 1997 年春天 NEC 研究人員在一次小組會議上的講話的啟發，中村是該會議的主席。在從研究人員故意含糊不清的陳述中做出一些重大推斷之後，中村開始利用一種稱為橫向外延的技術。透過戰略性地生長一層二氧化矽，他設法阻止了氮化鎵晶體中的一些缺陷。該方法只能減少晶體微小體積內的缺陷密度，但低缺陷空間足以容納銦鎵氮活性區。透過使用橫向外延，在六個月內，他將藍色半導體雷射器的壽命從大約 300 小時延長到數千小時。他說，到年底，他實現了商業產品所需的 10,000 小時壽命。

1999 年，日亞開始銷售 5 毫瓦的藍色半導體雷射器。與此同時，在實驗室裡，中村和他的同事們不斷改進雷射器，獲得更高的功率水平和頻率。1999 年 10 月，日亞開始銷售波長為 405 奈米的 5 毫瓦紫色雷射器，這是半導體雷射器有史以來最短的波長。截至本文撰寫之時，還沒有其他人成功製造出這種雷射器。在實驗室裡，中村的藍色雷射器的功率水平超過 30 毫瓦。他拒絕給出精確的數字，但雷射印表機所需的功率水平約為 50 到 60 毫瓦。

去年 10 月，在完成了他想用氮化鎵做的一切，並且厭倦了他形容為“共產主義”的日本工業研發體系後，中村決定離開日亞。他說，儘管他的發明使日亞的利潤從不到 1 億美元增至 4 億多美元，但中村的年薪只有 10 萬美元。據加利福尼亞州山景城的 Strategies Unlimited 公司稱，1999 年，日亞的產品佔每年 3 億美元氮化LED市場的 40%。該公司表示，該市場正以每年 40% 到 50% 的速度增長。

在他決定離開日亞的訊息傳出後的一個月內，中村收到了 10 所美國大學和 2 所歐洲大學以及 5 家美國公司的教授職位邀請。其中一家公司（他拒絕透露是哪家公司）為他提供了每年 50 萬美元的薪水和價值 1000 萬美元的股票期權。他說：“這讓我難以置信。”他原本打算與該公司簽約，但其中一所向他發出邀請的大學的教授建議說，如果他接受工業界的工作，日亞（擁有他所有氮化鎵突破的專利）會對他提起訴訟，只要他做的任何事情哪怕只是與專利相關。他解釋說：“我害怕那些事情。”實際上，他是自己辛辛苦苦撰寫的專利的囚徒。具有諷刺意味的是，他聲稱，為所有進步申請專利是他的主意，而不是他上司的主意。

經過一番考慮，中村接受了加州大學聖巴巴拉分校的邀請，該校已經在氮化鎵方面取得了令人矚目的成就，並承諾給他一個自己的 MOCVD 實驗室（這將補充該大學已有的另一個實驗室）。當他離開日本時，有五家電視臺在機場拍攝了他離開的影片。當他在聖巴巴拉下飛機時，另一家日本電視臺在那裡記錄了他的到達，還有一家電視臺在加州大學聖巴巴拉分校記錄了他新工作的第一天。

現年 46 歲的中村已經徹底改變了光電子學，並在半導體界贏得了自己的一席之地，他仍然像以往一樣不安分和積極進取。當被問及他現在想做什麼時，他直言不諱，儘管有點不具體：“我想實現美國夢，”他笑著說。“這就是我來這裡的原因。我在日本無法實現美國夢。在這裡，如果我能發明一種新裝置，我可以在五年或十年內創辦一家風險投資公司。為了獲得資金，我必須繼續研究氮化物器件，因為我以氮化物器件而聞名。”

但這並不是他將要做的全部；他一生中將第一次不得不教研究生併為研究撥款撰寫提案。他坦率地承認，這兩件事他都不期待。“我必須閱讀這些書，”他說，一邊揮手指向他在加州大學聖巴巴拉分校（U.C.S.B.）那間小而整潔的辦公室裡一整面牆的科學技術書籍。對他來說，閱讀教科書就像是在重複已知的東西。“我不喜歡模仿其他團隊開發的技術，”他補充道，“我喜歡做新的事情。”

在未來的幾個月和幾年裡，世界將會看到越來越多中村的“舊”事物。他的綠色LED燈已經開始取代交通訊號燈中的白熾燈泡和綠色玻璃；這種半導體壽命更長，用電量約為十分之一，每個交通訊號燈每年可節省約14美元。許多大型全綵色LED顯示屏也已經建成，其中許多是由位於蒙特利爾的Sacco Smartvision公司建造的。該公司的旗艦產品是紐約時代廣場的一個27米乘37米的顯示器。這個為納斯達克證券交易所建造的顯示器擁有超過1800萬個LED，其中460萬個是藍色，690萬個是綠色（其餘是紅色）。

與此同時，通用電氣、飛利浦和西門子都在與研發合作伙伴一起，嘗試基於氮化鎵LED構建固態照明。目前，發白光的LED生產成本高昂，其發光效率通常不高於普通白熾燈泡。因此，目前它們僅限於一些非常小的細分市場，例如在汽車和行動式照明中，在這些領域，它們的堅固性和小尺寸比它們的高成本更重要。不過，研究人員相信，在未來幾年內，白色LED的效率將會提高，成本將會降低，這將使它們與白熾燈的競爭更加激烈。

基於藍色和紫色雷射的產品也在研發中。索尼和其他公司正在研發基於藍紫色雷射的DVD和CD播放機，這些產品應該會在明年或2002年開始上市。至於雷射印表機，眾所周知，施樂公司正在研發一種。但是，它是基於該公司自己的藍光半導體雷射器，據信不如日亞（Nichia）的雷射器。

隨著基於中村的研究成果的產品開始滲透市場，他在半導體領域的遺產可能會超越他的其他貢獻。在這個發明往往被大型跨國公司中沒有面孔的團隊所主導的時代，他表明，即使在半導體電子領域，一個有足夠天賦和決心的發明家仍然有可能在資源劣勢的情況下取得勝利。當他努力實現他自己的美國夢時，他也鼓舞了許多其他正在為自己的夢想而奮鬥的人。