蓝色芯片

我按下袖珍发光二极管测试仪上的一个按钮，三点塑料和半导体发出了足够刺痛我眼睛的蓝色和绿色光线。两个蓝色设备发出强烈的蔚蓝色，略带一丝紫色。绿色是鲜明而浓郁的，而不是那种如果你想要一个“绿色”LED直到最近都不得不忍受的可怕的黄绿色色调。

直到，那个正在对我微笑的男人，中村修二，有了一些非常聪明的想法。

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中村是加州大学圣巴巴拉分校工程学院最新加入的成员，他在1999年末透露他将离开日亚化学工业株式会社时，震惊了半导体界。日亚化学曾经是一家规模小且默默无闻的日本阴极射线管和荧光灯磷光体制造商。多亏了中村，日亚现在制造出世界上最好的蓝色LED、最好的绿色LED以及世界上唯一可商用的蓝紫半导体激光器，这些成就已将日亚推向了一家年销售额达5亿美元，销售遍布全球的公司。最令人瞩目的是，中村在独自一人且研究预算紧张的情况下，设法领先于美国、日本和欧洲一些工业研究巨头数年。更令人难以置信的是，包括惠普、施乐、斯坦利电气、夏普、三洋、住友、东芝、丰田合成、NEC、索尼和飞利浦在内的公司，至今仍未赶上。这种情况在半导体研究的半个世纪历史中是前所未有的。

分析师估计，自20世纪60年代以来，这些公司以及几十所大学在追求蓝光设备上花费了大约10亿美元。这很容易理解为什么。25年多来，LED，即迄今为止生产的最高效的灯，就像彩虹的三分之一。红色、橙色、黄色和黄绿色是你所能得到的一切。工程师们想要蓝色和真正的绿色，因为有了这些颜色，再加上他们已经拥有的红色，他们可以制造出令人惊叹的东西，比如一种比普通灯泡效率高12倍，寿命长12倍的白光发光设备。难怪分析师表示，LED有望彻底改变照明行业，并超越其在电子设备上作为指示灯的常见角色。与此同时，彩色LED正在被部署为交通信号灯和显示器，其中最大的一个是在纽约时代广场的八层楼高的纳斯达克显示器。

潜在的巨大收益还不止于此。蓝光半导体激光器是LED的衍生产品，也具有巨大的商业潜力。这与蓝光的波长大约是CD播放器和激光打印机中常见的红外半导体激光器的一半有关。波长缩短一半意味着可以免费将CD上的数据量或激光打印机的分辨率增加四倍。

通往这些光电子学胜利的大部分里程碑都发生在四国岛上，这在日本列岛中有点偏僻。中村在那里出生、长大并在德岛大学接受教育。他从他所谓的“中等”机构毕业，于1979年获得电气工程硕士学位，并渴望在索尼或东芝等公司的研发部门工作。但一位教授劝阻了他，指出如果他去大城市，他将只是另一个工薪阶层，买不起房子。由于妻子和孩子即将出生，他不情愿地决定留在四国。他在日亚获得了一份研发工作，当时日亚拥有约200名员工，每年销售磷光体的收入约为3000万美元，并希望进入LED市场。在一名研究员更换工作后，公司的整个研发部门由中村、他的老板和另一名员工组成。他是公司中唯一拥有硕士学位的人，也是唯一的电气工程师。

“如果我去了大公司，我很难自由地进行研究，”他事后说。“在大公司，比如索尼，有很多非常优秀的研究人员。所以我必须问他们我可以做什么。”

事实证明，在日亚也没有多少自由，至少在最初是这样。就在中村加入公司后，一位销售经理要求中村的老板指导这位年轻的研究员开发用于红色和黄绿色LED的磷化镓晶体。而且由于日亚规模很小，中村无法购买必要的设备；他必须自己制造。

在当时用于生产此类晶体的水平布里奇曼法中，源材料（在这种情况下是镓金属和磷）在1500摄氏度的氢氧燃料炉中熔化，并在真空室中的石英上发生反应。中村不仅要学会如何制造那种炉子，还要学会如何焊接石英，这是一项棘手且深奥的任务。

真正的挑战是在他制造出设备之后。每天早上8:00，他开始准备石英和材料。反应物在10:00到11:00之间进入他实验室办公室的防护罩后面的炉子。然后他提高温度直到2:00或3:00，在温度达到1100度后开始反应。每天，他都要用完两根高高的氢气和氧气钢瓶。

大约每月三次，石英会破裂，让氧气进入，与磷发生反应并引起爆炸。它总是在5:00左右发生，当时他的同事们正在前往距离他实验室仅150米的停车场的汽车。浓密的白色烟雾会从他的窗户里冒出来。他开心地笑着回忆说：“人们会进来问，‘发生了什么事？中村，你还活着吗？’到第五次或第六次时，他们懒得进来了。”

每次发生爆炸时，他都必须向炉子内部喷水，以防止剩余的磷着火。烟雾散去后，他必须写一份报告。他的老板们并不高兴。“我以为我的一生都会这样，”他说。

三年后，他终于获得了与日亚规模较大的竞争对手生产的一样好的磷化镓晶体。不幸的是，在所有条件相同的情况下，大多数客户都从规模更大、更知名的公司购买，只给日亚留下了很小的一部分：每月约10000美元的磷化镓销售额。

销售经理很失望，表示他希望中村再次尝试用砷化镓晶体，也用于LED。因此，在1983年，中村开始使用砷化镓。他的经历大致相同，只是这一次，当炉子爆炸时，它释放出致命的有毒氧化砷。中村明智地将炉子搬到了一个与他的实验室办公室分开的房间。他会等到烟雾消散，然后穿着全身防护服，戴着呼吸器进去清理残局。“我非常幸运，因为我从未受伤，”他解释说，笑着回忆他穿着“太空服”的样子。

经过这一切，砷化镓晶体的商业反响与磷化镓晶体的反响大致相同。日亚规模较大的竞争对手再次占据主导地位。更糟糕的是，销售人员开始指责中村销售业绩令人失望，尽管他的晶体与市场上任何产品一样好。

大约在1985年，销售经理有了另一个想法：日亚不应该制造LED的晶体，而应该制造完整的LED。为此，中村必须自学液相外延技术，该技术通常用于在衬底上生长发光半导体层。他仔细研究了美国和日本的专利以及《应用物理快报》和《应用物理学杂志》等期刊上的文章。到1988年，他通过在砷化镓衬底上生长砷化镓铝，开发出了优秀的红色和红外LED。但三洋、夏普、斯坦利、罗姆、松下、东芝和许多其他公司也开发出了相同的LED。

“渐渐地，我的公司对我感到恼火，”他说。面对令人失望的销售业绩，一些资深同事甚至对中村相对微薄的研发支出感到不满，希望他辞职。中村自己也变得“非常生气”。他也有了一个想法。“像日亚这样的小公司应该做利基产品，”他说。“10年后，我可以理解这些事情。”从他大量的阅读中，他知道发蓝光的半导体器件是光电子学的圣杯，他决心投入这场竞争。

他记得他的老板，研发经理，回答说：“你疯了。所有的大公司和大学都做不到。你为什么认为你可以在一家小公司做到？”

因此，在1988年1月，他绕过他的老板，冲进了日亚的首席执行官小川信夫的办公室，并列出了一系列要求。他希望获得约330万美元的研发资金用于研究蓝光设备，并休假一年到佛罗里达大学学习金属有机化学气相沉积（MOCVD）。MOCVD当时正在兴起为生产异质半导体（例如能够发出蓝光的半导体）的首选技术。

中村的举动在美国小型初创公司中可能会引起一些人的注意，但在封建的、基于资历的日本制度中，这绝对是令人震惊的。“我很生气，”当被问及是什么促使他发出最后通牒时，他解释说。“我想辞职。我不在乎任何事。他们解雇我也可以。我什么都不怕。”

令他惊讶的是，小川竟然同意了他所有的要求。中村后来听说，这位首席执行官曾对心腹说：“中村是个大骗子。但他是一位最棒的研究员。”“骗子”显然指的是中村未能创造出可观的收入。但是，他对研究能力的赞美表明了小川和中村之间潜在的同情。作为 20 世纪 50 年代初一位特立独行的化学工程研究员，小川成功地制造出了比竞争对手更好的荧光粉。中村说，除了小川和中村之外，日亚公司的其他人都没有创造出新的创收产品。“他自己开发过荧光粉，所以他知道仅仅通过阅读论文和专利来制造产品有多么困难，”中村解释说。

三个月后的 1988 年 3 月，中村前往佛罗里达州。他的同事们并没有因为他的离开而感到太难过：尽管他在与小川的会议中得到了他想要的东西，但他鲁莽的举动并没有得到其他一些员工的认可。“当他们遇到我时，每次都会问，‘你为什么还在这里？’”他回忆道。在佛罗里达州，还有更多不愉快的意外在等着他。首先，那位曾以可以接触到 MOCVD 系统为承诺吸引他来这所大学的教员透露说，他刚刚在一场地盘争夺战中失去了对三台机器的控制权。这位教授所拥有的只是可以组装成 MOCVD 系统的部件。事实证明，中村正是完成这项工作的人：由于缺乏博士学位和已发表的论文清单，他“被当作工程师对待，而不是研究员”。

于是，他组装了一台 MOCVD 机器。他花了 10 个月的时间，每周工作 7 天，每天工作 16 个小时，比他在日本的日常工作时间多出大约 4 个小时。他还获得了一项重要的职业相关见解：“我在佛罗里达大学学到的最重要的事情是，在美国，博士学位和撰写论文非常重要。”

1989 年 3 月回到日亚开始从事蓝光器件的工作时，他必须在当时正在开发的两种主要半导体材料之间做出选择：硒化锌和氮化镓。毫无疑问：他选择了氮化镓，主要是因为所有工业界和学术界巨头都在追求前者。“我不喜欢与大公司竞争，”他说。“即使我成功地开发了硒化锌，我也无法与大公司竞争。”

他选择研究的材料氮化镓，长期以来一直被认为是难度最高的半导体材料之一。“当时，人们尝试氮化镓是疯狂的，”他承认。他真的不认为自己会一举成功，制造出商用蓝色 LED。他只是希望能够稳扎稳打地取得进展：“我想写一篇论文。即使我取得某种基本成果，我也可以期望能够写出一篇论文。”

大公司大多都在忽略氮化镓，这似乎有很多很好的理由。最好的氮化镓晶体中的缺陷密度为每平方厘米 1.0¹⁰ 个位错，比人们认为商业成功所必需的密度高出 1000 万倍，尤其是在激光器中。更不吉利的是，没有实际的方法可以制造出含有过量电子空穴（称为“空穴”）的 p 型氮化镓。任何半导体器件都需要 p 型和 n 型材料。

回忆起他在佛罗里达大学学到的重要教训，中村决心尽可能多地撰写研究论文。这个策略很危险，因为首席执行官小川担心技术机密泄露，严格禁止日亚的员工撰写论文或在会议上发言。

在接下来的 10 年里，随着他从氮化镓中提取出越来越多的光线，并远远领先于竞争对手，中村取得了一系列成就，其天才和纯粹的难以置信程度可以与半导体研究史上任何其他成就相媲美。而且，所有这些成就都记录在文献中，几乎所有文献都是秘密撰写的，这令人震惊。在 1991 年至 1999 年间，他撰写或与人合著了 146 篇技术论文、6 本书和 10 本关于氮化镓半导体的书籍章节。中村的出版活动在很大程度上没有引起公司的注意，因为他将研究成果发表在相当晦涩的期刊上。但他还是被抓住了一两次，并同意遵守禁止发表论文的规定，但随后继续悄悄地违抗它。日亚并没有因此受到损害：由于中村的工作，该公司在日本获得了 68 项专利，在美国获得了 13 项专利，还有许多其他专利已提交但尚未决定。到 1994 年，中村的成果已经如此惊人，以至于德岛大学授予了他似乎最渴望的东西：工程学博士学位。

到 1992 年，中村开发了一种热处理工艺，可以商业化生产 p 型氮化镓；现在所有商业化的 p 型氮化镓都是用他的方法生产的。大约在同一时间，在 20 世纪 90 年代初，他正努力提高器件中在氮化镓上生长的铟镓氮薄膜的质量。这层薄膜是发光的“活性”层，电子和空穴在这里结合并释放光子。

中村成功的基石不仅是对半导体晶体生长的深刻理解，还有对实现晶体生长的机器的深刻理解。他认识到市售的 MOCVD 机器无法生长出足够好以发出明亮光线的铟镓氮薄膜，因此他着手改进他的设备。从他多年来建造反应器和炉子的经验中，他知道如何焊接石英，这使他能够快速修改 MOCVD 机器中输送反应物的管道。此外，由于组装过 MOCVD 系统，他非常熟悉它的工作原理。

当时（或现在）没有其他人进行 MOCVD 研究的人拥有中村的技能范围。因此，他可以自己进行修改，而对于其他研究人员来说，这可能意味着编写规范、完成采购订单并引入供应商或技术专家，换句话说，这需要延迟几个月而不是几个小时。

每天早上，中村都会修改反应器。每天下午，他会生长四五个样品。经过大约两年的每周七天的工作，他找到了最终让他领先于同行的配置。他称之为“双流 MOCVD”。在传统的 MOCVD 系统中，当反应气体流过衬底时，半导体就形成了，与衬底表面平行。在中村的系统中，一种气体平行流动，另一种气体垂直于表面流动。这种配置抑制了衬底上的热对流，并在反应物发生反应之前冷却了反应气体。反过来，这种较低的温度会导致更稳定的反应和更高质量的薄膜。

在 1991 年年中，他生产出了一种薄膜，其中的电子移动速度异常快，比以前在半导体中看到的任何薄膜的移动速度快了约 43%。他回忆说：“那是我一生中最激动人心的一天。”“我从未在世界上排名第一。现在我是第一名。”九年后，他仍然在那里。

调整双流 MOCVD 系统足以生产出亮度越来越高的蓝色 LED，然后是绿色 LED。但是，要获得可靠的激光器，他必须解决缺陷密度问题。这里的突破受到了 1997 年春天 NEC 研究人员在一次小组会议上的讲话的启发，中村是该会议的主席。在从研究人员故意含糊不清的陈述中做出一些重大推断之后，中村开始利用一种称为横向外延的技术。通过战略性地生长一层二氧化硅，他设法阻止了氮化镓晶体中的一些缺陷。该方法只能减少晶体微小体积内的缺陷密度，但低缺陷空间足以容纳铟镓氮活性区。通过使用横向外延，在六个月内，他将蓝色半导体激光器的寿命从大约 300 小时延长到数千小时。他说，到年底，他实现了商业产品所需的 10,000 小时寿命。

1999 年，日亚开始销售 5 毫瓦的蓝色半导体激光器。与此同时，在实验室里，中村和他的同事们不断改进激光器，获得更高的功率水平和频率。1999 年 10 月，日亚开始销售波长为 405 纳米的 5 毫瓦紫色激光器，这是半导体激光器有史以来最短的波长。截至本文撰写之时，还没有其他人成功制造出这种激光器。在实验室里，中村的蓝色激光器的功率水平超过 30 毫瓦。他拒绝给出精确的数字，但激光打印机所需的功率水平约为 50 到 60 毫瓦。

去年 10 月，在完成了他想用氮化镓做的一切，并且厌倦了他形容为“共产主义”的日本工业研发体系后，中村决定离开日亚。他说，尽管他的发明使日亚的利润从不到 1 亿美元增至 4 亿多美元，但中村的年薪只有 10 万美元。据加利福尼亚州山景城的 Strategies Unlimited 公司称，1999 年，日亚的产品占每年 3 亿美元氮化LED市场的 40%。该公司表示，该市场正以每年 40% 到 50% 的速度增长。

在他决定离开日亚的消息传出后的一个月内，中村收到了 10 所美国大学和 2 所欧洲大学以及 5 家美国公司的教授职位邀请。其中一家公司（他拒绝透露是哪家公司）为他提供了每年 50 万美元的薪水和价值 1000 万美元的股票期权。他说：“这让我难以置信。”他原本打算与该公司签约，但其中一所向他发出邀请的大学的教授建议说，如果他接受工业界的工作，日亚（拥有他所有氮化镓突破的专利）会对他提起诉讼，只要他做的任何事情哪怕只是与专利相关。他解释说：“我害怕那些事情。”实际上，他是自己辛辛苦苦撰写的专利的囚徒。具有讽刺意味的是，他声称，为所有进步申请专利是他的主意，而不是他上司的主意。

经过一番考虑，中村接受了加州大学圣巴巴拉分校的邀请，该校已经在氮化镓方面取得了令人瞩目的成就，并承诺给他一个自己的 MOCVD 实验室（这将补充该大学已有的另一个实验室）。当他离开日本时，有五家电视台在机场拍摄了他离开的视频。当他在圣巴巴拉下飞机时，另一家日本电视台在那里记录了他的到达，还有一家电视台在加州大学圣巴巴拉分校记录了他新工作的第一天。

现年 46 岁的中村已经彻底改变了光电子学，并在半导体界赢得了自己的一席之地，他仍然像以往一样不安分和积极进取。当被问及他现在想做什么时，他直言不讳，尽管有点不具体：“我想实现美国梦，”他笑着说。“这就是我来这里的原因。我在日本无法实现美国梦。在这里，如果我能发明一种新设备，我可以在五年或十年内创办一家风险投资公司。为了获得资金，我必须继续研究氮化物器件，因为我以氮化物器件而闻名。”

但这并不是他将要做的全部；他一生中将第一次不得不教研究生并为研究拨款撰写提案。他坦率地承认，这两件事他都不期待。“我必须阅读这些书，”他说，一边挥手指向他在加州大学圣巴巴拉分校（U.C.S.B.）那间小而整洁的办公室里一整面墙的科学技术书籍。对他来说，阅读教科书就像是在重复已知的东西。“我不喜欢模仿其他团队开发的技术，”他补充道，“我喜欢做新的事情。”

在未来的几个月和几年里，世界将会看到越来越多中村的“旧”事物。他的绿色LED灯已经开始取代交通信号灯中的白炽灯泡和绿色玻璃；这种半导体寿命更长，用电量约为十分之一，每个交通信号灯每年可节省约14美元。许多大型全彩色LED显示屏也已经建成，其中许多是由位于蒙特利尔的Sacco Smartvision公司建造的。该公司的旗舰产品是纽约时代广场的一个27米乘37米的显示器。这个为纳斯达克证券交易所建造的显示器拥有超过1800万个LED，其中460万个是蓝色，690万个是绿色（其余是红色）。

与此同时，通用电气、飞利浦和西门子都在与研发合作伙伴一起，尝试基于氮化镓LED构建固态照明。目前，发白光的LED生产成本高昂，其发光效率通常不高于普通白炽灯泡。因此，目前它们仅限于一些非常小的细分市场，例如在汽车和便携式照明中，在这些领域，它们的坚固性和小尺寸比它们的高成本更重要。不过，研究人员相信，在未来几年内，白色LED的效率将会提高，成本将会降低，这将使它们与白炽灯的竞争更加激烈。

基于蓝色和紫色激光的产品也在研发中。索尼和其他公司正在研发基于蓝紫色激光的DVD和CD播放机，这些产品应该会在明年或2002年开始上市。至于激光打印机，众所周知，施乐公司正在研发一种。但是，它是基于该公司自己的蓝光半导体激光器，据信不如日亚（Nichia）的激光器。

随着基于中村的研究成果的产品开始渗透市场，他在半导体领域的遗产可能会超越他的其他贡献。在这个发明往往被大型跨国公司中没有面孔的团队所主导的时代，他表明，即使在半导体电子领域，一个有足够天赋和决心的发明家仍然有可能在资源劣势的情况下取得胜利。当他努力实现他自己的美国梦时，他也鼓舞了许多其他正在为自己的梦想而奋斗的人。