摘要：2014年，日本科學(xué)家赤崎勇和天野浩以及一名日裔美籍學(xué)者中村修二共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。赤崎勇是天野浩的指導(dǎo)教師，也是藍(lán)光LED研究領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者，具有較強(qiáng)的代表性。這篇文章考察了赤崎勇的早期學(xué)習(xí)與研究經(jīng)歷，梳理了赤崎勇步入化合物半導(dǎo)體結(jié)晶研究領(lǐng)域、制備高質(zhì)量氮化鎵單晶體取得突破、成功研制高效藍(lán)色LED等事件的來(lái)龍去脈，并分析了赤崎勇取得諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)重大科技突破的主要因素，討論了重大科技突破與科學(xué)家個(gè)人興趣及社會(huì)需求的關(guān)系。深入剖析赤崎勇的研究歷程，有助于為我國(guó)的科技政策制定與優(yōu)化提供新思路。

關(guān)鍵詞：赤崎勇；藍(lán)色發(fā)光二極管；諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；研究開(kāi)發(fā)；科技突破

中圖分類號(hào)：G305；N09 文獻(xiàn)編碼：A DOI：10.3969/j.issn1003-8256.2014.05.001

剖析具有典型性的科技創(chuàng)新案例是制定行之有效的科技政策的基礎(chǔ)。諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)科技突破的取得無(wú)疑具有一定的典型性。因此，我們有必要對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者取得重大科技突破的具體過(guò)程展開(kāi)深入的考察，以期能為我國(guó)科技政策的制定提供一些有益的借鑒。

2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授給了日本的一對(duì)師生（赤崎勇、天野浩）和一名日裔美籍學(xué)者（中村修二）。自1949年湯川秀樹(shù)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，日本累計(jì)摘得諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)桂冠的人數(shù)已達(dá)17人（不含兩名日裔美籍物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）。除湯川秀樹(shù)、朝永振一郎、江崎玲于奈、福井謙一、利根川進(jìn)5人外，其他12人都是在進(jìn)入新世紀(jì)后獲獎(jiǎng)的。不過(guò)，師生兩人同時(shí)獲諾貝爾獎(jiǎng)在日本還是第一回。

以下，筆者擬以赤崎勇為重點(diǎn)，全面梳理赤崎勇和天野浩師生二人取得諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)重大科技突破的來(lái)龍去脈，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)若干科技創(chuàng)新管理問(wèn)題談些粗淺的看法。之所以選取赤崎勇作為重點(diǎn)考察對(duì)象，主要是因?yàn)樗麑?xiě)過(guò)一本自述，披露了很多有關(guān)藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）的研制逸事[1]，而且與赤崎勇同時(shí)獲獎(jiǎng)的中村修二早年寫(xiě)過(guò)多篇有關(guān)藍(lán)色LED的研究述評(píng)[2][3]，中村修二在日亞化學(xué)公司工作時(shí)的上司小山稔也寫(xiě)過(guò)一本與藍(lán)色LED的開(kāi)發(fā)有關(guān)的書(shū)籍[4]，加上諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)公布的一些資料[5]以及赤崎勇發(fā)表的論文[6]等，可以比較容易地勾勒出赤崎勇當(dāng)年研制藍(lán)色LED取得突破的具體過(guò)程。

1 早期的學(xué)習(xí)研究經(jīng)歷

赤崎勇1929年出生于日本九州南部的鹿兒島，在家排行老二。其父畢業(yè)于鹿兒島縣立薩南工業(yè)學(xué)校，主要靠經(jīng)營(yíng)佛具店維持家計(jì)。他的哥哥畢業(yè)于九州大學(xué)，先后擔(dān)任九州大學(xué)綜合理工學(xué)院院長(zhǎng)，福岡工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)。受比他大兩歲的哥哥的影響，赤崎勇兒時(shí)頗愛(ài)讀書(shū)學(xué)習(xí)。但由于日本先后發(fā)動(dòng)了侵華戰(zhàn)爭(zhēng)和太平洋戰(zhàn)爭(zhēng)，致使其小學(xué)時(shí)代和初中時(shí)代都在動(dòng)蕩中度過(guò)。上初中時(shí)，除需要接受高強(qiáng)度的軍事訓(xùn)練之外，他還要經(jīng)常去參加軍工廠和農(nóng)忙季節(jié)的勞動(dòng)。戰(zhàn)敗前的兩年里，他和2008年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者下村修（1928-）[7]一樣，白天幾乎都沒(méi)有上過(guò)課，不是去海軍航空隊(duì)參加飛機(jī)掩體的建造勞動(dòng)，就是去海軍工廠去當(dāng)學(xué)徒工，跟班勞動(dòng)。1946年，赤崎勇考入鹿兒島的“七高”，但和他一起學(xué)習(xí)的大多是比他年長(zhǎng)兩到三歲的原軍校預(yù)科生和從其它地方轉(zhuǎn)學(xué)過(guò)來(lái)的插班生。

1949年，赤崎勇考入京都大學(xué)理學(xué)院。這一年，該院教授湯川秀樹(shù)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，極大地提振了日本人從事科學(xué)研究的信心。大學(xué)期間，赤崎師從著名的分析化學(xué)家石橋雅義教授。除化學(xué)系課程外，他還選修了不少物理系和工學(xué)院的課程。當(dāng)時(shí)，他最感興趣的課程是長(zhǎng)得非常像愛(ài)因斯坦的荒勝文策教授開(kāi)的《物理學(xué)通論》，特別是荒勝說(shuō)的“既存在先提出理論，然后再用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的情形；又存在先有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后再構(gòu)建理論的情形”給他留下了非常深刻的印象。

1952年，赤崎勇如期完成大學(xué)學(xué)業(yè)，入職神戶工業(yè)公司。神戶工業(yè)公司非常重視科學(xué)研究，以致被人們戲稱為“神戶工業(yè)大學(xué)”。當(dāng)時(shí)，江崎玲于奈（1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）、佐佐木正（夏普公司副社長(zhǎng)）也在這家公司從事科研工作。在神戶工業(yè)，赤崎主要做了兩項(xiàng)研究工作，一是弄清美國(guó)RCA公司生產(chǎn)的顯像管內(nèi)部的硫化鋅熒光薄膜的涂布方法，為仿制顯像管奠定工藝技術(shù)基礎(chǔ)；二是開(kāi)發(fā)使用熒光材料檢測(cè)核輻射強(qiáng)度技術(shù)，以滿足市場(chǎng)上日益增長(zhǎng)的放射線檢測(cè)需求。盡管將半導(dǎo)體硫化鋅均勻地涂成只有幾微米厚的熒光薄膜非常費(fèi)力，但赤崎還是成功地掌握了這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并因此和冷光結(jié)下了不解之緣。在研制放射線檢測(cè)器過(guò)程中，也需要將熒光材料制成只有幾微米厚的結(jié)晶層，然后再測(cè)試其輻射反應(yīng)值。由于多晶體對(duì)輻射的反應(yīng)值差異很大，故赤崎很早就體會(huì)到了研制單晶體的重要性。

1958年神戶工業(yè)并入富士通公司。第二年，赤崎勇與其上司有住徹彌一同轉(zhuǎn)入名古屋大學(xué)工學(xué)院新成立的電子工程系半導(dǎo)體工程研究室。有住擔(dān)任教授，赤崎擔(dān)任助教。在名古屋大學(xué)期間，赤崎除協(xié)助有住指導(dǎo)半導(dǎo)體專業(yè)的研究生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究外，還自主開(kāi)展了鍺的單結(jié)晶研究。當(dāng)時(shí)，制作鍺的單結(jié)晶大多采用區(qū)域精制法，由于用這種方法制備的鍺的單晶體通常只能使用固相擴(kuò)散法進(jìn)行摻雜，故所獲得的鍺的N型結(jié)晶性能不是很穩(wěn)定。為了從根本上解決問(wèn)題，赤崎決定使用氣相外延生長(zhǎng)法制備鍺的單結(jié)晶。當(dāng)他好不容易使用氣相外延生長(zhǎng)法在基板上沉積出鍺的單晶體時(shí)，得知IBM公司已經(jīng)搶先使用這種方法制成了鍺的單晶體。這使赤崎懊惱不已。但他畢竟成了第一個(gè)掌握了半導(dǎo)體薄膜氣相外延生長(zhǎng)法的日本學(xué)者，而且他還因這項(xiàng)研究于1964年在職獲得了名古屋大學(xué)的工學(xué)博士學(xué)位。

2 迷上化合物半導(dǎo)體結(jié)晶研究

1963年，總部設(shè)在大阪的松下電器公司決定擴(kuò)建主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)研究的東京研究所。受松下幸之助會(huì)長(zhǎng)之托在日本各地物色合適人選的東京研究所所長(zhǎng)、原東北大學(xué)電子工學(xué)教授小池勇二郎相中了剛剛升任名古屋大學(xué)副教授的赤崎勇。在小池的盛情邀請(qǐng)下，赤崎于1964年4月轉(zhuǎn)赴松下電器東京研究所擔(dān)任第四基礎(chǔ)研究室主任。當(dāng)時(shí)該所設(shè)立了八個(gè)研究室，擁有近百名科研人員。由于研究資金比較充裕，赤崎到任后決定直接挑戰(zhàn)化合物半導(dǎo)體，而不是像鍺和硅這樣的元素半導(dǎo)體。

赤崎勇最初選擇的化合物半導(dǎo)體是“魔法水晶”砷化鎵。使用自制實(shí)驗(yàn)裝置，赤崎與助手一起試制出了純度更高的砷化鎵結(jié)晶。其性質(zhì)與人們此前對(duì)砷化鎵性質(zhì)的認(rèn)識(shí)有著非常大的差異。這一發(fā)現(xiàn)使赤崎深深地意識(shí)到，半導(dǎo)體結(jié)晶的性質(zhì)會(huì)隨著純度的提升和缺陷的減少發(fā)生急劇變化。1968年參加莫斯科半導(dǎo)體國(guó)際會(huì)議時(shí)，赤崎公開(kāi)發(fā)表了此項(xiàng)研究成果，并受到了與會(huì)者的好評(píng)。此后，英國(guó)皇家雷達(dá)研究所（RRE）的希爾蘇姆（Cyril Hilsum）等國(guó)際化合物半導(dǎo)體研究權(quán)威還特地訪問(wèn)了他的實(shí)驗(yàn)室。

1962年，先后兩度獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的巴?。↗ohn Bardeen）的學(xué)生、通用電氣公司（GE）的何倫亞克（Nick Holonyak）使用磷砷化鎵研制出了紅色LED，在世界上掀起了可見(jiàn)光發(fā)光二極管研究熱。在化合物半導(dǎo)體研究領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的赤崎勇決定使用磷化鎵結(jié)晶研制亮度更高的超小型紅色LED，并于1969年取得成功。該項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于警用無(wú)線對(duì)講機(jī)，使松下電器贏得了首個(gè)政府采購(gòu)訂單。之后，赤崎團(tuán)隊(duì)又乘勝追擊，研制出了雙向紅色LED，并于1970年代被應(yīng)用于制作煤氣泄漏報(bào)警裝置和火災(zāi)報(bào)警裝置，使松下電器成了這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)。

1960年代后期，赤崎團(tuán)隊(duì)還嘗試著使用一些新方法對(duì)其它化合物半導(dǎo)體展開(kāi)了研究。其中，氮化鋁結(jié)晶研究就是一例。氮化鋁的帶隙比絕緣體鉆石還要大，因此制作氮化鋁結(jié)晶難度極大。好不容易制備出氮化鋁結(jié)晶，卻因晶體缺陷過(guò)多根本無(wú)法用于制作二極管。于是，赤崎試著在氮化鋁中添加一些氮化鎵以制作混合結(jié)晶，結(jié)果仍不如意。雖然這些研究并沒(méi)有都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但卻為后來(lái)的藍(lán)色LED研究積累了不少有益的經(jīng)驗(yàn)。

1969年，美國(guó)RCA公司的研究組使用氫化物氣相外延生長(zhǎng)（HVPE）法制成了氮化鎵結(jié)晶薄膜，1971年又使用這種結(jié)晶制成了MIS（金屬-絕緣體-半導(dǎo)體）型藍(lán)色LED。由于這種非p-n結(jié)型二極管的發(fā)光效率太低，故無(wú)法滿足實(shí)用要求。之后，眾多學(xué)者把目光紛紛投向了高亮度藍(lán)色LED。不過(guò)，那時(shí)學(xué)者們既有從碳化硅入手的，又有從硒化鋅入手的。赤崎勇則于1973年果斷地選擇了氮化鎵，因?yàn)榈壍哪芟侗容^大，電子與空穴復(fù)合時(shí)發(fā)出明亮藍(lán)光的可能性更大；而且氮化鎵的硬度高，制成產(chǎn)品后性能會(huì)更加穩(wěn)定。

赤崎勇在制作氮化鎵結(jié)晶之初使用的是分子束外延生長(zhǎng)（MBE）法，這種方法是其在研制砷化鎵結(jié)晶時(shí)摸索出來(lái)的?？墒牵还芩绾闻?，在藍(lán)寶石基板上沉積出的氮化鎵結(jié)晶都會(huì)有裂紋，而且表面粗糙、顏色不純。不斷試錯(cuò)后，1974年初赤崎終于使用MBE法制成了氮化鎵單晶體，但他當(dāng)時(shí)并沒(méi)有對(duì)外公開(kāi)，只是向日本通商產(chǎn)業(yè)省進(jìn)行了匯報(bào)。

1975年，日本通商產(chǎn)業(yè)省成立了藍(lán)色發(fā)光元件委員會(huì)，并啟動(dòng)了一個(gè)為期三年的官產(chǎn)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟項(xiàng)目：“關(guān)于開(kāi)發(fā)藍(lán)色發(fā)光元件的應(yīng)用研究”。赤崎勇成了這個(gè)項(xiàng)目中的重要成員之一。但在此后的三年里，赤崎團(tuán)隊(duì)并未能使用自制的氮化鎵結(jié)晶制成p-n結(jié)型藍(lán)色LED，只是研制出了一種發(fā)光效率得到明顯改善的MIS型藍(lán)色LED，而且使用的氮化鎵結(jié)晶還是用HVPE法制備的。

1970年代后期，RCA公司和飛利浦公司的同行先后放棄氮化鎵研究，轉(zhuǎn)向砷化鋅研究。當(dāng)年相中赤崎的小池勇二郎也于1977年過(guò)世。由于實(shí)用化前景不明朗，赤崎勇的氮化鎵結(jié)晶研究遇到了前所未有的阻力。當(dāng)時(shí)，日本政府正在籌組“光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，松下技術(shù)研究所（松下電器東京研究所于1971年改用此名）希望他能夠代表研究所加盟，但由于必須中斷氮化鎵結(jié)晶研究，赤崎勇毅然決然地謝絕了。1981年8月赤崎轉(zhuǎn)任名古屋大學(xué)工學(xué)院電子工程學(xué)系教授，時(shí)年51歲。

3 制備氮化鎵單晶體取得突破

名古屋大學(xué)素以堅(jiān)持學(xué)術(shù)自由而著稱，為支持赤崎勇開(kāi)展化合物半導(dǎo)體研究，專門(mén)為其建造了一間無(wú)塵實(shí)驗(yàn)室。在日本的大學(xué)普遍都還沒(méi)有無(wú)塵實(shí)驗(yàn)室的時(shí)代，名古屋大學(xué)能夠如此禮遇赤崎實(shí)屬不易。此后，為回報(bào)名古屋大學(xué)，赤崎將自己的研究室建設(shè)成了一座“不夜城”。

當(dāng)時(shí)，盡管有不少學(xué)者用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)否定了制作氮化鎵藍(lán)色LED的可能性，但是，赤崎勇認(rèn)為，這些學(xué)者給出的數(shù)據(jù)并不一定可靠，因?yàn)槭褂貌煌兌鹊陌雽?dǎo)體材料，得出的數(shù)據(jù)會(huì)存在明顯差異。因此，他決定繼續(xù)使用氮化鎵研制藍(lán)色LED，哪怕變成了沙漠上的獨(dú)行者也在所不辭。不過(guò)，他放棄了被實(shí)踐證明難以行得通的HVPE法和MBE法，改用1971年曾被其他學(xué)者一度試用過(guò)但沒(méi)有成功的金屬有機(jī)化合物氣相外延生長(zhǎng)（MOVPE）法。

使用MOVPE法研制氮化鎵結(jié)晶不能沒(méi)有MOVPE裝置。今天，MOVPE裝置已成了半導(dǎo)體研究實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置，制造MOVPE裝置也儼然成了一大產(chǎn)業(yè)。但在1980年代初期，MOVPE裝置根本就無(wú)處可買(mǎi)。因此，赤崎勇只能將從松下技研帶過(guò)來(lái)的實(shí)驗(yàn)裝置作為基礎(chǔ)，把其他教授棄用的舊實(shí)驗(yàn)儀器上還能使用的元器件一一拆下，并用科研經(jīng)費(fèi)新購(gòu)部分元器件自行拼裝MOVPE裝置。盡管自行搭建實(shí)驗(yàn)裝置非常辛苦，也很耗時(shí)，但這樣畢竟可以搶在眾多學(xué)者之前開(kāi)展MOVPE法氮化鎵結(jié)晶研究。

在名古屋大學(xué)使用MOVPE法試制氮化鎵單晶體之初，赤崎勇像過(guò)去一樣將藍(lán)寶石基板平放在爐內(nèi)，然后以很低的流速將氮化鎵反應(yīng)氣體從上面緩緩吹入爐內(nèi)。由于藍(lán)寶石基板的溫度高達(dá)攝氏1千度，致使底部的氣體受熱上竄，形成對(duì)流，氮化鎵分子無(wú)法沉積到基板上。反復(fù)改進(jìn)后，仍不見(jiàn)好轉(zhuǎn)。于是，赤崎決定將基板按45度傾角斜放，并大幅度提高氮化鎵反應(yīng)氣體的流速，結(jié)果獲得了看上去表面非常均勻的氮化鎵結(jié)晶。1985年3月，赤崎在日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)年會(huì)上公開(kāi)發(fā)表了這一研究成果。

實(shí)際上，使用MOVPE法方法獲得的氮化鎵結(jié)晶仍存在晶格缺陷，且混有不少雜質(zhì)。赤崎勇深入分析后認(rèn)為，晶格變形主要是因?yàn)樗{(lán)寶石基板的原子間隔與氮化鎵的原子間隔相差過(guò)大，也即晶格失配造成的。由于必須承受攝氏1千多度的高溫，故只能選用藍(lán)寶石基板。在藍(lán)寶石基板的格子與氮化鎵的格子大小相差比較大的情況下，如何才能解決晶格變形問(wèn)題？赤崎突然想起，自己在松下技研開(kāi)發(fā)紅色激光用半導(dǎo)體材料期間，曾給基板做過(guò)一個(gè)超薄緩沖層，它可以有效減緩應(yīng)力變形。盡管當(dāng)時(shí)采用的是液相外延生長(zhǎng)法，而不是氣相外延生長(zhǎng)法，但不妨一試。于是，他把這種想法告訴了1983年考入自己實(shí)驗(yàn)室的研究生天野浩。

赤崎勇對(duì)照元素周期表琢磨一段時(shí)間后認(rèn)為，碳化硅、氧化鋅、氮化鎵和氮化鋁四種材料比較適合做藍(lán)寶石基板的緩沖層。由于逐個(gè)嘗試非常耗時(shí)，于是他將前兩種材料的實(shí)驗(yàn)拜托給了自己過(guò)去的學(xué)生和同事。不過(guò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。于是，赤崎決定再用氮化鋁試一試，因?yàn)樗谒上录佳泄ぷ鲿r(shí)曾接觸過(guò)這種材料，對(duì)其性質(zhì)比較熟悉。這項(xiàng)工作自然而然地落到了天野浩的身上。

天野浩不分晝夜地做了一段時(shí)間的氮化鋁緩沖層實(shí)驗(yàn)后，依然沒(méi)有取得成功。一天，他在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能是由于使用的次數(shù)太多，實(shí)驗(yàn)裝置出現(xiàn)了故障，致使沉積爐內(nèi)溫度上不去，當(dāng)他取出藍(lán)寶石基板時(shí)，發(fā)現(xiàn)上面已經(jīng)形成了一層光潔度很高的氮化鋁薄層，實(shí)驗(yàn)意外地獲得了成功。于是，制作氮化鋁緩沖層的最佳溫控值被赤崎勇和天野浩掌握了。之后，他們師生二人使用MOVPE法很快就制成了表面平坦如鏡的高質(zhì)量氮化鎵單晶體。

高質(zhì)量氮化鎵單晶體于1985年研制成功之后，赤崎勇與天野浩等人于1986年聯(lián)名公開(kāi)發(fā)表了相關(guān)研究成果[8]。名古屋大學(xué)同年也為氮化鋁緩沖層制作技術(shù)申請(qǐng)了專利。不過(guò)，用氮化鎵制作同質(zhì)緩沖層一事，赤崎當(dāng)時(shí)沒(méi)有給予高度重視，只交給一名碩士生來(lái)完成，以致沒(méi)能取得突破。而這次與赤崎、天野一起獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的中村修二1991年恰恰是用氮化鎵做緩沖層制成了質(zhì)量更高的氮化鎵單晶體。

4 成功研制高效藍(lán)色LED

研制出高質(zhì)量的氮化鎵單晶體后，接下來(lái)的難題就是，如何摻雜使其變成P型半導(dǎo)體？因?yàn)楦吡炼人{(lán)色LED需要一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成的p-n結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。氮化鎵的N型結(jié)晶并不難制備。因?yàn)槭褂玫X低溫緩沖層技術(shù)制成的氮化鎵結(jié)晶中不可避免地會(huì)含有少量帶有電子的雜質(zhì)，因而呈N型結(jié)晶性質(zhì)。但是，氮化鎵的P型結(jié)晶必須另行制備。

氮化鎵與硅不同，當(dāng)時(shí)不論如何摻雜都無(wú)法制成P型半導(dǎo)體，以致氮化鎵不適合制作P型結(jié)晶成了定論。但對(duì)赤崎勇來(lái)講，如果無(wú)法研制出氮化鎵的P型結(jié)晶，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)用氮化鎵p-n結(jié)制作高亮度藍(lán)色LED的既定目標(biāo)。自己為制備高質(zhì)量的氮化鎵單晶體已經(jīng)耗費(fèi)掉了12年的時(shí)光，如果現(xiàn)在知難而退，無(wú)異于前功盡棄，因此縱使是面臨深淵，也只能義無(wú)反顧地往前走了。

氮化鎵分子中的鎵原子是正三價(jià)，氮原子是負(fù)五價(jià)，制作含有空穴載流子的氮化鎵P型結(jié)晶有兩種思路，一是用少量的正二價(jià)原子替換掉正三價(jià)原子鎵；二是用少量的負(fù)六價(jià)原子替換掉負(fù)五價(jià)原子氮。由于前者通常比后者更易操作，故赤崎在給氮化鎵結(jié)晶摻雜時(shí)最初選用的是正二價(jià)的鋅。在赤崎的指導(dǎo)下，天野浩給氮化鎵結(jié)晶摻鋅很快就取得了成功，初步檢測(cè)表明，這種晶體符合P型半導(dǎo)體的基本特征。但對(duì)其進(jìn)行霍爾效應(yīng)檢測(cè)后確認(rèn)，它并非P型半導(dǎo)體。雖然沒(méi)有制成氮化鎵的P型結(jié)晶，但天野非常偶然地發(fā)現(xiàn)，使用掃描電鏡觀測(cè)氮化鎵的摻鋅結(jié)晶時(shí)，這種結(jié)晶發(fā)光量明顯增加，而其光譜并未改變[9]。1988年，天野和赤崎等人將這種現(xiàn)象命名為低能電子束輻射效應(yīng)（LEEBI）予以公開(kāi)發(fā)表。這項(xiàng)意外的發(fā)現(xiàn)為后來(lái)的氮化鎵P型結(jié)晶研究奠定了非常重要的基礎(chǔ)。

在對(duì)為什么給氮化鎵摻鋅無(wú)法獲得P型結(jié)晶，制作P型結(jié)晶的突破口究竟在什么地方之類問(wèn)題進(jìn)行一個(gè)多月的分析思考后，赤崎和天野決定用鎂代替鋅試一試。因?yàn)樗麄冊(cè)诜治鰮戒\失敗的原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)1971年的一項(xiàng)研究提到，鎂與鎵的電負(fù)性差值比鋅與鎵的還要小。問(wèn)題是使用MOVPE法制作氮化鎵結(jié)晶時(shí)無(wú)法直接摻鎂，必須將鎂氣化。這樣就需要進(jìn)口高純度的有機(jī)鎂化合物。盡管進(jìn)口量很少，但仍耗費(fèi)了8個(gè)月的時(shí)間。1988年底，收到材料后，赤崎指導(dǎo)研究室里的一名研究生像制作氮化鎵的摻鋅結(jié)晶一樣制成了氮化鎵的摻鎂結(jié)晶。

1989年3月，赤崎團(tuán)隊(duì)用低能電子束輻射氮化鎵的摻鎂結(jié)晶后發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)晶在光譜并未改變的情況下，發(fā)光強(qiáng)度陡增近80倍。將其與N型結(jié)晶結(jié)合制成二極管后，發(fā)現(xiàn)其完全具備P型結(jié)晶的特征。這令赤崎團(tuán)隊(duì)興奮不已。之后的霍爾效應(yīng)檢測(cè)結(jié)果表明，這種使用有機(jī)鎂化合物制成的氮化鎵摻鎂結(jié)晶確實(shí)是P型結(jié)晶。此項(xiàng)成果1989年12月在日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)的歐文雜志上發(fā)表后[10]，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

制作高亮度p-n結(jié)型藍(lán)色LED不僅需要高質(zhì)量的氮化鎵P型結(jié)晶，還需要高質(zhì)量的氮化鎵N型結(jié)晶。盡管使用氮化鋁低溫緩沖層技術(shù)制成的氮化鎵單晶體已具備N型結(jié)晶性質(zhì)，但由于這種結(jié)晶中的雜質(zhì)含量非常少，電阻非常大，不太適合制作p-n結(jié)型二極管。這樣一來(lái)，研制高質(zhì)量的氮化鎵N型結(jié)晶又成了擺在赤崎勇面前的重要課題。經(jīng)過(guò)不斷探索，赤崎團(tuán)隊(duì)于1989年秋使用硅烷氣體摻硅技術(shù)制成了電阻值可控的高質(zhì)量氮化鎵N型結(jié)晶。之后，赤崎團(tuán)隊(duì)又一鼓作氣地于1989年底研制出世界上第一個(gè)高亮度氮化鎵PN結(jié)型藍(lán)色LED。此時(shí)，赤崎已年逾花甲。

1990年，赤崎勇又開(kāi)始向氮化鎵藍(lán)色激光二極管發(fā)起挑戰(zhàn)。這一年，赤崎在室溫條件下使用弱紫外線就使自己研制的高純度氮化鎵晶體受激發(fā)光，為氮化鎵藍(lán)色激光二極管的研制排除了一個(gè)重要的障礙。藍(lán)色激光二極管的開(kāi)發(fā)后來(lái)主要是由時(shí)任日亞化學(xué)公司研究員的中村修二完成的。

1992年，赤崎勇從名古屋大學(xué)退休，同時(shí)獲聘擔(dān)任私立名城大學(xué)教授。1989年獲博士學(xué)位后一直留在赤崎項(xiàng)目組擔(dān)任研究助手的天野浩同年跟隨導(dǎo)師赴名城大學(xué)擔(dān)任講師，時(shí)年32歲。

5 成功要因分析

通過(guò)上面的考察可以看出，赤崎勇中小學(xué)時(shí)代并沒(méi)有受到過(guò)非常好的教育，大學(xué)也只念了三年，博士學(xué)位還是在職讀的，而且從未出國(guó)進(jìn)修過(guò)，但他卻取得了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的重大科技突破，不僅自己摘得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠，還親手培養(yǎng)出了一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。因此，稱其為科學(xué)大師并不為過(guò)。由此看來(lái)，杰出科技人才的成長(zhǎng)與其早期所受的教育關(guān)系并不是很大。無(wú)獨(dú)有偶，這次和赤誠(chéng)勇同時(shí)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的中村修二也只是普通國(guó)立大學(xué)——德島大學(xué)的碩士畢業(yè)生，其博士學(xué)位也是后來(lái)在職讀的。榮獲2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的下村修更加特別，只讀過(guò)三年?？?，博士學(xué)位則是在名古屋大學(xué)進(jìn)修期間獲得的。因此，我們很難把這些人的成功歸因于早期在學(xué)校所受的課程教育。學(xué)校教育對(duì)杰出人才成長(zhǎng)的重要性固然不容低估，但影響杰出人才成長(zhǎng)的絕不僅僅是學(xué)校教育，畢業(yè)后獲得的機(jī)遇和自身的努力有時(shí)顯得更為重要。那么，赤崎勇的成功要因究竟何在？

首先，赤崎勇能夠摘得諾貝爾獎(jiǎng)桂冠與其攻克的高效藍(lán)色發(fā)光二極管研制難題具有廣泛應(yīng)用前景和巨大社會(huì)需求不無(wú)關(guān)系。

1962年底，何倫亞克使用磷砷化鎵研制出紅色LED。這對(duì)赤崎勇產(chǎn)生的沖擊可想而知。赤崎于1964年進(jìn)入松下電器東京研究所擔(dān)任第四基礎(chǔ)研究室主任后，迅速?zèng)Q定由元素半導(dǎo)體研究轉(zhuǎn)向化合物半導(dǎo)體研究，與其敏銳地看到了可見(jiàn)光LED的應(yīng)用前景不無(wú)關(guān)聯(lián)。1968年，綠色LED也宣告問(wèn)世；1972年，何倫亞克的學(xué)生、孟山都公司的克勞福德（M. George Craford）又研制出了第一個(gè)黃光LED，并將紅光LED的亮度提高了10倍。至此，紅、綠、藍(lán)三原色中只剩下藍(lán)色LED研究尚未取得突破。一旦藍(lán)色LED的研究取得重大突破，那么人類便打開(kāi)了通往全彩LED顯示時(shí)代和高效白色照明時(shí)代的大門(mén)。正是因?yàn)橛辛巳绱苏T人的應(yīng)用前景的導(dǎo)引，赤崎勇等一批科學(xué)家才會(huì)頑強(qiáng)地向藍(lán)色LED發(fā)起沖擊。因?yàn)樽约旱难芯可罹邞?yīng)用價(jià)值，且具有巨大社會(huì)需求，故即使挑戰(zhàn)失敗，或者只是成了鋪路石，那也是有意義的。

對(duì)于任何一個(gè)有社會(huì)責(zé)任感的科學(xué)家來(lái)講，沒(méi)有什么比從事一項(xiàng)極有可能在不久的將來(lái)給人類帶來(lái)巨大福祉的研究更令人感到愉悅的。關(guān)鍵是如何才能敏銳地捕捉到深具學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景的研究選題。人們常說(shuō)板凳要坐十年冷，但這樣做需要一個(gè)前提，那就是所從事的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。如果所從事的研究沒(méi)有太大的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景，任憑是誰(shuí)也很難長(zhǎng)期堅(jiān)持，即使能夠長(zhǎng)期堅(jiān)持，也很難做出恩澤后世的杰出科技貢獻(xiàn)。所以，堅(jiān)持不懈固然重要，但更為重要的是，所從事的研究的確很有意義，值得人們?yōu)橹冻觥?/p>

其次，赤崎勇能夠?qū)耀@重大科技突破與其對(duì)化合物半導(dǎo)體研究抱有濃厚興趣、并堅(jiān)持不懈地在同一領(lǐng)域辛勤耕耘有著密切關(guān)聯(lián)。

即便是從1973年著手研制氮化鎵藍(lán)色LED開(kāi)始算起，至1989年取得突破，赤崎勇在氮化鎵藍(lán)色LED研究領(lǐng)域也至少耕耘了16年。實(shí)際上，他此前在神戶工業(yè)公司和名古屋大學(xué)所做的在基板上生成熒光材料薄膜和元素半導(dǎo)體薄膜之類研究，以及早期在松下電器東京研究所開(kāi)展的化合物半導(dǎo)體結(jié)晶研究，與氮化鎵藍(lán)色LED研究都有著很強(qiáng)的相關(guān)性。如此看來(lái)，說(shuō)赤崎勇為研制藍(lán)色LED奮斗了30余年也不為過(guò)。僅憑社會(huì)需求的引導(dǎo)，很難令一個(gè)人矢志不移地在一個(gè)稱不上是“富礦”的狹窄領(lǐng)域埋頭苦干數(shù)十年。驅(qū)動(dòng)赤崎勇在氮化鎵藍(lán)色LED研究領(lǐng)域勇往直前的重要力量可以說(shuō)是興趣。這個(gè)興趣的形成與其在神戶工業(yè)公司與冷光結(jié)緣有著很大的關(guān)聯(lián)。那個(gè)時(shí)候他就產(chǎn)生了制備性能穩(wěn)定的化合物單結(jié)晶的強(qiáng)烈沖動(dòng)。之后，無(wú)論是在松下電器東京研究所，還是在名古屋大學(xué)工學(xué)院，他的研究基本上都是圍繞著制備發(fā)光用化合物半導(dǎo)體單結(jié)晶展開(kāi)的。由于迷上了這類研究，以致在光通信技術(shù)快速發(fā)展的1970年代后期，他竟然拒絕參與主持政府組織的、可以名利雙收的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。

科研興趣是驅(qū)動(dòng)一個(gè)人從事科學(xué)研究的重要引擎。形成了強(qiáng)烈的科研興趣，人們才有可能拋開(kāi)雜念，潛心開(kāi)展研究。當(dāng)一個(gè)人追名逐利，不愿意對(duì)一個(gè)有趣的自然現(xiàn)象進(jìn)行深究時(shí)，那他也就失去了在這一領(lǐng)域建功立業(yè)的機(jī)會(huì)。失敗是成功之母，興趣是成功之父，赤誠(chéng)勇得以在氮化鎵藍(lán)色LED研究領(lǐng)域取得重大突破，無(wú)疑是興趣驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。

再次，自己搭建主要實(shí)驗(yàn)裝置是赤崎勇得以率先研制出高效藍(lán)色發(fā)光二極管的關(guān)鍵。

赤崎勇在研制氮化鎵結(jié)晶過(guò)程中曾使用過(guò)分子束外延生長(zhǎng)法和金屬有機(jī)化合物氣相外延生長(zhǎng)法。這兩種方法都是他自己開(kāi)發(fā)的，而且試驗(yàn)裝置也都是他自己搭建的。盡管使用自己搭建的分子束外延生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但卻制備出了氮化鎵單晶體，從而為躋身政府推進(jìn)的題為“關(guān)于開(kāi)發(fā)藍(lán)色發(fā)光元件的應(yīng)用研究”的官產(chǎn)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。金屬有機(jī)化合物氣相外延生長(zhǎng)裝置同樣是自行搭建的，而且還根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了多次改進(jìn)。正是因?yàn)槭褂昧诉@種新型實(shí)驗(yàn)裝置和氮化鋁緩沖層技術(shù)，赤崎勇團(tuán)隊(duì)才于1986年獲得了晶體質(zhì)量高、光學(xué)特性好的氮化鎵單結(jié)晶。沒(méi)有這項(xiàng)突破，高效藍(lán)色發(fā)光二極管也就不可能得以搶在其他團(tuán)隊(duì)之前問(wèn)世。

在科學(xué)日益技術(shù)化的今日，實(shí)驗(yàn)裝置的唯一性和先進(jìn)性幾乎成了最新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)保證。使用最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，即使是一個(gè)普通的科研人員，也有可能做出非凡的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。使用別人已經(jīng)使用過(guò)的實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展研究，無(wú)異于跟在別人后面去海邊拾貝殼，雖然偶爾也能夠獲得一些意外的發(fā)現(xiàn)，但是這種概率遠(yuǎn)小于先行者。因此，對(duì)于從事實(shí)驗(yàn)研究的科研人員來(lái)講，沒(méi)有什么事比獲得最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置更令人高興的了。問(wèn)題是，最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置靠金錢(qián)是很難買(mǎi)得到的，即使買(mǎi)得到，也需要花費(fèi)很多時(shí)間。所以，能否自行搭建出所需的實(shí)驗(yàn)裝置十分重要。

還有，兩次意外發(fā)現(xiàn)也為赤崎勇率先研制出高效藍(lán)色發(fā)光二極管奠定了重要基礎(chǔ)。

幸運(yùn)女神曾兩度光顧赤崎勇團(tuán)隊(duì)。一次是在天野浩按照導(dǎo)師的意見(jiàn)給藍(lán)寶石基板制作氮化鋁緩沖層時(shí)，另一次則是在天野浩使用掃描電鏡觀測(cè)氮化鎵的摻鋅結(jié)晶時(shí)。第一次是因?yàn)榻饘儆袡C(jī)化合物氣相外延生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置出現(xiàn)了故障，致使沉積爐內(nèi)的溫度升不上去，非常偶然地在藍(lán)寶石基板上沉積出了一層光潔度很高的氮化鋁薄層，從而解決了為藍(lán)寶石基板制作氧化鋁緩沖層的技術(shù)難題。如果不能解決制作緩沖層難題，赤崎勇團(tuán)隊(duì)就不可能于1985年制備出高質(zhì)量的氮化鎵單晶體。第二次是在給氮化鎵單晶體摻鋅取得成功后，檢測(cè)其物理性質(zhì)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)用低能電子束輻射可以增加這種結(jié)晶的發(fā)光量，從而為后來(lái)的氮化鎵P型結(jié)晶研究奠定了非常重要的基礎(chǔ)。沒(méi)有這項(xiàng)意外的發(fā)現(xiàn)，高效藍(lán)色LED也就不可能于1989年問(wèn)世。

兩次意外發(fā)現(xiàn)既成就了天野浩，也成就了赤崎勇。如果沒(méi)有這兩次偶然發(fā)現(xiàn)，赤崎勇雖然在化合物半導(dǎo)體研究領(lǐng)域埋頭苦干了數(shù)十年，也未必能如愿以償?shù)匮兄瞥龈咝У壦{(lán)色LED。但是反過(guò)來(lái)，如果不是因?yàn)橐言诨衔锇雽?dǎo)體研究領(lǐng)域耕耘數(shù)十年，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，赤崎勇也不會(huì)想到用氮化鋁來(lái)做緩沖層，也不會(huì)那么快就指導(dǎo)天野浩制備出氮化鎵摻鋅結(jié)晶。如此看來(lái)，除有必要對(duì)大有希望的重要選題進(jìn)行持續(xù)的高強(qiáng)度的資助之外，還應(yīng)擴(kuò)大資助范圍，將希望寄托在有可能在大膽探索過(guò)程中做出重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)的年輕人身上。諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)科技突破從來(lái)就不是規(guī)劃出來(lái)的，但當(dāng)認(rèn)真做科學(xué)研究的人越來(lái)越多時(shí)，總會(huì)有人取得重大科技突破。

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（責(zé)任編輯：姚 英）

Abstract： In 2014， Japanese scientist Isamu Akasaki and Hiroshi Amano won the Nobel prize in physics together with Japanese American scientist ShujiNakamur. Isamu Akasaki，Hiroshi Amano's tutor as well as the pioneer on the blue LED research， is the most representative one. In this article，the author introduced Isamu Akasaki's study and research in his early years， reviewed how he went into thesemiconductive chemical compound research field， In this field， he made the gallium nitride monocrystal preparation， and developed the hi-lite blue LED. The article analyzed the main factors of winning the Nobel prize-class scientific breakthroughs， and discussed the relationship among great scientific breakthroughs， scientist's self-interest as well as social needs.Analyzing Isamu Akasaki's research process is helpful to providing a new way for China's scientific and technological policies making and optimization.

Keywords： Isamu Akasaki；Blue LED；The Nobel Prize in Physics；R&D；Scientific breakthroughs