本文將以連載形式介紹高亮度藍色發光二極體的開發故事。本篇為中村修二從進入日亞化學工業到著手研究藍色發光二極體的整個過程。中村在進入該公司後一直在開發金屬Ga、InP、GaAs、GaAlAs等單結晶材料及多結晶材料。為了節約經費，從設備到部件加工的整個過程均由中村一人完成。雖然開發最終取得成功，並順利啟動了業務，但產品卻賣不出去。焦急之下，中村選擇了藍色發光二極體作為下一研究課題，而這是一種只要能業務化必定會暢銷的產品。
總部位於日本德島縣阿南市的日亞化學工業（以下簡稱日亞，注1）是當地頗為有名的公司。因為該公司有長達三週的夏季休假制度。員工將這一長假全部用到了阿波舞的練習上。而且到阿波舞演出正式舉行時，該公司還會派出員工組成的“日亞方陣”跳上大街。
注1）日亞化學工業是總部位於日本德島縣阿南市的化學品廠商。員工數量在1994年4月為640名，銷售額在1993年1月～1993年12月為167億日元。主要產品為CRT及螢光燈等使用的螢光體材料，佔銷售額的8成～9成。此外還製造化合物半導體材料、真空蒸鍍材料、濺鍍靶材以及液晶面板背照燈等使用的EL（場致發光）燈等。公司成立於1956年12月。在中村1979年進入公司時，銷售額約為40億日元，員工數量約為200名。
日亞化學工業在阿南的總部
日亞在一舉成為全球聞名的公司是在1993年底（表1）。這源於該公司開發出了亮度達到1cd的藍光發光二極體，並成功實施量產。曾一度被公認“要到21世紀才能實現”的高亮度藍色發光二極體由此順利地進入了實用期 注2）。
注2）日本電子機械工業會（EIAJ）電子顯示器和電子管業務委員會電子顯示器2000年研究會在1993年7月公佈的《電子顯示器產業2000年前景調查研究報告》中曾這樣描述：“在可視LED中，藍光LED被公認為最難實現高亮度化的產品，而且實際的開發進展也頗為緩慢，為了在2000年達到1cd，業界幾乎找遍了一切可能性”。
表1 藍色發光二極體的開發年表(點擊放大)
對於日亞的壯舉，該領域的技術人員及研究人員與全世界一樣感到震驚。而更驚奇的是，實現如此壯舉的，並非在該領域長期從事研究的海內外知名大學，也非大型電子廠商，而是一家地方城市的化學廠商。由此，日亞的稱呼從“夏季休假的日亞”變成了“藍光發光二極體的日亞”。
為了孩子選擇回鄉
幾乎全靠一己之力開發成功高亮度藍色發光二極體的是當年40歲的研究人員中村修二（圖1）。中村1979年從德島大學研究所畢業後進入日亞。專業是電子工程學。
圖1：日亞總部內的藍色發光二極體顯示器展示區
站在左側的就是開發成功藍光發光二極體的中村修二。
學生時代，中村當然嚮往到東京或大阪等大城市工作。但到了畢業參加工作時，中村卻已經有了孩子。他在上大學時就結婚了。
“單身的話，可以留在城市闖一闖。但有了孩子的話，還是到鄉下生活的好。不想因為工作而犧牲家庭”。正是這種想法最終使中村與日亞結下了不解之緣。
但並不是說中村就沒有猶豫過。實際上，中村也曾到總部位於京都的京瓷面試過。儘管通過了嚴格的考試，順利獲得了進入京瓷的機會，但結果中村還是放棄了。最後，中村選擇留在了當地，也就是妻子娘家的所在地德島市。
日亞是中村的大學導師介紹的。雖然自己的專業是電子工程學，但中村希望從事材料開發工作，因此導師向他推薦了這家公司。不過，當中村來到日亞時卻頗感意外。這只是一家員工僅200人的小型化學公司，到處都有一股刺鼻的硫化氫（H2S）的氣味 注3）。“這家公司怎麼這麼臟啊！”，這就是日亞給中村留下的第一印象。
注3）硫化氫的氣味類似臭雞蛋味。
“瀕死”的開發課
進入日亞後，中村被分到了開發課。進入公司後中村發現，這裡的員工全部都是阿南附近的人，像他這樣來自德島的還真少見。而且，中村還是該公司第一個學電子專業的員工。中村感覺公司是考慮到他學的專業與眾不同，所以才把他分配到可以做新業務的開發部門的。
中村最初負責的開發課題是提煉用於化合物半導體GaP 注4）中的金屬Ga材料。雖說是開發課，但其實只是一名課長帶著兩名開發人員和幾個助手的小部門。辦公場所是由帶屋頂的停車場改造的，只是在四週增加了圍牆，十分簡陋（圖2）。
注4）GaP（磷化鎵）是III-V族化合物半導體的一種。屬於能帶為2.3eV的間接遷移型。通過電子-空穴的再結合可獲得較強的發光現象（主波長為590nm），因此可用作發光二極體的材料。但波長580nm～590nm的黃色發光二極體用材料目前大多使用可獲得高亮度的GaAsP及In-GaAlP等。
圖2：開發課原址
現在用於對廢棄物進行化學處理。氣味仍像當年一樣刺鼻。在置物架上，中村曾經用過的石英管還放在那裏，只是上面佈滿了灰塵。
圖3：中村自製的電爐
在開始提煉金屬Ga的幾個月後，營業部門要求除了金屬Ga之外還要製造有望暢銷的GaP。當時開發課已經處於垂死狀態，甚至開始有傳言說“馬上就要撤銷了”。在這種情況下，恐怕也只有啟動這一有望形成賺錢的業務了。公司隨即指定中村來負責開發。當時的開發人員有兩名。一名繼續負責金屬Ga的提煉，而另一名，也就是中村，則開始著手開發GaP。
表面上聽起來這是“為了開拓新業務而進行的開發課題”，但實際情況仍然嚴峻。因為並沒有預算。所以無法購買相關設備。也買不起昂貴的部件。結果，只有完全靠自己來製造有關設備（圖3）。
黃昏時分的“爆炸慣犯”
要使GaP實現結晶生長，需要使用昂貴的石英管。操作時，將石英管的一端封上，在管的兩端放置金屬Ga和P。然後再封上另一端，對管內進行真空處理。之後加熱石英管，內部的材料就會氣化，相互反應便可形成GaP。最後割開石英管，將反應生成物取出就能獲得GaP。
不過，問題是如何處理使用過的石英管。由於石英管價格昂貴，因此不能用完就扔掉。至少在日亞不能這樣做。於是，中村決定將切斷的石英管重新焊接起來，進行再利用。
從那以後中村就開始沒完沒了地焊接石英管。“我進入公司難道就是為了當一個焊工嗎？”，中村不止一次地問自己。而且最頭疼的是爆炸事故頻頻發生。對封有Ga和P的石英管進行高溫加熱使，管內的壓力會上升到20～30個大氣壓。這時，只要焊接部位有小小的損傷或是強度不足的話，石英管就會破裂。
早上將材料封到石英管中。下午開始加熱，當溫度達到最高時正好是傍晚。爆炸總是發生在要下班的時候。巨大的聲響往往傳遍整個公司。“又是中村”。員工們一邊調侃著，一邊趕緊回家。
上司不理解
而此時此刻，中村在實驗室裏卻正忙著上演一場激烈大戰。
逐漸習慣事故頻發場面的中村制定出了一套自我保護措施，在自己的桌子與緊靠桌子設置的GaP製造設備之間吊起了金屬板。這樣就不用再擔心爆炸時被飛散的石英片打中了。
不過，石英管一旦爆炸的話，破裂的石英管碎片就會與加熱到高溫的P一起飛射出來。P是也可用作火柴材料的可燃物。當然會燃燒。帶著火的碎塊會向四處飛散。所以中村要追上去一個個將火滅掉。事故頻發程度事後讓中村回想起來都奇怪“竟然平安無事沒有出大事故”。
可是長期這樣下去的話，身體可吃不消。懷著這種想法，中村與當時的上司談了多次。只要採用對石英管內部進行高壓處理的方法，爆炸事故就不會停止。因此中村想改用在低壓也可製造出GaP的方法。但是，公司的想法很頑固：“發生爆炸是焊接得不好，並非方式的問題”，所以沒有接受中村的提案。
即便如此，開發還是走上了正軌。從1981年開始，中村製造的GaP開始銷售。正是由於付出如此之多的努力，當自己製造的產品上市時，中村真是萬分感慨。GaP的製造開發總算是成功了。不過，GaP的銷售額每月卻只有數百萬日元。作為一項業務，並不算是太大的成功。中村在1982年結束了開發，製造也交接給了後輩。中村從GaP的開發中完全撤了出來。
從這一開發過程中，中村學到的是石英的焊接技術、面對爆炸也毫不畏懼的勇氣、以及“不能一味服從公司”這一教訓。
下一個課題是GaAs結晶生長
日亞目前製造的化合物半導體（GaAs,InP）
從1982年起，中村開始著手與GaAs 注5）結晶生長有關的研究課題。這次仍然是營業部門提供的資訊：“今後GaAs的增長空間比GaP更大”。由於涉及的是新材料，因此新的開發人員也從其他公司跳槽給挖了過來。中村煥發精神開始開發GaAs的多結晶材料。
注5）在III-V族化合物半導體中，GaAs（砷化鎵）是一種為人所熟知的最普通半導體材料。能帶為1.4eV，屬於直接遷移型。電子遷移率為8800cm2/Vs，空穴遷移率為420cm2/Vs，遠遠高於Si，因此適於用作可高速運行的邏輯電路元等使用的材料。另外，由於可通過電子-空穴的再結合獲得較強的發光（主波長為850nm），因此還被廣泛用作發光二極體及半導體鐳射器材料。
雖說開發的材料變了，但公司內部的開發環境還是一如既往。先要製造設備，其次是要焊接石英管。中村的焊接技術當時已被公認為一把“絕活”，在新的開發中仍然每天都在發揮作用（圖4）。不用說，爆炸事故依舊是頻繁發生。
圖4：中村展示以往的焊接“絕活” 加熱石英棒進行焊接。
即便如此，1983年中村成功開發出了能夠形成產品的GaAs多結晶技術。隨後，GaAs單結晶的開發也完成了。接著，從1985年起，中村又開始著手研究發光二極體用GaAlAs 注6）膜的結晶生長。單結晶的生長方法選擇的是液相生長 注7）方式。當然，液相生長的設備也是中村自己製造的（圖5）。
注6）GaAlAs（砷鋁化鎵）是III-V族化合物半導體GaAs和AlAs的混合結晶。通過改變Ga1-xAlxAs中的x，可使能帶從2.1eV變為1.4eV。利益於這一特點，GaAlAs被廣泛用於紅色發光二極體及半導體鐳射器使用的材料。
注7）在單結晶底板上使單結晶生長被稱為外延生長（Epitaxial Growth），是製造半導體器件時的重要技術。液相外延（LPE：Liquid Phase Epitaxy）是其中的一種。這是一種利用經由溶劑的物質移動來實現生長的方法。當利用液相外延技術使GaAs外延生長時，需要使用Ga等製成的溶劑。在Ga中添加GaAs後加熱至900℃高溫，GaAs就會溶解到Ga中。在GaAs底板上導入該溶劑，只要慢慢降低溫度，即可使溶解率降低，從而在GaAs底板上析出GaAs。通過精細控制這一溫度下降速度，便可在GaAs上析出單結晶的GaAs。按照同樣的方法，還可在GaAs底板上使GaAlAs單結晶薄膜生長。
圖5：中村開發的液相沉積設備中村開發的裝置目前仍在使用。
當時，從研究、製造到品質管理、直至銷售，全部是中村一個人擔當的。中村將研製出來的單結晶推薦給了發光二極體廠商。但其他競爭公司卻拿出了品質更高的單結晶。於是，中村經過反覆研究，最終實現了品質毫不遜色的產品。而這時，其他公司在品質上又走在了前面。無論怎麼追都追不上。而其原因就在於評測速度過慢。
日亞只銷售材料，自己並不製造發光二極體。因此，在將單結晶製成發光二極體後，全部交由用戶進行評測。而這種方式的話，需要花費1個月才能得到評測結果。這樣，在評測結果出來後再怎麼改進，也無法趕上其他公司的開發速度。
押寶發光二極體
“如果不自已製造發光二極體，即使用戶說不行也無法反駁”。中村通過與社長直接談判，最後終於成功地導入了發光二極的製造設備和評測設備。而且單結晶的製造人員也得到增加，GaAlAs單結晶的開發由此步入了正軌。最後，中村順利完成了開發。
對於該研究課題，中村給自己打了100分。從製造裝置開始，一切工作全部都是自己完成的。在未從其他公司引進技術的情況下，依靠一已之力確立了GaAlAs單結晶的製造技術。而且還成功地將其變成了一項業務。
儘管如此，比自己後來公司、接替自己工作的人都一個個升遷，自己卻被拋在人後，殘酷的現實使得中村萌生退意。再呆在日亞已沒有多大意思了。獲得如此大的成功，自己卻並未獲得肯定……。
經過反覆思考，中村最後得出的結論如下：即使開發取得成功，產品賣得不好的話，自己就不會受到好評。不暢銷就得不到肯定。因此要選擇開發成功後會形成大業務的課題。就這樣，中村選擇了高亮度藍色發光二極體這項課題。如果研究成功的話，產品肯定會暢銷。
要想研究藍色發光二極體，就需要不同於GaAlAs的結晶生長技術。中村決定先學習這一技術。
正當中村這樣考慮的時候，求之不得的事情隨之而來。為了掌握結晶成長技術，願不願意被公司派往美國？對此詢問，中村充滿了期待。
這一非常有吸引力的差事其實卻暗藏著一個陷阱。這是當時中村萬萬都沒有想到的。（未完待續，記者：仲森 智博）
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