縫隙中求生存 Life in GAP

　高亮度藍色發光二極體開發故事的終結篇。從第二篇到第四篇，介紹了自中村修二進入公司、到藍色發光二極體首次發光的過程。本篇將迎來大結局。高亮度發光二極體將完成開發。GaN發光二極體雖然發出了光，但光線相當暗。中村下決心從pn結型結構改為雙異質（Double Hetero）結構。之後開發速度迅速加快。開發也一帆風順，在雙異質結構中摻入雜質形成發光中心，實現了1cd的亮度，並最終投產。信號燈等應用產品也相繼開始出現。
　　1992年4月，從美國學會講演歸來的中村為了開發出雙異質結構，埋頭研究InGaN膜的生成（表1）。如果將雙異質結構導入到GaN發光二極體中，亮度應該會大為提高 注1）。
注1）當時已完成的是pn結型發光二極體。pn結型僅僅將p型與n型半導體進行接合，構造簡單。對pn結施加正向偏壓以注入電子，當電子在空穴（Hole）中再接合時便會產生光。而雙異質結構的發光二極體，則在能隙（Energy Gap）比發光層更大的半導體層夾入了發光層。發光層與周圍半導體層之間的接合方面，兩側均為異質接合（不同材料間的接合）。在對pn結施加正向偏壓時，所注入的載流子（Carrier）並不會全都從能帶向能帶遷移（再接合）。載流子的大部分將流出到電極，對發光不做貢獻。如果是雙異質型發光二極體，則發光層的能隙比周圍更小。因此，載流子被關閉在發光層中，再接合的機率提高。所以，如果採用雙異質結構，可將亮度提到比pn結型更高。

表1：藍色發光二極體開發年表(點擊放大)

　　從這一時期開始，中村的研究小組才得到資金及人才的投入。這是社長的決心產品化的體現。對於GaN發光二極體的研究，日亞已投入了數以億計的金額。從公司角度來看，這個決策如同從京都清水寺的舞臺上縱身一跳，生死只有天知道。終於等到了GaN發光二極體發光的這一天。所以公司希望儘早把其變成暢銷產品。作為決定投資的對象，社長對其寄予的期待之大不言自明。
　　然而，這種期待成了阻礙中村前進的障礙。社長認為哪怕稍微暗點也沒關係，成天著急著要把pn結型發光二極體產品化。而中村已看透了pn結型發光二極體的局限性，希望將研究推向更深層次。因為他擁有短時間內拿出成果的自信。
不顧眾人反對，發起攻堅戰
　　中村決定先從“中央突破”來打開局面。他想方設法向社長介紹改用雙異質結構的必要性，希望得到社長的理解。然而，這一努力沒有收效。社長主張早日投產，毫不讓步。
　　既然如此，中村只好改變“作戰方針”。中村決定表面上聽從社長的意見。不過，只是聽聽而已。公司會議上，社長要求“趕快投產pn結型產品”。“是是，知道了”，中村滿口答應。雖然答應下來，但其實中村絲毫沒有推進pn結型產品化的意願。中村全然不顧公司的想法，把自己關在實驗室裏一門心思開始雙異質結構研究。
　　果然不出中村所料，InGaN膜的生長實驗只用了2～3個月即有了眉目。之後，在1992年的9月份，雙異質結構的GaN發光二極體終於試製成功了。雖然成功地發出了光，可是還比較暗（圖1）。中村拿給社長看，得到的評價是，“是你製作的啊，還是很暗”。

圖1：實現雙異質結構
1992年9月，試製出雙異質結構的藍色發光二極體，並成功實現發光（a）。不過，此時還稱不上高亮度。但是，這一成功，在開發現已生產出產品的高亮度藍色發光二極體（b）方面是重要的一步。（a）首次發光的雙異質結構藍色發光二極體（b）現已生產出產品的雙異質結構藍色發光二極體(點擊放大)

　　雖然還很暗，但能夠在GaN材料上製作成功雙異質結構，並且還發出了光，這本身就具有劃時代的意義。其未來將具有無限的發展潛力。中村決定以論文的方式讓世界來給出評判。他瞞著公司，持續在研發取得關鍵性進展時投稿論文。
　　論文在歐美的研究人員中引起了巨大迴響。表示讚賞的書信、索要中村過去所寫論文的增印本的書信絡繹不絕。然而，“在日本根本得不到承認”，中村回憶當時的狀況時這樣說。“日本的研究人員不是通過成果內容，而是通過公司名或者大學名來判斷論文的可信度的吧。我試著詢問過幾位研究人員，回答說‘當時根本不信’的人居多。等高亮度藍色發光二極體變成了產品，才急忙去讀過去的論文的人估計有不少”（中村）。
孤獨的研究者
　　按照公司的規定，在學會上發表論文是被禁止的。論文秘密地投稿不會被公司知道，而在學會上發表的話可能就瞞不住了 注2）。因為在日本國內召開的學會，公司的研究人員會去聽聽。
注2）在當時，公司規定禁止在學會發表演講和投稿論文。然而，這一時期中村卻投稿了多篇英文論文。在公司裏，因為除了中村以外沒有其他人訂購英文論文雜誌，因此不必擔心投稿被公司知道。然而，如果在日本國內學會上發表的話，未必不會被公司知道。
　　不過，參加學會的意義已變得越來越小。這是因為，無法與其他研究人員進行深入的討論。雖然對中村發表論文的那項成果信以為真的人較少是原因之一，但最主要的是中村太超前了。中村已不需要從學會上得到什麼技術了。產品化成功的那一瞬間正在逼近。中村停止了一切學會活動以及論文投稿，精力只集中在GaN藍色發光二極體的產品化上。產品化進入了倒計時階段。
　　這以後的進展是驚人的。為什麼光線較暗的原因中村很清楚。第1個原因是，發光波長為紫外線。所以首先將其變成眼睛可見的藍色光即可。為此，中村決定在發光層InGaN中添加作為發光中心的雜質 注3）。這樣一來，所發光的波長從420nm躍升至450nm，人眼可見的亮度達到以前的4倍。這是1992年12月的事情。然而快速推進的步伐並未因這一成功而停頓。通過進一步調整膜的生成條件，逐漸提高結晶性。亮度在一天天地不斷增高（圖2）。

圖2：迅速提高的發光亮度
雙異質結構實現了之後，這種藍色發光二極體的亮度與日俱增不斷提高。從最初的試製後過了約半年，亮度就上升到以前的100倍，達到1cd。(點擊放大)

注3）發光中心是在導帶與價電子帶之間、即禁帶中設置的雜質能級（圖）。借助這一能級，電子與正孔進行再結合，從而發光。通過導入發光中心，可在採用相同能隙的半導體的同時，增加所發光的波長。
終於亮度達到1cd

圖3：投產1cd的高亮度藍色發光二極體
中村展示用此次開發的藍色發光二極體製作的顯示板。

圖4：受到西澤潤一校長的讚賞
看到高亮度藍色發光二極體後，日本東北大學的西澤校長立即揮毫題詞。

　　終於來到了投產前的最終調整階段。這一階段主要是提高GaN膜及InGaN膜的結晶等級，以提高亮度。同時完善量產技術，提高成品率。中村斷絕一切對外聯絡，把自己關在實驗室裏的日子。
　　經過這樣的努力，在InGaN雙異質結構發光二極體試製成功後不到1年的1993年10月，產品化的條件基本具備了。亮度達到了1cd。是當時市售的採用SiC的藍色發光二極體的約100倍。
　　打破近1年的沉寂，藍色發光二極體終於脫穎而出（圖3）。產品發佈日定在11月30日。在此之前，中村與上司一起帶著引以為豪的藍色發光二極體，到日本主要的大學及研究機構等走訪了一圈。其中，對這一成功給予了最大祝福的，是日本東北大學的西澤潤一校長（圖4）。西澤校長當場就提出要向中村贈予博士稱號 注4）。
注4）當時，中村已向其母校日本德島大學申請取得博士稱號。中村稱，因此不得不割愛拒絕了西澤校長的好意。
　　由此，中村獲得了挺起胸脯發佈成果的自信。終於到了產品發佈的前一天。雖說是產品發佈，但並不像大廠商那樣租用一流酒店，召開隆重的發佈會。而是向日本經濟新聞社的德島支局長公開了成果的內容。中村說，由於是“亮度達到以往產品的100倍”的震撼性成果，所以支局長一開始也並不相信。雖然召開的是只有內部人員參加的小型發佈會，但該新聞卻發表在了11月30日《日經產業新聞》的第一版上。
接下來的目標還有很多
　　自這一天起，日亞化學工業公司裏，來自媒體的採訪請求、以及來自用戶及同行業其他公司的諮詢蜂擁而至。每天能接到40～50個電話。這種狀況持續了1周多。“是這麼了不起的一項成果嗎”，社長也慌了手腳。電話潮之後，又是一波訪問潮。帶著技術合作以及資助等各種提案，訪問日亞化學工業的人絡繹不絕。
　　社長一個個地拒絕了這些提案。中村的“人不為者，我為之”信念終於獲得了超越大企業的成果。社長同樣也堅守其信念，即“不依賴他人”。此前，該公司一直憑藉自己的力量進行研發。社長決定今後仍然自力更生搞下去。
　　將那些喧囂拋到腦後，中村繼續進行著研究。雖然藍色發光二極體生產出了產品，但作為研發目標的半導體鐳射器尚未完成。
　　另外，藍色發光二極體完成後，消費者對綠色及藍綠色發光二極體的需求變得愈發強烈。如果將此次完成的藍色發光二極體，與早已產品化的紅色及綠色發光二極體組合在一起，就能製造出全彩色顯示的顯示器（圖5）。但是，與藍色及紅色二極體的高亮度相比，綠色二極體的亮度較低。需要有更高亮度的綠色發光二極體。

圖5：採用發光二極體的大型全彩色顯示器面世
照片為近畿日本鐵道開發、並於1995年1月設置在日本上本町火車站中央大廳的顯示器。畫素數為320×240。

　　另外，紅黃藍3色發光二極體至此都已製造出來，將其應用於信號燈的大門也就由此打開。不過，日本的綠色信號燈的顏色是藍綠色。所以還需要開發與此相匹配的發光二極體。
力爭實現能帶間發光
　　中村首先完成了藍綠色發光二極體。目前，採用這種發光二極體的信號燈已面世，並獲得了實用（圖6）。剩下的是鐳射器以及高亮度綠色發光二極體了。

圖6：信號燈上所採用的藍綠色發光二極體
當時在日本愛知縣以及德島縣進行了試驗性設置。採用發光二極體的信號燈由於不發光時無色，因而可防止誤認。

　　要想採用GaN材料製造出藍色半導體鐳射器，存在著2個難題。第一個難題是，需要實現半導體鐳射器所需的能帶間發光 注5）。在夾持InGaN的能隙的情況下，可通過能帶間發光得到藍色。通過進一步夾持能隙，還可實現綠色發光二極體以及半導體鐳射器 注6）。
注5）現在生產的發光二極體如果進行能帶間發光，則會發出紫外線光，因此，此前一直是通過將發光中心導入發光層，借此實現藍色發光。然而，用這種方法製造不出半導體鐳射器。不過，如果能增加發光層InGaN的In濃度，並夾持InGaN的能隙的話，則可通過能帶間發光得到藍色。如果能進一步提高In濃度，則可相應地夾持能隙，從而實現藍綠色及綠色發光二極體以及半導體鐳射器。
注6）在InGaN中，通過改變In與Ga的比率，能夠改變能隙。如果逐漸增加Ga，能隙可擴大到最大6.3eV，相反如果逐漸增加In，能隙可縮小到最小2.0eV。通過這樣改變能隙，在紅色直到紫外線的波長範圍內，可製作出任意光色的發光二極體。不過，越是增加In，則製作結晶性較好的InGaN膜將變得越困難。
　　另一個難題是，在GaN材料上製作出鐳射器振盪所必需的構造。目前的半導體鐳射器採用以鏡面覆蓋雙異質結構發光二極體的發光層的構造，借此將光封閉在內，使光發生共振。結晶膜的劈開面*被作為鏡面使用。但是，GaN無法劈開。必需用其他手段製作共振面。
*劈開面＝晶體在某個特定方向上容易裂開並形成的平滑面。製作這種劈開面，稱為劈開。切斷半導體單晶等材料時，會利用劈開的方法。不過，根據晶體的種類，有容易劈開的以及不能劈開的之分。
　　能帶間發光有望得到實現。比目前的藍色發光二極體亮度更高的藍色發光二極體以及綠色發光二極體，在不久的將來都會製造出來。
　　在剩餘的難題——共振面方面，目前正在加快完善採用蝕刻法形成共振面的技術。中村充滿自信地表示1995年年內成功實現室溫振盪發光。
周圍的人終於理解自己了
　　所有的事情都在順利進行。在不被學會承認的情況下，中村堅信能夠成功，因而一門心思地搞研究。其付出的辛苦結出了碩果。自此開始，局面完全改變。學會請他去發表演講的邀請函接連不斷。他的生活從終日躲在研究室裏，變成了飛來飛去發表演講。
　　研究的環境也大為改觀。此前是孤獨一人開展研究，如今研究員已增加到5人。中村開始主動在工作內容中增加管理工作的比重。雖然他嘴上說“因為我是凡事親力親為的性格，所以還有點寂寞”，但看到已能獨當一面的年輕技術人員的成長，中村還是滿意地瞇起了雙眼。
　　“不過變化最大的，是得到了周圍人的承認吧。過去儘管發光二極體製成了，並且發出了光，但周圍的人還是不相信你。又在浪費錢，真的成功了嗎，真的能賺錢嗎，這麼說的比比皆是。現在這種狀況改變了。大家對我開始尊敬起來”。這樣說著，中村不好意思地笑了。