個人興趣與社會需求共同驅(qū)動型科技突破

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

關(guān)鍵詞：赤崎勇；藍色發(fā)光二極管；諾貝爾物理學獎；研究開發(fā)；科技突破

中圖分類號：G305；N09 文獻編碼：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)。諾貝爾獎級科技突破的取得無疑具有一定的典型性。因此，我們有必要對諾貝爾獎獲得者取得重大科技突破的具體過程展開深入的考察，以期能為我國科技政策的制定提供一些有益的借鑒。

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

以下，筆者擬以赤崎勇為重點，全面梳理赤崎勇和天野浩師生二人取得諾貝爾獎級重大科技突破的來龍去脈，并在此基礎(chǔ)上針對若干科技創(chuàng)新管理問題談些粗淺的看法。之所以選取赤崎勇作為重點考察對象，主要是因為他寫過一本自述，披露了很多有關(guān)藍色發(fā)光二極管（LED）的研制逸事[1]，而且與赤崎勇同時獲獎的中村修二早年寫過多篇有關(guān)藍色LED的研究述評[2][3]，中村修二在日亞化學公司工作時的上司小山稔也寫過一本與藍色LED的開發(fā)有關(guān)的書籍[4]，加上諾貝爾獎委員會公布的一些資料[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年研制藍色LED取得突破的具體過程。

1 早期的學習研究經(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)學校，主要靠經(jīng)營佛具店維持家計。他的哥哥畢業(yè)于九州大學，先后擔任九州大學綜合理工學院院長，福岡工業(yè)大學校長。受比他大兩歲的哥哥的影響，赤崎勇兒時頗愛讀書學習。但由于日本先后發(fā)動了侵華戰(zhàn)爭和太平洋戰(zhàn)爭，致使其小學時代和初中時代都在動蕩中度過。上初中時，除需要接受高強度的軍事訓練之外，他還要經(jīng)常去參加軍工廠和農(nóng)忙季節(jié)的勞動。戰(zhàn)敗前的兩年里，他和2008年的諾貝爾化學獎獲得者下村修（1928-）[7]一樣，白天幾乎都沒有上過課，不是去海軍航空隊參加飛機掩體的建造勞動，就是去海軍工廠去當學徒工，跟班勞動。1946年，赤崎勇考入鹿兒島的“七高”，但和他一起學習的大多是比他年長兩到三歲的原軍校預科生和從其它地方轉(zhuǎn)學過來的插班生。

1949年，赤崎勇考入京都大學理學院。這一年，該院教授湯川秀樹榮獲諾貝爾物理學獎，極大地提振了日本人從事科學研究的信心。大學期間，赤崎師從著名的分析化學家石橋雅義教授。除化學系課程外，他還選修了不少物理系和工學院的課程。當時，他最感興趣的課程是長得非常像愛因斯坦的荒勝文策教授開的《物理學通論》，特別是荒勝說的“既存在先提出理論，然后再用實驗進行驗證的情形；又存在先有實驗結(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學業(yè)，入職神戶工業(yè)公司。神戶工業(yè)公司非常重視科學研究，以致被人們戲稱為“神戶工業(yè)大學”。當時，江崎玲于奈（1973年的諾貝爾物理學獎獲得者）、佐佐木正（夏普公司副社長）也在這家公司從事科研工作。在神戶工業(yè)，赤崎主要做了兩項研究工作，一是弄清美國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)；二是開發(fā)使用熒光材料檢測核輻射強度技術(shù)，以滿足市場上日益增長的放射線檢測需求。盡管將半導體硫化鋅均勻地涂成只有幾微米厚的熒光薄膜非常費力，但赤崎還是成功地掌握了這項關(guān)鍵技術(shù)，并因此和冷光結(jié)下了不解之緣。在研制放射線檢測器過程中，也需要將熒光材料制成只有幾微米厚的結(jié)晶層，然后再測試其輻射反應(yīng)值。由于多晶體對輻射的反應(yīng)值差異很大，故赤崎很早就體會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)入名古屋大學工學院新成立的電子工程系半導體工程研究室。有住擔任教授，赤崎擔任助教。在名古屋大學期間，赤崎除協(xié)助有住指導半導體專業(yè)的研究生開展實驗研究外，還自主開展了鍺的單結(jié)晶研究。當時，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散法進行摻雜，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題，赤崎決定使用氣相外延生長法制備鍺的單結(jié)晶。當他好不容易使用氣相外延生長法在基板上沉積出鍺的單晶體時，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掌握了半導體薄膜氣相外延生長法的日本學者，而且他還因這項研究于1964年在職獲得了名古屋大學的工學博士學位。

2 迷上化合物半導體結(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。受松下幸之助會長之托在日本各地物色合適人選的東京研究所所長、原東北大學電子工學教授小池勇二郎相中了剛剛升任名古屋大學副教授的赤崎勇。在小池的盛情邀請下，赤崎于1964年4月轉(zhuǎn)赴松下電器東京研究所擔任第四基礎(chǔ)研究室主任。當時該所設(shè)立了八個研究室，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)化合物半導體，而不是像鍺和硅這樣的元素半導體。

赤崎勇最初選擇的化合物半導體是“魔法水晶”砷化鎵。使用自制實驗裝置，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)與人們此前對砷化鎵性質(zhì)的認識有著非常大的差異。這一發(fā)現(xiàn)使赤崎深深地意識到，半導體結(jié)晶的性質(zhì)會隨著純度的提升和缺陷的減少發(fā)生急劇變化。1968年參加莫斯科半導體國際會議時，赤崎公開發(fā)表了此項研究成果，并受到了與會者的好評。此后，英國皇家雷達研究所（RRE）的希爾蘇姆（Cyril Hilsum）等國際化合物半導體研究權(quán)威還特地訪問了他的實驗室。

1962年，先后兩度獲得諾貝爾物理學獎的巴丁（John Bardeen）的學生、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光發(fā)光二極管研究熱。在化合物半導體研究領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗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。該項技術(shù)被應(yīng)用于警用無線對講機，使松下電器贏得了首個政府采購訂單。之后，赤崎團隊又乘勝追擊，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警裝置和火災(zāi)報警裝置，使松下電器成了這個領(lǐng)域的領(lǐng)導企業(yè)。

1960年代后期，赤崎團隊還嘗試著使用一些新方法對其它化合物半導體展開了研究。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，卻因晶體缺陷過多根本無法用于制作二極管。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。雖然這些研究并沒有都達到預期目標，但卻為后來的藍色LED研究積累了不少有益的經(jīng)驗。

1969年，美國RCA公司的研究組使用氫化物氣相外延生長（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-半導體）型藍色LED。由于這種非p-n結(jié)型二極管的發(fā)光效率太低，故無法滿足實用要求。之后，眾多學者把目光紛紛投向了高亮度藍色LED。不過，那時學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，因為氮化鎵的能隙比較大，電子與空穴復合時發(fā)出明亮藍光的可能性更大；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（MBE）法，這種方法是其在研制砷化鎵結(jié)晶時摸索出來的?？墒?，不管他如何努力，在藍寶石基板上沉積出的氮化鎵結(jié)晶都會有裂紋，而且表面粗糙、顏色不純。不斷試錯后，1974年初赤崎終于使用MBE法制成了氮化鎵單晶體，但他當時并沒有對外公開，只是向日本通商產(chǎn)業(yè)省進行了匯報。

1975年，日本通商產(chǎn)業(yè)省成立了藍色發(fā)光元件委員會，并啟動了一個為期三年的官產(chǎn)學協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟項目：“關(guān)于開發(fā)藍色發(fā)光元件的應(yīng)用研究”。赤崎勇成了這個項目中的重要成員之一。但在此后的三年里，赤崎團隊并未能使用自制的氮化鎵結(jié)晶制成p-n結(jié)型藍色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。當年相中赤崎的小池勇二郎也于1977年過世。由于實用化前景不明朗，赤崎勇的氮化鎵結(jié)晶研究遇到了前所未有的阻力。當時，日本政府正在籌組“光學測控系統(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)任名古屋大學工學院電子工程學系教授，時年51歲。

3 制備氮化鎵單晶體取得突破

名古屋大學素以堅持學術(shù)自由而著稱，為支持赤崎勇開展化合物半導體研究，專門為其建造了一間無塵實驗室。在日本的大學普遍都還沒有無塵實驗室的時代，名古屋大學能夠如此禮遇赤崎實屬不易。此后，為回報名古屋大學，赤崎將自己的研究室建設(shè)成了一座“不夜城”。

當時，盡管有不少學者用實驗數(shù)據(jù)否定了制作氮化鎵藍色LED的可能性，但是，赤崎勇認為，這些學者給出的數(shù)據(jù)并不一定可靠，因為使用不同純度的半導體材料，得出的數(shù)據(jù)會存在明顯差異。因此，他決定繼續(xù)使用氮化鎵研制藍色LED，哪怕變成了沙漠上的獨行者也在所不辭。不過，他放棄了被實踐證明難以行得通的HVPE法和MBE法，改用1971年曾被其他學者一度試用過但沒有成功的金屬有機化合物氣相外延生長（MOVPE）法。

使用MOVPE法研制氮化鎵結(jié)晶不能沒有MOVPE裝置。今天，MOVPE裝置已成了半導體研究實驗室的標準配置，制造MOVPE裝置也儼然成了一大產(chǎn)業(yè)。但在1980年代初期，MOVPE裝置根本就無處可買。因此，赤崎勇只能將從松下技研帶過來的實驗裝置作為基礎(chǔ)，把其他教授棄用的舊實驗儀器上還能使用的元器件一一拆下，并用科研經(jīng)費新購部分元器件自行拼裝MOVPE裝置。盡管自行搭建實驗裝置非常辛苦，也很耗時，但這樣畢竟可以搶在眾多學者之前開展MOVPE法氮化鎵結(jié)晶研究。

在名古屋大學使用MOVPE法試制氮化鎵單晶體之初，赤崎勇像過去一樣將藍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)。由于藍寶石基板的溫度高達攝氏1千度，致使底部的氣體受熱上竄，形成對流，氮化鎵分子無法沉積到基板上。反復改進后，仍不見好轉(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)用物理學會年會上公開發(fā)表了這一研究成果。

實際上，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為，晶格變形主要是因為藍寶石基板的原子間隔與氮化鎵的原子間隔相差過大，也即晶格失配造成的。由于必須承受攝氏1千多度的高溫，故只能選用藍寶石基板。在藍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題？赤崎突然想起，自己在松下技研開發(fā)紅色激光用半導體材料期間，曾給基板做過一個超薄緩沖層，它可以有效減緩應(yīng)力變形。盡管當時采用的是液相外延生長法，而不是氣相外延生長法，但不妨一試。于是，他把這種想法告訴了1983年考入自己實驗室的研究生天野浩。

赤崎勇對照元素周期表琢磨一段時間后認為，碳化硅、氧化鋅、氮化鎵和氮化鋁四種材料比較適合做藍寶石基板的緩沖層。由于逐個嘗試非常耗時，于是他將前兩種材料的實驗拜托給了自己過去的學生和同事。不過，實驗結(jié)果都沒有達到預期目標。于是，赤崎決定再用氮化鋁試一試，因為他在松下技研工作時曾接觸過這種材料，對其性質(zhì)比較熟悉。這項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間的氮化鋁緩沖層實驗后，依然沒有取得成功。一天，他在做實驗時，可能是由于使用的次數(shù)太多，實驗裝置出現(xiàn)了故障，致使沉積爐內(nèi)溫度上不去，當他取出藍寶石基板時，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，實驗意外地獲得了成功。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)名公開發(fā)表了相關(guān)研究成果[8]。名古屋大學同年也為氮化鋁緩沖層制作技術(shù)申請了專利。不過，用氮化鎵制作同質(zhì)緩沖層一事，赤崎當時沒有給予高度重視，只交給一名碩士生來完成，以致沒能取得突破。而這次與赤崎、天野一起獲得諾貝爾物理學獎的中村修二1991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 成功研制高效藍色LED

研制出高質(zhì)量的氮化鎵單晶體后，接下來的難題就是，如何摻雜使其變成P型半導體？因為高亮度藍色LED需要一個由P型半導體和N型半導體結(jié)合而成的p-n結(jié)來實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。氮化鎵的N型結(jié)晶并不難制備。因為使用氮化鋁低溫緩沖層技術(shù)制成的氮化鎵結(jié)晶中不可避免地會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，當時不論如何摻雜都無法制成P型半導體，以致氮化鎵不適合制作P型結(jié)晶成了定論。但對赤崎勇來講，如果無法研制出氮化鎵的P型結(jié)晶，就無法實現(xiàn)用氮化鎵p-n結(jié)制作高亮度藍色LED的既定目標。自己為制備高質(zhì)量的氮化鎵單晶體已經(jīng)耗費掉了12年的時光，如果現(xiàn)在知難而退，無異于前功盡棄，因此縱使是面臨深淵，也只能義無反顧地往前走了。

氮化鎵分子中的鎵原子是正三價，氮原子是負五價，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原子替換掉正三價原子鎵；二是用少量的負六價原子替換掉負五價原子氮。由于前者通常比后者更易操作，故赤崎在給氮化鎵結(jié)晶摻雜時最初選用的是正二價的鋅。在赤崎的指導下，天野浩給氮化鎵結(jié)晶摻鋅很快就取得了成功，初步檢測表明，這種晶體符合P型半導體的基本特征。但對其進行霍爾效應(yīng)檢測后確認，它并非P型半導體。雖然沒有制成氮化鎵的P型結(jié)晶，但天野非常偶然地發(fā)現(xiàn)，使用掃描電鏡觀測氮化鎵的摻鋅結(jié)晶時，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）予以公開發(fā)表。這項意外的發(fā)現(xiàn)為后來的氮化鎵P型結(jié)晶研究奠定了非常重要的基礎(chǔ)。

在對為什么給氮化鎵摻鋅無法獲得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題進行一個多月的分析思考后，赤崎和天野決定用鎂代替鋅試一試。因為他們在分析摻鋅失敗的原因時，發(fā)現(xiàn)1971年的一項研究提到，鎂與鎵的電負性差值比鋅與鎵的還要小。問題是使用MOVPE法制作氮化鎵結(jié)晶時無法直接摻鎂，必須將鎂氣化。這樣就需要進口高純度的有機鎂化合物。盡管進口量很少，但仍耗費了8個月的時間。1988年底，收到材料后，赤崎指導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，赤崎團隊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。這令赤崎團隊興奮不已。之后的霍爾效應(yīng)檢測結(jié)果表明，這種使用有機鎂化合物制成的氮化鎵摻鎂結(jié)晶確實是P型結(jié)晶。此項成果1989年12月在日本應(yīng)用物理學會的歐文雜志上發(fā)表后[10]，引起了國際學術(shù)界的廣泛關(guān)注。

制作高亮度p-n結(jié)型藍色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，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)過不斷探索，赤崎團隊于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，赤崎團隊又一鼓作氣地于1989年底研制出世界上第一個高亮度氮化鎵PN結(jié)型藍色LED。此時，赤崎已年逾花甲。

1990年，赤崎勇又開始向氮化鎵藍色激光二極管發(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，為氮化鎵藍色激光二極管的研制排除了一個重要的障礙。藍色激光二極管的開發(fā)后來主要是由時任日亞化學公司研究員的中村修二完成的。

1992年，赤崎勇從名古屋大學退休，同時獲聘擔任私立名城大學教授。1989年獲博士學位后一直留在赤崎項目組擔任研究助手的天野浩同年跟隨導師赴名城大學擔任講師，時年32歲。

5 成功要因分析

通過上面的考察可以看出，赤崎勇中小學時代并沒有受到過非常好的教育，大學也只念了三年，博士學位還是在職讀的，而且從未出國進修過，但他卻取得了諾貝爾獎級的重大科技突破，不僅自己摘得了諾貝爾物理學獎桂冠，還親手培養(yǎng)出了一位諾貝爾物理學獎獲得者。因此，稱其為科學大師并不為過。由此看來，杰出科技人才的成長與其早期所受的教育關(guān)系并不是很大。無獨有偶，這次和赤誠勇同時獲得諾貝爾物理學獎的中村修二也只是普通國立大學——德島大學的碩士畢業(yè)生，其博士學位也是后來在職讀的。榮獲2008年諾貝爾化學獎的下村修更加特別，只讀過三年?？?，博士學位則是在名古屋大學進修期間獲得的。因此，我們很難把這些人的成功歸因于早期在學校所受的課程教育。學校教育對杰出人才成長的重要性固然不容低估，但影響杰出人才成長的絕不僅僅是學校教育，畢業(yè)后獲得的機遇和自身的努力有時顯得更為重要。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桂冠與其攻克的高效藍色發(fā)光二極管研制難題具有廣泛應(yīng)用前景和巨大社會需求不無關(guān)系。

1962年底，何倫亞克使用磷砷化鎵研制出紅色LED。這對赤崎勇產(chǎn)生的沖擊可想而知。赤崎于1964年進入松下電器東京研究所擔任第四基礎(chǔ)研究室主任后，迅速決定由元素半導體研究轉(zhuǎn)向化合物半導體研究，與其敏銳地看到了可見光LED的應(yīng)用前景不無關(guān)聯(lián)。1968年，綠色LED也宣告問世；1972年，何倫亞克的學生、孟山都公司的克勞福德（M. George Craford）又研制出了第一個黃光LED，并將紅光LED的亮度提高了10倍。至此，紅、綠、藍三原色中只剩下藍色LED研究尚未取得突破。一旦藍色LED的研究取得重大突破，那么人類便打開了通往全彩LED顯示時代和高效白色照明時代的大門。正是因為有了如此誘人的應(yīng)用前景的導引，赤崎勇等一批科學家才會頑強地向藍色LED發(fā)起沖擊。因為自己的研究深具應(yīng)用價值，且具有巨大社會需求，故即使挑戰(zhàn)失敗，或者只是成了鋪路石，那也是有意義的。

對于任何一個有社會責任感的科學家來講，沒有什么比從事一項極有可能在不久的將來給人類帶來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術(shù)價值和應(yīng)用前景的研究選題。人們常說板凳要坐十年冷，但這樣做需要一個前提，那就是所從事的研究具有重要的學術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用前景。如果所從事的研究沒有太大的學術(shù)價值和應(yīng)用前景，任憑是誰也很難長期堅持，即使能夠長期堅持，也很難做出恩澤后世的杰出科技貢獻。所以，堅持不懈固然重要，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化合物半導體研究抱有濃厚興趣、并堅持不懈地在同一領(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色LED開始算起，至1989年取得突破，赤崎勇在氮化鎵藍色LED研究領(lǐng)域也至少耕耘了16年。實際上，他此前在神戶工業(yè)公司和名古屋大學所做的在基板上生成熒光材料薄膜和元素半導體薄膜之類研究，以及早期在松下電器東京研究所開展的化合物半導體結(jié)晶研究，與氮化鎵藍色LED研究都有著很強的相關(guān)性。如此看來，說赤崎勇為研制藍色LED奮斗了30余年也不為過。僅憑社會需求的引導，很難令一個人矢志不移地在一個稱不上是“富礦”的狹窄領(lǐng)域埋頭苦干數(shù)十年。驅(qū)動赤崎勇在氮化鎵藍色LED研究領(lǐng)域勇往直前的重要力量可以說是興趣。這個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)。那個時候他就產(chǎn)生了制備性能穩(wěn)定的化合物單結(jié)晶的強烈沖動。之后，無論是在松下電器東京研究所，還是在名古屋大學工學院，他的研究基本上都是圍繞著制備發(fā)光用化合物半導體單結(jié)晶展開的。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測控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。

科研興趣是驅(qū)動一個人從事科學研究的重要引擎。形成了強烈的科研興趣，人們才有可能拋開雜念，潛心開展研究。當一個人追名逐利，不愿意對一個有趣的自然現(xiàn)象進行深究時，那他也就失去了在這一領(lǐng)域建功立業(yè)的機會。失敗是成功之母，興趣是成功之父，赤誠勇得以在氮化鎵藍色LED研究領(lǐng)域取得重大突破，無疑是興趣驅(qū)動的結(jié)果。

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

赤崎勇在研制氮化鎵結(jié)晶過程中曾使用過分子束外延生長法和金屬有機化合物氣相外延生長法。這兩種方法都是他自己開發(fā)的，而且試驗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實驗裝置并沒有達到預期目標，但卻制備出了氮化鎵單晶體，從而為躋身政府推進的題為“關(guān)于開發(fā)藍色發(fā)光元件的應(yīng)用研究”的官產(chǎn)學協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟項目奠定了基礎(chǔ)。金屬有機化合物氣相外延生長裝置同樣是自行搭建的，而且還根據(jù)實驗要求進行了多次改進。正是因為使用了這種新型實驗裝置和氮化鋁緩沖層技術(shù)，赤崎勇團隊才于1986年獲得了晶體質(zhì)量高、光學特性好的氮化鎵單結(jié)晶。沒有這項突破，高效藍色發(fā)光二極管也就不可能得以搶在其他團隊之前問世。

在科學日益技術(shù)化的今日，實驗裝置的唯一性和先進性幾乎成了最新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)保證。使用最先進的實驗裝置，即使是一個普通的科研人員，也有可能做出非凡的科學發(fā)現(xiàn)。使用別人已經(jīng)使用過的實驗裝置開展研究，無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)，但是這種概率遠小于先行者。因此，對于從事實驗研究的科研人員來講，沒有什么事比獲得最先進的實驗裝置更令人高興的了。問題是，最先進的實驗裝置靠金錢是很難買得到的，即使買得到，也需要花費很多時間。所以，能否自行搭建出所需的實驗裝置十分重要。

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

幸運女神曾兩度光顧赤崎勇團隊。一次是在天野浩按照導師的意見給藍寶石基板制作氮化鋁緩沖層時，另一次則是在天野浩使用掃描電鏡觀測氮化鎵的摻鋅結(jié)晶時。第一次是因為金屬有機化合物氣相外延生長實驗裝置出現(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，赤崎勇團隊就不可能于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，檢測其物理性質(zhì)時，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，從而為后來的氮化鎵P型結(jié)晶研究奠定了非常重要的基礎(chǔ)。沒有這項意外的發(fā)現(xiàn)，高效藍色LED也就不可能于1989年問世。

兩次意外發(fā)現(xiàn)既成就了天野浩，也成就了赤崎勇。如果沒有這兩次偶然發(fā)現(xiàn)，赤崎勇雖然在化合物半導體研究領(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{色LED。但是反過來，如果不是因為已在化合物半導體研究領(lǐng)域耕耘數(shù)十年，積累了豐富的研究經(jīng)驗，赤崎勇也不會想到用氮化鋁來做緩沖層，也不會那么快就指導天野浩制備出氮化鎵摻鋅結(jié)晶。如此看來，除有必要對大有希望的重要選題進行持續(xù)的高強度的資助之外，還應(yīng)擴大資助范圍，將希望寄托在有可能在大膽探索過程中做出重要科學發(fā)現(xiàn)的年輕人身上。諾貝爾獎級科技突破從來就不是規(guī)劃出來的，但當認真做科學研究的人越來越多時，總會有人取得重大科技突破。

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（責任編輯：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