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蓝光LED的诞生之路成就了诺贝尔物理学奖,也成了专利史上的著名案件

1973年4月,本文的主人公,19岁的中村修二进入位于四国岛的德岛大学,成为一名电子工程系的本科生。中村修二大学毕业以后,继续留在德岛大学攻读硕士研究生。他的导师名叫多田修,多田修的实验室主要从事半导性钛酸钡的物理性质研究,中村修二在实验室里工作,积累了一些半导体制备的知识,这为他日后获得诺奖打下了一定的基础。

硕士毕业以后,中村修二进入了大学附近的一家乡镇企业——日亚化学工业公司上班。

这是1979年的春天,LED产业开始迅猛发展。LED是一种半导体发光的器件,在物理学上称为固体发光技术(solid state light)。日光灯内充的是气体,所以日光灯这样的传统光源是气体发光;而半导体发光的技术,则是固体发光。LED为什么能发光呢?简单地说,半导体中的电子与空穴结合在一起时,会发出光子,其情景类似于一块石头(电子)掉到水井(空穴)里,会溅出水花(光子)。

当时,市场上开始出现红、橙、黄、绿等颜色的LED灯。这些LED可以做成五彩斑斓的霓虹灯,装点着城市街道的夜景。除了制作广告牌,LED灯在照明产业也有巨大的潜力。因为LED可以大幅降低照明所需的电量。相同功率的LED灯,所需电能只有白炽灯泡的1/10。

为什么LED那么省电呢?因为LED是冷光源,它不会产生红外线与紫外线这种对照明无用的损耗。另一方面,LED灯的寿命极长,至少可以到达上百万小时,也就是说一盏LED灯可以用392年。所以,无论从节能还是从使用寿命来说,LED灯的市场前景被极度看好。

但是,尽管五颜六色的LED灯已经出现,当时人们却无法制造出白色的LED,因此也就没法用LED灯实现照明。

而归根结底,造不出白色的LED,是因为当时人们无法生产蓝色的LED。要产生白光,有两种方案,一种是蓝色与黄色的组合,另外一种是红色、绿色与蓝色的组合。无论怎么样,这都需要用到蓝光LED。

开发蓝光LED

在日亚化工,中村修二的工作任务就是开发LED。

日亚化工是一家以产品销售拉动增长,而不是以技术推动增长的小公司。日子看起来十分平静,就好像四国岛上的云淡风轻。但是,中村修二内心并不宁静,因为他想干一番大的事业。

一开始,中村修二主要研究磷化镓(GaP)与砷化镓(GaAs)半导体晶体的生长工作。辛苦工作了10年后,他对开发LED的流程与方法已经有了相当的知识与技术积累。

1988年,中村修二已经来公司九年了,他走进公司董事长的办公室,提出了要用氮化镓(GaN)研制蓝光LED——氮化镓这种半导体可以发出蓝光,波长很合适。董事长当即决定资助500万美元的项目经费,进行破釜沉舟式的研发。对于这样一个乡镇企业,500万美元的研发费用无疑是一笔巨款。

可是,怎么样才能做出蓝光LED呢?当时的学术界与工业界都还停留在迷糊的状态。

为了学习开发蓝光LED技术,公司派遣中村修二在1988年到1989年间去美国的佛罗里达大学进修,学习蓝光LED技术所需要的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)结晶技术。当时的中村修二没有发表过论文,所以在美国大学里大家都不把他当研究人员看待,开学术会议也没人通知他去参加。大家只觉得他是一个在实验室打杂的人。

从美国回来后,中村修二学会了MOCVD技术,公司也购买了设备,中村修二开始用MOCVD技术制备氮化镓的LED。

1991年,中村修二制备的氮化镓终于发出了蓝光。不过,光亮度很暗淡,做照明光看起来是没希望了。中村修二继续研究,在1992年研制出了高效率的蓝光LED——这种结构叫做双异质结构,改进了原来的传统PN结构。这意味着日亚化工可以提供高效率的蓝光LED了,这一下子开辟出一片蓝海,日亚化工也迅速占领了蓝光LED的市场,快速扩张为一家大企业。

“工艺大师”

那么,中村修二的贡献到底是什么呢?

简单地说,氮化镓是一种十分难做出来的半导体材料。而中村修二的主要贡献,是提出了生长氮化镓晶体的金属有机物化学气相沉积法。在中村修二之前,半导体蓝光光源薄膜材料的制备工艺一直做不好,而中村修二解决了这个工艺难题。

对于高质量氮化镓薄膜的生长,中村修二改进了MOCVD过程中组分气流进入的方式,他设计了双气流式金属化合物气相外延生长工艺,掌握了批量生产高效率蓝色LED的关键技术。中村修二在普通蓝宝石基片上获得高效率的氮化镓薄膜。

中村修二的另一个贡献是氮化镓空穴导电的调控。

LED发光效率与半导体材料的光学折射率有关。一般的半导体材料折射率接近4,而空气的折射率仅为1。所以,当电子掉进空穴里产生光子后,光线在半导体材料内能顺畅传播,但要想传播到低折射率的空气中,却是非常困难的。

对此,中村修二改进了半导体材料,在氮化镓中掺杂铟氮化镓来实现周期量子阱结构,降低了材料的折射率,大幅提升了亮度。可以做到300流明/瓦特的发光效率,这是日光灯发光效率的4倍。

以上两大贡献,使得中村修二把日亚化工的蓝光LED推向了全世界。

从1991年起,中村修二在日本与美国的学术杂志发表了多篇论文(日亚化工不一定知情),介绍自己研发蓝光LED的过程。正是这些论文,成为了诺贝尔奖委员会授予中村修二诺贝尔物理学奖的重要依据。

中村修二发表的论文之一。在这些论文中,中村修二的工作单位写的是日亚化工研发部。

状告日亚化工

1993年,日亚化工实现了蓝光LED的量产。同时,日亚化工以公司的名义申请了蓝光LED的专利,据此来垄断技术,但只奖励给了专利发明人中村修二2万日元(约合人民币1140元)的奖金。

1999年底,中村修二从日亚化工离职,前往美国加州大学圣芭芭拉分校担任教授。由于拒绝签署“保证3年内不再从事蓝光二极管的基础技术研究”的保证书,在日亚化工工作了20年的中村修二没能拿到离职补偿。

2004年1月,中村修二把日亚化工告上了法庭,要求公司支付蓝光LED的发明补偿金200亿日元(大约11亿人民币)。后来,东京高等法庭组织双方调解,中村修二接受了日亚化工给与的8.4亿日元(约4800万人民币)的补偿。

到了2014年,中村修二因为发明高效率的蓝光LED,获得了诺贝尔物理学奖,彻底震惊了科学界。对于他与日亚化工的官司,因为涉及到的案件标的巨大,已经成为专利史上的著名案件。这个案件引起了很多讨论,涉及到职务发明的发明人应该如何分享经济权益,这不但在日本,而且在中国同样有探讨的意义。

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