中村修二（来源：wikipedia）
撰文：张华，来源：环球科学（ID:huanqiukexue）
缺失的蓝光
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。
中村修二入职日亚化工的场景（来源：诺奖官网）
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。
来源：S. Pimputkar et al.， Nature Photonics
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。
蓝光 LED 灯（来源：wikipedia）
“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。
