独孤求败的中村修二

鲍海飞2014-10-29

随着诺奖在一年一度的秋风中又渐渐冷去的时候，中村修二的故事却依然在我的脑海里萦绕，中村修二的故事还远没有结束。如果说中村修二有所突破的话，还有两件事是应该提到的，而且是最有分量而最容易被人忽略的，一个是有关薄膜外延生长设备，以及多种结构的发光器件制造。在他早期发表的论文中，有几篇很值得一看，其中有两篇虽然看似只有几页纸头，还有很多相似之处，但恐怕是中村修二在走出国门前最有创意的实验研究，其中涉及到他的实验设备和实验方法，所谓独门秘器，相信这一定是他苦心经营、独具匠心的结果。这两篇文章是（JJAP，V30,N10A, Oct,1991,pp. L 1705-L1707,GaN growth using GaN buffer layer），以及（APL,58(18)6May1991,pp2021-2023，Novel metalorganic chemical vapor deposition system for GaN growth）。

常规的MOCVD薄膜外延技术，是将衬底以一定角度放置在平行的炉管中，炉管加热，然后利用载气（carrier gas）氢气或者氮气携带被沉积的金属复合物等组份沉积到衬底上，改变进气通道，就可以改变不同材料的生长。中村修二别出心裁地提出了双气流（two-flow MOCVD）的外延生长方法。之所以提出这样的方法，是因为常规的GaN薄膜制备很难，其中一个原因是由于GaN与衬底的晶格常数有较大的失配，不能在衬底上生长出连续匀整的镜面般的薄膜。因此，不能靠调节温度等参数来实现品质良好的薄膜制备。

在双气流生长法中，主载气气流携带着反应的气相物质，从石英喷嘴以较高的速度出来，水平与衬底方向。而另一个子气流，携带着惰性的气体垂直于衬底方向，从而改变主载气流的方向，使反应气体与衬底接触。子气流非常重要，没有子气流，就得不到表面均匀连续的薄膜，而只能生长出岛状的薄膜。子气流由氢气和氮气组成，在蓝宝石衬底上、在环境压力下进行薄膜生长。

（A novel MOCVD reactor, which is shown in Fig. 1, was developed for the GaN growth. It has two different gas flows. One is the main flow which carries the reactant gas parallel to the substrate with a high velocity through the quartz nozzle.  Another flow is the subflow which transports the inactive gas perpendicular to the substrate for the purpose of changing the direction of the main flow to bring the reactant gas into contact with the substrate. This subflow is very important. Without the subflow, a continuous film was not obtained and only few island growths were obtained on the substrate. The mixed gas of H, and N, was used as the subflow. We call this system a two-flow MOCVD(TF-MOCVD). The growth of GaN film was operated at  atmospheric  pressure. Sapphire with (0001) orientation (C face) was used as a substrate. Trinethylgallium (TMG) and ammonia (NH3) were used as Ga and N sources, respectively. ）

 

在双气流法中，反应气体流与衬底平行，这样，GaN的横向生长速率比常规的气体垂直于或者斜入射到衬底上的MOCVD系统要快很多。这样获得了连续均匀的薄膜，晶体质量有很大提高。

（In the TF-MOCVD system, the reactant gas flows parallel to the substrate. Thus, the lateral growth rate in the GaN growth by this system is larger in comparison with that by the conventional MOCVD system in which the reactant gas flows perpendicular or diagonally to the substrate. A continuous film is easily obtained by the present method. Also the crystal quality of the GaN film is improved.）

 

因此，在GaN薄膜制备上，中村修二极大地开动了脑筋，极大地发挥了主观能动性和创造性。双气流法的外延技术，这不能不说是中村修二在MOCVD设备技术上的一个重要突破，至少在实现蓝光二极管等器件中具有重要作用。

 

在制造了该设备后，中村修二如鱼得水，设备毕竟是亲生的，自己熟悉秉性，想怎么用就怎么用。他利用了该设备开创性地制备了一种又一种的半导体结构，解决了一个又一个的问题，创造了一个又一个的奇迹。所谓另辟蹊径，别开天地，最重要的是学以致用！在文献（InGaN-Based Blue/Green LEDs and Laser Diodes，Adv. Mater. 1996.8, No. 8，--689-692 ）的前言中，就有描述：

 

1994年，（他）制备出了第一个可商用具有1cd（光照明单位）的第一个高亮度的InGaN/AlGaN双异质结构蓝光二极管；并且同样制作出了具有10cd商用的高亮度单量子阱蓝光、绿光、黄光的InGaN发光二极管。最后，在1996年，又成功展示了在通常半导体激光器中具有最短辐射波长（390-440nm）的多量子阱式紫光InGaN激光管。

（In 1994 the first high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure (DH) blue LEDs with a luminous intensity of 1 cd were commercialized. Also, high brightness  single- quantum-well structure (SQW) blue, green and yellow InGaN LEDs with a  luminous intensity above 10 cd have been achieved and commercialized.[61 Finally,  violet InGaN multi-quantum-well (MQW) structure LDs, which have the shortest emission wavelength (390-440 nm) among the conventional semiconductor LDs, were demonstrated in 1996。]

中村修二在短短的几年时间，为了提高二极管、激光管的发光效率和寿命，在制造技术上，不断将理论践行并在实验上得到实施和突破。从pn结结构开始制造，到双异质结构的制造，再到单量子阱、以及多量子阱的多层结构技术实施中，不断实现了多种颜色的光并极大地提高了发光效率和器件的寿命等，从脉冲工作到连续工作的二极管、激光器的实现等，这些都标志着中村修二将半导体理论成功地运用到实践中去，并使多层薄膜制造技术的路线成功实施并得到不断提升。由此看来，中村修二是一个匠心独运的研究人员，具有扎实和充分的物理功底，能够将所学到的物理知识牢牢地运用到实际工作中。

 

翻阅一下历史，或许会让我们有所领悟，毕竟要以史为鉴，由此可以看到差距。薄膜制备技术由来已久，尤其是多层薄膜制备技术，因为要涉及到薄膜之间的粘附问题、应力问题、导热、导电和耐摩擦腐蚀问题等，至于半导体薄膜，更因为涉及到薄膜间晶格匹配、发光效率和电极接触等问题，因此，要采用多层薄膜制备技术。1970年，美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，即交替周期性地生长两种晶格匹配很好的材料，每层材料的厚度在100nm以下，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件，该设想两年以后在分子式外延设备上得以实现。与之相关的两个概念是量子阱和多量子阱。量子阱是指由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱，其最基本特征是，载流子波函数在一维方向上的局域化。多量子阱的概念，是指由两种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱（背景资料基本来源于百度）。之所以提此，是因为利用量子阱、超晶格等结构可以制造出性能优异的发光器件，而中村修二在90年代前后一步一步成功地将这些概念运用到发光器件的制造中。

从1970年到1990年，这整整20年的时间，薄膜外延制造技术，如分子束外延、液相外延和金属有机化学气相沉积技术突飞猛进。历史资料显示，1968年左右，在North American Rockwell，当时认识到液相外延技术的缺点和局限性，H.M.Manasevit先生开创性地研究了复合物半导体材料和器件的金属有机化学气相沉积过程技术，当时叫OMCVD（organometallic chemical vapor deposition），现在叫MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)技术。80年代，MOCVD技术是对中国封锁的。1986年，在中国科学院上海冶金所（现上海微系统所），彭瑞武先生制造了第一台真正的MOCVD设备；再后来，由于我们也有了自己的技术，终于打破了封锁，当时半导体所引进了第一台瑞典制造的MOCVD设备。

在八十、九十年代的时候，在我们还徜徉在书本里面疑惑并伴着愉悦欣赏的外延技术的时候，在我们还觉得那些量子阱和超晶格好奇和神秘的时候，甚至在还不知道这些技术将来有什么用途的时候，在我们还在炒着、玩着这些概念的时候，显然西方的薄膜制造技术和理念已经远远地走在前面了。他们已经成熟地将这些概念运用到实际的生产研究中去了，而不是将一个又一个的概念翻来覆去地进行炒作。另一方面，在我们大量购置设备的时候，他们就在开发和研制着自己的设备。因此，差距是显而易见的。

试想，如果没有底层的研发，哪里能够发掘出真正的创造呢？所有的一切研究不都是空中楼阁吗？又如何能够在理论和实验上有所提升和突破？所有的研究只能跟着人家屁股后面跑，人家做什么，我们就只能做什么！这从一个方面来说，是我们没有目的性和长久的眼光性；从另一个方面来说，更我们没有刨根问底、深入研究和探索的内在动力，很多工作都是为了完成一个任务而已，只是一个好奇而已，只是一个摆设而已。或许，我们过多地背负着任务的重担和压力，以及患得患失的境遇，而忘记了在探索中获得发现的乐趣，而忘记了在探索中去获得创造的愉悦。说白了，又有多少人愿意从低端、从底层干起，那些工作费力又不讨好。不过，话又说回来，在某些技术方面的落后，其实并不可怕，可怕的是从此没有了信心，没有了信念，没有了执着的干劲和方向。

 

还有一件值得提及的事情，一个研究生出身的中村刚到日亚的时候，可谓是单枪匹马、白手起家，在那里他没有老师的指导，也没有其他人可以共同探讨。但是，他能够把所学的东西用到他要研究的课题上。他敢于打破常规、改造设备，能够在理解中运用，在运用中理解和创造。我想这应该源于他在大学期间或在研究生期间的学习和实践有主要关系。此外，他之所以能够成功，也是源于他对微纳物理机制的理解、认识和自信，以及很强的动手能力有关。有的文章说，日本理工科的学生毕业后都喜欢摆弄机器，这恰与我们的学生形成鲜明的对比。看来，社会文化环境和氛围是会带来人观念上和社会意识形态上的天壤之别，从而导致人们价值观的巨大差异。但是另一方面，按照中村的说法，这里（日亚）绝不是个好地方，没有提升的空间，也缺少人文关怀，更缺少公平合理，因此，他最后选择了愤然离去。由此，我想到的是，肥沃的土地上固然能够孕育参天大树，贫瘠的土地上也依然能够孕育参天大树。这与个人的修行和历练是分不开的。有人说他‘二’，我觉得这个词用得很不好，应该说他骨子里有一股倔强和不服输的性格。中村在探寻中找寻到了自己并创造了自己。

 

回过头来，在某些方面，我们之所以没有突破，其中的一个深层次原因，是对技术不够重视，对前景没有把握。理论是用来炫耀的，技术是用来玩弄的。修理机器、拆拆装装，我们感觉这不是体面的工作，蓝领如何比得上白领。这就是社会价值观的取向问题。就像以前重文轻农、重农轻商一样，如今人们更多地也是重文轻理，或者重理轻技、或者重上轻下、或者重外轻内…….难以言尽。我们经常看不起一点点小小的技术改进，但是就是一点点小小的技术改进或许就有可能在微观尺度上带来一个极大的变化，比如，中村所创造的双气流薄膜外延法。中村修二让我们看到的是一个不断摸索和创造的例子，蓝光半导体发光管成就了他人生的标签。中村不是一个墨守成规的人，而是不拘一格、突破创新，具有创造和改造的精神。更主要地是，他是一个不吃现成饭的人！因为，他没有现成的饭可吃，一切都要由自己动手。因此，建议我们的学生在校期间，在研究生期间，要多多培养动手能力，而且要敢于动手，多锻炼实习，同时要不断从最新的文献中开阔视野，发掘财富，培养探索的精神和信心。还有一点，动手之前一定要好好动动脑。

 

在我们狂热的比设备、拼资源的时候，人力的比拼才是最重要的。而人力比的是什么？是一个人创造性的思想。当有了灵动的思想，活跃的思维，我们才能建造属于自己的设备，制造自己的器件，才能战胜一个又一个的困难。

中村修二的传奇故事，这远不是结尾，在凝聚态物理的研究与探索的大路上，在诺奖的道路上，这只是刚刚的开始。

原来的标题是《匠心独运的中村修二》，后改为《远没有结束的中村修二故事》，但觉得不够有趣，于是就来个《独孤求败的中村修二》，以此激励后来者奋进。

 

 

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