历史回顾：中村开发高亮度蓝光LED全过程（一）

　　日亚在一举成为全球闻名的公司是在1993年底(表1)。这源于该公司开发出了亮度达到1cd的蓝光发光二极管,并成功实施量产。曾一度被公认“要到 21世纪才能实现”的高亮度蓝色发光二极管由此顺利地进入了实用期 注2)。

　　对于日亚的壮举,该领域的技术人员及研究人员与全世界一样感到震惊。而更惊奇的是,实现如此壮举的,并非在该领域长期从事研究的海内外知名大学,也非大型电子厂商,而是一家地方城市的化学厂商。由此,日亚的称呼从“夏季休假的日亚”变成了“蓝光发光二极管的日亚”。

　　为了孩子选择回乡

　　几乎全靠一己之力开发成功高亮度蓝色发光二极管的是当年40岁的研究人员中村修二(图1)。中村1979年从德岛大学研究生院毕业后进入日亚。专业是电子工程学。

　　学生时代,中村当然向往到东京或大阪等大城市工作。但到了毕业参加工作时,中村却已经有了孩子。他在上大学时就结婚了。

　　“单身的话,可以留在城市闯一闯。但有了孩子的话,还是到乡下生活的好。不想因为工作而牺牲家庭”。正是这种想法最终使中村与日亚结下了不解之缘。

　　但并不是说中村就没有犹豫过。实际上,中村也曾到总部位于京都的京瓷面试过。尽管通过了严格的考试,顺利获得了进入京瓷的机会,但结果中村还是放弃了。最后,中村选择留在了当地,也就是妻子娘家的所在地德岛市。

　　日亚是中村的大学导师介绍的。虽然自己的专业是电子工程学,但中村希望从事材料开发工作,因此导师向他推荐了这家公司。不过,当中村来到日亚时却颇感意外。这只是一家员工仅200人的小型化学公司,到处都有一股刺鼻的硫化氢(H2S)的气味 注3)。“这家公司怎么这么脏啊！”,这就是日亚给中村留下的第一印象。

注3)硫化氢的气味类似臭鸡蛋味。

“濒死”的开发课

　　进入日亚后,中村被分到了开发课。进入公司后中村发现,这里的员工全部都是阿南附近的人,像他这样来自德岛的还真少见。而且,中村还是该公司第一个学电子专业的员工。中村感觉公司是考虑到他学的专业与众不同,所以才把他分配到可以做新业务的开发部门的。

　　中村最初负责的开发课题是提炼用于化合物半导体GaP 注4)中的金属Ga材料。虽说是开发课,但其实只是一名课长带着两名开发人员和几个助手的小部门。办公场所是由带屋顶的停车场改造的,只是在四周增加了围墙,十分简陋(图2)。

注4)GaP(磷化镓)是III-V族化合物半导体的一种。属于能带为 2.3eV的间接迁移型。通过电子-空穴的再结合可获得较强的发光现象(主波长为590nm),因此可用作发光二极管的材料。但波长 580nm～590nm的黄色发光二极管用材料目前大多使用可获得高亮度的GaAsP及In-GaAlP等。

图2：开发课原址

　　现在用于对废弃物进行化学处理。气味仍像当年一样刺鼻。在置物架上,中村曾经用过的石英管还放在那里,只是上面布满了灰尘。

图3：中村自制的电炉

　　在开始提炼金属Ga的几个月后,营业部门要求除了金属Ga之外还要制造有望畅销的GaP。当时开发课已经处于垂死状态,甚至开始有传言说“马上就要撤销了”。在这种情况下,恐怕也只有启动这一有望形成赚钱的业务了。公司随即指定中村来负责开发。当时的开发人员有两名。一名继续负责金属Ga的提炼,而另一名,也就是中村,则开始着手开发GaP。

　　表面上听起来这是“为了开拓新业务而进行的开发课题”,但实际情况仍然严峻。因为并没有预算。所以无法购买相关设备。也买不起昂贵的部件。结果,只有完全靠自己来制造有关设备(图3)。

　　黄昏时分的“爆炸惯犯”

　　要使GaP实现结晶生长,需要使用昂贵的石英管。操作时,将石英管的一端封上,在管的两端放置金属Ga和P。然后再封上另一端,对管内进行真空处理。之后加热石英管,内部的材料就会气化,相互反应便可形成GaP。最后割开石英管,将反应生成物取出就能获得GaP。

　　不过,问题是如何处理使用过的石英管。由于石英管价格昂贵,因此不能用完就扔掉。至少在日亚不能这样做。于是,中村决定将切断的石英管重新焊接起来,进行再利用。

　　从那以后中村就开始没完没了地焊接石英管。“我进入公司难道就是为了当一个焊工吗？”,中村不止一次地问自己。而且最头疼的是爆炸事故频频发生。对封有Ga和P的石英管进行高温加热使,管内的压力会上升到20～30个大气压。这时,只要焊接部位有小小的损伤或是强度不足的话,石英管就会破裂。

　　早上将材料封到石英管中。下午开始加热,当温度达到最高时正好是傍晚。爆炸总是发生在要下班的时候。巨大的声响往往传遍整个公司。“又是中村”。员工们一边调侃着,一边赶紧回家。

　　上司不理解

　　而此时此刻,中村在实验室里却正忙着上演一场激烈大战。

　　逐渐习惯事故频发场面的中村制定出了一套自我保护措施,在自己的桌子与紧靠桌子设置的GaP制造设备之间吊起了金属板。这样就不用再担心爆炸时被飞散的石英片打中了。

　　不过,石英管一旦爆炸的话,破裂的石英管碎片就会与加热到高温的P一起飞射出来。P是也可用作火柴材料的可燃物。当然会燃烧。带着火的碎块会向四处飞散。所以中村要追上去一个个将火灭掉。事故频发程度事后让中村回想起来都奇怪“竟然平安无事没有出大事故”。

　　可是长期这样下去的话,身体可吃不消。怀着这种想法,中村与当时的上司谈了多次。只要采用对石英管内部进行高压处理的方法,爆炸事故就不会停止。因此中村想改用在低压也可制造出GaP的方法。但是,公司的想法很顽固：“发生爆炸是焊接得不好,并非方式的问题”,所以没有接受中村的提案。

　　即便如此,开发还是走上了正轨。从1981年开始,中村制造的GaP开始销售。正是由于付出如此之多的努力,当自己制造的产品上市时,中村真是万分感慨。GaP的制造开发总算是成功了。不过,GaP的销售额每月却只有数百万日元。作为一项业务,并不算是太大的成功。中村在1982年结束了开发,制造也交接给了后辈。中村从GaP的开发中完全撤了出来。

　　从这一开发过程中,中村学到的是石英的焊接技术、面对爆炸也毫不畏惧的勇气、以及“不能一味服从公司”这一教训。

　　下一个课题是GaAs结晶生长

　　从1982年起,中村开始着手与GaAs 注5)结晶生长有关的研究课题。这次仍然是营业部门提供的信息：“今后GaAs的增长空间比GaP更大”。由于涉及的是新材料,因此新的开发人员也从其他公司跳槽给挖了过来。中村焕发精神开始开发GaAs的多结晶材料。

注5)在III-V族化合物半导体中,GaAs(砷化鎵)是一种为人所熟知的最普通半导体材料。能带为1.4eV,属于直接迁移型。电子迁移率为8800cm2/Vs,空穴迁移率为420cm2/Vs,远远高于Si,因此适于用作可高速运行的逻辑电路元等使用的材料。另外,由于可通过电子-空穴的再结合获得较强的发光(主波长为850nm),因此还被广泛用作发光二极管及半导体激光器材料。

日亚目前制造的化合物半导体(GaAs,InP)

　　虽说开发的材料变了,但公司内部的开发环境还是一如既往。先要制造设备,其次是要焊接石英管。中村的焊接技术当时已被公认为一把“绝活”,在新的开发中仍然每天都在发挥作用(图4)。不用说,爆炸事故依旧是频繁发生。

图4：中村展示以往的焊接“绝活” 加热石英棒进行焊接。