葉少偉

編者按：在光學(xué)的世界里，每一束光的背后都有一群不懈探索的“追光者”。為記錄國(guó)內(nèi)光學(xué)人在各自領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱的歷程，我們創(chuàng)建了《追光者》欄目。同時(shí)，國(guó)際光學(xué)史上亦有眾多先驅(qū)，以其卓越的成就推動(dòng)了整個(gè)光學(xué)事業(yè)的進(jìn)步。為此，我們特設(shè)《光學(xué)先驅(qū)》欄目，旨在讓國(guó)內(nèi)同行了解并學(xué)習(xí)這些國(guó)際光學(xué)巨匠的科研思維與產(chǎn)業(yè)孵化思路。

網(wǎng)上對(duì)因發(fā)明LED而獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的中村修二的故事多有報(bào)道，本期我們就來(lái)看看另外一位諾獎(jiǎng)得主——赤崎勇和他的藍(lán)光故事，看他如何突破“不可能”的技術(shù)壁壘，點(diǎn)亮人類照明的未來(lái)。

赤崎勇（Isamu Akasaki，1929年1月30日—2021年4月1日）（圖源：京都大學(xué)官方檔案）

當(dāng)赤崎勇教授最終點(diǎn)亮那抹湛藍(lán)的光芒，他不僅攻克了一個(gè)“世紀(jì)難題”，更為全世界的燈光施了一道魔法。從此，屏幕告別了單調(diào)的“紅配綠”，城市的夜晚披上了璀璨的霓裳，我們口袋里，也裝進(jìn)了一片能播放萬(wàn)千色彩的影院。

在光電子技術(shù)的壯闊版圖里，赤崎勇如一把鋒利的鑰匙，開啟了藍(lán)光LED的技術(shù)枷鎖，為全球照明與顯示領(lǐng)域的革命性變革鋪平了道路。他是藍(lán)光LED核心技術(shù)的奠基者，多年潛心于氮化鎵半導(dǎo)體的研究，把實(shí)驗(yàn)室里的突破轉(zhuǎn)化為改變?nèi)祟惿畹恼彰髋c顯示技術(shù)。

作為日本名古屋大學(xué)的榮譽(yù)教授，赤崎勇的科研人生不僅是一段攻克技術(shù)難題的傳奇，更是驅(qū)動(dòng)全球光電產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要引擎。他的貢獻(xiàn)讓節(jié)能、高清的光電子應(yīng)用走進(jìn)千家萬(wàn)戶，成為現(xiàn)代信息社會(huì)中不可或缺的技術(shù)基石。

一、從戰(zhàn)時(shí)暗幕到半導(dǎo)體黎明：赤崎勇的學(xué)術(shù)啟蒙

1. 戰(zhàn)火淬煉的“追光”初心 

1929年，赤崎勇生于日本鹿兒島。他的童年被二戰(zhàn)陰影籠罩，夜間限電與昏暗煤油燈，成為他對(duì)“光”最深刻的記憶?！盀楹尾荒苡幸皇痢⒏志玫墓?？”這個(gè)念頭，在他心中埋下了探索光源的種子。

戰(zhàn)火中求學(xué)實(shí)屬不易。1945年，他進(jìn)入德島縣立阿南高等學(xué)校。物理老師西田英二用一臺(tái)自制礦石收音機(jī)，為他推開了半導(dǎo)體世界的大門。多年后，赤崎勇仍清晰記得這段改變?nèi)松膶?duì)話?！拔魈锢蠋熣f‘半導(dǎo)體是未來(lái)的材料’，那聲音像一顆星，在我心里亮了起來(lái)。”

2. 京都學(xué)府的學(xué)術(shù)奠基

1948年，赤崎勇考入京都大學(xué)電氣工程學(xué)科，這里是當(dāng)時(shí)日本唯一開設(shè)“半導(dǎo)體器件”課程的地方。他師從半導(dǎo)體先驅(qū)玉井康夫，秉持“冷門處藏新機(jī)”的理念，一頭扎進(jìn)氧化鋅研究。為測(cè)試其高溫穩(wěn)定性，他連續(xù)三夜守在實(shí)驗(yàn)室，最終發(fā)現(xiàn)“氮?dú)猸h(huán)境下穩(wěn)定性提升10倍”，為日后研究積累了關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)。

京都大學(xué)時(shí)期的赤崎博士（圖源：京都大學(xué)官方檔案）

博士期間，他深耕化合物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)，于1959年發(fā)表《GaAsP半導(dǎo)體的氣相外延生長(zhǎng)工藝》，首創(chuàng)“低溫外延+摻雜調(diào)控”法，為后續(xù)氮化鎵研究奠定了技術(shù)基石。

3. 氮化鎵征途的孤勇轉(zhuǎn)向

職業(yè)生涯初期，赤崎勇在氧化鋅研究中屢屢受挫。1964年，赤崎勇在名古屋大學(xué)完成博士論文《Defect Control in Germanium Single Crystal Growth》，系統(tǒng)研究了半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)中的缺陷調(diào)控問題，為后續(xù)氮化鎵晶體研究奠定了理論基礎(chǔ)。這段早期探索讓他敏銳洞察到氮化物半導(dǎo)體的潛力，盡管面臨學(xué)界普遍質(zhì)疑與經(jīng)費(fèi)短缺，他仍毅然轉(zhuǎn)向這片技術(shù)“無(wú)人區(qū)”，甚至自籌經(jīng)費(fèi)改裝設(shè)備。

1974年，他留校入職，組建起氮化鎵研究團(tuán)隊(duì)，與天野浩等年輕學(xué)者一道，在“不可能”的質(zhì)疑聲中，開啟了長(zhǎng)達(dá)十五年的藍(lán)光LED破壁之旅。

二、藍(lán)光LED的艱難探索之路

1.三原色拼圖的最后一塊：藍(lán)光LED的30年攻堅(jiān)背景

1962年，尼克·霍爾尼發(fā)明紅光LED，拉開固態(tài)照明的序幕；1970年代，仙童半導(dǎo)體將LED光譜擴(kuò)展至橙、黃、綠光，可作為光的三原色之一，藍(lán)光LED卻成了“卡脖子”的難題——當(dāng)時(shí)即便能產(chǎn)出微弱藍(lán)光，亮度、穩(wěn)定性也完全無(wú)法滿足商業(yè)需求，被學(xué)界斷言“難以在20世紀(jì)實(shí)現(xiàn)”。

核心困境在于材料與工藝：主流研究的硒化鋅（ZnSe）雖易生長(zhǎng)晶體，卻化學(xué)穩(wěn)定性差，無(wú)法長(zhǎng)期使用；而理論上更適配藍(lán)光的氮化鎵（GaN），因晶格失配率（與常用襯底達(dá)13%-20%）、缺陷密度超101?/cm2，且p型導(dǎo)電層制備屢屢失敗，被美國(guó)無(wú)線電公司、貝爾實(shí)驗(yàn)室等判定為“死胡同”。全球頂尖機(jī)構(gòu)與企業(yè)反復(fù)嘗試，卻始終未能突破，這一僵局持續(xù)了近30年。

2.基礎(chǔ)突破：赤崎勇與天野浩的“冷門堅(jiān)持”

在多數(shù)研究者轉(zhuǎn)向硒化鋅時(shí)，名古屋大學(xué)的赤崎勇與其弟子天野浩卻認(rèn)準(zhǔn)了氮化鎵的潛力——雖制備難度大，但化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化藍(lán)光LED的“終極材料”。他們?cè)谫Y源匱乏的條件下，用“土方法”攻克了兩大核心難題：

（一）高質(zhì)量氮化鎵晶體的生長(zhǎng)：緩沖層技術(shù)破局

1980年代初，直接在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的氮化鎵晶體布滿裂紋，根本無(wú)法用于器件。1985年，赤崎勇團(tuán)隊(duì)在《Japanese Journal of Applied Physics》發(fā)表里程碑論文，天野浩創(chuàng)新性提出“低溫緩沖層技術(shù)”：先在藍(lán)寶石襯底上沉積50-100 nm厚的氮化鋁（AlN）薄膜，利用氮化鋁與氮化鎵、藍(lán)寶石的晶格適配性，緩解界面應(yīng)力，最終生長(zhǎng)出無(wú)裂紋、透明的高質(zhì)量晶體，缺陷密度降至10?/cm2以下。

AlN紫外透過率影響LED光效（圖源：漢斯出版社）

當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件極為簡(jiǎn)陋。團(tuán)隊(duì)買不起商用設(shè)備，就用煤油噴燈加熱銅絲，繞在啤酒瓶上自制感應(yīng)線圈；真空泵頻繁泄漏，只能向隔壁實(shí)驗(yàn)室借用，每周都要反復(fù)排查故障。但正是這份“不撞南墻不回頭”的堅(jiān)持，為氮化鎵的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

（二）p型導(dǎo)電層的制備：電子束激活關(guān)鍵一步

半導(dǎo)體器件發(fā)光依賴p-n結(jié)的電子-空穴復(fù)合，而氮化鎵的p型摻雜長(zhǎng)期受阻——傳統(tǒng)鋅摻雜會(huì)形成深能級(jí)陷阱，無(wú)法有效提供空穴。1989年，赤崎勇團(tuán)隊(duì)改用Mg作為摻雜元素，并發(fā)現(xiàn)通過10-20 keV低能電子束照射（LEEBI技術(shù)），可打破鎂與氫形成的中性復(fù)合物（Mg-H），釋放被鈍化的空穴，成功制備出穩(wěn)定的p型氮化鎵層，導(dǎo)電率達(dá)10 S/cm以上。這一突破，首次打通了氮化鎵p-n結(jié)的制備路徑，讓藍(lán)光LED從理論走向?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證。

赤崎勇與天野浩的基礎(chǔ)研究，為藍(lán)光LED的商業(yè)化鋪平了道路。1988年，日亞化學(xué)的中村修二在二人成果的基礎(chǔ)上，以“逆向思維”和“工藝優(yōu)化”，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光LED的產(chǎn)業(yè)化突破。1993年，中村修二研制出高亮度藍(lán)光LED，1994年日亞化學(xué)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，標(biāo)志著藍(lán)光LED正式走進(jìn)產(chǎn)業(yè)。藍(lán)光LED從實(shí)驗(yàn)室突破走向商業(yè)化落地，不僅攻克了技術(shù)難關(guān)，更給全球照明、顯示等領(lǐng)域帶來(lái)了顛覆性變革。

赤崎勇在名古屋大學(xué)任教期間，將其研究成果申請(qǐng)為專利，為學(xué)校帶來(lái)了超14億日元的收益，他個(gè)人也斬獲超1億日元發(fā)明獎(jiǎng)勵(lì)。這種“學(xué)界突破-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化-收益反哺”的閉環(huán)，為全球科研成果商業(yè)化繪制了可復(fù)制的藍(lán)圖，讓基礎(chǔ)研究的價(jià)值在產(chǎn)業(yè)土壤中結(jié)出碩果。

從白熾燈的橘黃暖光到LED的璀璨白光，不僅榮膺諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，更重塑了人類利用能源的邏輯。正如諾貝爾委員會(huì)所言：“白熾燈照亮了20世紀(jì)，21世紀(jì)的光屬于LED?！边@束藍(lán)光，是科學(xué)獻(xiàn)給人類文明最溫暖且持久的饋贈(zèng)，它照亮的不僅是黑夜，更是可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)征程。

三、育人與傳承：“堅(jiān)持”是最好的教育

赤崎勇的傳奇不僅在于攻克技術(shù)難關(guān)，更在于他作為教育家所播下的種子。他秉持“研究如挖井，挖到出水為止”的“挖井式”培養(yǎng)理念，深刻影響了一代科研人才。在其四十余年的教學(xué)生涯中，他培養(yǎng)了近200名半導(dǎo)體專家，其中12人成為日本、美國(guó)、中國(guó)頂尖高校的教授，30余人進(jìn)入日亞化學(xué)、松下、英特爾、三星等企業(yè)擔(dān)任技術(shù)高管，形成了影響力深遠(yuǎn)的“赤崎學(xué)派”。

他近乎苛刻地要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄工整如教科書，以此錘煉嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)。這種對(duì)細(xì)節(jié)的執(zhí)著，讓弟子天野浩等人在遭遇連續(xù)數(shù)月失敗時(shí)仍能堅(jiān)持，最終共同問鼎諾貝爾獎(jiǎng)。

此外，赤崎勇堅(jiān)信“科學(xué)無(wú)國(guó)界”。他晚年多次來(lái)華講學(xué)，向清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院無(wú)私分享了關(guān)鍵工藝參數(shù)與珍貴的早期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為中國(guó)LED技術(shù)打破國(guó)外壟斷、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)崛起提供了重要支持，彰顯了其作為科學(xué)先驅(qū)的全球視野與傳承精神。

四、結(jié)語(yǔ)：被光銘記的科學(xué)豐碑

赤崎勇的科學(xué)貢獻(xiàn)贏得了全球?qū)W界的高度認(rèn)可。他的榮譽(yù)軌跡，清晰勾勒出這項(xiàng)突破的深遠(yuǎn)價(jià)值：從日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)獎(jiǎng)（1989）、仁科芳雄獎(jiǎng)（1998）、京都獎(jiǎng)（2009），到榮獲日本最高文化榮譽(yù)與文化勛章（2011），其成就一步步從專業(yè)領(lǐng)域走進(jìn)公眾視野。最終，他與天野浩、中村修二共同榮獲2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，諾貝爾委員會(huì)的評(píng)價(jià)："他們發(fā)明的高亮度藍(lán)色LED，帶來(lái)了照明領(lǐng)域的根本性轉(zhuǎn)變，讓人類得以擁有更高效、更持久的光源，同時(shí)為減少全球能源消耗作出了巨大貢獻(xiàn)"。

2021年4月1日，赤崎勇在名古屋市逝世，享年92歲（圖源：Nobel Media AB)

2021年4月1日，赤崎勇與世長(zhǎng)辭，享年92歲。名古屋大學(xué)在悼文中寫道：“他用一生的堅(jiān)守證明，基礎(chǔ)研究的價(jià)值或許不會(huì)立竿見影，但終將為人類文明帶來(lái)跨越性進(jìn)步?！盜EEE則評(píng)價(jià)他為"半導(dǎo)體照明的奠基人，其技術(shù)讓'節(jié)能之光'照亮全球"。

如今，我們每一次點(diǎn)亮節(jié)能的LED燈，使用高清的顯示屏，便是在見證這位科學(xué)巨匠留下的遺產(chǎn)。他的故事昭示我們：真正的科學(xué)突破，始于對(duì)“不可能”的質(zhì)疑，成于“不放棄”的堅(jiān)守，最終歸于“利人類”的初心。這束從技術(shù)荒野中升起的藍(lán)光，不僅照亮了我們的黑夜，更將永遠(yuǎn)照亮后世科學(xué)探索的道路。

封面來(lái)源：Science Portal

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