葉少偉

編者按：在光學的世界里，每一束光的背后都有一群不懈探索的“追光者”。為記錄國內(nèi)光學人在各自領域發(fā)光發(fā)熱的歷程，我們創(chuàng)建了《追光者》欄目。同時，國際光學史上亦有眾多先驅(qū)，以其卓越的成就推動了整個光學事業(yè)的進步。為此，我們特設《光學先驅(qū)》欄目，旨在讓國內(nèi)同行了解并學習這些國際光學巨匠的科研思維與產(chǎn)業(yè)孵化思路。

網(wǎng)上對因發(fā)明LED而獲得2014年諾貝爾物理學獎的中村修二的故事多有報道，本期我們就來看看另外一位諾獎得主——赤崎勇和他的藍光故事，看他如何突破“不可能”的技術壁壘，點亮人類照明的未來。

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

當赤崎勇教授最終點亮那抹湛藍的光芒，他不僅攻克了一個“世紀難題”，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，也裝進了一片能播放萬千色彩的影院。

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

作為日本名古屋大學的榮譽教授，赤崎勇的科研人生不僅是一段攻克技術難題的傳奇，更是驅(qū)動全球光電產(chǎn)業(yè)升級的重要引擎。他的貢獻讓節(jié)能、高清的光電子應用走進千家萬戶，成為現(xiàn)代信息社會中不可或缺的技術基石。

一、從戰(zhàn)時暗幕到半導體黎明：赤崎勇的學術啟蒙

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“光”最深刻的記憶?！盀楹尾荒苡幸皇?、更持久的光？”這個念頭，在他心中埋下了探索光源的種子。

戰(zhàn)火中求學實屬不易。1945年，他進入德島縣立阿南高等學校。物理老師西田英二用一臺自制礦石收音機，為他推開了半導體世界的大門。多年后，赤崎勇仍清晰記得這段改變?nèi)松膶υ挕！拔魈锢蠋熣f‘半導體是未來的材料’，那聲音像一顆星，在我心里亮了起來?！?/p>

2. 京都學府的學術奠基

1948年，赤崎勇考入京都大學電氣工程學科，這里是當時日本唯一開設“半導體器件”課程的地方。他師從半導體先驅(qū)玉井康夫，秉持“冷門處藏新機”的理念，一頭扎進氧化鋅研究。為測試其高溫穩(wěn)定性，他連續(xù)三夜守在實驗室，最終發(fā)現(xiàn)“氮氣環(huán)境下穩(wěn)定性提升10倍”，為日后研究積累了關鍵經(jīng)驗。

京都大學時期的赤崎博士（圖源：京都大學官方檔案）

博士期間，他深耕化合物半導體晶體生長，于1959年發(fā)表《GaAsP半導體的氣相外延生長工藝》，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完成博士論文《Defect Control in Germanium Single Crystal Growth》，系統(tǒng)研究了半導體晶體生長中的缺陷調(diào)控問題，為后續(xù)氮化鎵晶體研究奠定了理論基礎。這段早期探索讓他敏銳洞察到氮化物半導體的潛力，盡管面臨學界普遍質(zhì)疑與經(jīng)費短缺，他仍毅然轉(zhuǎn)向這片技術“無人區(qū)”，甚至自籌經(jīng)費改裝設備。

1974年，他留校入職，組建起氮化鎵研究團隊，與天野浩等年輕學者一道，在“不可能”的質(zhì)疑聲中，開啟了長達十五年的藍光LED破壁之旅。

二、藍光LED的艱難探索之路

1.三原色拼圖的最后一塊：藍光LED的30年攻堅背景

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，仙童半導體將LED光譜擴展至橙、黃、綠光，可作為光的三原色之一，藍光LED卻成了“卡脖子”的難題——當時即便能產(chǎn)出微弱藍光，亮度、穩(wěn)定性也完全無法滿足商業(yè)需求，被學界斷言“難以在20世紀實現(xiàn)”。

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

2.基礎突破：赤崎勇與天野浩的“冷門堅持”

在多數(shù)研究者轉(zhuǎn)向硒化鋅時，名古屋大學的赤崎勇與其弟子天野浩卻認準了氮化鎵的潛力——雖制備難度大，但化學穩(wěn)定性強，是實現(xiàn)實用化藍光LED的“終極材料”。他們在資源匱乏的條件下，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：緩沖層技術破局

1980年代初，直接在藍寶石襯底上生長的氮化鎵晶體布滿裂紋，根本無法用于器件。1985年，赤崎勇團隊在《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”：先在藍寶石襯底上沉積50-100 nm厚的氮化鋁（AlN）薄膜，利用氮化鋁與氮化鎵、藍寶石的晶格適配性，緩解界面應力，最終生長出無裂紋、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）

當時實驗條件極為簡陋。團隊買不起商用設備，就用煤油噴燈加熱銅絲，繞在啤酒瓶上自制感應線圈；真空泵頻繁泄漏，只能向隔壁實驗室借用，每周都要反復排查故障。但正是這份“不撞南墻不回頭”的堅持，為氮化鎵的實用化奠定了基礎。

（二）p型導電層的制備：電子束激活關鍵一步

半導體器件發(fā)光依賴p-n結(jié)的電子-空穴復合，而氮化鎵的p型摻雜長期受阻——傳統(tǒng)鋅摻雜會形成深能級陷阱，無法有效提供空穴。1989年，赤崎勇團隊改用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），可打破鎂與氫形成的中性復合物（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，導電率達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，讓藍光LED從理論走向?qū)嶒烌炞C。

赤崎勇與天野浩的基礎研究，為藍光LED的商業(yè)化鋪平了道路。1988年，日亞化學的中村修二在二人成果的基礎上，以“逆向思維”和“工藝優(yōu)化”，實現(xiàn)了藍光LED的產(chǎn)業(yè)化突破。1993年，中村修二研制出高亮度藍光LED，1994年日亞化學實現(xiàn)量產(chǎn)，標志著藍光LED正式走進產(chǎn)業(yè)。藍光LED從實驗室突破走向商業(yè)化落地，不僅攻克了技術難關，更給全球照明、顯示等領域帶來了顛覆性變革。

赤崎勇在名古屋大學任教期間，將其研究成果申請為專利，為學校帶來了超14億日元的收益，他個人也斬獲超1億日元發(fā)明獎勵。這種“學界突破-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)化繪制了可復制的藍圖，讓基礎研究的價值在產(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獎，更重塑了人類利用能源的邏輯。正如諾貝爾委員會所言：“白熾燈照亮了20世紀，21世紀的光屬于LED。”這束藍光，是科學獻給人類文明最溫暖且持久的饋贈，它照亮的不僅是黑夜，更是可持續(xù)發(fā)展的未來征程。

三、育人與傳承：“堅持”是最好的教育

赤崎勇的傳奇不僅在于攻克技術難關，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生涯中，他培養(yǎng)了近200名半導體專家，其中12人成為日本、美國、中國頂尖高校的教授，30余人進入日亞化學、松下、英特爾、三星等企業(yè)擔任技術高管，形成了影響力深遠的“赤崎學派”。

他近乎苛刻地要求學生實驗記錄工整如教科書，以此錘煉嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)。這種對細節(jié)的執(zhí)著，讓弟子天野浩等人在遭遇連續(xù)數(shù)月失敗時仍能堅持，最終共同問鼎諾貝爾獎。

此外，赤崎勇堅信“科學無國界”。他晚年多次來華講學，向清華大學、中國科學院無私分享了關鍵工藝參數(shù)與珍貴的早期實驗數(shù)據(jù)，為中國LED技術打破國外壟斷、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)崛起提供了重要支持，彰顯了其作為科學先驅(qū)的全球視野與傳承精神。

四、結(jié)語：被光銘記的科學豐碑

赤崎勇的科學貢獻贏得了全球?qū)W界的高度認可。他的榮譽軌跡，清晰勾勒出這項突破的深遠價值：從日本應用物理學會獎（1989）、仁科芳雄獎（1998）、京都獎（2009），到榮獲日本最高文化榮譽與文化勛章（2011），其成就一步步從專業(yè)領域走進公眾視野。最終，他與天野浩、中村修二共同榮獲2014年諾貝爾物理學獎，諾貝爾委員會的評價："他們發(fā)明的高亮度藍色LED，帶來了照明領域的根本性轉(zhuǎn)變，讓人類得以擁有更高效、更持久的光源，同時為減少全球能源消耗作出了巨大貢獻"。

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，赤崎勇與世長辭，享年92歲。名古屋大學在悼文中寫道：“他用一生的堅守證明，基礎研究的價值或許不會立竿見影，但終將為人類文明帶來跨越性進步?！盜EEE則評價他為"半導體照明的奠基人，其技術讓'節(jié)能之光'照亮全球"。

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

封面來源：Science Portal

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