中村修二认识到,沿着别人的方法,照着已有器件去做,即使做出来也无人问津。他下定决心,一定要靠自己做出独特的器件来。中村修二注意到,当时已经有了红光 LED 和黄光 LED ,如果再有了蓝光 LED ,就能实现白光照明了。1988 年的一天,中村修二去了小川信雄会长的办公室,提出要研究蓝光 LED ,需要 3 亿日元(约 300 万美元)经费,这笔钱占公司年销售额的 2% 。说完,中村修二等着会长的问询。然而,小川信雄只是简单地说了一句:“如果你觉得那是你非常想做的事情,那就去做吧。”
中村修二愣住了,相关人士稍微调查一下就会发现世界上最优秀的大学和研究机构 20 多年来都没有做出蓝光 LED ,而一个只有几百人的乡镇企业却敢去冒险,简直是“癞蛤蟆想吃天鹅肉”。如果是在别的公司,研发蓝光 LED 的提议经过中高层经理层层审议后,最后的结果只能是无疾而终。
中村打算花 2/3 的经费购买制备 LED 所需的设备,主要是一种叫作金属有机化学气相沉积(简称 MOCVD)的晶体生长设备,剩下的钱用于建设超净间以及他个人学习使用 MOCVD 的费用。
带着这股屈辱的感觉,中村修二在佛罗里达州立大学待了一年后回到了日亚化学公司。他发誓自己要做出蓝光 LED ,让那些只看重论文的人目瞪口呆。
他需要做出的第一个决定是采用什么材料来制备蓝光 LED ,是冷门的氮化镓,还是众人趋之若鹜的硒化锌?任何一个进入蓝光 LED 领域的研究者都不难发现,成千上万的人都在研究硒化锌,这是一条安全而保险的研究路径。
实际上早在十多年前,贝尔实验室和美国无线电公司就已经停止研究氮化镓了。1969 年,25 岁的赫伯特·马鲁斯卡(Herbert Maruska)在美国无线电公司第一个成功地使蓝宝石基座上生长出了氮化镓晶体。1971 年,他的同事雅克·潘科夫做出了金属-绝缘体-半导体(简称 MIS)结构的蓝光 LED ,但是它的光很微弱。如果要使 LED 发出更明亮的光,必须采用 PN 结二极管才行。但是 P 型氮化镓极难制备,潘科夫的团队卡在了那里,项目由此被砍掉了。
但是,中村修二偏要用氮化镓。他想起自己在日亚化学公司前 8 年辛辛苦苦地做出红光 LED 来却无人问津,心里暗自较劲,就算用硒化锌做出来蓝光 LED ,又能怎样?还可能因为日亚化学公司不是大公司而被客户拒绝!
有了 P 型半导体,接下来就是最关键的一步,制作出 PN 结,使 LED 发光。1989 年,天野浩和同事一起做了上千次实验。除了新年休息一天外,天野浩其他时间都在做实验。他每天晚上从实验室出来,在星光下骑着小摩托车回宿舍时都在想,也许明天会有不错的结果。
一天,天野浩制作好包含 PN 结的氮化镓晶体,发现通上电流后,晶体发出了一丝微弱的蓝光。这是世界上第一个 PN 结型蓝光 LED !天野浩兴奋地请导师来观看。年近 60 岁的赤崎勇眯起眼来仔细地观察了半天后问,是什么地方发光了?原来,那时他们制作的蓝光 LED 发光效率只有 0.2% 。
1991 年 8 月,中村修二用氮化镓 PN 结做出了一个蓝光 LED ,器件发出了紫蓝色的光,而且很稳定,整个下午都在持续发光。中村修二第二天回到实验室时,它仍然亮着!中村修二兴冲冲地直接去找会长。小川信雄抓起相机,跟着中村修二来到了实验室。“哈,这有什么大不了的?!”小川信雄看到 LED 发出了黯淡的蓝光。中村修二连忙把实验室的所有灯光都关掉,会长仍然摇着头说:“太暗了,这样的产品根本卖不出去。”
没过多久,中村修二得到了一个坏消息:美国的 3M 公司用硒化锌做出了蓝绿色激光器。这意味着他们已经做出了对应的普通 LED ,如此一来,3M 公司的蓝绿光 LED 就可以大规模地应用了。
这次会议也邀请到了名古屋大学的赤崎勇和天野浩。其实就在这次会议召开前几个月,也就是 1991 年 12 月,赤崎勇受邀参加了在美国波士顿举办的材料研究协会会议,那时他的团队做出了较为明亮的蓝光 LED ,但由于还没申请专利,所以他不便在会议上公开演示。在会议间隙,赤崎勇走到蓝光 LED 研究先驱——第一个用金属-绝缘体-半导体结构做出氮化镓蓝光 LED 的马鲁斯卡面前,约定晚上 9 点到酒店房间找他,准备将一样东西展示给他看。
“咚咚咚”——马鲁斯卡听到一阵敲门声后打开了门,赤崎勇站在门口,把一小块电路举到身材高大的马鲁斯卡眼前:“看看这个!”电路发出明亮的蓝光。马鲁斯卡惊讶地叫道:“老天,这蓝光 LED 真是明亮!”“你说得没错。”当马鲁斯卡还想再仔细看一下时,赤崎勇已经收起了他的蓝光 LED ,转身消失在走廊尽头。马鲁斯卡回想着刚才的演示,仿佛做了一场梦!
中村修二鼓起最后的勇气走上了讲台。他说自己研制的氮化镓虽然发出的光很弱,但是能在常温下连续工作 1000 个小时以上。他的演讲收获了比 3M 公司更多的掌声。令中村修二意外的是,听众们纷纷说:“你的 LED 更优秀。”“你的 LED 虽然暗,但寿命长,氮化镓也许能行!”
赤崎勇团队也发布了他们做的蓝光 LED ,此时他们已经在氮化镓领域坚守了近 20 年。自从 1989 年做出第一个发蓝光的氮化镓 LED ,每一年他的团队都会做出比前一年更亮一些的 LED ,这一次他们的蓝光 LED 发光效率达到了 1% 。赤崎勇演讲结束后,中村修二想上前认识一下他。碰巧赤崎勇在跟一位美国同行交谈,于是中村修二耐心地在一旁等待。当机会到来时,中村修二立刻上前,拿出准备好的名片,双手捧上前说:“我叫中村修二。”但是,赤崎勇仍在跟其他人交谈,好像没有听到一样。
1997 年底,中村修二做出了能在室温下连续工作的激光二极管,预期工作寿命达到了 10000 小时。1998 年,中村修二在法国斯特拉斯堡举行的学术会议的主题演讲中断言,蓝光 LED 的研究竞赛已经结束。
一个偶然的机会,中村修二碰到了美国加州大学圣芭芭拉分校研究半导体的史蒂文·丹巴斯(Steven Den Baars)。后者问中村修二:“搞出这么大的发明,你一定成为亿万富翁了吧?”中村修二很尴尬,因为他只从公司得到了 180 美元奖励,仍然是一个普通的上班族。丹巴斯教授惊叹道:“这不就跟奴隶一样吗?!”从此他有了一个绰号——“奴隶中村”。