圖源：Pixabay
撰文｜周 程（北京大學科技哲學與科技史教授）
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導言
2023年7月3日，中國商務部、海關總署發布公告，決定自今年8月1日起對鎵、鍺相關物項實施出口管制。其中與鎵有關的管制物項包括：金屬鎵、氮化鎵、氧化鎵、磷化鎵、砷化鎵、銦鎵砷、硒化鎵和銻化鎵等8種。
金屬鎵乃生產氮化鎵、氧化鎵等含鎵化合物半導體不可或缺的原材料，而含鎵化合物半導體在很多情況下又是生產尖端電子元器件的重要材料。其中，磷化鎵很早就用于制作紅光、黃光、黃綠光發光二極管。近年，磷化鎵已成為制作發光二極管（LED）和數碼管等光電顯示器件的重要材料，而且還可用于制作光電倍增管、光電存儲器、高溫開關等器件。
以鍺、硅為代表的第一代半導體材料在高頻特性上的限制催生了以砷化鎵為代表的第二代半導體材料。相較于第一代半導體材料，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，可用來制作亮度更高的紅光、黃光發光二極管。后來，砷化鎵又被拓展應用于民用無線通信、光通訊以及國防軍工領域。
和前兩代半導體材料相比，以氮化鎵為代表的第三代半導體材料能夠更好的滿足現代電子技術對高頻、高壓、高溫、高功率以及抗輻射等惡劣條件的新要求。今日，氮化鎵在高亮度發光二極管(LED照明、液晶顯示)、高頻無線電通信（微波雷達、5G通信）、高速光電子器件（激光器、探測器）、高功率電子器件（快速充電器、電動汽車）、高效能太陽能電池（光伏發電）等領域有著廣泛的應用。
具有超寬帶隙的氧化鎵、具有超窄帶隙的銻化鎵和帶隙可調節的銦鎵砷都屬于第四代半導體材料，能夠輕松應對一些極端環境，在探測器、光通訊、超級計算、人工智能等領域有著廣闊的應用前景。
硒化鎵則是一種重要的二元半導體，具有優異的抗干擾性能、低損耗性能、耐腐蝕性能和低氧化性能，可用作高精度電子儀器、精密機械的生產材料。
從上述介紹中不難看出，目前，金屬鎵的價值主要是通過含鎵化合物半導體材料的廣泛應用來實現的。而含鎵化合物半導體材料、尤其是當下被廣泛應用的第三代半導體材料的代表——氮化鎵的開發則主要是由日本學者奠定基礎的。正因為如此，2014年的諾貝爾物理學獎授給了日本的一對師生（赤崎勇、天野浩）和一名日裔美籍學者（中村修二），以表彰他們使用氮化鎵外延薄膜率先研制出藍光LED的偉業?？梢哉f，沒有這三位日本學者在上個世紀后期的辛勤付出，很難想象鎵相關物項會成為這次的出口管制對象。
人們不禁要問，赤崎勇、天野浩和中村修二是怎樣使用氮化鎵外延薄膜率先研制出藍光LED，并由此全面開啟含鎵化合物半導體應用新時代的？
赤崎勇與天野浩師徒二人的氮化鎵應用開發
1. 赤崎勇早期的學習研究經歷
赤崎勇1929年出生于日本九州南部的鹿兒島，在家排行老二。其父畢業于鹿兒島縣立薩南工業學校，主要靠經營佛具店維持家計。他的哥哥畢業于九州大學，先后擔任九州大學綜合理工學院院長，福岡工業大學校長。受比他大兩歲的哥哥的影響，赤崎勇少時頗愛讀書學習。但由于日本先后發動了侵華戰爭和太平洋戰爭，致使其小學時代和初中時代都在動蕩中度過。上初中時，除需要接受高強度的軍事訓練之外，他還要經常去參加軍工廠和農忙季節的勞動。戰敗前的兩年里，他白天幾乎都沒有上過課，不是去海軍航空隊參加飛機掩體的建造勞動，就是去海軍工廠去當學徒工。1946年，赤崎勇考入鹿兒島的“七高”，但和他一起學習的大多是比他年長兩到三歲的原軍校預科生和從其它地方轉學過來的插班生。
1949年，赤崎勇考入京都大學理學院。這一年，該院教授湯川秀樹榮獲諾貝爾物理學獎，極大地提振了日本人從事科學研究的信心。大學期間，赤崎師從著名的分析化學家石橋雅義教授。除化學系課程外，他還選修了不少物理系和工學院的課程。
1952年在京都大學學生宿舍里欣賞音樂的赤崎勇
圖源：京都大學
1952年，赤崎勇如期完成大學學業，入職神戶工業公司。神戶工業公司非常重視科學研究，以致被人們戲稱為“神戶工業大學”。當時，江崎玲于奈（1973年的諾貝爾物理學獎獲得者）、佐佐木正（原夏普公司副社長）也在這家公司從事科研工作。在神戶工業，赤崎主要做了兩項研究工作，一是弄清美國RCA公司生產的顯像管內部的硫化鋅熒光薄膜的涂布方法，為仿制顯像管奠定工藝技術基礎；二是開發使用熒光材料檢測核輻射強度技術，以滿足市場上日益增長的放射線檢測需求。盡管將硫化鋅這種化合物半導體均勻地涂成只有幾微米厚的熒光薄膜非常費力，但赤崎還是成功地掌握了這項關鍵技術，并因此和冷光結下了不解之緣。在研制放射線檢測器過程中，也需要將熒光材料制成只有幾微米厚的結晶層，然后再測試其輻射反應值。由于多晶體對輻射的反應值差異很大，故赤崎很早就體會到了研制單晶體的重要性。
1958年神戶工業并入富士通公司。第二年，赤崎勇與其上司有住徹彌一同轉入名古屋大學工學院新成立的電子工程系半導體工藝研究室。有住擔任教授，赤崎擔任助教。在名古屋大學期間，赤崎除協助有住指導半導體專業的研究生開展實驗研究外，還自主開展了鍺的單結晶研究。當時，制作鍺的單結晶大多采用區域精制法，由于用這種方法制備的鍺單晶體通常只能使用固相擴散法進行摻雜，故所獲得的鍺的N型結晶性能不是很穩定。為了從根本上解決問題，赤崎決定使用氣相外延生長法制備鍺的單結晶。當他好不容易使用氣相外延生長法在基板上沉積出鍺的單晶體時，得知IBM公司已經搶先使用這種方法制成了鍺的單晶體。這使赤崎懊惱不已。但他畢竟成了第一個掌握了半導體薄膜氣相外延生長法的日本學者，而且他還因這項研究于1964年在職獲得了名古屋大學的工學博士學位。
2.迷上化合物半導體結晶研究
1963年，總部設在大阪的松下電器公司決定擴建主要從事電子技術基礎研究的東京研究所。受松下幸之助會長之托在日本各地物色合適人選的東京研究所所長、原東北大學電子工學教授小池勇二郎相中了剛剛升任名古屋大學副教授的赤崎勇。在小池的盛情邀請下，赤崎于1964年4月轉赴松下電器東京研究所擔任第四基礎研究室主任。當時該所設立了八個研究室，擁有近百名科研人員。由于研究資金比較充裕，赤崎到任后決定直接挑戰化合物半導體，而不是像鍺和硅這樣的元素半導體。
赤崎勇最初選擇的化合物半導體是有著“魔法水晶”之綽號的第二代半導體材料砷化鎵。使用自制實驗裝置，赤崎與助手一起試制出了純度更高的砷化鎵結晶。不過，其性質與人們此前對砷化鎵性質的認識有著非常大的差異。這一發現使赤崎深深地意識到，半導體結晶的性質會隨著純度的提升和缺陷的減少發生急劇變化。1968年參加莫斯科半導體國際會議時，赤崎公開發表了此項研究成果，并受到了與會者的好評。此后，英國皇家雷達研究所（RRE）的希爾蘇姆（Cyril Hilsum）等國際化合物半導體研究權威還特地訪問了他的實驗室。
1962年，先后兩度獲得諾貝爾物理學獎的巴丁（John Bardeen）的學生、通用電氣公司（GE）的何倫亞克（Nick Holonyak）使用磷砷化鎵研制出了紅色LED，在世界上掀起了可見光LED研究熱。在化合物半導體研究領域積累了豐富經驗的赤崎勇決定使用磷化鎵結晶研制亮度更高的超小型紅色LED，并于1969年取得成功。該項技術被應用于警用無線對講機，使松下電器贏得了首個政府采購訂單。之后，赤崎團隊又乘勝追擊，研制出了雙向紅光LED，并于1970年代被應用于制作煤氣泄漏報警裝置和火災報警裝置，使松下電器成了這個領域的領軍企業。
1960年代后期，赤崎團隊還嘗試著使用一些新方法對其它化合物半導體展開了研究。其中，氮化鋁結晶研究就是一例。氮化鋁的帶隙比絕緣體鉆石還要大，因此制作氮化鋁結晶難度極大。好不容易制備出氮化鋁結晶，卻因晶體缺陷過多根本無法用于制作二極管。于是，赤崎試著在氮化鋁中添加一些氮化鎵以制作混合結晶，結果仍不如意。雖然這些研究并沒有都達到預期目標，但卻為后來的藍光LED研究積累了不少有益的經驗。
1969年，美國RCA公司的研究組使用氫化物氣相外延生長（HVPE）法制成了氮化鎵結晶薄膜，1972年又使用這種結晶制成了金屬-絕緣層-半導體（MIS）型藍光LED。由于這種非p-n結型二極管的發光效率太低，故無法滿足實用要求。之后，眾多學者把目光紛紛投向了高亮度藍光LED。不過，那時學者們既有從碳化硅入手的，又有從硒化鋅入手的。赤崎勇則于1973年果斷地選擇了后來成為第三代半導體材料的氮化鎵，因為氮化鎵的帶隙比較大，電子與空穴復合時發出明亮藍光的可能性更大；而且氮化鎵的硬度高，制成產品后性能會更加安定。
美國RCA公司1972年試制出世界上首個MIS型藍光LED
圖源：IEEE
赤崎勇在制作氮化鎵結晶之初使用的是分子束外延生長（MBE）法，這種方法是其在研制砷化鎵結晶時摸索出來的?？墒牵还芩绾闻?，在藍寶石（氧化鋁）基板上沉積出的氮化鎵結晶都會有裂紋，而且表面粗糙、顏色不純。不斷試錯后，1974年初赤崎終于使用MBE法制成了氮化鎵單晶體，但他當時并沒有對外公開，只是向日本通商產業省進行了匯報。
1975年，日本通商產業省成立了藍光發光元件委員會，并啟動了一個為期三年的官產學協同創新聯盟項目：“關于開發藍光發光元件的應用研究”。赤崎勇成了這個項目中的重要成員之一。但在此后的三年里，赤崎團隊并未能使用自制的氮化鎵結晶制成p-n結型藍光LED，只是研制出了一種發光效率得到明顯改善的MIS型藍光LED，而且使用的氮化鎵結晶還是用HVPE法制備的。
1970年代后期，RCA公司和飛利浦公司的同行先后放棄氮化鎵研究，轉向砷化鋅研究。當年相中赤誠的小池勇二郎也于1977年過世。由于實用化前景不明朗，赤崎勇的氮化鎵結晶研究遇到了前所未有的阻力。當時，日本政府正在籌組“光學測控系統技術創新聯盟”，松下技術研究所（松下電器東京研究所于1971年改用此名）希望他能夠代表研究所加盟，但由于必須中斷氮化鎵結晶研究，赤崎毅然決然地謝絕了。1981年8月赤崎轉任名古屋大學工學院電子工程學系教授，時年51歲。
3.制備氮化鎵單晶體取得突破
名古屋大學素以堅持學術自由而著稱，為支持赤崎勇開展化合物半導體研究，專門為其建造了一間無塵實驗室。在日本的大學普遍都還沒有無塵實驗室的時代，名古屋大學能夠如此禮遇新入職的赤崎實屬不易。此后，為回報名古屋大學，赤崎將自己的研究室建設成了一座“不夜城”。
當時，盡管有不少學者用實驗數據否定了制作氮化鎵藍光LED的可能性，但是，赤崎勇基于過往的半導體研究經驗斷定，這些學者給出的數據并不一定可靠，因為使用不同純度的半導體材料，得出的數據會存在明顯差異。因此，他決定繼續使用氮化鎵研制藍光LED，哪怕變成了沙漠上的獨行者也在所不辭。不過，他放棄了被實踐證明難以行得通的HVPE法和MBE法，改用1971年曾被其他學者一度試用過但沒有成功的金屬有機化合物氣相外延生長（MOVPE）法。
使用MOVPE法研制氮化鎵結晶不能沒有MOVPE裝置。今天，MOVPE裝置已成了半導體研究實驗室的標準配置，制造MOVPE裝置也儼然成了一大產業。但在1980年代初期，MOVPE裝置根本就無處可買。因此，赤崎勇只能將從松下技研帶過來的實驗裝置作為基礎，把其他教授棄用的舊實驗儀器上還能使用的元器件一一拆下，并用科研經費新購部分元器件自行拼裝MOVPE裝置。盡管自行搭建實驗裝置非常辛苦，也很耗時，但這樣畢竟可以搶在眾多學者之前開展MOVPE法氮化鎵結晶研究。
在名古屋大學使用MOVPE法試制氮化鎵單晶體之初，赤崎勇像過去一樣將藍寶石基板平放在沉積爐內，然后以很低的流速將氮化鎵反應氣體從上面緩緩吹入爐內。由于藍寶石基板的溫度高達攝氏1千度，致使底部的氣體受熱上竄，形成對流，氮化鎵分子無法穩定沉積到基板上。反復改進后，仍不見好轉。于是，赤崎決定將基板按45度傾角斜放，并大幅度提高氮化鎵反應氣體的流速，結果獲得了看上去表面非常均勻的氮化鎵結晶。1985年3月，赤崎在日本應用物理學會年會上公開發表了這一研究成果。
實際上，使用MOVPE法獲得的氮化鎵結晶仍存在晶格缺陷，且混有不少雜質。赤崎勇深入分析后認為，晶格變形主要是因為藍寶石基板的原子間隔與氮化鎵的原子間隔相差過大，也即晶格失配造成的。由于必須承受攝氏1千多度的高溫，故只能選用藍寶石基板。在藍寶石基板的晶格與氮化鎵的晶格大小相差比較大的情況下，如何才能解決沉積在藍寶石基板上的氮化鎵晶格的變形問題？赤崎突然想起，自己在松下技研開發紅色激光用半導體材料期間，曾給基板做過一個超薄緩沖層，它可以有效減緩應力變形。盡管當時采用的是液相外延生長法，而不是氣相外延生長法，但不妨一試。于是，他把這種想法告訴了1983年考入自己實驗室的研究生天野浩。
赤崎勇對照元素周期表琢磨一段時間后認為，碳化硅、氧化鋅、氮化鎵和氮化鋁四種材料比較適合做藍寶石基板的緩沖層。由于逐個嘗試非常耗時，于是他將前兩種材料的實驗拜托給了自己過去的學生和同事。不過，實驗結果都沒有達到預期目標。于是，赤崎決定再用氮化鋁試一試，因為他在松下技研工作時曾研究過這種材料，對其性質比較熟悉。這項工作自然而然地落到了天野浩的身上。當時，赤崎交待，使用氮化鋁給藍寶石基板制作緩沖層時，溫度最好控制在攝氏500度左右，緩沖層厚度不要超過50納米。
天野不分晝夜地做了一段時間的氮化鋁緩沖層實驗后，依然沒有取得成功。一天，他在做實驗時，可能是由于使用的次數太多，實驗裝置出現了故障，致使沉積爐內溫度上不去，當他取出藍寶石基板時，發現上面已經形成了一層光潔度很高的氮化鋁薄層，實驗意外地獲得了成功。于是，制作氮化鋁緩沖層的最佳溫控值被赤崎勇和天野浩掌握了。之后，他們師生二人使用MOVPE法很快就制成了表面平坦如鏡的高質量氮化鎵單晶體。
高質量氮化鎵單晶體于1985年研制成功之后，赤崎勇與天野等人于1986年聯名公開發表了相關研究成果。名古屋大學同年也為氮化鋁緩沖層制作技術申請了專利。不過，用氮化鎵制作同質緩沖層一事，赤崎當時沒有給予高度重視，只交給一名碩士生來完成，以致沒能取得突破。而這次與赤崎、天野一起獲得諾貝爾物理學獎的中村修二1991年恰恰是用氮化鎵做緩沖層制成了質量更高的氮化鎵單晶體。錯過近在咫尺的一項更為重要的發現與發明，不能不說是赤崎和天野師徒二人的一種遺憾。
4. 成功研制高效藍光發光二極管
研制出高質量的氮化鎵單晶體后，接下來的難題就是，如何摻雜使其變成P型半導體？因為高亮度藍光LED需要一個由P型半導體和N型半導體結合而成的p-n結來實現電光轉換。氮化鎵的N型結晶并不難制備。因為使用氮化鋁低溫緩沖層技術制成的氮化鎵結晶中不可避免地會含有少量帶有電子的雜質，因而呈N型結晶性質。但是，氮化鎵的P型結晶必須另行制備。
氮化鎵與鍺和硅不同，當時不論如何摻雜都無法制成P型半導體，以致氮化鎵不適合制作P型結晶成了定論。但對赤崎勇來講，如果無法研制出氮化鎵的P型結晶，就無法實現用氮化鎵p-n結制作高亮度藍光LED的既定目標。自己為制備高質量的氮化鎵單晶體已經耗費掉了12年的時光，如果現在知難而退，無異于前功盡棄，因此縱使是面臨深淵，也只能義無反顧地往前走了。
赤崎勇在給氮化鎵結晶摻雜時最初選用的是鋅。在赤崎的指導下，天野給氮化鎵結晶摻鋅很快就取得了成功，初步檢測表明，這種晶體符合P型半導體的基本特征。但對其進行霍爾效應檢測后確認，它并非P型半導體。雖然沒有制成氮化鎵的P型結晶，但天野非常偶然地發現，使用掃描電鏡觀測氮化鎵的摻鋅結晶時，這種結晶發光量明顯增加，而其光譜并未改變。1988年，天野和赤崎等人將這種現象命名為低能電子束輻射效應（LEEBI）予以公開發表。這項意外的發現為后來的氮化鎵P型結晶研究奠定了非常重要的基礎。
在對為什么給氮化鎵摻鋅無法獲得P型結晶，制作P型結晶的突破口究竟在什么地方之類問題進行一個多月的分析思考后，赤崎勇和天野浩決定用鎂代替鋅試一試。因為他們在分析摻鋅失敗的原因時，發現1971年的一項研究提到，鎂與鎵的電負性差值比鋅與鎵的還要小。問題是使用MOVPE法制作氮化鎵結晶時無法直接摻鎂，必須將鎂氣化。這樣就需要進口高純度的有機鎂化合物。盡管進口量很少，但仍耗費了8個月的時間。1988年底，收到材料后，赤崎指導研究室里的一名研究生像制作氮化鎵的摻鋅結晶一樣制成了氮化鎵的摻鎂結晶。
赤崎勇在名古屋大學執教時期與天野浩等門生的聚會合影
圖源：名古屋大學
1989年3月，赤崎團隊用低能電子束輻射氮化鎵的摻鎂結晶后發現，這種結晶在光譜并未改變的情況下，發光強度陡增近80倍。將其與N型結晶結合制成二極管后，發現其完全具備P型結晶的特征。這令赤崎團隊興奮不已。之后的霍爾效應檢測結果表明，這種氮化鎵摻鎂結晶確實是P型結晶。此項成果1989年12月在日本應用物理學會的歐文雜志上發表后，引起了國際學術界的廣泛關注。
制作高亮度p-n結型藍光LED不僅需要高質量的氮化鎵P型結晶，還需要高質量的氮化鎵N型結晶。盡管使用氮化鋁低溫緩沖層技術制成的氮化鎵單晶體已具備N型結晶性質，但由于這種結晶中的雜質含量非常少，電阻非常大，不太適合制作p-n結型二極管。這樣一來，研制高質量的氮化鎵N型結晶又成了擺在赤崎勇面前的重要課題。經過不斷探索，赤崎團隊于1989年秋使用硅烷氣體摻硅技術制成了電阻值可控的高質量氮化鎵N型結晶。之后，赤崎團隊又一鼓作氣地于1989年底研制出世界上第一個高亮度氮化鎵p-n結型藍光LED。此時，赤崎已年逾花甲。
1990年，赤崎勇又開始向氮化鎵藍光激光二極管發起挑戰。這一年，赤崎在室溫條件下使用弱紫外線就使自己研制的高純度氮化鎵晶體受激發光，為氮化鎵藍光激光二極管的研制排除了一個重要的障礙。不過，藍光激光二極管的開發其后主要是由時任日亞化學公司研究員中村修二完成的。
中村修二的含鎵化合物半導體的應用開發
1.確定藍光發光二極管選題的背景
中村修二1954年5月22日出生于日本四國島上的愛媛縣。其父是日本四國電力公司一名主要負責變電站維護保養的普通員工。中村在家排行老三，上面有一個姐姐和哥哥，下面還有一個弟弟。中村讀小學二年級時跟隨全家由愛媛縣西南部的西宇和郡搬遷至愛媛縣西部的大洲市，并在那里讀完了市立小學和初中，以及縣立高中。
1973年4月，中村修二考入四國島上的一所普通國立大學——德島大學的工學院電子工程學系。1977年3月本科畢業后，中村決定留在多田修教授的實驗室從事半導性鈦酸鋇的物性研究。入學不久，他就與在德島大學附屬幼兒園工作的一名女同學結了婚。第二年，妻子為他生了一個可愛的女兒。在這種情況下，中村不得不考慮留在德島發展。最終，其導師多田教授把他推薦給了自己的同鄉好友——日亞化學工業公司總裁小川信雄。
日亞化學公司總部所在的地理位置
圖源：日亞公司
日亞當時是一家總部坐落在德島縣阿南市的小型家族企業，創立于1956年，主要生產顯像管和日光燈用熒光材料，1979年的年銷售額在30億日元左右。盡管當時的員工數不超過200人，且大多是當地的農家子弟，但它卻是日本最大的熒光材料生產廠家。
1979年4月，中村修二正式加盟日亞公司，成了該公司第一個學電子工程出身的員工，并被安排到了主要從事新產品開發的開發科。雖說是開發科，實際上除科長外，只有兩名全職研究開發人員。當時，主要生產化工材料的日亞正在思考如何拓展經營范圍。產品銷售部門提供的信息表明，發光半導體材料市場前景很大，日亞可以從制備紅光LED用磷化鎵多晶體入手，逐步擴展產品線。這樣，如何制備磷化鎵多晶體便成了開發科的主要研究課題。
進日亞時，中村并沒有想到自己可以從事與材料物性有關的研究，因此當接到磷化鎵多晶體研制任務時，感到非常興奮。但他啟動研究后發現，在日亞這樣的小型化學公司研制磷化鎵多晶體需要解決的難題實在太多。
首先，磷和鎵只有在真空和高溫條件下才會發生反應；其次，研究經費有限，制備磷化鎵多晶體所需的裝置必須自制。實際上，即使研究經費充足，為防止技術參數等研發信息外泄，公司也不主張外購。結果，中村只能發揮學生時代習得的本領，自制兩溫區電熱爐等實驗設備。
由于反應室必須使用價格昂貴的耐高溫石英管制作，為節約經費，中村只好將用過的石英管再加以回收利用，以致用氫氧燃燒器一段一段焊接起來的石英管常常因抗不住磷氣化后所產生的高壓而發生爆炸。經過不斷的探索，中村在進入日亞后的第三年，終于掌握了制備磷化鎵多晶體的技術訣竅。不過，這種產品1982年正式投放市場后，并沒有達到預期效果。
1982年，中村又根據銷售部門的建議，開始研制另一種含鎵化合物半導體材料——砷化鎵結晶體。盡管制備砷化鎵多晶體和制備磷化鎵多晶體使用的都是水平布里奇曼法，但砷和鎵的反應溫度要比磷和鎵的高200度，也就是說，高溫區的溫度必須達到1200攝氏度。這樣，不僅需要對先前制作的實驗裝置進行改進，而且還要更加注意防范石英管發生爆裂。在不斷試錯之后，中村總算掌握了砷和鎵兩種原料的配比以及各自的最佳溫控值，并解決了石英管爆裂等問題。之后，中村使用自制裝置制備砷化鎵單晶體也取得了成功。不過，砷化鎵結晶投放市場后，銷售額同樣沒有達到預期目標。
1985年，日亞意識到，砷化鋁鎵單晶體薄膜，即砷化鎵和砷化鋁混晶薄膜，更有市場前景，于是決定研制砷化鋁鎵單晶體薄膜。研制混晶薄膜意味著公司現有的裝置已無用武之地。當時，制備混晶薄膜多采用液相外延生長法。問題是這種裝置雖然可以訂購，但交貨周期長達一年，而且價格昂貴，于是日亞決定組織力量，自行研制。在中村等人的努力下，液相外延生長裝置只花了半年時間便大功告成。
使用液相外延生長裝置制備砷化鋁鎵單晶體薄膜時，需要做大量實驗才能逐步摸清溶液組成、加熱溫度、與基板接觸時間的最佳值。而且，薄膜制成之后，還需要對其進行霍爾效應檢測。薄膜檢測設備當然也得自行研制。經過不斷試錯，中村于1988年成功地解決了制備高質量的砷化鋁鎵單晶體薄膜以及使用其制作紅外或紅光LED等技術難題。
盡管中村修二進入日亞的最初九年，先后開發出了三種含鎵化合物，但它們對日亞銷售額的貢獻并不大。對于公司研發人員來講，產品開發出來后，若銷路不好，很難獲得公司的好評。問題是，在小公司開發新產品，即使起步比較早，也難保不被大公司迎頭趕上乃至全面超越。因此，小公司開發絕對不能跟風、模仿，必須另辟蹊徑、獨樹一幟。這意味著小公司的研發人員不能只做銷售部門的應聲蟲，不能跟在其它企業后面亦步亦趨，而應根據技術發展的大勢明確地做出自己的判斷。
基于上述認識，中村認為日亞有必要啟動藍光LED研究。因為藍光LED的應用前景廣闊、市場規模龐大。還有就是，在研制磷化鎵多晶體、砷化鎵單晶體、砷化鋁鎵紅光LED過程中，日亞在開發含鎵化合物半導體二極管方面已形成了一定的技術積累。中村將自己的想法直接向小川信雄總裁匯報后，令他感到意外的是，小川總裁當即表示同意，并答應為此項目提供3億日元研發經費。1988年的日亞年銷售額不到200億日元，這稱得上是一筆巨額投入。
2. 自己動手搭建實驗裝置
1988年前后，有望被用來制作藍光LED的化合物半導體材料主要有三種：碳化硅、硒化鋅和氮化鎵。由于碳化硅屬于間接遷移型半導體，不適合制作高亮度藍光LED，故中村一開始就將其排除掉了。問題是，不論是硒化鋅，還是氮化鎵，加熱后都像樟腦丸一樣直接氣化，無法使用現有的液相外延生長裝置制備其單晶體薄膜。這意味著，如果使用可反應形成硒化鋅或氮化鎵的氣體來生成其單晶體薄膜，必須訂購或研制氣相外延生長裝置。
當時，氣相外延生長主要有兩種方式，一是分子束氣相外延生長（MBE）法；二是金屬有機化合物氣相外延生長（MOVPE）法。MBE法外延生長效率太低，而且裝置價格昂貴，用來在研究室里做些實驗還可以，用于工業化生產顯然不合適。這樣，可供中村選擇的方法實際上只有一種，即MOVPE法。這種方法對中村來講，無疑是一個需要從頭開始學習的全新領域。
恰巧，德島大學的酒井士郎副教授此前訪問日亞時提起過，氣相外延生長法比液相外延生長法更適合制作化合物半導體薄膜。那時，酒井將接受邀請赴美國佛羅里達州立大學工學院開展MOVPE法研究。如果日亞覺得有必要，可以派遣一人同自己一道去佛羅里達州立大學。日亞公司認為這是一個非常難得的學習機會，于是開始考察適合派遣到美國的人選。最終，中村得以脫穎而出，以日亞派遣的方式于1988年4月赴佛羅里達州立大學工學院學習一年。與此同時，日亞在酒井的指導下向美國有關廠家發出了購置MOVPE裝置及其相關設備的訂單，并開始在新落成的研發大樓里籌建MOVPE實驗室。
中村以研制砷化鎵紅外LED為名赴美國學習MOVPE法時，因沒有獲得過博士學位也沒有發表過學術論文，遇到了很多困難。對年齡快滿35歲的他來講，沒有受到應有的尊重倒是次要的，最令他煩惱的是，實驗室的MOVPE裝置已各有其主，唯一一臺沒有被占用的還被拆解得面目全非。在這種情況下，中村只好以這些零部件為基礎，自行搭建MOVPE裝置。結果，來美國后的最初九個月，中村大多數時候都在從事焊接、配管之類作業。
在搭建MOVPE裝置過程中，中村看到了自己的比較優勢，增強了開展實驗研究的自信。因為和他同在一個實驗室的眾多擁有博士學位的韓國和中國留學生，不僅連電熱爐之類簡單的實驗設備都不會制作，甚至在實驗設備出現故障時都不知道如何檢查、修理。這些留學生做實驗時遇到很小的挫折就說行不通，進而放棄當初的研究計劃。在中村看來，和這些動手能力不強的留學生相比，自己理應有更大的作為。但是，當他搭建好MOVPE裝置，在美國的時間只剩下三個月了。因此，他如饑似渴地使用磷化鎵和砷化鎵做了十余次氣相外延生長薄膜實驗。盡管沒有來得及做更多的實驗，但在搭建MOVPE裝置過程中積累起來的經驗對其后來改造外購的MOVPE裝置、研制氮化鎵薄膜產生了非常重要的影響。
在美國訪問研究期間，中村就開始思考究竟是優先選擇硒化鋅，還是氮化鎵來制作藍光LED？他在參加學術會議時發現，大多數學者認為使用硒化鋅制作藍光LED更有前途，而仍在執著地使用氮化鎵來研制藍光LED的學者已為數極少。其中一個非常重要的原因是，找不到一個適合用來外延生長氮化鎵單晶體薄膜的基板，或叫做襯底。
用外延生長法沉積制作單晶體薄膜時，基板的原子間隔，即晶格大小最好能與半導體結晶材料的晶格大小一致，晶格大小相差越大，沉積出來的半導體結晶薄膜中的晶格缺陷越多，就像在高爾夫球或網球上堆乒乓球比在乒乓球上堆乒乓球更難堆齊一樣。由于氮化鎵的反應溫度超過1000攝氏度，而且反應氣體之一氨具有很強的腐蝕性，因此，當時只能選用碳化硅或藍寶石基板?？墒?，碳化硅、藍寶石與氮化鎵的晶格常數相差5%乃至15%，以致人們長期無法解決氮化鎵結晶薄膜晶格缺陷過多難題。而使用砷化鎵基板制作硒化鋅結晶薄膜，晶格缺陷要少很多。
但是，中村在回國之前決定采用氮化鎵制作藍光LED。因為過去的經驗告訴他，如果跟在別人后面亦步亦趨，即使掌握了使用硒化鋅制作藍光LED技術，也很難繞開眾多學者先前發明的專利，更何況美國和日本的一些大公司已經涉足這個領域，以日亞的實力根本拼不過他們。而氮化鎵藍光LED則不然，眾多歐美公司已從這一領域撤退，目前仍在從事這項技術開發的基本上只剩下名古屋大學的赤崎勇教授。
簡言之，對當年在產品營銷上被大公司擊敗的教訓記憶猶新的中村堅持走自己的路，最終選擇了當時不被人看好的氮化鎵來研制藍光LED。
3. 高質量氮化鎵單晶體薄膜的研制
1989年3月，中村從佛羅里達州立大學回國后不久，日亞在美國訂購的MOVPE裝置就到貨了。在公司安排的數名研究助手的協作下，中村開始安裝、調試這套高2米、長4米、寬1米的大型裝置。為訂購這套裝置，日亞花掉了近2億日元。這在日亞的歷史上是前所未有的。此舉對中村的研究構成的壓力可想而知。
安裝、調試完畢之后，中村便開始使用這套裝置試制氮化鎵單晶體薄膜。在裝置允許的參數限度范圍內試制三個多月后，中村仍沒有取得任何進展。其實，這并不奇怪。如果使用現成的裝置就能制成氮化鎵單晶體薄膜，那么氮化鎵藍光LED的研制也就不會成為世界性的難題了，更何況這套裝置當初還是按照研制砷化鎵紅外LED的要求定制的。這意味著必須對訂購的MOVPE裝置進行改造。由于此前已練就一手焊接石英管、改造配管的絕活，而且還親手搭建過MOVPE裝置，故中村決定自己動手改造MOVPE裝置。
在中村之前研制氮化鎵單晶體薄膜的團隊都使用高頻電磁場給反應室中的基座加熱。由于這種情況下金屬線圈繞在反應室周圍不接觸里面的反應氣體，所以無需解決反應氣體引起的腐蝕問題。但這樣會導致另外一個問題，即反應室及其內部的配管、噴嘴等不能使用容易在磁場中發熱的金屬材料制作。由于配管和噴嘴只能使用石英之類材料制作，故要根據成膜條件改變配管方式和噴嘴結構非常困難，以致試制氮化鎵單晶體薄膜受到很多限制，而且這類裝置也很難滿足工業化生產的苛刻需求。
中村經過一番思考后，決定采用電阻絲加熱器加熱。使用氣相外延生長法制作氮化鎵單晶體薄膜時，反應氣體通常選用的是三甲基鎵（TMGa）和氨，運載氣體選用的是氮氣或（和）氫氣。由于氨具有強腐蝕性，致使安裝在基板下的電阻絲加熱器在高溫條件下很容易受到腐蝕而斷路。解決電阻絲加熱器在高溫、強腐蝕工況下的斷路難題看似很小，實際上耗費了中村很多時間。如同哈伯·博施當年很巧妙地解決了合成氨反應室中的金屬內壁遭腐蝕發生爆炸問題一樣，中村最終很好地解決了加熱器的斷路難題。日亞沒有為這項技術申請專利，而是將其作為技術訣竅嚴加保密。
除加熱器外，中村還根據制備氮化鎵單晶體薄膜的需要對反應室中的配管和噴嘴等進行了一系列改造。1990年元旦前后，中村幾乎每天上午都在干些打開真空容器、取出零部件、彎曲金屬管道、重新配置線路、焊接石英管、改變噴嘴形狀、調整噴嘴高度和角度之類的技術活，下午則使用剛進行過改造的裝置試制氮化鎵單晶體薄膜，晚上回家后則在思考明天上午如何進一步改造裝置以制備出氮化鎵單晶體薄膜。經歷過無數次失敗之后，中村終于在1990年2月產生了靈感。
以單氣流的方式，亦即將反應氣體和運載氣體同時由水平方向噴向基板上方時，氣體會在高溫基板上方形成對流，因而無法在基板上沉積出高質量的薄膜。所以，必須改變氣流的噴入方式，否則很難克服對流的干擾。
采用單氣流輸氣方式容易形成對流
1990年8月27日的實驗記錄表明，中村嘗試著進行了四種噴氣方案的實驗。之后，中村意識到，如果讓反應氣體和運載氣體由水平方向噴向基板，同時讓另一股惰性氣體自上而下噴向基板，則有可能起到有效抑制對流的效果。按照這一思路，中村又對實驗裝置進行了一系列改造，終于于1990年9月在藍寶石基板上試制出了氮化鎵單晶體薄膜。
采用雙氣流輸氣方式可以抑制對流
中村后來將上述這種制膜方式命名為Two-Flow MOCVD法，并于1990年10月申請了發明專利。不過，有研究表明，中村產生的這種雙氣流制膜想法受到了東北大學御子柴宣夫教授的影響。正是因為在參加1990年3月底召開的日本應用物理學會時聽到了御子教授的有關報告，中村才獲得了改造MOVPE裝置的靈感。而且，當時在使用氣相外延生長法制作化合物半導體薄膜時，已經有人采用雙氣流方式。因此，雙氣流方式本身并沒有特別的新穎之處。但是，中村使用TF-MOVPE法首次制成氮化鎵單晶體薄膜則是無可爭議的歷史事實。
中村雖然使用TF-MOVPE法試制出了氮化鎵單晶體薄膜，但它的質量并不高。糟糕的是，進入10月后，連這種質量不高的薄膜都再現不了。之后，中村一邊改進裝置，一邊根據自己的經驗和直覺調整反應溫度和反應時間，終于在1990年底掌握了氮化鎵單晶體薄膜的再現條件。不過制備出來的薄膜的表面凸凹不平。
鑒于名古屋大學的赤崎勇團隊1985年使用氮化鋁制作低溫緩沖層，成功地在藍寶石基板上制作出了平面如鏡的氮化鎵單晶體薄膜，中村決定也使用低溫緩沖層來解決這一問題。但他沒有選用氮化鋁，而是選用了與制作薄膜相同的材料——氮化鎵來制作低溫緩沖層。一個月后，中村使用自制的雙氣流成膜裝置采用同質材料制作低溫緩沖層取得成功，并在此基礎上于1991年1月底制備出了質量遠高于赤崎團隊的氮化鎵單晶體薄膜。中村當然也為這項兩步成膜法技術申請了發明專利。
4. 氮化鎵P型結晶制造技術的開發
制備氮化鎵P型結晶難度極大，以致很長一段時期里，氮化鎵不適合制作P型結晶在學術界成了定論。率先攻克這一難題的是名古屋大學的赤崎勇團隊。當時赤崎的博士生天野浩在實驗過程中意外地發現，使用掃描電鏡觀測氮化鎵摻鋅結晶時，該結晶的電阻會明顯減小，發光量會顯著增大。受到啟發后，赤崎勇團隊使用低能電子束對氮化鎵摻鎂結晶進行輻射，于1989年成功地制備出了氮化鎵摻鎂P型結晶。
使用低能電子束輻射方式制備氮化鎵摻鎂P型結晶效率太低，難以滿足工業化生產的需求。因此，赤崎勇團隊的天野浩曾嘗試著使用加熱處理的方式來制備氮化鎵摻鎂P型結晶，但沒有成功，以致和赤崎團隊聯合研制高亮度藍光LED的豐田合成化學公司1991年推出藍光LED時采用的仍是MIS結構，而不是P-N結型結構。
因此，中村在制定1991年的研究計劃時明確寫到：“今年的目標：(1)P型氮化鎵膜的生長；(2)P-N結型藍光LED的制作。”
日亞的氮化鎵摻鎂P型結晶的研制是從再現赤崎勇團隊的實驗開始的。這項工作主要由中村的研究助手、1989年入職的妹尾雅之來實施?？墒?，妹尾使用掃描電子顯微鏡照射中村使用雙氣流MOVPE法和兩步成膜法制成的氮化鎵摻鎂結晶后，未能再現天野浩當年的實驗結果。于是，妹尾于1991年2月中旬試著改用實驗室里的電子束蒸鍍電極裝置來輻射氮化鎵摻鎂結晶，沒料到竟然于次月獲得了氮化鎵摻鎂P型結晶。
由于蒸鍍電極裝置中的氮化鎵摻鎂結晶試樣是在受輻射升溫情況下轉變為P型結晶的，故妹尾等人推斷受熱有可能是導致試樣轉化為P型結晶的關鍵。但是，使用這種電極蒸鍍裝置很難控制電子束的輻射量，故實驗結果很不穩定。于是，中村于當年4月專門預訂了一臺電子束輻射裝置。在這臺裝置尚未到貨期間，中村的另一名助手巖佐成人1991年9月在解決氮化鎵摻鎂結晶與藍寶石基板因熱膨脹系數不同容易發生彎曲變形問題時偶然發現，無需進行電子束輻射，只要將氮化鎵摻鎂結晶加熱到600攝氏度左右后進行退火處理，就可以獲得P型結晶。
繼妹尾雅之和巖佐成人的實驗研究之后，中村圍繞氮化鎵摻鎂P型結晶的形成機理問題做了一系列驗證實驗，并得出結論：氮化鎵摻鎂結晶在無氫情況下進行退火處理后就可以轉化為P型結晶。1991年底，中村和巖佐成人、妹尾雅之聯名為這項氮化鎵P型結晶的制備技術申請了專利。
用氮氣退火的方式制備氮化鎵P型結晶不僅經濟、方便，而且薄膜的均勻性更好，光輻射效率更高。這項技術的發明，為日亞后來工業化生產高效率氮化鎵基藍光LED奠定了重要的基礎。
5. 雙異質結藍光發光二極管正式投產
在妹尾雅之試制出氮化鎵P型結晶后，中村就開始著手試制P-N結型藍光LED。由于使用雙氣流 MOVPE裝置制作氮化鎵N型結晶比較容易，故中村1991年3月就研制出了P-N結型氮化鎵藍光LED。不過，這種二極管通電后發出來的是青紫色的光，而且不是很亮。即便如此，它的性能仍大幅超過了碳化硅藍光LED。雖說中村當時制作的P-N結型氮化鎵藍光LED已達到了世界最高水準，但他研制氮化鎵藍光LED的目的畢竟不是為了寫論文，而是要制成產品，搶占市場，因此單項關鍵核心技術的突破雖然重要，但更重要的還是把有競爭力的產品盡快推出來。
正當中村為氮化鎵藍光LED的實用化苦苦努力之時，傳來了美國3M公司使用硒化鋅晶體實現了藍綠色激光器振蕩發光的消息。由于并不知道3M公司研制的激光器震蕩發光時間還不到1秒，離實用化要求還差得很遠，所以中村倍感失落。倘若3M公司實現了藍綠色激光器長時間的振蕩發光，那就意味著對手跑到自己前面去了，而且把自己遠遠地甩在了后頭。這對中村乃至日亞的刺激都非常大。當時，日亞在藍光LED這個項目上已投入數以億計的資金，總裁都已經有點沉不住氣了，故不斷催促中村盡快把氮化鎵藍光LED推向市場。
是現在就把手上的這個技術并不成熟的P-N型氮化鎵藍光LED推出去？還是繼續改進，等顏色和亮度指標達到要求后再推出去？若匆忙把不成熟的產品推出去，大公司很有可能會通過逆向工程迅速趕上甚至超越日亞。權衡利弊得失之后，中村決定頂著壓力繼續研發，因為他覺得自己有把握在短期內使產品開發躍上一個新的臺階。
當時，擺在中村面前的課題主要有兩個：一是調整P-N結型氮化鎵二極管的發光波長，使其發出藍光，而不是青紫色的光；二是提高氮化鎵二極管的發光效率，使其亮度更高、節能效果更好。這樣一來，氮化銦鎵（銦鎵氮、InGaN）結晶和雙異質結的制備便成了中村團隊1992年的研究重點。
顏色與波長的關系
氮化銦鎵是在氮化鎵中添加同族元素銦制成的一種化合物。通常，氮化鎵結晶通電后發紫外光，氮化銦結晶通電后發紅光。因此，從理論上講，人們可以通過往氮化鎵中添加不同量的銦來制備藍光發光晶體。往氮化鎵中添加的銦越多，其結晶發出的光越接近紅色；添加的銦越少，其結晶發出的光就越接近紫外。關鍵是加銦量的控制和摻雜結晶薄膜的生長。這樣一來，中村此前研制的雙氣流MOVPE裝置又有了新的用武之地。與雙氣流MOVPE裝置格斗好幾個月后，中村團隊使用氣相外延生長法終于試制出了氮化銦鎵結晶薄膜。
掌握了氮化銦鎵結晶薄膜的制備技術之后，中村便率領年輕的助手們向雙異質結發起沖擊。1992年9月，中村等人使用雙氣流MOVPE裝置以及剛剛掌握的氮化銦鎵結晶薄膜制備技術終于試制出了氮化鎵/氮化銦鎵雙異質結LED。盡管這是一個里程碑式的試制品，但其亮度仍然有限，而且發出的是青紫色光，尚需進一步完善。
為獲得更為明亮的藍光，中村團隊緊接著又圍繞給氮化銦鎵結晶摻雜問題展開了一系列的實驗，并于1992年底試制出了人眼可見亮度提高了4倍、波長擴大到450納米的雙異質結LED。1993年2月，助手長濱慎一又根據中村的建議將鋅和硅摻進氮化銦鎵，獲得了比只摻鋅要亮數十倍的氮化銦鎵摻雜結晶。使用這種結晶制作的雙異質結LED亮度有了顯著的提升。
中村等人開發的藍光LED基本結構
1993年3月底，雙異質結LED的發光波長進一步擴大到屬于藍光范圍的460納米，亮度進一步提高到2月初的20倍。于是，日亞決定自4月1日起成立“N項目組”，負責藍光LED的工業化生產。
“N項目組”最初只有17人，但到7月份，人員便增加到40人，其中有好幾個人是從日本大公司招聘過來的設計制造經驗豐富的技術骨干。在“N項目組”啟動后的半年里，通過進一步調整結晶薄膜的外延生長條件，逐步提高了結晶質量，中村團隊研制的雙異質結藍光LED在1993年10月亮度達到了1尼特。這個數值是美國科銳公司當時生產銷售的碳化硅藍光LED的100倍。1993年11月30日，日亞召開產品發布會，正式宣布高效率藍光LED開始投產，并從即日起對外銷售。
緊接著，中村修二等人又于1995年9月開發出了亮度為黃綠色60倍的純綠色LED；一年后，即1996年9月又將白色LED推向市場，從而拉開了白色LED照明的序幕。
結語
通過上面的考察不難看出：
1. 赤崎勇、天野浩和中村修二能夠摘得諾貝爾獎桂冠與他們攻克的高效藍光LED研制難題具有廣泛應用前景和巨大社會需求不無關系。
1962年底，何倫亞克使用磷砷化鎵研制出紅色LED。這對赤崎勇產生的沖擊可想而知。赤崎于1964年進入松下電器東京研究所擔任第四基礎研究室主任后，迅速決定由元素半導體研究轉向化合物半導體研究，與其敏銳地看到了可見光LED的應用前景不無關聯。1968年，綠色LED也宣告問世；1972年，何倫亞克的學生、孟三都公司的克勞福德（M. George Craford）又研制出了第一個黃光LED，并將紅光LED的亮度提高了10倍。至此，紅、綠、藍三原色中只剩下藍光LED研究尚未取得突破。一旦藍光LED的研究取得重大突破，那么人類便打開了通往全彩LED顯示時代和高效白色照明時代的大門。正是因為有了如此誘人的應用前景的導引，赤崎勇、中村修二等一批學者才會頑強地向藍光LED發起沖擊。因為自己的研究深具應用價值，且具有巨大社會需求，故即使挑戰失敗，或者只是成了鋪路石，那也是有意義的。
對于任何一個有社會責任感的科學家來講，沒有什么比從事一項極有可能在不久的將來給人類帶來巨大福祉的研究更令人感到愉悅的。關鍵是如何才能敏銳地捕捉到深具學術價值和應用前景的研究選題。人們常說板凳要坐十年冷，但這樣做需要一個前提，那就是所從事的研究具有重要的學術價值和廣闊的應用前景。如果所從事的研究沒有太大的學術價值和應用前景，任憑是誰也很難長期堅持，即使能夠長期堅持，也很難做出恩澤后世的杰出科技貢獻。所以，堅持不懈固然重要，但更為重要的是，所從事的研究的確很有意義，值得人們為之付出。
2. 自己搭建主要實驗裝置是赤崎勇、天野浩和中村修二得以率先研制出高效藍光發光二極管的關鍵。
赤崎勇在研制氮化鎵結晶過程中曾使用過分子束外延生長法和金屬有機化合物氣相外延生長法。這兩種方法都是他自己開發的，而且試驗裝置也都是他自己搭建的。正是因為使用了金屬有機化合物氣相外延生長這種新型實驗裝置和氮化鋁緩沖層技術，赤崎勇團隊才于1986年獲得了晶體質量高、光學特性好的氮化鎵單結晶。沒有這項突破，高效藍光LED也就不可能得以搶在其他團隊之前問世。
中村修二在佛羅里達進修期間就已決定迎難而上，使用氮化鎵來試制藍光LED。由于沒有現成的生長氮化鎵之類半導體薄膜用的金屬化合物氣相外延生長裝置，所以日亞公司只能從美國訂購了一套主要用于生長砷化鎵半導體薄膜的金屬化合物氣相外延生長裝置。使用這套進口裝置試制氮化鎵半導體薄膜不可避免地會遇到很多困難。于是，中村基于過往經驗大膽地對這套裝置進行了一系列改造。正是因為在不斷試錯的基礎上于1990年研制出了加熱器放置在反應室內的雙氣流式金屬化合物氣相外延生長裝置，中村才能在比較短的時間內試制出一批制備高效率藍光LED所需的半導體材料。而且這種雙氣流式特殊裝置也為中村開展后續氮化鎵摻雜研究帶來了很多便利。簡言之，正是因為中村能夠設計制作出全球唯一的先進實驗裝置，他的團隊才能率先開發出全球第一個雙異質結高效藍光LED。
在科學日益技術化、技術日益科學化的今日，自行改造或設計制作實驗裝置，確保其先進性和唯一性，在一些情況下已成為開拓研究領域、催生源頭創新、推動前沿突破、攻克核心技術的前提條件之一。使用別人已經使用過的實驗裝置開展研究，無異于跟在先行者后面去海邊拾貝殼，雖然偶爾也能夠獲得一些意外的發現，拾得幾個漂亮的貝殼，但其概率要遠小于先行者。因此，對于從事實驗研究和技術開發的科研人員來講，沒有什么事情比率先獲得最先進的測控儀器和實驗設備更令人高興的了。但是，最先進的測控儀器和實驗設備靠金錢是很難買得到的，即使買得到，也需要花費很多時間。所以，能否自行設計制作研究開發所需的測控儀器和實驗設備，對那些希望開展原始性創新、攻克關鍵核心技術的科研人員來講，尤為重要。
3. 一系列偶然發現為赤崎勇、天野浩和中村修二率先研制出高效藍色發光二極管奠定了重要基礎。
幸運女神曾兩度光顧赤崎勇團隊。一次是在天野浩按照導師的意見給藍寶石基板制作氮化鋁緩沖層時，另一次則是在天野浩使用掃描電鏡觀測氮化鎵的摻鋅結晶時。第一次是因為金屬有機化合物氣相外延生長實驗裝置出現了故障，致使沉積爐內的溫度升不上去，非常偶然地在藍寶石基板上沉積出了一層光潔度很高的氮化鋁薄層，從而解決了為藍寶石基板制作氧化鋁緩沖層的技術難題。如果不能解決制作緩沖層難題，赤崎勇團隊就不可能于1985年制備出高質量的氮化鎵單晶體。第二次是在給氮化鎵單晶體摻鋅取得成功后，檢測其物理性質時，偶然發現用低能電子束輻射可以增加這種結晶的發光量，從而為后來的氮化鎵P型結晶研究奠定了非常重要的基礎。
這兩次偶然發現既成就了天野浩，也成就了赤崎勇。如果沒有這兩次偶然發現，赤崎勇雖然在化合物半導體研究領域埋頭苦干了數十年，也未必能如愿以償地研制出高效氮化鎵藍色LED。但是反過來，如果不是因為已在化合物半導體研究領域耕耘數十年，積累了豐富的研究經驗，赤崎勇不會想到用氮化鋁來做緩沖層，也不會那么快就指導天野浩制備出氮化鎵摻鋅結晶。
幸運女神同樣光顧了中村修二團隊。中村的名助手巖佐成人1991年9月在解決氮化鎵摻鎂結晶與藍寶石基板因熱膨脹系數不同容易發生彎曲變形問題時意外發現，無需進行電子束輻射，只要將氮化鎵摻鎂結晶加熱到600攝氏度左右后進行退火處理，就可以獲得P型結晶。這項意外發現為中村團隊發明用氮氣退火方式制備氮化鎵P型結晶的方法創造了重要的條件。正是因為掌握了這項技術，批量生產高效率氮化鎵藍色發光二極管才成為可能。
由此可見，把大量科研資源集中投放到少數聲名顯赫的精英身上，期待他們率先取得重大科技突破，可能還不如分散風險，擴大資助范圍，將希望寄托在眾多具有做出重要科學發現潛質的年輕人身上。諾貝爾獎級科技突破從來就不是規劃出來的，但當認真做科學研究的人越來越多時，總會有人取得重大科技突破。
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