摘要：这次故事的起点，不妨设定在距离我们头顶四百公里的近地轨道上。在那里，一座人类的空间站正孤独地漂浮着。它所处的环境极端恶劣：没有空气，无法风力发电；没有重力，无法水力发电。四周是深不见底的墨色虚空，唯一的点缀是遥远恒星传来的、几乎可以忽略不计的微光。

这次故事的起点，不妨设定在距离我们头顶四百公里的近地轨道上。在那里，一座人类的空间站正孤独地漂浮着。它所处的环境极端恶劣：没有空气，无法风力发电；没有重力，无法水力发电。四周是深不见底的墨色虚空，唯一的点缀是遥远恒星传来的、几乎可以忽略不计的微光。

然而，每隔九十分钟，这个空间站都会迎来一次壮丽的日出。一道明亮的光弧划破黑暗，照亮了它修长的身躯和那几对轻盈的薄翼。这些薄翼，如同饥渴的向日葵，永远朝着太阳的方向舒展。它们是太阳能电池帆板，贪婪地吸收着太空中唯一的能量来源——阳光。

光，在这里被转化为了电。

而在空间站内部，宇航员们依赖着另一种技术。电力驱动着一种小小的半导体器件，发出柔和的光芒，为他们提供日常照明。电，又在这里被转化为了光。

在空间站的舷窗外，还将迎来一位伴飞的伙伴——一架太空光学望远镜。它的镜头将对准宇宙的最深处，去捕捉那些来自百亿光年外、微弱如尘埃的星光。那些星光，将被另一种半导体器件捕捉，并转化为我们能看懂的宇宙图像。

捕捉阳光并发电，捕捉星光并成像，以及用电流制造光来照明。这三件事，都源于半导体。它们就像一枚硬币的正反面，我们称之为“光电子技术”。

为雨林电话催生的“沙子电池”

在二十世纪五十年代中期，一个词汇“原子能”正风靡全球，代表着无尽的未来。当时，一家实力雄厚的无线电巨头公司（美国无线电公司 RCA）正春风得意。他们向媒体高调展示了一项发明：“原子能电池”。

这是一个比火柴盒大不了多少的盒子，里面装着同位素。它能将原子衰变释放的能量变为电力。这家公司的总裁，一位曾经的传奇电报员，亲自用这个小盒子驱动了一台微型电报机，发出了“和平利用原子能”的消息。媒体为之疯狂，预言这种电池将为助听器和腕表提供永久的电力。

在一次采访中，这家公司的一位实验室主任对着新闻界轻蔑地耸了耸肩，说：“现在，谁还关心太阳能电池呢？”

这句轻飘飘的话，却像一根针，扎在了另一家传奇通信研究机构（贝尔实验室）的心上。他们非常、非常关心太阳能电池。

不过，他们最初的动机既不“原子”也不“太空”，而是源于一个非常接地气，甚至有点“潮湿”的难题。一位名叫达里尔·蔡平的工程师，正苦恼于如何让偏远地区的人们也能顺畅地打电话。在那些热带雨林里，电话机里的干电池总因为受潮而提前报废。他必须找到一种替代能源。

他列了一张清单：风力发电？雨林里没那么大的风。热电发电机？效率太低。最后，他的清单上只剩下了最后一项——太阳能。

太阳能并不是什么新鲜概念。早在1839年，一个年仅19岁的法国小伙子（埃德蒙·贝克雷尔）就在他父亲的实验室里瞎鼓捣，他把两个铂电极插进电解液里，发现阳光一照，电流就增强了。后来，人们又发现半导体“硒”也有这种特性。1883年，有人用硒和金箔做出了第一个太阳能电池，但效率只有1%到2%，离“能用”还差得远。

到了1952年，蔡平也开始尝试用硒，结果效率更惨，只有0.5%。

蔡平自己不是半导体专家，但他有一个好习惯：串门。他经常去找隔壁半导体研究小组的杰拉尔德·皮尔逊。皮尔逊可是个大人物，他是参与发明第一颗晶体管的核心成员之一。

皮尔逊听了蔡平的抱怨，又去找了另一个人，卡尔文·富勒。

富勒是这个传奇实验室里的“扩散法之神”。他发明了一种技术，能像烤面包一样，精准地将杂质“扩散”进半导体材料里，随心所欲地将其变成P型或N型。这是制造晶体管和PN结（半导体的核心结构）的关键。富勒的工艺非常高超，有一次在研讨会上，有人问他这种技术能做多大一片晶圆，富勒开玩笑说：“只要晶圆供应充足，做几英亩都没问题！”

太阳能电池的核心，就是一个PN结。当光照射在PN结上时，会激发出成对的电子和空穴（你可以想象成一个“粒子”和一个“坑”）。而PN结上自带的电场，会像一个严格的交警，把电子和空穴强行“拆散”，让它们朝相反的方向流动，这就产生了电流。

1953年3月，皮尔逊向富勒求助，希望富勒用他最新的“扩散法”做一些硅PN结来试试。富勒很快就做好了。

皮尔逊将这个小元件连上电流计，并随手用一盏台灯照了照它。

奇迹发生了。电流计的指针“砰”地一下晃动了起来，指向一个巨大的数值。这个数值，比当时已知的任何太阳能电池产生的电流都要大。

皮尔逊立刻兴奋地跑去找蔡平，告诉他：“别在硒上面浪费时间了！改用硅！”

蔡平将皮尔逊给的硅PN结放到阳光下，一测量，能量转化效率达到了2.3%，几乎是硒的五倍！

就这样，一个为了雨林电话的工程师（蔡平）、一个半导体物理学家（皮尔逊）和一个材料化学家（富勒），自发地组成了一个研究太阳能电池的小组。

这个实验室最伟大的地方在于它的一种“像风一样自由”的文化。任何人都能跟其他小组的人自由合作，不需要经过主管同意。

然而，蔡平很快发现，这个硅PN结的能量转化效率卡在2.3%，上不去了。问题出在哪里？

问题出在富勒的“配方”上。原来，富勒在制作N型硅时用的是“锂”。锂元素太活跃了，很容易扩散到晶圆内部，导致N型区变得太厚。光照产生的电子和空穴，还没来得及被电场“交警”拆散，就自己先“复合湮灭”了（“粒子”掉回了“坑”里）。

蔡平意识到，要想提高效率，N型区必须越薄越好，而且PN结要尽可能靠近晶圆表面，这样“交警”才能在第一时间把电子和空穴抓住。

他们又去找富勒。富勒想，得找一种没那么活跃的杂质，让它尽量留在晶圆表面。他改用了“磷”。

效率提高了一倍。但距离他们估算的6%的实用临界点，还是差一点。

就在这个节骨眼上，那家竞争对手（RCA）出人意料地发布了“原子能电池”。这让整个实验室都紧张了起来。富勒也行动起来，全身心地投入攻关。

这一次，富勒又换了一种材料：“砷”。他像一个米其林三星大厨一样，小心翼翼地控制着元素扩散的速度和温度。

终于，太阳能电池的效率达到了6%。

那年春天，富勒的儿子从大学回家休假。一天晚上，他看到父亲拿回来一个圆形的小玩意儿，和一枚硬币差不多大，上面连着导线，导线尽头是一个小风车。当父亲用手电筒一照这个圆形小片，风车的叶片就开始旋转起来。

手电光驱动了风车！这个小小的演示装置，就是世界上第一个实用的半导体太阳能电池。

1954年4月25日，轮到这家通信实验室（贝尔）召开隆重的发布会了。这场发布会，明显就是冲着三个月前那家无线电公司（RCA）去的。

既然你们用原子能电池驱动一台发报机（发送文字），那我们就用太阳能电池驱动一台广播发射器（发送语音和音乐）！

这个太阳能电池在每平方米上的输出功率，远高于那台原子能电池。

第二天的头版新闻标题极具戏剧性：“沙子制成的电池捕获了巨量的太阳能”。媒体评论道，这标志着“一个新时代的开始，人类朝着最终的梦想前进——利用无尽的太阳能”。

但是，公众的热情总是跑得比技术快。理论上硅太阳能电池的转化效率能达到23%，但实际的提升非常缓慢。直到二十世纪七十年代，第一次石油危机爆发，人们快没油用了，才又一次想起了太阳。

此后，新的技术不断涌现。苏联科学家做出了效率更高的“异质结”太阳能电池（我们后面会再次提到这个词）；有人研发出了更便宜的“薄膜”太阳能电池；一家日本公司（索尼）第一次将太阳能电池用在了便携计算器上。

进入21世纪，环境问题成为焦点，太阳能终于迎来了爆发。多晶硅材料因为成本低廉，成为最广泛的应用。2012年，全世界的太阳能发电功率比1999年增长了100倍。

一场关于“发明”的诺奖风波

2009年10月6日，诺贝尔奖评选委员会宣布，当年的物理学奖授予两位科学家（威拉德·博伊尔和乔治·史密斯），以表彰他们“发明了半导体成像电路——CCD图像传感器”。

消息传来，一片哗然。立刻有人站出来质疑，说诺贝尔奖搞错了！

提出质疑的，不是别人，正是获奖人的同事。他们坚称，如果获奖原因是“发明了CCD图像传感器”，那么另一个人（迈克尔·汤普西特）也应该有份，甚至他才是关键。

诺贝尔评选委员会真的犯错了吗？

事情要回到1969年，还是那家传奇的通信研究机构（贝尔）。博伊尔是半导体研究部的执行主任，史密斯是他的下属。

当时，实验室的副总裁（杰克·莫顿）给博伊尔下了死命令，要求他的团队尽快拿出一种新的半导体存储器，用来和当时流行的“磁泡存储器”竞争。

这位副总裁是个暴脾气。他办公室里装了实验室新开发的可视电话，博伊尔一点都不喜欢这个摆在桌上的“大块头”，感觉自己时刻处于上司的“监视”之下。有一次莫顿打来电话，博伊尔故意坐得很低，让自己的头处在镜头之外。莫顿在电话里大吼：“给我坐直了！让我看见你！要是你的部门没有什么新产品产出，我就砍掉你的预算！”

压力山大。1969年10月17日下午，史密斯特意去找了博伊尔。他说：“我们一起发明一个新器件吧！”

两人站在一块黑板前，开始了头脑风暴。

他们需要一种半导体器件来存储和读取“电荷”。核心问题是：一片芯片上有大量的存储单元，这些单元彼此紧靠，要怎样才能把存储在里面的电荷信息“读取”出来呢？

他们想到了一个极其巧妙的解决方法：让电荷通过相邻的单元，一点一点地“移”出来。

这个过程，就像你坐在电影院的正中间，要出去上厕所。你没法“飞”出去，只能一个座位一个座位地挪。你先拍拍旁边的人，让他把座位放倒（施加一个电压，造成一个更低的“势能陷阱”），你挪过去坐下。你一离开，你原来的座位就自动弹回原位（恢复电压）。然后你再拍拍下一个人……以此类推。

他们把这个器件称为“电荷耦合器件”，也就是CCD。

不到一个小时，博伊尔和史密斯就搞定了这个方案。一个星期后，他们就做出了一个容量仅为3比特的样品，并成功演示了电荷“在座位间移动”的过程。

在实验笔记本上，他们顺手记了一笔：这个东西或许也可以用来成像。但他们并没有深入探究，他们的任务是“存储”。

然而，将CCD作为存储器，最终是一个失败的尝试。它在读取时总会出错（好像电影院里的人挪着挪着就丢了爆米花），而且很快，一种更牛的存储器（DRAM）崛起了，它读写快、成本低，彻底打败了磁泡存储器，也顺便打败了CCD存储器。

眼看CCD就要被扔进故纸堆了。这时，另一个人出场了，他就是开头提到的那位“打抱不平”的同事——迈克尔·汤普西特。

汤普西特捡起了博伊尔和史密斯丢下的那个“成像”的想法。他想，如果CCD本身是一个“转移通道”，那我们只需要在通道的起点放上“感光元件”就行了。

他提出，在半导体表面集成一个光电二极管阵列，每个二极管对应一个像素点。当光线照在二极管上，就会激发出电荷（产生“观影的人”）。这些电荷存储在对应的CCD单元上（“坐在座位上”）。然后，一声令下，所有人（电荷）开始“往外挪”，一排一排地被读取出来，最后电脑将这些信息合并起来，就形成了数字图像。

就这样，汤普西特发明了CCD成像所需的扫描电路和成像方法。1972年，他拍摄了世界上第一幅彩色数码相片，镜头里的模特是他的妻子。

现在，我们可以回到那个诺奖争议了。博伊尔和史密斯发明的是“CCD”这个器件本身，是那个“电影院座位转移”的巧妙机制。而汤普西特发明的是“CCD图像传感器”，是那个“在座位上安排观众并让他们有序离场”的完整系统。

诺贝尔奖委员会把奖颁给了博伊尔和史密斯，表彰的是那个最底层的、天才般的物理构想。史密斯也毫不客气地说：“汤普西特是个不错的工程师，但不能说他提出了CCD成像的概念。”（毕竟史密斯自己的笔记本上早就写了“可以成像”）。

但汤普西特的同事尤金·戈登反驳得也很到位：“如果不是汤普西特实现了CCD在成像上的应用，CCD很可能就永远待在博物馆里了。”

不管怎样，CCD作为“电子眼睛”的时代来临了。它对光线的响应效率高达70%，而传统胶卷只有2%。它被装上了天文望远镜，拍出了“创生之柱”等一系列震撼的宇宙图像，帮助天文学家测算出了宇宙的年龄。

与此同时，一家著名的胶卷公司（柯达）的工程师史蒂文·萨松，在CCD的基础上，整合了镜头、电路等，于1975年发明了世界上第一台数码相机。这台机器重达3.9千克，只能拍黑白照片。

然而，讽刺的历史再次上演。这家胶卷公司的高层认为，一旦这种“无需胶卷”的数码相机流行开来，会严重打击公司最赚钱的胶卷业务。于是，他们雪藏了这项发明。这给了日本的相机厂商机会，他们后来居上，占领了全世界的市场。

故事还没完。CCD虽然击败了胶卷，但它自己也面临一个强大的宿敌。

还记得吗？汤普西特的CCD系统，是先把所有电荷（观众）收集起来，再辛辛苦苦地“移”出电影院。

其实，早在CCD发明的前一年（1968年），就有人提出过一种完全不同的设计思路（MOS图像传感器）。

这种思路更简单粗暴：不要“移”了，太麻烦。我们在每个像素点（每个座位）上，都直接安装一个MOS晶体管处理电路。光线一进来，就“就地”把电荷转换成电压信号。

这个想法虽好，但在当时却是个灾难。首先，在每个像素点上都塞进一个处理电路，导致“噪声”非常大（好像每个座位上都装了个大喇叭，互相干扰），成像质量很差。其次，这些电路本身也占地方，遮挡了有效的感光面积，使得它采集到的光线更少，图像更黯淡。

于是，当CCD问世后，它凭借“干净”的像素点、更小的噪声、更清晰的图像，轻松击败了MOS图像传感器。

CCD统治了市场二十年。

然而，风水轮流转。到了八九十年代，半导体制造工艺（CMOS）越来越成熟，功耗和成本都在急剧下降。而且，一位日本工程师（寺西信一）发明了一种新技术（钳位光电二极管），极大地减小了MOS传感器的噪声。

一批学者在1990年做出了第一颗单芯片CMOS图像传感器（简称CIS）。

美国国家航空航天局（NASA）下属的一个实验室（喷气动力实验室）的埃里克·福萨姆。他更关注太空应用，因为CIS比CCD更耐辐射。1993年，他发明了基于“有源像素电路”的CIS，这成为了现代CIS的主流技术。

CIS的优势是压倒性的：它将所有信号处理电路和传感器都集成在同一颗芯片上（CCD是分散的），成本更低，尺寸更小。最关键的是，它的功耗只有CCD的百分之一！

CIS的出现恰逢其时，它赶上了一个“杀手级”应用——手机。

对于手机来说，CCD那点“画质优势”无足轻重，而CIS的“高集成度、低成本、低功耗”却是致命的诱惑。2007年，CIS的市场占有率第一次超越了CCD。

如今，每一部智能手机上都集成了好几组CIS。2020年，全球CIS的出货量达到了67亿个。那个曾经被CCD击败的“loser”，上演了完美的“复仇”。

2017年，伊丽莎白女王工程奖颁发给了数字成像领域最重要的几位发明人，包括史密斯（CCD）、汤普西特（CCD图像传感器）、寺西信一（PPD）和福萨姆（CIS）。

逆转乾坤

现在，让我们把故事的指针拨回到1962年。我们已经看到了半导体如何将“光”变为“电”（太阳能电池和图像传感器）。接下来，我们要见证这个过程的伟大逆转：如何将“电”变为“光”。

这个逆转，就是LED（发光二极管）。

它的结构和太阳能电池很像，都有一个PN结。但工作原理刚好相反。在LED中，电流流过PN结时，电子会与空穴“相遇”，并“复合湮灭”。多余的能量，则以“光子”的形式释放出来。

这个“相遇”的过程，说起来容易做起来难。

我们可以用一个比喻：假设“电子”是地动仪龙口中含着的铜球，而“空穴”是下方蟾蜍张开的嘴。当铜球（电子）跌落时，如果刚好跌入蟾蜍口中（空穴），会发出“当”的一声——这就对应于“发光”。

在硅这样的半导体中，“龙口”和“蟾蜍”是对不准的，铜球掉下去只会砸在地上，几乎不能发光。而在另一些半导体（如砷化镓）中，它们刚好对准，铜球总能精准入瓮，发出清脆的响声。

龙口和蟾蜍之间的距离（能量差）越大，声响越大（光的频率越高），光就越趋近于蓝光或紫光。反之，则越趋近于红光或红外光。

1962年夏天，美国东北角的新罕布什尔州，一场半导体业界的学术会议正在大学校园里召开。气氛悠闲宜人。

而在几千公里外的加勒比海，古巴的马列尔港口，炎热、忙碌且诡异。来自苏联的货船正陆续到港，卸下大批被帆布盖住的神秘货物。

在会议上，来自麻省理工学院一个著名实验室（林肯实验室）的科研人员凯斯，展示了一项研究成果——第一颗高亮度“红外”发光二极管（红外LED）。

它由砷化镓制成，发光强度惊人。他们用它调制了视频信号，从84米高的楼顶发射到接收机。他们甚至在50千米外的山上朝实验室发射信号，也成功接收到了。

当凯斯报告这些成果时，会场里响起了一阵骚动。

凯斯继续讲道：“我们测量了LED的发光效率，达到了125%。”

“怎么可能？！”一位来自那家无线电巨头（RCA）的工程师汉克·萨默立刻站起来反对，“这明显违反了热力学第二定律！”（能量输入100%，输出125%？）

凯斯面无表情地回答：“我很抱歉。”（后来他们重新测量，修正为85%，依然非常高）

观众席爆发出了一阵笑声。

在台下，坐着两位来自一家大型电气公司（通用电气 GE）的工程师——罗伯特·霍尔和尼克·何伦亚克。他们被这个成果深深震撼了。他们意识到，只要增大这种LED的功率，并且让其发出的光子“同步”（频率和相位一致），就能制造出那个时代最热门的东西——半导体激光器！

1960年，第一台红宝石激光器才刚刚问世，引起了全球轰动。普通民众对激光充满了期待，科幻小说里的“死光”、太空大战的武器，都令人着迷。

霍尔和何伦亚克立刻意识到，从高亮度LED到激光二极管，只有一步之遥。

但这个机会，是对所有人敞开的。一场竞赛，在这个会场上悄无声息地拉开了序幕。

这场竞赛的参与者，主要有三家机构的四个团队：

领跑者的“傲慢”

麻省理工的团队开完会回去后，以为自己抢占了先机，对手应该不会那么快追上来。然而，他们被通信实验中的一些技术问题分散了注意力。这个小小的疏忽，给了对手赶超的机会。

后知后觉的追赶

在IBM，研究员马歇尔·内森是在报纸上才得知这个消息的。他的上司（兰道尔）兴奋地拿着报纸冲进会议室，指示他们立刻跟进。但内森的团队遇到了一个大麻烦：内森懂半导体，但不懂激光；他们找来的激光专家（索罗金）懂激光，但不懂半导体。两人“鸡同鸭讲”，始终无法讨论出一个可行的方案。

最大的难题是，激光需要一个“谐振腔”——简单说，就是两面相对而立的镜子，让光子在里面来回反射，不断增强。他们不知道怎么在那么小的半导体里做出这个“镜廊”。

霍尔的“童子功”

电气公司的霍尔在返回纽约州的火车上，就开始了计算。他也遇到了“谐振腔”的难题。

突然，他想到了一个绝妙的主意：根本不需要单独做镜子！只要将晶体自己的两个外侧面打磨得足够光滑，不就等于设立了两面镜子吗？

这个想法，源于他高中时的一个爱好：为了做一台望远镜，他曾经亲手打磨过镜片。

这对他来说简直是小菜一碟。他亲自动手打磨半导体晶体，没有外包，这为他赢得了宝贵的时间。

何伦亚克的“爆炸艺术”

霍尔的同事，何伦亚克，则决定另辟蹊径。他想，红外激光器肯定很多人在做，他要做就做第一个能发出“可见光”（红光）的激光器。

红光的频率高于红外光，这意味着“龙口”和“蟾蜍”的距离（能隙）要更大，难度也更大。

他想到的办法是，在“砷化镓”中掺杂“磷”，合成一种全新的合金材料“磷砷化镓”(GaAsP)。

他去找公司的晶体生长工程师，遭到了无情的嘲笑。“人们告诉我，如果我有一个化学学位而不是电子工程学位，就会知道这么做是不可能的。”

何伦亚克没有放弃。但磷这种元素很不稳定。他的实验发生了爆炸，眼睛受伤，差点失明。他甚至对自己产生了怀疑：“为什么我不回去继续研究硅，以避免被公司辞退？”

但他最终还是坚持了下来，并成功生长出了完好的磷砷化镓晶体。

1962年秋：决战时刻

时间来到1962年9月。世界的局势正滑向深渊。9月8日，苏联的中程弹道导弹秘密运抵了古巴。

风暴眼中的“哑谜”

10月18日，美国U-2侦察机拍到了导弹基地的照片。古巴导弹危机全面爆发。美国的导弹预警时间被压缩到2-3分钟。

10月24日，180艘美军舰艇全面封锁古巴。

10月25日，第八届国际电子器件会议在华盛顿特区举行。会议所在的酒店，距离白宫的直线距离仅仅2000米。

在白宫，总统和高官们正密切监视着苏联的动向。而在会议厅，这几家机构的代表们，也在紧张地关注着彼此的一举一动。

霍尔（GE）和内森（IBM）的文章都将在11月1日发表。他们都担心对方会在会议上抢先公布成果。内森和麻省理工的雷迪克，甚至都准备了一篇“备胎”论文，随时准备“掀桌子”。

会议期间，雷迪克（麻省理工）在走廊碰到了内森（IBM），他走上前说：“听着，要是你们公布结果，我们也会公布！”

10月27日，一架美国U-2飞机在古巴上空被击落。白宫的紧张气氛达到了顶点，世界离核战争只有一步之遥。

当天下午，在电子器件会议结束时，没有人公布红外激光二极管。他们都只讲了各自准备的第一篇论文。大家都松了一口气。

会后，雷迪克（麻省理工）受邀去参观何伦亚克（GE）的实验室。何伦亚克把一个浸在液氮里的磷砷化镓二极管拎了出来，通上电，发出了明亮的红光。

他似有所指地问雷迪克：“你觉得还需要些什么就能做出一个半导体激光器？你看这个二极管的光是多么明亮……”

雷迪克没有回答。回去后，他给何伦亚克寄去了一封信，信上说：“我觉得跟你在通用电气公司的雪城实验室一起玩哑谜游戏非常有趣。”

信封中，附上了他们的激光二极管的手稿。

10月28日上午，莫斯科电台突然宣布，将拆除古巴的导弹。世界恢复了原样。

10月31日，GE和IBM各自召开了新闻发布会，发布了红外激光二极管。

这场在核战阴影下激烈进行的科学竞赛，最终以一种“君子”的方式落幕了。

没有人预料到，这种红外激光二极管，要等整整20年，才迎来了它的第一个大规模应用：1982年，CD播放器问世。

跨越鸿沟与点亮蓝光

1962年的激光器虽然诞生了，但它们都有一个致命缺陷：只能在液氮冷却的低温下工作，而且只能发出短暂的脉冲，根本无法实用化。

鸿沟之上：异质结的构想

1963年，又是“同时”，两位相隔万里的科学家，独立产生了同一个天才的想法。

一位是苏联约飞物理技术研究所的若列斯·阿尔费罗夫。

另一位是在美国瓦里安公司工作的德裔科学家赫伯特·克勒默。

克勒默就是1962年夏天那场会议的听众之一。1963年春天，他在公司研讨会上，听同事报告说，业界普遍认为“能在室温下连续工作的激光器”是“根本上不可能”解决的。

为什么？因为在高温下，PN结里的电子和空穴太活跃了，会四处“逃逸”，很难让它们乖乖地“相遇”并发光。唯一的办法就是用极大的电流去“轰击”，但这又会导致器件瞬间过热烧毁。

就在同事抱怨时，一个沉睡在克勒默脑中长达6年的想法突然涌了出来。

克勒默激动地打断了同事，大声说道：“这种论断简直是一派胡言！”

他想到了什么？早在1953年，他就设想过一种“三明治”结构的晶体管。现在，他把这个想法用到了激光器上。

他的方案是：不要用一种半导体材料，而是用三种。在中间放一层“窄”禁带的半导体（“蟾蜍”比较低），在两边各放一层“宽”禁带的半导体（“龙口”比较高）。

这个“三明治”结构，在物理上会形成一个“陷阱”。当电子和空穴被注入到中间层时，它们会发现两边都是“高墙”，根本“逃逸”不出去，只能乖乖地在中间层“复合”，从而源源不断地发出激光。

这个结构，就是“双异质结”。它根本不需要极大的电流，也无需冷却。

这是一个早已存在的“答案”，在等待一个合适“问题”的出现。

然而，这个想法在当时却备受冷遇。阿尔费罗夫在苏联的实验室主任说：“异质结没什么大不了的。”克勒默在美国的公司领导则认为这“没有任何应用前景”，拒绝资助他。

克勒默后来提出了一个著名的“新技术引理”：“任何一个有足够创意的发明，它的主要应用点，过去是、将来也必定是，由这种新发明本身创造出来的。”——换句话说，在它被发明出来之前，你根本不知道它能用来干嘛。

有了想法还不够，还要做出来。这又引发了一场跨国竞争。

这一次，是阿尔费罗夫的苏联团队，和那家传奇的通信实验室（贝尔）的一个新团队（潘尼施和林厳雄）之间的竞速。

双方你追我赶，坦诚交流，彼此开放实验室。阿尔费罗夫将这场竞争称为“公开竞争的典范”。

1970年5月，阿尔费罗夫的团队成功地将电流密度降到了阈值以下，第一个实现了可以在室温下连续工作的半导体激光器！

不到一个月后，贝尔实验室的团队也实现了。

半导体异质结，是晶体管诞生以来的又一次重大突破。它为光纤通信、CD/DVD读写头铺平了道路。2000年，阿尔费罗夫和克勒默因此共同获得了诺贝尔物理学奖。

最后的拼图：绝望中的蓝光

到1972年，LED的色彩家族中已经有了红色（何伦亚克发明）和黄色（何伦亚克的学生发明）。

由彩色LED构成的画面中，只剩下了最后一块，也是最难的一块拼图——蓝光LED。

有了蓝光，就能与红光、黄光（绿光）混合，产生出白光，从而彻底颠覆人类的照明史。同时，蓝光（波长短）也是实现高密度光存储（如蓝光光碟）的关键。

然而，这块拼图耗费了研究者们近30年的时间。

问题出在材料上。要发出蓝光，需要“龙口”和“蟾蜍”的距离（能隙）非常大。科学家们尝试了多种材料，最后目光锁定在两种候选者上：

全世界的氮化镓研究者，少到“一张圆桌就能坐下”。

而我们的故事，恰恰就发生在这张“圆桌”上。主角是两位日本科学家，和一家名不见经传的“乡镇企业”。

第一位主角，是名古屋大学的赤崎勇教授。1973年，他决定开始研究氮化镓。他独自一人走进了这片“荒野之地”，并暗暗发誓，绝不停止。

第二位主角，是赤崎勇的学生，天野浩。1982年，他在选择本科毕业设计时，天真地以为制备氮化物应该比较容易，于是跳进了这个“天坑”。

第三位主角，是中村修二。他任职于德岛县阿南市的一家小型化学公司（日亚化学）。这家公司的主营业务是生产日光灯用的荧光剂。

中村修二在公司的前8年，辛辛苦苦地照着别人的方法做出了红光LED，但客户都表示怀疑：“你们这种小公司生产的东西质量有保证吗？”这让中村修二非常委屈。

他下定决心，一定要靠自己做出独特的、别人没有的东西来。他盯上了蓝光LED。

1988年，中村修二走进了会长小川信雄的办公室，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%。

会长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。他知道，在别的任何一家大公司，这种“自杀式”的研发提议，根本不可能通过。

“学院派”与“野武士”的隔空赛跑

一场持续数年的隔空竞赛开始了。一边是资源匮乏、坚持信念的“学院派”（赤崎勇和天野浩），另一边是背水一战、特立独行的“企业野武士”（中村修二）。

他们面临着共同的“三座大山”：

第一座山：晶体生长设备

在美国，中村修二主动帮忙组装实验室的新机器。但同事们看他没有博士学位，也不写论文，就把他当作一个“低级技术员”，开会不叫他，只在设备故障时找他维修。

中村修二受到了莫大的歧视。他带着这股屈辱和愤怒回到了日本，发誓要做出蓝光LED，让那些只看重论文的人目瞪口呆。

第二座山：缓冲层

氮化镓（GaN）无法直接在蓝宝石基板上完美生长（就像乐高积木的凸起和凹槽不匹配）。

第三座山：P型半导体

这是最关键的一步，是困扰了氮化镓领域20年的“幽灵”。没有P型半导体，就无法制造PN结，也就无法发光。

黎明前的黑暗

1991年8月，中村修二也做出了自己的蓝光LED，发出了紫蓝色的光。他兴冲冲地去找会长。

会长小川信雄抓起相机来到实验室，看了一眼，摇着头说：“太暗了，这样的产品根本卖不出去。”

没过多久，一个更坏的消息传来：美国的3M公司宣布，用“主流”材料硒化锌（ZnSe），做出了蓝绿色激光器！

这对中村修二无疑是个沉重的打击。他感到很绝望，这意味着他4年多的努力——远渡重洋、被人歧视、日复一日的实验——全都白费了。

不久，他去参加日本的应用物理学年会。有关氮化镓（GaN）研究的会场，只安排了一个小房间，稀稀落落地坐着5个人。

而隔壁“硒化锌”（ZnSe）的发布区，能坐500人的大讲堂挤不进去，他只能站在后面。他清楚地听到，前面一位著名教授正在高谈阔论：“听说有人还在研究氮化镓，他们真的相信用氮化镓能制造出LED吗？真是笨蛋！”

终章：点亮世界

中村修二没有放弃。他收到了美国一所大学的邀请，去参加第一届氮化镓会议。

就在这次会议上，他发现3M公司那个硒化锌激光器，虽然亮，但只能发光0.1秒，而且必须在液氮低温下。

中村修二鼓起勇气走上讲台。他说，我的氮化镓LED虽然暗，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。听众们纷纷说：“你的LED更优秀！”

赤崎勇和天野浩团队也发布了他们的成果，经过数年改进，效率达到了1%。

会议结束后，中村修二想上前认识一下赤崎勇。他耐心地等待，当机会到来时，他立刻上前，双手捧上名片：“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，无视了他。

（赤崎勇团队后来解释，他们当时经常被一个德岛大学的人“纠缠”，追问实验细节，他们怀疑中村修二派了“间谍”来打听秘密。）

新一轮的竞赛开始了。但就在这一年，赤崎勇教授63岁，达到了公立大学的退休年龄，他不得不关闭实验室，搬到一所私立大学，这导致他的团队在近一年的时间里无法正常实验。

中村修二的机会来了。

然而，他最大的阻力来自公司内部。日亚化学公司的新社长（会长的女婿）急于将这个“黯淡”的蓝光LED商品化。一张纸条出现在中村修二的办公桌上：“立刻开始推动蓝光LED的商品化”。

中村修二知道，这么微弱的光根本没用。他决定“抗命”。

他要做出更明亮的蓝光。这一次，他想到了一个“大招”——把几十年前阿尔费罗夫和克勒默发明的“异质结”技术，用到他的氮化镓上！

他拿出了“双流法”的独门秘籍，成功地在氮化镓中掺入了“铟”，做出了氮化铟镓(InGaN)材料，并制成了“双异质结”LED。

发光效率，从0.2%，提升到了3%，再到10%！

1993年11月27日，日亚化学公司正式对外公布了第一个实用的高亮度蓝光LED产品。

消息一出，立刻震惊了世界。一家日本不知名的化学企业，在所有人（包括IBM、贝尔、东芝、索尼）都放弃的“死胡同”里，第一个做出了实用的蓝光LED。

那个曾经说氮化镓研究者是“笨蛋”的日本教授，后来也转到了氮化镓研究者的行列。

1995年，中村修二将蓝光LED和黄光LED组合起来，并在外面涂上磷光剂，做出了第一个用于照明的“白光LED”。

1996年，克勒默（异质结的发明人之一）在柏林观看了中村修二的蓝光激光器演示，他低头对旁边的朋友耳语道：

“我们此刻见证了白炽灯时代的终结。”

1998年，中村修二在一次学术会议上断言，蓝光LED的研究竞赛已经结束。一位美国教授碰到他，好奇地问：“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美元的奖励。

1999年，中村修二辞职，接受了美国加州大学圣芭芭拉分校的教授职位。随后，他与老东家日亚化学公司展开了长达数年的“世纪诉讼”，最终赢得了810万美元的补偿。

2014年10月，诺贝尔物理学奖颁发给了三位“蓝光英雄”：赤崎勇、天野浩、中村修二。

85岁的赤崎勇在办公室接到了电话，距离他1973年走进“荒野”已经过去了41年。他向记者展示了一幅书法：吾道一以贯之。

天野浩在法兰克福转机时，收到了雪片般的祝贺邮件。他说，有了LED台灯和太阳能电池，从此草原上蒙古包里的孩子也能在夜晚阅读和写作业了。

中村修二是在睡梦中被电话叫醒的。他后来分享自己的成功秘诀时说，他一直保留着儿时的一个习惯——发呆。

“不断地重复实验时，我也会在实验的间隙一边看着乡下的山、水田、白云，一边发呆。在这种时候……我能够不被这些东西左右，逼近事物的本质……”

从捕捉阳光的“沙子电池”，到凝固光影的“电子之眼”，再到点亮世界的“蓝光革命”。这个关于光与电的故事，终由这群执着、叛逆、甚至有点“笨拙”的追光者们，画上了一个圆满的句号。

来源：会升级的冬瓜