北京大学自然辩证法第七讲
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辐射试样制得氮化镓掺镁P型结晶 • 1991年秋中村助手岩佐在解决氮化镓掺镁结晶基
板弯曲变形问题时意外制得氮化镓掺镁P型结晶 • 1991年底中村解释了掺镁P型结晶形成机理
6.双异质结蓝色发光二极管正式投产
• 1991年3月研制出p-n结型氮化镓蓝色发光二极管 • 光是青紫色的，不是很亮。 • 提高氮化镓二极管的发光效率，使其亮度更高 • 使用氮化铟镓(InGaN)结晶制作双异质结 • 调整p-n结型氮化镓LED的发光波长，使其发蓝光 • 使用氮化铟镓(InGaN)结晶掺杂 • 1993年3月制成高亮度双异质结蓝色LED。 • 1993年11月底高亮度蓝光LED投产Baidu Nhomakorabea市。 • 当时，红色、黄色、橙色、黄绿色LED已经上市 • 蓝色的也已上市，只是亮度只有10md，波长达
东京：由25只蓝光LED组成的光溪谷
日本：植物工厂改用LED灯精细照明
美军：测试用LED灯在潜艇中种植蔬果
LED发光示意图
颜色与波长的关系
色光三原色
白色LED照明
白色LED照明类型
灯光照明与LED
• 白炽灯寿命 1千小时 • 荧光灯寿命 1万小时 • LED灯寿命 10万小时
• LED属于冷光源，没有红外和紫外耗损。在同样 亮度下，LED耗电量仅为:
自然辩证法讲
100871北京大学科学与社会研究中心 E-mail:zhoucheng@pku.edu.cn
授课专题
• 第一讲：自然辩证法绪论 • 第二讲：科学技术在西方——通往近代科学诞生之路 • 第三讲：科学技术在西方——近代科学与技术的发展 • 第四讲：科学技术在中国——中国古代的科学技术 • 第五讲：科学技术在中国——当代中国的科技创新态势 • 第六讲：科学方法论案例分析——荧光蛋白的发现与应用 • 第七讲：技术方法论案例分析——蓝光LED技术的发明 • 第八讲：科学技术与社会发展——以汉字激光照排为例
引言
• 中国政府近年多次强调要大力实施创新驱 动发展战略。
• 实施创新驱动发展战略必须破解原创性科 技成果过少难题。
• 中国的原创性科技成果数量与质量与其大 国地位并不相称。
主要国家国际论文占有率
中国顶尖论文的发表情况不佳！
• Science刊载论文占比
• Nature刊载论文占比
主要国家的国内外专利申请情况
题 为何中村要将日亚告上法庭？知识产权问题
1.通往日亚化学工业公司之路
• 1954年5月22日出生于日本四国岛上的爱媛县 • 兄弟4人，父亲是“周末工匠” • 1973年4月考入四国岛上的国立德岛大学 • 自制实验仪器，习得焊接和机加工技术 • 1979年德岛大学工学院电子工程学系硕士毕业 • 硕士一年级时结婚，二年级时有了女儿 • 通过导师介绍进入不到200人的家族企业 • 最大的荧光材料生产厂家，年销售额30亿日元
3.决定用MOVPE法制备氮化镓薄膜
• 两种半导体化合物材料： • 硒化锌（ZnSe）：研究的人多 • 氮化镓（GaN）：难度大 • 此外，两者加热后都像樟脑丸一样直接气化 • 两种气相外延生长法： • MBE法：太贵、效率低 • MOVPE法：熟悉的人不多 • 到佛罗里达大学留学一年 • 制作MOVPE装置花了9个月
用于研制蓝色LED的半导体材料
4.高质量氮化镓单晶体薄膜的研制
• 1989年3月回国，使用定制的2亿日元装置无果 • 1989年7月开始改造加热装置、配管、喷嘴等 • 1990年9月使用双气流法试制出氮化镓薄膜 • 1990年10月申请了Two-Flow MOCVD法专利 • 1990年底再现氮化镓薄膜成功，质量世界第一 • 1991年1月用同质材料制作低温缓冲层取得成功 • 制作出质量最高的氮化镓单晶体薄膜 • 同时申请了两步成膜法专利
放弃电磁线圈加热法
赤崎勇的送气方法
改用双气流法
中村的TF-MOCVD
赤崎勇使用氮化铝做缓冲层
中村使用氮化镓做缓冲层
5.氮化镓P型结晶制造技术的开发
• 氮化镓N型结晶并不难制备 • 氮化镓P型结晶的制备乃世界性难题 • 1989年赤崎勇制成了氮化镓掺镁P型结晶 • 低能电子束辐射 • 1991年2月中村助手妹尾用电子束蒸镀电极装置
2014年的诺奖得主：中村修二
中村当时所在的日亚化学工业公司
– 日亚化学工业公司位于 日本四国岛上的德岛县
– 原本只是一个员工不到 200人、产值不到30亿 日元的“乡镇”企业
– 现在员工超过8000人 ，产值超过3000亿日 元
蓝色发光二极管的使用：2008年奥运
北京：2014年APEC峰会上的照明盛宴
中国的专利族申请量明显偏低！
2014年诺奖得主中村修二案例意义
• 中国的原创性科技成果过少原因何在？ • 领军人物不足问题 • 经费投入不当问题 • 实验装置不精问题 • 考察2014年诺贝尔物理学奖得主中村修二在日亚
公司研制蓝色LED案例，无疑有助于我们思考如 何促进颠覆性技术创新、破解原创性科技成果少 之难题。
2.蓝色发光二极管选题的确立经纬
• 第一个学电子工程的员工，开发科只有3人 • 根据销售部门的建议确立研发课题 Pull • 1979-1982，研制磷化镓（GaP）多晶体 • 1982-1985，研制砷化镓（GaAs）结晶 • 1985-1988，研制砷化镓（GaAs）和砷化
铝（AlAs）混晶薄膜 • 根据科技发展趋势主动提出选题 Push • 蓝色发光二极管：市场前景大，大企业没
• 普通白炽灯的1/10 • 荧光灯的1/2。 • 节能减排意义重大：目前，照明消耗了全球发电
量的近1/4，超过了水力和核能发电量的总和。
全球各地LED生产厂家（2004）
主要厂家白色LED市场占有率（2006）
二、中村修二的研发经纬
问题的提起 为何中村在日亚能搞出蓝色LED？实验装置
问题 为何中村要离开日亚转投美国？激励机制问
• 实际上，中国的原创性科技成果过少与我们对技 术创新方法的理解不到位也有一定的关联。
一、情况简介
2014年的诺贝尔物理学奖
• 中村修二是2014年诺贝尔物理学奖三名获奖者之一 • 两外两名是日本的一对师生（赤崎勇，天野浩） • 赤崎勇和天野浩排名在先、中村修二排名在后。 • 获奖时中村是日裔美籍学者，就职于UCSB。 • 获奖理由是发明高效率蓝色发光二极管。
板弯曲变形问题时意外制得氮化镓掺镁P型结晶 • 1991年底中村解释了掺镁P型结晶形成机理
6.双异质结蓝色发光二极管正式投产
• 1991年3月研制出p-n结型氮化镓蓝色发光二极管 • 光是青紫色的，不是很亮。 • 提高氮化镓二极管的发光效率，使其亮度更高 • 使用氮化铟镓(InGaN)结晶制作双异质结 • 调整p-n结型氮化镓LED的发光波长，使其发蓝光 • 使用氮化铟镓(InGaN)结晶掺杂 • 1993年3月制成高亮度双异质结蓝色LED。 • 1993年11月底高亮度蓝光LED投产Baidu Nhomakorabea市。 • 当时，红色、黄色、橙色、黄绿色LED已经上市 • 蓝色的也已上市，只是亮度只有10md，波长达
东京：由25只蓝光LED组成的光溪谷
日本：植物工厂改用LED灯精细照明
美军：测试用LED灯在潜艇中种植蔬果
LED发光示意图
颜色与波长的关系
色光三原色
白色LED照明
白色LED照明类型
灯光照明与LED
• 白炽灯寿命 1千小时 • 荧光灯寿命 1万小时 • LED灯寿命 10万小时
• LED属于冷光源，没有红外和紫外耗损。在同样 亮度下，LED耗电量仅为:
自然辩证法讲
100871北京大学科学与社会研究中心 E-mail:zhoucheng@pku.edu.cn
授课专题
• 第一讲：自然辩证法绪论 • 第二讲：科学技术在西方——通往近代科学诞生之路 • 第三讲：科学技术在西方——近代科学与技术的发展 • 第四讲：科学技术在中国——中国古代的科学技术 • 第五讲：科学技术在中国——当代中国的科技创新态势 • 第六讲：科学方法论案例分析——荧光蛋白的发现与应用 • 第七讲：技术方法论案例分析——蓝光LED技术的发明 • 第八讲：科学技术与社会发展——以汉字激光照排为例
引言
• 中国政府近年多次强调要大力实施创新驱 动发展战略。
• 实施创新驱动发展战略必须破解原创性科 技成果过少难题。
• 中国的原创性科技成果数量与质量与其大 国地位并不相称。
主要国家国际论文占有率
中国顶尖论文的发表情况不佳！
• Science刊载论文占比
• Nature刊载论文占比
主要国家的国内外专利申请情况
题 为何中村要将日亚告上法庭？知识产权问题
1.通往日亚化学工业公司之路
• 1954年5月22日出生于日本四国岛上的爱媛县 • 兄弟4人，父亲是“周末工匠” • 1973年4月考入四国岛上的国立德岛大学 • 自制实验仪器，习得焊接和机加工技术 • 1979年德岛大学工学院电子工程学系硕士毕业 • 硕士一年级时结婚，二年级时有了女儿 • 通过导师介绍进入不到200人的家族企业 • 最大的荧光材料生产厂家，年销售额30亿日元
3.决定用MOVPE法制备氮化镓薄膜
• 两种半导体化合物材料： • 硒化锌（ZnSe）：研究的人多 • 氮化镓（GaN）：难度大 • 此外，两者加热后都像樟脑丸一样直接气化 • 两种气相外延生长法： • MBE法：太贵、效率低 • MOVPE法：熟悉的人不多 • 到佛罗里达大学留学一年 • 制作MOVPE装置花了9个月
用于研制蓝色LED的半导体材料
4.高质量氮化镓单晶体薄膜的研制
• 1989年3月回国，使用定制的2亿日元装置无果 • 1989年7月开始改造加热装置、配管、喷嘴等 • 1990年9月使用双气流法试制出氮化镓薄膜 • 1990年10月申请了Two-Flow MOCVD法专利 • 1990年底再现氮化镓薄膜成功，质量世界第一 • 1991年1月用同质材料制作低温缓冲层取得成功 • 制作出质量最高的氮化镓单晶体薄膜 • 同时申请了两步成膜法专利
放弃电磁线圈加热法
赤崎勇的送气方法
改用双气流法
中村的TF-MOCVD
赤崎勇使用氮化铝做缓冲层
中村使用氮化镓做缓冲层
5.氮化镓P型结晶制造技术的开发
• 氮化镓N型结晶并不难制备 • 氮化镓P型结晶的制备乃世界性难题 • 1989年赤崎勇制成了氮化镓掺镁P型结晶 • 低能电子束辐射 • 1991年2月中村助手妹尾用电子束蒸镀电极装置
2014年的诺奖得主：中村修二
中村当时所在的日亚化学工业公司
– 日亚化学工业公司位于 日本四国岛上的德岛县
– 原本只是一个员工不到 200人、产值不到30亿 日元的“乡镇”企业
– 现在员工超过8000人 ，产值超过3000亿日 元
蓝色发光二极管的使用：2008年奥运
北京：2014年APEC峰会上的照明盛宴
中国的专利族申请量明显偏低！
2014年诺奖得主中村修二案例意义
• 中国的原创性科技成果过少原因何在？ • 领军人物不足问题 • 经费投入不当问题 • 实验装置不精问题 • 考察2014年诺贝尔物理学奖得主中村修二在日亚
公司研制蓝色LED案例，无疑有助于我们思考如 何促进颠覆性技术创新、破解原创性科技成果少 之难题。
2.蓝色发光二极管选题的确立经纬
• 第一个学电子工程的员工，开发科只有3人 • 根据销售部门的建议确立研发课题 Pull • 1979-1982，研制磷化镓（GaP）多晶体 • 1982-1985，研制砷化镓（GaAs）结晶 • 1985-1988，研制砷化镓（GaAs）和砷化
铝（AlAs）混晶薄膜 • 根据科技发展趋势主动提出选题 Push • 蓝色发光二极管：市场前景大，大企业没
• 普通白炽灯的1/10 • 荧光灯的1/2。 • 节能减排意义重大：目前，照明消耗了全球发电
量的近1/4，超过了水力和核能发电量的总和。
全球各地LED生产厂家（2004）
主要厂家白色LED市场占有率（2006）
二、中村修二的研发经纬
问题的提起 为何中村在日亚能搞出蓝色LED？实验装置
问题 为何中村要离开日亚转投美国？激励机制问
• 实际上，中国的原创性科技成果过少与我们对技 术创新方法的理解不到位也有一定的关联。
一、情况简介
2014年的诺贝尔物理学奖
• 中村修二是2014年诺贝尔物理学奖三名获奖者之一 • 两外两名是日本的一对师生（赤崎勇，天野浩） • 赤崎勇和天野浩排名在先、中村修二排名在后。 • 获奖时中村是日裔美籍学者，就职于UCSB。 • 获奖理由是发明高效率蓝色发光二极管。