與諾貝爾獎擦身而過的Nick Holonyak

任教於美國伊利諾大學香檳(Champion)校區電機系的Nick Holonyak Jr.教授，於2022年9月過世，享壽93歲。Holonyak在半導體光電領域，有著超過半個世紀的傑出貢獻。在LED以及雷射二極體的原創上，更兩度與諾貝爾物理獎插身而過。

諾貝爾委員會於2000年將其中一個物理獎頒給俄羅斯的科學家Zhores Alferov，表彰其在半導體雷射上的發明與貢獻。

Alferov於1960年代末期，第一位利用化合物半導體的異質結構，製作出能在室溫下連續操作的半導體雷射。但是Alferov所使用的是砷化鋁鎵(AlGaAs)材料系統，由電轉換為光的效率不佳，得要注入極高的電流密度才能讓光起振，所以只能維持極短的時間，不具有實用價值。

Holonyak團隊於1970年代做了很大的改良。首先使用量子井(quantum well)結構將電能轉換為光，同時在磊晶上採用四元InGaAsP化合物半導體，大幅地下降雷射光起振的電流，使得半導體雷射能夠長時間連續的操作，完成商品化的最重要一哩路。

由於Holonyak的貢獻，光纖通訊、海底光纜、光資訊儲存，乃至於網際網路才得以蓬勃的發展。當然諾貝爾委員會重視原創的發明，學術界雖對人選有不同的看法，但也只能尊重。

到了2014年諾貝爾委員會將物理獎頒給3位日本科學家，表彰其在藍光LED的發明及貢獻。

藍光LED最大的貢獻在於，是與黃色的螢光粉結合產生白光，取代自愛迪生以來的白熾燈泡，成就現在主流的固態照明。但是LED的原創，卻是Holonyak在1962年於通用電器(GE)所發明的紅光LED。此獎項一宣布，各方不同的意見蜂擁而至，諾貝爾委員會也被迫做公開的說明。

Holonyak於伊利諾大學拿到博士學位後，先在通用電器工作。當時只有利用GaAs材料的紅外線二極體，以及利用磷化鎵(GaP)材料但效率極低的可見光二極體。Holonyak卻思考將這2種材料結合成磷砷化鎵(GaAsP)，嘗試做出可見光的高效率二極體，也就是LED。

同仁皆認為Holonyak瘋了，尤其是化學家更不相信一位物理學家，有能力合成出此三元的GaAsP化合物，但是Holonyak做到了，而紅光LED至今仍在使用這個材料系統。

Holonyak還有很多的發明，至今都還被廣泛使用在光電元件的製作上，比如說利用鋁的濕式氧化所形成埋入絕緣層，至今仍是製作面射型雷射(VCSEL)的重要步驟。

Holonyak所服務的伊利諾大學，這幾十年在半導體領域的研究，一直是執學術界的牛耳，一個在美國中西部一望無際玉米田中的學校是如何做到的？這一切得從Holonyak的指導教授John Bardeen說起。

Bardeen於1947年，與另外2位貝爾實驗室(Bell Labs)科學家共同發明電晶體，在1951年受聘於伊利諾大學的物理系及電機系，而Holonyak是其在電機系所收的第一位學生。Bardeen在伊利諾大學發展出超導體的BCS理論，是目前唯一得過2次諾貝爾物理獎的學者，分別是1956年的電晶體及1972年得超導理論。Holonyak因為在通用電氣有傑出的表現，被Bardeen教授延攬回電機系任教。

Holonyak所收的第一個研究生是Greg Stillman，畢業後也是因為在外研究機構的傑出表現，延攬回母系任教。更有趣的是，Stillman教授的第一個研究生馮明(Milton Feng)，同樣因為優異的表現，回到母校任教。這是個嚴謹且能融入團隊合作的選才方式，每位加入的新成員都至少在外超過10年歷練，可帶回母系新的研究領域，並與原有的基礎相結合。

馮明與Holonyak這2位教授共同發明的高速電晶體雷射，乃這類結合的最佳典範。此外再加上其他學術機構所訓練出來的學者，包括在台灣完成大學學業的的鄭克勇及謝光前等2位教授，共同造就伊利諾大學在半導體領域不朽的基業。

我因為與馮明教授熟識，於十多年前訪問過伊利諾大學，馮教授亦來自於台灣，於高中時期就出國了。

在那次的行程，馮教授特別帶我去拜會Holonyak，並一起喝咖啡。Holonyak一如所傳說的，很少待在自己的研究室而是與學生們在研究室比鄰而坐，因為Holonyak需要隨時知道在實驗室所發生的事。Holonyak每天都是搭最早的一班公車，拎著午餐盒到實驗室。在交談過程中，因為Stillman已先過世，Holonyak還提到每天仍會想念Stillman，可見其師徒感情之深。

在離開香檳城的飛機上，往下看是綿延不絕的玉米田。Bardeen、Holonyak及Stillman這3位教授都出生及成長於美國中西部，也可能是這片玉米田，得以讓這3位傑出的學者，一脈相承，薪火相傳。