藍(lán)光LED

       2014年，日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國加利福尼亞大學(xué)教授中村修二因“發(fā)明高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管，帶來了節(jié)能明亮的白色光源”共同獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 

簡介

      2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。因發(fā)明“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”，日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學(xué)家中村修二共獲殊榮。發(fā)光二極管的英文簡稱是LED，對(duì)于這個(gè)詞，大多數(shù)國內(nèi)讀者應(yīng)不會(huì)陌生，因?yàn)長ED燈已大量應(yīng)用于我國室內(nèi)外照明等領(lǐng)域，逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明設(shè)備，成為節(jié)能、環(huán)保、智能化照明的代表。

      1973年，在松下電器公司東京研究所的赤崎勇開始了藍(lán)光LED的研究。后來，赤崎勇和弟子天野浩在名古屋大學(xué)合作進(jìn)行了藍(lán)光LED的基礎(chǔ)性研發(fā)，1989年首次研發(fā)成功了藍(lán)光LED。1993年，在日本日亞化工（Nichia）工作的中村修二成功把氮滲入，發(fā)明了基于寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）的具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的藍(lán)光LED，從而引發(fā)了照明技術(shù)革新，這類LED在1990年代后期得到廣泛應(yīng)用。

　　在中村修二研制成功突破性的藍(lán)光LED技術(shù)之后，日亞化學(xué)剝奪了他的專利權(quán)，根據(jù)日本傳統(tǒng)，員工必須為公司犧牲一切，對(duì)公司而言，科學(xué)家和工程師就跟普通的員工沒有什么兩樣，因此也根本不可能跟他們簽訂類似美國公司中那種規(guī)定個(gè)人科研成果的利益分成協(xié)議。當(dāng)時(shí)日亞化學(xué)公司付給中村修二有關(guān)他發(fā)明藍(lán)光LED的獎(jiǎng)金僅有區(qū)區(qū)2萬日元，按照當(dāng)時(shí)的匯率約為200美元。于是在2001年，憤怒的中村修二將自己的雇主告上法庭。最終法院裁決日亞化學(xué)公司應(yīng)當(dāng)支付給中村修二200億日元，按照當(dāng)時(shí)匯率約合2億美元的費(fèi)用。這一巨大的金額震驚了當(dāng)時(shí)的日本社會(huì)，但法院認(rèn)為這一判決是相當(dāng)公正的，因?yàn)樗麄冊(cè)u(píng)估后認(rèn)為中村修二的發(fā)明成果至少價(jià)值600億日元（約合5.8億美元）。但當(dāng)事方日亞化學(xué)公司不服裁決并向高等法院提起上訴，最終歷經(jīng)4年拉鋸戰(zhàn)，高等法院最終裁定日亞化學(xué)公司償付中村修二8.4億日元，按當(dāng)時(shí)匯率約折合810萬美元的費(fèi)用。中村修二無奈接受了這一結(jié)果。

功能

      正是由于藍(lán)色LED的發(fā)明為人類帶來新“光明”，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位為LED照明起到奠基作用的科學(xué)家。
      值得一提的是，中村修二與上?？蒲袡C(jī)構(gòu)有著密切合作。作為國家半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心顧問、復(fù)旦大學(xué)兼職教授，他推動(dòng)了LED在上海世博會(huì)的應(yīng)用，并正在幫助上海科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)半導(dǎo)體藍(lán)色激光器，為新一代“激光電視”提供核心部件。

年僅“20歲”的發(fā)明

      據(jù)國家半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心副主任楊衛(wèi)橋介紹，紅色、綠色發(fā)光二極管在上世紀(jì)中葉已經(jīng)問世，但要把發(fā)光二極管用于照明，必須發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管，因?yàn)橛辛思t、綠、藍(lán)三原色后，才能產(chǎn)生照亮世界的白色光源。遺憾的是，藍(lán)色發(fā)光二極管的制備技術(shù)困擾了人類30多年。
      上世紀(jì)80年代，在日本名古屋大學(xué)工作的赤崎勇和天野浩選擇氮化鎵材料，向藍(lán)色發(fā)光二極管這個(gè)世界難題發(fā)起挑戰(zhàn)。1986年，兩人首次制成高質(zhì)量的氮化鎵晶體；1989年首次研發(fā)成功藍(lán)光LED。
從1988年起，當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)公司工作的中村修二也開始研發(fā)藍(lán)光二極管。與兩位日本同行一樣，他選擇的也是氮化鎵材料，但在技術(shù)路線上并不相同。上世紀(jì)90年代初，中村修二也研制出了藍(lán)色發(fā)光二極管。與名古屋大學(xué)團(tuán)隊(duì)相比，他發(fā)明的技術(shù)更簡單，成本也更低。
至此，將LED用于照明的最大技術(shù)障礙已被掃除，被譽(yù)為“人類歷史上第四代照明”的LED燈呼之欲出。
      按照諾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)的說法，這項(xiàng)只有“20歲”的“年輕”發(fā)明之所以獲獎(jiǎng)，是因?yàn)檫@種用全新方式創(chuàng)造的白色光源已經(jīng)“讓我們所有人受益”?！八麄兊陌l(fā)明具有革命性，”聲明說，“白熾燈點(diǎn)亮了20世紀(jì)，21世紀(jì)將由LED燈點(diǎn)亮?！?br>與白熾燈、熒光燈相比，LED能耗更低，壽命更長，而且可實(shí)現(xiàn)智能化操控，是節(jié)能環(huán)保的“綠色照明”。因此進(jìn)入市場(chǎng)后，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。國家半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心經(jīng)理?xiàng)顫嵪杞榻B，我國2010年的LED產(chǎn)值是700多億元；　而到了2013年，全年產(chǎn)值猛增到5000多億元。家庭、辦公、道路等各種場(chǎng)所的照明以及絢爛的景觀燈光，這些市場(chǎng)“主力軍”如今都是LED。“前幾年談到LED，我們需要對(duì)公眾進(jìn)行科普，現(xiàn)在家里裝修，老百姓都會(huì)考慮買這種比傳統(tǒng)節(jié)能燈更節(jié)能的燈具?！?/p>

特點(diǎn)

      節(jié)能、壽命長、亮度高 

構(gòu)成原理

      發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對(duì)應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

      1973年，在松下電器公司東京研究所的赤崎勇開始了藍(lán)光LED的研究。后來，赤崎勇和弟子天野浩在名古屋大學(xué)合作進(jìn)行了藍(lán)光LED的基礎(chǔ)性研發(fā)，1989年首次研發(fā)成功了藍(lán)光LED。1993年，在日本日亞化工（Nichia）工作的中村修二成功把氮滲入，發(fā)明了基于寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）的具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的藍(lán)光LED，從而引發(fā)了照明技術(shù)革新，這類LED在1990年代后期得到廣泛應(yīng)用。

制備難度

       藍(lán)光LED的制備難度主要在于其材料特性和制造工藝的復(fù)雜性。

       藍(lán)光LED之所以難做，主要可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面的原因：

       材料選擇的挑戰(zhàn)：藍(lán)光LED需要具有較大禁帶寬度的材料。與紅光和黃光LED相比，藍(lán)光LED所需的材料研究時(shí)間相對(duì)較短，制造成本高，且工藝尚未達(dá)到完美的狀態(tài)。紅光和黃光LED所需要的材料禁帶寬度小，例如In、Ga、Al的磷化物和砷化物，這些材料已經(jīng)過多年研究，工藝成熟，因此相對(duì)容易制造。而對(duì)于藍(lán)光LED，雖然In、Ga、Al的氮化物可以滿足要求，但這些材料的研究時(shí)間較短，制造工藝也相對(duì)復(fù)雜。

       工藝控制的難度：藍(lán)光LED的制造需要高精度的工藝控制，包括外延生長、芯片制作、封裝等步驟。其中，外延生長是制備LED器件的關(guān)鍵步驟之一，需要嚴(yán)格控制沉積溫度、氣流速度和反應(yīng)氣體比例等參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的氮化鎵材料。此外，還需要精確的摻雜控制和高分辨率的制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)藍(lán)光的高效發(fā)射。

       生產(chǎn)過程中的問題：在LED生產(chǎn)過程中，還存在一些難以避免的問題，如難以去除污染物和氧化層，這可能會(huì)影響LED的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，支架和膠體的結(jié)合也可能不夠緊密，導(dǎo)致空氣進(jìn)入氧化電極和支架的表面，從而影響LED的質(zhì)量。

       綜上所述，藍(lán)光LED的制造難度主要來源于材料選擇的挑戰(zhàn)、工藝控制的難度以及生產(chǎn)過程中的問題。然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，這些問題正在逐步得到解決，藍(lán)光LED的制造工藝也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化。

為什么難做

       藍(lán)光LED之所以難做，主要是由于以下幾個(gè)方面的原因：

一、材料選擇與技術(shù)挑戰(zhàn)

       1、禁帶寬度要求：從物理學(xué)角度來說，波長越短，單個(gè)光子的能量越大，所需要的電子躍遷能級(jí)差越高。發(fā)光二極管是依靠半導(dǎo)體重電子與空穴結(jié)合時(shí)釋放出的光子發(fā)光的，因此要制造藍(lán)光LED所需要的材料的禁帶寬度要比綠光和紅光大的多。

       2、氮化鎵材料的難度：藍(lán)光LED的發(fā)光材料主要是氮化鎵（GaN）及其相關(guān)化合物。然而，氮化鎵材料的生長制備極其困難。首先，制備氮化鎵的基板就很困難，氮化鎵是極其穩(wěn)定的材料，其熔點(diǎn)高達(dá)2791K，融解壓4.5GPa，如此的高溫高壓條件對(duì)制備工藝提出了極高的要求。

二、歷史研發(fā)過程

       1、長期未突破：在紅光LED和綠光LED問世后，藍(lán)光LED的研發(fā)就提上了日程。然而，這個(gè)過程異常艱難，科學(xué)家們努力了20至30年都沒有取得突破性進(jìn)展。甚至到后來，學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界幾乎放棄了藍(lán)光LED的研發(fā)，并發(fā)展了很多理論去解釋為什么做不出藍(lán)光LED。

       2、中村修二的貢獻(xiàn)：最終，是日本科學(xué)家中村修二等人堅(jiān)持不懈地努力，通過改進(jìn)制備工藝和材料選擇，成功發(fā)明了藍(lán)光LED。這一發(fā)明不僅推翻了之前的很多理論，也為LED照明技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、市場(chǎng)與應(yīng)用

       1、白光LED的基石：藍(lán)光LED的發(fā)明使得白光LED的制造成為可能。通過將藍(lán)光LED與熒光粉結(jié)合，可以激發(fā)出白光，從而廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域。

       2、成本與效率：雖然藍(lán)光LED的制造難度較高，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐漸降低，藍(lán)光LED已經(jīng)越來越成熟地應(yīng)用于各種場(chǎng)景。

       綜上所述，藍(lán)光LED之所以難做，主要是由于材料選擇與技術(shù)挑戰(zhàn)、歷史研發(fā)過程的曲折以及市場(chǎng)與應(yīng)用的需求等多方面因素共同作用的結(jié)果。不過，隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，藍(lán)光LED的制造和應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛和成熟。