上帝說，要有光，這個(gè)世界上便有了光。普羅米修斯說，要有火種，于是他為人類盜來火種，受到了殘酷懲罰�？墒侨祟惒粷M足地說，要有更好的光源，于是這個(gè)世界上誕生了LED。
LED全名為發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode），無論是應(yīng)用于圖像顯示還是作為照明設(shè)備，如今已隨處可見。而制造出白光LED，不管是曲折的過程還是劃時(shí)代的意義，均能與普羅米修斯盜火種相媲美。
10月7日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)聯(lián)合授予日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩以及任教于美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的美籍日裔科學(xué)家中村修二。
正是他們的通力合作、互為階梯，研制出了藍(lán)色發(fā)光二極管，才使得“生成明亮且節(jié)能的白色光源成為可能”。
從光芒黯淡走向明亮多彩
在普羅米修斯為人類取來火種之后，在愛迪生發(fā)明電燈之前，人類歷史的漫漫歲月中，照明都是借助蠟燭、油燈等火源的熱輻射光，不僅發(fā)光效率極低，發(fā)光質(zhì)量也差強(qiáng)人意。
進(jìn)入20世紀(jì)，愛迪生發(fā)明的白熾燈擔(dān)當(dāng)起了人類的照明大任。之后，人類社會(huì)的電光源家族不斷推陳出新，產(chǎn)生了熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈、LED燈等新成員。在“照明家族”里，LED是最年輕的“小弟”，但卻最出類拔萃。
在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)上，“小弟”LED交出了一份漂亮的成績單：它最近創(chuàng)造的實(shí)驗(yàn)室紀(jì)錄為303流明/瓦，發(fā)光效率為普通燈泡的30倍。
然而，它剛“出生”時(shí)，卻光芒黯淡，差點(diǎn)被人類放棄。
暨南大學(xué)理工學(xué)院教授、中國白光LED可見光通信創(chuàng)始人陳長纓介紹，LED的發(fā)光原理其實(shí)很簡單。發(fā)光二極管由半導(dǎo)體芯片組成，這些半導(dǎo)體材料預(yù)先通過注入或摻雜等工藝產(chǎn)生了n、p兩極。在n極這一端，帶負(fù)電的電子是自由的，而在p極這端，帶正電的空穴是自由的。加上正向電壓后，電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（陰極），在n、p兩極的交界處，電子與空穴“湮滅”，釋放出的能量就以光的形式發(fā)射出來。
1907年，科學(xué)家第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實(shí)際應(yīng)用，研究被摒棄了。20世紀(jì)20年代晚期，科學(xué)家使用鋅硫化物與銅中提煉的黃磷發(fā)光，卻再一次因?yàn)榘l(fā)光黯淡而停止。
20世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家在電致發(fā)光的實(shí)驗(yàn)中使用半導(dǎo)體砷化鎵，發(fā)明了第一個(gè)具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。第一個(gè)商用LED僅僅能發(fā)出不可見的紅外光，但卻迅速應(yīng)用于傳感與通信領(lǐng)域。
20世紀(jì)60年代末，通過在砷化鎵基體上使用磷化物，第一個(gè)紅光LED問世。20世紀(jì)70年代中期，以磷化鎵為半導(dǎo)體芯片的綠光LED被研制出。而采用雙層磷化鎵芯片（一個(gè)是紅色一個(gè)是綠色）的LED能發(fā)出黃色光。俄國科學(xué)家也利用金剛砂（碳化硅）制造出發(fā)出黃光的LED。通過工藝改進(jìn)，這些顏色的LED燈光也變得越來越明亮。
他們?nèi)砹怂{(lán)光的“火種”
紅綠黃的LED都陸續(xù)被發(fā)明，但藍(lán)光LED卻遲遲沒有進(jìn)展。沒有藍(lán)光LED，便無法制造出白光LED，LED照明的功能便不存在。
陳長纓告訴南方日報(bào)記者，其實(shí)，比起照明的需求，人們爭相研究藍(lán)光LED最原始的動(dòng)力來自于電子圖像顯示。集齊紅綠藍(lán)三原色的LED就能在電子顯示屏上配出千萬種顏色。雖然紅綠兩色LED已經(jīng)發(fā)明，但因?yàn)楠?dú)獨(dú)缺了藍(lán)光LED，在半導(dǎo)體領(lǐng)域包含所有顏色的全彩顯示也就無從談起。
以往的晶體材料和工藝都沒辦法產(chǎn)生能量更高的藍(lán)光，需要尋找新的半導(dǎo)體材料。
“這種材料其實(shí)已經(jīng)準(zhǔn)備好了。”陳長纓介紹，這種能激發(fā)更高能量的材料就是氮化鎵。
但問題是怎樣把它做成半導(dǎo)體材料。“以前的半導(dǎo)體發(fā)光材料很容易就能形成純正的單晶，做出大塊的晶體。但氮化鎵天生就難以生長出整塊單晶。”陳長纓說。
當(dāng)時(shí)日本的各研究所和公司都在進(jìn)行著研制氮化鎵晶體的競賽。1986年，日本科學(xué)家赤崎勇和他的學(xué)生天野浩成功生長出透明、沒有表面崩裂的氮化鎵薄膜。
稍后，赤崎勇等人又進(jìn)一步改善了氮化鎵薄膜的工藝，生長出的氮化鎵薄膜具有完美的晶格排列。1989年，天野浩等利用低能電子輻照，使用了鎂摻雜和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積生長技術(shù)，獲得了低阻P型氮化鎵。
1992年，中村修二在日本日亞化學(xué)公司工作，主要開發(fā)磷化鎵、砷化鎵等LED材料。他以不同于天野浩的工藝研制出了低阻P型氮化鎵，還生長出了銦鎵化氮的薄膜，這種薄膜通過調(diào)節(jié)銦的摻入，能夠激發(fā)出從綠光到紫外光范圍內(nèi)的不同波長的光。
1993年，中村修二展示出了第一顆使用銦鎵化氮/氮化鎵材料系統(tǒng)的藍(lán)光LED。因制作出第一顆藍(lán)光LED及藍(lán)光LD，他被譽(yù)為“藍(lán)光LED之父”。
在藍(lán)光LED的基礎(chǔ)上，日亞公司進(jìn)一步在藍(lán)光LED晶片上覆蓋黃綠光熒光粉。藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃綠光，黃綠光再和剩余的藍(lán)光進(jìn)一步合成白光。白光LED由此誕生。
陳長纓介紹，白熾燈電能轉(zhuǎn)化為光能的轉(zhuǎn)化率僅為1%—2%，而LED的電光轉(zhuǎn)換效率理論上超過50%。它需要的電壓很低，幾個(gè)伏特就能發(fā)光。更值得一提的是，LED壽命高達(dá)10萬小時(shí)，一盞LED燈能做到點(diǎn)亮10年以上。
“沒有藍(lán)光LED的發(fā)明，中國整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)就不可能存在。諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給能夠深刻改變?nèi)祟惿畹膫ゴ蟀l(fā)明，是評(píng)獎(jiǎng)的應(yīng)有之義。”陳長纓說。
