上帝說，要有光，這個世界上便有了光。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。可是人類不滿足地說，要有更好的光源，于是這個世界上誕生了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)量也差強人意。

進入20世紀，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，人類社會的電光源家族不斷推陳出新，產(chǎn)生了熒光燈、高強度氣體放電燈、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)獎新聞發(fā)布會上，“小弟”LED交出了一份漂亮的成績單：它最近創(chuàng)造的實驗室紀錄為303流明/瓦，發(fā)光效率為普通燈泡的30倍。

然而，它剛“出生”時，卻光芒黯淡，差點被人類放棄。

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，不適合實際應(yīng)用，研究被摒棄了。20世紀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，卻再一次因為發(fā)光黯淡而停止。

20世紀50年代，英國科學(xué)家在電致發(fā)光的實驗中使用半導(dǎo)體砷化鎵，發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。第一個商用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60年代末，通過在砷化鎵基體上使用磷化物，第一個紅光LED問世。20世紀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(一個是紅色一個是綠色)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，這些顏色的LED燈光也變得越來越明亮。

他們?nèi)砹怂{光的“火種”

紅綠黃的LED都陸續(xù)被發(fā)明，但藍光LED卻遲遲沒有進展。沒有藍光LED，便無法制造出白光LED，LED照明的功能便不存在。

陳長纓表示，其實，比起照明的需求，人們爭相研究藍光LED最原始的動力來自于電子圖像顯示。集齊紅綠藍三原色的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，但因為獨獨缺了藍光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)生能量更高的藍光，需要尋找新的半導(dǎo)體材料。

“這種材料其實已經(jīng)準備好了。”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)時日本的各研究所和公司都在進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)的藍光LED。因制作出第一顆藍光LED及藍光LD，他被譽為“藍光LED之父”。

在藍光LED的基礎(chǔ)上，日亞公司進一步在藍光LED晶片上覆蓋黃綠光熒光粉。藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃綠光，黃綠光再和剩余的藍光進一步合成白光。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，幾個伏特就能發(fā)光。更值得一提的是，LED壽命高達10萬小時，一盞LED燈能做到點亮10年以上。

“沒有藍光LED的發(fā)明，中國整個LED產(chǎn)業(yè)就不可能存在。諾貝爾獎頒給能夠深刻改變?nèi)祟惿畹膫ゴ蟀l(fā)明，是評獎的應(yīng)有之義。”陳長纓說。