上帝說(shuō)，要有光，這個(gè)世界上便有了光。普羅米修斯說(shuō)，要有火種，于是他為人類(lèi)盜來(lái)火種，受到了殘酷懲罰�？墒侨祟�(lèi)不滿(mǎn)足地說(shuō)，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(wú)論是應用于圖像顯示還是作為照明設備，如今已隨處可見(jiàn)。而制造出白光LED，不管是曲折的過(guò)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(lèi)取來(lái)火種之后，在愛(ài)迪生發(fā)明電燈之前，人類(lèi)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(jìn)入20世紀，愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈擔當起了人類(lèi)的照明大任。之后，人類(lèi)社會(huì )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(lèi)拔萃。
在諾貝爾物理學(xué)獎新聞發(fā)布會(huì )上，“小弟”LED交出了一份漂亮的成績(jì)單：它最近創(chuàng )造的實(shí)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(shí)，卻光芒黯淡，差點(diǎn)被人類(lèi)放棄。
暨南大學(xué)理工學(xué)院教授、中國白光LED可見(jiàn)光通信創(chuàng )始人陳長(cháng)纓介紹，LED的發(fā)光原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。發(fā)光二極管由半導體芯片組成，這些半導體材料預先通過(guò)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(yáng)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(lái)。
1907年，科學(xué)家第一次在一塊碳化硅里觀(guān)察到電致發(fā)光現象，由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實(shí)際應用，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(shí)驗中使用半導體砷化鎵，發(fā)明了第一個(gè)具有現代意義的LED，并于60年代面世。第一個(gè)商用LED僅僅能發(fā)出不可見(jiàn)的紅外光，但卻迅速應用于傳感與通信領(lǐng)域。
20世紀60年代末，通過(guò)在砷化鎵基體上使用磷化物，第一個(gè)紅光LED問(wèn)世。20世紀70年代中期，以磷化鎵為半導體芯片的綠光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(guò)工藝改進(jìn)，這些顏色的LED燈光也變得越來(lái)越明亮。
他們取來(lái)了藍光的“火種”
紅綠黃的LED都陸續被發(fā)明，但藍光LED卻遲遲沒(méi)有進(jìn)展。沒(méi)有藍光LED，便無(wú)法制造出白光LED，LED照明的功能便不存在。
陳長(cháng)纓告訴南方日報記者，其實(shí)，比起照明的需求，人們爭相研究藍光LED最原始的動(dòng)力來(lái)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(wàn)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，在半導體領(lǐng)域包含所有顏色的全彩顯示也就無(wú)從談起。
以往的晶體材料和工藝都沒(méi)辦法產(chǎn)生能量更高的藍光，需要尋找新的半導體材料。
“這種材料其實(shí)已經(jīng)準備好了。”陳長(cháng)纓介紹，這種能激發(fā)更高能量的材料就是氮化鎵。
但問(wèn)題是怎樣把它做成半導體材料。“以前的半導體發(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(cháng)出整塊單晶。”陳長(cháng)纓說(shuō)。
當時(shí)日本的各研究所和公司都在進(jìn)行著(zhù)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(cháng)出透明、沒(méi)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(cháng)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(cháng)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(kāi)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(cháng)出了銦鎵化氮的薄膜，這種薄膜通過(guò)調節銦的摻入，能夠激發(fā)出從綠光到紫外光范圍內的不同波長(cháng)的光。
1993年，中村修二展示出了第一顆使用銦鎵化氮/氮化鎵材料系統的藍光LED。因制作出第一顆藍光LED及藍光LD，他被譽(yù)為“藍光LED之父”。
在藍光LED的基礎上，日亞公司進(jìn)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(jìn)一步合成白光。白光LED由此誕生。
陳長(cháng)纓介紹，白熾燈電能轉化為光能的轉化率僅為1%—2%，而LED的電光轉換效率理論上超過(guò)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10萬(wàn)小時(shí)，一盞LED燈能做到點(diǎn)亮10年以上。
“沒(méi)有藍光LED的發(fā)明，中國整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)就不可能存在。諾貝爾獎頒給能夠深刻改變人類(lèi)生活的偉大發(fā)明，是評獎的應有之義。”陳長(cháng)纓說(shuō)。
