蓝光LED

       2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加利福尼亚大学教授中村修二因“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”共同获得当年的诺贝尔物理学奖。 

简介

      2014年诺贝尔物理学奖揭晓。因发明“高亮度蓝色发光二极管”，日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二共获殊荣。发光二极管的英文简称是LED，对于这个词，大多数国内读者应不会陌生，因为LED灯已大量应用于我国室内外照明等领域，逐步取代白炽灯、荧光灯等传统照明设备，成为节能、环保、智能化照明的代表。

      1973年，在松下电器公司东京研究所的赤崎勇开始了蓝光LED的研究。后来，赤崎勇和弟子天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发，1989年首次研发成功了蓝光LED。1993年，在日本日亚化工（Nichia）工作的中村修二成功把氮渗入，发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光LED，从而引发了照明技术革新，这类LED在1990年代后期得到广泛应用。

　　在中村修二研制成功突破性的蓝光LED技术之后，日亚化学剥夺了他的专利权，根据日本传统，员工必须为公司牺牲一切，对公司而言，科学家和工程师就跟普通的员工没有什么两样，因此也根本不可能跟他们签订类似美国公司中那种规定个人科研成果的利益分成协议。当时日亚化学公司付给中村修二有关他发明蓝光LED的奖金仅有区区2万日元，按照当时的汇率约为200美元。于是在2001年，愤怒的中村修二将自己的雇主告上法庭。最终法院裁决日亚化学公司应当支付给中村修二200亿日元，按照当时汇率约合2亿美元的费用。这一巨大的金额震惊了当时的日本社会，但法院认为这一判决是相当公正的，因为他们评估后认为中村修二的发明成果至少价值600亿日元（约合5.8亿美元）。但当事方日亚化学公司不服裁决并向高等法院提起上诉，最终历经4年拉锯战，高等法院最终裁定日亚化学公司偿付中村修二8.4亿日元，按当时汇率约折合810万美元的费用。中村修二无奈接受了这一结果。

功能

      正是由于蓝色LED的发明为人类带来新“光明”，今年诺贝尔物理学奖授予了三位为LED照明起到奠基作用的科学家。
      值得一提的是，中村修二与上海科研机构有着密切合作。作为国家半导体照明应用系统工程技术研究中心顾问、复旦大学兼职教授，他推动了LED在上海世博会的应用，并正在帮助上海科研团队研发半导体蓝色激光器，为新一代“激光电视”提供核心部件。

年仅“20岁”的发明

      据国家半导体照明应用系统工程技术研究中心副主任杨卫桥介绍，红色、绿色发光二极管在上世纪中叶已经问世，但要把发光二极管用于照明，必须发明蓝色发光二极管，因为有了红、绿、蓝三原色后，才能产生照亮世界的白色光源。遗憾的是，蓝色发光二极管的制备技术困扰了人类30多年。
      上世纪80年代，在日本名古屋大学工作的赤崎勇和天野浩选择氮化镓材料，向蓝色发光二极管这个世界难题发起挑战。1986年，两人首次制成高质量的氮化镓晶体；1989年首次研发成功蓝光LED。
从1988年起，当时在日亚化学公司工作的中村修二也开始研发蓝光二极管。与两位日本同行一样，他选择的也是氮化镓材料，但在技术路线上并不相同。上世纪90年代初，中村修二也研制出了蓝色发光二极管。与名古屋大学团队相比，他发明的技术更简单，成本也更低。
至此，将LED用于照明的最大技术障碍已被扫除，被誉为“人类历史上第四代照明”的LED灯呼之欲出。
      按照诺奖评选委员会的说法，这项只有“20岁”的“年轻”发明之所以获奖，是因为这种用全新方式创造的白色光源已经“让我们所有人受益”。“他们的发明具有革命性，”声明说，“白炽灯点亮了20世纪，21世纪将由LED灯点亮。”
与白炽灯、荧光灯相比，LED能耗更低，寿命更长，而且可实现智能化操控，是节能环保的“绿色照明”。因此进入市场后，呈现爆发式增长。国家半导体照明应用系统工程技术研究中心经理杨洁翔介绍，我国2010年的LED产值是700多亿元；　而到了2013年，全年产值猛增到5000多亿元。家庭、办公、道路等各种场所的照明以及绚烂的景观灯光，这些市场“主力军”如今都是LED。“前几年谈到LED，我们需要对公众进行科普，现在家里装修，老百姓都会考虑买这种比传统节能灯更节能的灯具。”

特点

      节能、寿命长、亮度高 

构成原理

      发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。

      1973年，在松下电器公司东京研究所的赤崎勇开始了蓝光LED的研究。后来，赤崎勇和弟子天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发，1989年首次研发成功了蓝光LED。1993年，在日本日亚化工（Nichia）工作的中村修二成功把氮渗入，发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光LED，从而引发了照明技术革新，这类LED在1990年代后期得到广泛应用。

制备难度

       蓝光LED的制备难度主要在于其材料特性和制造工艺的复杂性。

       蓝光LED之所以难做，主要可以归结为以下几个方面的原因：

       材料选择的挑战：蓝光LED需要具有较大禁带宽度的材料。与红光和黄光LED相比，蓝光LED所需的材料研究时间相对较短，制造成本高，且工艺尚未达到完美的状态。红光和黄光LED所需要的材料禁带宽度小，例如In、Ga、Al的磷化物和砷化物，这些材料已经过多年研究，工艺成熟，因此相对容易制造。而对于蓝光LED，虽然In、Ga、Al的氮化物可以满足要求，但这些材料的研究时间较短，制造工艺也相对复杂。

       工艺控制的难度：蓝光LED的制造需要高精度的工艺控制，包括外延生长、芯片制作、封装等步骤。其中，外延生长是制备LED器件的关键步骤之一，需要严格控制沉积温度、气流速度和反应气体比例等参数，以获得高质量的氮化镓材料。此外，还需要精确的掺杂控制和高分辨率的制造技术来实现蓝光的高效发射。

       生产过程中的问题：在LED生产过程中，还存在一些难以避免的问题，如难以去除污染物和氧化层，这可能会影响LED的性能和稳定性。同时，支架和胶体的结合也可能不够紧密，导致空气进入氧化电极和支架的表面，从而影响LED的质量。

       综上所述，蓝光LED的制造难度主要来源于材料选择的挑战、工艺控制的难度以及生产过程中的问题。然而，随着技术的不断进步和研究的深入，这些问题正在逐步得到解决，蓝光LED的制造工艺也在不断改进和优化。

为什么难做

       蓝光LED之所以难做，主要是由于以下几个方面的原因：

一、材料选择与技术挑战

       1、禁带宽度要求：从物理学角度来说，波长越短，单个光子的能量越大，所需要的电子跃迁能级差越高。发光二极管是依靠半导体重电子与空穴结合时释放出的光子发光的，因此要制造蓝光LED所需要的材料的禁带宽度要比绿光和红光大的多。

       2、氮化镓材料的难度：蓝光LED的发光材料主要是氮化镓（GaN）及其相关化合物。然而，氮化镓材料的生长制备极其困难。首先，制备氮化镓的基板就很困难，氮化镓是极其稳定的材料，其熔点高达2791K，融解压4.5GPa，如此的高温高压条件对制备工艺提出了极高的要求。

二、历史研发过程

       1、长期未突破：在红光LED和绿光LED问世后，蓝光LED的研发就提上了日程。然而，这个过程异常艰难，科学家们努力了20至30年都没有取得突破性进展。甚至到后来，学术和产业界几乎放弃了蓝光LED的研发，并发展了很多理论去解释为什么做不出蓝光LED。

       2、中村修二的贡献：最终，是日本科学家中村修二等人坚持不懈地努力，通过改进制备工艺和材料选择，成功发明了蓝光LED。这一发明不仅推翻了之前的很多理论，也为LED照明技术的发展奠定了坚实基础。

三、市场与应用

       1、白光LED的基石：蓝光LED的发明使得白光LED的制造成为可能。通过将蓝光LED与荧光粉结合，可以激发出白光，从而广泛应用于照明领域。

       2、成本与效率：虽然蓝光LED的制造难度较高，但随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，蓝光LED已经越来越成熟地应用于各种场景。

       综上所述，蓝光LED之所以难做，主要是由于材料选择与技术挑战、历史研发过程的曲折以及市场与应用的需求等多方面因素共同作用的结果。不过，随着科技的不断进步和创新，蓝光LED的制造和应用将会越来越广泛和成熟。