2014年诺贝尔物理学奖:为什么蓝色led这么难制造?

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2014年10月7日，赤崎勇、天野浩和中村修二因发明高效蓝光发光二极管(led)而获得诺贝尔物理学奖。在20世纪50年代和60年代，许多实验室都发明了红色和绿色led，但又花了30年时间才最终生产出高效的蓝色led——为什么它们这么难制造呢?

led是如何工作的?

发光二极管是由半导体材料中的电子运动照亮的电子器件。LED能够发出从红外线到紫外线的波长范围内的光。

半导体是一种导电性介于导体（如铜）和绝缘体（如橡胶）之间的材料。它们通常由一个不良导体制成，然后通过添加另一种材料的原子来“掺杂”。

LED通常由铝镓砷化物（AlGaAs）制成，其纯形式不包含任何传导电流的自由电子。因此，AlGaAs掺杂自由电子或“电子空穴”，以改变材料平衡并使其更导电。亚博网站下载

半导体可分为两类材料；N型和P型：

• n型半导体含有额外的带负电荷的电子，因此自由电子从带负电荷的区域流向带正电荷的区域。
• p型半导体有额外的空穴，自由电子可以在空穴之间跳跃，从而从带负电荷的区域移动到带正电荷的区域。

二极管由N型半导体的一段连接到P型半导体（称为P-N结）的一段组成，在该排列的两端放置两个电极。当电流流过二极管时，带负电的电子在材料中朝一个方向移动，带正电的空穴朝相反方向移动。由于空穴以低能态存在，自由电子落在空穴中时会失去能量，并以光子的形式发射这种能量。

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能量下降的大小决定了光子发射时的能量，而能量又决定了二极管发出的光的颜色。一个发射出大量能量的光子的波长将比发射出少量能量的光的波长短。

发光二极管的历史

1907年，H.J. Round在做猫须探测器的实验时，发明了第一个能够发光的二极管。圆在碳化硅(SiC)晶体上施加电位差。他发现，光的颜色随施加在晶体上的电压而变化。

在20世纪20年代和30年代，苏联物理学家对电致发光现象进行了研究，他在期刊上发表了几篇关于电致发光的文章。yabo214

1947年，电子晶体管在贝尔电话实验室发明，这在一定程度上要归功于人们对半导体和p-n结的理解的进步。

20世纪50年代，科学家们对电致发光进行了广泛的详细研究，J.R.Haynes证明，锗和硅二极管发出的光是1956年贝尔电话实验室p-n结中空穴和电子相互作用的结果。

红外线led是在1962年用砷化镓制成的p-n结制造的。该半导体材料的直接带隙为1.4 eV，直接对应于红外光的波长。到20世纪60年代末，红色和绿色led在不同的国家使用GaP制成的p-n结制造出来。然而，对科学家来说，开发蓝色LED要困难得多。

隧道尽头的蓝光

第一次尝试使用ZnSe和SiC二极管发射蓝光，这是具有高间接带隙的半导体，但没有产生有效的光发射。使蓝色led得以发展的材料是氮化镓(GaN)。GanN是一种纤锌矿晶体结构的半导体，直接带隙为3.4 eV，直接对应于紫外范围内的光波长。

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在20世纪50年代末，飞利浦研究实验室的研究人员曾考虑使用GaN制作蓝色LED，但由于生长GaN晶体的困难，他们选择将注意力集中在GaP制作的器件上。这些晶体在20世纪60年代后期通过在衬底上生长氮化镓的氢化物气相外延（HVPE）得到了更有效的生产。

1974年，明崎益彰开始研究氮化镓，并在名古屋大学担任教授，与天野浩史一起继续他的研究。1986年，MOVPE技术被用于生产具有高晶体质量和良好光学性能的GaN。为了在低温下生长氮化镓，Shuji Nakamura后来开发了类似的方法。

制造蓝色led的另一个主要问题是很难精确地掺杂氮化镓。在20世纪80年代末，天野和赤崎发现，当氮化镓掺杂锌原子时，它会发出更多的光，从而产生更好的p掺杂。中村后来在一篇文章中解释了这一现象。这是一个重要的发现，因为它为氮化镓半导体中的p-n结铺平了道路。

20世纪90年代初，由赤崎和中村领导的研究小组开发了异质结，这是蓝色led发展的关键一步。1994年，Nakamura使用双异质结InGaN/AlGaN生产了一种量子效率为2.7%的器件，这为高效的蓝色led的生产打开了方便之门。

1995年至1996年间，两组研究人员都观测到了基于GaN的蓝光发射。现代高效镓氮基led是材料物理、光学、电子学和化学等科学领域一系列突破的结果。亚博网站下载

led的未来

照明技术目前正在经历一场重大革命，灯泡和荧光灯管被LED取代。目前，白色LED在将电转换为光时的能效约为50%。这是对托马斯·爱迪生于1879年首次发明的传统灯泡4%能效的巨大改进。

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白光led的使用寿命约为10万小时，随着市场需求的迅速增长，白光led的价格正变得越来越便宜。用led代替传统的灯泡将大大减少地球对照明的能源需求，因为世界上20%到30%的电力消耗来自照明。

目前，LED技术被用于许多手机、笔记本电脑和电视屏幕的背光屏幕。蓝氮化镓二极管激光器在支持蓝光光盘数据存储的技术中得到了应用，预计蓝光光盘将取代dvd。

在未来，可以发射紫外光的AlGaN/GaN led将在水净化领域得到应用，因为紫外光能够破坏细菌和病毒的DNA。在电力基础设施较差的国家，人们相信太阳能驱动的白色led灯将在夜间取代煤油灯的使用。

参考资料及进一步阅读

• 发光二极管是如何工作的
• 半导体- Hyperphysics
• 高效蓝光发光二极管，带来明亮节能的白色光源-瑞典皇家科学院亚博老虎机网登录
• 1956年诺贝尔物理学奖-诺贝尔奖
• 2014年诺贝尔物理学奖-诺贝尔奖