探究2014年诺贝尔物理学奖蓝光LED的奥秘

转自果壳网，叶子疏撰文，原文题目：【2014诺贝尔奖】物理学奖深度解读：蓝光LED光耀四野。

用蓝光LED拼成的诺贝尔签名

2014年的诺贝尔物理学奖授予了3位日本科学家，以表彰他们在蓝光LED上所作的研究。

“Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura are rewarded for inventing a new energy efficient and environment-friendly light source – the blue light-emitting diode (LED). In the spirit of Alfred Nobel, the Prize awards an invention of greatest benefit to mankind; by using blue LEDs, white light can be created in a new way. With the advent of LED lamps we now have more long-lasting and more efficient alternatives to older light sources.”

和以往的颁奖词一样，这里的每一段文字都富有深意，值得深入解读。

1. Blue light-emitting diode——宽禁带半导体PN结注入式电致发光

LED的原文“light-emitting diode”中，diode意为二极管，这将半导体PN结的注入式电致发光，与交流高压电场下的电致发光现象（EL发光线）区别开来。

前者也就是今天使用的发光二极管的原理：当PN结正向偏置时，注入的少数载流子在界面附近与多数载流子复合并放出能量。在普通的二极管里，能量多以晶格振动（热能）的形式释放，而在发光二极管中载流子复合放出的能量部分以光子形式放出——电能转换成了光能。

常用的LED材料，如氮化镓（GaN）等，都是直接带隙半导体。它们的导带电子可以直接跃迁到价带与空穴复合，过程中只涉及电子-空穴对并放出一个光子。所以，它们的辐射效率很高，内部量子效率可以接近100%，也就是一次电子空穴对复合产生一个光子。硅、锗等间接带隙半导体在复合过程中有大量的非辐射复合，量子效率不高。

对于直接带隙半导体来说，发射光子的能量和半导体的禁带宽度直接相关。理论上氮化镓的禁带宽度为3.44 eV，出射光子的能量也是3.44 eV，相当于360nm左右波长的近紫外光，这是中村等人研究的氮化镓系半导体用于短波段可见光发光二极管的理论基础。

常用的蓝光LED里半导体材料的禁带宽度略小，出射光波长在460nm左右，实际工作压降稍大于半导体材料的禁带宽度，大约3.0~3.3V。作为对比，发出780nm红光的磷化铝铟镓（AlGaInP） LED一般只需要1.8~2.0V的供电电压，这是因为所用半导体材料的禁带宽度较窄的缘故。

这一特性对于应用来说，有利有弊。好处是直接获得光谱很窄的单色光源；光源的中心谱线可以通过能带工程调节；直接带隙半导体产生光子的效率很高，有利于提高整体光效；而坏处是，单一的LED无法得到多种波长的光线。

氮化镓系LED的颜色分布

中村等人在日亚公司开发的成套氮化镓LED加工工艺，不仅获得了之前用其他材料难以获得的基于宽禁带材料的蓝色LED，同时也开启了一系列直接带隙半导体高亮度LED之门。通过包括掺杂在内的各种手段调节氮化镓系半导体材料的能带结构和禁带宽度，可以获取例如氮化铟镓（InGaN）的蓝/绿色高亮度LED，磷化铝铟镓的红/黄色高亮度LED，相比以前的LED，它们的光效都有革命性的提高。

2. White light can be created in a new way——白灯之路

LED七色俱全，为何是蓝色而非其它光色的LED研究获此殊荣？这需要从色光的本质说起。

所有的光源，要想成为通用照明光源，都需要过人眼这一关。人眼最习惯的光照是太阳光，在比较其他照明光源时通常都以太阳光为比较对象，这也是测量光源显色指数的原理。从光谱图上可以看出不同时段太阳光在可见范围内基本是黑体辐射的连续谱，和此光谱越接近，人眼对颜色的感觉就越自然。

气体放电灯出现以后，由于光谱段很窄，显色性开始成为一个严重的问题。显色性差的例子之一是发黄光的钠灯，虽然看上去和色温低的白炽灯光色差距不大，但是由于钠灯没有红蓝光波段，红蓝衣服在钠灯下全成黑色，很不适合日常照明。这使得钠灯虽然光效早已突破200lm/W，但是始终派不上生活用场。

后来人们想了一招，光学中可以将任意色光分解成人眼敏感的三基色，如今可以反其道而行之，既然单一气体放电灯的光谱窄，那就多个不同光谱的灯拼在一起，合起来的效果就接近日光连续光谱了——这一思路的成果是三基色荧光粉水银放电灯，我们头上的日光灯管多数是这种。它们通过放电产生的紫外线激发红绿蓝三色荧光粉，3种基本色光组合，显色性接近阳光。以前的CRT显示器，也是基于三色荧光粉受电子流激发发光的原理。

说回LED，它起初面临的问题和气体放电灯一样，单一LED的发光波长很窄，这种单色的光源在多数场合并不适用。研究者参照荧光灯提出了多色LED组合与短波长的LED激发荧光粉等方案，它们理论上都可以获得白光和全色显示，但是它们都需要短波段，也就是蓝紫色端的LED。

不巧，在中村等人开发GaN材料之前，蓝光LED的研究又进展甚微，所以虽然LED发明很早，但是由于缺少蓝色色光，整个LED照明显示产业的瓶颈就卡在这里。在这段时间里，手机屏幕的背光都是单色的绿光，点阵显示屏最多红绿两色，有些地方应该还能见到这些历史的残留。

单色背光的老手机

中村等人发明的蓝光LED，补足了光谱上最后一块缺口，让基于LED的白光照明和全彩色显示成为可能，为之后出现的所有LED照明灯，LED背光液晶显示器，LED全色显示点阵铺平了道路。是蓝光LED让LED从红绿色的小指示灯和数码管显示走向真正意义上的通用光源，成为“a new light source”， 这也是蓝色LED的研究特别被重视的原因。

3. Energy efficient and environment-friendly——世界第一的光效

任何人造光源都有一个共通的光效上限，这一上限由能量守恒定律和人眼的光感曲线决定。当光源所有的能量都100%转换为555nm单色光时，视觉感受最明亮。此时的理想单色光光源流明效率为683lm/W。钠灯由于光谱线在589nm左右非常接近理想值，所以近百年前发明以后就以高光效著称，轻松达到200lm/W以上。但是相应的，人眼需要光谱两端的色光来辨识事物，这种黄绿色的理想单色光源使用价值也很低。说光效的时候，严谨而言应当在给定显色性和色温指标相同的情况下对比，这时候的可用光效上限显然要比理论值683lm/W低很多。

基于宽禁带半导体的蓝色LED发明之后，白光LED先后出现了两种形式。一种是结合了红，绿，蓝等多色LED，通过调节色光比例混合产生白光；第二种是蓝光LED+黄色荧光粉，结合蓝光和荧光粉激发出的宽频段黄光产生白光。前者的好处在于不仅可以发白光，还可以随心调节各种色光，常用于户外大型LED全色显示屏；后者的优点是接线简单成本低，没有不同LED光衰速率不一产生偏色的问题，常用于只需要白光的场合例如照明。

白光LED的两种设计方案

虽然LED内部的量子效率可以很高，但是考虑到白光和显色性的需求，即使100%发光效率下能获得的光效也不可能达到理论上限，这要视具体的设计方案而定。2004年大野良宏（Yoshi Ohno）对白光LED的理论光效做了研究，三色LED方案达到了显色指数80，光效409lm/W，四色LED方案达到了显色指数97，光效361lm/W，而荧光粉方案光效最高可达370lm/W（显色指数86）。由于LED的发光波长和荧光粉的发光频谱都还有调节余地，这一结果并非最后的上限，在683lm/W的大限之下，日后出现更好的组合方案也是有可能的。

在理论光效的指引下，一方面按照理论结果在生产工艺中调节半导体能带和荧光粉光谱，一方面改进芯片结构和设计封装以充分利用直接带隙半导体接近100%的内部量子效率，这些年的LED光效飞速提高。目前量产的蓝光荧光粉方案LED最高光效达到了160lm/W。研究领域进展更快，2012年白光大功率LED光效达到254lm/W，成为光效最高的光源。2014年的最新报道中，实验室光效已经达到303lm/W的高水平。现在LED是未来最高效节能，也最富有前途的照明光源。

4. 一层窗户纸——半导体蓝色激光器

LED发明之后，半导体激光器就只是一墙之隔了。在LED的基础上，利用与PN结垂直的晶体解理面可以获得天然的平行谐振腔，再利用PN结内的电子空穴复合作为电泵浦，获得受激发射光源并没有理论上的障碍。历史上砷化镓（GaAs）红光LED发明不久，砷化镓的受激发射就在1962年实现了。而在中村等人发明氮化镓蓝光LED几年后，蓝紫色半导体激光器也顺理成章地在日亚诞生了。

蓝色激光笔

蓝紫色半导体激光器一出现，就被移植到许多原有的激光应用上。和其他波段的激光器相比，蓝紫色激光具有波长短，聚焦精确的特点，在光存储和光刻等用途上尤其有优势。和其他激光器对比，半导体固体激光器体积小、寿命长，易调制的优点，尤其适用于电路集成。两者结合的结果是催生了新一代的光存储产业，两种蓝光标准紧随日亚的蓝色激光二极管推出。如今索尼的BD标准已经成为DVD后公认的次世代光存储标准，存储容量比DVD提升一个数量级，用的就是日亚的405nm蓝色激光二极管。此外，半导体蓝色激光器还被应用光通讯，水下通信等方面。

5. 双生兄弟——有机发光二极管

在蓝光LED获奖的同时，不得不提一下香港的邓青云教授。他是有机发光二极管（OLED）的发现者，因此获得了沃尔夫化学奖，今年物理学奖开奖之前，邓教授得化学奖的呼声也很高，但是考虑到物理学奖已经发给了蓝光氮化镓LED，OLED拿下化学奖的概率就不是很高了。

OLED可弯曲的显示屏

OLED基于有机半导体薄膜发光，具有柔性，可折叠，大面积制造成本低等特点，作为显示器除了LED点阵显示器具备的自发光，广视角，高对比，高速度优点之外，还可以达成柔性超薄的大面积显示，因此在显示器方面很受重视，在消费电子中也有不少基于OLED的产品。但是OLED诞生以来也一直面临着很多问题，例如蓝光和红光OLED器件研制滞后，光效远低于高亮度LED，光衰和降解严重影响使用寿命等等。虽然这一技术在薄膜大面积显示上具有极为明显的优势，但OLED也还有很长的路要走。

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