藍(lán)光LED光耀四野
——2014年諾貝爾物理學(xué)獎側(cè)記

譯/石 毅

藍(lán)光LED光耀四野
——2014年諾貝爾物理學(xué)獎側(cè)記

譯/石 毅

2014年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了3位日本科學(xué)家，日本物理學(xué)家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和日裔美籍科學(xué)家中村修二（Shuji Nakamur），以表彰他們在藍(lán)光LED上所作的研究。

寬禁帶半導(dǎo)體PN結(jié)注入式電致發(fā)光

LED的原文“l(fā)ight-emitting diode”中，diode意為二極管，這將半導(dǎo)體PN結(jié)的注入式電致發(fā)光，與交流高壓電場下的電致發(fā)光現(xiàn)象（EL發(fā)光線）區(qū)別開來。

前者也就是今天使用的發(fā)光二極管的原理：當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，注入的少數(shù)載流子在界面附近與多數(shù)載流子復(fù)合并放出能量。在普通的二極管里，能量多以晶格振動（熱能）的形式釋放，而在發(fā)光二極管中載流子復(fù)合放出的能量部分以光子形式放出——電能轉(zhuǎn)換成了光能。

常用的LED材料，如氮化鎵（GaN）等，都是直接帶隙半導(dǎo)體。它們的導(dǎo)帶電子可以直接躍遷到價帶與空穴復(fù)合，過程中只涉及電子空穴對并放出一個光子。所以，它們的輻射效率很高，內(nèi)部量子效率可以接近100%，也就是一次電子空穴對復(fù)合產(chǎn)生一個光子。硅、鍺等間接帶隙半導(dǎo)體在復(fù)合過程中有大量的非輻射復(fù)合，量子效率不高。

對于直接帶隙半導(dǎo)體來說，發(fā)射光子的能量和半導(dǎo)體的禁帶寬度直接相關(guān)。理論上氮化鎵的禁帶寬度為3.44 eV，出射光子的能量也是3.44 eV，相當(dāng)于360nm左右波長的近紫外光，這是中村等人研究的氮化鎵系半導(dǎo)體用于短波段可見光發(fā)光二極管的理論基礎(chǔ)。

常用的藍(lán)光LED里半導(dǎo)體材料的禁帶寬度略小，出射光波長在460nm左右，實際工作壓降稍大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，大約3.0～3.3V。作為對比，發(fā)出780nm紅光的磷化鋁銦鎵（AlGaInP） LED一般只需要1.8V-2.0V的供電電壓，這是因為所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度較窄的緣故。

這一特性對于應(yīng)用來說，有利有弊。好處是直接獲得光譜很窄的單色光源；光源的中心譜線可以通過能帶工程調(diào)節(jié)；直接帶隙半導(dǎo)體產(chǎn)生光子的效率很高，有利于提高整體光效；而壞處是，單一的LED無法得到多種波長的光線。

氮化鎵系LED的顏色分布

中村等人在日亞公司開發(fā)的成套氮化鎵LED加工工藝，不僅獲得了之前用其他材料難以獲得的基于寬禁帶材料的藍(lán)色LED，同時也開啟了一系列直接帶隙半導(dǎo)體高亮度LED之門。通過包括摻雜在內(nèi)的各種手段調(diào)節(jié)氮化鎵系半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度，可以獲取例如氮化銦鎵（InGaN）的藍(lán)/綠色高亮度LED，磷化鋁銦鎵的紅/黃色高亮度LED，相比以前的LED，它們的光效都有革命性的提高。

白燈之路

LED七色俱全，為何是藍(lán)色而非其他光色的LED研究獲此殊榮？這需要從色光的本質(zhì)說起。

所有的光源，要想成為通用照明光源，都需要過人眼這一關(guān)。人眼最習(xí)慣的光照是太陽光，在比較其他照明光源時通常都以太陽光為比較對象，這也是測量光源顯色指數(shù)的原理。從光譜圖上可以看出不同時段太陽光在可見范圍內(nèi)基本是黑體輻射的連續(xù)譜，和此光譜越接近，人眼對顏色的感覺就越自然。

氣體放電燈出現(xiàn)以后，由于光譜段很窄，顯色性開始成為一個嚴(yán)重的問題。顯色性差的例子之一是發(fā)黃光的鈉燈，雖然看上去和色溫低的白熾燈光色差距不大，但是由于鈉燈沒有紅藍(lán)光波段，紅藍(lán)衣服在鈉燈下全成黑色，很不適合日常照明。這使得鈉燈雖然光效早已突破200lm/W，但是始終派不上生活用場。

后來人們想了一招，光學(xué)中可以將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，既然單一氣體放電燈的光譜窄，那就多個不同光譜的燈拼在一起，合起來的效果就接近日光連續(xù)光譜了——這一思路的成果是三基色熒光粉水銀放電燈，我們頭上的日光燈管多數(shù)是這種。它們通過放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)紅綠藍(lán)三色熒光粉，3種基本色光組合，顯色性接近陽光。以前的CRT顯示器，也是基于三色熒光粉受電子流激發(fā)發(fā)光的原理。

說回LED，它起初面臨的問題和氣體放電燈一樣，單一LED的發(fā)光波長很窄，這種單色的光源在多數(shù)場合并不適用。研究者參照熒光燈提出了多色LED組合與短波長的LED激發(fā)熒光粉等方案，它們理論上都可以獲得白光和全色顯示，但是它們都需要短波段，也就是藍(lán)紫色端的LED。

不巧，在中村等人開發(fā)GaN材料之前，藍(lán)光LED的研究又進(jìn)展甚微，所以雖然LED發(fā)明很早，但是由于缺少藍(lán)色色光，整個LED照明顯示產(chǎn)業(yè)的瓶頸就卡在這里。在這段時間里，手機(jī)屏幕的背光都是單色的綠光，點陣顯示屏最多紅綠兩色，有些地方應(yīng)該還能見到這些歷史的殘留。

單色背光的老手機(jī)

中村等人發(fā)明的藍(lán)光LED，補(bǔ)足了光譜上最后一塊缺口，讓基于LED的白光照明和全彩色顯示成為可能，為之后出現(xiàn)的所有LED照明燈，LED背光液晶顯示器，LED全色顯示點陣鋪平了道路。是藍(lán)光LED讓LED從紅綠色的小指示燈和數(shù)碼管顯示走向真正意義上的通用光源，成為“a new light source”，這也是藍(lán)色LED的研究特別被重視的原因。

世界第一的光效

任何人造光源都有一個共通的光效上限，這一上限由能量守恒定律和人眼的光感曲線決定。當(dāng)光源所有的能量都100%轉(zhuǎn)換為555nm單色光時，視覺感受最明亮。此時的理想單色光光源流明效率為683lm/W。鈉燈由于光譜線在589nm左右非常接近理想值，所以近百年前發(fā)明以后就以高光效著稱，輕松達(dá)到200lm/W以上。但是相應(yīng)的，人眼需要光譜兩端的色光來辨識事物，這種黃綠色的理想單色光源使用價值也很低。說光效的時候，嚴(yán)謹(jǐn)而言應(yīng)當(dāng)在給定顯色性和色溫指標(biāo)相同的情況下對比，這時候的可用光效上限顯然要比理論值683lm/W低很多。

基于寬禁帶半導(dǎo)體的藍(lán)色LED發(fā)明之后，白光LED先后出現(xiàn)了兩種形式。一種是結(jié)合了紅，綠，藍(lán)等多色LED，通過調(diào)節(jié)色光比例混合產(chǎn)生白光；第二種是藍(lán)光LED+黃色熒光粉，結(jié)合藍(lán)光和熒光粉激發(fā)出的寬頻段黃光產(chǎn)生白光。前者的好處在于不僅可以發(fā)白光，還可以隨心調(diào)節(jié)各種色光，常用于戶外大型LED全色顯示屏；后者的優(yōu)點是接線簡單成本低，沒有不同LED光衰速率不一產(chǎn)生偏色的問題，常用于只需要白光的場合例如照明。

白光LED的兩種設(shè)計方案

雖然LED內(nèi)部的量子效率可以很高，但是考慮到白光和顯色性的需求，即使100%發(fā)光效率下能獲得的光效也不可能達(dá)到理論上限，這要視具體的設(shè)計方案而定。2004年大野良宏（Yoshi Ohno）對白光LED的理論光效做了研究，三色LED方案達(dá)到了顯色指數(shù)80，光效409lm/W，四色LED方案達(dá)到了顯色指數(shù)97，光效361lm/W，而熒光粉方案光效最高可達(dá)370lm/W（顯色指數(shù)86）。由于LED的發(fā)光波長和熒光粉的發(fā)光頻譜都還有調(diào)節(jié)余地，這一結(jié)果并非最后的上限，在683lm/W的大限之下，日后出現(xiàn)更好的組合方案也是有可能的。

在理論光效的指引下，一方面按照理論結(jié)果在生產(chǎn)工藝中調(diào)節(jié)半導(dǎo)體能帶和熒光粉光譜，一方面改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)和設(shè)計封裝以充分利用直接帶隙半導(dǎo)體接近100%的內(nèi)部量子效率，這些年的LED光效飛速提高。目前量產(chǎn)的藍(lán)光熒光粉方案LED最高光效達(dá)到了160lm/W。研究領(lǐng)域進(jìn)展更快，2012年白光大功率LED光效達(dá)到254lm/W，成為光效最高的光源。2014年的最新報道中，實驗室光效已經(jīng)達(dá)到303lm/W的高水平?，F(xiàn)在LED是未來最高效節(jié)能，也最富有前途的照明光源。

一層窗戶紙——半導(dǎo)體藍(lán)色激光器

LED發(fā)明之后，半導(dǎo)體激光器就只是一墻之隔了。在LED的基礎(chǔ)上，利用與PN結(jié)垂直的晶體解理面可以獲得天然的平行諧振腔，再利用PN結(jié)內(nèi)的電子空穴復(fù)合作為電泵浦，獲得受激發(fā)射光源并沒有理論上的障礙。歷史上砷化鎵（GaAs）紅光LED發(fā)明不久，砷化鎵的受激發(fā)射就在1962年實現(xiàn)了。而在中村等人發(fā)明氮化鎵藍(lán)光LED幾年后，藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器也順理成章地在日亞誕生了。

藍(lán)色激光筆

藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器一出現(xiàn)，就被移植到許多原有的激光應(yīng)用上。和其他波段的激光器相比，藍(lán)紫色激光具有波長短，聚焦精確的特點，在光存儲和光刻等用途上尤其有優(yōu)勢。和其他激光器對比，半導(dǎo)體固體激光器體積小、壽命長，易調(diào)制的優(yōu)點，尤其適用于電路集成。兩者結(jié)合的結(jié)果是催生了新一代的光存儲產(chǎn)業(yè)，兩種藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)緊隨日亞的藍(lán)色激光二極管推出。如今索尼的BD標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為DVD后公認(rèn)的次世代光存儲標(biāo)準(zhǔn)，存儲容量比DVD提升一個數(shù)量級，用的就是日亞的405nm藍(lán)色激光二極管。此外，半導(dǎo)體藍(lán)色激光器還被應(yīng)用于光通訊、水下通信等方面。

雙生兄弟——有機(jī)發(fā)光二極管

在藍(lán)光LED獲獎的同時，不得不提一下香港的鄧青云教授。他是有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的發(fā)現(xiàn)者，因此獲得了沃爾夫化學(xué)獎，2014年物理學(xué)獎開獎之前，鄧教授得化學(xué)獎的呼聲也很高，但是考慮到物理學(xué)獎已經(jīng)發(fā)給了藍(lán)光氮化鎵LED，OLED拿下化學(xué)獎的概率就不是很高了。

OLED可彎曲的顯示屏

OLED基于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜發(fā)光，具有柔性，可折疊，大面積制造成本低等特點，作為顯示器除了LED點陣顯示器具備的自發(fā)光，廣視角，高對比，高速度優(yōu)點之外，還可以達(dá)成柔性超薄的大面積顯示，因此在顯示器方面很受重視，在消費電子中也有不少基于OLED的產(chǎn)品。但是OLED誕生以來一直面臨著很多問題，例如藍(lán)光和紅光OLED器件研制滯后，光效遠(yuǎn)低于高亮度LED，光衰和降解嚴(yán)重影響使用壽命等。雖然這一技術(shù)在薄膜大面積顯示上具有極為明顯的優(yōu)勢，但OLED也還有很長的路要走。

來源：nobelprize.org