LED：白光時(shí)代的“圣杯”

蘇更林

素有“天才發(fā)明家”之稱的愛迪生，于1879年用“炭絲”賦予了白熾燈以鮮活的生命力。然而，大部分白熾燈的能量利用率不會(huì)超過(guò)10%，90%以上的電能則轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉了。這種“大手大腳”的秉性，與當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展理念格格不入，面臨被淘汰的命運(yùn)是在所難免的。什么將成為順應(yīng)人類綠色文明潮流的照明光源呢？

LED是Light Emitting Diode的縮寫，中文意思為“發(fā)光二極管”，這是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。LED光源與白熾燈具有不同的發(fā)光原理，具有許多極其優(yōu)秀的品質(zhì)。與普通二極管一樣，LED也是由一個(gè)PN結(jié)（即一塊半導(dǎo)體一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體）組成的，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給LED加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN接面附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。優(yōu)質(zhì)LED燈的能耗可以降低至普通白熾燈的1/20以下，而其耐久度分別為熒光燈和白熾燈的10倍和100倍，并且照明效果更加穩(wěn)定可靠。因此，LED光源以其節(jié)能環(huán)保、經(jīng)久耐用而獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，大有成為21世紀(jì)照明“主角”之勢(shì)。

被塵封的歷史故事

LED的發(fā)明經(jīng)歷了一個(gè)極其艱難的過(guò)程。1907年，英國(guó)馬可尼實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在一塊金剛砂上觀測(cè)到了電致發(fā)光現(xiàn)象，金剛砂的主要成分為碳化硅。不過(guò)，由于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體發(fā)出的黃光太過(guò)暗淡，研究者因此沒(méi)有把試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行下去。1920年，德國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了硫化鋅的電致發(fā)光試驗(yàn)，但最后也因發(fā)出的光太過(guò)暗淡而再次被擱置下來(lái)。

電致發(fā)光又被稱為場(chǎng)致發(fā)光，是電能直接轉(zhuǎn)換為光能的一類發(fā)光現(xiàn)象。半導(dǎo)體PN結(jié)在一定條件下的電致發(fā)光，是發(fā)明發(fā)光二極管的物理基礎(chǔ)。盡管在20世紀(jì)初對(duì)半導(dǎo)體PN結(jié)電致發(fā)光原理的闡釋還沒(méi)有取得重大突破，但是科學(xué)家并沒(méi)有因?yàn)槔щy和失敗而停止探索的腳步。在世界上第一個(gè)發(fā)紅光的發(fā)光二極管誕生之前，不同國(guó)別的科學(xué)家用各自不同的方式探索著同樣一個(gè)主題，那就是半導(dǎo)體PN結(jié)電致發(fā)光現(xiàn)象。

大約在1927年前后，蘇聯(lián)科學(xué)家奧列格·洛謝夫曾獨(dú)立制成了世界上第一個(gè)發(fā)光二極管，但其成果并沒(méi)有引起人們的注意。更不幸的是，他于1942年過(guò)早地離開了人世，使得他發(fā)明發(fā)光二極管的故事漸漸地被歷史淡忘了。

1955年，美國(guó)無(wú)線電公司的科學(xué)家布朗斯坦首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵及其他半導(dǎo)體材料的紅外放射作用，并在物理上實(shí)現(xiàn)了二極管的發(fā)光，不過(guò)發(fā)出的光不是可見光而是紅外光。1961年，美國(guó)德州儀器公司的科學(xué)家布萊德和皮特曼發(fā)現(xiàn)，砷化鎵在施加電子流時(shí)會(huì)釋放出紅外光輻射，從而率先生產(chǎn)出了具有商業(yè)用途的紅外發(fā)光二極管，并獲得了砷化鎵紅外發(fā)光二極管的發(fā)明專利。

此后，紅外發(fā)光二極管就被廣泛應(yīng)用于傳感及光電設(shè)備當(dāng)中，從而為電子工業(yè)增添了活力。紅外發(fā)光二極管作為一種把電能直接轉(zhuǎn)換成紅外光能的發(fā)光器件，在今天仍然具有極其重要的應(yīng)用。比如，在電視機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、空調(diào)器等各類紅外遙控系統(tǒng)中，紅外發(fā)光二極管就是一個(gè)不可或缺的電子器件。

從碳化硅到硫化鋅，從硫化鋅再到砷化鎵……實(shí)驗(yàn)證明，改變半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成成分，可以讓其在電致發(fā)光時(shí)發(fā)出不同的光來(lái)。不過(guò)，此前電致發(fā)光發(fā)出的都是不可見光。從照明的角度來(lái)說(shuō)，具有實(shí)用意義的發(fā)光二極管應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)射可見光。因此，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，還需要技術(shù)上的突破。

砷化鎵與神奇紅光

1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克開發(fā)出世界上第一個(gè)發(fā)出紅色可見光的發(fā)光二極管，此前，他曾在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室從事研究工作。何倫亞克當(dāng)時(shí)使用的半導(dǎo)體材料是磷砷化鎵，發(fā)出的可見光波長(zhǎng)為650納米，表現(xiàn)為神奇的紅光。何倫亞克認(rèn)為，發(fā)光二極管是一種很有發(fā)展前途的新型電光源，因此他斷言未來(lái)的照明及顯示領(lǐng)域?qū)⑹前l(fā)光二極管的天下。

何倫亞克不僅發(fā)明了發(fā)紅光的二極管，而且還發(fā)明了可以調(diào)節(jié)光強(qiáng)的調(diào)光器，何倫亞克因此被譽(yù)為“可見光LED之父”，并獲得了許多國(guó)家的科技大獎(jiǎng)。無(wú)緣2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，令他自己與業(yè)內(nèi)一些人士頗感不平。

1963年，何倫亞克離開通用電氣公司，出任其母校美國(guó)伊利諾大學(xué)電機(jī)工程系教授，此后發(fā)明了世界上第一個(gè)發(fā)紅光的半導(dǎo)體激光器。這種激光器目前仍然是CD、DVD、激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)的關(guān)鍵部件。何倫亞克預(yù)測(cè)，未來(lái)的發(fā)光二極管將會(huì)發(fā)出其他波長(zhǎng)的光，因此呈現(xiàn)出多種不同的顏色來(lái)。

從人類第一個(gè)具有實(shí)用意義的紅外發(fā)光二極管的誕生，到第一個(gè)紅色可見光發(fā)光二極管的發(fā)明，新型半導(dǎo)體材料砷化鎵都扮演了重要的角色。砷化鎵是繼硅半導(dǎo)體材料之后的又一個(gè)應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，不僅是光電子器件的制造材料，而且在微電子技術(shù)方面也具有重要的應(yīng)用。那么，你知道砷化鎵具有哪些神奇的魔力嗎？

砷化鎵最大的特點(diǎn)是具有很好的光電性能，即在光照或外加電場(chǎng)的條件下，電子激發(fā)可以釋放出光能來(lái)，并且其光發(fā)射效率也要比其他半導(dǎo)體材料高一些，因此用作發(fā)光二極管的材料具有多方面的優(yōu)勢(shì)。與其他半導(dǎo)體材料一樣，砷化鎵對(duì)于雜質(zhì)元素也是十分敏感的。因此，能否確保砷化鎵準(zhǔn)確的化學(xué)配比，將直接影響砷化鎵材料的電學(xué)性能。此外，砷化鎵在高溫下容易分解，因此要制備出具有理想化學(xué)配比的高純單晶材料，在技術(shù)和工藝上具有非常高的要求。在地面上制備的砷化鎵單晶材料，由于受到地球重力的影響，產(chǎn)品存在著均勻性差、缺陷多、純度低、不穩(wěn)定等諸多缺陷。為此，我國(guó)曾在人造衛(wèi)星上利用微重力條件，進(jìn)行了砷化鎵單晶的生長(zhǎng)試驗(yàn)，使得制備出的砷化鎵單晶沒(méi)有雜質(zhì)條紋、材料均勻性好、缺陷少，整體性能有很大的提高。

磷化鎵的“綠光緣”

人類歷史上第一個(gè)商用紅光發(fā)光二極管，是采用鎵、砷、磷3種元素組成的半導(dǎo)體材料制成的，因此又被稱為三元素發(fā)光二極管。例如，在紅光發(fā)光二極管中，是采用砷化鎵作為基板，并以磷元素取代部分砷元素。與砷化鎵一樣，磷化鎵同樣在光電技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位。用磷化鎵制成的發(fā)光二極管可以發(fā)出綠色的光，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。從理論上來(lái)說(shuō)，采用三元素材料結(jié)構(gòu)，可以生產(chǎn)出從紅外光到綠色光范圍內(nèi)的任何波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。

1972年，何倫亞克的學(xué)生克勞福德以磷化鎵為基板開發(fā)出了世界上第一個(gè)發(fā)橙黃光的發(fā)光二極管，其亮度是何倫亞克發(fā)明的紅光二極管的10倍，標(biāo)志著發(fā)光二極管向著提高發(fā)光效率的方向邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。如何進(jìn)一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，是當(dāng)時(shí)科學(xué)家研究的重點(diǎn)之一。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鋁的引入有助于消除磷化鎵和磷砷化鎵的缺點(diǎn)，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。由于鋁的加入改善了與砷化鎵基板的晶格匹配等多種原因，因而提高了其發(fā)光效率。在20世紀(jì)80年代，砷化鋁鎵的應(yīng)用導(dǎo)致了第一代高亮度發(fā)光二極管的誕生。20世紀(jì)90年代初，四元素半導(dǎo)體材料磷化鋁鎵銦的采用，使得發(fā)光二極管的發(fā)光效率有了更大的提高。磷化鋁鎵銦屬于直接帶隙半導(dǎo)體，即可以直接復(fù)合把能量幾乎全部以光的形式釋放出來(lái)，因此具有很高的發(fā)光效率。用磷化鋁鎵銦制成的超高亮度紅色、橙色、黃色和綠色發(fā)光二極管，可以應(yīng)用于戶外顯示領(lǐng)域。

“藍(lán)色魔光”的召喚

高效節(jié)能的LED能否用于普通照明呢？其關(guān)鍵取決于能否制造出白色發(fā)光二級(jí)管。然而，在可見光的光譜中是沒(méi)有白色光的，因?yàn)榘咨獠皇菃紊?，而是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等多種單色光合成的復(fù)合光。

如果要使LED發(fā)出白光來(lái)，根據(jù)物理學(xué)的研究成果，至少需要兩種單色光的混合，即通過(guò)二波長(zhǎng)發(fā)光（藍(lán)色光+黃色光）或三波長(zhǎng)發(fā)光（藍(lán)色光+綠色光+紅色光）的模式才能得到白色光。這兩種模式都需要藍(lán)色光的參與，所以開發(fā)出能發(fā)藍(lán)色光的發(fā)光二極管具有十分重要的意義。

20世紀(jì)70年代，發(fā)光二極管已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，一旦攻克藍(lán)光二極管這個(gè)堡壘，白光半導(dǎo)體照明的新時(shí)代就有可能來(lái)臨。

其實(shí)在20世紀(jì)70年代初，世界范圍內(nèi)就已掀起了一場(chǎng)研究氮化鎵的熱潮，并寄希望利用它來(lái)開發(fā)出藍(lán)光二極管。然而，根據(jù)當(dāng)時(shí)的工藝技術(shù)水平，要制造出具有這種性能的LED幾乎是不可能的，故到了20世紀(jì)70年代末，大多數(shù)科學(xué)家都放棄了該項(xiàng)研究。但是，日本名古屋大學(xué)教授赤崎勇在失敗面前沒(méi)有放棄對(duì)藍(lán)光LED的研究，并最終為利用氮化鎵材料制造藍(lán)光二極管奠定了基礎(chǔ)。1981年，他研制成功了PN接面的氮化鎵發(fā)光二極管，不過(guò)其亮度很小。

1982年，天野浩作為一名本科生加入到赤崎勇的研究小組，從此開始了藍(lán)光LED材料的研究。赤崎勇和天野浩在名古屋大學(xué)合作進(jìn)行的藍(lán)光LED基礎(chǔ)性研發(fā)取得了重要成就，并于1989年首次研發(fā)成功了藍(lán)光LED。

1988年，日本日亞公司的一名普通職員冒然闖進(jìn)董事長(zhǎng)的辦公室，提出要開發(fā)氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極管，董事長(zhǎng)當(dāng)即決定資助他500萬(wàn)美元予以支持。這個(gè)普通職員就是中村修二，后來(lái)被人們譽(yù)為“藍(lán)光發(fā)光二極管之父”。

21世紀(jì)的“魔法石”

一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，多以Ⅲ～Ⅴ或Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體元素為材料。那為什么科學(xué)家要選擇氮化鎵半導(dǎo)體材料呢？原來(lái)，氮化鎵這種無(wú)色透明晶體有立方晶系和六方晶系兩種晶型，二者均為直接躍遷型能帶，是Ⅲ～Ⅴ族半導(dǎo)體材料中最具有希望的寬禁帶光學(xué)材料。

在當(dāng)時(shí)，活躍在藍(lán)光二極管研究領(lǐng)域的科學(xué)家可謂是高手如云，中村修二這個(gè)不知天高地厚的毛頭小伙能行嗎？1989年，中村修二另辟蹊徑，要走一條別人沒(méi)有走過(guò)的道路。他在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)員和助手的條件下，采用獨(dú)特的工藝技術(shù)路線，經(jīng)過(guò)短短4年的時(shí)間就解決了藍(lán)光二極管研究領(lǐng)域的兩大材料制備工藝難題：一是高質(zhì)量氮化鎵薄膜的生長(zhǎng)，另一個(gè)則是氮化鎵空穴導(dǎo)電的調(diào)控。

中村修二采用藍(lán)寶石作為基板，并在基板上先長(zhǎng)出一層以氮化鎵為材料的緩沖層，以降低晶格不匹配的問(wèn)題。1991年，他研制出第一個(gè)PN同質(zhì)接面的發(fā)光二極管。1992年，他研制出高功率雙異質(zhì)接面氮化鎵發(fā)光二極管。1993年，他終于發(fā)明了能夠發(fā)藍(lán)色光的發(fā)光二極管。1994年以后，他又陸續(xù)發(fā)明了藍(lán)綠光及綠光發(fā)光二極管。到了1996年，藍(lán)綠光發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)了商品化。1999年，他離開日亞公司進(jìn)入美國(guó)加利福尼亞大學(xué)某分校任教授。此后，中村修二成為了世界關(guān)注的明星人物。中村修二作為當(dāng)代半導(dǎo)體發(fā)光研究的主要代表人物，將載入人類固體照明的光榮史冊(cè)。

由于LED具有工作電壓低、功率消耗低、色彩極豐富、價(jià)格極低廉以及對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了世界各國(guó)的廣泛青睞。有科學(xué)家把氮化鎵稱為21世紀(jì)的“魔法石”，用其開發(fā)的藍(lán)光二極管將在21 世紀(jì)的顯示和照明領(lǐng)域扮演極其重要的角色。

【責(zé)任編輯】龐 云