光耀21世紀(jì)的半導(dǎo)體照明

鄭玉祥

黑夜給了我黑色的眼睛，我卻用它尋找光明。

——顧城

在日常生活中，人們對周圍的認(rèn)知主要依賴視覺，據(jù)文獻(xiàn)記載約90%的信息是通過視覺獲取的。人們除了睡眠之外，幾乎一切活動都是在光亮的環(huán)境中進(jìn)行。在人工照明發(fā)明之前，人類只能依賴自然光。但僅僅依賴自然光只能被動地過著日出而作、日落而息的生活?？梢韵胂笙让駛兲Ｍ苡刑柕奶娲镌谝归g點(diǎn)亮人們的生活，拓展活動時間。這種愿望在很多神話和傳說中得到體現(xiàn)，如中國文化中有燧人氏鉆木取火的傳說，希臘文化中有普羅米修斯盜取天火的神話。

追求光明的歷程

以燃燒為特征的光源，如篝火、火把、油燈、蠟燭等是第一代人工光源。第一代人工光源有明顯缺陷，如有煙霧、容易被風(fēng)吹滅、存在引發(fā)火災(zāi)隱患等等。突破這些缺陷，尋找新的光源，人類走過了數(shù)千年，直到19世紀(jì)電光源的發(fā)明。愛迪生（T.Edison）在前人工作的基礎(chǔ)上認(rèn)識到。只要將某種導(dǎo)體通電加熱到白熾狀態(tài)，就能實(shí)現(xiàn)照明。白熾燈是第二代人工光源。白熾燈發(fā)明后不久，照明史上一代“新秀”熒光燈（也稱日光燈）出現(xiàn)了。1938年4月1日，美國GE公司英曼（G.Inman）研制了熒光燈原型，因此熒光燈又稱為“英曼管”。熒光燈的工作原理是利用紫外光激發(fā)玻璃管壁上的熒光粉而發(fā)光。熒光燈的發(fā)光效率比同等功率的白熾燈高3～5倍，壽命長5～6倍，具有光線柔和、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。與白熾燈相比，兩者具有明顯差異，因此熒光燈被認(rèn)為是第三代人工光源。

1980年代至1990年代，一種新型光源橫空出世，這是一種半導(dǎo)體光源，被稱為發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）。與傳統(tǒng)照明相比，LED燈的優(yōu)勢十分明顯：

（1）LED燈的發(fā)光效率是白熾燈的10～20倍，是熒光燈的2～4倍，節(jié)能效果明顯。據(jù)估算，如果中國所有的白熾燈和熒光燈都被LED替換，節(jié)約的電量相當(dāng)于4個三峽水電站的發(fā)電量。

（2）LED燈不含對人體有害的成分，比較環(huán)保。相比之下，每只熒光燈含汞0.5～5毫克，若處理不當(dāng)，會污染1000噸水和300米³空氣。

（3）LED燈的使用壽命很長，正常使用壽命可達(dá)10萬小時，而白熾燈只有1000小時，熒光燈為10000小時。

（4）LED燈響應(yīng)時間少于1毫秒，而白熾燈則要200～300毫秒，熒光燈更長。

（5）LED燈的驅(qū)動電壓小于5伏，非常安全，而傳統(tǒng)光源的驅(qū)動電壓要100～200伏。

因此LED燈的問世被認(rèn)為是一場照明革命，這種半導(dǎo)體光源也被視為第四代人工光源。引發(fā)這場照明革命的三位科學(xué)家讓人類登上了光明之路的第四級臺階。2014年諾貝爾物理學(xué)獎因此落在他們身上，以表彰他們“發(fā)明了高效的藍(lán)光LED，從而使得一種新型的節(jié)能白色光源得以實(shí)現(xiàn)”。他們是日本名城大學(xué)教授、名古屋大學(xué)特聘教授赤崎勇（Isamu Akasaki），日本名古屋大學(xué)教授天野浩（Hiroshi Amano），日本日亞化工公司前工程師、美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授中村修二（Shuji Nakamura）。

崎嶇的藍(lán)光之路

1907年，英國馬可尼電子公司的朗德（H.J.Round）首次報道了半導(dǎo)體發(fā)光效應(yīng)，文章發(fā)表在《電子世界》期刊上。在一種砂紙研磨劑材料SiC晶體上，他首次觀察到了一種新奇的現(xiàn)象——當(dāng)在晶體兩個觸點(diǎn)之間施加10伏電壓時，在陰極附近晶體發(fā)出微弱的黃光。與火光、黑體輻射等發(fā)光現(xiàn)象不同，這是一種電致發(fā)光效應(yīng)。但這種光線很暗，不具有實(shí)用性，因此未引起人們廣泛關(guān)注。

1929年，俄羅斯無線電技術(shù)員洛謝夫（O.V.Losev）成功制作出世上第一個發(fā)光二極管，獲得第一個LED專利。

1936年，法國人戴特里奧（G.Destriau）公開發(fā)表由Ⅱ-VI半導(dǎo)體材料ZnS制作的LED。此后，SiC及II-VI族半導(dǎo)體成為廣為人知的發(fā)光材料。

1962年，霍洛尼亞克（N.Holonyak Jr.）和貝瓦奎（S.F.Bevacqua）使用GaAsP為發(fā)光材料制作出紅光LED，這是第一個可見光LED，相關(guān)文章在《應(yīng)用物理快報》發(fā)表。他們使用氣相外延法（vapour phase epitaxy，VPE）在GaAs襯底上生長出GaAsP二極管PN結(jié)，但是由于GaAsP與GaAs晶格不太匹配，造成很多缺陷，導(dǎo)致發(fā)光效率不高，僅為0.11流[明]/瓦左右。

1972年，克勞福德（G.Craford）使用N摻雜的GaAsP/GaAs成功制作出第一個黃光LED，進(jìn)一步拓展了LED發(fā)光波長波段。1985年以后，日本研究者以AlGaInP系統(tǒng)為可見光波段發(fā)光材料，AlGaInP/GaInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)為發(fā)光層，通過調(diào)配AlGaInP之間四元材料的比例，成功做出625納米（紅光）、610納米（橙光）、590納米（黃光）波段LED。

根據(jù)色度學(xué)知識，可以由三原色紅、綠、藍(lán)合成白色。進(jìn)入1970年代，LED已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了紅、橙、黃等顏色發(fā)光，但依然無法制作出藍(lán)光LED。為了實(shí)現(xiàn)照明所需的白色光源，人們致力于藍(lán)光LED的研發(fā)。

在開發(fā)藍(lán)光LED時，究竟以何作為發(fā)光材料，存在ZnSe和GaN兩大觀點(diǎn)之爭。研發(fā)藍(lán)光LED的團(tuán)隊(duì)必須在兩種截然不同的技術(shù)路線上做出痛苦的選擇。對于藍(lán)光材料，ZnSe是最初的寵兒，GaN則不被看好。以GaN材料為研究對象的是絕對少數(shù)，其中的重要代表是赤崎勇領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。

1973年，當(dāng)時在松下電器公司東京研究所的赤崎勇團(tuán)隊(duì)就開始了藍(lán)光LED的研究。他們自己建造了所需要的設(shè)備，學(xué)習(xí)有關(guān)技術(shù)并進(jìn)行了數(shù)千次的實(shí)驗(yàn)。一次又一次的失敗并沒有讓他們喪失信心。當(dāng)時人們普遍認(rèn)為，使用GaN材料開展實(shí)驗(yàn)毫無希望。1970年代末，幾乎所有研究組都中止了對GaN材料的研究，但赤崎勇仍在堅持，不過他在松下公司的研究遇到重重阻力。1981年，赤崎勇重返名古屋大學(xué)進(jìn)行半導(dǎo)體研究。以學(xué)術(shù)自由聞名于世的名古屋大學(xué)為赤崎勇專門建造了無塵實(shí)驗(yàn)室供他進(jìn)行GaN材料研究。為回報名古屋大學(xué)的知遇之恩，他把自己的實(shí)驗(yàn)室變成了“不夜城”——夜以繼日，刻苦攻關(guān)。

1982年，當(dāng)時還是本科生的天野浩加入赤崎勇教授的研究小組，參與藍(lán)光LED的研究。經(jīng)歷無數(shù)次失敗后，赤崎勇和天野浩終于在1986年首次制成高質(zhì)量的GaN晶體。他們所采用的方法是在藍(lán)寶石襯底上外延一層A1N緩沖層，并在上面成功生長GaN晶體。

1989年，他們在制備P型GaN的工作上取得突破性進(jìn)展。赤崎勇和天野浩在掃描電鏡下觀察生長的GaN晶體，無意間注意到用電鏡觀察過的GaN晶體的發(fā)光強(qiáng)度似乎增強(qiáng)了。這說明掃描電鏡產(chǎn)生的電子流能夠提升P型GaN的電離效率。于是他們采用低能電子輻照辦法成功獲得低阻的P型GaN。得到P型GaN后，通往基于GaN材料的LED的最后路障被清除了。1992年，他們終于制成第一個藍(lán)光LED。

選擇GaN材料的另一個“獨(dú)行者”是中村修二。1979年從日本德島大學(xué)研究生畢業(yè)后，他加入日亞化工有限公司。當(dāng)時公司規(guī)模還很小，僅200個雇員，其主要業(yè)務(wù)是生產(chǎn)熒光粉。起初，中村修二主要研究對象是用于紅光LED的GaAs材料，1988年才開始藍(lán)光LED的研制。盡管當(dāng)時大多數(shù)人認(rèn)為ZnSe是更有希望的藍(lán)光LED材料，中村修二選擇GaN材料作為研究目標(biāo)多少有點(diǎn)迫于無奈，因?yàn)楫?dāng)時研究ZnSe的單位很多，競爭太激烈，其中不乏大型公司和實(shí)驗(yàn)室，他認(rèn)為如果自己也選ZnSe材料進(jìn)行藍(lán)光LED研發(fā)不會有任何優(yōu)勢。他所在的開發(fā)部門是個小部門，缺乏經(jīng)費(fèi)。為了節(jié)省資源，他需要把實(shí)驗(yàn)中損壞的石英管重新焊接起來，繼續(xù)使用。由于高溫加熱后石英管內(nèi)壓力增大，焊接部位微小的損傷便經(jīng)常會引起爆炸。

幾乎日復(fù)一日重復(fù)單調(diào)的工作——上午打開設(shè)備工作，下午修理損壞的設(shè)備。很多人不理解中村修二的工作，覺得他是個怪人。然而，經(jīng)過不懈努力，兩年之后他成功制成了高質(zhì)量的GaN晶體。他選擇的是與赤崎勇團(tuán)隊(duì)不同的技術(shù)路線，所用的方法是先在低溫下生長薄薄一層GaN晶體，隨后在稍高的溫度下繼續(xù)進(jìn)行GaN晶體生長。為了獲得P型GaN，中村修二采用了一種更簡單、更便宜的方法，即對材料進(jìn)行退火處理。通過這種方法他在1992年成功制成了具有良好性能的低阻P型GaN晶體。1994年，中村修二研制出GaN基的藍(lán)光LED。

可以通過三原色紅、綠、藍(lán)合成白色，另外互補(bǔ)兩種顏色，例如紅與青、綠與紫、藍(lán)與黃也可以合成白色，因此白光LED實(shí)現(xiàn)方式有多種：（1）利用紫光LED發(fā)的紫光激發(fā)三色熒光粉，產(chǎn)生白光；（2）利用藍(lán)光LED發(fā)的藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉，產(chǎn)生白光；（3）利用藍(lán)光LED和黃光LED產(chǎn)生白光：（4）利用藍(lán)光LED、綠光LED和紅光LED產(chǎn)生白光。1998年，中村修二在藍(lán)光LED芯片上涂抹黃色熒光粉研制出第一只白光LED，從而產(chǎn)生了一種節(jié)能、環(huán)保、高效的綠色照明技術(shù)。

半導(dǎo)體照明的應(yīng)用

2008年北京奧運(yùn)會開幕式吸引了全球觀眾的目光，最引人注目的是各類表演中大量使用的LED技術(shù)，主要包括鳥巢會場中央地板的LED屏幕、表演者身上的LED裝飾燈、空中升起由LED組成的奧運(yùn)五環(huán)、鳥巢場館看臺上轉(zhuǎn)播與發(fā)布信息用的LED屏幕等等。開幕式倒計時用的2008個缶采用LED光源點(diǎn)綴。在場地中央鋪設(shè)的長147米，寬22米，面積3234米²的LED屏幕是表演的重要舞臺，演繹了數(shù)千年的中華文明，向世界展示了中華文化的魅力。

2010年上海世博會也大量使用了LED照明技術(shù)，在開幕式上展示的巨型LED顯示屏總面積為9500米²是當(dāng)時世界上最大的LED顯示屏世界紀(jì)錄。在5.28公里²的世博園區(qū)，投入使用的LED燈芯片多達(dá)10.3億只，80%的夜景照明采用LED照明。每當(dāng)夜幕降臨，在LED燈裝扮下的世博園各場館熠熠生輝，晶瑩剔透，美輪美奐。

LED的應(yīng)用非常廣泛，以下為常見的應(yīng)用。

（1）顯示屏

LED顯示屏是由許多LED以點(diǎn)陣方式排列的陣列，整個陣列由計算機(jī)控制。按基色的數(shù)目，分為單色屏（即把單一顏色的LED作為一個像素點(diǎn)制作的顯示屏）、雙基色屏或偽彩色屏（即把紅色和綠色的LED放在一起作為一個像素制作的顯示屏）、全彩屏（即把紅、綠、藍(lán)三色LED放在一起作為一個像素制作的顯示屏）。與傳統(tǒng)的陰極射線管、白熾燈、放電管燈顯示方式相比，LED顯示具有亮度高、耗電低、壽命長、故障低、動態(tài)顯示效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用于交通樞紐、股票證券交易所、大型文藝演出、體育場館等公共場所。

（2）交通信號

傳統(tǒng)的交通信號燈基本都采用白熾燈，紅、綠、黃三種信號燈是通過在白熾燈前面加上相應(yīng)顏色的濾光片產(chǎn)生的。原本發(fā)光效率就很低的白熾燈，加上濾光片后，發(fā)光效率就更加低了。為了獲得足夠的亮度，不得不消耗大量的電能。紅光LED早已問世，隨著黃、綠LED的出現(xiàn)，LED交通信號燈逐漸替代了傳統(tǒng)的交通信號燈。LED交通信號燈的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，如耗電少——僅相當(dāng)于白熾燈用電的10%，節(jié)能效果顯著；工作壽命長，一般LED信號燈可連續(xù)使用3～5年，相比之下傳統(tǒng)信號燈每年卻要更換2～4次；可靠性高，安全性好，一般LED信號燈由數(shù)百只LED芯片構(gòu)成，即使有個別甚至不少芯片損壞，也不影響整個信號燈的正常工作，而傳統(tǒng)的交通信號燈僅一個燈泡，一旦損壞，整個信號燈就無法正常工作，可靠性差。

（3）汽車照明

汽車照明系統(tǒng)是保證汽車安全的要件之一，例如前照燈的照距越長，配光性越好，汽車行駛的安全性就越高。優(yōu)良的汽車照明系統(tǒng)是行車安全的重要保障。與傳統(tǒng)車燈相比，LED車燈的優(yōu)點(diǎn)主要為：壽命長，甚至在汽車使用壽命內(nèi)無需更換燈具；節(jié)能效果顯著，可節(jié)省數(shù)倍燃料，大幅減少汽車對汽油的使用量；開燈即亮，響應(yīng)速度極快，在制動時，哪怕提前零點(diǎn)幾秒的時間就能避免致命的交通事故，大大提高行車安全；體積小，結(jié)構(gòu)簡單，抗震性能好，耐沖擊能力強(qiáng)。

（4）背光照明

背光源就是為液晶顯示器面板提供照明的光源。與傳統(tǒng)的冷陰極熒光管背光源相比，LED背光源不含汞等對人體和環(huán)境有害的成分，另外還具有體積小、省電、發(fā)光亮度高、顯示效果好等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛用于手機(jī)、筆記本電腦、液晶電視等顯示屏的制作上。

（5）景觀裝飾照明

景觀裝飾照明美化周邊環(huán)境，創(chuàng)造舒適的工作和生活氛圍，給人們帶來美好的視覺享受，從而增添生活情趣。常見的景觀燈具包括投光燈或聚光燈、水下燈、地埋燈、幕墻燈、護(hù)欄燈等。LED景觀照明燈的優(yōu)點(diǎn)有：不含有害元素，綠色環(huán)保；低壓供電，安全可靠；體積小巧，便于設(shè)計安裝；響應(yīng)速度快，顯示效果好。可以預(yù)計，在景觀裝飾方面LED燈必將大放異彩。

（6）普通照明

目前，普通照明光源主要有白熾燈、熒光燈、汞燈、鈉燈和金鹵燈。白熾燈特點(diǎn)是成本低，但效率低，能耗大，且易碎，壽命短。熒光燈的特點(diǎn)是比較省電，但易碎且有汞污染。相比之下，用于普通照明的白光LED具有效率高，耗電少，壽命長，體積小等特點(diǎn)，是理想的照明光源，是照亮21世紀(jì)夜空的不二選擇。

（7）特種照明

照明不僅僅為了滿足人們的視覺需要，還有一些特殊的運(yùn)用，如為了讓植物更好地生長，可以根據(jù)植物生長的特點(diǎn)，選擇具有合適光譜的光源對植物進(jìn)行人工補(bǔ)光；在農(nóng)業(yè)方面，可以利用LED燈殺蟲、殺菌，減少農(nóng)藥的使用；在醫(yī)療方面，利用LED照明和CCD攝像頭制成膠囊狀探測器，患者只需像吃普通藥丸一樣吞下這種探測器就可以對腸胃系統(tǒng)成像，而不會感到痛苦；LED照明在通訊方面的應(yīng)用也備受關(guān)注，利用白光LED在進(jìn)行照明的同時還可以傳遞信息，應(yīng)用前景廣闊。

啟示與反思

2014年諾貝爾物理學(xué)獎花落日本，諾貝爾獎的名冊上又添3位日本科學(xué)家的名字。相似的一幕發(fā)生在不久前的2008年，那一年3位日本人獲得物理學(xué)獎，一位獲得化學(xué)獎。截至現(xiàn)在，日本已經(jīng)擁有22位諾貝爾獎得主，其中19位獲得科學(xué)獎，3位獲得人文獎。據(jù)稱，日本還有多名被諾貝爾獎委員會有意或無意漏掉的科學(xué)家，以及幾十位潛在的諾貝爾獎候選人。

—個世紀(jì)以來，諾貝爾科學(xué)獎從未降臨在中國本土！錢學(xué)森曾問過“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”更早些，李約瑟（J.Needham）也問過“盡管中國古代對人類科技發(fā)展做出了很多重要貢獻(xiàn)，但為什么科學(xué)和工業(yè)革命沒有在近代的中國發(fā)生？”諾貝爾獎之所以能引起世人關(guān)注。因?yàn)槠涫谟枋澜缱罹邉?chuàng)造性的研究成果，從而諾貝爾獎獲獎人數(shù)的多寡可以反映—個國家創(chuàng)造力水平的高下。

我們的創(chuàng)造力去哪兒了？創(chuàng)造性的人才出不來，大師培養(yǎng)不出來，首先想到的就是教育問題及人才選拔機(jī)制。

目前的人才選拔基本是“全科取士”，這種方式很公正有效，選拔出來的是高素質(zhì)的優(yōu)秀人才。但試想將這種方式放在體育人才選拔上，即按照十項(xiàng)全能標(biāo)準(zhǔn)選拔體育人才，然后再為運(yùn)動員進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練，則這些運(yùn)動員在每個專項(xiàng)上基本都能達(dá)到很高水準(zhǔn)，但要拿世界冠軍可能性會降低很多。幸好目前中國體育人才采用的辦法是“單科取士”，比如有舉重強(qiáng)項(xiàng)的，即使游泳、短跑不強(qiáng)，也能進(jìn)國家隊(duì)。這也是中國在體育方面能夠獲得很多世界冠軍的原因之一。

普通的人才是需要培養(yǎng)的，但大師通常不是培養(yǎng)出來的。大師是被發(fā)現(xiàn)、被關(guān)懷出來的——發(fā)現(xiàn)人才，并為他們提供不受干擾的環(huán)境，讓他們舉畢生精力安心挑戰(zhàn)科學(xué)問題。如此，便不愁沒有大師出來了。

今年獲獎的幾位日本科學(xué)家，他們選擇了普遍不被看好的方向，經(jīng)歷數(shù)千次失敗，很多年沒有科研成果產(chǎn)生，仍然能堅持不懈、矢志不渝地繼續(xù)既定的科研方向，最后戰(zhàn)勝重重困難，取得里程碑式的研究成果。他們的科研精神、態(tài)度值得借鑒。

這里順便交代一下中村修二從事藍(lán)光LED研究的一段小插曲。當(dāng)年是日亞化工公司普通職員的中村修二越級直接找日亞化工公司創(chuàng)辦人小川信雄（N.Ogawa）請求支持他的藍(lán)光LED研究。中村的策略是選擇鮮有人問津的GaN材料，這是被認(rèn)為毫無希望的材料。無疑他是在冒險，小川信雄投了330萬美金的經(jīng)費(fèi)供中村研究也相當(dāng)于賭博。中村修二的研究計劃直接被小川信雄批準(zhǔn)，無須經(jīng)過專家論證，層層審批。管理結(jié)構(gòu)只有小川信雄，沒有其他的人——沒有委員會，沒有管理委員會顧問，沒有監(jiān)督，沒有部門主管、組長，等等。他們只是工作！歷史上重大的科學(xué)突破往往發(fā)生在不被看好的方向，往往在意想不到的地方驚喜突然出現(xiàn)。如果一個研究計劃被所有評審專家點(diǎn)贊，在一片叫好聲中順利獲得資助，估計那也不會產(chǎn)生重大的里程碑式的成果。

筆者曾參與日本“下一代光存儲計劃”，令人印象深刻的是日本科學(xué)家的“縝密、執(zhí)著、冒險、協(xié)作”精神。筆者認(rèn)為這些素質(zhì)中國科學(xué)家基本具備，但在冒險精神方面顯得有些不足，常常會為功利思想左右，對具有挑戰(zhàn)性的科研工作縮手縮腳，使科研水平難以提升。科學(xué)探索是高風(fēng)險的，科學(xué)研究者應(yīng)該由理想所驅(qū)動，而不應(yīng)該成為功利思想的奴隸。

2014年正好是1962年諾貝爾化學(xué)獎獲得者佩魯茨（M.F.Perutz）100周年誕辰。他是英國劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Laboratory of Molecular Biology，LMB）的第一任實(shí)驗(yàn)室主任，該實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了十幾位諾貝爾獎得主、被譽(yù)為“諾貝爾獎加工廠”。在此，引用佩魯茨的一句話結(jié)束全文：

科學(xué)創(chuàng)造力，如同藝術(shù)創(chuàng)作一般，不能被規(guī)范化，無需精心安排組織，而是從不同天才個體自發(fā)產(chǎn)生的。一個好的實(shí)驗(yàn)室能夠加速這種創(chuàng)造力的發(fā)生。任何等級制度、官僚制度、僵硬的規(guī)則以及瑣碎無用、堆積如山的文件工作都會殘殺這種創(chuàng)造力?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)是無法計劃的。它們就像莎士比亞戲劇中頑皮的小精靈一樣，會在一個意想不到的角落突然出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：2014年諾貝爾獎 物理學(xué) 藍(lán)光 LED半導(dǎo)體照明