藍光LED掀起照明的新篇章

方牧懷 劉如熹

藍光LED的誕生

LED最早起源于1961年，美國德州儀器公司發(fā)展以磷化銦鎵材料合成的LED，其放光波長范圍為近紅外線。1962年，奇異公司發(fā)展的紅色發(fā)光二極體，因其轉(zhuǎn)化效率差且發(fā)光波長遠離可見光范圍，因此未被廣泛應(yīng)用，僅用作指示燈。1991年，美國HP公司與日本東芝公司研發(fā)的綠色發(fā)光二極體，因缺少藍光LED，無法利用三色原理組合成白光照明光源。

直到1993年，日本的中村修二成功開發(fā)出具高亮度的藍光發(fā)光二極體。相較于傳統(tǒng)的日光燈與白熾燈泡，LED不僅體積小、環(huán)保、省電，壽命更是長達10萬小時，且因其低耗電的特性，對于電力缺乏的發(fā)展中國家，無疑是一大福音，現(xiàn)今環(huán)保意識與節(jié)能觀念逐漸提升，發(fā)光二極體已躍升為21世紀照明與顯示器的新光源。

發(fā)明藍光LED的科學家們

2014年的諾貝爾物理獎揭曉，頒給發(fā)展藍光LED的三位教授，分別為任教于名城大學的赤崎勇教授、名古屋大學的天野浩教授，以及美國加州大學的中村修二教授。

赤崎勇和天野浩

赤崎勇教授出生于日本鹿兒島縣，于名古屋大學取得工學博士，曾服務(wù)于松下電器與名古屋大學，現(xiàn)為名城大學終身教授。其學生天野浩教授，出生于日本靜岡縣，主要研究III族的氮化。1986年，赤崎勇與天野浩首次成功于藍寶石基板上，以“低溫沉積緩沖層技術(shù)”合成高質(zhì)量的氮化鎵晶體，并于1989年以氮化鎵的p/n結(jié)構(gòu)完成了藍色發(fā)光二極體，于20世紀80年代末期又成功合成p型氮化鎵半導(dǎo)體。

中村修二

中村修二教授出生于日本愛媛縣，1979年取得德島大學工學碩士，后任職于日亞化學，1987年赴美國佛羅里達大學進修一年，1988年回國后致力于開發(fā)藍色LED。當時氮化鎵并不受重視，被大家視為一項不可能成功長出p型半導(dǎo)體的材料，多數(shù)科學家致力于硒化鋅（ZnSe）材料的研究。中村的研究過程相當艱辛。兩年后，中村成功于低溫下合成氮化鎵薄層，并在幾年后又成功研制了含銦的氮化鎵，1993年，世界第一顆高亮度藍色LED成功地商品化，使中村也被稱為“藍光之父”。1999年，中村發(fā)明了藍紫半導(dǎo)體激光，也完成了在日亞化學的所有任務(wù)。2000年后他在美國加州大學圣塔芭芭拉分校擔任教授一職。

這三位偉大的科學家，不僅對于自己的研究相當執(zhí)著，更勇于背負極大風險，選擇了常人認為不可能成功的氮化鎵材料，即使資源匱乏，必須自己架設(shè)儀器，他們?nèi)匀徊灰虼硕艞?，歷經(jīng)數(shù)以千次實驗的失敗，依然堅持自己的信念，最后才得以成功發(fā)展藍光LED，也因此得到了2014年的諾貝爾物理獎。

革命性的照明裝置

為了將LED運用于照明裝置，可使用紅、綠與藍三種顏色的LED組成白光。這雖然可以解決過去無法產(chǎn)生白光的問題，但此裝置也有許多缺點，不僅成本過高，而且三種LED的壽命不同，如果其一損壞，就必須淘汰此裝置。因此，世界各國的科學家也積極尋找解決方法，而此問題的答案為——熒光粉。

作為發(fā)光二極體基礎(chǔ)材料的無機粉體被稱為熒光粉，此材料具有高光能轉(zhuǎn)換效率與高色彩飽和度，合成與加工步驟簡易，主要可分為主體晶格與活化劑兩個部分，主體晶格為熒光粉體的主要晶體結(jié)構(gòu)，并提供活化劑的配位環(huán)境，其將影響活化劑放光特性。活化劑則為摻雜在主體之離子，為主要發(fā)光中心，通常為稀土元素。而最著名的熒光粉莫過于1996年日亞化學揭示的鈰摻雜釔鋁石榴石（簡稱YAG），此熒光粉可被藍光LED激發(fā)（波長為460納米）。而YAG所放出的黃光，經(jīng)適當調(diào)控熒光粉添加量，可得到由藍光LED晶片所放出的藍光，加上YAG黃色熒光粉所放出的黃光，即可形成白光。此裝置不僅成本低，更可避免使用三種不同顏色LED所面臨的各自壽命不同的問題。

LED照明裝置改良

藍光LED的發(fā)明，搭配黃色熒光粉即可產(chǎn)生白光，可以解決照明的問題。然而，此裝置有一個致命的缺點——即當照明時無法顯示出物體真正的顏色。其中最大的原因是此裝置缺少紅色區(qū)域的光譜，為了改善此缺點，科學家便開發(fā)了紅色熒光粉，目前放光特性良好的紅光熒光粉主要以氮化物或氮氧化物為材料。未添加紅色熒光粉的發(fā)光裝置，色溫較高，屬于冷白光;而添加紅色熒光粉的發(fā)光裝置，色溫較低，屬于暖白光。

LED未來展望

據(jù)統(tǒng)計，若臺灣1/4的白熾燈泡與傳統(tǒng)日光燈替換為白光LED，則每年可省下約110億千瓦時的電力，相當于核電廠一年的發(fā)電量，因此，作為日后照明的主要光源，如何提升LED亮度與降低成本勢必成為一大課題。另外，現(xiàn)代手機、平板電腦與大型LED電視的普及，也使LED更普遍地用于背光面板。因為藍光LED的發(fā)明，使得今日的世界可以運用電腦控制，使LED發(fā)出數(shù)百萬種顏色的光，因此，大到路上隨處可見的大型LED展示板、紅綠燈，小到熒幕的背光系統(tǒng)，都有LED的身影。另外，現(xiàn)代常利用電腦控制LED放光的強度與顏色來模擬日照，來進行溫室植栽，因此我們?？梢栽谕粫r間看到不同季節(jié)的花卉。

赤崎勇、天野浩和中村修二教授不僅發(fā)明了藍光LED，也發(fā)明了藍光激光，使資料儲存領(lǐng)域有重大突破，因藍光激光的波長比紅外線短，可于相同的資料儲存面積儲存更多資料。白光LED的出現(xiàn)，對人類的歷史有著無可比擬的重要性，白熾燈泡照亮了19世紀，熒光燈管照亮了20世紀，而21世紀，將是LED的時代。

TIPS

為什么諾貝爾獎特別頒給藍光LED的發(fā)明呢？

早期由于紅色發(fā)光二極體波長的限制，多只能用作交通號的警示燈，或LED看板的顯示，用途受限，且無法用于照明設(shè)備。然而，當藍光LED被發(fā)明后，科學家便可以利用紅、綠與藍三種顏色的LED自由調(diào)配所需的顏色。