■ 歐陽峰/文
２０１４年諾貝爾物理學獎的得獎工作是換燈泡。更具體地說，是用發光二極體（LED）來取代我們習以為常的白熾燈和螢光燈。
LED最明顯的好處是節能。在同樣亮度下，它的耗電量大約是白熾燈的二十分之一，螢光燈的四分之一。目前全球電力的百分之二十用於照明。所以「換燈泡」帶來的電力節省是相當可觀的。據估計，如果全中國都改用LED照明，節約的電力將比三峽發電量還多。而且因為LED燈泡的用電量低，在沒有電網的地方可以用太陽能，風力等局部供電照明，改善邊遠地區民眾和野外作業者的生活質量。
雖然LED目前價格仍然較貴，但它壽命長得多，不僅省下了換燈泡的材料費還大大節省了維護人工（二戰時期，五角大樓每天要更換六千個燈泡）。而且LED燈可以隨意控制亮度甚至顏色，開創了很多新的照明選項。除了常規照明外，LED還是很多現代彩色顯示屏和儀表指示中不可缺少的部件。
LED的原理在四十年代就被發現了，商業化的LED到了六十年代也出現了。但是LED用於照明，卻是九十年代才有的。為什麼拖了那麼久呢？原因是LED家族中缺少一位成員：藍光LED。
照明通常需要白色光源，而LED的光色與其材料和結構有關，所以都是單色的。我們都知道，視覺上的白色（或其它任何顏色）可以用紅，綠，藍三種顏色的光來合成。所以藍色光源對於白光照明來說是必須的。另一種產生白光的辦法是用螢光材料。螢光材料可以吸收短波長的光，發出長波長的光。例如我們熟悉的螢光燈，就是通過螢光材料把汞蒸氣發出的紫外光轉變成白光。用這個辦法，也需要波長在可見光低端（藍色或紫色）的光源。
除了照明和顯示以外，藍光的短波長還有其它好處。例如，我們常用的儲存介質CD和DVD都是用與LED機理相似的半導體雷射器發出的雷射來存取數據的。而雷射的光斑大小是與波長成正比的。所以藍光雷射比紅光的光斑小，在同樣面積上可以儲存的數據也多。所以藍光光碟的儲存量更大。
２０１４年的諾貝爾物理獎，頒給了高效率藍光LED的發明者：日本名古屋大學的教授赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和美國加州大學聖塔芭芭拉分校教授中村修二(ShujiNakamura)。
既然藍光LED如此舉足輕重，那為何它卻姍姍來遲，比兄弟們落後三十年呢？
原來，LED的發光原理是利用半導體的特性，而其發光波長與所用材料的性質有關。雖然理論上可以預計每種材料的發光波長，但要做成器件，還需要克服重重障礙。藍光LED的發展就經歷了這樣一個曲折的過程。
藍光LED的候選材料主要有兩種：硒化鋅和氮化鎵。一開始，氮化鎵不被人看好，因為它的晶格常數與襯底（藍寶石）相差太遠，要長成完美的晶體幾乎不可能。然而，硒化鋅被研究多年後，仍然未能成功。這是因為它雖然容易生長，但也有致命的弱點：這種晶體很脆弱所以壽命不長，而且對晶體缺陷很敏感。於是日本的幾個研究者，也就是這個故事的主角，抱著「獨闢蹊徑」的想法，再次嘗試氮化鎵。從八十年代起，他們利用當時新出現的金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD，又稱金屬有機物氣相外延MOVPE）技術，長出了高質量的氮化鎵晶體。在此基礎上，他們又克服了摻雜，器件結構等難題，終於在九十年代初期製造出了商業化的藍光LED。隨後，基於類似技術的高亮度紫外光和其它顏色的LED也相繼問世。「換燈泡」終於變成了現實。今天，基於這個技術製造波長更短的LED，仍是一個活躍的研究領域。
我們稱藍光LED的工作為「換燈泡」，不僅因為它和照明有關，也因為其中的技術挑戰也與眾不同。這個工作所需要的半導體理論和有關的材料性質都已經為人所知，所以「換燈泡」看來並沒有非常亮麗的「技術含量」，只是個「力氣活兒」。然而，在半導體這一行，知道理論和作出東西，特別是能商業化的東西，其中的距離何止千萬裡。這次得獎的三位藍光LED發明人都是在日本作出的工作。他們科研的經歷也許反映了教科書上不常見到，但在現實中卻相當普遍的一種科研模式。在這裡，我們就講講其中一個研究者中村修二的故事。
很多科研人員的職業訣竅是追逐熱門，也就是關注，致力於公認重要的題目。而中村修二的經歷卻反其道而為之：選擇冷門。
１９７９年，中村從一個日本二流大學——德島大學（University of Tokushima）拿到電子工程碩士。他決定不到大公司去爬梯子，而是到了一個小城市四國，加入了一家小公司日亞（Nichia）。在那個２００人的公司中，只有三個研發人員，而中村是其中唯一的一個碩士。
中村一開始的工作是製造紅光和黃光LED所需要的晶體。這是個驚險的工作，因為他的爐子經常會爆炸。幸運的是他至今毫髮無損，而且練出一手焊接石英的絕活兒。
１９８５年，因為那些晶體銷路不好，公司要求中村試製LED成品。經過三年的自學和摸索，中村創造了自己的工藝，製造出了質量優良的LED產品。但是一個小公司很難在擁擠的市場上得到立足之地。中村認為他們還是要走「冷門」路線。他說服了公司主管，得到三百三十萬美元的研究經費，開始進軍當時很少人問津的藍光LED研發。
１９８８年，中村來到佛羅裡達大學，跟一個研究團隊學習當時新型的MOCVD技術。但是因為他沒有博士學位，他們把他當作技術員，要求他組裝起一臺MOCVD機器。通過十個月，每周七天，每天十六小時的辛勤工作，他終於完成了這項任務，同時對MOCVD的技術和設備有了透徹的了解。
這個經歷也使中村立志要拿到博士學位。為了多發論文，他又一次選擇了冷門：不是研究「眾望所歸」的硒化鋅，而是去啃氮化鎵這個硬骨頭。
首先要對付的，就是晶體生長的難題。因為氮化鎵的晶體常數與藍寶石襯底相差太大，直接生長的晶體會有很多缺陷。這時候，名古屋大學的研究團隊（２０１４年同時得獎的赤崎和天野）發明了用氮化鋁作為緩衝層解決晶體常數不配合的問題。中村沿著類似的思路，使用低溫下生長的氮化鎵作為緩衝，並且發明了使用兩個垂直氣流的雙氣流MOCVD技術，使得晶體生長環境更加均勻，進一步減少晶體缺陷。因此他在１９９１年得到了世界上性能最好的氮化鎵晶體。
下一個難題是摻雜。為了得到所需要的性能，需要在一部分的氮化鎵裡摻入鎂原子。但不知為何，摻雜總達不到預想的效果。１９８８年，名古屋大學團隊的發現：用低能電子照射摻雜後的晶體，能提高摻雜的效果。１９８９年，他們製作出了第一個藍光LED。１９９２年，中村經過文獻搜尋和反覆試驗後認定：這說明是晶體生長過程中的氫離子在「搗亂」。他用更方便的退火方法趕走了氫離子，終於得到了想要的材料。
但是這時候的藍光LED功率很小，效率也很低，還不能商業化。在九十年代，這兩個團隊採用了別人發明的「雙異質結（doubleheterostructure）」技術（２０００年諾貝爾物理獎），也就是在兩層氮化鎵之間夾一層氮化銦鎵材料（中間還有兩層氮化鋁鎵）。這樣把正負載流子集中到一起，提高了兩者結合產生光子的機會。這也是當年時髦一時的「量子阱」技術的應用。另一個好處是：通過控制氮化銦鎵中銦的含量，可以調整材料性質，產生不同顏色的光。可以預料的是，生長這樣的結構不是容易的事。但通過中村發明的雙氣流MOCVD技術，他得到了很好的結果。在九十年代中期，中村與名古屋大學團隊幾乎同時作出了高亮度的藍光LED和雷射器。１９９９年，中村所在的日亞公司開始銷售藍光LED和藍光／紫光固體雷射器。今天，這個公司仍是這個巨大市場中的大玩家。「冷門」終於變成了主流。(後來中村將日亞公司告上法庭。２００５年和解的結果，日亞公司補發中村約九百萬美元的「獎金」。)
開發這些技術的同時，中村發表了大量的論著，得到了博士學位。他的發表策略也是走冷門：很多文章發表在知名度不高的雜誌上。這主要目的是避開公司的注意，免得引起智慧財產權的麻煩。２０００年，他終於踏入了學術界，成為美國加州大學聖塔芭芭拉分校的教授，主持一個藍光LED研究中心。
中村的職業道路很有「日本特色」。他並非一開始就很有野心而只是把每件事做好，工作起早貪黑，搞定所有細節。先是十年練手打好了基礎，然後十年磨一劍專攻一個難題，終於修成了正果。但是他也不是聽天由命，無所追求的人。在苦心研發的產品不被市場認可，在公司的地位和價值受到同事質疑的狀態下，他「拍案而起」，直接向大老闆建議。然後用加倍的辛勤工作來報答公司給予的支持，終於證明了自己。其實也不光是日本人，整天幹著平凡瑣事科研人員在世界的哪裡都是多數。但在這樣的處境下能保持兢兢業業的心態，而且還不忘力求上進，這就可能有些文化因素了。
我們還記得上一年（２０１３年）的諾貝爾物理學獎，得獎工作是希格斯理論。那是個非常高明的想法，展示在一個高度簡化的理論系統中，就大功告成。至於填入種種細節發展成精確描寫基本粒子的標準模型，那就是另一回事了。而今年表彰的工作恰恰相反。基本的理論和技術都已經有了。但要作出商業化的產品，還有無數的細節要考慮。它也許不需要光彩耀目的天才，但需要幾十年如一日的辛勤勞動積累的經驗和技巧，無數參數調節和設備改進，不是畢其功於一役而是通過很多一步一個腳印的小進步終於達到目標。這兩個工作的意義也成鮮明對比。尋找希格斯粒子是探索人類知識的新疆界。藍光LED則是運用已知的物理原理和研究結果來製造有重大價值的產品。藍光LED的研發過程中也積累了大量寶貴的知識，但那些大多數是只適用於某個具體系統的，不具有普遍意義。這個工作的意義在於它改變了人們的生活，而不是擴展了人們的知識體系。
可能會有這樣的感覺：只有希格斯之類工作才是諾貝爾獎的對象。而藍光LED應該屬於工程而不是科學。但實際上，按照阿爾弗雷德·諾貝爾的原話，物理獎的對象是「在物理領域做出最重要的發現或發明的人」。其中的「發明」，也許就包括了重要產品或實用技術。事實上，諾貝爾物理獎也一直在平衡這兩類工作。就拿近年來的獎項來說，雙異質結二極體與集成電路（２０００），巨磁阻（２００７）以及光纖和CCD（２００９）都是應用型工作。２０１４年，不僅物理獎是應用型的，而且化學獎（超分辨顯微技術）也是物理原理的應用。也許隨著學科的成熟，應用型研究會在物理領域中佔越來越重要的作用。
【附註】關於中村的故事在科學網上有很多討論。有興趣的讀者可以搜索「中村 科學網」。
【附錄】關於發光二極體（LED）的簡單科普
我們可以把半導體理解為一個電影院。觀眾們都是懶人，如果有椅子坐就不願意站起來（也就是說站著的人比坐著的能量高）。但他們可以從一個座位換到旁邊的空位，不用消耗能量。
純粹的半導體（稱為本徵半導體）相當於一個滿座的電影院。雖然每個人（半導體中的電子）並沒有被綁在椅子上，但因為沒有空座，誰也不能移動。這種半導體是不能導電的。
但是通過在半導體裡摻進微量雜質，我們可以減少一點人數。這樣有了一些空位子，旁邊的人就能換位過去，又空出位置給更遠些的人。於是所有人都能移動了。（換一個角度看，也可以說是空位子在反方向移動。）這種有空位子的半導體稱為P型半導體，它能傳導電流。而摻進另一種雜質，可以增加人數。這樣就有些沒有座位而站著的人。他們反正是站著，就可以自由移動。這種有多餘人（電子）的半導體稱為N型半導體。它也能傳導電流。
當兩種半導體相遇時，接觸點上N型中多餘的人就會坐到P型中多餘的座位上。這樣能量降低了，多餘的能量就轉化成了光。這就是LED發光的原理。這樣的接觸點就稱為PN結。PN結不光是LED，也是所有半導體器件（如二極體，三極體）的關鍵結構。當然，要持續發光，就需要不斷補充多餘的人和空座。這就需要外接電源提供能量。
要造出好的LED，首先要造出有效的N型和P型半導體。對於氮化鎵，它本身的晶體缺陷就造成了N型材料，這沒有問題。但製造P型材料卻一直很困難，直到今年的得獎者發明了電子照射和退火的方法來趕走搗亂的氫離子。這樣PN結就有了。當然，要讓人和空椅子快速移動（從而在PN結上一直有更快的人／椅結合），電影院不能有很多柱子，欄杆那樣的障礙。也就是說，半導體晶體不能有太多的缺陷。中村發明的雙氣流MOCVD技術，就大大減少了缺陷的濃度。最後，他們採用的雙異質結的結構，相當於把站著的人和空位子都引導到一個較小的空間，讓它們相遇的機會大大增加，也就提高了LED發光強度。
對於還想深究的讀者，也許下面的解釋有些用處：
半導體裡的電子有兩個能帶，之間有一定的間隔（成為禁帶）。低能量的能帶相當於坐著的人，高能量的相當於佔著的人。電子有個泡利不相容原理，相當於一個座位只能坐一個人。本徵半導體中的電子正好填滿低能帶，而高能帶是空的。P型半導體的低能帶有些空位（成為空穴）。N型半導體的低能帶是填滿的，而在高能帶上有些電子。電子要從低能帶跳到高能帶就需要一定的能量（等于禁帶的寬度）。這在室溫下很少發生。而當高能帶上的電子與低能帶上的空穴結合時，就會釋放能量，形成光子。光子的波長是由禁帶的寬度決定的。
來源：科學網歐陽峰博客