【中關村在線原創】舊石器時期，先民們開始有意識的保留火種，改善了他們的生存環境，不僅僅是熟食，更是夜晚的光亮、對付猛獸的工具。但直到一百多年以前，愛迪生發明電燈，我們獲取光明的手段才獲得變革。在2014年，2014年諾貝爾物理學獎揭曉，日本及美國三位科學家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamur)獲獎。獲獎理由是「發明了高效藍光二極體，帶來了明亮而節能的白色光源」。
2014年諾貝爾物理學獎三位獲得者
尋求夜的光明
亙古不變的是自然的星光。但是以前只有滿月才能將大地照亮，文明與否的區別就在於我們能否用自己的科技為黑夜帶來明光。一開始我們只能靠燃燒油脂，西方的國家捕鯨很多，用鯨魚的魚油製作蠟燭，我國則是蜂蠟或是動物白蠟。知道後來石油工業發達了，才改用的便宜的飽和長鏈烴做蠟燭。
明年初有望看到《電流大戰》這部電影，講訴愛迪生的直流電VS特斯拉的交流電
這種燃燒的方式顯然安全性不高。所以愛迪生發明電燈的故事家喻戶曉。在今年底，「卷福」本迪克特·康伯巴奇扮演的愛迪生將搬上大熒幕，我們有望看到。愛迪生發明以及後面改良的白熾燈，雖然帶來了光明，但是它們的特點是發光的效率並不高。
LED讓今天的檯燈設計更有藝術性（松下產品）
今天我們的光源正在從白熾燈、螢光燈向發光二極體（LED）轉變。但是很多人不知道的是為了尋找藍色發光二極體，人類的科學家用了整整30年！如此艱難才找到了藍色的、具有工業量產意義的LED製作辦法，終於湊足了三原色，可以實現白光了！LED的照明註定屬於我們現在生活的世紀，這層意義上來說，授予諾貝爾獎並不過分。
二極體與發光二極體
之前筆者在講英特爾歷史的時候說過，在上世紀五十年代，也就是二極體、三極體走出實驗室的年代，其實有很多企業都在從事這方面的研究，這其中就包括德州儀器，今天德州儀器更知名的是DLP這種投影技術。
最早的LED，不過當時發的是紅外光，不是可見光
在1957年6月3日，James R.Biard從德州農業機械大學獲得博士學位畢業後的第三天，他加入了德州儀器公司從事研發工作，一開始是與沃爾特一起從事第一個低漂移直流電晶體功放電路。到了1959年，Biard與Gary Pittman一起合作進行德州儀器的半導體研究。他們最開始研究的是砷化鎵（GaAs）變容半導體在X射線頻段接收器上的應用。到了1961年九月，他們共同發現了在正向偏置隧道二極體的半絕緣基板上出現的紅外輻射，於是使用了一臺從日本購買的紅外轉換顯微鏡，測量了當時所有德州儀器生產的砷化鎵變容二極體以及隧道二極體。
美國專利3293513
到了1961年的10月，Biard和Pittman演示了高效率的使用砷化鎵p-n結髮射器發射以及信號耦合以及電隔離半導體光電探測器。1962年8月8日，Biard以及Pittman申請了描述具有間隔的陰極接觸的鋅擴散的p-n結LED，這種LED在正向偏壓下有效發射紅外光。美國國家專利局認為此專利申請及研究要早於IBM、RCA、MIT林肯實驗室、GE實驗室、貝爾實驗室，授予美國專利號3293513，這是史上最早的LED的專利。
諾貝爾獎公平嗎？
在2014年諾貝爾獎宣布的時候，有很多人非常不平，因為這個頒發給LED的諾貝爾獎，跳過了最早發現的紅色、綠色LED，直接給了藍色，公開表達不滿的就包括尼克·何倫亞克，他第一個發明了可見光發光二極體。
何倫亞克和他的紅色二極體
何倫亞克的雷射二極體是今天非常多的產品的基礎
尼克·何倫亞克本人持有40多項專利，其中為人熟知的還有著名的半導體紅色雷射發射裝置的專利，這個專利是後來CD唱盤機、蜂窩電話的基礎。為何何倫亞克這麼牛呢？我們說Biard他們是最早的LED專利，但是當時發生出來的是紅外線，而何倫亞克的專利發射出來的是可見紅光！這個發現發表於1962年，當時他在GE（通用電氣）的研究機構工作，具體的原理比較複雜，名字叫做III-V合金半導體。這個紅色發光半導體開啟了一扇大門，半導體照明的大門。
當年風華正茂的何倫亞克在GE的研究院
在1965年推出的商用的紅色LED，價格大約是45美元。但是早期的LED發光效率很低，只是能發光而已，還不如同時期的白熾燈泡，每瓦的發光只有0.1流明，而當時白熾燈的水平是每瓦15流明。
George Craford發明了黃色LED
到了1972年，何倫亞克的學生喬治克拉夫德才發明了黃色光的LED，並且改進了二極體的發光效率。1976年T.P.Pearsall發明了適合光纖傳輸的特殊發光二極體，具有高亮度、高效率的特性。
關鍵的藍光二極體
紅色和綠色二極體都很快的發現，但是要組成白光，作為三原色，藍光二極體的發現一隻困難重重。傳統的磷砷化鎵之類的方法無法實現。
1968年的Marusaka
最早的實驗室裡的藍色光LED
早期的藍光LED專利
1972年,史丹福大學由材料科學與工程博士生Herb Maruska和Wally Rhines使用鎂摻雜氮化鎵製造出的第一個藍紫色LED。當時，Maruska在RCA實驗室休假時與Jacques Pankove進行了有關工作。在1971年，Maruska離開RCA去史丹福大學後的一年，他的RCA同事Pankove和Ed Miller展示了鋅摻雜氮化鎵的第一個藍色電致發光設備，隨後的Pankove和Miller推出一連串成果，製造出第一個實際的氮化鎵發光二極體發射綠色光。 1974年，美國專利局授予Maruska，Rhines和Stanford教授David Stevenson 1972年的專利（美國專利US3819974A），今天，氮化鎵的鎂摻雜仍然是所有商業藍色LED和雷射二極體的基礎。在20世紀70年代初，這些器件對於實際使用來說太暗，並且對氮化鎵器件的研究放緩。 1989年8月，Cree推出了基於間接帶隙半導體碳化矽（SiC）的首款商用藍色LED。Cree的 碳化矽LED具有非常低的效率，不超過約0.03％，但是在可見光光譜的藍色部分發射。
中村秀二和藍色LED
剩下的問題變成了如何提高藍色二極體的發光效率。在80年代後期，氮化鎵外延生長和p型摻雜的關鍵突破迎來了GaN基光電子器件時代。在這個基礎上，波士頓大學的Theodore Moustakas獲得了使用新的兩步法生產高亮度藍色LED的方法，兩年後，1993年，日亞公司的中村修二再次使用與Moustakas相似的氮化鎵生長工藝再次證明了高亮度藍光LED。 Moustakas和中村都獲得了獨立的專利，這使得發明人是誰變得有點亂（部分原因是雖然Moustakas發明了他的第一個，中村卻是首先提出）。但無論如何，這個新的發展徹底改變了LED照明，使大功率的藍光實用。
中村修二的遭遇
中村的發明可以說沒怎麼得到日亞公司的幫助，因為他並不被公司看好，前面說了他用的是氮化鎵技術，但是這個技術的效率太低，當時業內普遍的方向是氧化鋅和硒化鋅，同樣從事這個方向研究的還有名古屋大學的赤崎勇師徒。他們幾乎是在同一時段進行實驗並最終取得成果，接著又互相提高對方的實驗成果。
藍光LED的原理
當年在日亞不受重視的中村
日亞還搶註了他的專利，只給了這個對藍光二極體發明人兩萬日元的獎金……憤怒的中村遠赴美國，居然還被日亞要求籤署協議，三年不得從事藍光二極體研究。日亞用中村的專利銷售藍光二極體賺的盆滿缽滿，直到2004年，憤怒的中村狀告日亞要求其支付發明補償金並勝訴。法院判決日亞應支付給中村補償金200億日元。最終，這個金額縮水到了8.4億日元。這場前無古人的訴訟激勵了很多發明者在法庭上尋求幫助，他們當中的很多人贏了訴訟或者獲得庭外和解。如今，中村訴日亞一案已成為專利訴訟教材的指標性案例。
科研人員如何保護好自己的果實？
中村更為在意的似乎是東京地方法院的這一判斷：「發明者的貢獻度即使保守估算也不低於50%。原告幾乎靠一己之力完成了世界性的發明。」
藍光到白光的兩種路徑
藍光LED發明之後，RGB三原色湊齊，可以發射白光。但是從紅色可見光LED發明到中村的發明，人類科學界尋找合適的材料和適合商品化生產的方法，整整用了長達三十年的時間，這也是為何把諾貝爾獎頒發給中村修二以及赤崎勇師徒。
便宜的RGB LED已經應用到了鍵盤上
藍光+螢光得到的近似白光LED
另外一種獲得近似白光的辦法則是咋藍色LED上結合黃色的螢光粉，這樣也可以得到近似的白光，是一種經濟的辦法，我們很多手電筒、手機的閃光燈都是這種技術的產物。
發光技術對比，LED還有環保、不含汞的特性
LED的突出特色有兩個：高效率、長壽命。LED的壽命非常長，而且基本上LED的使用壽命的影響因素很多並不是因為半導體的原因，而是整個LED元器件的其它電路基板發生的故障。LED的應用就不多說了，今天LED燈泡都在取代傳統的白熾燈、螢光燈，並且演化出來更行各業的不同應用，就我們能感受到的，最近十年LED的價格下降了非常多。
2017年誰將問鼎諾貝爾獎？
諸位讀者閱讀此文的時候，2017年的諾貝爾獎也已經揭曉了，如果可能，我們將為大家帶來今年諾貝爾獎相關的通俗解讀。