【2014諾貝爾獎】物理學獎深度解讀:藍光LED光耀四野

用藍光LED拼成的諾貝爾籤名。

2014年的諾貝爾物理學獎授予了3位日本科學家，以表彰他們在藍光LED上所作的研究。

「Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura are rewarded for inventing a new energy efficient and environment-friendly light source – the blue light-emitting diode (LED). In the spirit of Alfred Nobel, the Prize awards an invention of greatest benefit to mankind; by using blue LEDs, white light can be created in a new way. With the advent of LED lamps we now have more long-lasting and more efficient alternatives to older light sources.」

和以往的頒獎詞一樣，這裡的每一段文字都富有深意，值得深入解讀。

1. Blue light-emitting diode——寬禁帶半導體PN結注入式電致發光

LED的原文「light-emitting diode」中，diode意為二極體，這將半導體PN結的注入式電致發光，與交流高壓電場下的電致發光現象（EL發光線）區別開來。

前者也就是今天使用的發光二極體的原理：當PN結正向偏置時，注入的少數載流子在界面附近與多數載流子複合並放出能量。在普通的二極體裡，能量多以晶格振動（熱能）的形式釋放，而在發光二極體中載流子複合放出的能量部分以光子形式放出——電能轉換成了光能。

常用的LED材料，如氮化鎵（GaN）等，都是直接帶隙半導體。它們的導帶電子可以直接躍遷到價帶與空穴複合，過程中只涉及電子-空穴對並放出一個光子。所以，它們的輻射效率很高，內部量子效率可以接近100%，也就是一次電子空穴對複合產生一個光子。矽、鍺等間接帶隙半導體在複合過程中有大量的非輻射複合，量子效率不高。

對於直接帶隙半導體來說，發射光子的能量和半導體的禁帶寬度直接相關。理論上氮化鎵的禁帶寬度為3.44 eV，出射光子的能量也是3.44 eV，相當於360nm左右波長的近紫外光，這是中村等人研究的氮化鎵系半導體用於短波段可見光發光二極體的理論基礎。

常用的藍光LED裡半導體材料的禁帶寬度略小，出射光波長在460nm左右，實際工作壓降稍大於半導體材料的禁帶寬度，大約3.0~3.3V。作為對比，發出780nm紅光的磷化鋁銦鎵（AlGaInP） LED一般只需要1.8~2.0V的供電電壓，這是因為所用半導體材料的禁帶寬度較窄的緣故。

這一特性對於應用來說，有利有弊。好處是直接獲得光譜很窄的單色光源；光源的中心譜線可以通過能帶工程調節；直接帶隙半導體產生光子的效率很高，有利於提高整體光效；而壞處是，單一的LED無法得到多種波長的光線。

氮化鎵系LED的顏色分布。

中村等人在日亞公司開發的成套氮化鎵LED加工工藝，不僅獲得了之前用其他材料難以獲得的基於寬禁帶材料的藍色LED，同時也開啟了一系列直接帶隙半導體高亮度LED之門。通過包括摻雜在內的各種手段調節氮化鎵系半導體材料的能帶結構和禁帶寬度，可以獲取例如氮化銦鎵（InGaN）的藍/綠色高亮度LED，磷化鋁銦鎵的紅/黃色高亮度LED，相比以前的LED，它們的光效都有革命性的提高。

2. White light can be created in a new way——白燈之路

LED七色俱全，為何是藍色而非其它光色的LED研究獲此殊榮？這需要從色光的本質說起。

所有的光源，要想成為通用照明光源，都需要過人眼這一關。人眼最習慣的光照是太陽光，在比較其他照明光源時通常都以太陽光為比較對象，這也是測量光源顯色指數的原理。從光譜圖上可以看出不同時段太陽光在可見範圍內基本是黑體輻射的連續譜，和此光譜越接近，人眼對顏色的感覺就越自然。

氣體放電燈出現以後，由於光譜段很窄，顯色性開始成為一個嚴重的問題。顯色性差的例子之一是發黃光的鈉燈，雖然看上去和色溫低的白熾燈光色差距不大，但是由於鈉燈沒有紅藍光波段，紅藍衣服在鈉燈下全成黑色，很不適合日常照明。這使得鈉燈雖然光效早已突破200lm/W，但是始終派不上生活用場。

後來人們想了一招，光學中可以將任意色光分解成人眼敏感的三基色，如今可以反其道而行之，既然單一氣體放電燈的光譜窄，那就多個不同光譜的燈拼在一起，合起來的效果就接近日光連續光譜了——這一思路的成果是三基色螢光粉水銀放電燈，我們頭上的日光燈管多數是這種。它們通過放電產生的紫外線激發紅綠藍三色螢光粉，3種基本色光組合，顯色性接近陽光。以前的CRT顯示器，也是基於三色螢光粉受電子流激發發光的原理。

說回LED，它起初面臨的問題和氣體放電燈一樣，單一LED的發光波長很窄，這種單色的光源在多數場合併不適用。研究者參照螢光燈提出了多色LED組合與短波長的LED激發螢光粉等方案，它們理論上都可以獲得白光和全色顯示，但是它們都需要短波段，也就是藍紫色端的LED。

不巧，在中村等人開發GaN材料之前，藍光LED的研究又進展甚微，所以雖然LED發明很早，但是由於缺少藍色色光，整個LED照明顯示產業的瓶頸就卡在這裡。在這段時間裡，手機屏幕的背光都是單色的綠光，點陣顯示屏最多紅綠兩色，有些地方應該還能見到這些歷史的殘留。

單色背光的老手機。

中村等人發明的藍光LED，補足了光譜上最後一塊缺口，讓基於LED的白光照明和全彩色顯示成為可能，為之後出現的所有LED照明燈，LED背光液晶顯示器，LED全色顯示點陣鋪平了道路。是藍光LED讓LED從紅綠色的小指示燈和數碼管顯示走向真正意義上的通用光源，成為「a new light source」， 這也是藍色LED的研究特別被重視的原因。

3. Energy efficient and environment-friendly——世界第一的光效

任何人造光源都有一個共通的光效上限，這一上限由能量守恆定律和人眼的光感曲線決定。當光源所有的能量都100%轉換為555nm單色光時，視覺感受最明亮。此時的理想單色光光源流明效率為683lm/W。鈉燈由於光譜線在589nm左右非常接近理想值，所以近百年前發明以後就以高光效著稱，輕鬆達到200lm/W以上。但是相應的，人眼需要光譜兩端的色光來辨識事物，這種黃綠色的理想單色光源使用價值也很低。說光效的時候，嚴謹而言應當在給定顯色性和色溫指標相同的情況下對比，這時候的可用光效上限顯然要比理論值683lm/W低很多。

基於寬禁帶半導體的藍色LED發明之後，白光LED先後出現了兩種形式。一種是結合了紅，綠，藍等多色LED，通過調節色光比例混合產生白光；第二種是藍光LED+黃色螢光粉，結合藍光和螢光粉激發出的寬頻段黃光產生白光。前者的好處在於不僅可以發白光，還可以隨心調節各種色光，常用於戶外大型LED全色顯示屏；後者的優點是接線簡單成本低，沒有不同LED光衰速率不一產生偏色的問題，常用於只需要白光的場合例如照明。

白光LED的兩種設計方案。

雖然LED內部的量子效率可以很高，但是考慮到白光和顯色性的需求，即使100%發光效率下能獲得的光效也不可能達到理論上限，這要視具體的設計方案而定。2004年大野良宏（Yoshi Ohno）對白光LED的理論光效做了研究，三色LED方案達到了顯色指數80，光效409lm/W，四色LED方案達到了顯色指數97，光效361lm/W，而螢光粉方案光效最高可達370lm/W（顯色指數86）。由於LED的發光波長和螢光粉的發光頻譜都還有調節餘地，這一結果並非最後的上限，在683lm/W的大限之下，日後出現更好的組合方案也是有可能的。

在理論光效的指引下，一方面按照理論結果在生產工藝中調節半導體能帶和螢光粉光譜，一方面改進晶片結構和設計封裝以充分利用直接帶隙半導體接近100%的內部量子效率，這些年的LED光效飛速提高。目前量產的藍光螢光粉方案LED最高光效達到了160lm/W。研究領域進展更快，2012年白光大功率LED光效達到254lm/W，成為光效最高的光源。2014年的最新報導中，實驗室光效已經達到303lm/W的高水平。現在LED是未來最高效節能，也最富有前途的照明光源。

4. 一層窗戶紙——半導體藍色雷射器

LED發明之後，半導體雷射器就只是一牆之隔了。在LED的基礎上，利用與PN結垂直的晶體解理面可以獲得天然的平行諧振腔，再利用PN結內的電子空穴複合作為電泵浦，獲得受激發射光源並沒有理論上的障礙。歷史上砷化鎵（GaAs）紅光LED發明不久，砷化鎵的受激發射就在1962年實現了。而在中村等人發明氮化鎵藍光LED幾年後，藍紫色半導體雷射器也順理成章地在日亞誕生了。

藍色雷射筆。

藍紫色半導體雷射器一出現，就被移植到許多原有的雷射應用上。和其他波段的雷射器相比，藍紫色雷射具有波長短，聚焦精確的特點，在光存儲和光刻等用途上尤其有優勢。和其他雷射器對比，半導體固體雷射器體積小、壽命長，易調製的優點，尤其適用於電路集成。兩者結合的結果是催生了新一代的光存儲產業，兩種藍光標準緊隨日亞的藍色雷射二極體推出。如今索尼的BD標準已經成為DVD後公認的次世代光存儲標準，存儲容量比DVD提升一個數量級，用的就是日亞的405nm藍色雷射二極體。此外，半導體藍色雷射器還被應用光通訊，水下通信等方面。

5. 雙生兄弟——有機發光二極體

在藍光LED獲獎的同時，不得不提一下香港的鄧青雲教授。他是有機發光二極體（OLED）的發現者，因此獲得了沃爾夫化學獎，今年物理學獎開獎之前，鄧教授得化學獎的呼聲也很高，但是考慮到物理學獎已經發給了藍光氮化鎵LED，OLED拿下化學獎的概率就不是很高了。

OLED可彎曲的顯示屏。

OLED基於有機半導體薄膜發光，具有柔性，可摺疊，大面積製造成本低等特點，作為顯示器除了LED點陣顯示器具備的自發光，廣視角，高對比，高速度優點之外，還可以達成柔性超薄的大面積顯示，因此在顯示器方面很受重視，在消費電子中也有不少基於OLED的產品。但是OLED誕生以來也一直面臨著很多問題，例如藍光和紅光OLED器件研製滯後，光效遠低於高亮度LED，光衰和降解嚴重影響使用壽命等等。雖然這一技術在薄膜大面積顯示上具有極為明顯的優勢，但OLED也還有很長的路要走。（編輯：Steed）