高效蓝光二极管的发明——2014年诺贝尔物理学奖简介

本刊资料室

2014年10月7日，诺贝尔官方网站公布，赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高亮度蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖．发光二极管(Light Emitting Diode)简称LED．通过蓝色LED技术的应用，人类可以使用一种全新的手段产生白色光源．相比传统灯具，白光LED灯具有更加持久且高效的优点．这符合诺贝尔的遗嘱精神：诺贝尔奖授予那些对全人类的福祉作出重大贡献的成就．

赤崎勇 天野浩 中村修二

赤崎勇(1929～ )日本工程学、物理学家，现任名城大学终身教授、名古屋大学特聘教授．赤崎勇开发了氮化镓结晶化技术，并完成世界第一个高亮度的蓝色发光二极管．

天野浩(1960～ )日本工程学家，专长半导体器件制造，现任名城大学、名古屋大学教授，是赤崎勇的学生．

中村修二(1954～ )日裔美籍电子工程学家，高亮度蓝色发光二极管与青紫色激光二极管的发明者，世称“蓝光之父”，现任美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授、爱媛大学客座教授．

1 LED发光原理

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、 GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结．在一定条件下，它具有发光特性：在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区．在PN结附近数μm内分别与N区的电子和P区的空穴复合而发光.如图1所示．

图1 LED发光原理

不同的半导体材料中电子和空穴复合所发出的光的能量由禁带带隙Eg所决定．带隙Eg越大，发出的光的能量越大，波长越短；反之，Eg越小，则发出的波长越长.因此，选择带隙不同的半导体材料，可以得到不同发光颜色的LED.

一种半导体材料能否实现LED发光，首要问题是能否得到高质量的PN结，即必须能够同时实现高质量的n型掺杂和p型掺杂，在其交接界面形成PN结．

2 LED发展历史

1962年，GE，Monsanto，IBM的联合实验室用磷砷化镓(GaAsP) 化合物半导体开发出了发红光LED,从此可见光LED开始实用化进程．

1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1 lm/W，并且通过调节As和P的含量可以改变材料的带隙Eg，得到了能够发出红光、橙光和黄色光的LED．

1971，使用磷化镓(GaP)得到了具有相同效率的绿色发光LED．

随后，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展，使得从红到绿各种颜色LED的光电转换效率大大提高，其亮度均达到可以用作户外显示的水平．

但在得到绿色LED后的很长一段时间，蓝色LED一直不能实现，即出现了所谓的“蓝光困难”．

其原因是：蓝光能量高于绿光和红光，要获得蓝色发光的LED,半导体材料的带隙Eg必须足够宽．而具有宽带隙Eg的材料如氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)等，用来制备LED时遇到了两个难于克服的困难．首先，这些材料无法生长出尺寸足够大的晶体；第二，即使得到了晶体，很容易实现n型掺杂，但P型掺杂却远远达不到n型掺杂的质量水平．因此形不成有效发光的PN结．

只有红、绿，缺少了蓝，LED因此无法完成三基色的配置，这导致：

(1)无法实现白色发光LED，因此不能用于照明；

(2)作为显示器，LED无法实现全彩色显示．

3 蓝色发光二极管的发明

LED发展过程中遇到的“蓝光困难”，使原来从事蓝光LED研究的科学家不断离去，长期下来，坚持继续研究的已经很少，而赤崎勇、天野浩和中村修二今天的成功，恰恰说明了在科学的道路上需要咬紧牙关坚持到底的执着．

一种半导体材料要实现PN结，首先需要得到足够尺寸的纯晶体，然后用这块晶体切成晶片作为衬底，在它的上面依次生长n型和p型掺杂晶层，形成PN结．而GaN无法得到大块的晶体，因此只好选择蓝宝石作为生长PN结的衬底，但蓝宝石与GaN的晶格间距不同，生长的GaN层很容易出现龟裂甚至脱落．1986年，赤崎勇提出了在蓝宝石与GaN中间插入晶格间距介于二者的缓冲层的设想，天野浩使用AlN作为缓冲层材料进行了多次实验，首次得到了高质量的氮化镓晶层．1989年，赤崎勇指导另外一名研究生通过添加镁，然后用低速电子束照射，终于制成了P型GaN晶体．此项突破，又在国际上引起了很大的轰动．之后，赤崎勇团队又一鼓作气地于1989年底研制成功世界上第一支GaN结蓝色发光二极管．

1988年，中村修二开始研制蓝光LED．他找到了一套聪明的办法来制作高质量晶体--先在低温下生长薄薄一层GaN晶体，随后在稍高的温度下继续进行晶体生长，得到了高质量的GaN层．他认为赤崎勇和天野浩的p型GaN能够成功：是因为用电子束去除了阻碍p层形成的氢原子．他采用了一种更简单，更聪明也更便宜的方法：对材料进行加热．通过这种方式他在1992年成功的制成了具有完善功能的p层．因此，可以看到中村修二采用的技术方案与赤崎勇和天野浩的方案是不同的．

在1990年代，两个研究组都在对LED技术的持续改进工作中取得很大进展，到九十年代中期，蓝光LED已达到与红、绿光LED相媲美的水平．

蓝光LED的发明是照明和显示技术领域的革命．但就照明来说，蓝光LED直接导致了高亮度白光LED的产生．是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一．一个LED照明的时代已经到来，LED比传统的光源更加明亮、高效和环保．这项发明必将为整个人类社会创造更多的福祉．