揭秘Nobel物理奖蓝色LED的前世今生

　　北京时间10月8日,瑞典皇家科学院于7日揭晓了2014年诺贝尔物理学奖获得者，这一奖项被授予日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二,以表彰他们在20世纪90年代初发明了蓝色发光二极管。

　　历史上“发明类”诺奖的获奖人数虽远小于“发现类”诺奖，但也并不鲜见，最近一次的发明类诺奖的获奖者是威拉德·博伊尔和乔治·史密斯，他们二人于2009年因“发明半导体成像器件电荷耦合器件”（CCD）而获诺贝尔物理学奖。

　　与之前获得诺奖的高精尖发明相比，蓝色发光LED似乎并不起眼，LED灯在生活中几乎随处可见，而且价格低廉。但事实上，在蓝色发光二极管刚面世时，几乎震惊了整个科学界，当时有人甚至悲观的认为这种二极管要等到21世纪才能实现。

　　与普通的发光材料不同，发光二极管的发光原理与白炽灯等有着本质的区别，首先，发光二极管只能够往一个方向导通（通电），其次，发光二极管只能发出一种颜色的光，而发光的颜色与采用半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。

　　发光二极管的两极由半导体材料组成，其中一种是P型半导体，另一种是N型半导体。P型半导体带有可以“填充”电子的“空穴”，N型半导体带有大量的自由电子。施加正向电压后，在两极交汇处（称PN结）附近，电子与空穴复合，产生自发辐射荧光。

　　无论P型半导体还是N型半导体，其实都是在单晶硅上渗入少量杂质元素形成的，硅元素有四个电子可与其他元素形成四个共价键，比如N型半导体若掺入磷元素，磷的最外层有5个电子，在与硅形成共价键后多出一个自由电子。

　　P型半导体则是在单晶硅中渗入硼等元素，硼最外层只有3个电子，与硅形成共价键后会产生一个“空穴”，通电后，PN区的电子和空穴复合，产生辐射，依据P\N半导体中渗入的元素不同，产生相应颜色的光辐射。

　　最先被发明出来的发光二极管是红色发光二极管，一直到九十年代，红、绿发光二极管都已问世，而蓝色发光二极管成为横在科学家面前的难题，在这个领域的研发工作屡战屡败，以至于有人悲观的认为二十年内无法看到蓝色发光二极管。

　　最终让这一切变成现实的是氮化镓，名古屋大学赤崎勇发光二极管领域的泰斗,天野浩是他的学生，有一次他们发现，用电子显微镜扫描时候，氮化镓晶体发光更强，从而知道电镜射出的电子流，可以激活氮化镓。进而可以制成蓝光LED。

　　虽然赤崎勇和天野浩的工作成效卓然，但毕竟只是实验室的结果，离实用还有相当远的距离，而最终让蓝光LED走进千家万户的则是中村修二。

　　科学界当时在研的蓝光材料有许多种，中村修二选择了最受冷落的氮化镓，然而氮化镓薄膜的制备非常困难，中村修二克服无数困难，甚至自学了焊接技术和配管技术，终于把氮化镓膜制备成功。

　　此时美国的3M公司宣布研发成功蓝绿色的半导体激光器，中村顿时感觉坠入深渊，但后来得知这种激光器的寿命只有秒级。而他的发光二极管寿命已超过1000小时！在1993年10月，新的蓝色发光二极管亮度上升到最初的100倍。中村修二终于取得成功。

　　蓝色发光二极管发明之后，终于可以和红光LED、绿光LED组成三原色，可以进一步合成包括日光在内的其他各种颜色的光。