高效藍(lán)光二極管的發(fā)明
——2014年諾貝爾物理學(xué)獎簡介

本刊資料室

2014年10月7日，諾貝爾官方網(wǎng)站公布，赤崎勇、天野浩和中村修二因發(fā)明“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎．發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)簡稱LED．通過藍(lán)色LED技術(shù)的應(yīng)用，人類可以使用一種全新的手段產(chǎn)生白色光源．相比傳統(tǒng)燈具，白光LED燈具有更加持久且高效的優(yōu)點(diǎn)．這符合諾貝爾的遺囑精神：諾貝爾獎授予那些對全人類的福祉作出重大貢獻(xiàn)的成就．

赤崎勇 天野浩 中村修二

赤崎勇(1929～ )日本工程學(xué)、物理學(xué)家，現(xiàn)任名城大學(xué)終身教授、名古屋大學(xué)特聘教授．赤崎勇開發(fā)了氮化鎵結(jié)晶化技術(shù)，并完成世界第一個(gè)高亮度的藍(lán)色發(fā)光二極管．

天野浩(1960～ )日本工程學(xué)家，專長半導(dǎo)體器件制造，現(xiàn)任名城大學(xué)、名古屋大學(xué)教授，是赤崎勇的學(xué)生．

中村修二(1954～ )日裔美籍電子工程學(xué)家，高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管與青紫色激光二極管的發(fā)明者，世稱“藍(lán)光之父”，現(xiàn)任美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授、愛媛大學(xué)客座教授．

1 LED發(fā)光原理

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化鎵)、 GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)．在一定條件下，它具有發(fā)光特性：在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)．在PN結(jié)附近數(shù)μm內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合而發(fā)光.如圖1所示．

圖1 LED發(fā)光原理

不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴復(fù)合所發(fā)出的光的能量由禁帶帶隙Eg所決定．帶隙Eg越大，發(fā)出的光的能量越大，波長越短；反之，Eg越小，則發(fā)出的波長越長.因此，選擇帶隙不同的半導(dǎo)體材料，可以得到不同發(fā)光顏色的LED.

一種半導(dǎo)體材料能否實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光，首要問題是能否得到高質(zhì)量的PN結(jié)，即必須能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的n型摻雜和p型摻雜，在其交接界面形成PN結(jié)．

2 LED發(fā)展歷史

1962年，GE，Monsanto，IBM的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室用磷砷化鎵(GaAsP) 化合物半導(dǎo)體開發(fā)出了發(fā)紅光LED,從此可見光LED開始實(shí)用化進(jìn)程．

1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達(dá)到了1 lm/W，并且通過調(diào)節(jié)As和P的含量可以改變材料的帶隙Eg，得到了能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光的LED．

1971，使用磷化鎵(GaP)得到了具有相同效率的綠色發(fā)光LED．

隨后，材料技術(shù)、芯片尺寸和外形方面的進(jìn)一步發(fā)展，使得從紅到綠各種顏色LED的光電轉(zhuǎn)換效率大大提高，其亮度均達(dá)到可以用作戶外顯示的水平．

但在得到綠色LED后的很長一段時(shí)間，藍(lán)色LED一直不能實(shí)現(xiàn)，即出現(xiàn)了所謂的“藍(lán)光困難”．

其原因是：藍(lán)光能量高于綠光和紅光，要獲得藍(lán)色發(fā)光的LED,半導(dǎo)體材料的帶隙Eg必須足夠?qū)挘哂袑拵禘g的材料如氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)等，用來制備LED時(shí)遇到了兩個(gè)難于克服的困難．首先，這些材料無法生長出尺寸足夠大的晶體；第二，即使得到了晶體，很容易實(shí)現(xiàn)n型摻雜，但P型摻雜卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到n型摻雜的質(zhì)量水平．因此形不成有效發(fā)光的PN結(jié)．

只有紅、綠，缺少了藍(lán)，LED因此無法完成三基色的配置，這導(dǎo)致：

(1)無法實(shí)現(xiàn)白色發(fā)光LED，因此不能用于照明；

(2)作為顯示器，LED無法實(shí)現(xiàn)全彩色顯示．

3 藍(lán)色發(fā)光二極管的發(fā)明

LED發(fā)展過程中遇到的“藍(lán)光困難”，使原來從事藍(lán)光LED研究的科學(xué)家不斷離去，長期下來，堅(jiān)持繼續(xù)研究的已經(jīng)很少，而赤崎勇、天野浩和中村修二今天的成功，恰恰說明了在科學(xué)的道路上需要咬緊牙關(guān)堅(jiān)持到底的執(zhí)著．

一種半導(dǎo)體材料要實(shí)現(xiàn)PN結(jié)，首先需要得到足夠尺寸的純晶體，然后用這塊晶體切成晶片作為襯底，在它的上面依次生長n型和p型摻雜晶層，形成PN結(jié)．而GaN無法得到大塊的晶體，因此只好選擇藍(lán)寶石作為生長PN結(jié)的襯底，但藍(lán)寶石與GaN的晶格間距不同，生長的GaN層很容易出現(xiàn)龜裂甚至脫落．1986年，赤崎勇提出了在藍(lán)寶石與GaN中間插入晶格間距介于二者的緩沖層的設(shè)想，天野浩使用AlN作為緩沖層材料進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，首次得到了高質(zhì)量的氮化鎵晶層．1989年，赤崎勇指導(dǎo)另外一名研究生通過添加鎂，然后用低速電子束照射，終于制成了P型GaN晶體．此項(xiàng)突破，又在國際上引起了很大的轟動．之后，赤崎勇團(tuán)隊(duì)又一鼓作氣地于1989年底研制成功世界上第一支GaN結(jié)藍(lán)色發(fā)光二極管．

1988年，中村修二開始研制藍(lán)光LED．他找到了一套聰明的辦法來制作高質(zhì)量晶體--先在低溫下生長薄薄一層GaN晶體，隨后在稍高的溫度下繼續(xù)進(jìn)行晶體生長，得到了高質(zhì)量的GaN層．他認(rèn)為赤崎勇和天野浩的p型GaN能夠成功：是因?yàn)橛秒娮邮コ俗璧Kp層形成的氫原子．他采用了一種更簡單，更聰明也更便宜的方法：對材料進(jìn)行加熱．通過這種方式他在1992年成功的制成了具有完善功能的p層．因此，可以看到中村修二采用的技術(shù)方案與赤崎勇和天野浩的方案是不同的．

在1990年代，兩個(gè)研究組都在對LED技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)工作中取得很大進(jìn)展，到九十年代中期，藍(lán)光LED已達(dá)到與紅、綠光LED相媲美的水平．

藍(lán)光LED的發(fā)明是照明和顯示技術(shù)領(lǐng)域的革命．但就照明來說，藍(lán)光LED直接導(dǎo)致了高亮度白光LED的產(chǎn)生．是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一．一個(gè)LED照明的時(shí)代已經(jīng)到來，LED比傳統(tǒng)的光源更加明亮、高效和環(huán)保．這項(xiàng)發(fā)明必將為整個(gè)人類社會創(chuàng)造更多的福祉．