點(diǎn)亮未來(lái)世界 發(fā)光二極管為何能得諾貝爾獎(jiǎng)?

　　舊石器時(shí)期，先民們開(kāi)始有意識(shí)的保留火種，改善了他們的生存環(huán)境，不僅僅是熟食，更是夜晚的光亮、對(duì)付猛獸的工具。但直到一百多年以前，愛(ài)迪生發(fā)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(xué)獎(jiǎng)揭曉，日本及美國(guó)三位科學(xué)家赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和中村修二(ShujiNakamur)獲獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)理由是“發(fā)明了高效藍(lán)光二極管，帶來(lái)了明亮而節(jié)能的白色光源”。

　　尋求夜的光明

　　亙古不變的是自然的星光。但是以前只有滿(mǎn)月才能將大地照亮，文明與否的區(qū)別就在于我們能否用自己的科技為黑夜帶來(lái)明光。一開(kāi)始我們只能靠燃燒油脂，西方的國(guó)家捕鯨很多，用鯨魚(yú)的魚(yú)油制作蠟燭，我國(guó)則是蜂蠟或是動(dòng)物白蠟。知道后來(lái)石油工業(yè)發(fā)達(dá)了，才改用的便宜的飽和長(zhǎng)鏈烴做蠟燭。

　　明年初有望看到《電流大戰(zhàn)》這部電影，講訴愛(ài)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(ài)迪生發(fā)明電燈的故事家喻戶(hù)曉。在今年底，“卷?！北镜峡颂亍た挡推姘缪莸膼?ài)迪生將搬上大熒幕，我們有望看到。愛(ài)迪生發(fā)明以及后面改良的白熾燈，雖然帶來(lái)了光明，但是它們的特點(diǎn)是發(fā)光的效率并不高。

　　LED讓今天的臺(tái)燈設(shè)計(jì)更有藝術(shù)性(松下產(chǎn)品)

　　今天我們的光源正在從白熾燈、熒光燈向發(fā)光二極管(LED)轉(zhuǎn)變。但是很多人不知道的是為了尋找藍(lán)色發(fā)光二極管，人類(lèi)的科學(xué)家用了整整30年!如此艱難才找到了藍(lán)色的、具有工業(yè)量產(chǎn)意義的LED制作辦法，終于湊足了三原色，可以實(shí)現(xiàn)白光了!LED的照明注定屬于我們現(xiàn)在生活的世紀(jì)，這層意義上來(lái)說(shuō)，授予諾貝爾獎(jiǎng)并不過(guò)分。

　　二極管與發(fā)光二極管

　　之前筆者在講英特爾歷史的時(shí)候說(shuō)過(guò)，在上世紀(jì)五十年代，也就是二極管、三極管走出實(shí)驗(yàn)室的年代，其實(shí)有很多企業(yè)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(shù)。

　　最早的LED，不過(guò)當(dāng)時(shí)發(fā)的是紅外光，不是可見(jiàn)光

　　在1957年6月3日，JamesR.Biard從德州農(nóng)業(yè)機(jī)械大學(xué)獲得博士學(xué)位畢業(yè)后的第三天，他加入了德州儀器公司從事研發(fā)工作，一開(kāi)始是與沃爾特一起從事第一個(gè)低漂移直流晶體管功放電路。到了1959年，Biard與GaryPittman一起合作進(jìn)行德州儀器的半導(dǎo)體研究。他們最開(kāi)始研究的是砷化鎵(GaAs)變?nèi)莅雽?dǎo)體在X射線(xiàn)頻段接收器上的應(yīng)用。到了1961年九月，他們共同發(fā)現(xiàn)了在正向偏置隧道二極管的半絕緣基板上出現(xiàn)的紅外輻射，于是使用了一臺(tái)從日本購(gòu)買(mǎi)的紅外轉(zhuǎn)換顯微鏡，測(cè)量了當(dāng)時(shí)所有德州儀器生產(chǎn)的砷化鎵變?nèi)荻O管以及隧道二極管。

　　美國(guó)專(zhuān)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(jié)發(fā)射器發(fā)射以及信號(hào)耦合以及電隔離半導(dǎo)體光電探測(cè)器。1962年8月8日，Biard以及Pittman申請(qǐng)了描述具有間隔的陰極接觸的鋅擴(kuò)散的p-n結(jié)LED，這種LED在正向偏壓下有效發(fā)射紅外光。美國(guó)國(guó)家專(zhuān)利局認(rèn)為此專(zhuān)利申請(qǐng)及研究要早于IBM、RCA、MIT林肯實(shí)驗(yàn)室、GE實(shí)驗(yàn)室、貝爾實(shí)驗(yàn)室，授予美國(guó)專(zhuān)利號(hào)3293513，這是史上最早的LED的專(zhuān)利。

　　諾貝爾獎(jiǎng)公平嗎?

　　在2014年諾貝爾獎(jiǎng)宣布的時(shí)候，有很多人非常不平，因?yàn)檫@個(gè)頒發(fā)給LED的諾貝爾獎(jiǎng)，跳過(guò)了最早發(fā)現(xiàn)的紅色、綠色LED，直接給了藍(lán)色，公開(kāi)表達(dá)不滿(mǎn)的就包括尼克·何倫亞克，他第一個(gè)發(fā)明了可見(jiàn)光發(fā)光二極管。

　　何倫亞克和他的紅色二極管

　　何倫亞克的激光二極管是今天非常多的產(chǎn)品的基礎(chǔ)

　　尼克·何倫亞克本人持有40多項(xiàng)專(zhuān)利，其中為人熟知的還有著名的半導(dǎo)體紅色激光發(fā)射裝置的專(zhuān)利，這個(gè)專(zhuān)利是后來(lái)CD唱盤(pán)機(jī)、蜂窩電話(huà)的基礎(chǔ)。為何何倫亞克這么牛呢?我們說(shuō)Biard他們是最早的LED專(zhuān)利，但是當(dāng)時(shí)發(fā)生出來(lái)的是紅外線(xiàn)，而何倫亞克的專(zhuān)利發(fā)射出來(lái)的是可見(jiàn)紅光!這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表于1962年，當(dāng)時(shí)他在GE(通用電氣)的研究機(jī)構(gòu)工作，具體的原理比較復(fù)雜，名字叫做III-V合金半導(dǎo)體。這個(gè)紅色發(fā)光半導(dǎo)體開(kāi)啟了一扇大門(mén)，半導(dǎo)體照明的大門(mén)。

　　當(dāng)年風(fēng)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(jià)格大約是45美元。但是早期的LED發(fā)光效率很低，只是能發(fā)光而已，還不如同時(shí)期的白熾燈泡，每瓦的發(fā)光只有0.1流明，而當(dāng)時(shí)白熾燈的水平是每瓦15流明。

　　到了1972年，何倫亞克的學(xué)生喬治克拉夫德才發(fā)明了黃色光的LED，并且改進(jìn)了二極管的發(fā)光效率。1976年T.P.Pearsall發(fā)明了適合光纖傳輸?shù)奶厥獍l(fā)光二極管，具有高亮度、高效率的特性。

　　關(guān)鍵的藍(lán)光二極管

　　紅色和綠色二極管都很快的發(fā)現(xiàn)，但是要組成白光，作為三原色，藍(lán)光二極管的發(fā)現(xiàn)一只困難重重。傳統(tǒng)的磷砷化鎵之類(lèi)的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

　　1968年的Marusaka

　　最早的實(shí)驗(yàn)室里的藍(lán)色光LED

　　早期的藍(lán)光LED專(zhuān)利

　　1972年,斯坦福大學(xué)由材料科學(xué)與工程博士生HerbMaruska和WallyRhines使用鎂摻雜氮化鎵制造出的第一個(gè)藍(lán)紫色LED。當(dāng)時(shí)，Maruska在RCA實(shí)驗(yàn)室休假時(shí)與JacquesPankove進(jìn)行了有關(guān)工作。在1971年，Maruska離開(kāi)RCA去斯坦福大學(xué)后的一年，他的RCA同事Pankove和EdMiller展示了鋅摻雜氮化鎵的第一個(gè)藍(lán)色電致發(fā)光設(shè)備，隨后的Pankove和Miller推出一連串成果，制造出第一個(gè)實(shí)際的氮化鎵發(fā)光二極管發(fā)射綠色光。1974年，美國(guó)專(zhuān)利局授予Maruska，Rhines和Stanford教授DavidStevenson1972年的專(zhuān)利(美國(guó)專(zhuān)利US3819974A)，今天，氮化鎵的鎂摻雜仍然是所有商業(yè)藍(lán)色LED和激光二極管的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)70年代初，這些器件對(duì)于實(shí)際使用來(lái)說(shuō)太暗，并且對(duì)氮化鎵器件的研究放緩。1989年8月，Cree推出了基于間接帶隙半導(dǎo)體碳化硅(SiC)的首款商用藍(lán)色LED。Cree的碳化硅LED具有非常低的效率，不超過(guò)約0.03%，但是在可見(jiàn)光光譜的藍(lán)色部分發(fā)射。

　　中村秀二和藍(lán)色LED

　　剩下的問(wèn)題變成了如何提高藍(lán)色二極管的發(fā)光效率。在80年代后期，氮化鎵外延生長(zhǎng)和p型摻雜的關(guān)鍵突破迎來(lái)了GaN基光電子器件時(shí)代。在這個(gè)基礎(chǔ)上，波士頓大學(xué)的TheodoreMoustakas獲得了使用新的兩步法生產(chǎn)高亮度藍(lán)色LED的方法，兩年后，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(zhǎng)工藝再次證明了高亮度藍(lán)光LED。Moustakas和中村都獲得了獨(dú)立的專(zhuān)利，這使得發(fā)明人是誰(shuí)變得有點(diǎn)亂(部分原因是雖然Moustakas發(fā)明了他的第一個(gè)，中村卻是首先提出)。但無(wú)論如何，這個(gè)新的發(fā)展徹底改變了LED照明，使大功率的藍(lán)光實(shí)用。

　　中村修二的遭遇

　　中村的發(fā)明可以說(shuō)沒(méi)怎么得到日亞公司的幫助，因?yàn)樗⒉槐还究春茫懊嬲f(shuō)了他用的是氮化鎵技術(shù)，但是這個(gè)技術(shù)的效率太低，當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)普遍的方向是氧化鋅和硒化鋅，同樣從事這個(gè)方向研究的還有名古屋大學(xué)的赤崎勇師徒。他們幾乎是在同一時(shí)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并最終取得成果，接著又互相提高對(duì)方的實(shí)驗(yàn)成果。

　　藍(lán)光LED的原理

　　當(dāng)年在日亞不受重視的中村

　　日亞還搶注了他的專(zhuān)利，只給了這個(gè)對(duì)藍(lán)光二極管發(fā)明人兩萬(wàn)日元的獎(jiǎng)金……憤怒的中村遠(yuǎn)赴美國(guó)，居然還被日亞要求簽署協(xié)議，三年不得從事藍(lán)光二極管研究。日亞用中村的專(zhuān)利銷(xiāo)售藍(lán)光二極管賺的盆滿(mǎn)缽滿(mǎn)，直到2004年，憤怒的中村狀告日亞要求其支付發(fā)明補(bǔ)償金并勝訴。法院判決日亞應(yīng)支付給中村補(bǔ)償金200億日元。最終，這個(gè)金額縮水到了8.4億日元。這場(chǎng)前無(wú)古人的訴訟激勵(lì)了很多發(fā)明者在法庭上尋求幫助，他們當(dāng)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(zhuān)利訴訟教材的指標(biāo)性案例。

　　科研人員如何保護(hù)好自己的果實(shí)?

　　中村更為在意的似乎是東京地方法院的這一判斷：“發(fā)明者的貢獻(xiàn)度即使保守估算也不低于50%。原告幾乎靠一己之力完成了世界性的發(fā)明?！?/p>[NT:PAGE]

　　藍(lán)光到白光的兩種路徑

　　藍(lán)光LED發(fā)明之后，RGB三原色湊齊，可以發(fā)射白光。但是從紅色可見(jiàn)光LED發(fā)明到中村的發(fā)明，人類(lèi)科學(xué)界尋找合適的材料和適合商品化生產(chǎn)的方法，整整用了長(zhǎng)達(dá)三十年的時(shí)間，這也是為何把諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給中村修二以及赤崎勇師徒。

　　便宜的RGBLED已經(jīng)應(yīng)用到了鍵盤(pán)上

　　藍(lán)光+熒光得到的近似白光LED

　　另外一種獲得近似白光的辦法則是咋藍(lán)色LED上結(jié)合黃色的熒光粉，這樣也可以得到近似的白光，是一種經(jīng)濟(jì)的辦法，我們很多手電筒、手機(jī)的閃光燈都是這種技術(shù)的產(chǎn)物。

　　發(fā)光技術(shù)對(duì)比，LED還有環(huán)保、不含汞的特性

　　LED的突出特色有兩個(gè)：高效率、長(zhǎng)壽命。LED的壽命非常長(zhǎng)，而且基本上LED的使用壽命的影響因素很多并不是因?yàn)榘雽?dǎo)體的原因，而是整個(gè)LED元器件的其它電路基板發(fā)生的故障。LED的應(yīng)用就不多說(shuō)了，今天LED燈泡都在取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，并且演化出來(lái)更行各業(yè)的不同應(yīng)用，就我們能感受到的，最近十年LED的價(jià)格下降了非常多。