方牧怀 刘如熹

蓝光LED的诞生

LED最早起源于1961年，美国德州仪器公司发展以磷化铟镓材料合成的LED，其放光波长范围为近红外线。1962年，奇异公司发展的红色发光二极体，因其转化效率差且发光波长远离可见光范围，因此未被广泛应用，仅用作指示灯。1991年，美国HP公司与日本东芝公司研发的绿色发光二极体，因缺少蓝光LED，无法利用三色原理组合成白光照明光源。

直到1993年，日本的中村修二成功开发出具高亮度的蓝光发光二极体。相较于传统的日光灯与白炽灯泡，LED不仅体积小、环保、省电，寿命更是长达10万小时，且因其低耗电的特性，对于电力缺乏的发展中国家，无疑是一大福音，现今环保意识与节能观念逐渐提升，发光二极体已跃升为21世纪照明与显示器的新光源。

发明蓝光LED的科学家们

2014年的诺贝尔物理奖揭晓，颁给发展蓝光LED的三位教授，分别为任教于名城大学的赤崎勇教授、名古屋大学的天野浩教授，以及美国加州大学的中村修二教授。

赤崎勇和天野浩

赤崎勇教授出生于日本鹿儿岛县，于名古屋大学取得工学博士，曾服务于松下电器与名古屋大学，现为名城大学终身教授。其学生天野浩教授，出生于日本静冈县，主要研究III族的氮化。1986年，赤崎勇与天野浩首次成功于蓝宝石基板上，以“低温沉积缓冲层技术”合成高质量的氮化镓晶体，并于1989年以氮化镓的p/n结构完成了蓝色发光二极体，于20世纪80年代末期又成功合成p型氮化镓半导体。

中村修二

中村修二教授出生于日本爱媛县，1979年取得德岛大学工学硕士，后任职于日亚化学，1987年赴美国佛罗里达大学进修一年，1988年回国后致力于开发蓝色LED。当时氮化镓并不受重视，被大家视为一项不可能成功长出p型半导体的材料，多数科学家致力于硒化锌（ZnSe）材料的研究。中村的研究过程相当艰辛。两年后，中村成功于低温下合成氮化镓薄层，并在几年后又成功研制了含铟的氮化镓，1993年，世界第一颗高亮度蓝色LED成功地商品化，使中村也被称为“蓝光之父”。1999年，中村发明了蓝紫半导体激光，也完成了在日亚化学的所有任务。2000年后他在美国加州大学圣塔芭芭拉分校担任教授一职。

这三位伟大的科学家，不仅对于自己的研究相当执着，更勇于背负极大风险，选择了常人认为不可能成功的氮化镓材料，即使资源匮乏，必须自己架设仪器，他们仍然不因此而放弃，历经数以千次实验的失败，依然坚持自己的信念，最后才得以成功发展蓝光LED，也因此得到了2014年的诺贝尔物理奖。

革命性的照明装置

为了将LED运用于照明装置，可使用红、绿与蓝三种颜色的LED组成白光。这虽然可以解决过去无法产生白光的问题，但此装置也有许多缺点，不仅成本过高，而且三种LED的寿命不同，如果其一损坏，就必须淘汰此装置。因此，世界各国的科学家也积极寻找解决方法，而此问题的答案为——荧光粉。

作为发光二极体基础材料的无机粉体被称为荧光粉，此材料具有高光能转换效率与高色彩饱和度，合成与加工步骤简易，主要可分为主体晶格与活化剂两个部分，主体晶格为荧光粉体的主要晶体结构，并提供活化剂的配位环境，其将影响活化剂放光特性。活化剂则为掺杂在主体之离子，为主要发光中心，通常为稀土元素。而最著名的荧光粉莫过于1996年日亚化学揭示的铈掺杂钇铝石榴石（简称YAG），此荧光粉可被蓝光LED激发（波长为460纳米）。而YAG所放出的黄光，经适当调控荧光粉添加量，可得到由蓝光LED晶片所放出的蓝光，加上YAG黄色荧光粉所放出的黄光，即可形成白光。此装置不仅成本低，更可避免使用三种不同颜色LED所面临的各自寿命不同的问题。

LED照明装置改良

蓝光LED的发明，搭配黄色荧光粉即可产生白光，可以解决照明的问题。然而，此装置有一个致命的缺点——即当照明时无法显示出物体真正的颜色。其中最大的原因是此装置缺少红色区域的光谱，为了改善此缺点，科学家便开发了红色荧光粉，目前放光特性良好的红光荧光粉主要以氮化物或氮氧化物为材料。未添加红色荧光粉的发光装置，色温较高，属于冷白光;而添加红色荧光粉的发光装置，色温较低，属于暖白光。

LED未来展望

据统计，若台湾1/4的白炽灯泡与传统日光灯替换为白光LED，则每年可省下约110亿千瓦时的电力，相当于核电厂一年的发电量，因此，作为日后照明的主要光源，如何提升LED亮度与降低成本势必成为一大课题。另外，现代手机、平板电脑与大型LED电视的普及，也使LED更普遍地用于背光面板。因为蓝光LED的发明，使得今日的世界可以运用电脑控制，使LED发出数百万种颜色的光，因此，大到路上随处可见的大型LED展示板、红绿灯，小到荧幕的背光系统，都有LED的身影。另外，现代常利用电脑控制LED放光的强度与颜色来模拟日照，来进行温室植栽，因此我们常可以在同一时间看到不同季节的花卉。

赤崎勇、天野浩和中村修二教授不仅发明了蓝光LED，也发明了蓝光激光，使资料储存领域有重大突破，因蓝光激光的波长比红外线短，可于相同的资料储存面积储存更多资料。白光LED的出现，对人类的历史有着无可比拟的重要性，白炽灯泡照亮了19世纪，荧光灯管照亮了20世纪，而21世纪，将是LED的时代。

TIPS

为什么诺贝尔奖特别颁给蓝光LED的发明呢？

早期由于红色发光二极体波长的限制，多只能用作交通号的警示灯，或LED看板的显示，用途受限，且无法用于照明设备。然而，当蓝光LED被发明后，科学家便可以利用红、绿与蓝三种颜色的LED自由调配所需的颜色。