平凡的色彩，不平凡的发明

不再涉及希格斯玻色子、宇宙加速膨胀或者其他高深的量子物理理论，今年的诺贝尔物理学奖颁给了一种更容易理解并且非常实用的工业技术——日本科学家赤崎勇、天野浩和日裔美籍科学家中村修二凭借着对于蓝光发光二极管研发所作的突出贡献而获奖。

在我们的印象中，诺贝尔物理学奖代表着人类科学的最高成就，应该是高深莫测、玄之又玄的，而蓝光发光二极管却非常贴近日常生活，并没有被多少人看好，以至于中村修二在得知获奖喜讯的时候也连连表示难以置信。

那么，蓝光发光二极管究竟凭借着什么样的魅力获得了诺贝尔奖的垂青呢？让我们好好看一看，这种能够散发耀眼蓝光的半导体芯片到底有着何种不凡之处。

传统光源的困境

蓝光发光二极管的发明并不是凭空产生、一蹴而就的，追根溯源，它是在人类追逐“半导体照明梦想”的过程中出现的。

照明对于人类文明的重要性不言而喻。1879年，爱迪生把碳丝（现在换成了钨丝）拧了拧，塞到充有惰性气体的玻璃泡中，制成了第一颗白炽灯。在白炽灯之后，荧光灯、蒸汽灯（主要是汞蒸汽灯、钠蒸汽灯）相继出现，它们一起组成了人类传统光源的序列。这些传统光源能够出色地完成照明任务，但都存在着明显的缺陷。

白炽灯需要将灯丝加热到上千度的高温，但电能大都转化成了热能，转化为光能的很少，所以效率是非常低的，大约只有百分之一。荧光灯利用汞原子辐射的紫外线，来激发荧光粉出光，虽然有较高的效率，但汞是有毒的，不环保。蒸汽灯通过对放电管产生高温电弧，使汞、钠蒸发，碰撞并激发汞、钠蒸汽，使其产生荧光，同样不环保。并且蒸汽灯虽然非常明亮，但是启动时间较长，而且色度单一，让人无法看清楚物体的颜色。

受到发光机理的限制，上述照明光源带来的能量损耗和污染无法克服，所以它们被称作是“环境不友好”的光源。科学家们开始思考，如果有一种方法可以将电能直接转化成光，而不需要经历加热（白炽灯）或者激发汞原子（荧光灯、蒸汽灯）之类的中间过程，那么这种“电致发光”的照明方式无疑是非常完美的。

受半导体技术发展的启发，科学家们把研制发光二极管作为突破“电致发光”技术的重点方向。

用发光二极管照明

与传统光源不同，发光二极管不是简单的拧一条灯丝或者做一个发光管就完成了，它包含着复杂的结构，需要纳米尺度的精确工艺。

一个完整的发光二极管芯片是由有许多层不同成分的半导体材料叠成。最底下的是衬底（通常是蓝宝石），它起到固定半导体芯片的作用，再往上依次有缓冲层、PN结、盖帽层和电极，其中的PN结是发光二极管的核心区域，被称为有源层。

在半导体工业中，为了增强半导体的不同性能，常常对半导体材料的成分做一定的改变，比如，在砷化镓中掺杂硒、硫元素，会使它携带额外的电子，科学家称之为N型半导体；而掺杂镉、锌元素，会使它缺少电子，科学家称之为P型半导体。N型半导体和P型半导体连接起来，就形成了一个PN结。

要在纳米的尺度上做出层次分明、精确掺杂的半导体薄膜，这不仅需要科学家们综合物理学、化学、材料科学的知识，而且还需要一套复杂的技术：这种技术将含有半导体元素的化合物分解，然后与其它化合物发生反应，生成发光二极管所需要的化合物，再通过精确控制，使其一层层沉积到衬底上，最后形成层状结构。显然，这种技术是非常复杂、昂贵的，发光二极管真的一点都不平凡。

发光二极管不仅结构、制作工艺极其复杂，其发光原理也是领先的。发光二极管通电后，在PN结附近辐射出光。由于半导体材料不同，它们发出的光的能量就会不同，能量越多，则发出的光的波长越短，颜色就会偏蓝，因此，通过改变发光区的成分，就可以改变光的颜色。

由于发光二极管的芯片非常的微小，所以可以在低电压（仅需几个伏特）、小电流（数毫安）下工作，即可获得足够高的亮度，并且通电后立即以稳定的状态发光，几乎没有明显的缺点，堪称“终极光源”，科学家们相信，发光二极管必将取代传统光源，人类也将进入半导体照明的时代。

姗姗来迟的蓝光

发光二极管有如此多的优点，为何没有成为我们的日常光源呢？

这要从白光合成的原理说起。大家知道，太阳光可以分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色，通过不同的物体吸收不同波长的光，我们就可以分辨出不同的物体和颜色。而太阳光的不同颜色，我们可以通过混合红、绿、蓝光模拟出来，因此红、绿、蓝也被人们称为三原色。如果三原色中缺了一种，那么，我们就像色盲一样，看不到真实的色彩。

因此，人类要想实现“半导体照明梦想”，就必须制作出能够发出类似这三原色光的发光二极管。遗憾的是，红光、绿光发光二极管在上世纪70年代就已经成功研制出来，而蓝光发光二极管的研发却在很长时间内陷入了停滞，直到上世纪90年代才被上述三位日裔科学家研制出来。

为何蓝光发光二极管会来得如此迟缓呢？

因为要制备蓝光发光二极管，需要一种新的半导体材料——氮化镓。但问题是，虽然氮化镓在上世纪30年代就已经可以人工制备了，但它有致命的缺点，就是在很长时间里，科学家们只能得到粉末状的或者非晶态的氮化镓，而这种状态的氮化镓无法去做发光二极管。所以蓝光发光二极管一直迟迟未研制出来。

尽管存在着这些难题，赤崎勇、天野浩和中村修二仍然对蓝光发光二极管投入了极大的热情，经过这些科学家们不懈的努力，蓝光发光二极管终于迎来了转机。

20世纪80年代后，氮化镓材料的质量已经有了明显的提高，1983年，日本材料学博士吉田贞史在蓝宝石衬底上先用高温铺上一层氮化铝作为缓冲层，然后在上面生成氮化镓，这样得到了较好的氮化镓薄膜。之后赤崎勇和天野浩对这种办法进行了仔细研究和完善，最终在低温条件下也可以生成氮化铝缓冲层，使氮化镓的质量进一步提高。中村修二则选取了低温条件下生成非结晶的氮化镓缓冲层的方法，同样取得了成功。赤崎勇、天野浩小组和中村修二，利用不同的方法得到了镜面般光滑的氮化镓薄膜，他们都完成了具有里程碑意义的工作。

制造出了高质量的晶体之后，三位科学家开始攻克其他难题。通过数年的努力，在许多方面都取得了突破，通往蓝光发光二极管的道路基本导通，1993年，随着第一颗蓝光LED首次由中村修二制成，半导体照明终于走出了困境，踏上了快速发展之路。

蓝光发光二极管帮助人类实现半导体照明，节约了能源，但它带给人类的远远超出了“绿色环保”的范畴。今天，发光二极管的影响已经相当深远，能够覆盖到信息、通讯以及生命科学领域，在生活中，从宏伟的摩天大楼到精致的电子产品，到处都有发光二极管注入绚丽的色彩，但是如果没有中村修二们填补了蓝光的空白，这一切都不会发生，我们的世界也会黯淡许多。

诺贝尔物理学奖授予蓝光发光二极管，尊崇了诺贝尔遗嘱中的“赋予人类最大利益”的精神，蓝光发光二极管获奖，实至名归。

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