他们发明了蓝光LED

李淼

2014年10月7日，2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇，天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他们在发明一种新型高效节能光源方面的贡献，即蓝色发光二极管（LED）。CFP供图

诺贝尔物理学委员会本来预计北京时间2014年10月7日17：45召开发布会，我耐心地等。17：45刚过，手机端新闻就跳出一个消息，日本3位物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。腾讯新闻弹出：“日本物理学家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和日裔美籍科学家中村修二（Shuji Nakamur）获奖。”看到这些名字，我知道今年的诺贝尔物理学奖颁给了与发明LED有关的科学家。

什么是LED

LED，这个缩写词的原文是light-emitting diode，对应的中文是“发光二极管”。即使我们用中文，很多人照样不明白其意思。这样说也许大家都会明白：LED就是电视遥控器上那个发出红外信号的灯。这种灯，既不是传统的白炽灯，也不是现在流行的荧光灯（所谓的节能灯也是荧光灯），而是一种半导体做成的灯。

诸位会问，电视遥控器我们也用了二十多年，为什么这么重要的信号发射器现在才获奖？原因很简单，你用的电视遥控器上的发光二极管或LED，只发射红外光线，不发可见光，因此用处有限。所以，要弄明白这次诺奖为什么发给三位日本人，我们需要梳理一下LED的发展史。

二极管的物理原理

在梳理LED发展史之前，我先梳理一下我自己的历史。在我小的时候，那时家里还用效率低下的白炽灯的时候，我就读过与LED多多少少有关的物理，这些物理藏在我妈读中专时的一本教科书中，其中提到了場致发光。可以说，LED的发光原理就是一种场致发光：你将电压加在某种半导体做成二极管上，它就发光了。二极管的材料不同，发出的光就不同。有的发出红外光，有的发出红光，有的发出黄光。而3位日本人的功劳是，发现了发出蓝光的二极管。

那什么是二极管？我们小时候听过半导体收音机的人都知道什么是二极管，现在的年轻人知道的可能不多了。简言之，就是用半导体制成的一种“结”，在结的两端加上电压，如果是正压就会出现电流，如果是负压就不会出现电流（当然你别加得太多，任何东西都会被足够高的电压击穿）。

二极管的单向导电性的原理很简单，就是因为一端有游离的电子，另一端有游离的电子空穴。如果你给二极管加上电压，那么电子向电压高的地方跑，空穴向电压低的地方跑，它们碰到一起就“湮灭”发光。事实是，电子填补了空穴，能量降低了，多余的能量变成光被抛出来了。能量越高，发出的光的波长就越短。也就是说，红外光的能量最小，现在的紫外LED发出的光能量最高。

物理原理很简单，所以LED想要获奖，必须有应用，而且必须是重要应用。物理学奖向来如此，要么发现新的物理学原理，要么得有重要应用。LED的发光原理简简单单，以至于经过半个世纪的努力才最终获得诺贝尔奖的肯定。

LED的发展史

1927年，一向致力于研究半导体的俄国人奥列格·罗塞夫（Oleg Losev）发现第一个LED，但这个发现没有找到任何商业应用。

到了1955年，在美国无线电公司工作的鲁宾·布朗斯坦（Rubin Braunstein）发现砷化镓半导体会发射红外线，可惜他和同伴们没有去找商业应用。

又过了6年，1961年，美国人詹姆斯·毕亚德和加理·皮特曼（James R. Biard，Gary Pittman）发现，砷化镓在加上电流时会发射红外光，他们注册了专利，次年这项发现就投入应用。同样在次年，第一个可见光LED被发现，发出红光。从红外的波长900纳米到了红光的650纳米。再过10年，也就是1972年，第一个黄光LED被发现，同时，LED的亮度被提高了10倍。

蓝光LED的出现与应用

只有红光、黄光和绿光我们无法合成白光，所以我们还需要蓝光。蓝光的波长比较短，只有450纳米左右。直到上世纪末，具体是1994年，在日本日亚化工工作的中村修二用铟氮化镓制出了亮度很高的蓝光LED。中村修二的成就是建立在赤崎勇和天野浩的成就之上的。

赤崎勇是三位获奖人中年纪最大的，出生于1929年，今年85岁了。他23岁本科毕业于京都大学，35岁才在名古屋大学获得博士学位。20世纪60年代末，快40岁的时候，他开始研究基于氮化镓基础上的蓝光LED。20世纪80年代，高质量氮化镓的出现帮助他研究出了实用的蓝光LED。此时，他的学生天野浩加入了他的团队。在3人当中，天野浩最年轻，出生于1960年，而中村修二出生于1954年。

在中村修二之后，由于高亮度蓝光LED的出现，很快出现了白光LED。现在，最流行的白光LED并不是三原色LED的组合，而是在蓝光LED上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层。LED与白炽灯相比有几个优点，第一个优点是发光效率高，一个白炽灯的电能转化为光能的转化率在10%左右，而LED的效率高达60%，比荧光灯还高。第二是需要的电压很低，几个伏特就行了。第三是寿命长，白炽灯的寿命是一千小时左右，LED寿命高达十万小时（10年以上）。不过，LED目前用在家庭照明上还不多，主要原因是成本太高。

据说，LED效率的提高速度也遵从摩尔定律，也就是说，每过3年就提高一倍。而成本呢？据说每过10年一个流明的成本就降低10倍，而每个LED封装的亮度提高20倍，这个定律叫海兹定律。如果这个定律继续成立，到了2020年，LED光源将成为最便宜的光源，假如届时全世界都用上LED，全世界用于照明的耗电将减少一半。仅仅为了节省一半照明用电，三位日本人也该获得诺贝尔物理学奖。

最后，我们引用诺贝尔物理委员会的颁奖理由：因为他们发明了蓝光LED，帮助了更亮和更节能的白光光源的出现。