光耀21世纪的半导体照明

郑玉祥

黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它寻找光明。

——顾城

在日常生活中，人们对周围的认知主要依赖视觉，据文献记载约90%的信息是通过视觉获取的。人们除了睡眠之外，几乎一切活动都是在光亮的环境中进行。在人工照明发明之前，人类只能依赖自然光。但仅仅依赖自然光只能被动地过着日出而作、日落而息的生活。可以想象先民们太希望能有太阳的替代物在夜间点亮人们的生活，拓展活动时间。这种愿望在很多神话和传说中得到体现，如中国文化中有燧人氏钻木取火的传说，希腊文化中有普罗米修斯盗取天火的神话。

追求光明的历程

以燃烧为特征的光源，如篝火、火把、油灯、蜡烛等是第一代人工光源。第一代人工光源有明显缺陷，如有烟雾、容易被风吹灭、存在引发火灾隐患等等。突破这些缺陷，寻找新的光源，人类走过了数千年，直到19世纪电光源的发明。爱迪生（T.Edison）在前人工作的基础上认识到。只要将某种导体通电加热到白炽状态，就能实现照明。白炽灯是第二代人工光源。白炽灯发明后不久，照明史上一代“新秀”荧光灯（也称日光灯）出现了。1938年4月1日，美国GE公司英曼（G.Inman）研制了荧光灯原型，因此荧光灯又称为“英曼管”。荧光灯的工作原理是利用紫外光激发玻璃管壁上的荧光粉而发光。荧光灯的发光效率比同等功率的白炽灯高3～5倍，寿命长5～6倍，具有光线柔和、节约能源等优点。与白炽灯相比，两者具有明显差异，因此荧光灯被认为是第三代人工光源。

1980年代至1990年代，一种新型光源横空出世，这是一种半导体光源，被称为发光二极管（light emitting diode，LED）。与传统照明相比，LED灯的优势十分明显：

（1）LED灯的发光效率是白炽灯的10～20倍，是荧光灯的2～4倍，节能效果明显。据估算，如果中国所有的白炽灯和荧光灯都被LED替换，节约的电量相当于4个三峡水电站的发电量。

（2）LED灯不含对人体有害的成分，比较环保。相比之下，每只荧光灯含汞0.5～5毫克，若处理不当，会污染1000吨水和300米³空气。

（3）LED灯的使用寿命很长，正常使用寿命可达10万小时，而白炽灯只有1000小时，荧光灯为10000小时。

（4）LED灯响应时间少于1毫秒，而白炽灯则要200～300毫秒，荧光灯更长。

（5）LED灯的驱动电压小于5伏，非常安全，而传统光源的驱动电压要100～200伏。

因此LED灯的问世被认为是一场照明革命，这种半导体光源也被视为第四代人工光源。引发这场照明革命的三位科学家让人类登上了光明之路的第四级台阶。2014年诺贝尔物理学奖因此落在他们身上，以表彰他们“发明了高效的蓝光LED，从而使得一种新型的节能白色光源得以实现”。他们是日本名城大学教授、名古屋大学特聘教授赤崎勇（Isamu Akasaki），日本名古屋大学教授天野浩（Hiroshi Amano），日本日亚化工公司前工程师、美国加州大学圣巴巴拉分校教授中村修二（Shuji Nakamura）。

崎岖的蓝光之路

1907年，英国马可尼电子公司的朗德（H.J.Round）首次报道了半导体发光效应，文章发表在《电子世界》期刊上。在一种砂纸研磨剂材料SiC晶体上，他首次观察到了一种新奇的现象——当在晶体两个触点之间施加10伏电压时，在阴极附近晶体发出微弱的黄光。与火光、黑体辐射等发光现象不同，这是一种电致发光效应。但这种光线很暗，不具有实用性，因此未引起人们广泛关注。

1929年，俄罗斯无线电技术员洛谢夫（O.V.Losev）成功制作出世上第一个发光二极管，获得第一个LED专利。

1936年，法国人戴特里奥（G.Destriau）公开发表由Ⅱ-VI半导体材料ZnS制作的LED。此后，SiC及II-VI族半导体成为广为人知的发光材料。

1962年，霍洛尼亚克（N.Holonyak Jr.）和贝瓦奎（S.F.Bevacqua）使用GaAsP为发光材料制作出红光LED，这是第一个可见光LED，相关文章在《应用物理快报》发表。他们使用气相外延法（vapour phase epitaxy，VPE）在GaAs衬底上生长出GaAsP二极管PN结，但是由于GaAsP与GaAs晶格不太匹配，造成很多缺陷，导致发光效率不高，仅为0.11流[明]/瓦左右。

1972年，克劳福德（G.Craford）使用N掺杂的GaAsP/GaAs成功制作出第一个黄光LED，进一步拓展了LED发光波长波段。1985年以后，日本研究者以AlGaInP系统为可见光波段发光材料，AlGaInP/GaInP双异质结构为发光层，通过调配AlGaInP之间四元材料的比例，成功做出625纳米（红光）、610纳米（橙光）、590纳米（黄光）波段LED。

根据色度学知识，可以由三原色红、绿、蓝合成白色。进入1970年代，LED已经实现了红、橙、黄等颜色发光，但依然无法制作出蓝光LED。为了实现照明所需的白色光源，人们致力于蓝光LED的研发。

在开发蓝光LED时，究竟以何作为发光材料，存在ZnSe和GaN两大观点之争。研发蓝光LED的团队必须在两种截然不同的技术路线上做出痛苦的选择。对于蓝光材料，ZnSe是最初的宠儿，GaN则不被看好。以GaN材料为研究对象的是绝对少数，其中的重要代表是赤崎勇领导的团队。

1973年，当时在松下电器公司东京研究所的赤崎勇团队就开始了蓝光LED的研究。他们自己建造了所需要的设备，学习有关技术并进行了数千次的实验。一次又一次的失败并没有让他们丧失信心。当时人们普遍认为，使用GaN材料开展实验毫无希望。1970年代末，几乎所有研究组都中止了对GaN材料的研究，但赤崎勇仍在坚持，不过他在松下公司的研究遇到重重阻力。1981年，赤崎勇重返名古屋大学进行半导体研究。以学术自由闻名于世的名古屋大学为赤崎勇专门建造了无尘实验室供他进行GaN材料研究。为回报名古屋大学的知遇之恩，他把自己的实验室变成了“不夜城”——夜以继日，刻苦攻关。

1982年，当时还是本科生的天野浩加入赤崎勇教授的研究小组，参与蓝光LED的研究。经历无数次失败后，赤崎勇和天野浩终于在1986年首次制成高质量的GaN晶体。他们所采用的方法是在蓝宝石衬底上外延一层A1N缓冲层，并在上面成功生长GaN晶体。

1989年，他们在制备P型GaN的工作上取得突破性进展。赤崎勇和天野浩在扫描电镜下观察生长的GaN晶体，无意间注意到用电镜观察过的GaN晶体的发光强度似乎增强了。这说明扫描电镜产生的电子流能够提升P型GaN的电离效率。于是他们采用低能电子辐照办法成功获得低阻的P型GaN。得到P型GaN后，通往基于GaN材料的LED的最后路障被清除了。1992年，他们终于制成第一个蓝光LED。

选择GaN材料的另一个“独行者”是中村修二。1979年从日本德岛大学研究生毕业后，他加入日亚化工有限公司。当时公司规模还很小，仅200个雇员，其主要业务是生产荧光粉。起初，中村修二主要研究对象是用于红光LED的GaAs材料，1988年才开始蓝光LED的研制。尽管当时大多数人认为ZnSe是更有希望的蓝光LED材料，中村修二选择GaN材料作为研究目标多少有点迫于无奈，因为当时研究ZnSe的单位很多，竞争太激烈，其中不乏大型公司和实验室，他认为如果自己也选ZnSe材料进行蓝光LED研发不会有任何优势。他所在的开发部门是个小部门，缺乏经费。为了节省资源，他需要把实验中损坏的石英管重新焊接起来，继续使用。由于高温加热后石英管内压力增大，焊接部位微小的损伤便经常会引起爆炸。

几乎日复一日重复单调的工作——上午打开设备工作，下午修理损坏的设备。很多人不理解中村修二的工作，觉得他是个怪人。然而，经过不懈努力，两年之后他成功制成了高质量的GaN晶体。他选择的是与赤崎勇团队不同的技术路线，所用的方法是先在低温下生长薄薄一层GaN晶体，随后在稍高的温度下继续进行GaN晶体生长。为了获得P型GaN，中村修二采用了一种更简单、更便宜的方法，即对材料进行退火处理。通过这种方法他在1992年成功制成了具有良好性能的低阻P型GaN晶体。1994年，中村修二研制出GaN基的蓝光LED。

可以通过三原色红、绿、蓝合成白色，另外互补两种颜色，例如红与青、绿与紫、蓝与黄也可以合成白色，因此白光LED实现方式有多种：（1）利用紫光LED发的紫光激发三色荧光粉，产生白光；（2）利用蓝光LED发的蓝光激发黄色荧光粉，产生白光；（3）利用蓝光LED和黄光LED产生白光：（4）利用蓝光LED、绿光LED和红光LED产生白光。1998年，中村修二在蓝光LED芯片上涂抹黄色荧光粉研制出第一只白光LED，从而产生了一种节能、环保、高效的绿色照明技术。

半导体照明的应用

2008年北京奥运会开幕式吸引了全球观众的目光，最引人注目的是各类表演中大量使用的LED技术，主要包括鸟巢会场中央地板的LED屏幕、表演者身上的LED装饰灯、空中升起由LED组成的奥运五环、鸟巢场馆看台上转播与发布信息用的LED屏幕等等。开幕式倒计时用的2008个缶采用LED光源点缀。在场地中央铺设的长147米，宽22米，面积3234米²的LED屏幕是表演的重要舞台，演绎了数千年的中华文明，向世界展示了中华文化的魅力。

2010年上海世博会也大量使用了LED照明技术，在开幕式上展示的巨型LED显示屏总面积为9500米²是当时世界上最大的LED显示屏世界纪录。在5.28公里²的世博园区，投入使用的LED灯芯片多达10.3亿只，80%的夜景照明采用LED照明。每当夜幕降临，在LED灯装扮下的世博园各场馆熠熠生辉，晶莹剔透，美轮美奂。

LED的应用非常广泛，以下为常见的应用。

（1）显示屏

LED显示屏是由许多LED以点阵方式排列的阵列，整个阵列由计算机控制。按基色的数目，分为单色屏（即把单一颜色的LED作为一个像素点制作的显示屏）、双基色屏或伪彩色屏（即把红色和绿色的LED放在一起作为一个像素制作的显示屏）、全彩屏（即把红、绿、蓝三色LED放在一起作为一个像素制作的显示屏）。与传统的阴极射线管、白炽灯、放电管灯显示方式相比，LED显示具有亮度高、耗电低、寿命长、故障低、动态显示效果好等优点，广泛使用于交通枢纽、股票证券交易所、大型文艺演出、体育场馆等公共场所。

（2）交通信号

传统的交通信号灯基本都采用白炽灯，红、绿、黄三种信号灯是通过在白炽灯前面加上相应颜色的滤光片产生的。原本发光效率就很低的白炽灯，加上滤光片后，发光效率就更加低了。为了获得足够的亮度，不得不消耗大量的电能。红光LED早已问世，随着黄、绿LED的出现，LED交通信号灯逐渐替代了传统的交通信号灯。LED交通信号灯的优点十分明显，如耗电少——仅相当于白炽灯用电的10%，节能效果显著；工作寿命长，一般LED信号灯可连续使用3～5年，相比之下传统信号灯每年却要更换2～4次；可靠性高，安全性好，一般LED信号灯由数百只LED芯片构成，即使有个别甚至不少芯片损坏，也不影响整个信号灯的正常工作，而传统的交通信号灯仅一个灯泡，一旦损坏，整个信号灯就无法正常工作，可靠性差。

（3）汽车照明

汽车照明系统是保证汽车安全的要件之一，例如前照灯的照距越长，配光性越好，汽车行驶的安全性就越高。优良的汽车照明系统是行车安全的重要保障。与传统车灯相比，LED车灯的优点主要为：寿命长，甚至在汽车使用寿命内无需更换灯具；节能效果显著，可节省数倍燃料，大幅减少汽车对汽油的使用量；开灯即亮，响应速度极快，在制动时，哪怕提前零点几秒的时间就能避免致命的交通事故，大大提高行车安全；体积小，结构简单，抗震性能好，耐冲击能力强。

（4）背光照明

背光源就是为液晶显示器面板提供照明的光源。与传统的冷阴极荧光管背光源相比，LED背光源不含汞等对人体和环境有害的成分，另外还具有体积小、省电、发光亮度高、显示效果好等优点，目前广泛用于手机、笔记本电脑、液晶电视等显示屏的制作上。

（5）景观装饰照明

景观装饰照明美化周边环境，创造舒适的工作和生活氛围，给人们带来美好的视觉享受，从而增添生活情趣。常见的景观灯具包括投光灯或聚光灯、水下灯、地埋灯、幕墙灯、护栏灯等。LED景观照明灯的优点有：不含有害元素，绿色环保；低压供电，安全可靠；体积小巧，便于设计安装；响应速度快，显示效果好。可以预计，在景观装饰方面LED灯必将大放异彩。

（6）普通照明

目前，普通照明光源主要有白炽灯、荧光灯、汞灯、钠灯和金卤灯。白炽灯特点是成本低，但效率低，能耗大，且易碎，寿命短。荧光灯的特点是比较省电，但易碎且有汞污染。相比之下，用于普通照明的白光LED具有效率高，耗电少，寿命长，体积小等特点，是理想的照明光源，是照亮21世纪夜空的不二选择。

（7）特种照明

照明不仅仅为了满足人们的视觉需要，还有一些特殊的运用，如为了让植物更好地生长，可以根据植物生长的特点，选择具有合适光谱的光源对植物进行人工补光；在农业方面，可以利用LED灯杀虫、杀菌，减少农药的使用；在医疗方面，利用LED照明和CCD摄像头制成胶囊状探测器，患者只需像吃普通药丸一样吞下这种探测器就可以对肠胃系统成像，而不会感到痛苦；LED照明在通讯方面的应用也备受关注，利用白光LED在进行照明的同时还可以传递信息，应用前景广阔。

启示与反思

2014年诺贝尔物理学奖花落日本，诺贝尔奖的名册上又添3位日本科学家的名字。相似的一幕发生在不久前的2008年，那一年3位日本人获得物理学奖，一位获得化学奖。截至现在，日本已经拥有22位诺贝尔奖得主，其中19位获得科学奖，3位获得人文奖。据称，日本还有多名被诺贝尔奖委员会有意或无意漏掉的科学家，以及几十位潜在的诺贝尔奖候选人。

—个世纪以来，诺贝尔科学奖从未降临在中国本土！钱学森曾问过“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”更早些，李约瑟（J.Needham）也问过“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？”诺贝尔奖之所以能引起世人关注。因为其授予世界最具创造性的研究成果，从而诺贝尔奖获奖人数的多寡可以反映—个国家创造力水平的高下。

我们的创造力去哪儿了？创造性的人才出不来，大师培养不出来，首先想到的就是教育问题及人才选拔机制。

目前的人才选拔基本是“全科取士”，这种方式很公正有效，选拔出来的是高素质的优秀人才。但试想将这种方式放在体育人才选拔上，即按照十项全能标准选拔体育人才，然后再为运动员进行专项训练，则这些运动员在每个专项上基本都能达到很高水准，但要拿世界冠军可能性会降低很多。幸好目前中国体育人才采用的办法是“单科取士”，比如有举重强项的，即使游泳、短跑不强，也能进国家队。这也是中国在体育方面能够获得很多世界冠军的原因之一。

普通的人才是需要培养的，但大师通常不是培养出来的。大师是被发现、被关怀出来的——发现人才，并为他们提供不受干扰的环境，让他们举毕生精力安心挑战科学问题。如此，便不愁没有大师出来了。

今年获奖的几位日本科学家，他们选择了普遍不被看好的方向，经历数千次失败，很多年没有科研成果产生，仍然能坚持不懈、矢志不渝地继续既定的科研方向，最后战胜重重困难，取得里程碑式的研究成果。他们的科研精神、态度值得借鉴。

这里顺便交代一下中村修二从事蓝光LED研究的一段小插曲。当年是日亚化工公司普通职员的中村修二越级直接找日亚化工公司创办人小川信雄（N.Ogawa）请求支持他的蓝光LED研究。中村的策略是选择鲜有人问津的GaN材料，这是被认为毫无希望的材料。无疑他是在冒险，小川信雄投了330万美金的经费供中村研究也相当于赌博。中村修二的研究计划直接被小川信雄批准，无须经过专家论证，层层审批。管理结构只有小川信雄，没有其他的人——没有委员会，没有管理委员会顾问，没有监督，没有部门主管、组长，等等。他们只是工作！历史上重大的科学突破往往发生在不被看好的方向，往往在意想不到的地方惊喜突然出现。如果一个研究计划被所有评审专家点赞，在一片叫好声中顺利获得资助，估计那也不会产生重大的里程碑式的成果。

笔者曾参与日本“下一代光存储计划”，令人印象深刻的是日本科学家的“缜密、执著、冒险、协作”精神。笔者认为这些素质中国科学家基本具备，但在冒险精神方面显得有些不足，常常会为功利思想左右，对具有挑战性的科研工作缩手缩脚，使科研水平难以提升。科学探索是高风险的，科学研究者应该由理想所驱动，而不应该成为功利思想的奴隶。

2014年正好是1962年诺贝尔化学奖获得者佩鲁茨（M.F.Perutz）100周年诞辰。他是英国剑桥分子生物学实验室（Laboratory of Molecular Biology，LMB）的第一任实验室主任，该实验室产生了十几位诺贝尔奖得主、被誉为“诺贝尔奖加工厂”。在此，引用佩鲁茨的一句话结束全文：

科学创造力，如同艺术创作一般，不能被规范化，无需精心安排组织，而是从不同天才个体自发产生的。一个好的实验室能够加速这种创造力的发生。任何等级制度、官僚制度、僵硬的规则以及琐碎无用、堆积如山的文件工作都会残杀这种创造力。科学发现是无法计划的。它们就像莎士比亚戏剧中顽皮的小精灵一样，会在一个意想不到的角落突然出现。

关键词：2014年诺贝尔奖 物理学 蓝光 LED半导体照明