为什么一颗小小的LED灯泡值得诺贝尔奖呢？

差评君

中村修二，日裔美籍电子工程学家，美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校工程学院材料系教授。

红绿蓝三种颜色的发光二极管（LED），为了集齐这三种颜色，人类花费了32年的研发时间，而蓝色LED的发明者还因此获得了2014年的诺贝尔物理学奖。现在LED已经是随处可见了，从你的手机、电脑到一切能发亮的电子产品，几乎都离不开LED。在LED诞生前，最早家庭用的是拉绳开关的白炽灯，也叫钨丝灯，再之后是教室常用的荧光灯，后来才慢慢用上LED。

白炽灯是19世纪最伟大的发明之一，但它是用电流烧热了钨丝，激发出光，所以在使用过程中只有10%的电能转化成了光，其他大量的电能以热量的形式被损耗掉，而且钨丝的寿命很短，大概只有1000小时，这就是白炽灯泡“憋了”的原因。而荧光灯是用高电压先將灯管里面的水银蒸气电离，激发出紫外光，紫外光再激发涂抹在灯管内壁上的荧光粉，发出白光的可见光。这种发光方式比白炽灯效率提高了大约3倍。但荧光灯含有有毒的汞，而且频繁开关会显著老化，时间久了荧光灯管的两端会出现黑色印记，而且还会闪烁。所以它们在效率和使用寿命上都不是很理想的照明工具。于是在20世纪下半叶，人类就执着于解决照明的三个问题：亮度、能耗以及光源的耐用性。

LED的发展

1961年美国得克萨斯州仪器公司的两名员工，加里·皮特曼和詹姆斯·比亚德在尝试制造激光二极管时，意外做出了发光二极管。这种特殊的半导体被称作LED。第一批LED发出的光是人眼不可见的红外光，但这项技术在遥控领域却发挥了重要作用，现在家里的电视、空调的遥控器，还在用红外LED。

尼克·霍伦亚克

1962年美国通用电气公司的研究员尼克·霍伦亚克改进了红外二极管，LED终于能发出可见的红光了。因为红光很显眼，省电且经久耐用，寿命长达10万小时。于是这项技术立刻成就了当时几乎所有电器里都有的指示灯，也包括大量电子产品的显示屏幕，比如收音机、计算器、电子表等等。刚开始的红色LED灯很昂贵，每个灯泡大概要200美元，在随后的十多年，橙色、黄色、绿色的LED也被相继发明，价格也随之降低。但唯独一个颜色始终没有出现，那就是蓝色LED。

为什么蓝色那么重要呢？因为只有将红绿蓝三原色集齐，才能发出最重要的颜色——白光。白光的重要性不言而喻，人眼最习惯的光照是太阳光，而太阳光本身就是一种几乎全光谱的白光，可以被分成七种颜色的可见光，所以颜色越接近太阳光，人眼对颜色的感觉就越自然。

有了白光LED，就有了LED照明灯，LED背光液晶显示器，LED全色显示点阵等等，让LED从红绿色的小指示灯和数码显像管走向了真正意义上的通用光源。虽然早期在没有蓝色LED的情况下，人们依旧可以用显像管、等离子等技术来显示彩色，甚至早期的液晶显示器用冷阴极荧光灯做背光也能实现彩色显示，但有了蓝光LED，显示技术在能效、寿命、显示质量上都有了革命性的改变。现在几乎所有的电子产品屏幕，都在用LED来做背光源，同时蓝光LED还推动了有机发光半导体（OLED）等新显示技术的发展。

蓝色LED的发明

为什么蓝光就那么难被发明？因为LED是由多层正负半导体材料组成的，为了实现特定的颜色和亮度，需要将特殊的半导体化合物以不同的比例混合在一起，以产生不同波长的颜色。这就像是一道美食的“绝密配方”，比如掺入砷化镓就会让LED发红光，掺入磷化镓会让LED发出绿光，掺入碳化硅会让LED发黄光等等。

而因为红光绿光波长较长，蕴含能量较少，半导体结构容易实现，所以更容易激发出来；而蓝光波长较短，自身蕴含的能量较大，激发出来的难度要大得多。所以发光二极管的发明顺序，几乎就是按照“赤橙黄绿青蓝紫”的顺序由易到难一个个实现的。

最早开发出蓝色LED的是美国无线电公司，公司实验室的材料学博士赫伯特·马鲁斯卡用氮化镓和镁掺杂，来制造蓝色LED。但造出来的灯泡亮度太低，基本没有什么使用价值。后来贝尔实验室和松下公司也尝试使用氮化镓来制造蓝色LED，也都失败了。直到80年代末，距离发明红色LED已经过去快30年了，人类却一直没办法制造出可以实用的蓝光LED。以至于最后他们得出结论：氮化镓这玩意不太可能制造出可用的蓝色LED。

1986年名古屋大学的赤崎勇和他的学生天野浩在蓝宝石衬底上，涂上一层氮化铝材料，并在上面生长出氮化镓晶体。他们在无意间注意到，用扫描电镜观察晶体时，晶体的发光强度似乎增强了。两人于是通过高能电子束照射晶体，成功制造出了能发出蓝光的氮化镓结晶。但这个过程非常复杂，且成本高昂，几乎不太可能商用，但至少这个结果让氮化物的研究又有了希望。

直到1993年，在一个叫日亚化学的小公司里，一位名叫中村修二的研究员最终制造出了蓝色LED。在这之前，中村一直是公司里最底层的一个研究员，负责给公司开发新产品。当时大部分公司都在使用商用设备来制造LED，但日亚公司给的预算很少，从搭建仪器设备到焊管子吹玻璃，所有研发工作一切都靠中村自己。据说他的实验室里每个月都会发生爆炸，同事们只要听到一声巨响，就知道又是中村在加工石英管了，就这样过了10年。

中村坚持一条被其他同行认为是死胡同的路线——氮化镓。当然他并不是觉得氮化镓能成功，而是觉得用氮化镓这种不太有前景的材料来写自己的博士毕业论文，好像更容易发表。所以为了不延期毕业，中村硬着头皮研究了好些年。他甚至說服了日亚公司拿出5亿日元（约2400万人民币）来购买制造氮化镓的设备，自己还跑到佛罗里达大学进修了一年。

事实证明这些钱没白花，中村后来仔细研究了赤崎勇和天野浩的制备方式，觉得他们忽略了一个重要的细节：扫描电镜在测量氮化镓的时候，实际上也是对样品进行了加热，也许温度升高才是导致氮化镓辐射蓝光能力增强的原因。沿着这个思路，中村改进了晶体制备方式和工艺，用热退火替代了高能电子束，又在已有的氮化镓结构里掺入了铝和铟等元素。终于在1993年，中村制备出能发射高亮度蓝光的氮化镓，并公开了他们制造的蓝光LED，这颗灯泡比过去的蓝光LED要亮一百倍，而且颜色也非常鲜艳。

OLED屏幕在小尺寸屏幕设备如手机、平板电脑上的应用较为广泛，而大尺寸的电视领域仍是例外，这是由于显示面板的制造方法精细而复杂。

于是日亚公司开始量产这种蓝光LED，并在之后的数年里赚了几千亿日元，成了LED行业的霸主，连苹果公司都成了它的客户。中村的论文让他取得了日本德岛大学的博士学位，LED也开始取代其他照明设备，走进千家万户。2014年，为了表彰蓝光LED的发明者，中村修二与赤崎勇、天野浩一起获得了该年度的诺贝尔物理学奖。故事到这里似乎已经圆满了，但中村修二的故事才刚刚开始。

诺奖得主的经历

中村发明了蓝光LED后，日亚便以公司的名义申请了专利，并开始大量生产销售蓝色发光二极管，从一个乡镇企业摇身一变成为世界最大的LED公司。

而让日亚赚得盆满钵满的中村修二，最后只拿到公司发的2万日元奖金，折合人民币也就一千来块。没有升职，没有加薪，他还在原来的实验室里，孤身一人做着实验。

当时美国加州大学圣芭芭拉分校的华裔校长杨祖佑，特地飞到日本邀请中村。他原以为发明了蓝光LED的中村，会是日本社会举足轻重的人物，想必很难招揽到大学里。但当杨祖佑发现中村修二还在地下室做实验，职位只是一个技术员，杨祖佑知道机会来了。

1999年中村从日亚辞职，连带着也退了日本国籍，接受邀请去了美国加州大学圣芭芭拉分校担任教授。2000年底，日亚公司以涉嫌泄露商业秘密为由，将中村告上法庭。一年后，中村反告日亚公司，要求公司支付发明专利赔偿金，最后中村胜诉了，这个官司以日亚赔付中村8.4亿日元（约4000万人民币）而告终。这起官司也成了专利诉讼教材的标志性案例。之后中村在公开场合多次批评日本的科研环境，应该没有人比他更了解，在等级森严的公司中有无数像他一样的底层技术员是如何被长期忽视的。

今天照明仍然占全球电力消耗的20%—30%，温室气体排放的6%。而LED的能耗只有白炽灯的10%，使用寿命延长了25倍。如果把所有照明改成LED，那每年可减少二氧化碳排放量7.35亿吨。21世纪以来，LED起码给12亿缺乏电力的人提供了光明。就像诺贝尔奖评选委员会在声明中所说的那样：“如果说白炽灯照亮了20世纪，那么21世纪将是被LED灯照亮的。”

（责编：南名俊岳）