藍色發光二極體 (blue LED) 與其他 LED 相比有何特別？為什麼憑此發明能夠獲得 2014 年諾貝爾物理學獎？

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The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".

那麼問題來了= =，為什麼是藍色發光二極體的發明者而不是其他LED的發明者獲得了諾貝爾獎，而且藍色LED相較於其他晚了幾十年才被發明，其中的緣故又是什麼？赤崎勇、天野浩、中村修二的發明革新之處在哪裡？

1.特別之處
正如其他答案所說，紅光和綠光LED早已發明出來，並且很多材料都可以用來做紅光和綠光LED，具體可參照LED的wikipedia. 而藍光LED在中村之前有很多人做，而且1971年第一個藍光LED就做出來了，用的就是GaN，只不過亮度效率太低，無法商用，所以大家都覺得GaN沒前途，從而轉向其他材料，像SiC等，不過後來研究者們發現這玩意做出來的LED效率也低而且製造起來非常貴，這個時候默默無聞的中村先生繼續在搞被大家遺忘的GaN，最後成功長出來好的GaN晶體以及有效的p型doping的方法，使藍光LED的亮度和效率大大提高。很快此技術就商業化了。這裡面的物理機制沒有什麼，本科生都懂，其實中村解決的就是一個微電子器件的工程問題（外延生長和摻雜的問題）

2.這個成就配得上諾貝爾獎嗎
Definitely!
絕對配得上。不管是基礎物理研究還是應用物理研究，只要此項研究可能或者已經帶來巨大的理論或是技術上的變革，都是有可能被授予諾貝爾物理獎的。而藍光LED無疑是已經給社會帶來巨大的影響。因為現在所有的LED照明以及LCD顯示都會利用到藍光LED。
首先說用於照明的白光的形成，
A. blue LED+ green LED+ red LED
B. blue LED+ yellow phosphor(磷光粉)
C. UV LED+ R, G, B 三種phosphor
其中UV LED基本上是基於blue LED發展而來的，在高效的GaN以及InGaN blue LED被發明出來後，研究者在GaN摻入Al也就是AlGaN可以產生更短波的UV光，當然其中的器件結構也會發生變化，不是簡單的摻在一起。
所以說如果沒有高效的blue LED現在的白光LED照明基本上不可能如此普及，因為成本會非常貴(事實上有了blue LED現在還是挺貴的)，所以從這可以看到中村先生工作的意義。
另一個方面是LCD顯示，以前的LCD顯示背光光源是用冷陰極熒光燈，能耗高而且整個LCD顯示器比較厚笨重，LED技術成熟之後，大多採用LED做背光，可以做的很薄而且能耗低，圖像效果好。而LCD里用的是白光LED或者用分開的RGB 三種LED，所以說藍光LED的發明在液晶顯示方面也有著巨大的意義，沒有這個的話，液晶電視的屏幕不會這麼薄，手機平板可穿戴設備等也可能更笨重更耗電(ps.更高效電池的研發要加油了，因為電子產品中幾乎所有其他零件的研發目標之一都要儘可能的降低能耗，都在受限於傲嬌的電池君啊)
當然下一代顯示技術OLED也在蓬勃發展中，這是另一個話題了。也許十年後OLED成為主流顯示技術的時候，鄧青雲教授也是配得上諾獎的(希望鄧老那時候安在哈。)

所以個人認為這個獎頒給blue LED的發明人是完全OK的。

ps. 中村先生是2000年左右跳槽到UCSB的，11年聽過UCSB校長的talk, 說他認為未來幾年blue LED的研究會得諾獎，說他2000年請中村過去的時候就很看好他的研究，所以才花大錢建實驗室請中村過去。現在果然是了，這就是大學校長的眼光吧。

手機碼字好累！~_~

他們三個發明了基於InGaN的藍光發光二極體。InGaN的禁帶寬度大，所以電子從導帶向價帶墜落時發出高能量（短波長）的光。比如用GaAs作為二極體，由於禁帶寬度小，只能發出紅外光。寬禁帶的晶體長晶不容易，GaN不能像GaAs或Si一樣長成大片，柱形的單晶體。考慮到晶格的匹配，一般只能在藍寶石上生長（現在也能在其他基地上生長，SiC,Si,甚至金屬）。
個人覺得這幾年的諾貝爾物理獎更傾向於給應用物理方面的，能夠在世界產生巨大應用前景或已經產生極大影響的研究成果。比如光纖，石墨烯，加這次的藍光發光二極體。藍光二極體的產生，三元發光色才完備，才能使白光顯像成為可能。現在的廣場大屏幕LED，手機，電視都在用，已經融進了每家每戶。市場上已經大量出現LED的燈泡，他們是通過改變藍光和黃光的比例產生出白光或類似太陽色的自然光，其中黃光是通過藍光照射熒光粉產生的。所以有了藍光LED 就有了白光，使節能的白光LED照明成為可能。之後的紫外光二極體加熒光粉產生的白光二極體（日光燈原理：汞蒸氣產生紫外光，紫外光轟擊熒光粉後產生二級光子為白光），使白光具有了全光譜。未來的家庭，市政的光源必定是LED的天下。從影響力上看，這幾十年的物理研究，影響力無出其右。
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評論里很多人說第一段太專業，看不懂。有大學物理系本科的固體物理知識，應該都能看懂。這裡稍微解釋一下。
多數解釋性內容copy自wiki，因為wiki上的解釋已經非常好了，至少比我臨時寫得要好。
首先解釋下能帶（引號斜體from wiki）：
「固體材料的能帶結構由多條能帶組成，能帶分為傳導帶（簡稱導帶）、價電帶（簡稱價帶）和禁帶等，導帶和價帶間的空隙稱為能隙。

能帶結構可以解釋固體中導體、半導體、絕緣體三大類區別的由來。材料的導電性是由「傳導帶」中含有的電子數量決定。當電子從「價帶」獲得能量而跳躍至「傳導帶」時，電子就可以在帶間任意移動而導電。

一般常見的金屬材料，因為其傳導帶與價帶之間的「能隙」非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至傳導帶而導電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於9電子伏特），電子很難跳躍至傳導帶，所以無法導電。一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特，介於導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發，或是改變其能隙之間距，此材料就能導電。」

我真的不太會科普，wiki的這段表述也不太容易理解，所以儘力解釋下：通俗點說（但不嚴謹）：電子在晶體中有兩種狀態，一種是束縛態，繞著原子核轉的。另一種是自由狀態，可以在不同的原子核或是晶格中來回跑的。自由狀態的能量一般比束縛狀態的能量要高一點。比如說金屬，有很大一部分電子是自由的，可以在不同晶格中穿梭，所以金屬能導電。但是本徵半導體（沒有摻雜的半導體）或絕緣體，電子都束縛在原子核周圍。靠熱激發，電子還不能變成自由態，所以一般情況下不導電。
對於本徵半導體或絕緣體，從束縛狀態到自由狀態，電子需要一定的能量去激發，可以通過熱，震動，光子，其他粒子等等。束縛態中，存在著各種能帶，電子可以存在於這些能帶中，每個能帶存在著兩個自旋相反的電子。電子的能量從低到高填滿了這些束縛態的能帶，我們稱之為價帶。價帶填滿的時候，價帶是滿帶，滿帶不導電。其中價帶的能量最高的那一條帶的能量最高點，稱之為價帶頂。一會會用到這個概念。同樣，自由態現在是空帶，沒有電子，也不會導電。但是一旦有了電子，這些電子就能自由穿梭，開始導電，自由態對應的能帶，我們成為導帶。其中導帶的能量最低的那一條帶的能量最低點，稱之為導帶底。價帶頂和導帶底之間的能量差稱之為禁帶。電子不能在禁帶中存在，因為沒有可以存在的態。
那麼怎麼讓半導體導電呢，就是摻雜。」摻雜是半導體製造工藝中，為純的本徵半導體引入雜質，使之電氣屬性被改變的過程。「摻雜就是在禁帶中增加一條摻雜能級，本來不能有電子存在的地方，由於引入了一條摻雜能級了，所以可以有電子存在。有的摻雜能級靠近價帶，稱為P摻雜，價帶中的電子通過熱激發到了摻雜能級，就能導電，因為這時價帶不再是滿帶，空穴能自由走。想像一下，一個原子缺了一個束縛的電子後，邊上的原子有時會貢獻一個電子給他，邊上的原子就缺了一個電子。缺了電子的位置成為空穴。同時，有的摻雜能級靠近導帶就是N摻雜。摻雜能級中的電子可以激發到導帶，參與傳導。這些參與導電的電子或空穴成為載流子。載流子濃度越高，導電性能越好。
把P型半導體和N型半導體貼在一起就是個PN結，Diode（二極體）。 LED就是PN結的一個應用，其中D 就是Diode。
剛才說到，P型摻雜後，價帶上有空穴；N型摻雜後，導帶上有電子。那麼將P和N貼在一起會發生什麼呢？導帶上的電子會落到價帶上的空穴，這是個電子空穴的複合過程，複合的過程也是一個發光的過程。因為導帶上的電子能量高，價帶上的空穴能量低。在下落過程中，發出一個光子。這個光子的能量正好是導帶底的能量減去價帶頂的能量，也就是之前說的禁帶寬度。光子的能量和光子的波長有關，E=hv。波長越短，顏色偏紫，能量越高；波長越長，顏色偏紅，能量越低。也就是說：禁帶寬度越大，產生偏藍光，禁帶寬度越小，產生偏紅光。

這些就是LED的基本原理了。

好像涵蓋了第一段所有的術語了，有哪兒沒有科普清楚的，請在評論里寫出，擇日回答。

雖然這三個人的貢獻很突出，氮化物領域出了諾貝爾獎多少有些意外。這裡按照我的理解，簡單介紹下氮化物這個研究領域和三個人的成就。

首先要說明為什麼氮化物晶體材料，GaN,InN,AlN以及他們的混合晶體是很重要的發光材料。由下面的禁帶發光光譜（wavelength）和晶格（lattice）的圖表可以看出，氮化物所覆蓋的發光光譜範圍是很寬的，是寬禁帶的半導體材料，尤其是其混合晶體InGaN可以覆蓋整個可見光光譜而AlGaN可以覆蓋到深紫外光譜區，這在半導體光電材料中是具有突出的優勢。發展相對成熟的III-V族混合晶體例如GaAs，InP等其禁帶帶寬過小，遠遠達不到覆蓋所有可見光的，尤其是達不到覆蓋藍光光譜的能力。雖然我們可以長出高質量的III-V晶體和器件，但是其永遠不能覆蓋短波長可見光譜，也就是永遠不能用作白光LED的發光材料。一旦我們可以隨意的製備氮化物晶體，那麼覆蓋整個可見光譜的半導體發光將會變的唾手可得。而半導體發光的節能效果甚為明顯，LED真正發光層只有幾納米到十幾納米厚，這麼薄的材料里，能量再損失能損失多少。

但是，雖然III-nitride氮化物有如此魅力。但是由於其生長製備極其困難，相當長一段時間都是被忽視的。首先製備GaN的基板就很困難。做半導體器件，一定要有生長的基板，也就是發光材料依附的材料。像Si，GaAs之類的因為熔點低，可以通過高溫溶解再提取的方法製備，其成本也不算高。但是GaN是極其穩定的材料，其熔點高達 2791K,融解壓 4.5GPa，如此的高溫高壓顯然是極其困難。所以高質量的GaN晶體基板直到今天也是難題。高質量的氮化物基板現在無法量產，零星的產品也是死貴。

既然在同質基板上生長材料是不可能的，就要在非氮化物基板上生長氮化物材料。顯然，由於晶格不匹配和溫度形變不匹配等原因，在非氮化物基板，例如藍寶石和硅晶體上，獲得高質量可以實用的氮化物材料是很困難的。這也就是氮化物材料被忽視的重要原因。

這裡就說為什麼赤崎和天野先生的貢獻能獲得諾貝爾獎。當然現在氮化物領域是一個非常熱門的研究領域，每次開國際學會都是烏央烏央的一坨一坨的人，而氮化物領域的照明，電子功率器件等都是相當大的產業，自然是搞氮化物的領域車水馬龍，人丁興旺。明年氮化物的國際學會在北京開，鑒於國內LED企業眾多，估計參會人數會創歷史新高吧。

雖然現在這個領域很紅火，但是當年在赤崎先生堅持的時代，是一個徹頭徹尾的冷門。當整個科學界都視這個研究方向為不可能課題的時候，仍然堅持的人是要有眼光和勇氣的。

赤崎先生研究的就是在非氮化物基板，藍寶石，晶體硅等材料上生長高質量的氮化鎵外延層。其中一個非常重要的成果就是當時還是在讀博士生的天野先生的研究成果。他們用一層100納米厚度的低質量AlN覆蓋在藍寶石基板上，然後再在AlN上面生長GaN。由於AlN的緩衝作用，GaN外延和藍寶石基板的晶格不匹配被部分抵消，最終的GaN外延層質量大幅提高，其GaN外延層質量用作生長藍光LED的基礎已經毫無問題。GaN基光電器件初見曙光。

(要是哪個實驗室老闆的方向具有劃時代的意義，博士課題獲得諾貝爾獎也不是不可能，可惜可遇不可求)

這個成果是在1986年發表的。而獲得一個藍光LED器件僅僅解決GaN層的問題是不夠的。如下圖所示，一個LED器件要有摻雜p-GaN和n-GaN以及混合晶體InGaN的生長，當時，因為研究氮化物並不是一個熱點，這些問題都是空白的，有待繼續研究。

此時，一個大俠橫空出世，就是中村修二，如果說赤崎和天野讓氮化物的研究有了希望。那麼中村就是這個領域的獨行俠和集大成者。中村很牛，並非名牌大學畢業，當時並沒有博士學位，而只是一個技術員。他當時覺得氮化物領域有前途，其主張獲得了日亞公司的全力支持。而此君就像天神附體一般，短短的時間內，不但沿著天野的思路，創造了新的獲得高質量GaN的方法，還解決了藍光LED的各項關鍵技術，甚是直接做出了藍光激光。要知道在異質結基板上做激光器不是那麼好做的，即使在同質結基板上的激光器（III-V族激光器）也不是那麼好做。可見日本公司的研究環境和研究能力是很牛的。日亞據此在氮化物領域獲得了大量的專利。當時由於這個研究領域剛起步，中村的速度又太快，所以氮化物器件研究的大師地位自然就是中村一人的。其實當時赤崎研究室和中村的研究是有競爭關係的，不過中村做的成績更為耀眼一些。

其中，中村的製備高質量GaN外延薄膜技術如下圖，用低溫的GaN(LT GaN)做緩衝層而不是天野的AlN做緩衝層，因為GaN結晶比AlN更為方便容易，所以此項技術在工程量產上有重大的意義。這篇文章當年發表在JJAP上，而且作者只有他自己。這個技術是很重要的成果，現在全世界各個大學實驗室和公司依然用這個技術獲得高質量的GaN。這裡不得不說說發表文章的事兒，實際上好像在氮化物領域此三位重要的開拓性的人物，在他們獲得重要成果的時代都沒有發表過極高影響因子的文章。我個人覺得這個領域，後面所有人的研究其重要性都不可以和這個三人比。而這個JJAP現在國內好一點的大學已經看不上眼了。而我個人感覺，中村這些突破之後，氮化物領域的真正大的突破幾乎沒有。但是高影響因子文章遍地都是。有些事情就是很奇怪。毫無任何實用價值的研究倒是亂髮文章，當然這是我的個人偏見。

至於藍光LED為什麼重要，因為用藍光可以激發熒光粉材料發出其他黃綠光譜的光，加上藍光本身就成了現在商用的白光LED。而這個是InGaP等紅光LED做不到的，因為熒光粉的發光光譜只能由更短波長的光來激發，也就是只能是藍光激發黃綠光，而不能由黃綠光激發藍光。所以獲得短波長的光是至關重要的。

所以這個諾貝爾獎頒給了藍光LED的發明者而不是LED的發明者。因為對於應用意義上的白光LED，顯然這個獎是發給為人類節能照明事業貢獻巨大的研究，其中藍光貢獻更大，更直接。

為什麼不直接生長藍光，黃綠光譜的LED。理論上是可以不用熒光粉而只靠晶體本身發光而做到產生白光的。但是要製備發黃綠光的LED必須要高In組分的InGaN，這在目前還是個難題。實際上如果能輕易獲得高In組分的InGaN。用氮化物做的太陽能其效率將會比現有技術大為提升。這裡面受益的可能還有新發展的電解水的技術。

氮化物領域還有很多不完善的亟待解決的問題，例如非極性面生長，高In組分的InGaN，GaN基板這樣制約著器件本身的成本和效率等問題。成本居高不下和效率和壽命提升的瓶頸正是阻礙其大規模商用化的關鍵。在今年八月份的國際學會上，中村做的基調演講，按照他的預測，非極性面的GaN基板將來會成為主流，若真是如此，氮化物領域還是有前途的，否則，各種新材料層出不窮，而氮化物器件的成本不能大幅降低而效率和壽命不能大幅提高的話，被新材料淘汰也是有可能的。

在電子功率器件等領域，氮化物還是有著很大的發展前景，其未來不只是局限於LED行業，我們生活中的很多方面都可能因為氮化物的應用而改觀。其節能的特點，讓其在人口暴增，能源需求暴增的時代，顯得有格外重要的現實意義。

這個角度講，三個氮化物領域的開拓性人物是值得獲得諾貝爾獎的。可以想像，如果未來LED是人類照明事業的根本，那麼這個技術少發明一天，人類要損失多少能源消耗。

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現在很多人看來日本的這次諾貝爾獎來說日本科技如何強大，我倒不這麼覺得，我反倒看到日本的科技是如何衰落的。中村這個毫無靚麗背景的技術員，創造了一個又一個奇蹟，自己獲得了藍光之父的大師地位，除了靠著公司的支持，更多的是個人的創造力和能力問題。但是，這個個人英雄卻沒有很好的融入日本社會，中村和日亞，甚至中村去加州大學當教授，而沒有留在日本的大學，顯然其中故事是耐人尋味的。如果中國有這樣的技術大師，而大師成名之後，又遠走美國，我只能說中國的科學技術界是有嚴重問題的。我倒是覺得，中國現在又這樣的大師，各個大學會搶著要，這點比日本大學要好一些。而中村和Cree的關係來看，中村出走，對日亞到底有多大的損失也不好說。

另外，現在保守的日本企業還有多少空間能允許中村這樣的人來發揮也不好說。而且這些研究成果都是在八九十年代，正是全球化還沒有興起，日本經濟依然風頭正勁的年代。而三人，尤其是中村身上的那種能闖能拼的大俠精神，現在在日本九零後身上還有多少也未可知。

中村這樣的大師出走的故事，如果不是氮化物相關的人是不知道的，我也一直很想吐槽這件事。現在隨著諾貝爾獎的效應，這個應該廣為人知了，整個日本社會應該反思中村為什麼出走，中村在出成果的時代顯然還是日本人。本來應該是三個日本人獲獎，這是日本科研界的榮耀。但是最終變為兩個日本人和一個日本裔獲獎，多少有點尷尬，背後原因值得日本社會好好玩味。

（杯具啊，豹紙喵辛辛苦苦在爪機上打了半天的答案，在快完成的時候爪機竟然花屏死機鳥，好不容易抓到本行問題嚶嚶嚶，小榮耀你如此傲嬌你們家余總造嗎。。。）

重新來過：藍光LED是一項有著無限應用價值，顛覆工業界，啟發學術界的發現（發明）。

首先是照明業。原來的LED基本只能用在指示場合，像大家熟知的記分牌數碼管，PC機電源硬碟指示燈之類。而在客廳卧室教室學校辦公室道路所有這些地方，需要照亮的時候，從來就沒有用過LED，為什麼呢？LED發光的原理是電子在電場作用下發生能級躍遷，而同一種材料的禁帶寬度是一樣的，發光的波長（顏色）也是一樣的，LED是單線光譜，也就是說，一種LED只能發出同一種顏色的光。以前沒有藍光LED的時候，紅光和綠光LED是有的，那這兩種光源無論以何種比較混合，都沒法產生可用的白光。用專業術語來說就是這些方案的顯色指數太低了。顯色指數指的是光源還原陽光下物體顏色的水平指數。舉個例子，在紅光LED照明環境下，您穿一件白天看起來綠色的衣裳，在這看起來就是黑色的。

藍光LED出現之前照明行業沒有LED的位子，另一原因是紅綠LED禁帶寬度太小，發光效率低下，耗電太大。可別小看耗電問題，我朝廢止白熾燈的2010年前後，全球照明用電佔總發電量的20%左右，作為對比，同期來勢洶洶新能源發電量只有2%上下。而在藍光LED廣泛應用後，LED照明設備的光效不斷提高，並有達到摩爾定律的趨勢。

LED能在照明行業大展鴻圖，藍光LED功不可沒。它能與紅綠LED混光產生多色光譜（白光），也能在波長繼續變短後利用熒光燈發光原理，激發燈珠內壁的熒光粉發出白光。（後者成本更低，效率更高。）現在的LED成品光效高，驅動電路簡單，沒有汞污染，沒有頻閃，無需預熱，可調性好，壽命超長，LED進入照明界就好比梅西加入國足，徹底改變了一切玩法。關鍵是LED驅動電源的簡單性，極大降低了照明業的准入門檻，把所有玩家拉到打價格戰的同一起跑線來，也導致某知名公司壯士斷腕（或壁虎斷尾，待觀後效吧）。

在學術上，藍光LED的發明和廣泛應用也意味著寬禁帶器件的逐步成熟。寬禁帶器件有著雙向通斷可控，無反向漏電（易成肖特基勢壘），頻率高等硅器件無可比擬的優點，亦將改變材料，半導體，電源三界的格局，並且終將改變我們的生活。這要將開去我的手機死機100此也說不完了，所以就此打住吧。

爭取寫一篇沒學過半導體物理沒太多專業知識的人也能看懂的答案吧
樓上的答案說的都挺到位，只是，開口就談外延生長、禁帶寬度、晶格匹配，對於一個沒有專業知識的人，你們確定你們沒有在耍流氓
第一版寫得略粗糙，如果有人看，我會滾回來更新的！
評論有人說看不懂，傷心%&>_&<%更了一點點，晚上繼續
少女更完了，快來點贊！！

"1.
半導體的能帶結構

能帶理論中，我們用電子所處的能級，也就是電子所具有的能量來描述它。一般，固體材料的能帶結構分為導帶、禁帶、價帶。導帶電子能量最高，最遠離原子核。在導帶的電子可以自由運動，傳導電流。禁帶不允許電子存在。價帶靠近原子核，電子能量較低。在絕緣體中，價帶中所有允許電子存在的狀態都被電子填充，成為滿帶。當價帶被電子完全填充時，電子無法相對運動，也就不能導電。

不妨做這樣一個比喻。一個個的電子是一個個的小人，價帶和導帶里允許電子存在的狀態是電影院里一個個的座位。禁帶是座位和座位之間的空地，因為沒有座椅，所以人（電子）不會坐在那裡。價帶能量低，就好比電影院里靠近熒幕的好座位，人（電子）會首先選擇靠前的座位，也就是先把價帶填充滿。因為價帶里的座位坐滿了人，成為滿帶，所以人（電子）不方便移動，不導電。導帶是後方就空的座位，沒有什麼人，人可以很輕鬆的從一個位置移動到另一個位置。

如圖，從上到下能量依次減小（Ev價帶，Ec導帶，Ef費米能級）

一般常見的金屬材料，因為其傳導帶與價帶之間的「能隙」非常小甚至重疊在一起，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至傳導帶而導電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於9電子伏特），電子很難跳躍至傳導帶，所以無法導電。一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特，介於導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發，或是改變其能隙之間距，使價帶的電子躍遷到導帶，此材料就能導電。

回到那個電影院的比喻。電子的躍遷就好比是，在外界能量激發下（比如想和女朋友去後排親熱，對半導體來說，可以是外界溫度、光照等等），有一個人放棄了前排的好座位，從價帶穿過禁帶到了導帶，坐在了後排空曠的位置上。在後排，他可以自由的移動，也就是材料可以導電了。

另外注意一下Ef費米能級。費米能級指的是絕對零度下電子所能佔據的最高能級，通過摻雜，我們可以改變費米能級的位置。

2.
PN結

PN結就是P型半導體和N型半導體通過工藝接觸在一起的結構。在說N型、P型半導體之前，先說一下空穴的概念。空穴實際上是一個等效的概念。當電子離開原有位置，便在此留下一個帶正電的空穴。周圍所有電子的運動都可以等效為這一個空穴的運動。還是可以繼續沿用那個電影院的比喻。空穴就是一個沒有人坐的空座位。假設價帶有一個空座位，那麼坐在價帶帶的人（電子）可以移動，A從他原有的座位換到那個空座位，然後B又可以坐到A留下的那個空座位。A.B以及之後其他人（電子）的移動，都可以等效地看作是那個空座位的移動。空穴在價帶的移動，同樣可以導電。

然後，我們來看P型、N型半導體。它們是通過在半導體中摻雜得到的。未經摻雜的半導體，價帶會有部分電子受熱激發到導帶，在導帶移動，同時在價帶留下可移動的空穴，使半導體導電。導帶的電子和價帶的空穴濃度時相同的。但是，電子和空穴的濃度都很低，電導率不高。而通過摻雜，可以大大提高半導體中電子或空穴的濃度。

N型半導體以在硅中摻雜磷為例。硅最外層4個電子，磷最外層5個電子。摻雜後，半導體部分原子（硅原子）被雜質原子（磷原子）取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。於是，就成為了含自由電子濃度較高的半導體即N型半導體，N即為negative，代表帶負電的電子。與未摻雜的半導體不同的是，N型半導體中電子濃度遠大於空穴濃度。同時，N型摻雜使得費米能級高於未摻雜時。

P型半導體的製備與此類似。摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個「空穴」，這個空穴可能吸引束縛電子來「填充」，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的「空穴」，成為能夠導電的物質。P即positive，代表導電的是帶正電的空穴。與未摻雜的半導體不同的是，P型半導體中空穴濃度遠大於電子濃度。同時，P型摻雜使得費米能級低於未摻雜時。

現在，我們姑且可以認為P型半導體是有很多可自由移動的空穴的半導體，N型半導體是有很多可以自由移動的電子的半導體。當N型半導體與P型半導體接觸時，P型、N型半導體由於分別含有較高濃度的「空穴」和自由電子，存在濃度梯度，又因為導帶的電子、價帶的空穴可以自由移動，所以二者之間將產生擴散運動。擴散的自由電子和空穴相互結合，使得原有的N型半導體的自由電子濃度減少，帶正電，同時原有P型半導體的空穴濃度也減少，帶負電。在兩種半導體中間位置形成一個耗盡區，這個位置，電子和空穴由於擴散和複合而被耗盡。同時，因為N型半導體失去電子帶正電，P型半導體失去空穴帶負電，耗盡區形成了由N型半導體指向P型半導體的電場，成為「內電場」，這個電場阻止N區的電子繼續向P區移動，或P區的空穴向N區移動。

如圖（圓點是電子，圓圈是空穴）濃度差使空穴從左向右運動，電子從右向左運動；內建電場使空穴從右向左運動，電子從左向右運動。兩中作用最終達到平衡，在耗盡區形成內電場。

用能帶理論也可以解釋PN結的形成。當N型半導體與P型半導體接觸時，兩者的費米能級要保持一致，從而使導帶和價帶發生了扭曲，產生了內建電勢，阻止N區的電子繼續向P區移動，或P區的空穴繼續向N區移動。如圖

3.
LED發光

通過在PN結上加上外加電壓，可以改變內電場，原有的內電場和濃度差兩種作用達到的平衡就被打破，耗盡區的厚度改變，如圖。

當在PN結上加上與內建電場相反的電壓時，內電場減小，不足以阻止電子和空穴的擴散運動。N區的電子進入P區，與p區的空穴複合；同理，P區的空穴進入N區，與N區的電子複合。如果這種複合是直接的帶與帶之間的複合，就有光子發射，波長由半導體禁帶寬度決定。

4.
藍光LED的難度與重要性

前面已經說過了，半導體的禁帶寬度決定LED發光的波長。要得到短波長的藍光就需要寬禁帶的半導體。而這樣的材料，要麼亮度不夠，要不成膜困難。這就是為什麼在紅光和黃光LED出現了三十幾年之後，我們才得到了藍光的LED。

至於藍光LED的重要性，各位知友都說過了。現在的顯示屏利用的是三原色的顯色原理，即利用紅黃藍三原色的疊加，得到各種可見光。如果缺少了藍光，LED顯示就難以實現，LED白光燈也是。

藍光LED的重要性，不在於它用了多麼創新的科技，而在於它對LED照明和顯示的實用化的巨大貢獻。

用MOCVD長過一年氮化鎵和銦鎵氮的怒答。中村修二的主要貢獻應該是長出了高質量的p型摻雜的氮化鎵，因為高摻雜濃度，高遷移率的p型摻雜氮化鎵不容易實現，中村修二通過mg摻雜再高溫快速退火之後得到了高質量的p型氮化鎵。由於n型摻雜比較容易實現，有p型，n型之後，那就很簡單了，p和n複合發出藍光波長的光。集合紅綠藍三原色就可以召喚出白光了。
中村修二得諾獎是遲早的事，終於是如願。恭喜！（老闆九十年代初在東京大學做類似的研究，沒做出來，現在已哭暈在實驗室，哈哈。）

因為紅光LED和綠光LED已經問世很久，但是藍光LED直到三十多年後才被發明出來。主要困難在於幾種能發藍光的材料要麼亮度不夠要麼成膜困難無法用作大規模生產。
LED的用途與重要性不必多說，缺少藍色LED，所有的顯示屏都不能正常顯示顏色。
而且最簡單的白光LED製作方法是在藍光LED裡面加別的熒光粉。所以沒有藍光，連LCD顯示屏都要受影響。另外藍光DVD的寫入數據用得藍色激光也是用的這個技術。
受邀惶恐，不知所言。

我對LED獲獎還是感到很開心因為大三的時候做過一段時間，也是AlGaN深紫外LED，AlGaN除了寬禁帶還有個優點是直接帶隙（忘了不確定）。
這個技術難點簡單的說就是兩點，一個是生長，一個是摻雜，最終目標是提高發光效率。比如用緩衝層解決晶格失配，讓缺陷橫向生長等等。注入的電子一般在摻雜成的量子肼里複合發光。生長一般用的是MOCVD（金屬氣相沉積）MBE（分子束外延），關鍵是各種溫度濃度進氣速率一堆參數要調，不過那台設備主要是溫度上不去，溫度到1300，1400缺陷就很少了，最好的MOCVD設備是日本的，人家不賣，德國的也要一千多萬。不知道康老闆後來有沒有再買一台。
P.S. LED國內大概還遠比不上台灣，不要說日本了，聽說還有不少買來SiC摻一些別的繼續賣的，都是坑。還有一些土豪完全也就是燒錢，低端的產能過剩，現在不知道怎麼樣了

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我就不科普了。再說我也不是學物理的。我就來講一個故事（真的是我一個個字打的）。您有錢捧個錢場，有人捧個人場，謝謝了啊~~

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中村傳奇

中村是個日本人。

一個本來很普通的日本人。

一個原本可能籍籍無名一輩子就那樣過去的日本人。

但是他明顯不是個那樣的人。

今年的諾貝爾物理學獎頒發給了他，以及另外兩個日本人。

哦，也許不該說中村是日本人了。因為他已經有了美國國籍。

一、初章中村修二確實二

中村的全名叫中村修二。有點二。下面就叫中村了。

中村只是個碩士。德島大學出品。德大不算最好的，但是在日本還能排進前三十。

中村的專業是電子工程學。德大主要的學科倒是工學。研究生畢業以後中村不想干專業了，想玩材料開發去。他的導師就給他推薦了一個企業，叫日亞化學（多好的導師啊還管介紹工作！給我來一打！）。

中村為什麼會去日亞那麼一個鄉村小企業呢？因為他大學裡就結婚了。按照日本人強烈的家庭觀念，結婚了就不能去大城市闖蕩了，只能在家鄉呆著。所以，他選擇留在了德島市。

當時的日亞化學只有200多個員工，到處都是令人掩鼻的臭雞蛋味（硫化氫）。中村心想，這旮旯咋辣么臟啊！原本是想去東京大阪啥的闖蕩一下的，沒想到一不小心就結婚了。都是愛情的力量啊！也許中村得了諾貝爾獎，也應該先感謝一下老婆吧？

進了日亞才發現，咦，I`m the first Electronic Engineeringgaduate！但是很遺憾，沒有加薪……一開始中村負責提煉製造半導體的金屬材料鎵。實驗室就是停車場。小公司嘛，因陋就簡了。後來公司又讓中村做磷化鎵，就是下面那貨。那時候公司窮啊，啥都買不起啊，中村果然不愧是工科生啊！於是就自己一點點做設備開始研究。這才是真正的白手起家啊！

做磷化鎵需要用石英管（就是比較高級的玻璃管），把磷和鎵放在石英管的兩端，然後抽真空高溫加熱，反應就完成了。問題在於，想當年石英管還比較貴，現在就是幾十塊錢最多上百的玩意嘛，當年日亞窮啊！買不起啊！必須循環使用……於是沒辦法，每次循環的時候石英管因為密封不嚴密都可能爆炸，還好這玩意不是很容易傷人再說就中村自己做試驗，於是沒發生很大的人命事故……但是天天下班的時候都要嘭！的一聲為大家送別，也有點受不鳥啊。中村也想和公司申請用新技術降低爆炸的危險，但是老闆完全不鳥他啊。你算哪根蔥，肯定是你自己的問題！不管。

到1982年，中村終於脫離苦海，因為磷化鎵已經研製成功了，雖然不怎麼值錢。此時距離中村碩士畢業已經三年了。

不搞磷化鎵了，中村又開始搞砷化鎵。因為根據營業部可靠情報，砷化鎵明顯會比磷化鎵更值錢。企業嘛，就是奔著錢去的。只不過這次和上次一樣，還是沒錢買設備……於是中村又拿起了自己的電焊機。學焊工哪家強？日本日亞也不錯嘛。

當然，日亞的員工依然每天都能按時聽到爆炸聲。搞完了砷化鎵，又搞了砷鋁鎵。不過令人苦惱的是，這些材料都不怎麼賺錢。日亞也很愁啊，你看我給你提供了實驗場地（雖然就是個停車場），還給你提供了實驗設備（雖然沒花幾個錢），但是我們是私人公司啊，要賺錢啊。不過，這三種材料對於中村來說還是很驕傲的。畢竟從研究、製造到質量管理、直至銷售,全部是中村一個人擔當的。簡直就是一個人頂起了半邊天啊！

儘管如此，殘酷的現實還是不停地打擊著中村。做出來的東西不賺錢，自己不能升職，不能加薪，老婆孩子不能住上大house，腫么辦啊！再這樣下去，不如分分鐘切腹自殺好了。

二、次章梅花香自苦寒來

於是中村決定開始攢大招。他久經挑選，選擇了一個看起來能發大財的項目，高亮度藍色發光二極體。就是這個東西讓中村獲得了諾貝爾獎，也讓我們每家每戶都能用上節能燈。你敢說你家沒節能燈嗎？(當然普通節能燈和熒光燈還不是一回事。不過這個比較深，我就不說了哈（其實是我也不懂）)

首先是日亞派中村去美國溜達了一圈，學了點技術（估計這時候就心動了）。然後回來，公司也把高亮度藍色發光二極體當作了公司的重點攻關項目，下錢下人，出了血本，就是想撈一把。能不能成功？當然能。因為我們有中村啊。

一開始的氮化鎵發光二極體是pn結型結構，暫時稱之為結構1。結構1比較老舊，發的光也比較暗。中村一眼就覺得這玩意不靠譜，於是一門心思想研發雙異質結構的發光二極體，簡稱結構2。但是公司老闆是個山炮啊，他就是想快點賺錢，再快點賺錢。於是成天催中村趕緊做個差不多的結構1發光二極體出來就得了，趕緊賣錢是正道。但是中村不為所動，陽奉陰違，一心一意搞自己的研究，沒想到還真給他研究出來了！還就用了不到3個月！1992年的9月份,雙異質結構的氮化鎵發光二極體終於試製成功了。但是因為顏色比結構1的還暗，所以老闆完全沒放在心上。但是中村心裡不服，憋著一股勁，把實驗過程不斷寫成論文。

這一下子中村在業界出名了。因為別人都沒做出來嘛。全球各地的科研人員給中村的信像雪片一樣飛來，當時要是有電子郵箱就好了。終於，經過始終不斷地陽奉陰違（哦不，是不斷努力），高亮度藍色發光二極體終於產生啦！比市面上的產品亮一百倍！一百倍啊！

日本東北大學的西澤潤一校長看到這一成果，立即就要送中村一頂博士帽。西澤校長真是高瞻遠矚，早就看出這小子有得諾貝爾的希望嘛。

產品發布會以後，日亞公司上上下下頓時陷入了連續不斷的人潮中。因為大家都對這個東西很感興趣。不過日亞老闆把所有人都拒絕了。因為日亞的信念就是自力更生。可能也正因為此，日亞才能變成現在LED業界數一數二的公司。當然中村也有自己的信念，你不幹，我干！於是別人都做不出來的氮化鎵高亮度藍光二極體，他做出來了。你可能會問，藍色發光二極體與我們現在的白光節能燈有啥關係？其關係是，藍光的能量比較高，能在熒光粉作用下激發出黃光，大家都知道光線是三原色，只要有三原色就會出現白光。所以只有藍光二極體才是節能燈的真正始祖。藍光光碟也是。

中村此後又相繼研發了藍綠色發光二極體，高亮度綠色發光二極體，以及藍色半導體激光器。所有這一切都是在日本科研人員不承認地情況下自己一個人偷偷做出來的。辛苦終於獲得碩果。我想，中村最得意的不是發明了這麼多東西，而是獲得了周圍人的承認吧。畢竟這種成就感和滿足感……你懂的。

不過中村依然有自己的煩惱。在一次採訪中他說，在日本公司里，「不管你取得了多大的成就，你的職位和薪水都不會有什麼變化——不光是日亞，別的公司也這樣。」等到他真正做出來的時候，只拿到了區區2萬日元的獎勵，專利也不歸個人所有。後來中村實在無法忍受了，於是一氣之下就在1999年跳槽到了大美利堅。2002年，中村又一紙訴狀告上法庭，要求日亞支付200億日元賠償。2005年東京高等法院裁定，日亞化學支付中村修二8億4000萬日圓，雙方和解。就這也要近5000萬人民幣呢，更不用說一開始的200億了，那可是11億大洋啊！

三、終章二又如何自NB

總之呢，這就是中村的故事了。現在他已經在美國加州大學聖巴巴拉分校一邊享受加州美好的陽光一邊喝橙汁啦！簡直是屌絲逆襲的典範啊。知道怎麼才能屌絲逆襲了嗎？

很簡單，就是要有一點二的精神。別人不幹的，你干。別人不敢做的，你做。別人不能做的，你自己想辦法做。不要覺得沒資源沒能力，沒能力可以學，沒資源就自己創造資源。不要覺得學歷多重要，沒有博士頭銜也能得諾貝爾獎。當然最重要的是，如果你真的想得個諾貝爾，先學會發論文……最好英語。

失敗不可怕，重要的是要失敗的有意義。不成功也不要急，早晚會成功的，只要你能堅持下去。就是這樣，也許下一個傳奇，就是你。

參考網址：

【今日諾獎】中村修二與藍光二極體的傳奇

【諾獎八卦2】中村修二是怎麼跑到美國的？等

圖片來自網路。已經發布在本人專欄：大白說諾貝爾（物理）中村傳奇 - 暴力科普教派公告欄與最新科技評述 - 知乎專欄

其實，是因為他們用了很多當時很高大上的激光調製技術，壓制了當時很屌的背景雜訊，成功的觀測了單分子吸收光譜。

1. 市售的白光led幾乎全部是用藍光led管芯加黃色熒光粉製成的（所以白光led中間看起來都是一塊黃色點）
2. 有了藍光led以後led的三原色才齊備，有了三原色之後「全彩」才成為可能（可參見雙基色和三基色/全彩led顯示屏的效果差異）
因此，可以說沒有藍光led就沒有現在的led照明和顯示行業。

好吧，一個難懂的量子理論，我也不太懂，不過無非是給一定的能量，得到能量的激發發光，這個和今年的諾獎熒光顯微鏡一樣呀。
簡單地比喻跑步，紅光就像我們正常人跑一百米，13秒成績很容易，黃光要成績好點，11秒吧，一般人訓練訓練也能達到，但這個藍光，要破世界記錄才行。
這就是說的禁帶，要發出藍光，禁帶很寬，必須要在很多應用技術上突破。

上張簡單明了的圖，對於像我這樣不是專業的普通人應該能更好理解。

這是日本推友Yui_Ma_Ka發的一張圖，簡單明了的說明了藍光LED在現實生活中的重要性。有了藍光LED才有了色彩艷麗的車站指示牌。

最主要一點是藍光晶元激發黃色熒光粉合成白光LED,給光源帶來了技術革命,促進了各方面的使用,而LED也被稱了第四代光源.
早期LED只有綠光,紅光的時候,主要使用在交通信號指示燈中,

LED是一個簡單的PN結，正向電壓下，P區和N區的空穴和電子入對面區域，分別與作為多數載流子的電子和空穴分別複合然後輻射產生光子。發光的顏色取決于波長，而且波長則與此PN結的材料禁帶寬度有關。簡單說來就是波長（nm）=1240 / 禁帶寬度（eV）. 所以要發出短波長的藍光需要寬禁帶寬度的材料。
傳統的白光LED有兩種方法實現，一個是將紅，藍，綠三種顏色的LED放在一起，通過變換組合可以發出各種不同顏色的光，包括白光。飛利浦最新的HUE就是通過這種技術控制室內空間的氣氛。
另外一種辦法是用InGaN的基片和YAG釔鋁石榴石封裝在一起，InGaN材料的LED發出藍色光，YAG熒光粉被藍光激發後發出黃色的光。這種藍色和黃色混合的光可以基本覆蓋光譜從而產生白光。
所以無論哪種方法，藍光都是必須的。找到InGaN這種寬禁帶材料對發展和利用LED照明有著很重要的貢獻。

不請自來，中村這次拿獎個人覺得就是給日本企業打臉。
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【サンタバーバラ（米カリフォルニア州）時事】青色発光ダイオード（LED）の開発でノーベル物理學賞の受賞が決まった米カリフォルニア大サンタバーバラ校教授の中村修二さん（60）は7日、同校で記者會見し、「怒りがすべてのモチベーションだった。怒りがなければ何も成し遂げられなかった」と研究生活を振り返った。
時事通信 10月8日(水)より
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大意是研究期間所有的動力來自於憤怒。
受了多少罪。。。

早上才跟公司的技術者聊到這個話題，在職期間的一切科研成果禁止對外，都屬於公司所有，並簽署法律文件。至少在光電半導體行業大部分日本企業都是這樣的研發環境。

有興趣的可以看下日經BP社報道的關於中村的特集。https://big5.nikkeibp.com.cn/news/elec/72306-201410080857.html

跑題了，摺疊我吧。

利益相關--和日亞化學是同業他社，但我真不是黑它。

1.白光led是公認的取代白熾燈和節能燈的革命性光源，而通過藍光led添加黃色熒光粉的辦法製成白光led是目前最經濟高效可靠的方法！
2.藍光是三基色中能量最低的光，所以藍光led的製成難度在工藝和材料上都非常高，造成它誕生的晚。
3.這三人主要的貢獻在製成藍光led的創新工藝和材料，比如氮化鎵的金屬有機物化學氣相沉積法等。

當今的物理學理論的大發現已經很困難，而且還需要實驗證明。所以應用類的物理學獎近幾年居多，但是不是像題主說的那麼簡單，發明也要看難度和影響。

藍光二極體的意義在於可以用其製作白光LED，徹底改變人類的照明工具，提高發光效率，節約電能。根據人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發光(藍色光+黃色光)或三波長發光(藍色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍色光，所以攝取藍色光已成為製造白光的關鍵技術。

GaN藍光二極體的研發耗費了科學家十幾二十年的時間，很多科學家都放棄了，最後是幾個日本科學家成功的製備了藍光二極體，看看中村修二去UCSB之後和日亞公司打官司索賠200億日元（11億多元人民幣）可以看出這項發明的價值，最後日亞賠償了中村修二8億4000萬日元（4700多萬人民幣）。

儘管此前紅光LED和綠光LED已經存在了很長一段時間，並被應用於機器儀器的顯示光源，但由於光的三原色包含紅、綠、藍，藍色光源的缺失，令照明的白色光源始終無法創建。無論是在科學界還是工業界，如何造出藍光LED曾困擾了人們數十年。

1973年，當時在松下電器公司東京研究所的赤崎勇最早開始了藍光LED的研究。後來，赤崎勇和天野浩在名古屋大學合作進行了藍光LED的基礎性研發，1989年首次研發成功了藍光LED。而中村修二當時任職於日亞化學工業公司，他的實用化研究讓該公司於1993年首次推出LED照明成品，從而引發了照明技術革新。

LED燈高效節能且壽命長久，能持續照亮約10萬小時，而白熾燈和熒光燈的壽命僅為1000小時和1萬小時。這種燈誕生以來也一直在不斷提高發光效率，最新紀錄達到了每瓦功率產生300流明的亮度，相當於白熾燈的15倍。

諾貝爾獎評選委員會在關於獲獎成就的聲明中指出：「白熾燈照亮了20世紀，那麼21世紀將是被LED燈照亮的。」

三基色中只有藍色led還沒有發明。這個發明以後，人類可以通過led合成白光，用於照明，而這將大大節約能源。21世紀將是led燈照明的時代