創意力、知恵と明るい，進撃のLED

04-26

本文來自作者十五言賬號

創意力、知恵と明るい，進撃のLED

2014年諾貝爾獎，日本和非洲的勝利

2014年諾貝爾物理學獎得主赤崎勇、天野浩和中村修二

2014年10月7日，諾貝爾物理學獎不出意外的頒給了凝聚態物理（固體物理分支）

諾貝爾物理學獎四年的周期

考慮到日本在理論物理（長岡半太郎-仁科芳雄系）和電子工程領域（產研結合）的世界性研究能力。2014年諾貝爾物理學獎頒頒給日本人在意料之外卻也在情理之中。

日本名城大學教授赤崎勇（Isamu Akasaki）、名古屋大學教授天野浩（Hiroshi Amano）和美國加州大學聖塔芭芭拉分校教授中村修二（Shuji Nakamura）成為了2014年的幸運兒。

「荒野里孤獨的前行者，只為那一抹藍光」
——日本《產經新聞》2014年10月8日

LED（Love Electronic Design，哦，抖個機靈）

一個小小的LED元件

發光二極體（LED）是一類特殊的二極體，首先作為二極體，半導體晶元構成了發光二極體的單元，這些半導體材料在製造時注入或摻雜其他元素以構成p、n架構，並且和普通二極體一樣，常常在N型襯底上沉積P型半導體，並且用電極聯結。（特殊的氮化鎵也可能用到藍寶石襯底）

同樣，作為二極體，發光二極體LED只能在p（陽極）到n（陰極）方嚮導通，被稱為「正向偏置」，當電流通過時，電子與空穴（等效為正電子）兩種載流子複合而發出光子（有可能在可見光波段或離開可見光波段）。被稱為電致發光效應。光線的波長、顏色（對應頻率）和半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關（準確說是取決于禁帶能量）。由於硅和鍺是間接帶隙材料，在常溫下，這些材料內電子與空穴的複合是非輻射躍遷。由於非輻射躍遷不能放出光子，故而，硅和鍺二極體不能發光（在極低溫度和特定角度下才有可能看到極其微弱的光）。所以LED的半導體材料一般是直接帶隙型的。能量會以光子釋放，對應的便是宏觀的發光現象。

LED的偏置與正向電流成對數關係，功耗大致與電流成正比。因此，穩定的電流才能保證穩定的亮度。

也正是因為LED存在極性，如果施加反向電壓，電流會相當微弱（微安數量級），對應的稱為「反向偏置」，並不會發光。

如果施加的是交變電壓，只有正向時才能點亮LED，故而會出現閃爍。不過考慮到人眼的分辨能力，如果交變頻率極高，肉眼也可能看出的是連續穩定的發光點，可以有效的降低工作溫度並高效節能。當然啦，必須要限定電壓額度，必須防止輸入值高於擊穿電壓造成LED的擊穿損壞。

通過三價和五價元素構成複合光源是LED的特色。LED誕生的標誌是1962年何倫亞克在通用電氣開發的紅光LED。早期亮度極低，被惠普公司買下專利後用作指示燈。而今天，半個世紀後的今天，LED已經大量應用於並且推動了顯示和照明的發展。

從何而來，為何在此，向何而去？

最早使用半導體來實現發光的歷史可以追溯到1907年。

在那一年，義大利無線電先驅馬可尼的同事亨利·羅德(Henry J. Round)在一塊碳化硅晶體通電時第一次觀察到了極其微弱的發光現象。由於其發出的黃光太暗，沒有太多實用價值，研究不久後便停滯了。二十年代晚期，古登(BernhardGudden)和威查德（Robert Wichard）在德國的實驗室使用鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發光。再一次因發光暗淡而停止。

儘管當時的光線相當微弱。然而蘇聯物理學家奧列格·羅塞夫(Oleg V. Losev)還是在1927年繼續對發光原理進行了詳盡考察，再次確認了Round效應。遺憾的是他依然沒有意識到背後的物理原理。

直到上世紀五十年代電致發光原理正式提出，半導體與發光效應的關係才得以明確。

1962年，尼克·何倫亞克(Nick Holonyak Jr.)及其在通用電氣（GE）公司的團隊利用磷砷化鎵（GaAsP）材料製成了紅色發光二極體，這也成為了第一顆可見光LED，被普遍視為LED之祖。在此之前的1961年，德州儀器公司的兩位研究人員發現了半導體合金的紅外放射作用，但卻沒有進一步應用化的嘗試。

何倫亞克和日本物理學家西澤潤一可謂是東西半球半導體學界的兩位皇帝，共同執世界半導體發展之牛耳。

何倫亞克老爺子給我印象最深的還是他一個獨特的小發明：閘流器（一個有趣的小裝置，可以切換交流和直流電源）

1965年開始，紅外光LED開始商業化，這一年的晚些時候，磷砷化鎵（GaAsP）材料的紅光LED開始商業化。

到了1968年，出現了氮摻雜砷化鎵（GaAs）LED

到了70年代早期，出現了磷化鎵（GaP）綠光LED和碳化硅黃光LED，隨著新材料的不斷普及，LED的發光效率提升極快。LED的發光光譜也拓展到了橙光、黃光和綠光。

早期的紅光LED和綠光LED體積極大（相對於集成原件）

值得一提的是，60-70年代的LED發光效率其實非常低，早期磷砷化鎵LED的光效只有白熾燈的百分之一。即使是氮摻雜磷砷化鎵LED的光效也只能達到白熾燈的十分之一。

這麼低的發光效率意味著當時的LED毫無照明的潛力，只能利用其高可靠性來的服務於指示燈。直到七十年代中後期光效獲得一定上升後，才開始用於文字和圖案顯示。

赤崎勇教授退休後轉到私立名城大學，這是日本學術界的傳統

1986年，名古屋大學教授赤崎勇以低溫沉積氮化鋁（AlN）緩衝層技術成功生產高品質的氮化鎵（GaN）晶體。

1989年，赤崎勇推動p型GaN潔凈化成功並且首次觀察到p型材料劇烈發光，並且以氮化鎵（GaN）的pn構成了藍色發光二極體，赤崎勇教授當時的博士生天野浩在其中扮演了極其重要的作用，也奠定了2014年獲獎基礎。

要不大家都說天野浩是最幸運的博士生呢

1990年，赤崎勇將GaN置於室溫之下，在紫外線暴露中誘導放射成功。

1992年，赤崎勇製成人類第一個高亮度藍光LED。

曾經的學渣+垃圾員工

1993年，日本德島縣日亞化工的基礎研究員中村修二對名古屋大學的赤崎勇、天野浩師徒有關p型氮化鎵（GaN）的早期研究提出了正確的見解。隨後用摻入鎂的氮化銦鎵（InGaN）材料製造出了超高亮紫外、藍光（正是藍光LED的成就奠定了中村獲獎的基礎並且推動了藍光LED的產業化）和綠光LED，用磷化鋁鎵銦(AlGaInP)半導體製造出了超高亮紅色、黃色LED。

1995年，GaN/GaInN的量子多重化電流注入進行誘導放射成功。

1999年，輸入功率達到1W的LED獲得了商業化。

幾十年來，LED的發展目標主要是提高光效。到2006年，白光LED的光效已經達到130lm/W。成為僅次於氣體放電燈的高效光源。到了2013年，實驗室數據白光LED光效達到了驚人的300lm/W，這是半個世紀前LED光效的數千倍，最新一代的LED已經成為效率最高的光源。

最近的研究表明，LED甚至能發射出純紫外光、能發射出"黑色"紫外光。甚至有樂觀的看法認為不久的將來能夠開發出能發射X射線的LED。

為何是你，是他，還有他？

2014年12月10日，瑞典斯德哥爾摩

諾貝爾基金會對三人不吝褒獎，但赤崎勇、天野浩師徒和中村修二獲獎後獲得了來自北美一些同僚的質疑。不出意料的是，這些質疑集中在對於何倫亞克和西澤潤一先生意外錯失諾獎的不滿。在很多人看來，瑞典皇家科學院跳過紅色和綠色LED的發明者並不公平。

西澤潤一教授對於激光二極體和光纖技術的促進意義深遠，加之桃李滿天下。遺憾錯失2009年和2014年諾貝爾物理學獎讓人扼腕

但瑞典諾貝爾委員會委員長Per Delsing在日本《讀賣新聞》的專訪中進行了反駁：

「仔細研究發明的貢獻度之後，有十足信心決定這三個人獲獎」

誠然，這種說法很正確。

我喜歡用21世紀的普羅米修斯來描述中村修二的工作。

人類照明技術的進步

從人類文明伊始，沒有人工光源的年代，人類對於自然光源的崇拜使用「god」的描述。

無論是太陽神還是雷神，自然的光帶給生物的震撼是不言而喻的。

《普羅米修斯》，普羅米修斯的偉大在於他盜取的不僅僅是火種，而是能量，是信念，是人類的希望。

而到了人工光源的年代，人類追求的不僅僅是掌控光，還需要更加高效和高亮度的人工光源。

當代高昂的電力使得節能照明的意義不斷地加深。

由於單個LED光子頻率集中，所以基本可以認為是單色LED，而自然界白光（陽光）光譜卻是連續光譜的混合色，所以LED做出的「白光」（分立譜）和自然界的白光區別非常大。

白光LED通過GRB三原色的混合獲得，或者利用熒光劑轉化單色光來刺激肉眼。

GRB，光的三原色

由於光的三原色包含紅、綠、藍。集齊三種原色，就可以組合出所有的顏色，包括顯示器需要的彩色和照明需要的白色。而藍色光源長期缺失，令照明所需要的的白色光源始終無法完整的創建。無論是在學術界還是工業界，製成藍光LED都是極為困難的挑戰。

關於照明的意義，人類從愛迪生之前就已經明確。

有趣的是諾貝爾獎評獎委員會的聲明：

「白熾燈照亮了20世紀，那麼21世紀將是被LED燈照亮的。」

LED燈高效節能且壽命長久，能持續照亮達到10萬小時，而白熾燈和熒光燈（日光燈）的壽命僅為1000小時和10000小時。而且LED自誕生以來也一直在不斷提高發光效率，2013年實驗室發光紀錄達到了300lm/W，而白熾燈只能達到可憐的15lm/W。

從原理上講，LED燈具中，電能被直接轉換為光子的形式，這大大提升了發光的效能，因為在其他燈具技術中，電能首先是被轉化為熱，只有很有限的部分轉化成了光子。白熾燈和鹵鎢燈一樣，電流被用於加熱一根金屬燈絲，從而實現發光。在熒光燈（日光燈）管中(日光燈曾經被稱為低耗能燈，但隨著LED照明技術的出現和普及，這一名稱失去了價值，相比較於LED照明，日光燈的效率已經非常糟糕)，氣體進行放電，隨後的過程中同時發熱和發光。

考慮到全世界上四分之一以上的的電力用於照明，LED照明技術的發展對於能源是有決定性意義的。在加勒比海和非洲，電力是高昂的資源，不僅因為限制了家用電器而導致生活品質無法保障。事實上對於教育和疾病治療也意義深遠。LED照明僅僅需要依靠當地低成本的太陽能電源就能連續高效使用。不僅解決了全球15億電力使用困難的人群照明費用高昂的問題，對於LED燈發展出的殺蟲技術也從根本上降低了熱帶疾病的風險，LED技術同時促進了對於貧困地區兒童視力的保護，節省出的電力讓數以億計的家庭獲得了更多電器的體驗。

獲獎前的2014年9月，赤崎先生在接受採訪時就對媒體雄心勃勃地描述：「LED的普及將改變世界。我相信LED還可以挖掘出更大的可能性。只要身體允許，今後我還會繼續從事晶體、光、半導體的研究。」

事實上各國對於LED的普及和推動是相當熱心的，筆者的家中已經響應號召開始大規模更換LED照明

2005年美國所有的交通信號指示燈已被LED所取代；美國汽車產業也會於10年內停止使用白熾燈而採用LED燈，包括汽車前燈。大多數的大型戶外顯示屏也採用成千上萬個LED以便產生高質量視頻效果。不久，LED將會照亮我們的家、辦公室甚至街道。高效節能的LED意味著太陽能充電電池能夠通過太陽光為其充電，從而能夠把光源帶到第三世界及其他沒有電能的地方。曾經暗淡的發光二極體現在真正預示著LED新時代的來臨。LED具有無限美妙的廣闊空間和未來，美國、日本、韓國等國家和地區，均已經進行了LED戰略發展規劃和部署。美國2000年制定的「NGLP」已被列入國家能源法案，主要內容有：減少2.58億噸碳污染，少建133座新的發電廠，2010年55％的白熾燈和熒光燈由LED取代，2025年LED產業突破500億美元大關，提供百萬人的就業機會等。日本於1998年制定了「21世紀照明計劃」，2006年已實現全國過半的照明系統改為LED照明，目前日本已經在實施第二階段發展計划了，即2010年以前實現120Lm/W光效的LED產業化。

顯示技術

LED照明的成功同樣意味著LED可以充當其他需要光源的角色。

如顯示屏幕。

事實上，如果沒有藍光LED的開發，無法有效得到所有必要的顏色

理論上講紅色和綠色LED只能得到三種顏色：紅色、綠色和黃色

而三原色可以得到剩下的四種顏色。

完整的配色系統加上中村的微量和產業化貢獻，使得手機和電腦屏幕可以用數以億計的LED組構成，每一組都配備三個單色LED，每一次的組合可以激發一個任意可見光顏色的像素。連續的LED組發光欺騙了肉眼，得到了連續的顯示圖案。

考慮到顯示設備的要求，LED的功效更加明顯。可以試想，如果用白熾燈單元來構造屏幕，除了只有黑白兩色，還要考慮到幾乎可以充當烤爐的溫度。可以說，沒有LED技術，尤其是沒有藍光LED技術，今天的電子時代是不可想像的。

值得一提的是對於電子設備屏幕，OLED技術更加關鍵。美國羅徹斯特大學的鄧青雲教授起到了關鍵作用（OLED之父）。OLED技術促成了更廉價和柔軟的顯示技術，但使用壽命低於LED。不過各大電子技術企業已經在快速提高OLED屏幕的壽命了。

LED，摩爾定律，相愛相殺？

LED的發展不單純是它的顏色的演變，還有亮度的進步。驚人的是，像計算機一樣，LED亮度遵守摩爾定律。每隔18個月它的亮度就會增加一倍。

很不可思議。

那麼日趨艱難的摩爾定律是否會和晶元工藝一樣在隨後一個十年迅速終結呢，拭目以待。

用何倫亞克老爺子的話說「LED技術還在嬰兒期」（詳細見附錄）

MED

前提是。。。。。如果你還記得前面那個梗的話。

我的一個粗糙的想法是

「光電倍增LED」

聽起來逼格很高，其實是想利用逆康普頓效應，利用光子激發放大信號。

應用方向是中微子探測器或者暗物質探測器。

尤其是考慮到中微子振蕩效應，如果用分立的LED版光電倍增管，可以有效區分三類中微子並且有利於精確測定參數。

（這個先挖坑，下次詳細說）

超級神岡探測器，密集恐懼症慎入！

小柴昌俊、戶冢洋二和梶田隆章師徒三人領導的超級神岡探測器項目完成了對於超新星中微子的觀測並通過中微子振蕩解釋了太陽中微子失蹤之謎，但是對於更多的細節還需要進一步詮釋。

目前超級神岡探測器項目使用的是日本浜松株式會社提供的光電倍增管（浜松株式會社狂宰了一把，不過還是拿到了IEEE里程碑）

希望光電倍增LED可以有效區分三類中微子，促進該領域的研究。

附錄：（感受一下老爺子的風格）

《連線》雜誌設計頻道對現為伊利諾斯大學教授的何倫亞克進行了採訪，向他詢問了LED的歷史，同時也討論了LED的未來。以下是此次專訪的內容摘要：

　　《連線》：LED最初取得的市場反應是怎樣的？
　　何倫亞克：當我認識到自己也走在開發LED的道路上的時候，我已經用自己製作的合金在可見激光領域中打敗了整個世界。《讀者文摘》（Reader』sDigest）的一名編輯在1963年2月份給我打了電話，指出了一個事實，那就是LED最終將覆蓋整個光譜，成為白光的來源。那就是當時發生的事情，但我覺得這件事情發生的時間像是遠沒有50年那麼久。

　　《連線》：激光？
　　何倫亞克：當時有很多猜測認為，光可能無法具有相干性，就像是微波信號一樣；或者，如果光能具有相干性，人眼也可能看不到，因為在此以前人眼一直都只能看到非相干光。

　　雖然其他人都認為紅寶石不能成為一種光源，但一位名為希歐多爾·梅曼（TheodoreMaiman）的科學家當時提出了一個想法，即紅寶石能被用作微波激射器，但沒人曾利用紅寶石製作出激光。他最終取得了成功，我想那應該是在1960年5月份，當時他演示了一束激光是如何生成的。在他展示了第一束激光以後，所有一切都開始掙脫樊籠。
　　在1962年，羅伯特·萊迪克（RobertRediker）領導下的麻省理工學院的林肯實驗室（LincolnLaboratories）稱，他們製造了一種能發射許多自發光的二極體，而且能使用這種二極體來發射紅外i線信號。當他們在該年7月份召開的一次會議上發布有關這種二極體的報告時，我們許多人都說，是否有可能將其變成相干光，比如說激光？

　　《連線》：這與梅曼已經做過的事情有什麼區別嗎？
　　何倫亞克：就梅曼的激光而言，那是一種類似於在照相時使用的閃光。你可以釋放出一束強烈的白光，然後這束白光被紅寶石棒吸收，然後紅寶石棒把所有紅色鉻原子都提升到更高的狀態，再釋放出來，就變成了一束激光。那是一個初級過程推動次級過程的程序。你所看到的所有光線都是熱源，而熱能讓原子輕輕震動，從而釋放出某種光線。與其說它是照射器，倒不如說是加熱器更好一些。

　　我所說的激光則是從一端進入，然後從另一端出來的光線，在這一路程中它本身就是光線生成器，那就是二極體激光。
　　《連線》：最初的LED有多大？

　　何倫亞克：非常小。當然，你可以讓其變得更大一些，而且人們也已經這樣做了。你知道，在半導體能應用的領域中，半導體總是會勝出，橫掃普通的電子產品。
　　《連線》：當時的LED看起來跟今天很像嗎？

　　何倫亞克：你今天所看到的LED是處在一個價格低廉的平台上的，但那隻不過是一種形式而已。實際上，LED能以各種各樣的形式製作出來，品種和幾何圖形都能有所不同。
　　《連線》：我們還能做些什麼？

　　何倫亞克：還能做很多事情來讓其變得更加合適。我們仍在尋找更好的方式來製造晶體，進行化學研究工作，讓所有事情都各就其位。
　　我在通用電氣製作了第一塊合金。後來我又製作了其他一些半導體合金，它們變得更好了——那就是你現在可以看到的合金，它們能發出紅橙色的光，然後是黃色的光。然後，其他人改用其他形式的合金，能讓其發出藍色的光；但在將藍光轉換為綠光時，他們遇到了更大的困難。而且，還沒有人能非常好地解決獲得黃光的問題。

　　《連線》：但在經過這些發展以後，LED已經成為了主流使用的光源。
　　何倫亞克：從整體上來說，LED正開始接管智能照明市場，從特殊智能照明到所有類型的智能照明都是如此。就現在而言，整個世界都在使用形式和顏色各異的LED。

　　《連線》：那麼，我們將會看到LED的使用量繼續增長嗎？
　　何倫亞克：你可以只把LED視為一種光源，但也可以讓其以激光的形式出現，用在外科手術和光敏化等領域，而你不能用一個電燈泡來做到同樣的事情。那就像是說，我要把一個用真空管做成的心臟起搏器放在一個病人體內——那隻能是個玩笑。

　　你能用LED來製作一系列東西，無論是在醫藥、儀器還是汽車領域中都是如此。有些汽車公司已經完全做到了汽車上的所有車燈都是發光二極體，這使得無論是車頭燈、尾燈還是指示燈都無需更換，因為LED燈能持久使用。
　　而這並不是尾聲，實際上從某種程度上來說，LED正處於「嬰兒期」。雖然從時間上來說LED早已過了嬰兒期，但我的感覺是未來它還要再走很長很長的路，就此而言則還是處在嬰兒期中。

　　《連線》：你還在從事這項工作嗎？
　　何倫亞克：不，我和我的合作夥伴有其他事要做。在晶體管中有一種粒子流原本是無用的，但現在也已經變成了一種光發射體，也就是激光信號，所以現在我們擁有了兩種形式的信號，能成為新一代晶元的組成部分。

　　光學信息的傳播要好於電子信息。電子會在從一個地方轉移到另一個地方的過程中失去力量，而光學信號則要好得多。光學信號也能用來製作一種晶元，但這是需要10年、20年、30年甚至是40年的不懈努力才能做到的事情。

參考資料：

[1]LED，百度百科，

發光二極體_百度百科

[2]LED，維基英文版，

發光二極體_百度百科

[3]發明者何倫亞克談LED的歷史與未來，阿拉丁新聞，

發明者何倫亞克談LED的歷史與未來

[4]2014年諾貝爾物理學獎專題，諾貝爾基金會官網，

Nobelprize.org

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