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发光二极管为何能得诺奖?

2017-10-13    

中国照明网报道

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导语: 在2014年,2014年诺贝尔物理学奖揭晓,日本及美国三位科学家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamur)获奖。获奖理由是“发明了高效蓝光二极管,带来了明亮而节能的白色光源”。

  旧石器时期,先民们开始有意识的保留火种,改善了他们的生存环境,不仅仅是熟食,更是夜晚的光亮、对付猛兽的工具。但直到一百多年以前,爱迪生发明电灯,我们获取光明的手段才获得变革。在2014年,2014年诺贝尔物理学奖揭晓,日本及美国三位科学家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamur)获奖。获奖理由是“发明了高效蓝光二极管,带来了明亮而节能的白色光源”。

点亮未来世界 发光二极管为何能得诺奖?

2014年诺贝尔物理学奖三位获得者

  寻求夜的光明

  亘古不变的是自然的星光。但是以前只有满月才能将大地照亮,文明与否的区别就在于我们能否用自己的科技为黑夜带来明光。一开始我们只能靠燃烧油脂,西方的国家捕鲸很多,用鲸鱼的鱼油制作蜡烛,我国则是蜂蜡或是动物白蜡。知道后来石油工业发达了,才改用的便宜的饱和长链烃做蜡烛。

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明年初有望看到《电流大战》这部电影,讲诉爱迪生的直流电VS特斯拉的交流电

  这种燃烧的方式显然安全性不高。所以爱迪生发明电灯的故事家喻户晓。在今年底,“卷福”本迪克特·康伯巴奇扮演的爱迪生将搬上大荧幕,我们有望看到。爱迪生发明以及后面改良的白炽灯,虽然带来了光明,但是它们的特点是发光的效率并不高。

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LED让今天的台灯设计更有艺术性(松下产品)

  今天我们的光源正在从白炽灯、荧光灯向发光二极管(LED)转变。但是很多人不知道的是为了寻找蓝色发光二极管,人类的科学家用了整整30年!如此艰难才找到了蓝色的、具有工业量产意义的LED制作办法,终于凑足了三原色,可以实现白光了!LED的照明注定属于我们现在生活的世纪,这层意义上来说,授予诺贝尔奖并不过分。

  二极管与发光二极管

  之前笔者在讲英特尔历史的时候说过,在20世纪50年代,也就是二极管、三极管走出实验室的年代,其实有很多企业都在从事这方面的研究,这其中就包括德州仪器,今天德州仪器更知名的是DLP这种投影技术。


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最早的LED,不过当时发的是红外光,不是可见光

  在1957年6月3日,James R.Biard从德州农业机械大学获得博士学位毕业后的第三天,他加入了德州仪器公司从事研发工作,一开始是与沃尔特一起从事第一个低漂移直流晶体管功放电路。到了1959年,Biard与Gary Pittman一起合作进行德州仪器的半导体研究。他们最开始研究的是砷化镓(GaAs)变容半导体在X射线频段接收器上的应用。到了1961年九月,他们共同发现了在正向偏置隧道二极管的半绝缘基板上出现的红外辐射,于是使用了一台从日本购买的红外转换显微镜,测量了当时所有德州仪器生产的砷化镓变容二极管以及隧道二极管。

  

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美国专利3293513

  到了1961年的10月,Biard和Pittman演示了高效率的使用砷化镓p-n结发射器发射以及信号耦合以及电隔离半导体光电探测器。1962年8月8日,Biard以及Pittman申请了描述具有间隔的阴极接触的锌扩散的p-n结LED,这种LED在正向偏压下有效发射红外光。美国国家专利局认为此专利申请及研究要早于IBM、RCA、MIT林肯实验室、GE实验室、贝尔实验室,授予美国专利号3293513,这是史上最早的LED的专利。

  诺贝尔奖公平吗?

  在2014年诺贝尔奖宣布的时候,有很多人非常不平,因为这个颁发给LED的诺贝尔奖,跳过了最早发现的红色、绿色LED,直接给了蓝色,公开表达不满的就包括尼克·何伦亚克,他第一个发明了可见光发光二极管。

  

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何伦亚克和他的红色二极管

  

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何伦亚克的激光二极管是今天非常多的产品的基础

  尼克·何伦亚克本人持有40多项专利,其中为人熟知的还有著名的半导体红色激光发射装置的专利,这个专利是后来CD唱盘机、蜂窝电话的基础。为何何伦亚克这么牛呢?我们说Biard他们是最早的LED专利,但是当时发生出来的是红外线,而何伦亚克的专利发射出来的是可见红光!这个发现发表于1962年,当时他在GE(通用电气)的研究机构工作,具体的原理比较复杂,名字叫做III-V合金半导体。这个红色发光半导体开启了一扇大门,半导体照明的大门。

  

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当年风华正茂的何伦亚克在GE的研究院

  在1965年推出的商用的红色LED,价格大约是45美元。但是早期的LED发光效率很低,只是能发光而已,还不如同时期的白炽灯泡,每瓦的发光只有0.1流明,而当时白炽灯的水平是每瓦15lm。

  

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George Craford发明了黄色LED

  到了1972年,何伦亚克的学生乔治克拉夫德才发明了黄色光的LED,并且改进了二极管的发光效率。1976年T.P.Pearsall发明了适合光纤传输的特殊发光二极管,具有高亮度、高效率的特性。

  关键的蓝光二极管

  红色和绿色二极管都很快的发现,但是要组成白光,作为三原色,蓝光二极管的发现一只困难重重。传统的磷砷化镓之类的方法无法实现。

  

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1968年的Marusaka

  

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最早的实验室里的蓝色光LED

  

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早期的蓝光LED专利

  1972年,斯坦福大学由材料科学与工程博士生Herb Maruska和Wally Rhines使用镁掺杂氮化镓制造出的第一个蓝紫色LED。当时,Maruska在RCA实验室休假时与Jacques Pankove进行了有关工作。在1971年,Maruska离开RCA去斯坦福大学后的一年,他的RCA同事Pankove和Ed Miller展示了锌掺杂氮化镓的第一个蓝色电致发光设备,随后的Pankove和Miller推出一连串成果,制造出第一个实际的氮化镓发光二极管发射绿色光。 1974年,美国专利局授予Maruska,Rhines和Stanford教授David Stevenson 1972年的专利(美国专利US3819974A),今天,氮化镓的镁掺杂仍然是所有商业蓝色LED和激光二极管的基础。在20世纪70年代初,这些器件对于实际使用来说太暗,并且对氮化镓器件的研究放缓。 1989年8月,Cree推出了基于间接带隙半导体碳化硅(SiC)的首款商用蓝色LED。Cree的 碳化硅LED具有非常低的效率,不超过约0.03%,但是在可见光光谱的蓝色部分发射。

  

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中村秀二和蓝色LED

  剩下的问题变成了如何提高蓝色二极管的发光效率。在80年代后期,氮化镓外延生长和p型掺杂的关键突破迎来了GaN基光电子器件时代。在这个基础上,波士顿大学的Theodore Moustakas获得了使用新的两步法生产高亮度蓝色LED的方法,两年后,1993年,日亚公司的中村修二再次使用与Moustakas相似的氮化镓生长工艺再次证明了高亮度蓝光LED。 Moustakas和中村都获得了独立的专利,这使得发明人是谁变得有点乱(部分原因是虽然Moustakas发明了他的第一个,中村却是首先提出)。但无论如何,这个新的发展彻底改变了LED照明,使大功率的蓝光实用。

  中村修二的遭遇

  中村的发明可以说没怎么得到日亚公司的帮助,因为他并不被公司看好,前面说了他用的是氮化镓技术,但是这个技术的效率太低,当时业内普遍的方向是氧化锌和硒化锌,同样从事这个方向研究的还有名古屋大学的赤崎勇师徒。他们几乎是在同一时段进行实验并最终取得成果,接着又互相提高对方的实验成果。

  

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蓝光LED的原理

  

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当年在日亚不受重视的中村

  日亚还抢注了他的专利,只给了这个对蓝光二极管发明人两万日元的奖金……愤怒的中村远赴美国,居然还被日亚要求签署协议,三年不得从事蓝光二极管研究。日亚用中村的专利销售蓝光二极管赚的盆满钵满,直到2004年,愤怒的中村状告日亚要求其支付发明补偿金并胜诉。法院判决日亚应支付给中村补偿金200亿日元。最终,这个金额缩水到了8.4亿日元。这场前无古人的诉讼激励了很多发明者在法庭上寻求帮助,他们当中的很多人赢了诉讼或者获得庭外和解。如今,中村诉日亚一案已成为专利诉讼教材的指标性案例。

  

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科研人员如何保护好自己的果实?

  中村更为在意的似乎是东京地方法院的这一判断:“发明者的贡献度即使保守估算也不低于50%。原告几乎靠一己之力完成了世界性的发明。”

  蓝光到白光的两种路径

  蓝光LED发明之后,RGB三原色凑齐,可以发射白光。但是从红色可见光LED发明到中村的发明,人类科学界寻找合适的材料和适合商品化生产的方法,整整用了长达三十年的时间,这也是为何把诺贝尔奖颁发给中村修二以及赤崎勇师徒。

  

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便宜的RGB LED已经应用到了键盘上

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蓝光+荧光得到的近似白光LED

  另外一种获得近似白光的办法则是咋蓝色LED上结合黄色的荧光粉,这样也可以得到近似的白光,是一种经济的办法,我们很多手电筒、手机的闪光灯都是这种技术的产物。

  

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发光技术对比,LED还有环保、不含汞的特性

  LED的突出特色有两个:高效率、长寿命。LED的寿命非常长,而且基本上LED的使用寿命的影响因素很多并不是因为半导体的原因,而是整个LED元器件的其它电路基板发生的故障。LED的应用就不多说了,今天LED灯泡都在取代传统的白炽灯、荧光灯,并且演化出来更行各业的不同应用,就我们能感受到的,最近十年LED的价格下降了非常多。

实习编辑:梁洁莹

来源:中关村在线

标签:发光二极管  蓝光  诺贝尔  LED  

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